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1、数控机床床中伺服服系统的的现状分分析一、概述述伺服系统统是以机机械运动动的驱动动设备，电电动机为为控制对对象，以以控制器器为核心心，以电电力电子子功率变变换装置置为执行行机构，在在自动控控制理论论的指导导下组成成的电气气传动自自动控制制系统。这这类系统统控制电电动机的的转矩、转转速和转转角，将将电能转转换为机机械能，实实现运动动机械的的运动要要求。具具体在数数控机床床中，伺伺服系统统接收数数控系统统发出的的位移、速速度指令令，经变变换、放放调与整整大后，由由电动机机和机械械传动机机构驱动动机床坐坐标轴、主主轴等，带带动工作作台及刀刀架，通通过轴的的联动使使刀具相相对工件件产生各各种复杂杂的机械
2、械运动，从从而加工工出用户户所要求求的复杂杂形状的的工件。作为数控控机床的的执行机机构，伺伺服系统统将电力力电子器器件、控控制、驱驱动及保保护等集集为一体体，并随随着数字字脉宽调调制技术术、特种种电机材材料技术术、微电电子技术术及现代代控制技技术的进进步，经经历了从从步进到到直流，进进而到交交流的发发展历程程。数控控机床中中的伺服服系统种种类繁多多，本文文通过分分析其结结构及简简单归分分，对其其技术现现状及发发展趋势势作简要要探讨。二、伺服服系统的的结构及及分类从基本结结构来看看，伺服服系统主主要由三三部分组组成：控控制器、功功率驱动动装置、反反馈装置置和电动动机（图图1）。控控制器按按照数控
3、控系统的的给定值值和通过过反馈装装置检测测的实际际运行值值的差，调调节控制制量；功功率驱动动装置作作为系统统的主回回路，一一方面按按控制量量的大小小将电网网中的电电能作用用到电动动机之上上，调节节电动机机转矩的的大小，另另一方面面按电动动机的要要求把恒恒压恒频频的电网网供电转转换为电电动机所所需的交交流电或或直流电电；电动动机则按按供电大大小拖动动机械运运转。图1 伺伺服系统统的结构构图1 伺伺服系统统的结构构图1中的的主要成成分变化化多样，其其中任何何部分的的变化都都可构成成不同种种类的伺伺服系统统。如根根据驱动动电动机机的类型型，可将将其分为为直流伺伺服和交交流伺服服；根据据控制器器实现方
4、方法的不不同，可可将其分分为模拟拟伺服和和数字伺伺服；根根据控制制器中闭闭环的多多少，可可将其分分为开环环控制系系统、单单环控制制系统、双双环控制制系统和和多环控控制系统统。考虑虑伺服系系统在数数控机床床中的应应用，本本文首先先按机床床中传动动机械的的不同将将其分为为进给伺伺服与主主轴伺服服，然后后再根据据其它要要素来探探讨不同同伺服系系统的技技术特性性。三、进给给伺服系系统的现现状与展展望进给伺服服以数控控机床的的各坐标标为控制制对象，产产生机床床的切削削进给运运动。为为此，要要求进给给伺服能能快速调调节坐标标轴的运运动速度度，并能能精确地地进行位位置控制制。具体体要求其其调速范范围宽、位位
5、移精度度高、稳稳定性好好、动态态响应快快。根据据系统使使用的电电动机，进进给伺服服可细分分为步进进伺服、直直流伺服服、交流流伺服和和直线伺伺服。（一）步步进伺服服系统步进伺服服是一种种用脉冲冲信号进进行控制制，并将将脉冲信信号转换换成相应应的角位位移的控控制系统统。其角角位移与与脉冲数数成正比比，转速速与脉冲冲频率成成正比，通通过改变变脉冲频频率可调调节电动动机的转转速。如如果停机机后某些些绕组仍仍保持通通电状态态，则系系统还具具有自锁锁能力。步步进电动动机每转转一周都都有固定定的步数数，如5500步步、10000步步、500 0000步等等等，从从理论上上讲其步步距误差差不会累累计。步进伺服
6、服结构简简单，符符合系统统数字化化发展需需要，但但精度差差、能耗耗高、速速度低，且且其功率率越大移移动速度度越低。特特别是步步进伺服服易于失失步，使使其主要要用于速速度与精精度要求求不高的的经济型型数控机机床及旧旧设备改改造。但但近年发发展起来来的恒斩斩波驱动动、PWWM驱动动、微步步驱动、超超微步驱驱动和混混合伺服服技术，使使得步进进电动机机的高、低低频特性性得到了了很大的的提高，特特别是随随着智能能超微步步驱动技技术的发发展，将将把步进进伺服的的性能提提高到一一个新的的水平。（二）直直流伺服服系统直流伺服服的工作作原理是是建立在在电磁力力定律基基础上。与与电磁转转矩相关关的是互互相独立立的
