摘要：作為數(shù)控機床的重要功能部件，伺服系統(tǒng)的特性一直是影響系統(tǒng)加工性能的重要指標。數(shù)控機床中的伺服系統(tǒng)種類繁多，本文通過分析其結(jié)構(gòu)及簡單歸分，對其技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢作簡要探討。

1前言

    伺服系統(tǒng)是以機械運動的驅(qū)動設備，電動機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構(gòu)，在自動控制理論的指導下組成的電氣傳動自動控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)控制電動機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，實現(xiàn)運動機械的運動要求。具體在數(shù)控機床中，伺服系統(tǒng)接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的位移、速度指令，經(jīng)變換、放調(diào)與整大后，由電動機和機械傳動機構(gòu)驅(qū)動機床坐標軸、主軸等，帶動工作臺及刀架，通過軸的聯(lián)動使刀具相對工件產(chǎn)生各種復雜的機械運動，從而加工出用戶所要求的復雜形狀的工件。作為數(shù)控機床的執(zhí)行機構(gòu)，伺服系統(tǒng)將電力電子器件、控制、驅(qū)動及保護等集為一體，并隨著數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)、特種電機材料技術(shù)、微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制技術(shù)的進步，經(jīng)歷了從步進到直流，進而到交流的發(fā)展歷程。

2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

    進入20世紀90年代，微電子制造工藝的日臻完善，使得DSP運算速度呈幾何數(shù)上升，達到了伺服環(huán)路高速實時控制的要求，一些運動控制芯片制造商還將電機控制所必需的外圍電路(如A/D轉(zhuǎn)換器、位置/速度檢測倍頻計數(shù)器、PWM發(fā)生器等)與DSP內(nèi)核集成于一體，使得伺服控制回路采樣時間達到100μs以內(nèi)，由單一芯片實現(xiàn)自動加、減速控制，電子齒輪同步控制，位置、速度、電流三環(huán)的數(shù)字化補償控制。一些新的控制算法如速度前饋、加速度前饋、低通濾波、凹陷濾波等得以實現(xiàn)。另一方面，電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得伺服系統(tǒng)主電路功率元件的開關頻率由2～5kHz提升到15～20kHz，1GBT(絕緣柵門雙極性晶體管)及IPM(智能型功率模塊)均是這一時代的產(chǎn)物，從而提高了系統(tǒng)的平穩(wěn)性，降低了系統(tǒng)的噪音。以上兩個方面不僅是交流伺服實現(xiàn)數(shù)字化的基礎，而且使得交流伺服趨于小型化。目前一些工業(yè)發(fā)達國家的伺服系統(tǒng)生產(chǎn)廠家基本上均能夠提供全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)或者可以與自己的CNC系統(tǒng)相配套，如日本FANUC公司、三菱電機公司、安川電機公司、松下公司、山洋電機公司、德國Siemens公司、力士樂Indramat公司、Lenze公司、美國A.B公司、Kollmorgen公司、Relliance公司、Baldor公司、PacificScientific公司等。

    進給伺服以數(shù)控機床的各坐標為控制對象，產(chǎn)生機床的切削進給運動。為此，要求進給伺服能快速調(diào)節(jié)坐標軸的運動速度，并能精確地進行位置控制。具體要求其調(diào)速范圍寬、位移精度高、穩(wěn)定性好、動態(tài)響應快。根據(jù)系統(tǒng)使用的電動機，進給伺服可細分為步進伺服、直流伺服、交流伺服和直線伺服。

2.1步進伺服系統(tǒng)

    步進伺服是一種用脈沖信號進行控制，并將脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應的角位移的控制系統(tǒng)。其角位移與脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率可調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。如果停機后某些繞組仍保持通電狀態(tài)，則系統(tǒng)還具有自鎖能力。步進電動機每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，如500步、1000步、50000步等等，從理論上講其步距誤差不會累計。步進伺服結(jié)構(gòu)簡單，符合系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移動速度越低。特別是步進伺服易于失步，使其主要用于速度與精度要求不高的經(jīng)濟型數(shù)控機床及舊設備改造。但近年發(fā)展起來的恒斬波驅(qū)動、PWM驅(qū)動、微步驅(qū)動、超微步驅(qū)動和混合伺服技術(shù)，使得步進電動機的高、低頻特性得到了很大的提高，特別是隨著智能超微步驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，將把步進伺服的性能提高到一個新的水平。

2.2直流伺服系統(tǒng)

    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(zhuǎn)矩相關的是互相獨立的兩個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，可方便地進行轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速控制。另一方面從控制角度看，直流伺服的控制是一個單輸入單輸出的單變量控制系統(tǒng)，經(jīng)典控制理論完全適用于這種系統(tǒng)，因此，直流伺服系統(tǒng)控制簡單，調(diào)速性能優(yōu)異，在數(shù)控機床的進給驅(qū)動中曾占據(jù)著主導地位。然而，從實際運行考慮，直流伺服電動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。同時機械換向器的換向能力，限制了電動機的容量和速度。電動機的電樞在轉(zhuǎn)子上，使得電動機效率低，散熱差。為了改善換向能力，減小電樞的漏感，轉(zhuǎn)子變得短粗，影響了系統(tǒng)的動態(tài)性能。

