0 前言

　　數控技術是利用數字化的信息對機床以及加工過程進行控制的一種方法。數控系統是數控機床的重要部分，它隨著計算機技術的發展而發展?，F在的數控系統都是由計算機來完成以前硬件數控所做的工作，因此，有時也將其稱為計算機數字控制系統。計算機數字控制系統是以微處理器技術為特征，并隨著電子技術、計算機技術、數控技術、通訊技術和精密測量技術的發展而不斷發展完善的一種先進加工制造系統。

1 數控機床系統分析

　　1.1 數控系統的組成及應用

　　數控機床由數字程序實現機床控制。數控機床具有自動換刀裝置，工作自動進給、裝卸、刀具壽命檢測系統和排屑等各種附加裝置，可以進行長時間的無人運轉加工。數控機床加工過程的精度和效率很大程度上取決于刀具的進給精度及其與主軸旋轉速度的協調關系。

　　數控機床一般由五部分組成。其中數控裝置是數控機床的核心，現代數控機床都采用計算機控制CNC裝置。它具備的主要功能有：1)多坐標控制；2)實現多種函數插補；3)多種程序輸入功能，以及編輯和修改功能；4)信息轉換功能；5)補償功能；6)多種加工方式選擇；7)故障自診斷功能；8)顯示功能；9)通訊與聯網功能。數控系統是嚴格按照數控程序對工件進行自動加工的。數控加工程序按照零件加工的軌跡信息、工藝信息和開關命令等。

　　1.2 數控機床中的伺服系統

　　伺服系統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。這類系統控制電動機的轉矩、轉速和轉角，將電能轉換為機械能，實現運動機械的運動要求。具體在數控機床中，伺服系統接收數控系統發出的位移、速度指令，經變換、放大與調整后，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。作為數控機床的執行機構，伺服系統將電力電子器件、控制、驅動及保護等集為一體，并隨著數字脈寬調制技術、特種電機材料技術、微電子技術及現代控制技術的進步，經歷了從步進伺服系統到直流伺服系統，進而到交流伺服系統的發展歷程。數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。

　數控機床的伺服系統主要有兩種：進給伺服系統和主軸伺服系統。進給伺服系統是指一般概念的伺服系統，它包括速度控制環和位置控制環。進給伺服系統完成各坐標軸的進給運動，具有定位和輪廓跟蹤功能，是數控機床中要求最高的伺服系統，它的性能決定了數控機床的最大進給速度和定位精度等。嚴格來說，一般的主軸控制只是一個速度控制系統。主要實現主軸的旋轉運動，提供切削過程中的轉矩和功率，且保證任意轉速的調節，完成在轉速范圍內的無級變速。具有C軸控制的主軸和進給伺服系統一樣，為一般概念的位置伺服控制系統。而隨著高速加工技術的發展，對主軸伺服系統的要求也越來越高。此外，刀庫的位置控制是為了在刀庫的不同位置選擇刀具，與進給坐標軸的位置控制相比，性能要低得多，故稱為簡易位置伺服系統。

　　1.3 數控機床對伺服系統的要求

　　由于各種數控機床所完成的加工任務不同，它們對伺服系統的要求也不盡相同。但通常可以概括為以下幾個方面：

　　a)可逆運行：可逆運行要求能靈活地雙向運行。在加工過程中，機床工作臺處于隨機狀態，根據加工軌跡的要求，隨時都可以實現正向和反向運動。同時要求在方向變化時，不應有反向間隙和運動的損失。從能量角度看，應該實現能量的可逆轉換，即在加工運行時，電動機從電網吸收能量變換為機械能；在制動時應把電動機的機械慣性能量變為電能反饋給電網，以實現快速制動；

　　b)速度范圍寬：為適應不同的加工條件，例如所加工零件的材料、類型、尺寸、部位以及刀具的種類和冷卻方式等的不同，要求數控機床進給系統能在很寬的范圍內無級變換。這就要求伺服電動機有很寬的調速范圍和優異的調速性能。經過機械傳動后，電機轉速的變化范圍即可轉化為進給速度的變化范圍。目前最先進的水平是在進給脈沖當量為1μm的情況下，進給速度在0～240m／nn范圍內連續可調。對一般數控機床而言，進給速度范圍在0～24m／min時，都可滿足加工要求。由于位置伺服系統是由速度控制單元和位置控制環節兩大部分組成的，如果對速度控制系統也過分地追求像位置伺服系統那么大的調速范圍而又要可靠穩定的工作，那么速度控制系統將會變得相當復雜，既提高了成本又降低了可靠性。一般來說，對于進給速度范圍為1：20 000的位置控制系統，在總的開環位置增益為201／S時，只要保證速度控制單元具有l：1 000的調速范圍就可以滿足需要，這樣可使速度控制單元線路既簡單又可靠。當然，代表當今世界先進水平的實驗系統，速度控制單元調速范圍已達1：100 000；：

