數控機床中伺服系統(tǒng)技術特性的應用

1 概述
　　作為數控機床的執(zhí)行機構，伺服系統(tǒng)集電力電子器件、控制、驅動及保護為一體，并隨著數字脈寬調制技術、特種電機材料技術、微電子技術及現代控制技術的進步，經歷了從步進到直流，進而到交流的發(fā)展歷程。數控機床中的伺服系統(tǒng)種類繁多。
　　伺服系統(tǒng)是以機械運動的驅動設備一電動機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構，在自動控制理論的指導下組成的電氣傳動自動控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)控制電動機的轉矩、轉速和轉角，將電能轉換為機械能，實現機械的運動要求。數控機床中，伺服系統(tǒng)接收數控系統(tǒng)發(fā)出的位移、速度指令，經變換、放調與整大后，由電動機和機械傳動機構驅動機床坐標軸、主軸等，帶動工作臺及刀架，通過軸的聯動使刀具相對工件產生各種復雜的機械運動，從而加工出用戶要求的復雜形狀工件。
2 伺服系統(tǒng)的結構
　　從基本結構看，伺服系統(tǒng)主要由控制器、功率驅動裝置、反饋裝置和電動機組成。控制器按照數控系統(tǒng)的給定值和通過反饋裝置檢測的實際運行值的差，調節(jié)控制量；功率驅動裝置作為系統(tǒng)的主回路，一方面按控制量的大小將電網中的電能作用到電動機上，調節(jié)電動機轉矩的大小；另一方面按電動機的要求把恒壓恒頻的電網供電轉換為電動機所需的交流電或直流電；電動機則按供電大小拖動機械運轉。
　　考慮伺服系統(tǒng)在數控機床中的應用，本文按機床中傳動機械的不同將其分為進給伺服與主軸伺服。
3 進給伺服系統(tǒng)的特性
　　進給伺服以數控機床的各坐標為控制對象，產生機床的切削進給運動。為此，要求進給伺服能快速調節(jié)坐標軸的運動速度，并能精確地進行位置控制。具體要求其調速范圍寬、位移精度高、穩(wěn)定性好、動態(tài)響應快。根據系統(tǒng)使用的電動機，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[2]。
（1）步進伺服系統(tǒng)
　　步進伺服是一種用脈沖信號控制，并將脈沖信號轉換成相應角位移的控制系統(tǒng)。其角位移與脈沖數成正比，轉速與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率可調節(jié)電動機的轉速。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。步進電動機每轉1周都有固定的步數，如500步、1000步、50000步等，理論上其步距誤差不會累計。
　　步進伺服結構簡單，符合系統(tǒng)數字化發(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失步，使其主要用于速度與精度要求不高的經濟型數控機床及舊設備改造。但近年發(fā)展起來的恒斬波驅動、PWM驅動、微步驅動、超微步驅動和混合伺服技術，使步進電動機的高、低頻特性得到很大提高，特別是隨著智能超微步驅動技術的發(fā)展，將把步進伺服的性能提高到新的水平。
（2）直流伺服系統(tǒng)
　　直流伺服的工作原理建立在電磁定律基礎上。與電磁轉矩相關的是互相獨立的兩個變量：主磁通與電樞電流，分別控制勵磁電流與電樞電流，可方便地進行轉矩與轉速控制。另一方面，從控制角度看，直流伺服的控制是一個單輸人單輸出的單變量控制系統(tǒng)，經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，調速性能優(yōu)異，在數控機床的進給驅動中曾占據主導地位。
　　然而，從實際運行考慮，直流伺服電動機引人了機械換向裝置，其成本高、故障多、維護困難，經常因碳刷產生的火花而影響生產，并對其他設備產生電磁干擾。同時，機械換向器的換向能力限制了電動機的容量和速度。電動機的電樞在轉子上，使得電動機效率低、散熱差。為改善換向能力、減小電樞的漏感，轉子變得短粗，影響了系統(tǒng)的動態(tài)性能。
（3）交流伺服系統(tǒng)
　　針對直流電動機的缺陷，如果將其做“里翻外”的處理，即把電驅繞組裝在定子、轉子為永磁部分，由轉子軸上的編碼器測出磁極位置，就構成永磁無刷電動機，同時，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。其寬調速范圍、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性能，使其動、靜態(tài)特性可與直流伺服系統(tǒng)相媲美。同時可實現弱磁高速控制，拓寬了系統(tǒng)的調速范圍，適應了高性能伺服驅動的要求。
　　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；數字伺服可實現一機多用，如做速度、力矩、位置控制，可接收模擬指令和脈沖指令，各種參數均以數字方式設定，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。使用時可由用戶設定代碼與相關的數據即自動進人工作狀態(tài)。配有數字接口，改變工作方式、更換電動機規(guī)格時，只需重設代碼即可，故也稱萬能伺服。
