東莞市堤斯基自動化機電有限公司

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自動化第一品牌【堤斯基】東莞市堤斯基自動化機電有限公司與臺灣堤斯基科技有限公司一脈相承（初創(chuàng)于2000年11月）。公司集技術研發(fā)、專業(yè)生產(chǎn)與銷售三位一體，主要生產(chǎn)經(jīng)營伺服驅(qū)動器、伺服電機、行星減速機、變頻器、自動化機電產(chǎn)品系列。
 

　　數(shù)控機床的進給伺服系統(tǒng)、主軸伺服系統(tǒng)的特性，并對其應用前景進行展望。

　　作為數(shù)控機床的執(zhí)行機構，伺服系統(tǒng)集電力電子器件、控制、驅(qū)動及保護為一體，并隨著數(shù)字脈寬調(diào)制技術、特種電機材料技術、微電子技術及現(xiàn)代控制技術的進步，經(jīng)歷了從步進到直流，進而到交流的發(fā)展歷程。數(shù)控機床中的伺服系統(tǒng)種類繁多。

　　伺服系統(tǒng)是以機械運動的驅(qū)動設備一電動機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構，在自動控制理論的指導下組成的電氣傳動自動控制系統(tǒng)。金機通提示，這類系統(tǒng)控制電動機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，實現(xiàn)機械的運動要求。數(shù)控機床中，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、放調(diào)與整大后，由電動機和機械傳動機構驅(qū)動機床坐標軸、主軸等，帶動工作臺及刀架，通過軸的聯(lián)動使刀具相對工件產(chǎn)生各種復雜的機械運動，從而加工出用戶要求的復雜形狀工件。

　　伺服系統(tǒng)的結構

　　從基本結構看，伺服系統(tǒng)主要由控制器、功率驅(qū)動裝置、反饋裝置和電動機組成?？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際運行值的差，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)中的電能作用到電動機上，調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)矩的大小 另一方面按電動機的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換為電動機所需的交流電或直流電 電動機則按供電大小拖動機械運轉(zhuǎn)。

　　考慮伺服系統(tǒng)在數(shù)控機床中的應用，本文按機床中傳動機械的不同將其分為進給伺服與主軸伺服。

　　進給伺服系統(tǒng)的特性

　　進給伺服以數(shù)控機床的各坐標為控制對象，產(chǎn)生機床的切削進給運動。為此，要求進給伺服能快速調(diào)節(jié)坐標軸的運動速度，并能精確地進行位置控制。具體要求其調(diào)速范圍寬、位移精度高、穩(wěn)定性好、動態(tài)響應快。根據(jù)系統(tǒng)使用的電動機，進給伺服可細分為步進伺服、直流伺服、交流伺服和直線伺服。

　　(1)步進伺服系統(tǒng)

　　步進伺服是一種用脈沖信號控制，并將脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應角位移的控制系統(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)電動機的轉(zhuǎn)速。如果停機后某些繞組仍保持通電狀態(tài)，則系統(tǒng)還具有自鎖能力。步進電動機每轉(zhuǎn)1周都有固定的步數(shù)，如500步、1000步、50000步等，理論上其步距誤差不會累計。

　　步進伺服結構簡單，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)濟型數(shù)控機床及舊設備改造。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，使步進電動機的高、低頻特性得到很大提高，特別是隨著智能超微步驅(qū)動技術的發(fā)展，將把步進伺服的性能提高到新的水平。

　　(2)直流伺服系統(tǒng)

　　直流伺服的工作原理建立在電磁定律基礎上。與電磁轉(zhuǎn)矩相關的是互相獨立的兩個變量：主磁通與電樞電流，分別控制勵磁電流與電樞電流，可方便地進行轉(zhuǎn)矩與轉(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人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)主導地位。

　　然而，從實際運行考慮，直流伺服電動機引人了機械換向裝置，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)，并對其他設備產(chǎn)生電磁干擾。同時，機械換向器的換向能力限制了電動機的容量和速度。金機通提示電動機的電樞在轉(zhuǎn)子上，使得電動機效率低、散熱差。為改善換向能力、減小電樞的漏感，轉(zhuǎn)子變得短粗，影響了系統(tǒng)的動態(tài)性能。

　　(3)交流伺服系統(tǒng)

　　針對直流電動機的缺陷，如果將其做"里翻外"的處理，即把電驅(qū)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，就構成永磁無刷電動機，同時，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。其寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動態(tài)響應及四象限運行等良好的技術性能，使其動、靜態(tài)特性可與直流伺服系統(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，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)。使用時可由用戶設定代碼與相關的數(shù)據(jù)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29.4m/s 以上，為傳統(tǒng)驅(qū)動裝置的lO一2O倍，進給速度是傳統(tǒng)的4-5倍。從電動機的工作原理來講，直線電動機有直流、交流、步進、永磁、電磁、同步和異步等多種方式 而從結構來講，又有動圈式、動鐵式、平板型和圓筒型等形式。目前應用到數(shù)控機床上的主要有高精度高頻向小行程直線電動機與大推力長行程高精度直線電動機兩類。