數控機床中的伺服系統分析

一、概述

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，經歷了從步進到直流，進而到交流的發展歷程。數控機床中的伺服系統種類繁多，本文通過分析其結構及簡單歸分，對其技術現狀及發展趨勢作簡要探討。

伺(si)服系(xi)(xi)統是(shi)以(yi)機(ji)械運動(dong)(dong)(dong)(dong)的(de)驅動(dong)(dong)(dong)(dong)設備(bei)，電動(dong)(dong)(dong)(dong)機(ji)為(wei)控(kong)制對象，以(yi)控(kong)制器為(wei)核心(xin)，以(yi)電力(li)電子(zi)功率變換(huan)裝置為(wei)執行機(ji)構，在自動(dong)(dong)(dong)(dong)控(kong)制理論的(de)指導(dao)下組成的(de)電氣傳動(dong)(dong)(dong)(dong)自動(dong)(dong)(dong)(dong)控(kong)制系(xi)(xi)統。

二、伺服系統的結構及分類

根據(ju)(ju)驅動(dong)電動(dong)機的(de)(de)(de)(de)類型，可(ke)將其(qi)分(fen)為直流(liu)伺(si)(si)(si)(si)服(fu)和(he)交流(liu)伺(si)(si)(si)(si)服(fu);根據(ju)(ju)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器實現方法(fa)的(de)(de)(de)(de)不同，可(ke)將其(qi)分(fen)為模(mo)擬伺(si)(si)(si)(si)服(fu)和(he)數字伺(si)(si)(si)(si)服(fu);根據(ju)(ju)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器中(zhong)閉環(huan)的(de)(de)(de)(de)多(duo)少，可(ke)將其(qi)分(fen)為開(kai)環(huan)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)系(xi)統、單環(huan)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)系(xi)統、雙環(huan)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)系(xi)統和(he)多(duo)環(huan)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)系(xi)統。考(kao)慮伺(si)(si)(si)(si)服(fu)系(xi)統在數控(kong)(kong)機床(chuang)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)應用，本文首先按機床(chuang)中(zhong)傳動(dong)機械(xie)的(de)(de)(de)(de)不同將其(qi)分(fen)為進給(gei)伺(si)(si)(si)(si)服(fu)與主軸伺(si)(si)(si)(si)服(fu)，然后(hou)再(zai)根據(ju)(ju)其(qi)他要素來(lai)探討不同伺(si)(si)(si)(si)服(fu)系(xi)統的(de)(de)(de)(de)技術(shu)特性。

從(cong)基(ji)本結構來(lai)看，伺服系(xi)(xi)統(tong)主要(yao)由三部分組(zu)成：控制(zhi)器(qi)、功(gong)率驅動裝(zhuang)(zhuang)置、反饋裝(zhuang)(zhuang)置和(he)電(dian)(dian)(dian)(dian)動機(ji)(圖1)。控制(zhi)器(qi)按(an)照數控系(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)給定值和(he)通過反饋裝(zhuang)(zhuang)置檢測(ce)的(de)(de)實際運行值的(de)(de)差，調節(jie)控制(zhi)量(liang)(liang);功(gong)率驅動裝(zhuang)(zhuang)置作(zuo)為(wei)系(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)主回路，一方(fang)面按(an)控制(zhi)量(liang)(liang)的(de)(de)大小(xiao)將電(dian)(dian)(dian)(dian)網(wang)中的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)能作(zuo)用到(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)動機(ji)之上，調節(jie)電(dian)(dian)(dian)(dian)動機(ji)轉(zhuan)矩的(de)(de)大小(xiao)，另一方(fang)面按(an)電(dian)(dian)(dian)(dian)動機(ji)的(de)(de)要(yao)求把恒(heng)壓恒(heng)頻(pin)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)網(wang)供(gong)電(dian)(dian)(dian)(dian)轉(zhuan)換(huan)為(wei)電(dian)(dian)(dian)(dian)動機(ji)所需的(de)(de)交流電(dian)(dian)(dian)(dian)或直流電(dian)(dian)(dian)(dian);電(dian)(dian)(dian)(dian)動機(ji)則按(an)供(gong)電(dian)(dian)(dian)(dian)大小(xiao)拖動機(ji)械(xie)運轉(zhuan)。 

