一、概述
伺服系統是以機械運動(dòng)的驅動(dòng)設備，電動(dòng)機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執行機構，在自動(dòng)控制理論的指導下組成的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統。這類(lèi)系統控制電動(dòng)機的轉矩、轉速和轉角，將電能轉換為機械能，實(shí)現運動(dòng)機械的運動(dòng)要求。具體在數控機床中，伺服系統接收數控系統發(fā)出的位移、速度指令，經(jīng)變換、放調與整大后，由電動(dòng)機和機械傳動(dòng)機構驅動(dòng)機床坐標軸、主軸等，帶動(dòng)工作臺及刀架，通過(guò)軸的聯(lián)動(dòng)使刀具相對工件產(chǎn)生各種復雜的機械運動(dòng)，從而加工出用戶(hù)所要求的復雜形狀的工件。
作為數控機床的執行機構，伺服系統將電力電子器件、控制、驅動(dòng)及保護等集為一體，并隨著(zhù)數字脈寬調制技術(shù)、特種電機材料技術(shù)、微電子技術(shù)及現代控制技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)歷了從步進(jìn)到直流，進(jìn)而到交流的發(fā)展歷程。數控機床中的伺服系統種類(lèi)繁多，本文通過(guò)分析其結構及簡(jiǎn)單歸分，對其技術(shù)現狀及發(fā)展趨勢作簡(jiǎn)要探討。
二、伺服系統的結構及分類(lèi)
從基本結構來(lái)看，伺服系統主要由三部分組成：控制器、功率驅動(dòng)裝置、反饋裝置和電動(dòng)機（圖1）�？刂破靼凑諗悼叵到y的給定值和通過(guò)反饋裝置檢測的實(shí)際運行值的差，調節控制量；功率驅動(dòng)裝置作為系統的主回路，一方面按控制量的大小將電網(wǎng)中的電能作用到電動(dòng)機之上，調節電動(dòng)機轉矩的大小，另一方面按電動(dòng)機的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉換為電動(dòng)機所需的交流電或直流電；電動(dòng)機則按供電大小拖動(dòng)機械運轉。
圖1 伺服系統的結構
圖1中的主要成分變化多樣，其中任何部分的變化都可構成不同種類(lèi)的伺服系統。如根據驅動(dòng)電動(dòng)機的類(lèi)型，可將其分為直流伺服和交流伺服；根據控制器實(shí)現方法的不同，可將其分為模擬伺服和數字伺服；根據控制器中閉環(huán)的多少，可將其分為開(kāi)環(huán)控制系統、單環(huán)控制系統、雙環(huán)控制系統和多環(huán)控制系統�？紤]伺服系統在數控機床中的應用，本文首先按機床中傳動(dòng)機械的不同將其分為進(jìn)給伺服與主軸伺服，然后再根據其他要素來(lái)探討不同伺服系統的技術(shù)特性。
三、進(jìn)給伺服系統的現狀與展望
進(jìn)給伺服以數控機床的各坐標為控制對象，產(chǎn)生機床的切削進(jìn)給運動(dòng)。為此，要求進(jìn)給伺服能快速調節坐標軸的運動(dòng)速度，并能精確地進(jìn)行位置控制。具體要求其調速范圍寬、位移精度高、穩定性好、動(dòng)態(tài)響應快。根據系統使用的電動(dòng)機，進(jìn)給伺服可細分為步進(jìn)伺服、直流伺服、交流伺服和直線(xiàn)伺服。
（一）步進(jìn)伺服系統
步進(jìn)伺服是一種用脈沖信號進(jìn)行控制，并將脈沖信號轉換成相應的角位移的控制系統。其角位移與脈沖數成正比，轉速與脈沖頻率成正比，通過(guò)改變脈沖頻率可調節電動(dòng)機的轉速。如果停機后某些繞組仍保持通電狀態(tài)，則系統還具有自鎖能力。步進(jìn)電動(dòng)機每轉一周都有固定的步數，如500步、1000步、50 000步等等，從理論上講其步距誤差不會(huì )累計。
步進(jìn)伺服結構簡(jiǎn)單，符合系統數字化發(fā)展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移動(dòng)速度越低。特別是步進(jìn)伺服易于失步，使其主要用于速度與精度要求不高的經(jīng)濟型數控機床及舊設備改造。但近年發(fā)展起來(lái)的恒斬波驅動(dòng)、PWM驅動(dòng)、微步驅動(dòng)、超微步驅動(dòng)和混合伺服技術(shù)，使得步進(jìn)電動(dòng)機的高、低頻特性得到了很大的提高，特別是隨著(zhù)智能超微步驅動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，將把步進(jìn)伺服的性能提高到一個(gè)新的水平。
（二）直流伺服系統
