数控机床中伺服系统的现状

数控机床中伺服系统的现状分析一、概述伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放调与整大后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。数控机床中的伺服系统种类繁多，本文通过分析其结构及简单归分，对其技术现状及发展趋势作简要探讨。二、伺服系统的结构及分类从基本结构来看，伺服系统主要由三部分组成：控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机（图1）。控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量；功率驱动装置作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上，调节电动机转矩的大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电；电动机则按供电大小拖动机械运转。图1伺服系统的结构图1伺服系统的结构图1中的主要成分变化多样，其中任何部分的变化都可构成不同种类的伺服系统。如根据驱动电动机的类型，可将其分为直流伺服和交流伺服；根据控制器实现方法的不同，可将其分为模拟伺服和数字伺服；根据控制器中闭环的多少，可将其分为开环控制系统、单环控制系统、双环控制系统和多环控制系统。考虑伺服系统在数控机床中的应用，本文首先按机床中传动机械的不同将其分为进给伺服与主轴伺服，然后再根据其它要素来探讨不同伺服系统的技术特性。三、进给伺服系统的现状与展望锡进给虑伺服房以数获控机弄床的康各坐井标为窜控制蜜对象闸，产拿生机心床的扯切削粮进给篇运动逢。为夜此，熔要求适进给付伺服码能快脾速调寻节坐掌标轴百的运胳动速欣度，房并能萌精确拒地进蓬行位拒置控重制。竞具体厉要求砌其调妙速范候围宽筐、位砖移精坑度高箱、稳夜定性凭好、垂动态壶响应罗快。梳根据墓系统贺使用课的电痒动机遣，进客给伺备服可霉细分劝为步得进伺她服、叉直流收伺服吴、交幅流伺枪服和期直线攀伺服桨。药（一愚）步读进伺氏服系悼统逢步进异伺服们是一蛾种用逃脉冲爹信号溪进行连控制测，并鲁将脉撤冲信晒号转辩换成辟相应判的角稀位移劣的控白制系云统。脂其角桥位移阵与脉腾冲数纵成正娘比，今转速子与脉关冲频怜率成归正比乘，通拍过改睁变脉句冲频渠率可昌调节苗电动斑机的微转速护。如和果停抛机后六某些积绕组品仍保挨持通姿电状塔态，寨则系刊统还蛮具有什自锁殊能力翠。步柴进电的动机除每转居一周部都有庙固定编的步肠数，柿如核50型0姓步、冰10皇00弱步、声50暗0慰00压步等倾等，捏从理决论上捐讲其拴步距麻误差拔不会赴累计碍。控步进许伺服马结构肆简单兵，符袭合系博统数捏字化烦发展恨需要道，但靠精度执差、振能耗碌高、堆速度较低，注且其特功率掩越大冠移动昂速度花越低匠。特拼别是非步进陡伺服牢易于五失步横，使讨其主竭要用咏于速哄度与星精度欢要求竞不高滤的经有济型贪数控暑机床圾及旧起设备秀改造蛇。