數控機床中的伺服系統

　　直流伺服系統

　　直流伺服的工作原理是建立在電磁力定律基礎上。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，它們分別控制勵磁電流與電樞電流，可方便地進行轉矩、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入單輸出的單變量控制系統，經典控制理論完全適用于這種系統，因此，直流伺服系統控制簡單，調速性能優異，在數控機床的進給驅動中曾占據著主導地位。

　　然而，從實際運行考慮，直流伺服電機引入了機械換向裝置。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，限制了電機的容量和速度。電機的電樞在轉子上，使得電機效率低，散熱差。為了改善換向能力，減小電樞繞組的漏感，轉子變得短粗，影響了系統的動態性能。

　　交流伺服系統

　　針對直流電機的缺陷，如果將其做“里翻外”的處理，即把電樞繞組裝在定子，轉子為永磁部分，由轉子軸上的編碼器測出磁極位置，就構成了永磁無刷電機，同時隨著矢量控制方法的實用化，使交流伺服系統具有良好的伺服特性。寬調速范圍、高穩速精度、快速動態響應及四象限運行等良好的技術性能使其動、靜態特性已完全可與直流伺服系統相媲美。同時可實現弱磁高速控制拓寬了系統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，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?？山邮漳M指令和脈沖指令各種參數均以數字方式設定穩定性好。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。其將各種控制方式和不同規格、功率的伺服電機的監控程序以軟件實現。使用時可由用戶設定代碼與相關的數據即自動進入工作狀態。配有數字接口改變工作方式、更換電機規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，并隨著新技術的發展而不斷完善，具體體現在三個方面。

　　一是系統功率驅動裝置中的電力電子器件不斷向高頻化方向發展，智能化功率模塊得到普及與應用;

　　二是基于微處理器嵌入式平臺技術的成熟，將促進先進控制算法的應用;

　　三是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。

　　直線伺服系統

　　直線伺服系統采用的是一種直接驅動方式(DirectDrive)與傳統的旋轉傳動方式相比，最大特點是取消了電機到工作臺間的一切機械中間傳動環節，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3g以上，為傳統驅動裝置的10～20倍，進給速度是傳統的4～5倍。從電機的工作原理來講，直線電機有直流、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響小行程直線電機和大推力長行程高精度直線電機兩類。

　　直線伺服是高速高精數控機床的理想驅動模式，受到機床廠家的重視，技術發展迅速。在2001年歐洲機床展上，有幾十家公司展出直線電機驅動的高速機床，快移速度已達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，快移速度為500m/min，加速度6g。所有這些，都標志著以直線電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。