摘要：作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标。数控机床中的伺服系统种类繁多，本文通过分析其结构及简单归分，对其技术现状及发展趋势作简要探讨。
1前言
伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放调与整大后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。
2国内外发展现状
进入20世纪90年代，微电子制造工艺的日臻完善，使得DSP运算速度呈几何数上升，达到了伺服环路高速实时控制的要求，一些运动控制芯片制造商还将电机控制所必需的外围电路(如A/D转换器、位置/速度检测倍频计数器、PWM发生器等)与DSP内核集成于一体，使得伺服控制回路采样时间达到100μs以内，由单一芯片实现自动加、减速控制，电子齿轮同步控制，位置、速度、电流三环的数字化补偿控制。一些新的控制算法如速度前馈、加速度前馈、低通滤波、凹陷滤波等得以实现。另一方面，电力电子技术的发展，使得伺服系统主电路功率元件的开关频率由2～5kHz提升到15～20kHz，1GBT(绝缘栅门双极性晶体管)及IPM(智能型功率模块)均是这一时代的产物，从而提高了系统的平稳性，降低了系统的噪音。以上两个方面不仅是交流伺服实现数字化的基础，而且使得交流伺服趋于小型化。目前一些工业发达国家的伺服系统生产厂家基本上均能够提供全数字交流伺服系统或者可以与自己的CNC系统相配套，如日本FANUC公司、三菱电机公司、安川电机公司、松下公司、山洋电机公司、德国Siemens公司、力士乐Indramat公司、Lenze公司、美国A.B公司、Kollmorgen公司、Relliance公司、Baldor公司、PacificScientific公司等。
进给伺服以数控机床的各坐标为控制对象，产生机床的切削进给运动。为此，要求进给伺服能快速调节坐标轴的运动速度，并能精确地进行位置控制。具体要求其调速范围宽、位移精度高、稳定性好、动态响应快。根据系统使用的电动机，进给伺服可细分为步进伺服、直流伺服、交流伺服和直线伺服。
2.1步进伺服系统
步进伺服是一种用脉冲信号进行控制，并将脉冲信号转换成相应的角位移的控制系统。其角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可调节电动机的转速。如果停机后某些绕组仍保持通电状态，则系统还具有自锁能力。步进电动机每转一周都有固定的步数，如500步、1000步、50000步等等，从理论上讲其步距误差不会累计。步进伺服结构简单，符合系统数字化发展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移动速度越低。特别是步进伺服易于失步，使其主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造。但近年发展起来的恒斩波驱动、PWM驱动、微步驱动、超微步驱动和混合伺服技术，使得步进电动机的高、低频特性得到了很大的提高，特别是随着智能超微步驱动技术的发展，将把步进伺服的性能提高到一个新的水平。
2.2直流伺服系统
直流伺服的工作原理是建立在电磁力定律基础上。与电磁转矩相关的是互相独立的两个变量主磁通与电枢电流，它们分别控制励磁电流与电枢电流，可方便地进行转矩与转速控制。另一方面从控制角度看，直流伺服的控制是一个单输入单输出的单变量控制系统，经典控制理论完全适用于这种系统，因此，直流伺服系统控制简单，调速性能优异，在数控机床的进给驱动中曾占据着主导地位。然而，从实际运行考虑，直流伺服电动机引入了机械换向装置。其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差。为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。
2.3交流伺服系统
针对直流电动机的缺陷，如果将其做“里翻外”的处理，即把电驱绕组装在定子、转子为永磁部分，由转子轴上的编码器测出磁极位置，就构成了永磁无刷电动机，同时随着矢量控制方法的实用化，使交流伺服系统具有良好的伺服特性。其宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，使其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美。
3数控机床上的应用
随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代。
3.1交流异步伺服系统
交流异步伺服通过在三相异步电动机的定子绕组中产生幅值、频率可变的正弦电流，该正弦电流产生的旋转磁场与电动机转子所产生的感应电流相互作用，产生电磁转矩，从而实现电动机的旋转。其中，正弦电流的幅值可分解为给定或可调的励磁电流与等效转子力矩电流的矢量和；正弦电流的频率可分解为转子转速与转差之和，以实现矢量化控制。交流异步伺服通常有模拟式、数字式两种方式。与模拟式相比，数字式伺服加速特性近似直线，时间短，且可提高主轴定位控制时系统的刚性和精度，操作方便，是机床主轴驱动采用的主要形式。然而交流异步伺服存在两个主要问题：一是转子发热，效率较低，转矩密度较小，体积较大；二是功率因数较低，因此，要获得较宽的恒功率调速范围，要求较大的逆变器容量。
3.2交流同步伺服系统
近年来，随着高能低价永磁体的开发和性能的不断提高，使得采用永磁同步调速电动机的交流同步伺服系统的性能日益突出，为解决交流异步伺服存在的问题带来了希望。与采用矢量控制的异步伺服相比，永磁同步电动机转子温度低，轴向连接位置精度高，要求的冷却条件不高，对机床环境的温度影响小，容易达到极小的低限速度。即使在低限速度下，也可作恒转矩运行，特别适合强力切削加工。同时其转矩密度高，转动惯量小，动态响应特性好，特别适合高生产率运行。较容易达到很高的调速比，允许同一机床主轴具有多种加工能力，既可以加工像铝一样的低硬度材料，也可以加工很硬很脆的合金，为机床进行最优切削创造了条件。
