數控系統伺服電機控制技術發展動向

　　現代電機控制理論發展使機床數控伺服系統實現交流化、數字化、智能化機床數控系統中，常用的伺服電機和控制系統有:   

　　(一)開環控制系統

　　采用步進電機作為驅動器件，無須位置和速度檢測器件，也沒有反饋電路，控制電路簡單，價格低廉。步進電機和普通電機的區別主要就在于它的脈沖控制，正是這個特點，步進電機可以和現代的數字控制技術相結合。不過步進電機在控制的精度、速度變化范圍、低速性能方面都不如傳統的閉環控制的直流伺服電動機。在精度不是需要特別高的場合就可以使用步進電機，步進電機可以發揮其結構簡單、可靠性高和成本低的特點。

　 (二)半閉環和閉環位置控制系統

　　采用直流伺服電機或交流伺服電機作為驅動部件，可以采用內裝于電機內的脈沖編碼器，無刷旋轉變壓器或測速發電機作為位置/速度檢測器件來構成半閉環位置控制系統，也可以采用直接安裝在工作臺的光柵或感應同步器作為位置檢測器件，來構成高精度的全閉環位置控制系統。

　　70年代，美國GATTYS公司發明了機床用直流力矩伺服電機，從此各國數控機床開始大量采用直流伺服電機驅動。開環系統逐漸由閉環系統取代。以直流伺服電機作為驅動器件的直流伺服系統，控制電路比較簡單，價格較低。其主要缺點是直流伺服電機內部有機械換向裝置，碳刷易磨損，維修工作量大，運行時易起火花，給電機的轉速和功率的提高帶來較大的困難。交流異步電機雖然價格便宜、結構簡單，但早期由于控制性能差，所以很長時間沒有在數控系統上得到應用。隨著電力電子技術和現代電機控制理論的發展，1971年，德國西門子的Blaschke發明了交流異步機的矢量控制法;1980年，德國人Leonhard為首的研究小組在應用微處理器的矢量控制的研究中取得進展，使矢量控制實用化。從70年代末，數控機床逐漸采用異步電機為主軸驅動電機。

　　如果把直流電機結構進行“里翻外”的處理，即把電樞繞組裝在定子，轉子為永磁部分，并以轉子軸上的編碼器測出磁極位置控制電子開關進行電子換相，這就構成了永磁無刷直流電機。這種交流伺服電機具有良好的伺服性能。從80年代開始，逐漸應用在數控系統的進給驅動裝置上。交流伺服系統采用交流伺服電機作為驅動器件，可以和直流伺服電機一樣構成高精度、高性能的半閉環或全閉環控制系統，由于交流伺服電機內是無刷結構，幾乎不需維修，體積相對較小，有利于轉速和功率的提高。目前交流伺服系統已在很大范圍內取代了直流伺服系統。在當代數控系統中，伺服技術取得的突破可以歸結為:交流伺服取代直流伺服、數字控制取代模擬控制、或者把它稱為軟件控制取代硬件控制。這兩種突破的結果產生了交流數字驅動系統，應用在數控機床的伺服進給和主軸裝置上。由于電力電子技術及控制理論、微處理器等微電子技術的快速發展，軟件運算及處理能力的提高，采用高速微處理器和專用數字信號處理器(DSP-DigitalSignalProcessor)的全數字化交流伺服系統出現后，使系統的計算速度大大提高，采樣時間大大減少。原來的硬件伺服控制變為軟件伺服控制，一些現代控制理論中的先進算法得到實現，進而大大地提高了伺服系統的性能，例如OSP-U10/U100網絡式數控系統的伺服控制環就是一種高性能的伺服控制網，它對進行自律控制的各個伺服裝置和部件實現了分散配置，網絡連接，進一步發揮了它對機床的控制能力和通信速度。這些技術的突破，使伺服系統性能改善、可靠性提高、調試方便、柔性增強，大大推動了高精高速加工技術的發展。

　　采用狀態觀察器和卡爾曼濾波器可以進行電動機參數的在線辨識;采用滑模變結構控制可增強電動機控制系統的魯棒性。如能將各種智能控制理論有機地結合起來，必將開創交流伺服控制的新天地。如模糊控制和神經元網絡控制都不需要精確的對象模型和參數，使系統具有很強的魯棒性。