直流伺服的工作原理是建立在電磁力定律基礎上。與電磁轉矩相關(guān)的是互相獨立的兩個(gè)變量主磁通與電樞電流，它們分別控制勵磁電流與電樞電流，可方便地進(jìn)行轉矩與轉速控制。另一方面從控制角度看，直流伺服的控制是一個(gè)單輸入單輸出的單變量控制系統，經(jīng)典控制理論完全適用于這種系統，因此，直流伺服系統控制簡(jiǎn)單，調速性能優(yōu)異，在數控機床的進(jìn)給驅動(dòng)中曾占據著(zhù)主導地位。
然而，從實(shí)際運行考慮，直流伺服電動(dòng)機引入了機械換向裝置。其成本高，故障多，維護困難，經(jīng)常因碳刷產(chǎn)生的火花而影響生產(chǎn)，并對其他設備產(chǎn)生電磁干擾。同時(shí)機械換向器的換向能力，限制了電動(dòng)機的容量和速度。電動(dòng)機的電樞在轉子上，使得電動(dòng)機效率低，散熱差。為了改善換向能力，減小電樞的漏感，轉子變得短粗，影響了系統的動(dòng)態(tài)性能。
（三）交流伺服系統
針對直流電動(dòng)機的缺陷，如果將其做“里翻外”的處理，即把電驅繞組裝在定子、轉子為永磁部分，由轉子軸上的編碼器測出磁極位置，就構成了永磁無(wú)刷電動(dòng)機，同時(shí)隨著(zhù)矢量控制方法的實(shí)用化，使交流伺服系統具有良好的伺服特性。其寬調速范圍、高穩速精度、快速動(dòng)態(tài)響應及四象限運行等良好的技術(shù)性能，使其動(dòng)、靜態(tài)特性已完全可與直流伺服系統相媲美。同時(shí)可實(shí)現弱磁高速控制，拓寬了系統的調速范圍，適應了高性能伺服驅動(dòng)的要求。
目前，在機床進(jìn)給伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系統，有三種類(lèi)型：模擬形式、數字形式和軟件形式。模擬伺服用途單一，只接收模擬信號，位置控制通常由上位機實(shí)現。數字伺服可實(shí)現一機多用，如做速度、力矩、位置控制�？山邮漳M指令和脈沖指令，各種參數均以數字方式設定，穩定性好。具有較豐富的自診斷、報警功能。軟件伺服是基于微處理器的全數字伺服系統。其將各種控制方式和不同規格、功率的伺服電機的監控程序以軟件實(shí)現。使用時(shí)可由用戶(hù)設定代碼與相關(guān)的數據即自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)。配有數字接口，改變工作方式、更換電動(dòng)機規格時(shí)，只需重設代碼即可，故也稱(chēng)萬(wàn)能伺服。
交流伺服已占據了機床進(jìn)給伺服的主導地位，并隨著(zhù)新技術(shù)的發(fā)展而不斷完善，具體體現在三個(gè)方面。一是系統功率驅動(dòng)裝置中的電力電子器件不斷向高頻化方向發(fā)展，智能化功率模塊得到普及與應用；二是基于微處理器嵌入式平臺技術(shù)的成熟，將促進(jìn)先進(jìn)控制算法的應用；三是網(wǎng)絡(luò )化制造模式的推廣及現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的成熟，將使基于網(wǎng)絡(luò )的伺服控制成為可能。
（四）直線(xiàn)伺服系統
直線(xiàn)伺服系統采用的是一種直接驅動(dòng)方式（Direct Drive），與傳統的旋轉傳動(dòng)方式相比，最大特點(diǎn)是取消了電動(dòng)機到工作臺間的一切機械中間傳動(dòng)環(huán)節，即把機床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(cháng)度縮短為零。這種“零傳動(dòng)”方式，帶來(lái)了旋轉驅動(dòng)方式無(wú)法達到的性能指標，如加速度可達3g以上，為傳統驅動(dòng)裝置的10～20倍，進(jìn)給速度是傳統的4～5倍。從電動(dòng)機的工作原理來(lái)講，直線(xiàn)電動(dòng)機有直流、交流、步進(jìn)、永磁、電磁、同步和異步等多種方式；而從結構來(lái)講，又有動(dòng)圈式、動(dòng)鐵式、平板型和圓筒型等形式。目前應用到數控機床上的主要有高精度高頻響小行程直線(xiàn)電動(dòng)機與大推力長(cháng)行程高精度直線(xiàn)電動(dòng)機兩類(lèi)。
直線(xiàn)伺服是高速高精數控機床的理想驅動(dòng)模式，受到機床廠(chǎng)家的重視，技術(shù)發(fā)展迅速。在2001年歐洲機床展上，有幾十家公司展出直線(xiàn)電動(dòng)機驅動(dòng)的高速機床，快移速度達100～120m/min，加速度1.5～2g，其中尤以德國DMG公司與日本MAZAK公司最具代表性。2000年DMG公司已有28種機型采用直線(xiàn)電動(dòng)機驅動(dòng)，年產(chǎn)1500多臺，約占總產(chǎn)量的1/3。而MAZAK公司最近也將推出基于直線(xiàn)伺服系統的超音速加工中心，切削速度8馬赫，主軸最高轉速80000r/min，快移速度500m/min，加速度6g。所有這些，都標志著(zhù)以直線(xiàn)電動(dòng)機驅動(dòng)為代表的第二代高速機床，將取代以高速滾珠絲杠驅動(dòng)為代表的第一代高速機床，并在使用中逐步占據主導地位。