但驾近年件发展罢起来桑的恒汁斩波葛驱动梳、叙PW伟M逆驱动华、微享步驱容动、惨超微兔步驱央动和耗混合检伺服抛技术喇，使恨得步胁进电闲动机各的高袄、低惑频特版性得穴到了对很大惰的提左高，疤特别倦是随景着智阶能超粗微步衰驱动搞技术偏的发爷展，粱将把映步进惧伺服敢的性烛能提渗高到驾一个角新的否水平俘。就（二翅）直起流伺最服系斗统秒直流棚伺服遥的工亦作原订理是公建立柔在电舞磁力碑定律咸基础酬上。计与电粥磁转屈矩相手关的昏是互魂相独旺立的浑两个谨变量康主磁芽通与仗电枢室电流蹲，它柏们分股别控袋制励观磁电禁流与徒电枢送电流专，可殃方便变地进睁行转葵矩与摊转速以控制误。另洗一方稳面从浪控制镰角度帮看，狭直流每伺服邀的控纺制是将一个咬单输峰入单趋输出奥的单升变量毁控制缸系统恳，经冈典控圣制理轿论完仔全适瑞用于闻这种荣系统改，因素此，汇直流郑伺服叔系统殿控制林简单镇，调阻速性斜能优握异，加在数恭控机拒床的匹进给捐驱动激中曾剩占据火着主贫导地旧位。妹然而损，从夸实际抖运行环考虑期，直直流伺移服电疤动机区引入梳了机党械换助向装爽置。底其成员本高驼，故水障多般，维焦护困晋难，就经常橡因碳阀刷产式生的侮火花危而影软响生牛产，膜并对康其它玻设备怠产生劈电磁觉干扰凶。同渴时机拾械换北向器克的换例向能补力，讯限制华了电痒动机阻的容涝量和傅速度炒。电画动机延的电冻枢在爆转子仿上，家使得糊电动俯机效额率低袖，散狐热差上。为野了改勺善换脂向能讲力，参减小滩电枢新的漏弯感，遗转子翅变得殊短粗奉，影倍响了燃系统盯的动量态性埋能。杆（三宪）交垒流伺峰服系勒统象针对皱直流帮电动亦机的易缺陷藏，如窄果将圾其做老“锐里翻努外颜”所的处悔理，员即把蚕电驱膊绕组筒装在故定子溉、转授子为墙永磁却部分励，由顶转子爷轴上像的编乱码器神测出座磁极惠位置妨，就病构成锅了永祖磁无浓刷电枣动机释，同锡时随港着矢禽量控沉制方遵法的足实用见化，辨使交番流伺渡服系集统具粉有良箭好的核伺服蜘特性费。其坏宽调卵速范创围、董高稳于速精还度、集快速罚动态治响应仙及四忆象限码运行撑等良欢好的科技术扑性能拒，使腾其动闸、静欣态特朋性已煎完全米可与底直流子伺服拥系统沿相媲啦美。粒同时墨可实脸现弱窝磁高烟速控桃制，久拓宽仁了系唉统的姻调速梨范围辛，适扶应了抚高性汗能伺网服驱旅动的方要求忌。港目前糖，在盏机床稍进给胜伺服辞中采迹用的段主要墓是永拘磁同爬步交夫流伺洽服系充统，搞有三润种类坦型：情模拟勾形式搂、数呢字形脑式和芒软件置形式库。模袜拟伺淋服用虏途单壤一，歼只接打收模秩拟信迅号，宅位置典控制独通常暑由上傻位机祥实现敏。数雄字伺敞服可讽实现扮一机掉多用张，如卧做速邮度、至力矩鹊、位亲置控初制。榨可接慎收模甚拟指讲令和牲脉冲岩指令戚，各色种参晕数均纯以数沉字方凤式设宫定，双稳定抱性好跨。具姓有较躁丰富蚀的自寒诊断爪、报懂警功预能。稍软件舒伺服倾是基盯于微衡处理窝器的奋全数宵字伺灿服系宋统。钳其将能各种疮控制击方式厨和不胆同规纱格、脱功率崇的伺控服电轻机的啊监控之程序滋以软赚件实冷现。妄使用套时可喘由用光户设税定代滩码与逐相关居的数蚀据即衡自动霸进入恳工作限状态鼠。配没有数期字接酱口，正改变欣工作霞方式唉、更尺换电王动机跌规格悟时，涉只需撑重设绝代码务即可拉，故蛙也称倚万能誓伺服炉。胖交流悄伺服负已占掌据了俗机床核进给态伺服洁的主育导地榜位，飘并随取着新维技术慧的发牲展而姻不断亭完善阅，具霉体体帖现在滚三个钥方面甘。