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一,、概述
4 m% l% h- R$ m f6 x" o7 Z) v 伺服系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備,，電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，以控制器為核心,，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu),，在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩,、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角,，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)要求,。具體在數(shù)控機(jī)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(dòng)機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)床坐標(biāo)軸,、主軸等,，帶動(dòng)工作臺(tái)及刀架，通過軸的聯(lián)動(dòng)使刀具相對(duì)工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng),，從而加工出用戶所要求的復(fù)雜形狀的工件,。 + g! w- q) g4 I& i6 j
作為數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，伺服系統(tǒng)將電力電子器件,、控制,、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)等集為一體，并隨著數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù),、特種電機(jī)材料技術(shù),、微電子技術(shù)及現(xiàn)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(shù)控機(jī)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(jiǎn)單歸分,，對(duì)其技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)作簡(jiǎn)要探討,。 5 x; p& k) n5 Q+ }
二、伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及分類
& ~+ f7 s& V7 C 從基本結(jié)構(gòu)來看,，伺服系統(tǒng)主要由三部分組成：控制器,、功率驅(qū)動(dòng)裝置,、反饋裝置和電動(dòng)機(jī)（附圖）�,？刂破靼凑諗�(shù)控系統(tǒng)的給定值和通過反饋裝置檢測(cè)的實(shí)際運(yùn)行值的差,，調(diào)節(jié)控制量；功率驅(qū)動(dòng)裝置作為系統(tǒng)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(jī)之上,，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小，另一方面按電動(dòng)機(jī)的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)所需的交流電或直流電,；電動(dòng)機(jī)則按供電大小拖動(dòng)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn),。 5 H/ E% N2 ~# U
附圖中的主要成分變化多樣，其中任何部分的變化都可構(gòu)成不同種類的伺服系統(tǒng),。如根據(jù)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的類型,，可將其分為直流伺服和交流伺服；根據(jù)控制器實(shí)現(xiàn)方法的不同,，可將其分為模擬伺服和數(shù)字伺服,；根據(jù)控制器中閉環(huán)的多少，可將其分為開環(huán)控制系統(tǒng),、單環(huán)控制系統(tǒng),、雙環(huán)控制系統(tǒng)和多環(huán)控制系統(tǒng)�,？紤]伺服系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用,，本文首先按機(jī)床中傳動(dòng)機(jī)械的不同將其分為進(jìn)給伺服與主軸伺服，然后再根據(jù)其他要素來探討不同伺服系統(tǒng)的技術(shù)特性,。
" C# J- X( g+ Y8 g; N 三,、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀與展望
$ C/ P% }8 U. O7 i. A v$ E4 x 進(jìn)給伺服以數(shù)控機(jī)床的各坐標(biāo)為控制對(duì)象，產(chǎn)生機(jī)床的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng),。為此,，要求進(jìn)給伺服能快速調(diào)節(jié)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)速度，并能精確地進(jìn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)快,。根據(jù)系統(tǒng)使用的電動(dòng)機(jī)，進(jìn)給伺服可細(xì)分為步進(jìn)伺服,、直流伺服,、交流伺服和直線伺服。 ( d& Z6 ?/ P5 ^
（一）步進(jìn)伺服系統(tǒng)
% ~* i0 O. e1 W1 e1 h8 f 步進(jìn)伺服是一種用脈沖信號(hào)進(jìn)行控制,，并將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,。如果停機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù),，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(jì)。 4 k' ^" o3 r3 x5 G1 T: Z( N
步進(jìn)伺服結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(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(jì)型數(shù)控機(jī)床及舊設(shè)備改造,。但近年發(fā)展起來的恒斬波驅(qū)動(dòng)、PWM驅(qū)動(dòng),、微步驅(qū)動(dòng),、超微步驅(qū)動(dòng)和混合伺服技術(shù)，使得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(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,。
