第3章　數控機床伺服系統

3.1　概述

數控機床的進給伺服系統是以數控機床的各坐標為控制對象，以機床移動部件的位置和速度為控制量的自動控制系統，又稱位置隨動系統、進給伺服機構或進給伺服單元。這類系統控制電動機的轉矩、轉速和轉角，將電能轉換為機械能，實現運動機械的運動要求。在數控機床中，進給伺服系統是數控裝置和機床本體的聯系環節，它接收數控系統發出的位移、速度指令，經變換、放大后，由電動機經機械傳動機構驅動機床的工作臺或溜板沿某一坐標軸運動，通過軸的聯動使刀具相對工件產生各種復雜的機械運動，從而加工出用戶所要求的復雜形狀的工件。

作為數控機床的執行機構，進給伺服系統將電力電子器件、控制、驅動及保護等集為一體，并隨著數字脈寬調制技術、特種電動機材料技術、微電子技術及現代控制技術的進步，經歷了步進、直流、交流的發展歷程。在一定意義上，進給伺服系統的靜、動態性能，決定了數控機床的精度、穩定性、可靠性和加工效率。因此，研究與開發高性能的進給伺服系統一直是現代數控機床的關鍵技術之一。

3.1.1　數控機床對進給伺服系統的基本要求

數控系統所發出的控制指令，是通過進給伺服系統驅動機械執行部件，最終實現確定的進給運動。進給伺服系統實際上是一種高精度的位置跟蹤與定位系統，它的性能決定了數控機床的許多性能，如最高移動速度、輪廓跟隨精度、定位精度等。通常對進給伺服系統有如下要求。

（1）精度高

為了保證加工出高精度零件，伺服系統必須具有足夠高的精度。常用的精度指標是定位精度和零件的綜合加工精度：定位精度是指工作臺或刀架由某點移到另一點時，指令值與實際移動距離的最大差值；綜合加工精度是指最后加工出來的工件尺寸與所要求尺寸的誤差。伺服系統要具有較好的靜態特性和較高的伺服剛度，才能達到較高的定位精度，以保證機床具有較小的定位誤差與重復定位誤差（目前進給伺服系統的分辨率可達1μm或0.1μm，甚至0.01μm）。同時伺服系統還要具有較好的動態性能，以保證機床具有較高的輪廓跟隨精度。影響伺服系統工作精度的參數有很多，關系也很復雜，因數控裝置的精度完全能滿足機床的精度要求，故機床本身精度，尤其是伺服傳動機構和伺服執行機構的精度是影響數控機床工作精度的主要因素。

（2）快速響應特性好，無超調

為了提高生產率和保證加工質量，在啟、制動時，要求加、減速時加速度足夠大，以縮短伺服系統的過渡過程時間（一般電動機的速度從零變到最高轉速，或從最高轉速降至零的時間小于200ms），減小輪廓過渡誤差。一般來說，系統增益大，時間常數小，響應快，但是加大系統增益將增大超調量，延長調節時間，使過渡過程性能指數下降，甚至造成系統不穩定；若減小系統增益，又會增加穩態誤差。這就要求伺服系統要能快速響應，但又不能超調，否則將形成過切，影響加工質量。所以應當適當選擇系統增益，以便獲得合理的響應速度。同時，當負載突變時，要求速度的恢復時間也要短，且不能有振蕩，這樣才能得到光滑的加工表面。

（3）調速范圍寬

調速范圍是指生產機械要求電動機能提供的最高轉速和最低轉速之比，即：

式中　RN——調速范圍；

Nmax，Nmin——生產機械要求電動機能提供的最高轉速和最低轉速，一般都指額定負載時的轉速（對于少數負載很輕的機械，也可以是實際負載時的轉速）。

在數控機床中，往往加工刀具、被加工工件材質以及零件加工要求不同，為保證在任何情況下都能得到最佳切削條件，就要求進給驅動必須具有足夠寬的調速范圍。目前對一般的數控機床而言，伺服系統在承擔全部工作負載的情況下，工作進給速度范圍可達0～6m/min（調速范圍1:2000）；為了保證精確定位，伺服系統的低速趨近速度為0.1mm/min；為了縮短輔助時間，快速移動速度可高達15m/min（例如XHK760型立式加工中心的工作進給速度范圍為2mm/min～4m/min，快速進給速度為10m/min），如此寬的調速范圍是伺服系統設計的一個難題。因多坐標聯動的數控機床合成進給速度保持常數，是保證表面粗糙度的重要條件，故為保證較高的輪廓精度，機床各坐標方向的運動速度也要配合適當，這是對數控系統和伺服系統提出的共同要求。

