TPM管理咨詢公司提出：數(shù)控機床伺服系統(tǒng)

　　

　　機床伺服系統(tǒng)是以機械運動的驅(qū)動設備—電機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構(gòu)的電氣傳動控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)控制電機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，實現(xiàn)運動機械的運動要求。具體在數(shù)控機床中，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、放大與調(diào)整后，由電機和機械傳動機構(gòu)驅(qū)動機床坐標軸、主軸帶動工作臺及刀架，通過軸的聯(lián)動使刀具相對工件產(chǎn)生各種復雜的機械運動，從而加工出用戶所需的工件。

　　

　　作為數(shù)控機床的執(zhí)行機構(gòu)，伺服系統(tǒng)將電力電子器件、控制、驅(qū)動及保護等集為一體，并隨著數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)、特種電機材料技術(shù)、微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制技術(shù)的進步，經(jīng)歷了從步進到直流，進而到交流的發(fā)展歷程。數(shù)控機床中的伺服系統(tǒng)種類繁多，本文通過分析其結(jié)構(gòu)及簡單歸分，對其技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢作簡要探討。

　　

　　機床伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及分類

 

機床伺服系統(tǒng)

　　

　　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)動裝置、反饋裝置和電機。控制器按照數(shù)控系統(tǒng)的給定值和通過反饋裝置檢測的實際運行值的差，調(diào)節(jié)控制量;功率驅(qū)動裝置作為系統(tǒng)的主回路，一方面按控制量的大小將電網(wǎng)中的電能作用到電機之上，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)矩的大小，另一方面按電機的要求把恒壓、恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換為電機所需的交流電或直流電;電機則按供如根據(jù)驅(qū)動電機的類型，可將其分為直流伺服和交流伺服;根據(jù)控制器實現(xiàn)方法的不同控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，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)控機床中的應用，本文首先按機床中傳動機械的不同將其分為進給伺服與主軸伺服，然后再根據(jù)其他成要素來探討不同伺服系統(tǒng)的技術(shù)特性。

　　

　　進給機床伺服系統(tǒng)

　　

　　進給伺服以數(shù)控機床的各坐標為控制對象，產(chǎn)生機床的切削進給運動。為此，要求進給伺服能快速調(diào)節(jié)坐標軸的運動速度，并能精確地進行位置控制。具體要求其調(diào)速范圍寬，位移精度高，穩(wěn)定性好，動態(tài)響應快。根據(jù)系統(tǒng)使用的電機，進給伺服可細分為步進伺服、直流伺服、交流伺服和直線伺服。

　　

　　步進機床伺服系統(tǒng)

　　

　　步進伺服是一種用脈沖信號進行控制，并將脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應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)電機的轉(zhuǎn)速。如果停機后某些繞組仍保持通電狀態(tài)，則系統(tǒng)還具有自鎖能力。步進電機每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，如500步、1000步、50000步等等，從理論上講其步距誤差不會累計。

　　

　　步進伺服結(jié)構(gòu)簡單，符合系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展需要，但精度差，能耗高，速度低，且其功率越大移動速度越低。特別是步進伺服易于產(chǎn)生“失步”，使其主要用于速度與精度要求不高的經(jīng)濟型數(shù)控機床及舊設備改造。但近年發(fā)展起來的恒斬波驅(qū)動、PWM驅(qū)動、微步驅(qū)動、超微步驅(qū)動和混合伺服技術(shù)，使得步進電機的高、低頻特性得到了很大的提高，特別是隨著智能超微步驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，將步進伺服的性能提高到一個新的水平。

　　

　　直流機床伺服系統(tǒng)

　　

　　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)的是互相獨立的兩個變量主磁通與電樞電流，它們分別控制勵磁電流與電樞電流，可方便地進行轉(zhuǎn)矩、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)控制簡單，調(diào)速性能優(yōu)異，在數(shù)控機床的進給驅(qū)動中曾占據(jù)著主導地位。

　　

　　然而，從實際運行考慮，直流伺服電機引入了機械換向裝置。其成本高，故障多，維護困難，經(jīng)常因碳刷產(chǎn)生的火花而影響生產(chǎn)，并對其他設備產(chǎn)生電磁干擾。同時機械換向器的換向能力，限制了電機的容量和速度。電機的電樞在轉(zhuǎn)子上，使得電機效率低，散熱差。為了改善換向能力，減小電樞繞組的漏感控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，轉(zhuǎn)子變得短粗，影響了系統(tǒng)的動態(tài)性能。

