數(shù)控機(jī)床中的伺服系統(tǒng)分析

一、概述

作為數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，伺服系統(tǒng)將電力電子器件、控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)等集為一體，并隨著數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)、特種電機(jī)材料技術(shù)、微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)歷了從步進(jìn)到直流，進(jìn)而到交流的發(fā)展歷程。數(shù)控機(jī)床中的伺服系統(tǒng)種類繁多，本文通過分析其結(jié)構(gòu)及簡單歸分，對(duì)其技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)作簡要探討。

伺服系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。

二、伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及分類

根據(jù)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的類型，可將其分為直流伺服和交流伺服;根據(jù)控制器實(shí)現(xiàn)方法的不同，可將其分為模擬伺服和數(shù)字伺服;根據(jù)控制器中閉環(huán)的多少，可將其分為開環(huán)控制系統(tǒng)、單環(huán)控制系統(tǒng)、雙環(huán)控制系統(tǒng)和多環(huán)控制系統(tǒng)。考慮伺服系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用，本文首先按機(jī)床中傳動(dòng)機(jī)械的不同將其分為進(jìn)給伺服與主軸伺服，然后再根據(jù)其他要素來探討不同伺服系統(tǒng)的技術(shù)特性。

從基本結(jié)構(gòu)來看，伺服系統(tǒng)主要由三部分組成：控制器、功率驅(qū)動(dòng)裝置、反饋裝置和電動(dòng)機(jī)(圖1)。控制器按照數(shù)控系統(tǒng)的給定值和通過反饋裝置檢測(cè)的實(shí)際運(yùn)行值的差，調(diào)節(jié)控制量;功率驅(qū)動(dòng)裝置作為系統(tǒng)的主回路，一方面按控制量的大小將電網(wǎng)中的電能作用到電動(dòng)機(jī)之上，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小，另一方面按電動(dòng)機(jī)的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)所需的交流電或直流電;電動(dòng)機(jī)則按供電大小拖動(dòng)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。 

三、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀與展望

進(jìn)給伺服以數(shù)控機(jī)床的各坐標(biāo)為控制對(duì)象，產(chǎn)生機(jī)床的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。為此，要求進(jìn)給伺服能快速調(diào)節(jié)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)速度，并能精確地進(jìn)行位置控制。具體要求其調(diào)速范圍寬、位移精度高、穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。根據(jù)系統(tǒng)使用的電動(dòng)機(jī)，進(jìn)給伺服可細(xì)分為步進(jìn)伺服、直流伺服、交流伺服和直線伺服。

(一)步進(jìn)伺服系統(tǒng)

步進(jìn)伺服結(jié)構(gòu)簡單，符合系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移動(dòng)速度越低。特別是步進(jìn)伺服易于失步，使其主要用于速度與精度要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床及舊設(shè)備改造。但近年發(fā)展起來的恒斬波驅(qū)動(dòng)、PWM驅(qū)動(dòng)、微步驅(qū)動(dòng)、超微步驅(qū)動(dòng)和混合伺服技術(shù)，使得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的高、低頻特性得到了很大的提高，特別是隨著智能超微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，將把步進(jìn)伺服的性能提高到一個(gè)新的水平。

步進(jìn)伺服是一種用脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的控制系統(tǒng)。其角位移與脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果停機(jī)后某些繞組仍保持通電狀態(tài)，則系統(tǒng)還具有自鎖能力。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，如500步、1000步、50 000步等等，從理論上講其步距誤差不會(huì)累計(jì)。

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