一洋是系圆统功浮率驱拌动装姓置中时的电配力电孝子器鬼件不末断向译高频村化方换向发蠢展，蓄智能桑化功去率模赏块得牛到普庭及与情应用末；二立是基跑于微曲处理纹器嵌背入式乓平台墓技术温的成俗熟，彼将促剪进先杨进控危制算浴法的庄应用浴；三轨是网栽络化酷制造扇模式子的推组广及给现场仪总线帽技术元的成娱熟，待将使硬基于楚网络弃的伺劳服控陆制成蛇为可伸能。匪（四唐）直英线伺奏服系电统狗直线问伺服陕系统羞采用戚的是粒一种女直接阿驱动困方式沉（屠Di豆re鬼ct匆D碌ri惯ve沈），矛与传谈统的迟旋转禽传动帖方式海相比亩，最化大特证点是细取消洗了电拘动机张到工程作台逢间的防一切垒机械条中间浸传动蛙环节脆，即孔把机句床进透给传心动链持的长磨度缩沸短为目零。拔这种糊“兵零传吗动脆”父方式锅，带筛来了起旋转扇驱动慨方式劫无法条达到随的性愤能指逢标，鸣如加探速度妥可达杀3g现以上惩，为未传统耳驱动溪装置榨的华10胃～发20变倍，区进给秒速度盾是传责统的乌4邻～后5授倍。赢从电目动机蜓的工饼作原征理来述讲，植直线雪电动神机有坊直流捐、交猎流、带步进鸦、永是磁、慕电磁夜、同秆步和医异步刷等多湿种方倾式；扬而从钻结构抬来讲鞋，又大有动倦圈式管、动惩铁式磨、平泥板型岩和圆稀筒型竹等形粘式。田目前崭应用宅到数张控机屋床上康的主济要有泛高精兄度高拴频响矿小行切程直边线电练动机夸与大巨推力理长行总程高便精度当直线街电动矮机两劫类。理直线缓伺服袭是高币速高私精数豆控机智床的料理想品驱动且模式第，受茂到机活床厂千家的要重视吵，技举术发返展迅诊速。也在帆20团01界年欧传洲机拌床展攻上，后有几贞十家颤公司族展出陆直线筋电动甚机驱璃动的形高速总机床源，快跃移速露度达黄10像0庸～轿12匪0m软/m董in锋，加退速度配1.鸦5夜～携2g狐，其先中尤凶以德鼠国质DM眠G惧公司私与日算本救MA斧ZA灭K料公司正最具讯代表雨性。盈20欠00笛年精DM扣G职公司创已有异28止种机携型采逮用直卡线电显动机仔驱动愉，年迫产筐15蔬00锤多台垒，约别占总替产量挨的笑1/畜3扣。而征MA孔ZA裹K翁公司居最近穴也将摆推出辛基于资直线姓伺服属系统进的超铺音速删加工圈中心灵，切酒削速影度抄8京马赫欣，主阻轴最敢高转玩速匙80古00朵0r躺/m息in阶，快虹移速绘度当50箩0m稼/m键in复，加掠速度稍6g燕。所省有这肆些，底都标顿志着萝以直将线电乡动机火驱动帝为代跨表的篇第二户代高冲速机硬床，公将取画代以谱高速限滚珠玩丝杠李驱动卡为代拦表的有第一手代高专速机济床，盒并在猴使用招中逐杨步占名据主透导地丸位。挥四、眨主轴悟伺服眉系统捡的现睁状及达展望危主轴彼伺服钢提供丹加工迷各类厦工件唱所需纵的切杂削功慈率，涛因此骂，只股需完呆成主脚轴调吼速及蹈正反疏转功泪能。泡但当春要求叹机床京有螺沃纹加报工、束准停损和恒来线速终加工哲等功忆能时暗，对弟主轴刃也提恳出了柔相应捆的燃位置歪控制章要求兆，因狼此，茫要求孕其输地出功闹率大坡，具贵有恒核转矩绪段蚂及恒棒功率勿段，歇有准阁停控裙制，漂主轴允与进比给联辫动。养与进蜂给伺翠服舱一样广，主欺轴伺锦服经移历了假从普纽通三广相异殃步电翁动机柄传动间到直镇流主膀轴传范动。转随着私微处声理器外技术丝和大佩功率如晶体功管技涛术的杀进展痒，现饰在又龄进入校了交挪流主仙轴伺讽服系荒统的础时代采。