　　c)具有足夠的傳動剛性和高的速度穩定性：這就要求伺服系統具有優良的靜態與動態負載特性，即伺服系統在不同的負載情況下或切削條件發生變化時，應使進給速度保持恒定。剛性良好的系統，速度負載受負載力矩變化的影響很小。通常要求承受額定力矩變換時，靜態速降應小于5％，動態速降應小于10％；

　　d)快速響應并無超調：為了保證輪廓切削形狀精度和高的加工表面粗糙度，對位置伺服系統除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應特性，即要求跟蹤指令信號的響應要快，這就對伺服系統的動態性能提出兩方面的要求：1)在伺服系統處于頻繁地啟動、制動、加速和減速等動態過程，為了提高生產率和保證加工品質，則要求加減速度足夠大，以縮短過渡時間。一般電機速度由0到最大，或從最大降低到0，時間應控制在200nlS以下，甚至小于幾十毫秒，且速度變化時不應有超調；另一方面是當負載突然變化時，過渡過程前沿要陡，恢復時間要短、且無振蕩。這樣才能得到光滑的加工表面；

　　e)精度高：為了滿足數控加工精度的要求，關鍵是保證數控機床的定位精度和進給跟蹤精度。這也是伺服系統靜態特性和動態特性指標是否優良的具體表現。位置伺服系統的定位精度一般要求能達到1弘m甚至0．1腳，高的可以達到0.01～0.005m。相應地，對伺服系統的分辨力也提出了要求。當伺服系統接受CNC送來的一個脈沖時，工作臺相應移動的單位距離叫分辨力。系統分辨力取決于系統穩定工作性能和所使系統用的位置檢測元件。目前的閉環伺服都能達到0．1腳的分辨力，甚至更小；

　　f)低速大轉矩：機床的加工特點，大多是低速時進行切削，即在低速時進給驅動要有大的轉矩輸出。

2 進給伺服系統

　　進給伺服系統的現狀及展望：數控機床的進給伺服系統是以機床移動部件的位置和速度為控制量，接受來自插補裝置或插補軟件生成的進給脈沖指令，經過一定的信號變換以及電壓、功率放大，檢測反饋，最終實現機床工作臺相對于刀具運動軌跡的控制系統。數控機床對進給伺服系統的位置控制、速度控制、伺服電動機和機械傳動等方面都有很高的要求。具體有位置精度、定位精度、穩定性快速響應無超調和寬調速范圍等。根據系統使用的電動機，進給伺服可細分為步進伺服、直流伺服、交流伺服和直線伺服。

　　2.1 步進伺服系統

　　步進伺服是一種用脈沖信號進行控制，并將脈沖信號轉換成相應的角位移的控制系統。其角位移與脈沖數成正比，轉速與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率可調節電動機的轉速。如果停機后某些繞組仍保持通電狀態，則系統還具有自鎖能力。步進電動機每轉一周都有固定的步數，如500步、1 000步、50 000步，等等，從理論上講其步距誤差不會累計。步進伺服結構簡單，符合系統數字化發展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移動速度越低。特別是步進伺服易于失步，使其主要用于速度與精度要求不高的經濟型數控機床及舊設備改造。但近年發展起來的恒斬波驅動、PWM驅動、微步驅動、超微步驅動和混合伺服技術，使得步進電動機的高低頻特性得到了很大的提高，特別是隨著智能超微步驅動技術的發展，將把步進伺服的性能提高到一個新的水平。

　　2.2 直流伺服系統

　　直流伺服系統常用的伺服電機有小慣量直流伺服電機和永磁直流伺服電機。小慣量伺服電機最大限度減少了電樞的轉動慣量，所以能獲得更好的快速性。在早期的數控機床上應用較多，現在也有應用。小慣量伺服電機一般都設計成有高的額定轉速和低的慣量，所以應用時，要經過中間機械傳動才能與絲杠相連接。

　　永磁直流伺服電機能在較大過載轉矩下長時間工作以及電機的慣量較大，能直接與絲杠相連而不需中間傳動裝置。此外，它還有一個特點是可在低速下運轉，如能在1r/min甚至在0.1r/min下平穩地運轉。因此，這種直流伺服系統在數控機床上獲得了廣泛的應用，自20世紀70年代至80年代中期，它在數控機床上應用占絕對統治地位，至今，許多數控機床上仍使用這種電機的直流伺服系統。永磁直流伺服電機的缺點是有電刷，限制了轉速的提高，一般額定轉速為1 000-1 800r/min，而且結構復雜，價格較貴。

　　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，可方便地進行轉矩與轉速控制。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，直流伺服電動機引人了機械換向裝置，但其成本高、故障多和維護困難，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，限制了電動機的容量和速度。電動機的電樞在轉子上使得電動機效率低、散熱差。為了改善換向能力，減小電樞的漏感，轉子變得短粗，影響了系統的動態性能。

