伺服系统在数控中的应用

0 前言
　　数控（numerical contro1）技术是利用数字化的信息对机床以及加工过程进行控制的一种方法。数控系统是数控机床的重要部分，它随着计算机技术的发展而发展。现在的数控系统都是由计算机来完成以前硬件数控所做的工作，因此，有时也将其称为计算机数字控制系统。计算机数字控制系统是以微处理器技术为特征，并随着电子技术、计算机技术、数控技术、通讯技术和精密测量技术的发展而不断发展完善的一种先进加工制造系统。
1 数控机床系统分析
1．1 数控系统的组成及应用
　　数控机床由数字程序实现机床控制。数控机床具有自动换刀装置，工作自动进给、装卸、刀具寿命检测系统和排屑等各种附加装置，可以进行长时间的无人运转加工。数控机床加工过程的精度和效率很大程度上取决于刀具的进给精度及其与主轴旋转速度的协调关系。

　　如图1所示，数控机床一般由五部分组成。其中数控装置是数控机床的核心，现代数控机床都采用计算机控制CNC（computer numerical contro1）装置。它具备的主要功能有：1）多坐标控制；2）实现多种函数插补；3）多种程序输入功能。以及编辑和修改功能；4）信息转换功能；5）补偿功能；6）多种加工方式选择；7）故障自诊断功能；8）显示功能；9）通讯与联网功能。CNC系统的结构框图如图2所示。数控系统是严格按照数控程序对工件进行自动加工的。数控加工程序按照零件加工的轨迹信息、工艺信息和开关命令等。

1．2 数控机床中的伺服系统
　　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、放大与调整后，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，经历了从步进伺服系统到直流伺服系统。进而到交流伺服系统的发展历程。数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统。
　　数控机床的伺服系统主要有两种：进给伺服系统和主轴伺服系统。进给伺服系统是指一般概念的伺服系统，它包括速度控制环和位置控制环。进给伺服系统完成各坐标轴的进给运动，具有定位和轮廓跟踪功能，是数控机床中要求最高的伺服系统，它的性能决定了数控机床的最大进给速度和定位精度等。严格来说，一般的主轴控制只是一个速度控制系统。主要实现主轴的旋转运动，提供切削过程中的转矩和功率，且保证任意转速的调节，完成在转速范围内的无级变速。具有C轴控制的主轴和进给伺服系统一样，为一般概念的位置伺服控制系统。而随着高速加工技术的发展，对主轴伺服系统的要求也越来越高。此外，刀库的位置控制是为了在刀库的不同位置选择刀具，与进给坐标轴的位置控制相比，性能要低得多，故称为简易位置伺服系统。
1．3 数控机床对伺服系统的要求
　　由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对伺服系统的要求也不尽相同。但通常可以概括为以下几个方面：
　　a）可逆运行：可逆运行要求能灵活地双向运行。在加工过程中，机床工作台处于随机状态，根据加工轨迹的要求，随时都可以实现正向和反向运动。同时要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动的损失。从能量角度看，应该实现能量的可逆转换，即在加工运行时，电动机从电网吸收能量变换为机械能；在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电能反馈给电网，以实现快速制动；
　　b）速度范围宽：为适应不同的加工条件，例如所加工零件的材料、类型、尺寸、部位以及刀具的种类和冷却方式等的不同，要求数控机床进给系统能在很宽的范围内无级变换。这就要求伺服电动机有很宽的调速范围和优异的调速性能。经过机械传动后，电机转速的变化范围即可转化为进给速度的变化范围。目前最先进的水平是在进给脉冲当量为1Ⅲ的情况下，进给速度在0～240m／min范围内连续可调。对一般数控机床而言，进给速度范围在0-24m／min时，都可满足加工要求。由于位置伺服系统是由速度控制单元和位置控制环节两大部分组成的，如果对速度控制系统也过分地追求像位置伺服系统那么大的调速范围而又要可靠稳定的工作，那么速度控制系统将会变得相当复杂，既提高了成本又降低了可靠性。一般来说，对于进给速度范围为1：20000的位置控制系统，在总的开环位置增益为201／s时，只要保证速度控制单元具有1：1000的调速范围就可以满足需要，这样可使速度控制单元线路既简单又可靠。当然，代表当今世界先进水平的实验系统，速度控制单元调速范围已达1：100000；
　　C）具有足够的传动刚性和高的速度稳定性：这就要求伺服系统具有优良的静态与动态负载特性，即伺服系统在不同的负载情况下或切削条件发生变化时，应使进给速度保持恒定。刚性良好的系统，速度负载受负载力矩变化的影响很小。通常要求承受额定力矩变换时，静态速降应小于5％，动态速降应小于10％；
　　d）快速响应并无超调：为了保证轮廓切削形状精度和高的加工表面粗糙度，对位置伺服系统除了要求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，这就对伺服系统的动态性能提出MachineBuilding g Automation，A 2007，36（2）：10～13两方面的要求：1）在伺服系统处于频繁地启动、制动、加速和减速等动态过程，为了提高生产率和保证加工品质，则要求加减速度足够大，以缩短过渡时间。一般电机速度由0到最大，或从最大降低到0，时间应控制在200ms以下，甚至小于几十毫秒，且速度变化时不应有超调；另一方面是当负载突然变化时，过渡过程前沿要陡，恢复时间要短、且无振荡。这样才能得到光滑的加工表面；
