数控机床中的伺服系统

　　数控机床中的伺服系统

　　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、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，限制了电机的容量和速度。电机的电枢在转子上，使得电机效率低，散热差。为了改善换向能力，减小电枢绕组的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。

　　交流伺服系统

　　针对直流电机的缺陷，如果将其做“里翻外”的处理，即把电枢绕组装在定子，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。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。同时可实现弱磁高速控制拓宽了系统的调速范围适应了高性能伺服驱动的要求。

　　目前在机床进给伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系统，有三种类型:模拟形式、数字形式和软件形式。模拟伺服用途单一只接收模拟信号位置控制通常由上位机实现。数字伺服可实现一机多用如做速度、力矩、位置控制。可接收模拟指令和脉冲指令各种参数均以数字方式设定稳定性好。具有较丰富的自诊断、报警功能。软件伺服是基于微处理器的全数字伺服系统。其将各种控制方式和不同规格、功率的伺服电机的监控程序以软件实现。使用时可由用户设定代码与相关的数据即自动进入工作状态。配有数字接口改变工作方式、更换电机规格时只需重设代码即可故也称“万能伺服”。

　　交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。

　　一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用;

　　二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用;

　　三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。

　　直线伺服系统

　　直线伺服系统采用的是一种直接驱动方式(DirectDrive)与传统的旋转传动方式相比，最大特点是取消了电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10～20倍，进给速度是传统的4～5倍。从电机的工作原理来讲，直线电机有直流、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机和大推力长行程高精度直线电机两类。

　　直线伺服是高速高精数控机床的理想驱动模式，受到机床厂家的重视，技术发展迅速。在2001年欧洲机床展上，有几十家公司展出直线电机驱动的高速机床，快移速度已达100～120m/min，加速度1.5～2g，其中尤以德国DMG公司与日本MAZAK公司最具代表性。2000年DMG公司已有28种机型采用直线电机驱动，年产1500多台，约占总产量的1/3。而MAZAK公司最近也将推出基于直线伺服系统的超音速加工中心，切削速度8马赫，主轴最高转速80000r/min，快移速度为500m/min，加速度6g。所有这些，都标志着以直线电机驱动为代表的第二代高速机床，将取代以高速滚珠丝杠驱动为代表的第一代高速机床，并在使用中逐步占据主导地位。