　　傳感器檢測技術的發展也極大地提高了交流電動機調速系統的動態響應性能和定位精度。普遍采用的霍爾傳感器具有小于1µs的響應時間。交流電動機調速系統一般選用無刷旋轉變壓器、混合型的光電編碼器和絕對值編碼器作為位置、速度傳感器。隨著它們的轉速、分辨率的不斷提高，系統的動態響應、調速范圍以及低速性能也相應提高。傳統的具有A、B(兩相信號的編碼器，由于它不能兼顧分辨率和高速度，且信號線太多，從而影響了高精度、高速度的伺服系統的實現。而新型的編碼器則克服了上述缺點，如日本FANUC公司生產的脈沖編碼器(絕對型)，由于它將來自正余弦信號的角度轉化成數字量，使它具有4000r/min的高速以及高達1000000p/r或65536p/r的分辨率。另外，伺服電動機本身也在向高速方向發展，與上述高速編碼器配合實現了60m/min甚至100m/min的快速進給和1g的加速度。而在電動機磁路設計上也作了改進，使電動機旋轉更加平滑，再配合高速數字伺服軟件，可使電動機即使在小于1µm轉動時也顯得平滑而無爬行。以IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)和IPM(智能功率模塊)等新型電力電子器件為基礎的新一代高載波、低噪聲變頻器的開發，以及新的控制軟件的引入，把變頻調速引入了一個全新的領域，使原來僅用于開環控制的變頻器演變成了既能用于開環控制,也能用于閉環控制的稱之為“通用型驅動器”。以英國的CT公司的Unidrive產品和德國AMK公司的AMKASYN產品為代表，使變頻器登上了新的舞臺。下面以CT公司的Unidrive產品為例，給予簡單的介紹。

　　CT公司在1996年推出了通用型驅動器系列產品。它的控制板主要由Intel80166CPU、快閃存儲器以及3片CT公司設計的專用芯片組成，硬件高度集成化，控制板芯片數量僅為當前市場上通用變頻器的1/4。它按功率可分成5個等級，其中等級1(輸出功率為0.75～4kW)為基本單元，等級5額定功率為120kW(它由基本單元加上擴展功率單元組成)，最多可8臺并聯，組成1000kW功率輸出。

　　通用型驅動器配置有大量的參數和20個菜單功能，便于用戶在不改變硬件配置的條件下,方便地設置成V/F控制、無速度傳感器開環矢量控制、閉環磁通矢量控制、永磁無刷交流伺服電動機控制及再生單元等五種工作方式，適用于各種場合。通用型驅動器的出現，將大大降低機床用進給系統和主軸系統的硬件成本。

　　(三)機床大功率電主軸的高速化、一體化

　　當前，世界數控技術及其裝備發展趨勢之一是高速、高效、高精度。從80年代開始，由于數控機床的主軸、進給系統等功能部件的突破，數控機床的主軸轉速和進給速度都大幅度提高，以及制造技術的全面進步，使金屬切削加工進入了高速切削的新階段。90年代以來，歐、美、日各國爭相開發應用新一代高速數控機床，加快機床高速化發展步伐。高速電主軸單元轉數在30000r/min(有的高達1×105r/min)以上;工作臺的移動速度(進給速度):在分辨率為1µm時,在100m/min(有的到200m/min)以上,在分辨率為0.1µs時，在24m/min以上。

　　為了實現高速、高精加工，與之配套的功能部件如大功率高速電主軸、高加/減速度直線電機驅動進給部件以及高性能控制系統得到了快速的發展，應用領域進一步擴大。

　　超高速加工是繼數控技術之后，使制造技術產生第二次革命性飛躍的一項高新技術。超高速機床是實現超高速加工的物質基礎，而高速主軸單元則是超高速機床的“核心”部件，它的性能直接決定了機床的超高速加工性能。最佳適合高速運轉的主軸形式是將主軸電機的定子、轉子直接裝入主軸組件的內部，形成電主軸，實現機床主軸系統的一體化、“零傳動”。電主軸具有結構緊湊、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。

