第3章　数控机床伺服系统

3.1　概述

数控机床的进给伺服系统是以数控机床的各坐标为控制对象，以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称位置随动系统、进给伺服机构或进给伺服单元。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。在数控机床中，进给伺服系统是数控装置和机床本体的联系环节，它接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放大后，由电动机经机械传动机构驱动机床的工作台或溜板沿某一坐标轴运动，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。

作为数控机床的执行机构，进给伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电动机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了步进、直流、交流的发展历程。在一定意义上，进给伺服系统的静、动态性能，决定了数控机床的精度、稳定性、可靠性和加工效率。因此，研究与开发高性能的进给伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。

3.1.1　数控机床对进给伺服系统的基本要求

数控系统所发出的控制指令，是通过进给伺服系统驱动机械执行部件，最终实现确定的进给运动。进给伺服系统实际上是一种高精度的位置跟踪与定位系统，它的性能决定了数控机床的许多性能，如最高移动速度、轮廓跟随精度、定位精度等。通常对进给伺服系统有如下要求。

（1）精度高

为了保证加工出高精度零件，伺服系统必须具有足够高的精度。常用的精度指标是定位精度和零件的综合加工精度：定位精度是指工作台或刀架由某点移到另一点时，指令值与实际移动距离的最大差值；综合加工精度是指最后加工出来的工件尺寸与所要求尺寸的误差。伺服系统要具有较好的静态特性和较高的伺服刚度，才能达到较高的定位精度，以保证机床具有较小的定位误差与重复定位误差（目前进给伺服系统的分辨率可达1μm或0.1μm，甚至0.01μm）。同时伺服系统还要具有较好的动态性能，以保证机床具有较高的轮廓跟随精度。影响伺服系统工作精度的参数有很多，关系也很复杂，因数控装置的精度完全能满足机床的精度要求，故机床本身精度，尤其是伺服传动机构和伺服执行机构的精度是影响数控机床工作精度的主要因素。

（2）快速响应特性好，无超调

为了提高生产率和保证加工质量，在启、制动时，要求加、减速时加速度足够大，以缩短伺服系统的过渡过程时间（一般电动机的速度从零变到最高转速，或从最高转速降至零的时间小于200ms），减小轮廓过渡误差。一般来说，系统增益大，时间常数小，响应快，但是加大系统增益将增大超调量，延长调节时间，使过渡过程性能指数下降，甚至造成系统不稳定；若减小系统增益，又会增加稳态误差。这就要求伺服系统要能快速响应，但又不能超调，否则将形成过切，影响加工质量。所以应当适当选择系统增益，以便获得合理的响应速度。同时，当负载突变时，要求速度的恢复时间也要短，且不能有振荡，这样才能得到光滑的加工表面。

（3）调速范围宽

调速范围是指生产机械要求电动机能提供的最高转速和最低转速之比，即：

式中　RN——调速范围；

Nmax，Nmin——生产机械要求电动机能提供的最高转速和最低转速，一般都指额定负载时的转速（对于少数负载很轻的机械，也可以是实际负载时的转速）。

在数控机床中，往往加工刀具、被加工工件材质以及零件加工要求不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求进给驱动必须具有足够宽的调速范围。目前对一般的数控机床而言，伺服系统在承担全部工作负载的情况下，工作进给速度范围可达0～6m/min（调速范围1:2000）；为了保证精确定位，伺服系统的低速趋近速度为0.1mm/min；为了缩短辅助时间，快速移动速度可高达15m/min（例如XHK760型立式加工中心的工作进给速度范围为2mm/min～4m/min，快速进给速度为10m/min），如此宽的调速范围是伺服系统设计的一个难题。因多坐标联动的数控机床合成进给速度保持常数，是保证表面粗糙度的重要条件，故为保证较高的轮廓精度，机床各坐标方向的运动速度也要配合适当，这是对数控系统和伺服系统提出的共同要求。

（4）低速大扭矩

根据机床的加工特点，经常在低速进行重切削，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出，这就要求动力源尽量靠近机床的执行机构，从而可缩短进给驱动的传动链，使传动装置的机械部分结构简化，系统刚性增加，从而也使传动装置的动态质量和中间传动的运动精度得到提高。

（5）稳定性好

稳定性是伺服系统能否正常工作的前提，特别要求数控机床在低速进给情况下不产生爬行现象，并要求负载变化而不产生共振。稳定性与系统的惯性、刚性、阻尼及增益等有关，应适当选择上述各项参数，以达到最佳工作性能。对数控机床伺服系统，影响机床加工过程的伺服特性是稳态特性，而影响稳态特性的两个重要参数是系统增益和伺服刚度。

3.1.2　进给伺服系统的基本组成

数控进给伺服系统按有无反馈检测元件分为开环、闭环和半闭环三种类型，这三种类型的伺服系统的基本组成不完全相同，但不管是哪种类型，执行元件及其驱动控制单元都必不可少。驱动控制单元的作用是将进给指令转化为执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。

