浅析伺服系统在数控机床中的应用及发展

技术研发　Ｖｏ１．１９Ｎｏ．８。２０１２　浅析伺服系统在数控机床中的应用及发展　赵　岩，苏　君　（河南工业职业技术学院，河南南阳４７３００９）　摘要：数控机床是采用了数控技术的机床，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能逻辑地处理具有　控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，再进行必要的信息处理和运算后控制机床动作并加工零件。伺服　系统的系统直接关系到数控机床执行件的静态和动态特性、工作精度、负荷能力和稳定程度等。因此，研究与开发高性　能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。　关键词：伺服系统；数控机床；应用；发展　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—８５５４．２０１２．０８．００２　１　数控机床中伺服系统的分析　１．１伺服系统概述　１．２．３具有足够的传动刚性和高速度稳定性　这就要求伺服系统具有优良的静态和动态负载特性，即　伺服系统是连接数控系统（ＣＮＣ）和数控机床（主机）的关　键部分。它接受来自数控系统的指令，经过放大和转换，驱动　伺服系统在不同的负载情况下或切削条件变化时，应使进给　速度保持恒定。　１．２．４快速响应并无超调　数控机床上的执行件（工作台或刀架）实现预期的运动，并将　运动结果反馈回去与输入指令相比较，直至与输入指令之差　为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度值，　对位置伺服系统，除了要求具有较高的定位精度外，还要求有　良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。　１．２．５高精度　为零，从而使机床精确地运动到所要求的位置。数控伺服系　统由伺服电机（Ｍ）、驱动信号控制转换电路、电力电子驱动放　大模块、电流调解单元、速度调解单元、位置调解单元和相应　的检测装置（如光电脉冲编码器Ｇ）等组成。一般闭环伺服系　统的结构如图１所示。这是一个三环结构系统，外环是位置　环，中环是速度环，内环为电流环。　满足数控加工精度的要求，关键是保证数控机床的定位　精度和进给跟踪精度。这也是伺服系统动态特性和静态特性　指标是否优良的具体表现。　１．２．６低速大转矩　机床的加工特点大多是低速时进行切削，即在低速时进　给驱动要有大的转矩输出。　１．２．７伺服系统对伺服电机的要求　数控机床上使用的伺服电机大多是专用的直流伺服电　机。伺服系统对自身的执行机构——电动机提出了严格的要　图１　１．２数控机床对伺服系统的基本要求　求：首先，从最低速到最高速，电动机能平稳运转，转矩波动要　小，尤其在低速时仍有平稳的速度而无爬行现象。其次，电机　应具有大的、较长时间的过载能力，以妈妈族低速大转矩的要　伺服系统为数控系统的执行部件，不仅要求稳定地保证　所需的切削力矩和进给速度，而且要准确地完成指令规定的　求。最后，电机应能承受频繁起动、制动和反转。　１．３伺服系统的分类　定位控制或者复杂的轮廓加工控制。对伺服系统的基本要求　如下：　１．３．１按用途和功能分类　１）进给驱动系统：用于数控机床工作台坐标或刀架坐标　的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削　过程所需的力矩。　１．２．１可逆运行　可逆运行要求能灵活地正反向运行。在加工过程中，机　床处于随机状态，根据加工轨迹的要求，随时都可能实现正向　或反向运动。同时，要求在方向变化时不应有反向间隙和运　动的损失。　１．２．２速度范围宽　２）主轴驱动系统：用于控制机床主轴的旋转运动，为机床　主轴提供驱动功率和所需的切削力。　１．３．２按控制原理分类　１）开环伺服系统：系统中没有位置测量装置，信号流是单　向的（数控装置一进给系统），故系统稳定性好。　２）半开环伺服系统：系统的位置采样点是从伺服电机或　丝杠的端部引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测最终　为适应不同的加工条件，例如所加工零件的材料、类型以　及冷却方式的不同，要求数控机床的进给能在很宽的范围内　无级变化。　２　技术与市场　第ｌ９卷第８期２０１２年　技术研发　运动部件的实际位置。　３）闭环伺服系统：系统中有反馈控制系统，位置采样点从　工作台引出，可直接对最终运动部件的实际位置进行检测；能　得到更高的速度、精度和驱动功率。　１．３．３按使用的执行元件分类　１）电液伺服系统：其伺服驱动装置是电液脉冲马达和电　液伺服马达。