　　e）精度高：为了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。这也是伺服系统静态特性和动态特性指标是否优良的具体表现。位置伺服系统的定位精度一般要求能达到1μm甚至0．1μm，高的可以达到0．01-0．005μm。相应地，对伺服系统的分辨力也提出了要求。当伺服系统接受CNC送来的一个脉冲时，工作台相应移动的单位距离叫分辨力。系统分辨力取决于系统稳定工作性能和所使系统用的位置检测元件。目前的闭环伺服都能达到0．1μm的分辨力，甚至更小；f）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。
2 进给伺服系统
　　进给伺服系统的现状及展望：数控机床的进给伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量，接受来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换以及电压、功率放大，检测反馈，最终实现机床工作台相对于刀具运动轨迹的控制系统。伺服系统的结构方框图如图3所示。数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制、伺服电动机和机械传动等方面都有很高的要求。具体有位置精度、定位精度、稳定性快速响应无超调和宽调速范围等。根据系统使用的电动机，进给伺服可细分为步进伺服、直流伺服、交流伺服和直线伺服。

2．1 步进伺服系统
　　步进伺服是一种用脉冲信号进行控制，并将脉冲信号转换成相应的角位移的控制系统。其角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可调节电动机的转速。如果停机后某些绕组仍保持通电状态，则系统还具有自锁能力。步进电动机每转一周都有固定的步数，如500步、1000步、50000步，等等，从理论上讲其步距误差不会累计。步进伺服结构简单，符合系统数字化发展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移动速度越低。特别是步进伺服易于失步，使其主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造。但近年发展起来的恒斩波驱动、PWM驱动、微步驱动、超微步驱动和混合伺服技术，使得步进电动机的高低频特性得到了很大的提高，特别是随着智能超微步驱动技术的发展，将把步进伺服的性能提高到一个新的水平。
2．2 直流伺服系统
　　直流伺服系统常用的伺服电机有小惯量直流伺服电机和永磁直流伺服电机。小惯量伺服电机最大限度减少了电枢的转动惯量，所以能获得更好的快速性。在早期的数控机床上应用较多，现在也有应用。小惯量伺服电机一般都设计成有高的额定转速和低的惯量，所以应用时，要经过中间机械传动才能与丝杠相连接。
　　永磁直流伺服电机能在较大过载转矩下长时间工作以及电机的惯量较大。能直接与丝杠相连而不需中间传动装置。此外，它还有一个特点是可在低速下运转，如能在1r／min甚至在0．1r／min下平稳地运转。因此，这种直流伺服系统在数控机床上获得了广泛的应用，自20世纪70年代至踟年代中期，它在数控机床上应用占绝对统治地位。至今，许多数控机床上仍使用这种电机的直流伺服系统。永磁直流伺服电机的缺点是有电刷，限制了转速的提高。一般额定转速为1000～1500r／min，而且结构复杂，价格较贵。
　　直流伺服的工作原理是建立在电磁力定律基础上。与电磁转矩相关的是互相独立的两个变量主磁通与电枢电流，它们分别控制励磁电流与电枢电流，可方便地进行转矩与转速控制。另一方面从控制角度看，直流伺服的控制是一个单输入单输出的单变量控制系统，经典控制理论完全适用于这种系统，因此，直流伺服系统控制简单，调速性能优异，在数控机床的进给驱动中曾占据着主导地位。然而，从实际运行考虑，直流伺服电动机引入了机械换向装置。但其成本高、故障多和维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子上使得电动机效率低、散热差。为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。
2．3 交流伺服系统
　　针对直流电动机的缺陷，如果将其做“里翻外”的处理。即把电驱绕组装在定子、转子为永磁部分，由转子轴上的编码器测出磁极位置，就构成了永磁无刷电动机，同时随着矢量控制方法的实用化，使交流伺服系统具有良好的伺服特性。其宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，使其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美。同时可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。目前，在机床进给伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系统有三种类型：模拟形式、数字形式和软件形式。模拟伺服用途单一，只接收模拟信号，位置控制通常由上位机实现；数字伺服可实现一机多用，如做速度、力矩和位置控制。可接收模拟指令和脉冲指令，各种参数均以数字方式设定，稳定性好，且具有较丰富的自诊断、报警功能；软件伺服是基于微处理器的全数字伺服系统。可将各种控制方式和不同规格、功率的伺服电机的监控程序以软件实现。使用时可由用户设定代码与相关的数据即自动进入工作状态。配有数字接口，改变工作方式、更换电动机规格时，只需重设代码即可，故也称万能伺服。交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面：1）系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；2）基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；3）网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。