开环伺服系统由驱动控制单元、执行元件和传动装置组成。通常，执行元件选用步进电动机。由于系统不对输出进行检测，因此执行元件对系统的特性具有重要影响。

闭环和半闭环伺服系统的基本组成如图3-1所示，由比较环节、驱动控制单元、执行元件、传动装置和反馈检测元件组成。反馈检测元件分为速度反馈和位置反馈两类，闭环伺服系统采用位置反馈元件对工作台的实际位置检测后反馈给比较环节（半闭环伺服系统检测反馈伺服电动机或滚珠丝杠上的转角位移，间接保证工作台的位移），比较环节将指令信号和反馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动控制单元驱动控制执行元件带动工作台运动。

3.1.3　进给伺服系统的分类

3.1.3.1　按控制方式和有无检测反馈环节分类

按控制方式和有无检测反馈环节可以将伺服系统分为开环、半闭环和闭环伺服系统三类。

（1）开环控制系统

采用步进电动机驱动的开环伺服系统如图3-2所示。开环控制系统是指不带位置反馈装置的控制方式，由功率型步进电动机作为驱动元件的控制系统是典型的开环控制系统。数控装置根据所要求的运动速度和位移量，向环形分配器和功率放大电路输出—定频率和数量的脉冲，不断改变步进电动机各相绕组的供电状态，使相应坐标轴的步进电动机转过相应的角位移，再经过机械传动链，实现运动部件的直线移动或转动。运动部件的速度与位移量是由输入脉冲的频率和脉冲数所决定。开环控制系统具有结构简单、调试维修方便和价格低廉等优点；缺点是精度较低，通常输出扭矩值的大小受到了限制，而且当输入较高的脉冲频率时，容易产生失步，难以实现运动部件的快速控制。一般开环控制系统适用于中、小型经济型数控机床，以及普通机床的数控化改造。近年来，随着高精度步进电动机特别是混合式步进电动机的应用，以及PWM技术及微步驱动、超微步驱动技术的发展，步进伺服系统的高频出力与低频振荡得到极大的改善，开环控制数控机床的精度和性能也大为提高。

（2）闭环、半闭环控制系统

闭环伺服系统的结构如图3-3所示，它带有直线位置检测装置，可直接对工作台（或溜板）的实际位移量进行检测，加工过程中，将速度反馈信号送到速度控制电路，将工作台（或溜板）实际位移量反馈给位置比较电路，与数控装置发出的位移指令值进行比较，用比较后的误差信号作为控制量去控制工作台（或溜板）的运动，直到误差等于零为止。常用的伺服驱动元件为直流或交流伺服电动机。闭环控制可以消除包括工作台（或溜板）传动链在内的传动误差，因而定位精度高、调节速度快。但由于机床工作台（或溜板）惯量大，对系统的稳定性会带来不利影响，使系统的调试、维修困难，且控制系统复杂成本高，故一般应用在高精度数控机床上。

半闭环伺服系统的结构如图3-4所示，它与闭环控制系统的区别在于检测反馈信号不是来自安装在工作台（或溜板）上的直线位移测量元件，而是来自安装在电动机轴端或丝杠上的角位移测量元件。半闭环伺服系统通过测量电动机转角或丝杆转角推算出工作台的位移量，并将此值与指令值进行比较，用差值来进行控制。从图3-4中可以看出，由于工作台未包括在控制回路中，因而称半闭环控制。这种控制方式排除了惯量很大的机床工作台部分，使整个系统的稳定性得以保证，目前已普遍将角位移检测元件与伺服电动机做成一个部件，使系统结构简单、调试和维护也易于掌握。半闭环控制数控机床的性能介于开环和闭环控制数控机床之间，即精度比开环高，比闭环低，调试比闭环方便，因而得到广泛的应用。

按反馈比较控制方式的不同，闭环、半闭环伺服系统又可分为以下几种。

①数字脉冲比较伺服系统　数字脉冲比较伺服系统是将数控装置发出的数字（或脉冲）指令信号与检测装置测得的以数字（或脉冲）形式表示的反馈信号直接进行比较，获得位置误差，实现控制。数字脉冲比较伺服系统结构简单，容易实现，工作稳定，在一般数控伺服系统中应用十分普遍。

②鉴相式伺服系统　在鉴相式伺服系统中，位置检测装置采用相位工作方式，指令信号与反馈信号都变成某个载波的相位，然后通过两者相位的比较，获得实际位置与指令位置的偏差，实现闭环、半闭环控制。鉴相式伺服系统适用于感应式检测元件（如旋转变压器、感应同步器）的工作状态，可得到满意的精度。此外，由于载波频率高，响应快，抗干扰性强，更适用于连续控制的伺服系统。

③鉴幅式伺服系统　鉴幅式伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此信号作为位置反馈信号，一般还要将此幅值信号转换成数字信号才与指令数字信号进行比较，从而获得位置偏差信号构成闭环、半闭环控制系统。