（4）低速大扭矩

根據機床的加工特點，經常在低速進行重切削，即在低速時進給驅動要有大的轉矩輸出，這就要求動力源盡量靠近機床的執行機構，從而可縮短進給驅動的傳動鏈，使傳動裝置的機械部分結構簡化，系統剛性增加，從而也使傳動裝置的動態質量和中間傳動的運動精度得到提高。

（5）穩定性好

穩定性是伺服系統能否正常工作的前提，特別要求數控機床在低速進給情況下不產生爬行現象，并要求負載變化而不產生共振。穩定性與系統的慣性、剛性、阻尼及增益等有關，應適當選擇上述各項參數，以達到最佳工作性能。對數控機床伺服系統，影響機床加工過程的伺服特性是穩態特性，而影響穩態特性的兩個重要參數是系統增益和伺服剛度。

3.1.2　進給伺服系統的基本組成

數控進給伺服系統按有無反饋檢測元件分為開環、閉環和半閉環三種類型，這三種類型的伺服系統的基本組成不完全相同，但不管是哪種類型，執行元件及其驅動控制單元都必不可少。驅動控制單元的作用是將進給指令轉化為執行元件所需要的信號形式，執行元件則將該信號轉化為相應的機械位移。

開環伺服系統由驅動控制單元、執行元件和傳動裝置組成。通常，執行元件選用步進電動機。由于系統不對輸出進行檢測，因此執行元件對系統的特性具有重要影響。

閉環和半閉環伺服系統的基本組成如圖3-1所示，由比較環節、驅動控制單元、執行元件、傳動裝置和反饋檢測元件組成。反饋檢測元件分為速度反饋和位置反饋兩類，閉環伺服系統采用位置反饋元件對工作臺的實際位置檢測后反饋給比較環節（半閉環伺服系統檢測反饋伺服電動機或滾珠絲杠上的轉角位移，間接保證工作臺的位移），比較環節將指令信號和反饋信號進行比較，以兩者的差值作為伺服系統的跟隨誤差，經驅動控制單元驅動控制執行元件帶動工作臺運動。

3.1.3　進給伺服系統的分類

3.1.3.1　按控制方式和有無檢測反饋環節分類

按控制方式和有無檢測反饋環節可以將伺服系統分為開環、半閉環和閉環伺服系統三類。

（1）開環控制系統

采用步進電動機驅動的開環伺服系統如圖3-2所示。開環控制系統是指不帶位置反饋裝置的控制方式，由功率型步進電動機作為驅動元件的控制系統是典型的開環控制系統。數控裝置根據所要求的運動速度和位移量，向環形分配器和功率放大電路輸出—定頻率和數量的脈沖，不斷改變步進電動機各相繞組的供電狀態，使相應坐標軸的步進電動機轉過相應的角位移，再經過機械傳動鏈，實現運動部件的直線移動或轉動。運動部件的速度與位移量是由輸入脈沖的頻率和脈沖數所決定。開環控制系統具有結構簡單、調試維修方便和價格低廉等優點；缺點是精度較低，通常輸出扭矩值的大小受到了限制，而且當輸入較高的脈沖頻率時，容易產生失步，難以實現運動部件的快速控制。一般開環控制系統適用于中、小型經濟型數控機床，以及普通機床的數控化改造。近年來，隨著高精度步進電動機特別是混合式步進電動機的應用，以及PWM技術及微步驅動、超微步驅動技術的發展，步進伺服系統的高頻出力與低頻振蕩得到極大的改善，開環控制數控機床的精度和性能也大為提高。

（2）閉環、半閉環控制系統

閉環伺服系統的結構如圖3-3所示，它帶有直線位置檢測裝置，可直接對工作臺（或溜板）的實際位移量進行檢測，加工過程中，將速度反饋信號送到速度控制電路，將工作臺（或溜板）實際位移量反饋給位置比較電路，與數控裝置發出的位移指令值進行比較，用比較后的誤差信號作為控制量去控制工作臺（或溜板）的運動，直到誤差等于零為止。常用的伺服驅動元件為直流或交流伺服電動機。閉環控制可以消除包括工作臺（或溜板）傳動鏈在內的傳動誤差，因而定位精度高、調節速度快。但由于機床工作臺（或溜板）慣量大，對系統的穩定性會帶來不利影響，使系統的調試、維修困難，且控制系統復雜成本高，故一般應用在高精度數控機床上。