　　交流伺服已占據了機床進給伺服的主導地位，并隨著新技術的發(fā)展而不斷完善，具體體現在三方面：①系統(tǒng)功率驅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；②基于微處理器嵌人式平臺技術的成熟，將促進先進控制算法的應用；③網絡化制造模式的推廣及現場總線技術的成熟，將使基于網絡的伺服控制成為可能。
（4）直線伺服系統(tǒng)
　　直線伺服系統(tǒng)采用一種直接驅動方式（direct drive），與傳統(tǒng)的旋轉傳動方式相比，最大特點是取消了電動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”方式帶來了旋轉驅動方式無法達到的性能指標，如加速度可達29．4m／s 以上，為傳統(tǒng)驅動裝置的lO一2O倍，進給速度是傳統(tǒng)的4—5倍。從電動機的工作原理來講，直線電動機有直流、交流、步進、永磁、電磁、同步和異步等多種方式；而從結構來講，又有動圈式、動鐵式、平板型和圓筒型等形式。目前應用到數控機床上的主要有高精度高頻向小行程直線電動機與大推力長行程高精度直線電動機兩類。
　　直線伺服是高速高精數控機床的理想驅動模式，受機床廠家重視，技術發(fā)展迅速。2001年歐洲機床展上，有幾十家公司展出直線電動機驅動的高速機床，快移速度達100—120m／min，加速度14．7一19．6m／s ，其中尤以德國DMG公司與13本MAZAK公司最具代表性。2000年DMG公司已有28種機型采用直線電動機驅動，年產1500多臺，約占總產量的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，主軸最高轉速80000r／min，快移速度500m／min，加速度58．8m／s 。所有這些，都標志著以直線電動機驅動為代表的第二代高速機床，將取代以高速滾珠絲杠驅動為代表的第一代高速機床，并在使用中逐步占據主導地位。
4 主軸伺服系統(tǒng)的特性
　　主軸伺服提供加工各類工件所需的切削功率，因此，只需完成主軸調速及正反轉功能。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，具有恒轉矩段及恒功率段，有準停控制，主軸與進給聯動。與進給伺服一樣，主軸伺服經歷了從普通三相異步電動機傳動到直流主軸傳動。隨微處理器技術和大功率晶體管技術的進展，現在又進人了交流主軸伺服系統(tǒng)的時代[3]。
（1）交流異步伺服系統(tǒng)
　　交流異步伺服通過在三相異步電動機的定子繞組中產生幅值、頻率可變的正弦電流，該正弦電流產生的旋轉磁場與電動機轉子所產生的感應電流相互作用，產生電磁轉矩，從而實現電動機的旋轉。其中，正弦電流的幅值可分解為給定或可調的勵磁電流與等效轉子力矩電流的矢量和；正弦電流的頻率可分解為轉子轉速與轉差之和，以實現矢量化控制。
　　交流異步伺服通常有模擬式、數字式兩種。與模擬式相比，數字式伺服加速特性近似直線，時間短，且可提高主軸定位控制時系統(tǒng)的剛性和精度，操作方便，是機床主軸驅動采用的主要形式。然而交流異步伺服存在兩個主要問題：①轉子發(fā)熱，效率較低，轉矩密度較小，體積較大；②功率因數較低，因此，要獲得較寬的恒功率調速范圍，要求較大的逆變器容量。
（2）交流同步伺服系統(tǒng)
　　近年來，隨著高能低價永磁體的開發(fā)和性能的不斷提高，使得采用永磁同步調速電動機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，永磁同步電動機轉子溫度低，軸向連接位置精度高，要求的冷卻條件不高，對機床環(huán)境的溫度影響小，容易達到極小的低限速度。即使在低限速度下也可作恒轉矩運行，特別適合強力切削加工。同時，其轉矩密度商、轉動慣量小、動態(tài)響應特性好，特別適合高生產率運行。較易達到很高的調速比，允許同一機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，為機床進行最優(yōu)切削創(chuàng)造了條件[4]。
（3）電主軸
　　電主軸是電動機與主軸融合在一起的產物，它將主軸電動機的定子、轉子直接裝入主軸組件的內部，電動機的轉子即為主軸的旋轉部分，由于取消了齒輪變速箱的傳動與電動機的連接，實現了主軸系統(tǒng)的一體化、“零傳動”。因此，具有結構緊湊、質量輕、慣性小、動態(tài)特性好等優(yōu)點，可改善機床的動平衡，避免振動和噪聲，在超高速切削機床上得到廣泛應用。
　　從理論上講，電主軸作為高速電動機，既可使用異步交流感應電動機，也可使用永磁同步電動機。電主軸的驅動一般使用矢量控制的變頻技術，通常內置一脈沖編碼器來實現廂位控制及與進給的準確配合。由于電主軸的工作轉速極高，對其散熱、動平衡、潤滑等提出了特殊的要求。在應用中必須妥善解決才能確保電主軸高速運轉和精密加工。
5 伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
