數控機床中伺服系統的現狀及展望

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。本文介紹了數控機床的進給伺服系統、主軸伺服系統各個分類，并對其應用前景進行了展望。

　　一、概述

　　伺服系統是以機械運動的驅動設備，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行機構，在自動控制理論的指導下組成的電氣傳動自動控制系統。這類系統控制電動機的轉矩、轉速和轉角，將電能轉換為機械能，實現運動機械的運動要求。具體在數控機床中，伺服系統接收數控系統發出的位移、速度指令，經變換、放調與整大后，由電動機和機械傳動機構驅動機床坐標軸、主軸等，帶動工作臺及刀架，通過軸的聯動使刀具相對工件產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。

　　作為數控機床的執行機構，伺服系統將電力電子器件、控制、驅動及保護等集為一體，并隨著數字脈寬調制技術、特種電機材料技術、微電子技術及現代控制技術的進步，經歷了從步進到直流，進而到交流的發展歷程。數控機床中的伺服系統種類繁多，本文通過分析其結構及簡單歸分，對其技術現狀及發展趨勢作簡要探討。

　　二、伺服系統的結構及分類

　　從基本結構來看，伺服系統主要由三部分組成：控制器、功率驅動裝置、反饋裝置和電動機（附圖）。控制器按照數控系統的給定值和通過反饋裝置檢測的實際運行值的差，調節控制量；功率驅動裝置作為系統的主回路，一方面按控制量的大小將電網中的電能作用到電動機之上，調節電動機轉矩的大小，另一方面按電動機的要求把恒壓恒頻的電網供電轉換為電動機所需的交流電或直流電；電動機則按供電大小拖動機械運轉。

　　附圖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的伺服系統。如根據驅動電動機的類型，可將其分為直流伺服和交流伺服；根據控制器實現方法的不同，可將其分為模擬伺服和數字伺服；根據控制器中閉環的多少，可將其分為開環控制系統、單環控制系統、雙環控制系統和多環控制系統。考慮伺服系統在數控機床中的應用，本文首先按機床中傳動機械的不同將其分為進給伺服與主軸伺服，然后再根據其他要素來探討不同伺服系統的技術特性。

　　三、進給伺服系統的現狀與展望

　　進給伺服以數控機床的各坐標為控制對象，產生機床的切削進給運動。為此，要求進給伺服能快速調節坐標軸的運動速度，并能精確地進行位置控制。具體要求其調速范圍寬、位移精度高、穩定性好、動態響應快。根據系統使用的電動機，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。

　　（一）步進伺服系統

　　步進伺服是一種用脈沖信號進行控制，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，通過改變脈沖頻率可調節電動機的轉速。如果停機后某些繞組仍保持通電狀態，則系統還具有自鎖能力。步進電動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累計。

　　步進伺服結構簡單，符合系統數字化發展需要，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濟型數控機床及舊設備改造。但近年發展起來的恒斬波驅動、PWM驅動、微步驅動、超微步驅動和混合伺服技術，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動技術的發展，將把步進伺服的性能提高到一個新的水平。

　　（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單輸入單輸出的單變量控制系統，經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單，調速性能優異，在數控機床的進給驅動中曾占據著主導地位。

　　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，經常因碳刷產生的火花而影響生產，并對其他設備產生電磁干擾。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，轉子變得短粗，影響了系統的動態性能。

　　（三）交流伺服系統

　　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，使交流伺服系統具有良好的伺服特性。其寬調速范圍、高穩速精度、快速動態響應及四象限運行等良好的技術性能，使其動、靜態特性已完全可與直流伺服系統相媲美。同時可實現弱磁高速控制，拓寬了系統的調速范圍，適應了高性能伺服驅動的要求。

　　目前，在機床進給伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系統，有三種類型：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現。數字伺服可實現一機多用，如做速度、力矩、位置控制。可接收模擬指令和脈沖指令，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現。使用時可由用戶設定代碼與相關的數據即自動進入工作狀態。配有數字接口，改變工作方式、更換電動機規格時，只需重設代碼即可，故也稱萬能伺服。

　　交流伺服已占據了機床進給伺服的主導地位，并隨著新技術的發展而不斷完善，具體體現在三個方面。一是系統功率驅動裝置中的電力電子器件不斷向高頻化方向發展，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的成熟，將促進先進控制算法的應用；三是網絡化制造模式的推廣及現場總線技術的成熟，將使基于網絡的伺服控制成為可能。

　　（四）直線伺服系統

　　直線伺服系統采用的是一種直接驅動方式（Direct Drive），與傳統的旋轉傳動方式相比，最大特點是取消了電動機到工作臺間的一切機械中間傳動環節，即把機床進給傳動鏈的長度縮短為零。這種“零傳動”方式，帶來了旋轉驅動方式無法達到的性能指標，如加速度可達3g以上，為傳統驅動裝置的10～20倍，進給速度是傳統的4～5倍。從電動機的工作原理來講，直線電動機有直流、交流、步進、永磁、電磁、同步和異步等多種方式；而從結構來講，又有動圈式、動鐵式、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電動機與大推力長行程高精度直線電動機兩類。

　　直線伺服是高速高精數控機床的理想驅動模式，受到機床廠家的重視，技術發展迅速。在2001年歐洲機床展上，有幾十家公司展出直線電動機驅動的高速機床，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種機型采用直線電動機驅動，年產1500多臺，約占總產量的1/3。而MAZAK公司最近也將推出基于直線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，都標志著以直線電動機驅動為代表的第二代高速機床，將取代以高速滾珠絲杠驅動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、準停和恒線速加工等功能時，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，有準停控制，主軸與進給聯動。與進給伺服 一樣，主軸伺服經歷了從普通三相異步電動機傳動到直流主軸傳動。隨著微處理器技術和大功率晶體管技術的進展，現在又進入了交流主軸伺服系統的時代。

　　（一）交流異步伺服系統

　　交流異步伺服通過在三相異步電動機的定子繞組中產生幅值、頻率可變的正弦電流，該正弦電流產生的旋轉磁場與電動機轉子所產生的感應電流相互作用，產生電磁轉矩，從而實現電動機的旋轉。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，時間短，且可提高主軸定位控制時系統的剛性和精度，操作方便，是機床主軸驅動采用的主要形式。然而交流異步伺服存在兩個主要問題：一是轉子發熱，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，隨著高能低價永磁體的開發和性能的不斷提高，使得采用永磁同步調速電動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。同時其轉矩密度高，轉動慣量小，動態響應特性好，特別適合高生產率運行。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，為機床進行最優切削創造了條件。

　　（三）電主軸

　　電主軸是電動機與主軸融合在一起的產物，它將主 軸電動機的定子、轉子直接裝入主軸組件的內部，電動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與電動機的連接，實現了主軸系統的一體化、“零傳動”。因此，其具有結構緊湊、重量輕、慣性小、動態特性好等優點，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。電主軸的驅動一般使用矢量控制的變頻技術，通常內置一脈沖編碼器，來實現廂位控制及與進給的準確配合。由于電主軸的工作轉速極高，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。圍繞伺服系統動態特性與靜態特性的提高，近年來發展了多種伺服驅動技術。可以預見隨著超高速切削、超精密加工、網絡制造等先進制造技術的發展，具有網絡接口的全數字伺服系統、直線電動機及高速電主軸等將成為數控機床行業的關注的熱點，并成為伺服系統的發展方向。