随着科技的突飞猛进，数控系统应用越来越广泛，逐步渗透到多个领域，钣金行业冲床也在经历着这一场数控化革命。数控系统、伺服驱动、伺服电机等部件构成了数控冲床送料轴的电气雏形，使数控冲床朝着智能化、数字化方向发展。其中PID参数应用是数控冲床不可或缺的部分，伺服驱动器三环控制的PID参数调节让伺服电机响应更快、精度更高，从而使数控冲床朝着更快、更宽的道路发展。
数控冲床从20世纪30年代世界上第一台冲床诞生以来，冲床由单一的普通冲床发展到今天的数控冲床，由原来单一零件逐个加工到现在多个零件智能化加工，数控系统在冲床上发挥着无可替代的作用。
数控系统是数字控制系统的简称，英文名称为Numerical Control System，是一种对计算机存储器中的程序或者数值功能进行执行，同时配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。通过数字、文字和符号组成的数字指令可实现一台或多台机械设备动作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和开关量。
目前市场上应用的数控系统主要有国外的FANUC系统、Siemens系统、BECKHOFF系统等；国内的有GSK（广州数控）、华中世纪星系统、凯恩帝系统等。冲床领域主要应用的是FANUC系统，Siemens系统。比如AMADA冲床与金方圆冲床都是FANUC系统，通快冲床和亚威冲床应用的是Siemens系统。
伺服驱动装置伺服装置是数控系统的重要组成部分。伺服驱动器（servo drives）又称“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统中一部分，主要应用于高精度定位系统。一般通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制，实现高精度传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。
机械结构
X/Y轴是数控机床中重要的机械传动装置，主要是水平方向运动结构，其部件主要由传动部件以及支撑部件组成。
数控冲床的X/Y轴普遍采用滚珠丝杠将伺服电机的旋转运动转变为直线运动，并实现工作台运动。滚珠丝杠副是实现数控机床运行的重要传动构件，且体现了较高的传动效率，灵敏度、稳定度、刚度、耐久性也在长期应用中表现良好。
支撑丝杠的是轴承座与轴承，轴承座与轴承共同组成轴的支撑构件，它们是影响到数控机床整体加工精度的重要构件。滚珠丝杠副的支撑模式主要有以下三种：一是将一端固定，另一端自由；二是采用一端固定，一端游动；三是两端皆固定。应用最广泛的则是两端皆固定的形式，这样能够提供更高的精度，且整体刚度较强，利于提高机床加工精准度。
电气结构
冲床的数控系统（CNC）通过总线形式与伺服驱动进行通讯，对X/Y轴实现精准的位置规划与控制。伺服电机主要靠CNC系统指令来实现位置控制，在实现位置控制的过程中，我们需要对伺服驱动进行优化，伺服驱动优化的目的是让机电系统的匹配达到最佳，以获得最优的稳定性和动态性能。在数控机床中，机电系统的不匹配通常会引起机床振动、加工零件表面过切、表面质量不良等问题。尤其在数控冲床加工中，对伺服驱动的优化是必须的。
数控系统伺服驱动包括3个反馈回路，即位置回路、速度回路以及电流回路，其组成的框图如图2所示。最内环回路反应速度最快，中间环节反应速度必须高于最外环，如果没有遵守此原则，将会造成振动或反应不良。
图1 送料轴简化模型
图2 驱动控制图
伺服系统要求
⑴调速范围宽，可以在电机的速度范围内实现快速的无极变速。
⑵定位精度高，可以达到0.001mm。
⑶有足够的传动刚性和高的速度稳定性。
⑷快速响应，无超调，为了保证生产率和加工质量，除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。因为数控系统在启动、制动时，要求加、减加速度足够大，来缩短进给系统的过渡过程时间，减小轮廓过渡误差。
⑸低速大转矩，过载能力强。一般来说伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以上的过载能力，在短时间内可以过载4～6倍而不损坏。
⑹可靠性高。要求数控机床的进给驱动系统可靠性高、工作稳定性好，要具有较强的温度、湿度、振动等环境适应能力和很强的抗干扰能力。
电机要求
基于上述要求，我们需要对数控冲床送料轴进行驱动优化，在优化的过程中最重要的是对电流环、速度环、位置环的参数优化，其重点在于PID参数的控制与应用。