　　作為數控機床的重要功能部件，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。圍繞伺服系統(tǒng)動態(tài)特性與靜態(tài)特性的提高，近年來發(fā)展了多種伺服驅動技術。可以預見，隨著超高速切削、超精密加工、網絡制造等先進制造技術的發(fā)展，具有網絡接口的全數字伺服系統(tǒng)、直線電動機及高速電主軸等將成為數控機床行業(yè)關注的熱點，并成為伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向。
（1）交流化
　　伺服技術將繼續(xù)迅速地由DC伺服系統(tǒng)轉向AC伺服系統(tǒng)。從目前國際市場的情況看，幾乎所有的新產品都是AC伺服系統(tǒng)。在工業(yè)發(fā)達國家，AC伺服電機的市場占有率已超過80％ 。國內生產AC伺服電機的廠家也越來越多，正逐步超過生產DC伺服電機的廠家。可以預見，在不遠的將來，除了在某些微型電機領域之外，AC伺服電機將完全取代DC伺服電機。
（2）全數字化
　　采用新型高速微處理器和專用數字信號處理機（DSP）的伺服控制單元將全面代替以模擬電子器件為主的伺服控制單元，從而實現完全數字化的伺服系統(tǒng)。全數字化的實現，將原有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制，從而使在伺服系統(tǒng)中應用現代控制理論的先進算法（如：最優(yōu)控制、人工智能、模糊控制、神經元網絡等）成為可能。
（3）采用新型電力電子半導體器件
　　目前，伺服控制系統(tǒng)的輸出器件多采用開關頻率很高的新型功率半導體器件，主要有大功率晶體管（GTR）、功率場效應管（MOSFET）和絕緣門極晶體管（IGBT）等。這些先進器件的應用顯著降低了伺服單元輸出回路的功耗，提高了系統(tǒng)的響應速度，降低了運行噪聲。尤其是，最新型的伺服控制系統(tǒng)已開始使用一種把控制電路功能和大功率電子開關器件集成在一起的新型模塊，稱為智能控制功率模塊（Intelligent Power Mod—ules，簡稱IPM）。這種器件將輸人隔離、能耗制動、過溫、過壓、過流保護及故障診斷等功能全部集成于一個不大的模塊中。其輸入邏輯電平與TTL信號完全兼容，與微處理器的輸出可直接接口。它的應用顯著地簡化了伺服單元的設計，并實現了伺服系統(tǒng)的小型化和微型化。
（4）高度集成化
　　新的伺服系統(tǒng)產品改變了將伺服系統(tǒng)劃分為速度伺服單元與位置伺服單元2個模塊的做法，代之以單一、高度集成化、多功能的控制單元。同一個控制單元，只要通過軟件設置系統(tǒng)參數就可改變其性能，既可以使用電機本身配置的傳感器構成半閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)，又可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構成高精度的全閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。高度的集成化還顯著縮小了整個控制系統(tǒng)的體積，使伺服系統(tǒng)的安裝與調試工作都得到簡化。
（5）智能化
　　智能化是當前一切工業(yè)控制設備的流行趨勢，伺服驅動系統(tǒng)作為一種高級的工業(yè)控制裝置也不例外。最新數字化的伺服控制單元通常都設計為智能型產品，其智能化特點表現在：① 都具有參數記憶功能。系統(tǒng)的所有運行參數都可通過人機對話的方式由軟件來設置，保存在伺服單元內部，通過通信接口，這些參數甚至可以在運行途中由上位計算機加以修改，應用方便；② 都具有故障自診斷與分析功能。無論什么時候，只要系統(tǒng)出現故障，就會將故障類型及可能引起故障的原因通過用戶界面清楚地顯示出來，這就簡化了維修與調試的復雜性；③有的伺服系統(tǒng)還具有參數自整定的功能。眾所周知，閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)的參數整定是保證系統(tǒng)性能指標的重要環(huán)節(jié)，也是需要耗費較多時間與精力的工作。帶有自整定功能的伺服單元可通過幾次試運行，自動將系統(tǒng)的參數整定出來，并自動實現其最優(yōu)化。對于使用伺服單元的用戶來說，這是新型伺服系統(tǒng)最具吸引力的特點之一。
（6）模塊化和網絡化
　　在國外，以工業(yè)局域網技術為基礎的工廠自動化（Factory Automation，簡稱FA）工程技術在近lO年來得到了長足發(fā)展，并顯示出良好的發(fā)展勢頭。為適應這一發(fā)展趨勢，最新的伺服系統(tǒng)都配置了標準的串行通信接口（如RS一232C或RS一422接口等）和專用的局域網接口。這些接口的設置顯著增強了伺服單元與其它控制設備問的互聯能力，從而，與CNC系統(tǒng)問的連接也變得簡單，只需1根電纜或光纜就可將數臺，甚至數十臺伺服單元與上位計算機連接為整個數控系統(tǒng)。也可通過串行接口與可編程控制器（PLC）的數控模塊相連。
　　綜上所述，伺服系統(tǒng)將向兩個方向發(fā)展：一個是滿足一般工業(yè)應用要求，對性能指標要求不高的應用場合，追求低成本、少維護、使用簡單等特點的驅動產品，如變頻電機、變頻器等；另一個就是代表著伺服系統(tǒng)發(fā)展水平的主導產品——伺服電機、伺服控制器，追求高性能、高速度、數字化、智能型、網絡化的驅動控制，以滿足用戶較高的應用要求。