摘要：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。數(shù)據(jù)機床伺服控制系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組成部分，它是以機床移動部件的位置和速度為控制量的自動控制系統(tǒng)。在數(shù)控機床中，伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機床主機的聯(lián)系環(huán)節(jié)，數(shù)控機床的精度和速度指標等往往由伺服系統(tǒng)決定。伺服系統(tǒng)經歷了從步進伺服到直流伺服進而到交流伺服的發(fā)展過程。因此，研究高性能的伺服系統(tǒng)是現(xiàn)代數(shù)控機床的關鍵技術之一。

1前言

    20世紀50年代數(shù)控技術出現(xiàn)以來，數(shù)控機床給機械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數(shù)控加工具有如下特點：加工柔性好，加工精度高，生產率高，減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產管理的現(xiàn)代化以及經濟效益的提高。數(shù)控機床是一種高度機電一體化的產品，適用于加工多品種小批量零件、結構較復雜、精度要求較高的零件、需要頻繁改型的零件、價格昂貴不允許報廢的關鍵零件、要求精密復制的零件、需要縮短生產周期的急需零件以及要求100%檢驗的零件。數(shù)控機床的特點及其應用范圍使其成為國民經濟和國防建設發(fā)展的重要裝備。作為數(shù)控機床重要組成部分的伺服系統(tǒng)，隨著新材料、電子電力、控制理論等相關技術的發(fā)展，經歷了從步進伺服系統(tǒng)到直流伺服系統(tǒng)再到今天的交流伺服系統(tǒng)的過程。交流伺服技術的日益發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)將逐步全面取代直流伺服系統(tǒng)。

    數(shù)控（NumericalControl）是數(shù)控技術的簡稱。它是利用數(shù)字化的信息對機床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，它隨著計算機技術的發(fā)展而發(fā)展?，F(xiàn)在的數(shù)控系統(tǒng)都是由計算機完成以前硬件數(shù)控所做的工作，為特別強調，有時也稱為計算機數(shù)字控制系統(tǒng)。計算機數(shù)字控制CNC（ComputerNumericalControl）系統(tǒng)是以微處理器技術為特征,并隨著電子技術、計算機技術、數(shù)控技術、通訊技術以及精密測量技術的發(fā)展而不斷發(fā)展完善的一種先進加工制造系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)框圖見圖1所示，它由數(shù)控程序、輸入輸出設備、操作面板、CNC裝備、可編程控制器（PLC）、主軸伺服系統(tǒng)、進給伺服系統(tǒng)、檢測裝備和一些電氣輔助裝置等組成。

    伺服系統(tǒng)是以機械運動的驅動設備，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，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(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(lián)動使刀具相對工件產生各種復雜的機械運動，從而加工出用戶所要求的復雜形狀的工件。作為數(shù)控機床的執(zhí)行機構，伺服系統(tǒng)將電力電子器件、控制、驅動及保護等集為一體，并隨著數(shù)字脈寬調制技術、特種電機材料技術、微電子技術及現(xiàn)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(shù)控機床中的伺服系統(tǒng)種類繁多，本文通過分析其結構及簡單歸分，對其技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢作簡要探討。

    伺服系統(tǒng)是以驅動裝置—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，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)，它包括伺服驅動器和伺服電機。數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自數(shù)控裝置的指令信號，驅動機床移動部件跟隨指令脈沖運動，并保證動作的快速和準確，這就要求高質量的速度和位置伺服。數(shù)控機床的精度和速度等技術指標往往主要取決于伺服系統(tǒng)。

2數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的要求和分類

2.1數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的要求

    數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)應滿足以下基本要求：

2.1.1精度高

    數(shù)控機床不可能像傳統(tǒng)機床那樣用手動操作來調整和補償各種誤差，因此它要求很高的定位精度和重復定位精度。

2.1.2快速響應特性好

    快速響應是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質的標志之一。它要求伺服系統(tǒng)跟隨指令信號不僅跟隨誤差小，而且響應要快，穩(wěn)定性要好。在系統(tǒng)給定輸入后，能在短暫的調節(jié)之后達到新的平衡或是受到外界干擾作用下能迅速恢復原來的平衡狀態(tài)。

2.1.3調速范圍大

    由于工件材料、刀具以及加工要求不同，要保證數(shù)控機床在任何情況下都能得到最佳的切削條件，伺服系統(tǒng)就必須有足夠的調速范圍，既能滿足高速加工要求，又能滿足低速進給要求。調速范圍一般大于1:10000。而且在低速切削時，還要求有較大穩(wěn)定的轉矩輸出。