　　

　　交流機床伺服系統(tǒng)

　　

　　針對直流電機的缺陷，如果將其做“里翻外”的處理，即把電樞繞組裝在定子，轉(zhuǎn)子為永磁部分控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，由轉(zhuǎn)子軸上的編碼器測出磁極位置，就構(gòu)成了永磁無刷電機，同時隨著矢量控制方法的實用化，使交流伺服系統(tǒng)具有良好的伺服特性。寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動態(tài)響應及四象限運行等良好的技術(shù)性能使其動、靜態(tài)特性已完全可與直流伺服系統(tǒng)相媲美。同時可實現(xiàn)弱磁高速控制拓寬了系統(tǒng)的調(diào)速范圍適應了高性能伺服驅(qū)動的要求。

　　

　　目前在機床進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位置控制通常由上位機實現(xiàn)。數(shù)字伺服可實現(xiàn)一機多用如做速度、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)字方式設定穩(wěn)定性好。具有較豐富的自診斷、報警功能。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、功率的伺服電機的監(jiān)控程序以軟件實現(xiàn)。使用時可由用戶設定代碼與相關(guān)的數(shù)據(jù)即自動進入工作狀態(tài)。配有數(shù)字接口改變工作方式、更換電機規(guī)格時只需重設代碼即可故也稱“萬能伺服”。

　　

　　交流機床伺服系統(tǒng)已占據(jù)了機床進給伺服的主導地位，并隨著新技術(shù)的發(fā)展而不斷完善，具體體現(xiàn)在三個方面。

　　

　　一是系統(tǒng)功率驅(qū)動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用;

　　

　　二是基于微處理器嵌入式平臺技術(shù)的成熟，將促進先進控制算法的應用;

　　

　　三是網(wǎng)絡化制造模式的推廣及現(xiàn)場總線技術(shù)的成熟，將使基于網(wǎng)絡的伺服控制成為可能。

　　

　　直線機床伺服系統(tǒng)

　　

　　直線伺服系統(tǒng)采用的是一種直接驅(qū)動方式(Direct Drive)與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)傳動方式相比，最大特點是取消了電機到工作臺間的一切機械中間傳動環(huán)節(jié)，即把機床進給傳動鏈的長度縮短為零。這種“零傳動”方式，帶來了旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方式無法達到的性能指標，如加速度可達3g以上，為傳統(tǒng)驅(qū)動裝置的10～20倍，進給速度是傳統(tǒng)的4～5倍。從電機的工作原理來講，直線電機有直流、交流、步進、永磁、電磁、同步和異步等多種方式;而從結(jié)構(gòu)來講控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，又有動圈式、動鐵式、平板型和圓筒型等形式。目前應用到數(shù)控機床上的主要有高精度高頻響小行程直線電機和大推力長行程高精度直線電機兩類。

　　

　　直線伺服是高速高精數(shù)控機床的理想驅(qū)動模式，受到機床廠家的重視，技術(shù)發(fā)展迅速。在2001年歐洲機床展上，有幾十家公司展出直線電機驅(qū)動的高速機床，快移速度已達100～120m/min，加速度1.5～2g，其中尤以德國DMG公司與日本MAZAK公司最具代表性。2000年DMG公司已有28種機型采用直線電機驅(qū)動，年產(chǎn)1500多臺，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，快移速度為500m/min，加速度6g。所有這些，都標志著以直線電機驅(qū)動為代表的第二代高速機床，將取代以高速滾珠絲杠驅(qū)動為代表的第一代高速機床，并在使用中逐步占據(jù)主導地位。

　　

　　主軸機床伺服系統(tǒng)

　　

　　主軸機床伺服系統(tǒng)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。但當要求機床有螺紋加工、“準停”和“恒線速”加工等功能時，對主軸也提出了相應的位置控制要求，因此，要求其輸出功率大，具有恒扭矩段及恒功率段控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，有“準停”控制，主軸與進給聯(lián)動。與進給伺服一樣，主軸伺服經(jīng)歷了從普通三相異步電動機傳動到直流主軸傳動。