摘 要：伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組成部分，數(shù)控機床的精度和速度指標(biāo)等往往由伺服系統(tǒng)決定。伺服系統(tǒng)經(jīng)歷了從步進伺服到交流伺服的發(fā)展過程。而且隨著技術(shù)的發(fā)展，高精度、高性能的交流伺服已成為伺服系統(tǒng)發(fā)展的新趨勢。

1 概述

　　數(shù)控車床又稱為 CNC車床，即計算機數(shù)字控制車床，是目前國內(nèi)使用量最大，覆蓋面最廣的一種數(shù)控機床，一般由輸入、輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、檢測反饋裝置和機床主機等組成。它是數(shù)控機床的主要品種之一，解決了大部分機械零件的自動化加工問題成為最主要的機械加工設(shè)備，在數(shù)控機床中占有非常重要的位置，幾十年來一直受到世界各國的普遍重視并得到了迅速的發(fā)展。

2 數(shù)控機床伺服驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成

　　數(shù)控機床伺服驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成如下圖1所示。數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)按有無反饋檢測單元分為開環(huán)和閉環(huán)兩種類型，這兩種類型的伺服驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成不完全相同。但不管是哪種類型，執(zhí)行元件及其驅(qū)動控制單元都必不可少。驅(qū)動控制單元的作用是將進給指令轉(zhuǎn)化為驅(qū)動執(zhí)行元件所需要的信號形式，執(zhí)行元件則將該信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的機械位移。

圖1 數(shù)控機床伺服驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成

　　對于閉環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)來說，它是由執(zhí)行元件、驅(qū)動控制單元、比較控制環(huán)節(jié)、反饋檢測單元、以及機床等組成。反饋檢測單元將工作臺的實際位置檢測后反饋給比較控制環(huán)節(jié)，比較控制環(huán)節(jié)將指令信號和反饋信號進行比較，以兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差經(jīng)驅(qū)動控制單元，驅(qū)動和控制執(zhí)行元件帶動工作臺運動。

　　在CNC系統(tǒng)中，由于計算機的引入，比較控制環(huán)節(jié)的功能由軟件完成，從而導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一些改變，但基本上還是由執(zhí)行元件、反饋檢測單元、比較控制環(huán)節(jié)、驅(qū)動控制單元和機床組成。

3 應(yīng)用與發(fā)展

　　一般在用戶廠家采用的專用數(shù)控車床系統(tǒng)CNC中，伺服電機和驅(qū)動器在系統(tǒng)中擔(dān)任“執(zhí)行機構(gòu)”的角色。針對應(yīng)用在數(shù)控車床上的臥龍交流伺服系統(tǒng)(如圖2所示)，這里簡單介紹下。數(shù)控車床中(如圖3所示)，主軸為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)。另外兩個坐標(biāo)屬刀具進給系統(tǒng)(X、Z坐標(biāo))。刀具在X軸向和Z軸向的運動分別由各自的伺服電動機通過滾珠絲杠帶動，而電動機的轉(zhuǎn)動及運動方式均由伺服控制器控制。主軸電動機為高速內(nèi)裝式感應(yīng)電動機。主軸控制器通常采用矢量控制法對感應(yīng)電動機進行控制，直接把轉(zhuǎn)速指令輸入主軸控制器就可以控制主軸的轉(zhuǎn)速。由數(shù)控系統(tǒng)CNC給出主軸電動機與進給伺服電動機控制命令完成對主軸速度控制與各進給軸的速度、位移控制，實現(xiàn)軌跡加工。各坐標(biāo)軸都有相應(yīng)的速度與位移檢測裝置，構(gòu)成閉環(huán)反饋控制。主軸電動機由旋轉(zhuǎn)變壓器測速，由光電編碼器檢測位置實現(xiàn)分度使之與進給系統(tǒng)保持同步，完成各種加工。 X、Z 三軸均為臥龍全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)，各軸伺服電機通過聯(lián)軸器帶動滾珠絲桿，以移動配有直線導(dǎo)軌的工作臺和主軸銑頭，其定位準(zhǔn)確，速度快。臥龍生產(chǎn)的交流伺服WLSA-15在車床上的實際表現(xiàn)非常不錯，在用戶最為關(guān)心的幾個方面如：過載破壞性試驗，低速穩(wěn)定精細(xì)保持，過載能力快速響應(yīng)，電網(wǎng)電壓波動較大適應(yīng)惡劣工作環(huán)境的能力等性能上臥龍伺服表現(xiàn)很好。臥龍伺服系統(tǒng)功能比較完善，如能耗制動、電子齒輪、自動加減速等，具備多種脈沖串輸入，保護功能也比較完備。

　　CNC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4

　　根據(jù)目前的國內(nèi)市場來看，伺服系統(tǒng)將向兩個方向發(fā)展：一是滿足一般工業(yè)應(yīng)用的要求，對性能指標(biāo)要求不高的應(yīng)用場合，追求低成本、少維護、使用簡單等特點的驅(qū)動產(chǎn)品;二是代表著伺服系統(tǒng)發(fā)展水平的主導(dǎo)產(chǎn)品——伺服電機、伺服控制器，以滿足用戶較高的應(yīng)用要求。

　　交流伺服占據(jù)了機床進給伺服的主導(dǎo)地位，并隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，交流伺服的發(fā)展具體體現(xiàn)在以下四方面：

　　1.電子器件不斷向高頻化方向發(fā)展，多功能的控制單元設(shè)計等使其高度集成化;

　　2.伺服驅(qū)動系統(tǒng)作為一種高級的工業(yè)控制裝置不斷向智能化發(fā)展;

　　3.基于微處理器嵌人式平臺技術(shù)的成熟，將促進先進控制算法的應(yīng)用;

　　4.網(wǎng)絡(luò)化制造模式的推廣及總線技術(shù)的成熟，將使伺服控制系統(tǒng)向模塊化和網(wǎng)絡(luò)化快速發(fā)展。

　　臥龍伺服系統(tǒng)中采用新型伺服電機，它具有響應(yīng)能力強、力矩保持好、定位精準(zhǔn)等特點，大大提升了數(shù)控機床的機械性能。伺服驅(qū)動器中，有高速微處理器和專用數(shù)字信號處理機的伺服控制單元，集成度更高，可靠性更好。搭配智能控制功率模塊驅(qū)動，運行更安全。并匹配2500線增量式編碼器，提高定為精確，增強響應(yīng)性和平穩(wěn)性。對于進給軸 X、Z 的伺服性能的要求主要是伺服系統(tǒng)有較高的動態(tài)響應(yīng)及較高的定位精度，而臥龍伺服系統(tǒng)都很好的保證了進給軸所需驅(qū)動的要求。在其智能化發(fā)展方面，臥龍伺服具有參數(shù)記憶功能、故障自診斷與分析功能等，同時還在開發(fā)伺服系統(tǒng)的參數(shù)自整定功能。在網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展方面，臥龍伺服都配置了標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口，并在開發(fā)專用的局域網(wǎng)接口，使其與CNC系統(tǒng)間的連接更為簡單。臥龍伺服與某廠家上位機接線如圖5所示。

圖5

4 結(jié)束語

　　總之，作為數(shù)控機床的重要功能部件，伺服系統(tǒng)的特性一直是影響系統(tǒng)加工性能的重要指標(biāo)。它在很大程度上決定了數(shù)控機床的性能，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，研究和開發(fā)高性能的伺服驅(qū)動系統(tǒng)以成為趨勢。