数控机床伺服驱动装置现状分析

(呼和浩特职业学院，内蒙古  呼和浩特 010051)
摘 要：文章认为，伺服驱动装置是CNC装置和机床的连 接环节，是控制机床动态特性和运动精度的重要组成部分。文章分析了数控机床伺服系统的 结构和类型，并对其技术现状及发展趋势作了简要探讨。
关键词：数控机床；伺服驱动装置； 进给伺服系统；主轴伺服系统
中图分类号：TN820.3  文献标识码：A  文章编号： 1007—6921(2008)24—0126—02

伺服驱动装置是CNC装置和机床的连接环节，CNC装置发出的位移、速度指令信息，通过伺 服驱动装置的变换和放大，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，完成程序所规定的操作， 加工出各种复杂形状的工件。

作为数控机床的控制驱动机构，伺服系统随着数字脉宽调制技术、特种电机技术、材料 技术、微电子技术、自诊断技术及现代控制技术的进步，历经了从步进到直流，进而到交流 的发展过程。数控机床中的伺服系统种类繁多，本文通过分析其结构和类型，对其技术现状 及发展趋势作简要探讨。
1 伺服系统的组成和分类

如图为典型的三环反馈伺服系统框图,主要由伺服电机(M)、驱动信号控制转换电路、电 力电子驱动放大模块、电流调解单元、速度调解单元、位置调解单元和相应的位置检测装置 (如光电编码器G)等组成。各调解单元以数控系统的给定值和反馈装置检测的实际运行值 的差值作为控制信号，进而驱动伺服电动机，以消除差值。

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附图中的主要功能模块变化多样，其中任何部分的变化都可构成不同种类的伺服系统。 如根据驱动电动机的类型，可将其分为直流伺服、交流伺服和步进电动机驱动系统；根据有 无检测元件和反馈环节可分为开环、闭环和半闭环伺服系统。考虑数控机床中主运动和进给 运动的不同，将其分为进给伺服与主轴伺服，然后再根据其他要素来探讨不同伺服系统的技 术特性。
2 进给伺服系统的现状与展望

进给伺服以数控机床的各坐标轴为控制对象，产生机床的切削进给运动。为此，要求进给 伺服能快速调节坐标轴的运动速度，并能精确地进行位置控制。具体要求其调速范围宽、位 移精度高、稳定性好、动态响应快。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 步进电动机伺服系统

步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将脉冲信号转换成相应的角位移的执行器。 其角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，通过改变脉冲数量可控制位移量，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

直流伺服的工作原理是建立在电磁力学基础上。电磁转矩是通过互相独立的两个变量主磁 通与电枢电流相互作用产生的，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。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，直流伺服电动机在结构上存在机械整流子，造价高，故障多，维护困难，寿命短， 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。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

考虑直流电动机的缺陷，把电驱绕组装于定子，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，同时随着变频及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、静态特性已超越直流伺服系统。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、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。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。其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。软件伺服在使用时，可由用户设定电机代码和相关数据后，即自动进入工作状态。系 统配有通讯接口，当改变机床工作方式、更换电动机规格时，只需重设代码即可，故称万能 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方式(Direct Drive)，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，受到生产企业的重视，技术发展迅速。20 01年德国DMG公司与日本MAZAK公司研制的直线电动机驱动的高速机床，快移速度达100～120 m/min，加速度1.5～2g。MAZAK公司正在推出基于直线伺服系统的超音速加工中心，切削速 度8马赫，主轴最高转速80 000r/min，快移速度500m/min，加速度6g。以上优秀的技术 性能，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，并逐步在使用中占据主导地位。
3 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、即“零传动”。因此，其具有结构紧凑、重量轻、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，异步交流感应电动机或永磁同步电动机都可以使 用。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。
4 结论

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系统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 、直线电动机及高速电主轴等将成为数控机床行业的关注的热点，并成为伺服系统的发展方 向。