7、两个个变量主主磁通与与电枢电电流，它它们分别别控制励励磁电流流与电枢枢电流，可可方便地地进行转转矩与转转速控制制。另一一方面从从控制角角度看，直直流伺服服的控制制是一个个单输入入单输出出的单变变量控制制系统，经经典控制制理论完完全适用用于这种种系统，因因此，直直流伺服服系统控控制简单单，调速速性能优优异，在在数控机机床的进进给驱动动中曾占占据着主主导地位位。然而，从从实际运运行考虑虑，直流流伺服电电动机引引入了机机械换向向装置。其其成本高高，故障障多，维维护困难难，经常常因碳刷刷产生的的火花而而影响生生产，并并对其它它设备产产生电磁磁干扰。同同时机械械换向器器的换向向能力，限限制了电电动机的的
8、容量和和速度。电电动机的的电枢在在转子上上，使得得电动机机效率低低，散热热差。为为了改善善换向能能力，减减小电枢枢的漏感感，转子子变得短短粗，影影响了系系统的动动态性能能。（三）交交流伺服服系统针对直流流电动机机的缺陷陷，如果果将其做做“里翻外外”的处理理，即把把电驱绕绕组装在在定子、转转子为永永磁部分分，由转转子轴上上的编码码器测出出磁极位位置，就就构成了了永磁无无刷电动动机，同同时随着着矢量控控制方法法的实用用化，使使交流伺伺服系统统具有良良好的伺伺服特性性。其宽宽调速范范围、高高稳速精精度、快快速动态态响应及及四象限限运行等等良好的的技术性性能，使使其动、静静态特性性已完全全可与直直流伺
9、服服系统相相媲美。同同时可实实现弱磁磁高速控控制，拓拓宽了系系统的调调速范围围，适应应了高性性能伺服服驱动的的要求。目前，在在机床进进给伺服服中采用用的主要要是永磁磁同步交交流伺服服系统，有有三种类类型：模模拟形式式、数字字形式和和软件形形式。模模拟伺服服用途单单一，只只接收模模拟信号号，位置置控制通通常由上上位机实实现。数数字伺服服可实现现一机多多用，如如做速度度、力矩矩、位置置控制。可可接收模模拟指令令和脉冲冲指令，各各种参数数均以数数字方式式设定，稳稳定性好好。具有有较丰富富的自诊诊断、报报警功能能。软件件伺服是是基于微微处理器器的全数数字伺服服系统。其其将各种种控制方方式和不不同规格格
10、、功率率的伺服服电机的的监控程程序以软软件实现现。使用用时可由由用户设设定代码码与相关关的数据据即自动动进入工工作状态态。配有有数字接接口，改改变工作作方式、更更换电动动机规格格时，只只需重设设代码即即可，故故也称万万能伺服服。交流伺服服已占据据了机床床进给伺伺服的主主导地位位，并随随着新技技术的发发展而不不断完善善，具体体体现在在三个方方面。一一是系统统功率驱驱动装置置中的电电力电子子器件不不断向高高频化方方向发展展，智能能化功率率模块得得到普及及与应用用；二是是基于微微处理器器嵌入式式平台技技术的成成熟，将将促进先先进控制制算法的的应用；三是网网络化制制造模式式的推广广及现场场总线技技术的
11、成成熟，将将使基于于网络的的伺服控控制成为为可能。（四）直直线伺服服系统直线伺服服系统采采用的是是一种直直接驱动动方式（Direct Drive），与传统的旋转传动方式相比，最大特点是取消了电动机到工作台间的一切机械中间传动环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零。这种“零传动”方式，带来了旋转驱动方式无法达到的性能指标，如加速度可达3g以上，为传统驱动装置的1020倍，进给速度是传统的45倍。从电动机的工作原理来讲，直线电动机有直流、交流、步进、永磁、电磁、同步和异步等多种方式；而从结构来讲，又有动圈式、动铁式、平板型和圆筒型等形式。目前应用到数控机床上的主要有高精度高频响小行程直线电动机与大
12、推力长行程高精度直线电动机两类。直线伺服服是高速速高精数数控机床床的理想想驱动模模式，受受到机床床厂家的的重视，技技术发展展迅速。在在20001年欧欧洲机床床展上，有有几十家家公司展展出直线线电动机机驱动的的高速机机床，快快移速度度达10001200m/mmin，加加速度11.52g，其其中尤以以德国DDMG公公司与日日本MAAZAKK公司最最具代表表性。220000年DMGG公司已已有288种机型型采用直直线电动动机驱动动，年产产15000多台台，约占占总产量量的1/3。而而MAZZAK公公司最近近也将推推出基于于直线伺伺服系统统的超音音速加工工中心，切切削速度度8马赫，主主轴最高高转速88