2.1.4系統(tǒng)可靠性要好

    數(shù)控機床的使用率要求很高，常常是24小時連續(xù)工作不能停機，因而要求工作可靠。

    數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的基本組成如圖2所示。數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)按有無反饋檢測元件分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。驅動控制單元是將進給指令轉化為執(zhí)行元件所需要的信號，執(zhí)行元件將該信號轉為機械位移。開環(huán)控制系統(tǒng)沒有反饋檢測元件和比較控制環(huán)節(jié)，這些是閉環(huán)控制系統(tǒng)必須的部分。

2.2伺服系統(tǒng)分類

    伺服系統(tǒng)按用途和功能分為進給驅動系統(tǒng)和主軸驅動系統(tǒng)。按有無反饋檢測元件分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。按執(zhí)行元件的不同，分為步進伺服系統(tǒng)、直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。

2.2.1步進伺服系統(tǒng)

    在20世紀60年代以前，步進伺服系統(tǒng)是以步進電機驅動的液壓伺服電動機或是以功率步進電機直接驅動為特征，伺服系統(tǒng)采用開環(huán)控制。

    步進伺服系統(tǒng)接受脈沖信號，它的轉速和轉過的角度取決于指令脈沖的頻率或個數(shù)。由于沒有檢測和反饋環(huán)節(jié)，步進電機的精度取決于步距角的精度，齒輪傳動間隙等，所以它的精度較低。而且步進電機在低頻時易出現(xiàn)振動現(xiàn)象，它的輸出力矩隨轉速升高而下降。又由于步進伺服系統(tǒng)為開環(huán)控制，步進電機在啟動頻率過高或負載過大時易出現(xiàn)“丟步”或“堵轉”現(xiàn)象，停止時轉速過高容易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象。另外步進電機從靜止加速到工作轉速需要的時間也較長，速度響應較慢。但是由于其結構簡單，易于調整，工作可靠，價格較低的特點，在許多要求不高的場合還是可以應用的。

2.2.2直流伺服系統(tǒng)

    60～70年代后，數(shù)控系統(tǒng)大多采用直流伺服系統(tǒng)。直流伺服電機具有良好的寬調速性能。輸出轉矩大，過載能力強，伺服系統(tǒng)也由開環(huán)控制發(fā)展為閉環(huán)控制，因而在工業(yè)及相關領域獲得了更加廣泛的運用。但是，隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，其相應設備如精密數(shù)控機床、工業(yè)機器人等對電伺服系統(tǒng)提出越來越高的要求，尤其是精度、可靠性等性能。而傳統(tǒng)直流電動機采用的是機械式換向器，在應用過程中面臨很多問題，如電刷和換向器易磨損，維護工作量大，成本高;換向器換向時會產生火花，使電機的最高轉速及應用環(huán)境受到限制;直流電機結構復雜、成本高、對其他設備易產生干擾。

    這些問題的存在，限制了直流伺服系統(tǒng)在高精度、高性能要求伺服驅動場合的應用。

2.2.3交流伺服系統(tǒng)

    針對直流電動機的缺點，人們一直在努力尋求以交流伺服電動機取代具有機械換向器和電刷的直流伺服電動機的方法，以滿足各種應用領域，尤其是高精度、高性能伺服驅動領域的需要。但是由于交流電機具有強耦合，非線性的特性，控制非常復雜，所以高性能運用一直受到局限。自80年代以來，隨著電子電力等各項技術的發(fā)展，特別是現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，在矢量控制算法方面的突破，原來一直困擾著交流電動機的問題得以解決，交流伺服發(fā)展地越來越快。

交流伺服系統(tǒng)的特點

    交流伺服系統(tǒng)除了具有穩(wěn)定性好、快速性好、精度高的特點外，與直流伺服電機系統(tǒng)相比有一系列優(yōu)點:

    交流電機不存在換向器圓周調速限制，也不存在電樞元件中電抗電勢數(shù)值限制，其轉速限制可以設計得比相同功率的直流電機高。

    調速范圍寬，目前大多數(shù)的交流伺服電機的變速比可以達到1:5000，高性能的伺服電機的變速比已達1:10000以上。滿足數(shù)控機床傳動調速范圍寬、靜差率小的要求。

    矩頻特性好，交流電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速以內輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。并且具有轉矩過載能力，可克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。滿足機床伺服系統(tǒng)輸出轉矩大、動態(tài)相應好、定位精度高的要求。

