数控机床伺服系统的优化

数控机床伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称随动系统、拖动系统或伺服机构。在数控机床上，伺服系统接收来自CNC 装置（插补装置或插补软件）的进给指令脉冲，经过一定的信号变换及电压、功率放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动，这些轴有的带动工作台，有的带动刀架，通过几个坐标轴的综合联动，使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出所要求的复杂形状零件。

数控机床运行中，主轴驱动和伺服进给驱动是机床的基本成形运动。主轴驱动控制一般只要满足主轴调速和正/反转即可，但当要求机床有螺纹加工、准停和恒线加工等功能时，就对主轴提出了相应的位置控制要求。此时，主轴驱动控制系统可称为主轴伺服系统，只不过控制较为简单。

伺服进给驱动系统又称进给伺服系统，是数控装置和机床机械传动部件间的联系环节，是数控机床的重要组成部分。它包含机械、电子、电动机（后文中简称电机），早期产品还包含液压等各种部件，并涉及强电与弱电控制，是一个比较复杂的控制系统，要使它成为一个既能使各部件互相配合协调工作、又能满足相当高的技术性能指标的控制系统是一个相当复杂的任务。在现有技术条件下，CNC 装置的性能已相当优异，并正在迅速向更高水平发展，而数控机床的最高运动速度、跟踪及定位精度、加工表面质量、生产率及工作可靠性等技术指标，往往又主要取决于伺服系统的动态和静态性能，数控机床的故障也主要出现在伺服系统上。可见，提高伺服系统的技术性能和可靠性，对于数控机床具有重大意义，研究与开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。

本节主要讨论进给伺服系统，数控机床对伺服系统的要求如下。

（1）高精度

数控机床伺服系统的精度是指机床工作的实际位置复现插补器指令信号的精确程度。在数控加工过程中，对机床的定位精度和轮廓加工精度要求都比较高，一般定位精度要达到0.010～0.001 mm，有的要求达到0.1 μm。而轮廓加工与速度控制、联动坐标的协调控制有关，这种协调控制对速度调节系统的抗负载干扰能力和静/动态性能指标都有较高的要求。

（2）稳定性好

伺服系统的稳定性是指系统在突变的指令信号或外界扰动的作用下，能够以最大的速度达到新的或恢复到原有平衡位置的能力。稳定性是直接影响数控加工精度和表面粗糙度的重要指标。较强的抗干扰能力是获得均匀进给速度的重要保证。

（3）响应速度快，无超调

快速响应是伺服系统动态品质的一项重要指标，它反映了系统对插补指令的跟踪精度。在加工过程中，为了保证轮廓的加工精度，降低表面粗糙度，要求系统跟踪指令信号的速度要快，过渡时间尽可能短，而且无超调，一般应在200 ms 以内，甚至几十毫秒。这两项指标往往相互矛盾，实际应用时应采取一定的措施，按工艺要求加以选择。

（4）电机调速范围宽

调速范围是指数控机床要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。此处的最高转速和最低转速一般是指额定负载时的转速，对于少数负载很轻的数控机床也可以是实际负载时的转速。(www.xing528.com)

在数控加工过程中，切削速度因加工刀具、被加工材料以及零件加工要求的不同而不同。为保证在任何条件下都能获得最佳的切削速度，因此进给系统必须提供较大的调速范围，一般要求调速范围应达到1∶1 000，而性能较高的数控系统调速范围应能达到1∶10 000，而且是无级调速。

主轴伺服系统主要是速度控制，它要求低速（额定转速以下）恒转短调速具有1∶100～1∶1 000 的调速范围，高速（额定转速以上）恒功率调速具有1∶10 以上的调速范围。

（5）低速大转矩

机床加工的特点是低速时进行重切削，这就要求伺服系统在低速时提供较大的输出转矩。

（6）可靠性高

数控机床要求伺服系统对环境（如温度、湿度、粉尘、油污、振动、电磁干扰等）的适应性强，性能稳定，使用寿命长，平均无故障时间间隔长。

对主轴伺服系统除上述要求外，还应满足以下要求。

①主轴与进给驱动的同步控制。为使数控机床具有螺纹和螺旋槽加工的能力，因此主轴驱动与进给驱动应实现同步控制。

②准停控制。在加工中心上，为了实现自动换刀，这要求主轴能进行高精确位置的停止。

③角度分度控制。角度分度控制有两种类型：一是固定的等分角度控制；二是连续的任意角度控制。任意角度控制是带有角位移反馈的位置伺服系统，这种主轴坐标具有进给坐标的功能，称为“C”轴控制。“C”轴控制可以用一般主轴控制与“C”控制切换的方法实现，也可以用大功率的进给伺服系统代替主轴系统。

按伺服控制系统的不同，数控机床主要分为开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。其中开环控制系统主要采用步进电机，闭环、半闭环系统主要采用直流或交流伺服电动机。而位置控制是伺服系统位置环的任务，从功能上讲是伺服系统重要组成部分，是保证执行件位置精度的关键环节。本节主要介绍三种电机的控制系统及位置控制系统。