　　電主軸的工作轉速極高，這對其結構設計、制造和控制提出了非常嚴格的要求，并帶來了一系列技術難題，如主軸的散熱、動平衡、支承、潤滑及其控制等。在應用中，必須妥善解決這些技術難題，才能確保電主軸高速運轉和精密加工的可靠性。

　　電主軸一體化所融合的技術包括:

　　高速電機技術

　　電主軸是電動機與主軸融合在一起的產物，電動機的轉子即為主軸的旋轉部分，理論上可以把電主軸看作一臺高速電動機。關鍵技術是高速度下的動平衡;

　高速軸承技術

　　電主軸通常采用復合陶瓷滾動軸承，耐磨耐熱，壽命是傳統軸承的幾倍;有時也采用電磁懸浮軸承或靜壓軸承，內外圈不接觸，理論上壽命無限;

　　油霧潤滑

　　電主軸的潤滑一般采用定時定量油氣潤滑;也可以采用脂潤滑，但相應的速度要打折扣。所謂定時，就是每隔一定的時間間隔注一次油。所謂定量，就是通過一個叫定量閥的器件，精確地控制每次潤滑油的油量。而油氣潤滑，指的是潤滑油在壓縮空氣的攜帶下，被吹入陶瓷軸承。油量控制很重要，太少，起不到潤滑作用;太多，在軸承高速旋轉時會因油的阻力而發熱。

　　冷卻裝置

　　為了盡快給高速運行的電主軸散熱，通常對電主軸的外壁通以循環冷卻劑，冷卻裝置的作用是保持冷卻劑的溫度。

　　內置脈沖編碼器

　　為了實現自動換刀以及剛性攻螺紋，電主軸內置一脈沖編碼器，以實現準確的相角控制以及與進給的配合。主軸系統所用的位置編碼器分辨率也已達到360000p/r。

　　高頻變頻裝置

　　要實現電主軸每分鐘幾萬甚至十幾萬轉的轉速，必須用一高頻變頻裝置來驅動電主軸的內置高速電動機，變頻器的輸出頻率必須達到上千或幾千Hz。

　　當前高速高精加工機床一般都使用矢量控制的變頻驅動電主軸，常內置一脈沖編碼器，以實現準確的相位控制以及與進給的準確配合，電機定子和主軸軸承用恒溫水循環冷卻。所使用的主軸軸承主要是定時定量油氣潤滑的高精度陶瓷球角接觸球軸承，轉速不太高的機床也有采用脂潤滑的。主軸與刀具的接口以適合高速加工的HSK等接口為主，但也可選擇傳統的7:24錐孔。對精度的要求，主軸徑向跳動小于2µm，軸向竄動小于1µm，軸系不平衡度達到G0.4級。預計在2010年前，油氣潤滑的陶瓷球軸承電主軸依然是主流，空氣靜壓軸承、電主軸和磁懸浮軸承電主軸仍會比較少。

　　主軸傳動用電動機和進給傳動一樣，經歷了從普通三相異步電動機傳動到直流主軸傳動，而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，目前已很少見到在數控機床上有使用直流主軸伺服系統了。

　　當代電主軸所使用的電機，不僅有異步交流感應電機，還有永磁同步電機，后者在相同功率下，外形尺寸較小，且轉子為永久磁鐵不發熱。

　　高速主軸單元技術在一些工業發達國家已經發展到較高水平，并被廣泛應用于高速機床行業，已經產生了巨大的經濟效益。為了滿足國內發展高速、高精度數控機床的需求，在“九五”期間通過攻關，我國開發出了主軸功率為2.5kW～29kW、扭矩為4～86N.m、能應用于數控機床和加工中心的電主軸，并且已裝備了部分國產數控機床。但是從總體上講，國產的電主軸和國外產品相比較，無論是性能、品種和質量都有較大差距，所以目前國產的高轉速、高精度數控機床和加工中心所用的電主軸，仍然主要從國外進口。而高速電主軸單元技術是制約我國超高速加工技術的瓶頸。為了趕上高速加工技術發展的潮流，我國正在不斷加大對超高速加工關鍵功能部件—電主軸單元的研究力度。目前，國家高效磨削工程技術研究中心承擔了國家“十五”攻關計劃課題“高速主軸單元的研究開發與應用”，正在為提升我國的電主軸單元技術水平而不斷努力。