2．4 直线伺服系统
　　直线伺服系统采用的是一种直接驱动（direct drive）方式，与传统的旋转传动方式相比，最大特点是取消了电动机到工作台间的一切机械中间传动环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零。这种“零传动”方式，带来了旋转驱动方式无法达到的性能指标，如加速度可达3g以上，为传统驱动装置的10～20倍，进给速度是传统的4～5倍。从电动机的工作原理来讲，直线电动机有直流、交流、步进、永磁、电磁、同步和异步等多种方式；而从结构来讲，又有动圈式、动铁式、平板型和圆筒型等形式。目前应用到数控机床上的主要有高精度、高频响、小行程直线电动机与大推力、长行程、高精度直线电动机两类。直线伺服是高速高精数控机床的理想驱动模式，受到机床厂家的重视，技术发展迅速。在2001年欧洲机床展上，有几十家公司展出直线电动机驱动的高速机床，快移速度达100～120m／min，加速度1．5～2g，其中尤以德国DMG公司与日本MAZAK公司最具代表性。2000年DMG公司已有28种机型采用直线电动机驱动，年产1500多台，约占总产量的1／3。而MAZAK公司最近也将推出基于直线伺服系统的超音速加工中心，切削速度2720m／s，主轴最高转速踟80000r／min，快移速度500m／min，加速度6g。所有这些，都标志着以直线电动机驱动为代表的第二代高速机床，将取代以高速滚珠丝杠驱动为代表的第一代高速机床，并在使用中逐步占据主导地位。
3 主轴伺服系统
　　主轴伺服系统的现状及展望：主轴伺服提供加工各类工件所需的切削功率，因此，只需完成主轴调速及正反转功能。但当要求机床有螺纹加工、准停和恒线速加工等功能时，对主轴也提出了相应的位置控制要求，因此，要求其输出功率大，具有恒转矩段及恒功率段，有准停控制，主轴与进给联动。与进给伺服一样，主轴伺服经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动。随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代。
3．1 交流异步伺服系统
　　交流异步伺服通过在三相异步电动机的定子绕组中产生幅值、频率可变的正弦电流，该正弦电流产生的旋转磁场与电动机转子所产生的感应电流相互作用，产生电磁转矩，从而实现电动机的旋转。其中，正弦电流的幅值可分解为给定或可调的励磁电流与等效转子力矩电流的矢量和；正弦电流的频率可分解为转子转速与转差之和，以实现矢量化控制。交流异步伺服通常有模拟式、数字式两种方式。与模拟式相比，数字式伺服加速特性近似直线，时间短。且可提高主轴定位控制时系统的刚性和精度，操作方便，是机床主轴驱动采用的主要形式。然而交流异步伺服存在两个主要问题：1）转子发热，效率较低，转矩密度较小，体积较大；2）功率因数较低。因此，要获得较宽的恒功率调速范围，要求较大的逆变器容量。
3．2 交流同步伺服系统
　　近年来，随着高能低价永磁体的开发和性能的不断提高，使得采用永磁同步调速电动机的交流同步伺服系统的性能日益突出，为解决交流异步伺服存在的问题带来了希望。与采用矢量控制的异步伺服相比，永磁同步电动机转子温度低，轴向连接位置精度高，要求的冷却条件不高，对机床环境的温度影响小，容易达到极小的低限速度。即使在低限速度下，也可作恒转矩运行，特别适合强力切削加工。同时其转矩密度高，转动惯量小，动态响应特性好，特别适合高生产率运行。较容易达到很高的调速比，允许同一机床主轴具有多种加工能力，既可以加工像铝一样的低硬度材料，也可以加工很硬很脆的合金，为机床进行最优切削创造了条件。
3．3 电主轴
　　电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，它将主轴电动机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，电动机的转子即为主轴的旋转部分，由于取消了齿轮变速箱的传动与电动机的连接，实现了主轴系统的一体化、“零传动”。因此，其具有结构紧凑、质量轻、惯性小、动态特性好等优点，并可改善机床的动平衡，避免振动和噪声，在超高速切削机床上得到了广泛的应用。从理论上讲，电主轴为一台高速电动机，其既可使用异步交流感应电动机，也可使用永磁同步电动机。电主轴的驱动一般使用矢量控制的变频技术，通常内置一脉冲编码器来实现相位控制及与进给的准确配合。由于电主轴的工作转速极高，对其散热、动平衡、润滑等提出了特殊的要求。在应用中必须妥善解决，才能确保电主轴高速运转和精密加工。
　　作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响加工性能的重要指标。围绕伺服系统动态特性与静态特性的提高，近年来发展了多种伺服驱动技术。可以预见随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发展，具有网络接口的全数字伺服系统、直线电动机以及高速电主轴等将成为数控机床行业关注的热点，并成为伺服系统的发展方向。