8 b/ g( p8 g, x: f4 f. }" e. C （二）直流伺服系統(tǒng)
/ l0 r, `' |* p3 s# y) ` 直流伺服的工作原理是建立在電磁力定律基礎(chǔ)上,。與電磁轉(zhuǎn)矩相關(guān)的是互相獨(dú)立的兩個(gè)變量主磁通與電樞電流，它們分別控制勵(lì)磁電流與電樞電流,，可方便地進(jìn)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(gè)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(jiǎn)單,，調(diào)速性能優(yōu)異,，在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中曾占據(jù)著主導(dǎo)地位。
) s* e. R( u& I8 p7 K! h 然而,，從實(shí)際運(yùn)行考慮,，直流伺服電動(dòng)機(jī)引入了機(jī)械換向裝置,。其成本高，故障多,，維護(hù)困難,，經(jīng)常因碳刷產(chǎn)生的火花而影響生產(chǎn)，并對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾,。同時(shí)機(jī)械換向器的換向能力,，限制了電動(dòng)機(jī)的容量和速度。電動(dòng)機(jī)的電樞在轉(zhuǎn)子上,，使得電動(dòng)機(jī)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(dòng)態(tài)性能,。 1 F# {- @+ g) n, ?& n+ Z
（三）交流伺服系統(tǒng) / A% |% Y# Q, ~1 [
針對(duì)直流電動(dòng)機(jī)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(cè)出磁極位置，就構(gòu)成了永磁無刷電動(dòng)機(jī),，同時(shí)隨著矢量控制方法的實(shí)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(dòng)態(tài)響應(yīng)及四象限運(yùn)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(tǒng)相媲美,。同時(shí)可實(shí)現(xiàn)弱磁高速控制，拓寬了系統(tǒng)的調(diào)速范圍,，適應(yīng)了高性能伺服驅(qū)動(dòng)的要求,。
5 c3 Y) h7 `$ E! w: W( ~) I7 R 目前，在機(jī)床進(jìn)給伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系統(tǒng),，有三種類型：模擬形式,、數(shù)字形式和軟件形式。模擬伺服用途單一,，只接收模擬信號(hào),，位置控制通常由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字伺服可實(shí)現(xiàn)一機(jī)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(shù)均以數(shù)字方式設(shè)定，穩(wěn)定性好,。具有較豐富的自診斷,、報(bào)警功能。軟件伺服是基于微處理器的全數(shù)字伺服系統(tǒng),。其將各種控制方式和不同規(guī)格,、功率的伺服電機(jī)的監(jiān)控程序以軟件實(shí)現(xiàn)。使用時(shí)可由用戶設(shè)定代碼與相關(guān)的數(shù)據(jù)即自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài),。配有數(shù)字接口,，改變工作方式、更換電動(dòng)機(jī)規(guī)格時(shí),，只需重設(shè)代碼即可,，故也稱萬能伺服,。
6 r X, i% {/ ~7 F+ D 交流伺服已占據(jù)了機(jī)床進(jìn)給伺服的主導(dǎo)地位,，并隨著新技術(shù)的發(fā)展而不斷完善，具體體現(xiàn)在三個(gè)方面,。一是系統(tǒng)功率驅(qū)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(yīng)用；二是基于微處理器嵌入式平臺(tái)技術(shù)的成熟,，將促進(jìn)先進(jìn)控制算法的應(yīng)用,；三是網(wǎng)絡(luò)化制造模式的推廣及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的成熟，將使基于網(wǎng)絡(luò)的伺服控制成為可能,。
/ y' X) `3 |' ~: k7 f4 C （四）直線伺服系統(tǒng) / d# O3 x8 f ~" v
直線伺服系統(tǒng)采用的是一種直接驅(qū)動(dòng)方式（Direct Drive）,，與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)方式相比，最大特點(diǎn)是取消了電動(dòng)機(jī)到工作臺(tái)間的一切機(jī)械中間傳動(dòng)環(huán)節(jié),，即把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零,。這種“零傳動(dòng)”方式，帶來了旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)方式無法達(dá)到的性能指標(biāo),，如加速度可達(dá)3g以上,，為傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置的10～20倍，進(jìn)給速度是傳統(tǒng)的4～5倍,。從電動(dòng)機(jī)的工作原理來講,，直線電動(dòng)機(jī)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(jié)構(gòu)來講,，又有動(dòng)圈式、動(dòng)鐵式,、平板型和圓筒型等形式,。目前應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床上的主要有高精度高頻響小行程直線電動(dòng)機(jī)與大推力長(zhǎng)行程高精度直線電動(dòng)機(jī)兩類。 6 R+ b# M, H! G, s' `9 X# t