3數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的發(fā)展

3.1國內交流伺服的研究現(xiàn)狀

    交流伺服系統(tǒng)包括基于異步電動機的交流伺服系統(tǒng)和基于同步電動機的交流伺服系統(tǒng)。目前機床主要采用的是永磁同步交流伺服系統(tǒng)。在交流伺服研究領域，日本、美國和歐洲的研究一直走在世界前列。日本的安川公司在20世紀80年代中期研制成功世界上第一臺交流伺服驅動器。隨后FANUC、三菱、松下等公司先后推出各自的交流伺服系統(tǒng)，國外的這些產品大多是基于異步電動機的。國內在基于異步電機交流伺服系統(tǒng)的研究比較晚，到目前為止還沒有產品問世。國內很多學者把研究的重點放在永磁同步電機伺服系統(tǒng)上。我國的華中科技大學、北京機床研究所、西安微電動機研究所、中科院沈陽自動化研究所、蘭州電動機廠等單位開始研究并推出交流伺服系統(tǒng)。其中，由廣州數(shù)控公司生產的DA98全數(shù)字式交流伺服驅動裝置在我國的高精度數(shù)控伺服驅動行業(yè)已經打開局面，打破了外國公司壟斷的格局，開創(chuàng)了民族品牌新紀元。

    交流伺服的信號和數(shù)控系統(tǒng)接口有三種模式，也是它經歷的三個階段。以國內來說，廣州數(shù)控的DA98屬于第一代也是劃時代的一種伺服驅動器，它是國內第一臺全數(shù)字式交流伺服驅動裝置，它接受方向命令脈沖。第二代是以埃斯頓為代表的EDB系列，它不僅能夠接受脈沖命令信號，還能接受速度控制或是轉矩控制的模擬量的輸入。第三代是網絡化交流伺服系統(tǒng)。網絡化伺服系統(tǒng)是工業(yè)現(xiàn)場總線技術和全數(shù)字化交流伺服的有機結合，全數(shù)字化交流伺服技術可以使用戶根據(jù)負載狀況調整參數(shù)，也省去了一些模擬回路所產生的漂移等不穩(wěn)定因素。采用基于現(xiàn)場總線的網絡控制技術，將微處理器和現(xiàn)場總線接口置入全數(shù)字型交流電機伺服驅動器，形成智能型獨立的全數(shù)字伺服控制單元，將其直接連接到工業(yè)現(xiàn)場總線上，就形成了新型的基于現(xiàn)場總線的網絡控制系統(tǒng)。減少了硬件數(shù)量和連線，各智能單元結構上獨立自主，可與外界以及相互間實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，而且可以加掛其它現(xiàn)場控制設備，易于擴展。到目前為止網絡化交流伺服器在國內還沒有成熟產品。北京航空航天大學機器人研究所開發(fā)設計了一種基于DSP＋FPGA+ASIPM的網絡化交流伺服控制系統(tǒng)，原理樣機已在三維雕刻機上得到了初步的驗證。

    目前的伺服器驅動器內部大多采用高速DSP處理器，推進了各種先進的運動控制算法在新型驅動器上的使用。在硬件結構上各大伺服系統(tǒng)供應商大多采用DSP+CPLD（FPGA）結構，由于DSP和CPLD（FPGA）的可重復編程性，可以實現(xiàn)交流伺服系統(tǒng)的模塊化可重構。只要為系統(tǒng)配置相應不同的軟件（包括控制算法）就可以控制和驅動異步電機、永磁同步伺服電機、無刷直流電機，而通過對FPGA的重新配置還可以驅動直流電機和三相感應式高壓步進電機。這就為數(shù)控機床的升級以及革新留下了很多的空間。

3.2交流伺服的發(fā)展趨勢

    隨著生產力的不斷發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)向著集成化、智能化和網絡化的方向發(fā)展。

3.2.1集成化

    使用單一、多功能的控制單元，通過軟件的設置實現(xiàn)位置控制和速度控制功能?？梢允褂帽旧砼渲玫姆答亞卧獦嫵砂腴]環(huán)或是通過外部接口構成高精度的全閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3.2.2智能化

    伺服器控制模式的智能化，如在內部預先編程實現(xiàn)某種運動軌跡，控制本站點周邊的IO口，內帶主從跟隨模式調整，電子凸輪等。

3.2.3網絡化

    伺服器間實現(xiàn)網絡化分布式控制。伺服器實現(xiàn)模塊化的可重構，節(jié)省成本。

4結論

    現(xiàn)代數(shù)控機床是朝著精密化和高速化方向發(fā)展。作為數(shù)控機床主要組成部分的伺服系統(tǒng)，越來越多的選擇停留在交流伺服上面，它具有其他幾種伺服系統(tǒng)無可比擬的優(yōu)勢。隨著交流伺服技術的發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)將逐漸地全面取代直流伺服系統(tǒng)。