摘 要：伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，數(shù)控機(jī)床的精度和速度指標(biāo)等往往由伺服系統(tǒng)決定。伺服系統(tǒng)經(jīng)歷了從步進(jìn)伺服到交流伺服的發(fā)展過(guò)程。而且隨著技術(shù)的發(fā)展，高精度、高性能的交流伺服已成為伺服系統(tǒng)發(fā)展的新趨勢(shì)。

1 概述

　　數(shù)控車床又稱為 CNC車床，即計(jì)算機(jī)數(shù)字控制車床，是目前國(guó)內(nèi)使用量最大，覆蓋面最廣的一種數(shù)控機(jī)床，一般由輸入、輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、檢測(cè)反饋裝置和機(jī)床主機(jī)等組成。它是數(shù)控機(jī)床的主要品種之一，解決了大部分機(jī)械零件的自動(dòng)化加工問(wèn)題成為最主要的機(jī)械加工設(shè)備，在數(shù)控機(jī)床中占有非常重要的位置，幾十年來(lái)一直受到世界各國(guó)的普遍重視并得到了迅速的發(fā)展。

2 數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本組成

　　數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本組成如下圖1所示。數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)按有無(wú)反饋檢測(cè)單元分為開環(huán)和閉環(huán)兩種類型，這兩種類型的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本組成不完全相同。但不管是哪種類型，執(zhí)行元件及其驅(qū)動(dòng)控制單元都必不可少。驅(qū)動(dòng)控制單元的作用是將進(jìn)給指令轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件所需要的信號(hào)形式，執(zhí)行元件則將該信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的機(jī)械位移。

圖1 數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本組成

　　對(duì)于閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它是由執(zhí)行元件、驅(qū)動(dòng)控制單元、比較控制環(huán)節(jié)、反饋檢測(cè)單元、以及機(jī)床等組成。反饋檢測(cè)單元將工作臺(tái)的實(shí)際位置檢測(cè)后反饋給比較控制環(huán)節(jié)，比較控制環(huán)節(jié)將指令信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差經(jīng)驅(qū)動(dòng)控制單元，驅(qū)動(dòng)和控制執(zhí)行元件帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。

　　在CNC系統(tǒng)中，由于計(jì)算機(jī)的引入，比較控制環(huán)節(jié)的功能由軟件完成，從而導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一些改變，但基本上還是由執(zhí)行元件、反饋檢測(cè)單元、比較控制環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)控制單元和機(jī)床組成。

3 應(yīng)用與發(fā)展

　　一般在用戶廠家采用的專用數(shù)控車床系統(tǒng)CNC中，伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器在系統(tǒng)中擔(dān)任“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”的角色。針對(duì)應(yīng)用在數(shù)控車床上的臥龍交流伺服系統(tǒng)(如圖2所示)，這里簡(jiǎn)單介紹下。數(shù)控車床中(如圖3所示)，主軸為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)。另外兩個(gè)坐標(biāo)屬刀具進(jìn)給系統(tǒng)(X、Z坐標(biāo))。刀具在X軸向和Z軸向的運(yùn)動(dòng)分別由各自的伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)滾珠絲杠帶動(dòng)，而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)方式均由伺服控制器控制。主軸電動(dòng)機(jī)為高速內(nèi)裝式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。主軸控制器通常采用矢量控制法對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，直接把轉(zhuǎn)速指令輸入主軸控制器就可以控制主軸的轉(zhuǎn)速。由數(shù)控系統(tǒng)CNC給出主軸電動(dòng)機(jī)與進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)控制命令完成對(duì)主軸速度控制與各進(jìn)給軸的速度、位移控制，實(shí)現(xiàn)軌跡加工。各坐標(biāo)軸都有相應(yīng)的速度與位移檢測(cè)裝置，構(gòu)成閉環(huán)反饋控制。主軸電動(dòng)機(jī)由旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)速，由光電編碼器檢測(cè)位置實(shí)現(xiàn)分度使之與進(jìn)給系統(tǒng)保持同步，完成各種加工。 X、Z 三軸均為臥龍全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)，各軸伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲桿，以移動(dòng)配有直線導(dǎo)軌的工作臺(tái)和主軸銑頭，其定位準(zhǔn)確，速度快。臥龍生產(chǎn)的交流伺服WLSA-15在車床上的實(shí)際表現(xiàn)非常不錯(cuò)，在用戶最為關(guān)心的幾個(gè)方面如：過(guò)載破壞性試驗(yàn)，低速穩(wěn)定精細(xì)保持，過(guò)載能力快速響應(yīng)，電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大適應(yīng)惡劣工作環(huán)境的能力等性能上臥龍伺服表現(xiàn)很好。臥龍伺服系統(tǒng)功能比較完善，如能耗制動(dòng)、電子齒輪、自動(dòng)加減速等，具備多種脈沖串輸入，保護(hù)功能也比較完備。