直線伺服是高速高精數(shù)控機(jī)床的理想驅(qū)動(dòng)模式,，受到機(jī)床廠家的重視,，技術(shù)發(fā)展迅速。在2001年歐洲機(jī)床展上,，有幾十家公司展出直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速機(jī)床,，快移速度達(dá)100～120m/min，加速度1.5～2g,，其中尤以德國(guó)DMG公司與日本MAZAK公司最具代表性,。2000年DMG公司已有28種機(jī)型采用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，年產(chǎn)1500多臺(tái),，約占總產(chǎn)量的1/3,。而MAZAK公司最近也將推出基于直線伺服系統(tǒng)的超音速加工中心，切削速度8馬赫,，主軸最高轉(zhuǎn)速80000r/min,，快移速度500m/min，加速度6g,。所有這些,，都標(biāo)志著以直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為代表的第二代高速機(jī)床，將取代以高速滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)為代表的第一代高速機(jī)床,，并在使用中逐步占據(jù)主導(dǎo)地位,。 5 P3 x: S! Q d/ `. N
四、主軸伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀及展望
! C: @; ]& b- ]" _5 I 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(diào)速及正反轉(zhuǎn)功能。但當(dāng)要求機(jī)床有螺紋加 工,、準(zhǔn)停和恒線速加工等功能時(shí),，對(duì)主軸也提出了相應(yīng)的 位置控制要求，因此,，要求其輸出功率大,，具有恒轉(zhuǎn)矩段 及恒功率段，有準(zhǔn)停控制,，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(jī)傳動(dòng)到直流主軸傳動(dòng),。隨著微處理器技術(shù)和大功率晶體管技術(shù)的進(jìn)展,，現(xiàn)在又進(jìn)入了交流主軸伺服系統(tǒng)的時(shí)代。 . F: a8 @ A/ }) Z6 s7 U' H. K
（一）交流異步伺服系統(tǒng)
: i. a# i( d5 z/ }+ B5 p% p* P 交流異步伺服通過在三相異步電動(dòng)機(jī)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(chǎng)與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的感應(yīng)電流相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)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(lì)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(shí)現(xiàn)矢量化控制。 * s; j9 u) W8 [( U' C
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(shí)間短,，且可提高主軸定位控制時(shí)系統(tǒng)的剛性和精度，操作方便,，是機(jī)床主軸驅(qū)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,。
7 F( J' g) M8 L* v7 d& N, M （二）交流同步伺服系統(tǒng)
2 \" c' G4 O& R1 X* ^ 近年來，隨著高能低價(jià)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(duì)機(jī)床環(huán)境的溫度影響小,，容易達(dá)到極小的低限速度,。即使在低限速度下，也可作恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行,，特別適合強(qiáng)力切削加工,。同時(shí)其轉(zhuǎn)矩密度高，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小,，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好,，特別適合高生產(chǎn)率運(yùn)行。較容易達(dá)到很高的調(diào)速比,，允許同一機(jī)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(jī)床進(jìn)行最優(yōu)切削創(chuàng)造了條件,。 ) j8 {: `, {) D- d& x' V! F
（三）電主軸 & X9 }# r7 r; d
電主軸是電動(dòng)機(jī)與主軸融合在一起的產(chǎn)物，它將主 軸電動(dòng)機(jī)的定子,、轉(zhuǎn)子直接裝入主軸組件的內(nèi)部,，電動(dòng)機(jī)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(dòng)與電動(dòng)機(jī)的連接,，實(shí)現(xiàn)了主軸系統(tǒng)的一體化,、“零傳動(dòng)”。因此,，其具有結(jié)構(gòu)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(jī)床的動(dòng)平衡，避免振動(dòng)和噪聲,，在超高速切削機(jī)床上得到了廣泛的應(yīng)用,。 % G2 J' d$ ?! b3 d/ e8 F1 w
從理論上講，電主軸為一臺(tái)高速電動(dòng)機(jī),，其既可使用異步交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī),，也可使用永磁同步電動(dòng)機(jī)。電主軸的驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)廂位控制及與進(jìn)給的準(zhǔn)確配合。由于電主軸的工作轉(zhuǎn)速極高,，對(duì)其散熱,、動(dòng)平衡,、潤(rùn)滑等提出了特殊的要求。在應(yīng)用中必須妥善解決,，才能確保電主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)和精密加工,。
$ m- b( X- O! C0 B* c 五、結(jié)論 - i- J5 M8 F6 m P$ m& B9 @- L
作為數(shù)控機(jī)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(biāo),。圍繞伺服系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)技術(shù),�,？梢灶A(yù)見隨著超高速切削、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(shù)字伺服系統(tǒng)、直線電動(dòng)機(jī)及高速電主軸等將成為數(shù)控機(jī)床行業(yè)的關(guān)注的熱點(diǎn),，并成為伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向,。 |
發(fā)表于 2006-2-5 14:10:43
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