拨（一谨）交领流异各步伺栗服系须统莲交流山异步致伺服糕通过沸在三促相异林步电叫动机带的定郊子绕截组中重产生乐幅值演、频彻率可茶变的野正弦毛电流干，该采正弦纠电流傅产生巡的旋侵转磁栽场与蔬电动棍机转盟子所淘产生诵的感行应电户流相摧互作柱用，蔬产生发电磁销转矩冲，从筑而实妙现电社动机事的旋所转。蜘其中号，正寺弦电杏流的惩幅值疑可分聚解为尸给定跑或可名调的略励磁惠电流炮与等托效转单子力休矩电块流的黑矢量胶和；降正弦道电流拍的频蹲率可笔分解抬为转婶子转异速与钓转差售之和慌，以色实现白矢量慎化控垄制。跌交流抚异步丘伺服税通常显有模既拟式让、数效字式节两种苏方式乖。与肃模拟招式相驼比，招数字庭式伺陷服加德速特淹性近悼似直哀线，胆时间物短，榆且可蹄提高径主轴德定位栽控制伍时系时统的狮刚性准和精那度，肃操作献方便舅，是捧机床英主轴翠驱动筑采用慎的主远要形闷式。连然而法交流键异步核伺服裂存在医两个防主要殿问题索：一恼是转汪子发恨热，家效率犯较低堤，转当矩密宜度较帖小，凡体积缎较大旺；二省是功揉率因陈数较摘低，扭因此耕，要敏获得莫较宽眉的恒闲功率贝调速户范围合，要残求较留大的丝逆变遇器容坡量。什（二案）交占流同滩步伺仪服系丝统扰近年及来，辛随着抵高能逼低价随永磁哭体的泉开发乞和性堆能的勿不断酿提高烟，使岛得采金用永怎磁同刚步调倍速电甚动机领的交芝流同工步伺元服系丢统的需性能象日益巡突出酸，为商解决傻交流畏异步戚伺服横存在秧的问路题带寻来了孔希望匀。与眉采用惭矢量园控制食的异炊步伺吧服相柳比，涉永磁芬同步拳电动办机转超子温舒度低阶，轴茶向连踢接位疯置精仗度高纪，要画求的侦冷却杰条件盆不高隙，对乞机床波环境竭的温胜度影盐响小遣，容愿易达挠到极何小的融低限奥速度溪。即掉使在益低限白速度芳下，重也可评作恒正转矩甜运行越，特淘别适即合强泥力切寿削加帝工。怎同时喊其转衰矩密拣度高云，转委动惯涛量小僚，动丢态响重应特虽性好震，特撑别适启合高忠生产装率运饶行。扣较容铃易达悔到很虾高的凡调速鼠比，窜允许悔同一废机床累主轴休具有斯多种华加工辟能力怪，既威可以迹加工杂像铝应一样坐的低裁硬度令材料姑，也绕可以伤加工悟很硬雕很脆世的合先金，菊为机欺床进鉴行最宫优切叠削创驰造了猴条件谁。窑（三万）电殿主轴伐电主各轴是兄电动翼机与杜主轴召融合犹在一构起的誉产物属，它等将主趁轴电捏动机礼的定捷子、屯转子唉直接遇装入乓主轴乘组件攻的内组部，而电动柔机的臂转子脾即为暑主轴为的旋膊转部头分，醒由于翠取消氧了齿阴轮变银速箱刷的传搞动与相电动兄机的托连接钳，实南现了渔主轴池系统回的一湾体化坚、要“抓零传漠动检”停。因坊此，裂其具丸有结鄙构紧虑凑、察重量某轻、表惯性豆小、置动态敞特性烧好等比优点僵，并哭可改等善机匪床的源动平鲜衡，尿避免迹振动爬和噪郑声，苍在超陈高速馆切削俭机床项上得毕到了巨广泛瘦的应得用。酸从理削论上自讲，护电主绸轴为割一台励高速另电动艳机，游其既币可使斥用异式步交属流感鲁应电戴动机舍，也欣可使狐用永倒磁同吸步电枪动机汤。电娃主轴织的驱伸动一夹般使骡用矢吗量控言制的鸟变频翅技术悲，通坟常内蜡置一竹脉冲赴编码疮器，双来实亡现厢欠位控蜂制及组与进单给的免准确靠配合显。由霸于电原主轴域的工棋作转础速极好高，朴对其臣散热裕、动途平衡贼、润断滑等猾提出摸了特泛殊