半閉環伺服系統的結構如圖3-4所示，它與閉環控制系統的區別在于檢測反饋信號不是來自安裝在工作臺（或溜板）上的直線位移測量元件，而是來自安裝在電動機軸端或絲杠上的角位移測量元件。半閉環伺服系統通過測量電動機轉角或絲桿轉角推算出工作臺的位移量，并將此值與指令值進行比較，用差值來進行控制。從圖3-4中可以看出，由于工作臺未包括在控制回路中，因而稱半閉環控制。這種控制方式排除了慣量很大的機床工作臺部分，使整個系統的穩定性得以保證，目前已普遍將角位移檢測元件與伺服電動機做成一個部件，使系統結構簡單、調試和維護也易于掌握。半閉環控制數控機床的性能介于開環和閉環控制數控機床之間，即精度比開環高，比閉環低，調試比閉環方便，因而得到廣泛的應用。

按反饋比較控制方式的不同，閉環、半閉環伺服系統又可分為以下幾種。

①數字脈沖比較伺服系統　數字脈沖比較伺服系統是將數控裝置發出的數字（或脈沖）指令信號與檢測裝置測得的以數字（或脈沖）形式表示的反饋信號直接進行比較，獲得位置誤差，實現控制。數字脈沖比較伺服系統結構簡單，容易實現，工作穩定，在一般數控伺服系統中應用十分普遍。

②鑒相式伺服系統　在鑒相式伺服系統中，位置檢測裝置采用相位工作方式，指令信號與反饋信號都變成某個載波的相位，然后通過兩者相位的比較，獲得實際位置與指令位置的偏差，實現閉環、半閉環控制。鑒相式伺服系統適用于感應式檢測元件（如旋轉變壓器、感應同步器）的工作狀態，可得到滿意的精度。此外，由于載波頻率高，響應快，抗干擾性強，更適用于連續控制的伺服系統。

③鑒幅式伺服系統　鑒幅式伺服系統是以位置檢測信號的幅值大小來反映機械位移的數值，并以此信號作為位置反饋信號，一般還要將此幅值信號轉換成數字信號才與指令數字信號進行比較，從而獲得位置偏差信號構成閉環、半閉環控制系統。

④CNC數字伺服系統　CNC數字伺服系統是用于高精度CNC機床上的伺服系統，它與前面介紹的伺服系統相比，具有精度高、穩定性好等優點。由于計算機的引入，用軟件代替了大量的硬件，使得硬件線路與其他伺服系統相比要簡單些。此外，還可用計算機對伺服系統進行最優控制、自適應控制、前瞻控制等，可將整個系統的性能和效益顯著提高。

3.1.3.2　按執行元件的類別分類

按執行元件的類別可以將進給伺服系統分為步進伺服系統、直流伺服系統、交流伺服系統和直線伺服系統。

（1）步進伺服系統

步進伺服系統是一種用脈沖信號進行控制，并將脈沖信號轉換成相應的角位移的控制系統，其角位移與脈沖數成正比，轉速與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率可調節電動機的轉速；如果停機后某些繞組仍保持通電狀態，則系統還具有自鎖能力；此外步進電動機每轉一周都有固定的步數，如500步、1000步、50000步等，從理論上講，其步距誤差不會累計。

步進伺服系統結構簡單，符合系統數字化發展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移動速度越低，特別是步進伺服系統易于失步，故主要用于速度與精度要求不高的經濟型數控機床及舊設備改造中。但近年發展起來的PWM驅動、微步驅動、超微步驅動和混合伺服技術，使得步進電動機的高、低頻特性得到了很大的提高，特別是隨著智能超微步驅動技術的發展，步進伺服系統的性能將提高到一個新的水平。

（2）直流伺服系統

直流伺服系統的工作原理是建立在電磁力定律基礎上的，與電磁轉矩相關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，可方便地進行轉矩與轉速控制。另一方面，從控制角度看，直流伺服系統的控制是一個單輸入單輸出的單變量控制系統，經典控制理論完全適用于這種系統，因此，直流伺服系統控制簡單，調速性能優異，在數控機床的進給驅動中曾占據主導地位。

然而，從實際運行考慮，直流伺服電動機引入了機械換向裝置，其成本高，故障多，維護困難，經常因炭刷產生的火花而影響生產，并對其他設備產生電磁干擾。另外，機械換向器的換向能力，限制了電動機的容量和速度；電動機的電樞在轉子上，使得電動機效率低，散熱差；為了改善換向能力，減小電樞的漏感，轉子變得短粗，影響了系統的動態性能。