　　CNC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4

　　根據(jù)目前的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)來(lái)看，伺服系統(tǒng)將向兩個(gè)方向發(fā)展：一是滿足一般工業(yè)應(yīng)用的要求，對(duì)性能指標(biāo)要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合，追求低成本、少維護(hù)、使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品;二是代表著伺服系統(tǒng)發(fā)展水平的主導(dǎo)產(chǎn)品——伺服電機(jī)、伺服控制器，以滿足用戶較高的應(yīng)用要求。

　　交流伺服占據(jù)了機(jī)床進(jìn)給伺服的主導(dǎo)地位，并隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，交流伺服的發(fā)展具體體現(xiàn)在以下四方面：

　　1.電子器件不斷向高頻化方向發(fā)展，多功能的控制單元設(shè)計(jì)等使其高度集成化;

　　2.伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為一種高級(jí)的工業(yè)控制裝置不斷向智能化發(fā)展;

　　3.基于微處理器嵌人式平臺(tái)技術(shù)的成熟，將促進(jìn)先進(jìn)控制算法的應(yīng)用;

　　4.網(wǎng)絡(luò)化制造模式的推廣及總線技術(shù)的成熟，將使伺服控制系統(tǒng)向模塊化和網(wǎng)絡(luò)化快速發(fā)展。

　　臥龍伺服系統(tǒng)中采用新型伺服電機(jī)，它具有響應(yīng)能力強(qiáng)、力矩保持好、定位精準(zhǔn)等特點(diǎn)，大大提升了數(shù)控機(jī)床的機(jī)械性能。伺服驅(qū)動(dòng)器中，有高速微處理器和專用數(shù)字信號(hào)處理機(jī)的伺服控制單元，集成度更高，可靠性更好。搭配智能控制功率模塊驅(qū)動(dòng)，運(yùn)行更安全。并匹配2500線增量式編碼器，提高定為精確，增強(qiáng)響應(yīng)性和平穩(wěn)性。對(duì)于進(jìn)給軸 X、Z 的伺服性能的要求主要是伺服系統(tǒng)有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及較高的定位精度，而臥龍伺服系統(tǒng)都很好的保證了進(jìn)給軸所需驅(qū)動(dòng)的要求。在其智能化發(fā)展方面，臥龍伺服具有參數(shù)記憶功能、故障自診斷與分析功能等，同時(shí)還在開發(fā)伺服系統(tǒng)的參數(shù)自整定功能。在網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展方面，臥龍伺服都配置了標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口，并在開發(fā)專用的局域網(wǎng)接口，使其與CNC系統(tǒng)間的連接更為簡(jiǎn)單。臥龍伺服與某廠家上位機(jī)接線如圖5所示。

圖5

4 結(jié)束語(yǔ)

　　總之，作為數(shù)控機(jī)床的重要功能部件，伺服系統(tǒng)的特性一直是影響系統(tǒng)加工性能的重要指標(biāo)。它在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的性能，隨著超高速切削、超精密加工、網(wǎng)絡(luò)制造等先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，研究和開發(fā)高性能的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以成為趨勢(shì)。