④CNC数字伺服系统　CNC数字伺服系统是用于高精度CNC机床上的伺服系统，它与前面介绍的伺服系统相比，具有精度高、稳定性好等优点。由于计算机的引入，用软件代替了大量的硬件，使得硬件线路与其他伺服系统相比要简单些。此外，还可用计算机对伺服系统进行最优控制、自适应控制、前瞻控制等，可将整个系统的性能和效益显著提高。

3.1.3.2　按执行元件的类别分类

按执行元件的类别可以将进给伺服系统分为步进伺服系统、直流伺服系统、交流伺服系统和直线伺服系统。

（1）步进伺服系统

步进伺服系统是一种用脉冲信号进行控制，并将脉冲信号转换成相应的角位移的控制系统，其角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，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；此外步进电动机每转一周都有固定的步数，如500步、1000步、50000步等，从理论上讲，其步距误差不会累计。

步进伺服系统结构简单，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，特别是步进伺服系统易于失步，故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中。但近年发展起来的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，步进伺服系统的性能将提高到一个新的水平。

（2）直流伺服系统

直流伺服系统的工作原理是建立在电磁力定律基础上的，与电磁转矩相关的是互相独立的两个变量主磁通与电枢电流，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。另一方面，从控制角度看，直流伺服系统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主导地位。

然而，从实际运行考虑，直流伺服电动机引入了机械换向装置，其成本高，故障多，维护困难，经常因炭刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。另外，机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度；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，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。

（3）交流伺服系统

针对直流电动机的缺陷，如果将其做“里翻外”的处理，即把电枢绕组装在定子上，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、静态特性可完全与直流伺服系统相媲美，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，数控机床进给伺服系统主要采用永磁同步交流伺服系统，有以下三种类型：模拟形式、数字形式和软件形式。模拟伺服用途单一，只接收模拟信号；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设定，稳定性好，具有较丰富的自诊断、报警功能；软件伺服是基于微处理器的全数字伺服系统，它将各种控制方式和不同规格、功率的伺服电动机的监控程序以软件实现，使用时可由用户设定代码与相关的数据自动进入工作状态，配有数字接口，改变工作方式、更换电动机规格时，只需重设代码即可，故也称为万能伺服。

交流伺服系统已占据了机床进给伺服系统的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在以下三个方面：一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。

（4）直线伺服系统

直线伺服系统采用的是一种直接驱动方式（Direct Drive），是高速高精数控机床的理想驱动模式，与传统的旋转传动方式相比，最大特点是取消了电动机到工作台间的一切机械中间传动环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零。这种“零传动”方式，带来了旋转驱动方式无法达到的性能指标，如加速度可达3g以上，为传统驱动装置的10～20倍，进给速度是传统的4～5倍，因此直线伺服受到机床厂家的重视，技术发展迅速。在2001年欧洲机床展上，有几十家公司展出直线电动机驱动的高速机床，其中尤以德国DMG公司与日本MAZAK公司最具代表性。2000年DMG公司已有28种机型采用直线电动机驱动，年产1500多台，约占总产量的1/3。而MAZAK公司也推出基于直线伺服系统的超音速加工中心，主轴最高转速80000r/min，快速移动速度500m/min，加速度6g。所有这些，都预示着以直线电动机驱动为代表的第二代高速机床，将取代以高速滚珠丝杠驱动为代表的第一代高速机床，并在使用中逐步占据主导地位。

从电动机的工作原理来讲，直线电动机有直流、交流、步进、永磁、电磁、同步和异步等多种方式；而从结构来讲，又有动圈式、动铁式、平板型和圆筒型等形式。目前应用到数控机床上的主要有高精度、高频率响应、小行程直线电动机和高精度、大推力、长行程直线电动机两类。

此外，按驱动方式分类，可将伺服系统分为液压伺服驱动系统、电气伺服驱动系统和气压伺服驱动系统；按控制信号分类，可将伺服系统分为数字伺服系统、模拟伺服系统和数字模拟混合伺服系统等。

进给伺服系统作为数控机床的重要功能部件，其特性一直是影响系统加工性能的重要指标，围绕进给伺服系统动、静态特性的提高，近年来发展了多种伺服驱动技术。伺服驱动元件（伺服电动机）为数控伺服系统的重要组成部分，是速度和轨迹控制的执行元件，伺服系统的设计、调试与选用的电动机及其特性有密切关系，直接影响伺服系统的静、动态品质。在数控机床中常用的驱动元件有直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机和直线电动机等。直流伺服电动机具有良好的调速性能，在20世纪70～80年代的数控系统中得到了广泛的应用；交流伺服电动机由于结构和控制原理的发展，性能大大提高，从20世纪80年代末开始逐渐取代直流伺服电动机，是目前主要使用的电动机；步进电动机应用在轻载、负荷变动不大以及经济型数控系统中；直线电动机是一种很有发展前途的特种电动机，主要应用在高速、高精度的进给伺服系统中，可以预见随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发展，具有网络接口的全数字伺服系统、直线电动机等将成为数控机床行业的关注的热点，并成为进给伺服系统的发展方向。