四、主軸伺服系統的現狀及展望
主軸伺服提供加工各類(lèi)工件所需的切削功率，因此，只需完成主軸調速及正反轉功能。但當要求機床有螺紋加 工、準停和恒線(xiàn)速加工等功能時(shí)，對主軸也提出了相應的 位置控制要求，因此，要求其輸出功率大，具有恒轉矩段 及恒功率段，有準�？刂�，主軸與進(jìn)給聯(lián)動(dòng)。與進(jìn)給伺服 一樣，主軸伺服經(jīng)歷了從普通三相異步電動(dòng)機傳動(dòng)到直流主軸傳動(dòng)。隨著(zhù)微處理器技術(shù)和大功率晶體管技術(shù)的進(jìn)展，現在又進(jìn)入了交流主軸伺服系統的時(shí)代。
（一）交流異步伺服系統
交流異步伺服通過(guò)在三相異步電動(dòng)機的定子繞組中產(chǎn)生幅值、頻率可變的正弦電流，該正弦電流產(chǎn)生的旋轉磁場(chǎng)與電動(dòng)機轉子所產(chǎn)生的感應電流相互作用，產(chǎn)生電磁轉矩，從而實(shí)現電動(dòng)機的旋轉。其中，正弦電流的幅值可分解為給定或可調的勵磁電流與等效轉子力矩電流的矢量和；正弦電流的頻率可分解為轉子轉速與轉差之和，以實(shí)現矢量化控制。
交流異步伺服通常有模擬式、數字式兩種方式。與模擬式相比，數字式伺服加速特性近似直線(xiàn)，時(shí)間短，且可提高主軸定位控制時(shí)系統的剛性和精度，操作方便，是機床主軸驅動(dòng)采用的主要形式。然而交流異步伺服存在兩個(gè)主要問(wèn)題：一是轉子發(fā)熱，效率較低，轉矩密度較小，體積較大；二是功率因數較低，因此，要獲得較寬的恒功率調速范圍，要求較大的逆變器容量。
（二）交流同步伺服系統
近年來(lái)，隨著(zhù)高能低價(jià)永磁體的開(kāi)發(fā)和性能的不斷提高，使得采用永磁同步調速電動(dòng)機的交流同步伺服系統的性能日益突出，為解決交流異步伺服存在的問(wèn)題帶來(lái)了希望。與采用矢量控制的異步伺服相比，永磁同步電動(dòng)機轉子溫度低，軸向連接位置精度高，要求的冷卻條件不高，對機床環(huán)境的溫度影響小，容易達到極小的低限速度。即使在低限速度下，也可作恒轉矩運行，特別適合強力切削加工。同時(shí)其轉矩密度高，轉動(dòng)慣量小，動(dòng)態(tài)響應特性好，特別適合高生產(chǎn)率運行。較容易達到很高的調速比，允許同一機床主軸具有多種加工能力，既可以加工像鋁一樣的低硬度材料，也可以加工很硬很脆的合金，為機床進(jìn)行最優(yōu)切削創(chuàng )造了條件。
（三）電主軸
電主軸是電動(dòng)機與主軸融合在一起的產(chǎn)物，它將主 軸電動(dòng)機的定子、轉子直接裝入主軸組件的內部，電動(dòng)機的轉子即為主軸的旋轉部分，由于取消了齒輪變速箱的傳動(dòng)與電動(dòng)機的連接，實(shí)現了主軸系統的一體化、“零傳動(dòng)”。因此，其具有結構緊湊、重量輕、慣性小、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，并可改善機床的動(dòng)平衡，避免振動(dòng)和噪聲，在超高速切削機床上得到了廣泛的應用。
從理論上講，電主軸為一臺高速電動(dòng)機，其既可使用異步交流感應電動(dòng)機，也可使用永磁同步電動(dòng)機。電主軸的驅動(dòng)一般使用矢量控制的變頻技術(shù)，通常內置一脈沖編碼器，來(lái)實(shí)現廂位控制及與進(jìn)給的準確配合。由于電主軸的工作轉速極高，對其散熱、動(dòng)平衡、潤滑等提出了特殊的要求。在應用中必須妥善解決，才能確保電主軸高速運轉和精密加工。
五、結論
作為數控機床的重要功能部件，伺服系統的特性一直是影響系統加工性能的重要指標。圍繞伺服系統動(dòng)態(tài)特性與靜態(tài)特性的提高，近年來(lái)發(fā)展了多種伺服驅動(dòng)技術(shù)�？梢灶A見(jiàn)隨著(zhù)超高速切削、超精密加工、網(wǎng)絡(luò )制造等先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，具有網(wǎng)絡(luò )接口的全數字伺服系統、直線(xiàn)電動(dòng)機及高速電主軸等將成為數控機床行業(yè)的關(guān)注的熱點(diǎn)，并成為伺服系統的發(fā)展方向。
滬公網(wǎng)安備31010802001143號