13、00000r/minn，快移移速度5500mm/miin，加加速度66g。所所有这些些，都标标志着以以直线电电动机驱驱动为代代表的第第二代高高速机床床，将取取代以高高速滚珠珠丝杠驱驱动为代代表的第第一代高高速机床床，并在在使用中中逐步占占据主导导地位。四、主轴轴伺服系系统的现现状及展展望主轴伺服服提供加加工各类类工件所所需的切切削功率率，因此此，只需需完成主主轴调速速及正反反转功能能。但当当要求机机床有螺螺纹加工工、准停停和恒线线速加工工等功能能时，对对主轴也也提出了了相应的的位置控控制要求求，因此此，要求求其输出出功率大大，具有有恒转矩矩段及恒恒功率段段，有准准停控制制，主轴轴与进给给联动。
14、与与进给伺伺服一样样，主轴轴伺服经经历了从从普通三三相异步步电动机机传动到到直流主主轴传动动。随着着微处理理器技术术和大功功率晶体体管技术术的进展展，现在在又进入入了交流流主轴伺伺服系统统的时代代。（一）交交流异步步伺服系系统交流异步步伺服通通过在三三相异步步电动机机的定子子绕组中中产生幅幅值、频频率可变变的正弦弦电流，该该正弦电电流产生生的旋转转磁场与与电动机机转子所所产生的的感应电电流相互互作用，产产生电磁磁转矩，从从而实现现电动机机的旋转转。其中中，正弦弦电流的的幅值可可分解为为给定或或可调的的励磁电电流与等等效转子子力矩电电流的矢矢量和；正弦电电流的频频率可分分解为转转子转速速与转差差
15、之和，以以实现矢矢量化控控制。交流异步步伺服通通常有模模拟式、数数字式两两种方式式。与模模拟式相相比，数数字式伺伺服加速速特性近近似直线线，时间间短，且且可提高高主轴定定位控制制时系统统的刚性性和精度度，操作作方便，是是机床主主轴驱动动采用的的主要形形式。然然而交流流异步伺伺服存在在两个主主要问题题：一是是转子发发热，效效率较低低，转矩矩密度较较小，体体积较大大；二是是功率因因数较低低，因此此，要获获得较宽宽的恒功功率调速速范围，要要求较大大的逆变变器容量量。（二）交交流同步步伺服系系统近年来，随随着高能能低价永永磁体的的开发和和性能的的不断提提高，使使得采用用永磁同同步调速速电动机机的交流流
16、同步伺伺服系统统的性能能日益突突出，为为解决交交流异步步伺服存存在的问问题带来来了希望望。与采采用矢量量控制的的异步伺伺服相比比，永磁磁同步电电动机转转子温度度低，轴轴向连接接位置精精度高，要要求的冷冷却条件件不高，对对机床环环境的温温度影响响小，容容易达到到极小的的低限速速度。即即使在低低限速度度下，也也可作恒恒转矩运运行，特特别适合合强力切切削加工工。同时时其转矩矩密度高高，转动动惯量小小，动态态响应特特性好，特特别适合合高生产产率运行行。较容容易达到到很高的的调速比比，允许许同一机机床主轴轴具有多多种加工工能力，既既可以加加工像铝铝一样的的低硬度度材料，也也可以加加工很硬硬很脆的的合金，
17、为为机床进进行最优优切削创创造了条条件。（三）电电主轴电主轴是是电动机机与主轴轴融合在在一起的的产物，它它将主轴轴电动机机的定子子、转子子直接装装入主轴轴组件的的内部，电电动机的的转子即即为主轴轴的旋转转部分，由由于取消消了齿轮轮变速箱箱的传动动与电动动机的连连接，实实现了主主轴系统统的一体体化、“零传动动”。因此此，其具具有结构构紧凑、重重量轻、惯惯性小、动动态特性性好等优优点，并并可改善善机床的的动平衡衡，避免免振动和和噪声，在在超高速速切削机机床上得得到了广广泛的应应用。从理论上上讲，电电主轴为为一台高高速电动动机，其其既可使使用异步步交流感感应电动动机，也也可使用用永磁同同步电动动机。
18、电电主轴的的驱动一一般使用用矢量控控制的变变频技术术，通常常内置一一脉冲编编码器，来来实现厢厢位控制制及与进进给的准准确配合合。由于于电主轴轴的工作作转速极极高，对对其散热热、动平平衡、润润滑等提提出了特特殊的要要求。在在应用中中必须妥妥善解决决，才能能确保电电主轴高高速运转转和精密密加工。五、结论论作为数控控机床的的重要功功能部件件，伺服服系统的的特性一一直是影影响系统统加工性性能的重重要指标标。围绕绕伺服系系统动态态特性与与静态特特性的提提高，近近年来发发展了多多种伺服服驱动技技术。可可以预见见随着超超高速切切削、超超精密加加工、网网络制造造等先进进制造技技术的发发展，具具有网络络接口的的全数字字伺服系系统、直直线电动动机及高高速电主主轴等将将成为数数控机床床行业的的关注的的热点，并并成为伺伺服系统统的发展展方向。