伺服系統(tǒng)在數(shù)控中的應(yīng)用

0 前言
　　數(shù)控（numerical contro1）技術(shù)是利用數(shù)字化的信息對機床以及加工過程進行控制的一種方法。數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要部分，它隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。現(xiàn)在的數(shù)控系統(tǒng)都是由計算機來完成以前硬件數(shù)控所做的工作，因此，有時也將其稱為計算機數(shù)字控制系統(tǒng)。計算機數(shù)字控制系統(tǒng)是以微處理器技術(shù)為特征，并隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、通訊技術(shù)和精密測量技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展完善的一種先進加工制造系統(tǒng)。
1 數(shù)控機床系統(tǒng)分析
1．1 數(shù)控系統(tǒng)的組成及應(yīng)用
　　數(shù)控機床由數(shù)字程序?qū)崿F(xiàn)機床控制。數(shù)控機床具有自動換刀裝置，工作自動進給、裝卸、刀具壽命檢測系統(tǒng)和排屑等各種附加裝置，可以進行長時間的無人運轉(zhuǎn)加工。數(shù)控機床加工過程的精度和效率很大程度上取決于刀具的進給精度及其與主軸旋轉(zhuǎn)速度的協(xié)調(diào)關(guān)系。

　　如圖1所示，數(shù)控機床一般由五部分組成。其中數(shù)控裝置是數(shù)控機床的核心，現(xiàn)代數(shù)控機床都采用計算機控制CNC（computer numerical contro1）裝置。它具備的主要功能有：1）多坐標控制；2）實現(xiàn)多種函數(shù)插補；3）多種程序輸入功能。以及編輯和修改功能；4）信息轉(zhuǎn)換功能；5）補償功能；6）多種加工方式選擇；7）故障自診斷功能；8）顯示功能；9）通訊與聯(lián)網(wǎng)功能。CNC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。數(shù)控系統(tǒng)是嚴格按照數(shù)控程序?qū)ぜM行自動加工的。數(shù)控加工程序按照零件加工的軌跡信息、工藝信息和開關(guān)命令等。

1．2 數(shù)控機床中的伺服系統(tǒng)
　　伺服系統(tǒng)是以機械運動的驅(qū)動設(shè)備— —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(gòu)，在自動控制理論的指導(dǎo)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(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，由電動機和機械傳動機構(gòu)驅(qū)動機床坐標軸、主軸等，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(fù)雜的機械運動，從而加工出用戶所要求的復(fù)雜形狀的工件。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)歷了從步進伺服系統(tǒng)到直流伺服系統(tǒng)。進而到交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展歷程。數(shù)控機床的精度和速度等技術(shù)指標往往主要取決于伺服系統(tǒng)。
　　數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)主要有兩種：進給伺服系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)。進給伺服系統(tǒng)是指一般概念的伺服系統(tǒng)，它包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。進給伺服系統(tǒng)完成各坐標軸的進給運動，具有定位和輪廓跟蹤功能，是數(shù)控機床中要求最高的伺服系統(tǒng)，它的性能決定了數(shù)控機床的最大進給速度和定位精度等。嚴格來說，一般的主軸控制只是一個速度控制系統(tǒng)。主要實現(xiàn)主軸的旋轉(zhuǎn)運動，提供切削過程中的轉(zhuǎn)矩和功率，且保證任意轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，完成在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無級變速。具有C軸控制的主軸和進給伺服系統(tǒng)一樣，為一般概念的位置伺服控制系統(tǒng)。而隨著高速加工技術(shù)的發(fā)展，對主軸伺服系統(tǒng)的要求也越來越高。此外，刀庫的位置控制是為了在刀庫的不同位置選擇刀具，與進給坐標軸的位置控制相比，性能要低得多，故稱為簡易位置伺服系統(tǒng)。
1．3 數(shù)控機床對伺服系統(tǒng)的要求
　　由于各種數(shù)控機床所完成的加工任務(wù)不同，它們對伺服系統(tǒng)的要求也不盡相同。但通常可以概括為以下幾個方面：
