數(shù)控機床中的伺服系統(tǒng)

　　直流伺服系統(tǒng)

　　直流伺服的工作原理是建立在電磁力定律基礎(chǔ)上。與電磁轉(zhuǎn)矩相關(guān)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(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)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(tǒng)，經(jīng)典控制理論完全適用于這種系統(tǒng)，因此，直流伺服系統(tǒng)控制簡單，調(diào)速性能優(yōu)異，在數(shù)控機床的進給驅(qū)動中曾占據(jù)著主導(dǎo)地位。

　　然而，從實際運行考慮，直流伺服電機引入了機械換向裝置。其成本高，故障多，維護困難，經(jīng)常因碳刷產(chǎn)生的火花而影響生產(chǎn)，并對其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。同時機械換向器的換向能力，限制了電機的容量和速度。電機的電樞在轉(zhuǎn)子上，使得電機效率低，散熱差。為了改善換向能力，減小電樞繞組的漏感，轉(zhuǎn)子變得短粗，影響了系統(tǒng)的動態(tài)性能。

　　交流伺服系統(tǒng)

　　針對直流電機的缺陷，如果將其做“里翻外”的處理，即把電樞繞組裝在定子，轉(zhuǎn)子為永磁部分，由轉(zhuǎn)子軸上的編碼器測出磁極位置，就構(gòu)成了永磁無刷電機，同時隨著矢量控制方法的實用化，使交流伺服系統(tǒng)具有良好的伺服特性。寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動態(tài)響應(yīng)及四象限運行等良好的技術(shù)性能使其動、靜態(tài)特性已完全可與直流伺服系統(tǒng)相媲美。同時可實現(xiàn)弱磁高速控制拓寬了系統(tǒng)的調(diào)速范圍適應(yīng)了高性能伺服驅(qū)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(tǒng)，有三種類型:模擬形式、數(shù)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(xiàn)。數(shù)字伺服可實現(xiàn)一機多用如做速度、力矩、位置控制?？山邮漳M指令和脈沖指令各種參數(shù)均以數(shù)字方式設(shè)定穩(wěn)定性好。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(shù)字伺服系統(tǒng)。其將各種控制方式和不同規(guī)格、功率的伺服電機的監(jiān)控程序以軟件實現(xiàn)。使用時可由用戶設(shè)定代碼與相關(guān)的數(shù)據(jù)即自動進入工作狀態(tài)。配有數(shù)字接口改變工作方式、更換電機規(guī)格時只需重設(shè)代碼即可故也稱“萬能伺服”。

　　交流伺服已占據(jù)了機床進給伺服的主導(dǎo)地位，并隨著新技術(shù)的發(fā)展而不斷完善，具體體現(xiàn)在三個方面。

　　一是系統(tǒng)功率驅(qū)動裝置中的電力電子器件不斷向高頻化方向發(fā)展，智能化功率模塊得到普及與應(yīng)用;

　　二是基于微處理器嵌入式平臺技術(shù)的成熟，將促進先進控制算法的應(yīng)用;

　　三是網(wǎng)絡(luò)化制造模式的推廣及現(xiàn)場總線技術(shù)的成熟，將使基于網(wǎng)絡(luò)的伺服控制成為可能。

　　直線伺服系統(tǒng)

　　直線伺服系統(tǒng)采用的是一種直接驅(qū)動方式(DirectDrive)與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)傳動方式相比，最大特點是取消了電機到工作臺間的一切機械中間傳動環(huán)節(jié)，即把機床進給傳動鏈的長度縮短為零。這種“零傳動”方式，帶來了旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方式無法達到的性能指標，如加速度可達3g以上，為傳統(tǒng)驅(qū)動裝置的10～20倍，進給速度是傳統(tǒng)的4～5倍。從電機的工作原理來講，直線電機有直流、交流、步進、永磁、電磁、同步和異步等多種方式;而從結(jié)構(gòu)來講，又有動圈式、動鐵式、平板型和圓筒型等形式。目前應(yīng)用到數(shù)控機床上的主要有高精度高頻響小行程直線電機和大推力長行程高精度直線電機兩類。

　　直線伺服是高速高精數(shù)控機床的理想驅(qū)動模式，受到機床廠家的重視，技術(shù)發(fā)展迅速。在2001年歐洲機床展上，有幾十家公司展出直線電機驅(qū)動的高速機床，快移速度已達100～120m/min，加速度1.5～2g，其中尤以德國DMG公司與日本MAZAK公司最具代表性。2000年DMG公司已有28種機型采用直線電機驅(qū)動，年產(chǎn)1500多臺，約占總產(chǎn)量的1/3。而MAZAK公司最近也將推出基于直線伺服系統(tǒng)的超音速加工中心，切削速度8馬赫，主軸最高轉(zhuǎn)速80000r/min，快移速度為500m/min，加速度6g。所有這些，都標志著以直線電機驅(qū)動為代表的第二代高速機床，將取代以高速滾珠絲杠驅(qū)動為代表的第一代高速機床，并在使用中逐步占據(jù)主導(dǎo)地位。