2.3交流伺服系統(tǒng)

    針對直流電動機的缺陷，如果將其做“里翻外”的處理，即把電驅(qū)繞組裝在定子、轉(zhuǎn)子為永磁部分，由轉(zhuǎn)子軸上的編碼器測出磁極位置，就構(gòu)成了永磁無刷電動機，同時隨著矢量控制方法的實用化，使交流伺服系統(tǒng)具有良好的伺服特性。其寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動態(tài)響應及四象限運行等良好的技術(shù)性能，使其動、靜態(tài)特性已完全可與直流伺服系統(tǒng)相媲美。

3數(shù)控機床上的應用

    隨著微處理器技術(shù)和大功率晶體管技術(shù)的進展，現(xiàn)在又進入了交流主軸伺服系統(tǒng)的時代。

3.1交流異步伺服系統(tǒng)

    交流異步伺服通過在三相異步電動機的定子繞組中產(chǎn)生幅值、頻率可變的正弦電流，該正弦電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與電動機轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的感應電流相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)電動機的旋轉(zhuǎn)。其中，正弦電流的幅值可分解為給定或可調(diào)的勵磁電流與等效轉(zhuǎn)子力矩電流的矢量和；正弦電流的頻率可分解為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差之和，以實現(xiàn)矢量化控制。交流異步伺服通常有模擬式、數(shù)字式兩種方式。與模擬式相比，數(shù)字式伺服加速特性近似直線，時間短，且可提高主軸定位控制時系統(tǒng)的剛性和精度，操作方便，是機床主軸驅(qū)動采用的主要形式。然而交流異步伺服存在兩個主要問題：一是轉(zhuǎn)子發(fā)熱，效率較低，轉(zhuǎn)矩密度較小，體積較大；二是功率因數(shù)較低，因此，要獲得較寬的恒功率調(diào)速范圍，要求較大的逆變器容量。

3.2交流同步伺服系統(tǒng)

    近年來，隨著高能低價永磁體的開發(fā)和性能的不斷提高，使得采用永磁同步調(diào)速電動機的交流同步伺服系統(tǒng)的性能日益突出，為解決交流異步伺服存在的問題帶來了希望。與采用矢量控制的異步伺服相比，永磁同步電動機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩運行，特別適合強力切削加工。同時其轉(zhuǎn)矩密度高，轉(zhuǎn)動慣量小，動態(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(diào)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，為機床進行最優(yōu)切削創(chuàng)造了條件。

3.3電主軸

    電主軸是電動機與主軸融合在一起的產(chǎn)物，它將主軸電動機的定子、轉(zhuǎn)子直接裝入主軸組件的內(nèi)部，電動機的轉(zhuǎn)子即為主軸的旋轉(zhuǎn)部分，由于取消了齒輪變速箱的傳動與電動機的連接，實現(xiàn)了主軸系統(tǒng)的一體化、“零傳動”。因此，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、動態(tài)特性好等優(yōu)點，并可改善機床的動平衡，避免振動和噪聲，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機，其既可使用異步交流感應電動機，也可使用永磁同步電動機。電主軸的驅(qū)動一般使用矢量控制的變頻技術(shù)，通常內(nèi)置一脈沖編碼器，來實現(xiàn)廂位控制及與進給的準確配合。由于電主軸的工作轉(zhuǎn)速極高，對其散熱、動平衡、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(zhuǎn)和精密加工。

4數(shù)控機床發(fā)展趨勢

4.1高精度化

    提高數(shù)控機床的加工精度，一般可通過減少數(shù)控系統(tǒng)的誤差和采用機床誤差補償技術(shù)等方法來實現(xiàn)。在減少CNC系統(tǒng)控制誤差方面，通常采取提高數(shù)控系統(tǒng)的分辨率、提高位置檢測精度、在位置伺服系統(tǒng)中采用前饋控制與非線性控制等方法；在機床誤差補償技術(shù)方面，除采用齒隙補償、絲杠螺距誤差補償和刀具補償?shù)燃夹g(shù)外，還可對設備熱變形進行誤差補償。另外，伺服系統(tǒng)的質(zhì)量直接關系到數(shù)控機床的加工精度?，F(xiàn)代數(shù)控機床采用了交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，并采用新型控制理論可實現(xiàn)高速響應伺服系統(tǒng)。

4.2高速化

    要實現(xiàn)數(shù)控設備高速化，首先要求數(shù)控系統(tǒng)能對由微小程序段構(gòu)成的加工程序進行高速處理，以計算出伺服電機的移動量。同時要求伺服電機能高速度地做出反應，采用32位及64位微處理器，是提高數(shù)控系統(tǒng)高速處理能力的有效手段。實現(xiàn)數(shù)控設備高速化的關鍵是提高切削速度、進給速度和減少輔助時間。