　　a）可逆運行：可逆運行要求能靈活地雙向運行。在加工過程中，機床工作臺處于隨機狀態(tài)，根據(jù)加工軌跡的要求，隨時都可以實現(xiàn)正向和反向運動。同時要求在方向變化時，不應(yīng)有反向間隙和運動的損失。從能量角度看，應(yīng)該實現(xiàn)能量的可逆轉(zhuǎn)換，即在加工運行時，電動機從電網(wǎng)吸收能量變換為機械能；在制動時應(yīng)把電動機的機械慣性能量變?yōu)殡娔芊答伣o電網(wǎng)，以實現(xiàn)快速制動；
　　b）速度范圍寬：為適應(yīng)不同的加工條件，例如所加工零件的材料、類型、尺寸、部位以及刀具的種類和冷卻方式等的不同，要求數(shù)控機床進給系統(tǒng)能在很寬的范圍內(nèi)無級變換。這就要求伺服電動機有很寬的調(diào)速范圍和優(yōu)異的調(diào)速性能。經(jīng)過機械傳動后，電機轉(zhuǎn)速的變化范圍即可轉(zhuǎn)化為進給速度的變化范圍。目前最先進的水平是在進給脈沖當量為1Ⅲ的情況下，進給速度在0～240m／min范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。對一般數(shù)控機床而言，進給速度范圍在0-24m／min時，都可滿足加工要求。由于位置伺服系統(tǒng)是由速度控制單元和位置控制環(huán)節(jié)兩大部分組成的，如果對速度控制系統(tǒng)也過分地追求像位置伺服系統(tǒng)那么大的調(diào)速范圍而又要可靠穩(wěn)定的工作，那么速度控制系統(tǒng)將會變得相當復(fù)雜，既提高了成本又降低了可靠性。一般來說，對于進給速度范圍為1：20000的位置控制系統(tǒng)，在總的開環(huán)位置增益為201／s時，只要保證速度控制單元具有1：1000的調(diào)速范圍就可以滿足需要，這樣可使速度控制單元線路既簡單又可靠。當然，代表當今世界先進水平的實驗系統(tǒng)，速度控制單元調(diào)速范圍已達1：100000；
　　C）具有足夠的傳動剛性和高的速度穩(wěn)定性：這就要求伺服系統(tǒng)具有優(yōu)良的靜態(tài)與動態(tài)負載特性，即伺服系統(tǒng)在不同的負載情況下或切削條件發(fā)生變化時，應(yīng)使進給速度保持恒定。剛性良好的系統(tǒng)，速度負載受負載力矩變化的影響很小。通常要求承受額定力矩變換時，靜態(tài)速降應(yīng)小于5％，動態(tài)速降應(yīng)小于10％；
　　d）快速響應(yīng)并無超調(diào)：為了保證輪廓切削形狀精度和高的加工表面粗糙度，對位置伺服系統(tǒng)除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號的響應(yīng)要快，這就對伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能提出MachineBuilding g Automation，A 2007，36（2）：10～13兩方面的要求：1）在伺服系統(tǒng)處于頻繁地啟動、制動、加速和減速等動態(tài)過程，為了提高生產(chǎn)率和保證加工品質(zhì)，則要求加減速度足夠大，以縮短過渡時間。一般電機速度由0到最大，或從最大降低到0，時間應(yīng)控制在200ms以下，甚至小于幾十毫秒，且速度變化時不應(yīng)有超調(diào)；另一方面是當負載突然變化時，過渡過程前沿要陡，恢復(fù)時間要短、且無振蕩。這樣才能得到光滑的加工表面；
　　e）精度高：為了滿足數(shù)控加工精度的要求，關(guān)鍵是保證數(shù)控機床的定位精度和進給跟蹤精度。這也是伺服系統(tǒng)靜態(tài)特性和動態(tài)特性指標是否優(yōu)良的具體表現(xiàn)。位置伺服系統(tǒng)的定位精度一般要求能達到1μm甚至0．1μm，高的可以達到0．01-0．005μm。相應(yīng)地，對伺服系統(tǒng)的分辨力也提出了要求。當伺服系統(tǒng)接受CNC送來的一個脈沖時，工作臺相應(yīng)移動的單位距離叫分辨力。系統(tǒng)分辨力取決于系統(tǒng)穩(wěn)定工作性能和所使系統(tǒng)用的位置檢測元件。目前的閉環(huán)伺服都能達到0．1μm的分辨力，甚至更小；f）低速大轉(zhuǎn)矩：機床的加工特點，大多是低速時進行切削，即在低速時進給驅(qū)動要有大的轉(zhuǎn)矩輸出。
2 進給伺服系統(tǒng)
　　進給伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀及展望：數(shù)控機床的進給伺服系統(tǒng)是以機床移動部件的位置和速度為控制量，接受來自插補裝置或插補軟件生成的進給脈沖指令，經(jīng)過一定的信號變換以及電壓、功率放大，檢測反饋，最終實現(xiàn)機床工作臺相對于刀具運動軌跡的控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖如圖3所示。數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的位置控制、速度控制、伺服電動機和機械傳動等方面都有很高的要求。具體有位置精度、定位精度、穩(wěn)定性快速響應(yīng)無超調(diào)和寬調(diào)速范圍等。根據(jù)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進行控制，并將脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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)電動機的轉(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。步進電動機每轉(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(shè)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)，使得步進電動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，將把步進伺服的性能提高到一個新的水平。