其优点是在低速下可以得到很高的输出力矩，　刚性好，时间常数小、反应快和速度平稳；其缺点是液压系统　同步交流伺服系统。在交流伺服研究领域，日本、美国和欧洲　的研究一直走在世界前列。我国在基于异步电机交流伺服系　统的研究比较晚，到目前为止还没有产品问世。国内很多学　者把研究的重点放在永磁同步电机伺服系统上。我国的许多　单位开始推出交流伺服系统，其中ＤＡ９８全数字式交流伺服驱　动装置在我国的高精度数控伺服驱动行业已经打开局面，打　破了外国公司垄断的格局，开创了民族品牌新纪元。　２．２交流伺服的发展趋势　需要供油系统，体积大、噪声大、漏油等。　２）电气伺服系统：其伺服驱动装置伺服电机（如步进电　机、直流电机和交流电机等）。其优点是操作维护方便，可靠　性高。其中，①直流伺服系统。其进给运动系统采用大惯量　宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动　系统采用他激直流伺服电机。其优点是调速性能好；其缺点　是直流电机采用的是机械式换向器，在应用过程中面临很多　集成化使用单一、多功能的控制单元，通过软件的设置　实现位置控制和速度控制功能。可以使用本身配置的反馈单　元构成半闭环或是通过外部接口构成高精度的全闭环控制系　统。　智能化伺服器控制模式的智能化，如在内部预先编程　实现某种运动轨迹，控制本站点周边的１０口，内带主从跟随　模式调整，电子凸轮等。　问题，如电刷和换向器易磨损，维护工作量大，成本高等。②　交流伺服系统。其进给运动系统采用交流感应异步伺服电机　和永磁同步伺服电机。交流伺服系统的优点除了具有稳定性　好、快速性好、精度高的特点外，与直流伺服电机系统相比有　一网络化３结语　伺服器问实现网络化分布式控制。伺服器实现　模块化的可重构，节省成本。　现代数控机床朝着精密化和高速化方向发展。作为数控　系列优点，如：交流电机不存在换向器圆周调速限制，也不　机床主要组成部分的伺服系统，越来越多的选择停留在交流　伺服上面，它具有其他几种伺服系统无可比拟的优势。随着　存在电枢元件中电抗电势数值限制，其转速限制可以没计得　比相同功率的直流电机高；调速范围宽，目前大多数的交流伺　服电机的变速比可以达到１：５　０００，高性能的伺服电机的变速　比已达１：１０　０００以上。满足数控机床传动调速范围宽、静差　率小的要求；矩频特性好，交流电机为恒力矩输出，即在其额　定转速以内输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出，并　且具有转矩过载能力，可克服惯性负载在启动瞬间的惯性力　矩。　交流伺服技术的发展，交流伺服系统将逐渐地全面取代直流　伺服系统。　参考文献：　［１］王永章，杜君文，程国全．数控技术［Ｍ］．北京：高等教育　出版社．２００１．　［２］任雨田，包杰．机床数控技术［Ｍ］．北京：北京理工大学出　版社．２００５．　２伺服系统的发展前景　［３］　王贵明．数控实用技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，　２０００．　针对直流电机的缺点，人们一直在努力寻求以交流伺服　电机取代具有机械换向器和电刷的直流伺服电机的方法，以　满足各种应用领域，尤其是高精度、高性能伺服驱动领域的需　要。但是由于交流电机具有强耦合，非线性的特性，控制非常　复杂，所以高性能运用一直受到局限。　２．１　国内交流伺服的研究现状　［４］　王爱玲．机床数控技术［Ｍ］．北京：高等教育出版社，　２００６．　［５］杨有君．数字控制技术与数控机床［Ｍ］．北京：机械工业　出版社，２Ｏ０Ｏ．　作者简介：　交流伺服系统包括基于异步电动机的交流伺服系统和基　于同步电动机的交流伺服系统。目前机床主要采用的是永磁　赵岩（１９８１一），男，河南镇平人。工学硕士、助教、河南工业　职业技术学院机械工程系教师。　（上接第１页）　膊的移动，便于在不同环境下的门窗擦洗，达到省力的目的。　通过调查得知，一个普通的玻璃擦在１５元左右，一个喷　２）从实用考虑，进水口设计在手柄低端。因为擦拭玻璃　时一般是手握手柄，上举擦拭，这样可以方便水量减少时也能　吸到足够的水。　水枪大约３元，而喷水枪的内部喷水装置最多一元钱。因此，　新产品的成本比原产品成本高出不及十分之一，消费者完全　可以接受。　３）本款擦玻璃工具的结构从上到下，与其它的工具相比，　不同的是顶端设计干、湿两个擦头，一个用于沾水后擦拭，另　一参考文献：　个则是将水擦干，达到更深层次的净化。实现两个擦拭工　４）擦头与手柄连接处的旋转轴采用两个按动弹簧旋钮，　［１］赵新军．技术创新￣ｉ＇ｅ（ＶａＩＺ）及应用［Ｍ］．北京：化学工　业出版社．２００４．　序连续进行，提高工作效率。　［２］赵鹏睿，崔彦彬．ｔｒｉｚ理论技术冲突解决原理在汽车造型　设计中的应用［Ｊ］．科技经济市场，２０ｌ２（５）．　保证擦头上下和左右自由变换玻璃擦的方向，从而代替人胳　３