PID参数控制与应用三环分析
运动伺服一般都是三环控制系统，从内到外依次是电流环，速度环，位置环。
⑴电流环。电流环的输入是速度环PID调节后的那个输出，称为“电流环给定”，电流环的这个给定和“电流环的反馈”值进行比较后的差值在电流环内做PID调节输出给电机，“电流环的输出”就是电机的每相相电流。“电流环的反馈”不是编码器的反馈，而是在驱动器内部安装在每相的霍尔元件（磁场感应变为电流电压信号）反馈给电流环的。
⑵速度环。速度环的输入就是位置环PID调节后的输出以及位置设定的前馈值，称为“速度设定”，这个“速度设定”和“速度环反馈”值进行比较后的差值在速度环做PID调节（主要是比例增益和积分处理）后输出就是上面讲到的“电流环的给定”。速度环的反馈是来自于编码器反馈后的值经过“速度运算器”得到的。
⑶位置环。位置环的输入就是外部的脉冲（通常情况下，直接写数据到驱动器地址的伺服例外），外部的脉冲经过平滑滤波处理和电子齿轮计算后作为“位置环的设定”，设定和来自编码器反馈的脉冲信号经过偏差计数器计算后的数值经过位置环的PID调节（比例增益调节，无积分微分环节）后输出和位置给定的前馈信号合值构成了上面讲的速度环给定。位置环的反馈也来自于编码器。
PID参数
⑴P（比例）就是将差值进行成比例的运算，它的显著特点是有差调节，有差的意义就是调节过程结束后，被调量不可能与设定值准确相等，它们之间一定有残差，残差具体值可以通过比例关系计算出。增加比例将会有效减小残差并增加系统响应，但容易导致系统激烈振荡甚至不稳定。
⑵I（积分）就是使调节器的输出信号变化速度与差值信号成正比。如果差值大，则积分环节的变化速度大。这个环节的正比常数的比例倒数在伺服系统里通常称为积分时间常数，积分时间常数越小意味着系统变化速度越快，所以如果增大积分速度（也就是减小积分时间常数）将会降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的振荡过程。这个环节最大的好处是被调量最后是没有残差的，也称为无差调节。
⑶D（微分）是根据差值的方向和大小进行调节的，调节器的输出与差值与时间的导数成正比，微分环节只起到辅助调节作用，它可以与其他调节结合成PD和PID调节。它的好处是可以根据被调节量（差值）的变化速度来进行调节，而不要等到出现了很大的偏差后才开始动作，赋予了调节器以某种程度上的预见性，增加了系统对微小变化的响应特性。
PID参数综合利用
驱动器的PID参数控制应用的好坏对数控冲床送料系统起着至关重要的作用，送料系统动态响应快，定位精度高，需要对三环的PID参数综合利用。
⑴电流环的参数（驱动器与电机为同一厂家，比如西门子驱动与电机）一般都是在驱动器内部设定好的，操作使用者不需要更改。
⑵速度环主要进行PI（比例和积分），比例就是增益，所以我们要对速度增益和速度积分时间常数进行合适的调节才能达到理想效果。对速度环的要求是速度要求响应快，同时又没有速度超调，或者当速度有超调的时候，可以在很短的时间内衰减到稳态阈值。
图3是速度环响应图，红色是给定速度曲线，蓝色是实际速度曲线，PI参数的调试使蓝色曲线尽量低、和红色曲线重合。蓝色曲线的超调很小，无衰减振荡，在最短的时间达到稳态值。
图3 速度环响应图
⑶位置环主要进行P（比例）调节。对此我们只要设定位置环的比例增益就好了。位置调节影响最终送料轴位置精度，在这个调节过程中，不能有超调，超调就意味着位置超差，从而影响最终加工精度。
位置环、速度环的参数调节没有什么固定的数值，要根据外部负载的机械传动连接方式、负载运动方式、负载惯量、负载对速度、加速度要求以及电机本身的转子惯量和输出惯量等很多条件来决定。调节的简单方法是根据外部负载的情况，在大体经验的范围内将增益参数从小往大调，积分时间常数从大往小调，以不出现振动超调稳态值为最佳值进行设定。
当位置模式需要调节位置环时，最好先调节速度环（此时位置环的比例增益设定为经验值的最小值），调节速度环稳定后，调节位置环增益，适量逐步增加，位置环的响应最好比速度环慢一点，不然也容易出现速度振荡。
结束语PID参数在数控冲床送料轴的控制与应用中，提高了送料的动态响应时间、位置定位精度，从而提高了冲床的冲压精度和效率，使钣金件在质量和产量上得到了保证。数控系统数字化、自动化、智能化的发展势头，也促使数控冲床更加的智能化与自动化。
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