2．2 直流伺服系統(tǒng)
　　直流伺服系統(tǒng)常用的伺服電機有小慣量直流伺服電機和永磁直流伺服電機。小慣量伺服電機最大限度減少了電樞的轉(zhuǎn)動慣量，所以能獲得更好的快速性。在早期的數(shù)控機床上應(yīng)用較多，現(xiàn)在也有應(yīng)用。小慣量伺服電機一般都設(shè)計成有高的額定轉(zhuǎn)速和低的慣量，所以應(yīng)用時，要經(jīng)過中間機械傳動才能與絲杠相連接。
　　永磁直流伺服電機能在較大過載轉(zhuǎn)矩下長時間工作以及電機的慣量較大。能直接與絲杠相連而不需中間傳動裝置。此外，它還有一個特點是可在低速下運轉(zhuǎn)，如能在1r／min甚至在0．1r／min下平穩(wěn)地運轉(zhuǎn)。因此，這種直流伺服系統(tǒng)在數(shù)控機床上獲得了廣泛的應(yīng)用，自20世紀70年代至踟年代中期，它在數(shù)控機床上應(yīng)用占絕對統(tǒng)治地位。至今，許多數(shù)控機床上仍使用這種電機的直流伺服系統(tǒng)。永磁直流伺服電機的缺點是有電刷，限制了轉(zhuǎn)速的提高。一般額定轉(zhuǎn)速為1000～1500r／min，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格較貴。
　　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)矩與轉(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(dǎo)地位。然而，從實際運行考慮，直流伺服電動機引入了機械換向裝置。但其成本高、故障多和維護困難，經(jīng)常因碳刷產(chǎn)生的火花而影響生產(chǎn)，并對其他設(shè)備產(chǎn)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(zhuǎn)子上使得電動機效率低、散熱差。為了改善換向能力，減小電樞的漏感，轉(zhuǎn)子變得短粗，影響了系統(tǒng)的動態(tài)性能。
2．3 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(qū)繞組裝在定子、轉(zhuǎn)子為永磁部分，由轉(zhuǎn)子軸上的編碼器測出磁極位置，就構(gòu)成了永磁無刷電動機，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。其寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動態(tài)響應(yīng)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(yīng)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、力矩和位置控制。可接收模擬指令和脈沖指令，各種參數(shù)均以數(shù)字方式設(shè)定，穩(wěn)定性好，且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)。可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(shè)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、更換電動機規(guī)格時，只需重設(shè)代碼即可，故也稱萬能伺服。交流伺服已占據(jù)了機床進給伺服的主導(dǎo)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：1）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(yīng)用；2）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(yīng)用；3）網(wǎng)絡(luò)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(luò)的伺服控制成為可能。
2．4 直線伺服系統(tǒng)