　　2.3 交流伺服系統

　　針對直流電動機的缺陷，如果將其做里翻外的處理，即把電驅繞組裝在定子、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動機，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。其寬調速范圍、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、力矩和位置控制?？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，且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。可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人工作狀態。配有數字接日，改變工作方式、更換電動機規格時，只需重設代碼即可，故也稱萬能伺服。交流伺服己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:1)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;2)基于微處理器嵌人式平臺技術的成熟，將促進先進控制算法的應用;3)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。

　　2.4 直線伺服系統

　　直線伺服系統采用的是一種直接驅動(direct drive)方式，與傳統的旋轉傳動方式相比，最大特點是取消了電動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&ldquo;零傳動&rdquo;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。從電動機的工作原理來講，直線電動機有直流、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、小行程直線電動機與大推力、長行程、高精度直線電動機兩類。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動機驅動的高速機床，快移速度達100-120m/min，加速度1.5-2g，其中尤以德國DMC;公司與日本MAZAK公司最具代表性。2000年DMC;公司已有28種機型采用直線電動機驅動，年產1 500多臺，約占總產量的1 /3。而MAZAI<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2 720m/s，主軸最高轉速80 000r/min，快移速度SOOm/min，加速度6g。所有這些，都標志著以直線電動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。

3 主軸伺服系統

　　主軸伺服系統的現狀及展望:主軸伺服提供加工各類工件所需的切削功率，因此，只需完成主軸調速及正反轉功能。但當要求機床有螺紋加工、準停和恒線速加工等功能時，對主軸也提出了相應的位置控制要求，因此，要求其輸出功率大，具有恒轉矩段及恒功率段，有準停控制，主軸與進給聯動。與進給伺服一樣，主軸伺服經歷了從普通二相異步電動機傳動到直流主軸傳動。隨著微處理器技術和大功率晶體管技術的進展，現在又進人了交流主軸伺服系統的時代。

　　3.1 交流異步伺服系統

　　交流異步伺服通過在三相異步電動機的定子繞組中產生幅值、頻率可變的正弦電流，該正弦電流產生的旋轉磁場與電動機轉子所產生的感應電流相互作用，產生電磁轉矩，從而實現電動機的旋轉。其中，正弦電流的幅值可分解為給定或可調的勵磁電流與等效轉子力矩電流的矢量和;正弦電流的頻率可分解為轉子轉速與轉差之和，以實現矢量化控制。交流異步伺服通常有模擬式、數字式兩種方式。與模擬式相比，數字式伺服加速特性近似直線，時間短，且可提高主軸定位控制時系統的剛性和精度，操作方便，是機床主軸驅動采用的主要形式。然而交流異步伺服存在兩個主要問題:1)轉子發熱，效率較低，轉矩密度較小，體積較大;2)功率因數較低。因此，要獲得較寬的恒功率調速范圍，要求較大的逆變器容量。

　　3.2 交流同步伺服系統

　　近年來，隨著高能低價永磁體的開發和性能的不斷提高，使得采用永磁同步調速電動機的交流同步伺服系統的性能日益突出，為解決交流異步伺服存在的問題帶來了希望。與采用矢量控制的異步伺服相比，永磁同步電動機轉子溫度低，軸向連接位置精度高，要求的冷卻條件不高，對機床環境的溫度影響小，容易達到極小的低限速度。即使在低限速度下，也可作恒轉矩運行，特別適合強力切削加工。同時其轉矩密度高，轉動慣量小，動態響應特性好，特別適合高生產率運行。較容易達到很高的調速比，允許同一機床主軸具有多種加工能力，既可以加工像鋁一樣的低硬度材料，也可以加工很硬很脆的合金，為機床進行最優切削創造了條件。

　　3.3 電主軸

　　電主軸是電動機與主軸融合在一起的產物，它將主軸電動機的定子、轉子直接裝入主軸組件的內部，電動機的轉子即為主軸的旋轉部分，由于取消了齒輪變速箱的傳動與電動機的連接，實現了主軸系統的一體化、&ldquo;零傳動&rdquo;。因此，其具有結構緊湊、質量輕、慣性小、動態特性好等優點，并可改善機床的動平衡，避免振動和噪聲，在超高速切削機床上得到了廣泛的應用。從理論上講，電主軸為一臺高速電動機，其既可使用異步交流感應電動機，也可使用永磁同步電動機。電主軸的驅動一般使用矢量控制的變頻技術，通常內置一脈沖編碼器來實現相位控制及與進給的準確配合。由于電主軸的工作轉速極高，對其散熱、動平衡、潤滑等提出了特殊的要求。在應用中必須妥善解決，才能確保電主軸高速運轉和精密加工。

　　作為數控機床的重要功能部件，伺服系統的特性一直是影響加工性能的重要指標。圍繞伺服系統動態特性與靜態特性的提高，近年來發展了多種伺服驅動技術。可以預見隨著超高速切削、超精密加工、網絡制造等先進制造技術的發展，具有網絡接口的全數字伺服系統、直線電動機以及高速電主軸等將成為數控機床行業關注的熱點，并成為伺服系統的發展方向。