　　 (四)以直線電動機直接驅動的直線伺服進給技術已趨成熟

　　高速高精加工機床的進給驅動，主要有傳統的“旋轉伺服電機+精密高速滾珠絲杠”和新型的“直線電機直接驅動”兩種類型。

　　滾珠絲杠由於工藝成熟，應用廣泛，不僅精度能達到較高(ISO34081級)，而且實現高速化的成本也相對較低，所以迄今仍為許多高速加工機床所采用。當前使用滾珠絲杠驅動的高速加工機床最大移動速度90m/min，加速度1.5g。但滾珠絲杠畢竟是機械傳動，從伺服電機到移動部件間有一系列機械元件，勢必存在彈性變形、摩擦和反向間隙，相應造成運動滯后和其它非線性誤差，目前滾珠絲杠副的移動速度和加速度已提高較多，再進一步提高的余地有限。自1993年，在機床進給上開始應用直線電機直接驅動，它是高速高精加工機床特別是其中的大型機床更理想的驅動方式。目前使用直線電機的高速高精加工機床最大快移速度已達208m/min，加速度2g(Mazak的HMCF3-660L加工中心的水平)，并且還有發展余地。

　　與滾珠絲杠傳動相比，直線電機直接驅動的優點是:

　　高剛度

　　直線電機直接和負載連接，沒有間隙，有更高的動態剛度。

　　更寬的速度范圍

　　現代電機技術，很容易實現寬調速，速度變化范圍可達,1:10000以上。例如，美國科爾摩根公司DDL永磁直線電機高速大于5m/s，低速1µm/s。

　　加速特性好、運動慣量小、有更高動態響應性能。

　　運行平穩，位置精度高(基本上取決于位置反饋檢測元件)。

　　無行程限制

　　采用模塊結構,可接長適應不同行程要求。

　　采用直線電機直接驅動

　　省去了一切中間機械傳動，從根本上減小了機械摩損與傳動誤差，減少維護工作。

　　軌跡誤差小，高速下可獲得良好的定位精度。直線電機直接驅動的優點正好彌補滾珠絲杠傳動的不足，與滾珠絲杠傳動相比，其速度提高30倍，加速度提高10倍，最大達10g，剛度提高7倍，最高響應頻率達100Hz。

　　直線電機直接驅動也存在一些缺點和問題，除控制難度大(中間沒有緩沖環節和存在端部效應)外，還存在強磁場對周邊產生磁干擾，影響滾動導軌副的壽命，同時給排屑、裝配、維修帶來困難，以及發熱大、散熱條件差。需解決散熱、隔磁、足夠的推力、自鎖和移動部件輕量化等方面的問題，才能在機床上實際應用，同時成本較高也影響其推廣應用。目前這些問題都已得到不同程度的解決，采用者愈來愈多。交流直線伺服電機也有感應(異步)式和同步式兩大類，同步式(次級為永久磁鋼)由于效率高、推力密度大、可控性好等優點，盡管其對隔磁防塵要求較高和裝配較困難，現在也已成為機床用直線電機的主流。例如，美國Ingersoll銑床公司生產的HVM800高速臥式加工中心，X、Y、Z三軸都采用永磁同步直線伺服電機，最大進給速度可達76.2m/min，最大加速度1.5g。

　　在高速高精加工機床領域，直線電機驅動和滾珠絲杠驅動雖然還會并存相當長一段時間，但總的趨勢是直線電機驅動所占比重會愈來愈大，將來很有可能成為此種機床進給驅動的主流。現在世界各國的知名機床制造商(比如以發展滾珠絲杠驅動聞名于世的日本Mazak公司和韓國的大宇公司)都紛紛推出直線電機驅動的機床。種種跡象表明，直線電機驅動在高速高精加工機床上的應用已進入加速增長期。