　　直線伺服系統(tǒng)采用的是一種直接驅(qū)動（direct drive）方式，與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)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(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(jié)構(gòu)來講，又有動圈式、動鐵式、平板型和圓筒型等形式。目前應(yīng)用到數(shù)控機床上的主要有高精度、高頻響、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(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動機驅(qū)動的高速機床，快移速度達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種機型采用直線電動機驅(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2720m／s，主軸最高轉(zhuǎn)速踟80000r／min，快移速度500m／min，加速度6g。所有這些，都標志著以直線電動機驅(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(dǎo)地位。
3 主軸伺服系統(tǒng)
　　主軸伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀及展望：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(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(yīng)的位置控制要求，因此，要求其輸出功率大，具有恒轉(zhuǎn)矩段及恒功率段，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。隨著微處理器技術(shù)和大功率晶體管技術(shù)的進展，現(xiàn)在又進入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(chǎn)生幅值、頻率可變的正弦電流，該正弦電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與電動機轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的感應(yīng)電流相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)電動機的旋轉(zhuǎn)。其中，正弦電流的幅值可分解為給定或可調(diào)的勵磁電流與等效轉(zhuǎn)子力矩電流的矢量和；正弦電流的頻率可分解為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差之和，以實現(xiàn)矢量化控制。交流異步伺服通常有模擬式、數(shù)字式兩種方式。與模擬式相比，數(shù)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(qū)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(zhuǎn)子發(fā)熱，效率較低，轉(zhuǎn)矩密度較小，體積較大；2）功率因數(shù)較低。因此，要獲得較寬的恒功率調(diào)速范圍，要求較大的逆變器容量。
3．2 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(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩運行，特別適合強力切削加工。同時其轉(zhuǎn)矩密度高，轉(zhuǎn)動慣量小，動態(tài)響應(yīng)特性好，特別適合高生產(chǎn)率運行。較容易達到很高的調(diào)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。
3．3 電主軸
　　電主軸是電動機與主軸融合在一起的產(chǎn)物，它將主軸電動機的定子、轉(zhuǎn)子直接裝入主軸組件的內(nèi)部，電動機的轉(zhuǎn)子即為主軸的旋轉(zhuǎn)部分，由于取消了齒輪變速箱的傳動與電動機的連接，實現(xiàn)了主軸系統(tǒng)的一體化、“零傳動”。因此，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、慣性小、動態(tài)特性好等優(yōu)點，并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了廣泛的應(yīng)用。從理論上講，電主軸為一臺高速電動機，其既可使用異步交流感應(yīng)電動機，也可使用永磁同步電動機。電主軸的驅(qū)動一般使用矢量控制的變頻技術(shù)，通常內(nèi)置一脈沖編碼器來實現(xiàn)相位控制及與進給的準確配合。由于電主軸的工作轉(zhuǎn)速極高，對其散熱、動平衡、潤滑等提出了特殊的要求。在應(yīng)用中必須妥善解決，才能確保電主軸高速運轉(zhuǎn)和精密加工。
　　作為數(shù)控機床的重要功能部件，伺服系統(tǒng)的特性一直是影響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(qū)動技術(shù)。可以預(yù)見隨著超高速切削、超精密加工、網(wǎng)絡(luò)制造等先進制造技術(shù)的發(fā)展，具有網(wǎng)絡(luò)接口的全數(shù)字伺服系統(tǒng)、直線電動機以及高速電主軸等將成為數(shù)控機床行業(yè)關(guān)注的熱點，并成為伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向。