三、進給伺服系(xi)統(tong)的現狀與展望

進(jin)給(gei)伺服以數控(kong)機床的(de)(de)各(ge)坐標為控(kong)制對象，產生(sheng)機床的(de)(de)切削進(jin)給(gei)運動。為此，要求(qiu)進(jin)給(gei)伺服能快(kuai)(kuai)速(su)調節(jie)坐標軸的(de)(de)運動速(su)度(du)，并能精確地進(jin)行位(wei)(wei)置控(kong)制。具(ju)體(ti)要求(qiu)其調速(su)范圍寬、位(wei)(wei)移(yi)精度(du)高、穩(wen)定性好(hao)、動態響應(ying)快(kuai)(kuai)。根據系統使用的(de)(de)電(dian)動機，進(jin)給(gei)伺服可細(xi)分為步(bu)進(jin)伺服、直流伺服、交流伺服和直線(xian)伺服。

(一)步進伺服系統

步進(jin)伺(si)服(fu)結構簡單，符合(he)(he)系統數字(zi)化發(fa)(fa)展需要(yao)，但精度(du)差、能(neng)(neng)耗高、速(su)度(du)低(di)，且其(qi)功率(lv)越(yue)大(da)移(yi)動(dong)速(su)度(du)越(yue)低(di)。特別是(shi)步進(jin)伺(si)服(fu)易于(yu)失步，使(shi)其(qi)主要(yao)用(yong)于(yu)速(su)度(du)與精度(du)要(yao)求不(bu)高的(de)(de)(de)經濟(ji)型數控機床及舊設備改(gai)造。但近年發(fa)(fa)展起來的(de)(de)(de)恒(heng)斬(zhan)波驅(qu)動(dong)、PWM驅(qu)動(dong)、微步驅(qu)動(dong)、超(chao)微步驅(qu)動(dong)和混合(he)(he)伺(si)服(fu)技術(shu)，使(shi)得步進(jin)電動(dong)機的(de)(de)(de)高、低(di)頻(pin)特性(xing)得到了(le)很大(da)的(de)(de)(de)提(ti)高，特別是(shi)隨著智能(neng)(neng)超(chao)微步驅(qu)動(dong)技術(shu)的(de)(de)(de)發(fa)(fa)展，將把(ba)步進(jin)伺(si)服(fu)的(de)(de)(de)性(xing)能(neng)(neng)提(ti)高到一個新的(de)(de)(de)水(shui)平。

步(bu)進伺(si)服是一種用脈(mo)沖(chong)(chong)信號進行控(kong)制，并將(jiang)脈(mo)沖(chong)(chong)信號轉(zhuan)換成(cheng)相應的(de)角(jiao)位移的(de)控(kong)制系(xi)統。其(qi)角(jiao)位移與脈(mo)沖(chong)(chong)數(shu)(shu)成(cheng)正(zheng)比，轉(zhuan)速(su)與脈(mo)沖(chong)(chong)頻率(lv)成(cheng)正(zheng)比，通過改變脈(mo)沖(chong)(chong)頻率(lv)可調(diao)節電動機(ji)的(de)轉(zhuan)速(su)。如果(guo)停(ting)機(ji)后某些繞組仍保持通電狀態，則系(xi)統還(huan)具有自(zi)鎖能力。步(bu)進電動機(ji)每轉(zhuan)一周都有固(gu)定(ding)的(de)步(bu)數(shu)(shu)，如500步(bu)、1000步(bu)、50 000步(bu)等等，從理論上講其(qi)步(bu)距(ju)誤差不會累計。

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