数控机床伺服驱动装置现状分析

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1、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(XX)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

2、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

3、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。 　　740)this.width=740"border=undefined> 　　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

4、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

5、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

6、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

7、，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

8、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