4.3高柔性化

    采用柔性自動化設備或系統(tǒng)，是提高加工精度和效率、縮短生產(chǎn)周期，適應市場變化需求和提高競爭能力的有效手段。數(shù)控機床在提高單機柔性化的同時，朝著單元柔性化和系統(tǒng)柔性化的方向發(fā)展。如出現(xiàn)了可編程控制器（PLC)控制的可調(diào)組合機床、數(shù)控多軸加工中心、換刀換箱式加工中心、數(shù)控三坐標動力單元等具有柔性的高效加工設備、柔性加工單元(FMC)、柔性制造系統(tǒng)（FMS)以及介于傳統(tǒng)自動線與FMS之間的柔性制造線（FTU）。

4.4智能化

    為適應制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、自動化發(fā)展的需要，智能化正成為數(shù)控設備研究及發(fā)展的熱點，它不僅貫穿于生產(chǎn)加工的全過程（如智能編程、智能數(shù)據(jù)庫、智能監(jiān)控），還貫穿于產(chǎn)品的售后服務和維修中。

    ①自適應控制技術(shù)自適應控制可根據(jù)切削條件的變化，自動調(diào)節(jié)工作參數(shù)，使加工系統(tǒng)能保持最佳工作狀態(tài)，從而得到較高的加工精度和較低的表面粗糙度，同時也能提高刀具的使用壽命和設備的生產(chǎn)效率，達到改進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。

    ②專家系統(tǒng)技術(shù)將專家經(jīng)驗和切削加工的一般規(guī)律與特殊規(guī)律存入計算機中，以加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)，提供經(jīng)過優(yōu)化的切削參數(shù)。

    ③故障自診斷、自修復技術(shù)在整個工作狀態(tài)中，系統(tǒng)隨時對CNC系統(tǒng)本身以及與其相連的各種設備進行自診斷、檢查。

    ④模式識別技術(shù)應用圖像識別和聲控技術(shù)，使機器自己辨認圖樣，按照自然語音命令進行加工。

4.5復合化

    在零部件一體化程度不斷提高、數(shù)量不斷減少的同時，加工的產(chǎn)品形狀日益復雜。另外，產(chǎn)品周期的縮短要求加工機床能夠隨時調(diào)整和適應新的變化，以滿足各種各樣產(chǎn)品的加工需求，這就要求1臺機床能夠處理以往需要幾臺機床處理的工序。在保持工序集中和減少工件重新安裝定位的前提下，使更多的不同加工過程復合在一臺機床上，以減少占地面積，減少零件傳送和庫存，保證加工精度和節(jié)能降耗的要求。

4.6高可靠性

    為了提高數(shù)控機床的可靠性，數(shù)控系統(tǒng)采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)?；虺笠?guī)模的專用及混合式集成電路，以減少元器件的數(shù)景，提高可靠性通過硬件功能軟件化，以適應各種控制功能的要求，同時采用硬件結(jié)構(gòu)機床本體的模塊化、標準化和通用化及系列化，使得既提高硬件生產(chǎn)批量，又便于織生產(chǎn)和質(zhì)量把關。

4.7網(wǎng)絡化

    數(shù)控機床的網(wǎng)絡化，主要是指機床通過所配裝的數(shù)控系統(tǒng)與外部的其他控制系統(tǒng)或上位計算機進行網(wǎng)絡連接和網(wǎng)絡控制。隨著信息化技術(shù)在數(shù)控機床上的大量采用，越來越多的國內(nèi)用戶在進口數(shù)控機床時要求具有遠程通信服務等功能。

4.8開放式體系結(jié)構(gòu)

    開放式體系結(jié)構(gòu)可以大量采用通用微機的先進技術(shù)，如多媒體技術(shù)，實現(xiàn)聲控自動編程、圖形掃描自動編程等，其新一代數(shù)控系統(tǒng)的硬件、軟件和總線規(guī)范都是對外開放的，由于有充足的軟、硬件資源可供利用，不僅使數(shù)控系統(tǒng)制造商和用戶進行系統(tǒng)集成得到有力的支持，而且也為用戶的二次開發(fā)帶來極大方便，促進了數(shù)控系統(tǒng)多檔次、多品種的開發(fā)和廣泛應用。

5結(jié)論

    作為數(shù)控機床的重要功能部件，伺服系統(tǒng)的特性一直是影響系統(tǒng)加工性能的重要指標。圍繞伺服系統(tǒng)動態(tài)特性與靜態(tài)特性的提高，近年來發(fā)展了多種伺服驅(qū)動技術(shù)?？梢灶A見隨著超高速切削、超精密加工、網(wǎng)絡制造等先進制造技術(shù)的發(fā)展，具有網(wǎng)絡接口的全數(shù)字伺服系統(tǒng)、直線電動機及高速電主軸等將成為數(shù)控機床行業(yè)的關注的熱點，并成為伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向。