3.3电主轴
电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，它将主轴电动机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，电动机的转子即为主轴的旋转部分，由于取消了齿轮变速箱的传动与电动机的连接，实现了主轴系统的一体化、“零传动”。因此，其具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点，并可改善机床的动平衡，避免振动和噪声，在超高速切削机床上得到了广泛的应用。从理论上讲，电主轴为一台高速电动机，其既可使用异步交流感应电动机，也可使用永磁同步电动机。电主轴的驱动一般使用矢量控制的变频技术，通常内置一脉冲编码器，来实现厢位控制及与进给的准确配合。由于电主轴的工作转速极高，对其散热、动平衡、润滑等提出了特殊的要求。在应用中必须妥善解决，才能确保电主轴高速运转和精密加工。
4数控机床发展趋势
4.1高精度化
提高数控机床的加工精度，一般可通过减少数控系统的误差和采用机床误差补偿技术等方法来实现。在减少CNC系统控制误差方面，通常采取提高数控系统的分辨率、提高位置检测精度、在位置伺服系统中采用前馈控制与非线性控制等方法；在机床误差补偿技术方面，除采用齿隙补偿、丝杠螺距误差补偿和刀具补偿等技术外，还可对设备热变形进行误差补偿。另外，伺服系统的质量直接关系到数控机床的加工精度。现代数控机床采用了交流数字伺服系统，并采用新型控制理论可实现高速响应伺服系统。
4.2高速化
要实现数控设备高速化，首先要求数控系统能对由微小程序段构成的加工程序进行高速处理，以计算出伺服电机的移动量。同时要求伺服电机能高速度地做出反应，采用32位及64位微处理器，是提高数控系统高速处理能力的有效手段。实现数控设备高速化的关键是提高切削速度、进给速度和减少辅助时间。
4.3高柔性化
采用柔性自动化设备或系统，是提高加工精度和效率、缩短生产周期，适应市场变化需求和提高竞争能力的有效手段。数控机床在提高单机柔性化的同时，朝着单元柔性化和系统柔性化的方向发展。如出现了可编程控制器（PLC)控制的可调组合机床、数控多轴加工中心、换刀换箱式加工中心、数控三坐标动力单元等具有柔性的高效加工设备、柔性加工单元(FMC)、柔性制造系统（FMS)以及介于传统自动线与FMS之间的柔性制造线（FTU）。
4.4智能化
为适应制造业生产柔性化、自动化发展的需要，智能化正成为数控设备研究及发展的热点，它不仅贯穿于生产加工的全过程（如智能编程、智能数据库、智能监控），还贯穿于产品的售后服务和维修中。
①自适应控制技术自适应控制可根据切削条件的变化，自动调节工作参数，使加工系统能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较低的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率，达到改进系统运行状态的目的。
②专家系统技术将专家经验和切削加工的一般规律与特殊规律存入计算机中，以加工工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统，提供经过优化的切削参数。
③故障自诊断、自修复技术在整个工作状态中，系统随时对CNC系统本身以及与其相连的各种设备进行自诊断、检查。
④模式识别技术应用图像识别和声控技术，使机器自己辨认图样，按照自然语音命令进行加工。
4.5复合化
在零部件一体化程度不断提高、数量不断减少的同时，加工的产品形状日益复杂。另外，产品周期的缩短要求加工机床能够随时调整和适应新的变化，以满足各种各样产品的加工需求，这就要求1台机床能够处理以往需要几台机床处理的工序。在保持工序集中和减少工件重新安装定位的前提下，使更多的不同加工过程复合在一台机床上，以减少占地面积，减少零件传送和库存，保证加工精度和节能降耗的要求。
4.6高可靠性
为了提高数控机床的可靠性，数控系统采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数景，提高可靠性通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求，同时采用硬件结构机床本体的模块化、标准化和通用化及系列化，使得既提高硬件生产批量，又便于织生产和质量把关。
4.7网络化
数控机床的网络化，主要是指机床通过所配装的数控系统与外部的其他控制系统或上位计算机进行网络连接和网络控制。随着信息化技术在数控机床上的大量采用，越来越多的国内用户在进口数控机床时要求具有远程通信服务等功能。
4.8开放式体系结构
开放式体系结构可以大量采用通用微机的先进技术，如多媒体技术，实现声控自动编程、图形扫描自动编程等，其新一代数控系统的硬件、软件和总线规范都是对外开放的，由于有充足的软、硬件资源可供利用，不仅使数控系统制造商和用户进行系统集成得到有力的支持，而且也为用户的二次开发带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用。
5结论
作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标。围绕伺服系统动态特性与静态特性的提高，近年来发展了多种伺服驱动技术。可以预见随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发展，具有网络接口的全数字伺服系统、直线电动机及高速电主轴等将成为数控机床行业的关注的热点，并成为伺服系统的发展方向。
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