（3）交流伺服系統

針對直流電動機的缺陷，如果將其做“里翻外”的處理，即把電樞繞組裝在定子上，轉子為永磁部分，由轉子軸上的編碼器測出磁極位置，就構成了永磁無刷電動機，同時隨著矢量控制方法的實用化，使交流伺服系統具有良好的伺服特性，其寬調速范圍、高穩速精度、快速動態響應及四象限運行等良好的技術性能，使其動、靜態特性可完全與直流伺服系統相媲美，同時可實現弱磁高速控制，拓寬了系統的調速范圍，適應了高性能伺服驅動的要求。

目前，數控機床進給伺服系統主要采用永磁同步交流伺服系統，有以下三種類型：模擬形式、數字形式和軟件形式。模擬伺服用途單一，只接收模擬信號；數字伺服可實現一機多用，如做速度、力矩、位置控制，可接收模擬指令和脈沖指令，各種參數均以數字方式設定，穩定性好，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字伺服系統，它將各種控制方式和不同規格、功率的伺服電動機的監控程序以軟件實現，使用時可由用戶設定代碼與相關的數據自動進入工作狀態，配有數字接口，改變工作方式、更換電動機規格時，只需重設代碼即可，故也稱為萬能伺服。

交流伺服系統已占據了機床進給伺服系統的主導地位，并隨著新技術的發展而不斷完善，具體體現在以下三個方面：一是系統功率驅動裝置中的電力電子器件不斷向高頻化方向發展，智能化功率模塊得到普及與應用；二是基于微處理器嵌入式平臺技術的成熟，將促進先進控制算法的應用；三是網絡化制造模式的推廣及現場總線技術的成熟，將使基于網絡的伺服控制成為可能。

（4）直線伺服系統

直線伺服系統采用的是一種直接驅動方式（Direct Drive），是高速高精數控機床的理想驅動模式，與傳統的旋轉傳動方式相比，最大特點是取消了電動機到工作臺間的一切機械中間傳動環節，即把機床進給傳動鏈的長度縮短為零。這種“零傳動”方式，帶來了旋轉驅動方式無法達到的性能指標，如加速度可達3g以上，為傳統驅動裝置的10～20倍，進給速度是傳統的4～5倍，因此直線伺服受到機床廠家的重視，技術發展迅速。在2001年歐洲機床展上，有幾十家公司展出直線電動機驅動的高速機床，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種機型采用直線電動機驅動，年產1500多臺，約占總產量的1/3。而MAZAK公司也推出基于直線伺服系統的超音速加工中心，主軸最高轉速80000r/min，快速移動速度500m/min，加速度6g。所有這些，都預示著以直線電動機驅動為代表的第二代高速機床，將取代以高速滾珠絲杠驅動為代表的第一代高速機床，并在使用中逐步占據主導地位。

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。目前應用到數控機床上的主要有高精度、高頻率響應、小行程直線電動機和高精度、大推力、長行程直線電動機兩類。

此外，按驅動方式分類，可將伺服系統分為液壓伺服驅動系統、電氣伺服驅動系統和氣壓伺服驅動系統；按控制信號分類，可將伺服系統分為數字伺服系統、模擬伺服系統和數字模擬混合伺服系統等。

進給伺服系統作為數控機床的重要功能部件，其特性一直是影響系統加工性能的重要指標，圍繞進給伺服系統動、靜態特性的提高，近年來發展了多種伺服驅動技術。伺服驅動元件（伺服電動機）為數控伺服系統的重要組成部分，是速度和軌跡控制的執行元件，伺服系統的設計、調試與選用的電動機及其特性有密切關系，直接影響伺服系統的靜、動態品質。在數控機床中常用的驅動元件有直流伺服電動機、交流伺服電動機、步進電動機和直線電動機等。直流伺服電動機具有良好的調速性能，在20世紀70～80年代的數控系統中得到了廣泛的應用；交流伺服電動機由于結構和控制原理的發展，性能大大提高，從20世紀80年代末開始逐漸取代直流伺服電動機，是目前主要使用的電動機；步進電動機應用在輕載、負荷變動不大以及經濟型數控系統中；直線電動機是一種很有發展前途的特種電動機，主要應用在高速、高精度的進給伺服系統中，可以預見隨著超高速切削、超精密加工、網絡制造等先進制造技術的發展，具有網絡接口的全數字伺服系統、直線電動機等將成為數控機床行業的關注的熱點，并成為進給伺服系統的發展方向。