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數(shù)控機(jī)床中的伺服系統(tǒng)
伺服系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動的驅(qū)動設(shè)備—電機(jī)為控制對象，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)的電氣傳動控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動機(jī)械的運(yùn)動要求。具體在數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的位移、速度指令，經(jīng)變換、放大與調(diào)整后，由電機(jī)和機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)床坐標(biāo)軸、主軸帶動工作臺及刀架，通過軸的聯(lián)動使刀具相對工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動，從而加工出用戶所需的工件。
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，對其技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢作簡要探討。
伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及分類
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)動裝置、反饋裝置和電機(jī)?？刂破靼凑諗?shù)控系統(tǒng)的給定值和通過反饋裝置檢測的實(shí)際運(yùn)行值的差，調(diào)節(jié)控制量;功率驅(qū)動裝置作為系統(tǒng)的主回路，一方面按控制量的大小將電網(wǎng)中的電能作用到電機(jī)之上，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小，另一方面按電機(jī)的要求把恒壓、恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換為電機(jī)所需的交流電或直流電;電機(jī)則按供
如根據(jù)驅(qū)動電機(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)?？紤]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)其他成要素來探討不同伺服系統(tǒng)的技術(shù)特性。
進(jìn)給伺服系統(tǒng)
進(jìn)給伺服以數(shù)控機(jī)床的各坐標(biāo)為控制對象，產(chǎn)生機(jī)床的切削進(jìn)給運(yùn)動。為此，要求進(jìn)給伺服能快速調(diào)節(jié)坐標(biāo)軸的運(yùn)動速度，并能地進(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，動態(tài)響應(yīng)快。根據(jù)系統(tǒng)使用的電機(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。
步進(jìn)伺服系統(tǒng)
步進(jìn)伺服是一種用脈沖信號進(jìn)行控制，并將脈沖信號轉(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)電機(jī)每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，如500步、1000步、50000步等等，從理論上講其步距誤差不會累計(jì)。
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，且其功率越大移動速度越低。特別是步進(jìn)伺服易于產(chǎn)生“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、PWM驅(qū)動、微步驅(qū)動、超微步驅(qū)動和混合伺服技術(shù)，使得步進(jìn)電機(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)動技術(shù)的發(fā)展，將步進(jìn)伺服的性能提高到一個(gè)新的水平。
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(dú)立的兩個(gè)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(jìn)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(gè)單輸入單輸出的單變量控制系統(tǒng)，經(jīng)典控制理論*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(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動中曾占據(jù)著主導(dǎo)地位。
然而，從實(shí)際運(yùn)行考慮，直流伺服電機(jī)引入了機(jī)械換向裝置。其成本高，故障多，維護(hù)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(shí)機(jī)械換向器的換向能力，限制了電機(jī)的容量和速度。電機(jī)的電樞在轉(zhuǎn)子上，使得電機(jī)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(jī)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(jī)，同時(shí)隨著矢量控制方法的實(shí)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(yùn)行等良好的技術(shù)性能使其動、靜態(tài)特性已*可與直流伺服系統(tǒng)相媲美。同時(shí)可實(shí)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(jī)床進(jìn)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(jī)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字伺服可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用如做速度、力矩、位置控制。可接收模擬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(bào)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(jī)的監(jiān)控程序以軟件實(shí)現(xiàn)。使用時(shí)可由用戶設(shè)定代碼與相關(guān)的數(shù)據(jù)即自動進(jìn)入工作狀態(tài)。配有數(shù)字接口改變工作方式、更換電機(jī)規(guī)格時(shí)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(jī)床進(jìn)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(gè)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(jìn)*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。