數控機床中的伺服係統  
       伺服係統是以機械運動的驅動設備—電機為控製對象，以控製器為核心，以電力電子功率變換裝置為執行機構的電氣傳動控製係統。這類係統控製電機的轉矩
、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。具體在數控機床中，伺服係統接收數控係統發出的位移
、速度指令，經變換、放大與調整後，由電機和機械傳動機構驅動機床坐標軸、主軸帶動工作台及刀架，通過軸的聯動使刀具相對工件產生各種複雜的機械運動，從而加工出用戶所需的工件。
作為數控機床的執行機構
，伺服係統將電力電子器件
、控製、驅動及保護等集為一體，並隨著數字脈寬調製技術、特種電機材料技術、微(wei)電(dian)子(zi)技(ji)術(shu)及(ji)現(xian)代(dai)控(kong)製(zhi)技(ji)術(shu)的(de)進(jin)步(bu)，經(jing)曆(li)了(le)從(cong)步(bu)進(jin)到(dao)直(zhi)流(liu)
，進(jin)而(er)到(dao)交(jiao)流(liu)的(de)發(fa)展(zhan)曆(li)程(cheng)。數(shu)控(kong)機(ji)床(chuang)中(zhong)的(de)伺(si)服(fu)係(xi)統(tong)種(zhong)類(lei)繁(fan)多(duo)，本(ben)文(wen)通(tong)過(guo)分(fen)析(xi)其(qi)結(jie)構(gou)及(ji)簡(jian)單(dan)歸(gui)分(fen)，對(dui)其(qi)技(ji)術(shu)現(xian)狀(zhuang)及(ji)發(fa)展(zhan)趨(qu)勢(shi)作(zuo)簡(jian)要(yao)探(tan)討(tao)。

伺服係統的結構及分類
        從基本結構來看，伺服係統主要由三部分組成:控製器

、功率驅動裝置、反饋裝置和電機。控製器按照數控係統的給定值和通過反饋裝置檢測的實際運行值的差，調節控製量;功(gong)率(lv)驅(qu)動(dong)裝(zhuang)置(zhi)作(zuo)為(wei)係(xi)統(tong)的(de)主(zhu)回(hui)路(lu)，一(yi)方(fang)麵(mian)按(an)控(kong)製(zhi)量(liang)的(de)大(da)小(xiao)將(jiang)電(dian)網(wang)中(zhong)的(de)電(dian)能(neng)作(zuo)用(yong)到(dao)電(dian)機(ji)之(zhi)上(shang)，調(tiao)節(jie)電(dian)機(ji)轉(zhuan)矩(ju)的(de)大(da)小(xiao)，另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)按(an)電(dian)機(ji)的(de)要(yao)求(qiu)把(ba)恒(heng)壓(ya)、恒頻的電網供電轉換為電機所需的交流電或直流電;電機則按供

       如根據驅動電機的類型，可將其分為直流伺服和交流伺服;根據控製器實現方法的不同，可將其分為模擬伺服和數字伺服;根gen據ju控kong製zhi器qi中zhong閉bi環huan的de多duo少shao
，可ke將jiang其qi分fen為wei開kai環huan控kong製zhi係xi統tong
，單dan環huan控kong製zhi係xi統tong
，雙shuang環huan控kong製zhi係xi統tong和he多duo環huan控kong製zhi係xi統tong。考kao慮lv伺si服fu係xi統tong在zai數shu控kong機ji床chuang中zhong的de應ying用yong，本ben文wen首shou先xian按an機ji床chuang中zhong傳chuan動dong機ji械xie的de不bu同tong將jiang其qi分fen為wei進jin給gei伺si服fu與yu主zhu軸zhou伺si服fu，然ran後hou再zai根gen據ju其qi他ta成cheng要yao素su來lai探tan討tao不bu同tong伺si服fu係xi統tong的de技ji術shu特te性xing。
進給伺服係統
進jin給gei伺si服fu以yi數shu控kong機ji床chuang的de各ge坐zuo標biao為wei控kong製zhi對dui象xiang，產chan生sheng機ji床chuang的de切qie削xue進jin給gei運yun動dong。為wei此ci，要yao求qiu進jin給gei伺si服fu能neng快kuai速su調tiao節jie坐zuo標biao軸zhou的de運yun動dong速su度du，並bing能neng精jing確que地di進jin行xing位wei置zhi控kong製zhi。具ju體ti要yao求qiu其qi調tiao速su範fan圍wei寬kuan
，位wei移yi精jing度du高gao
，穩wen定ding性xing好hao，動dong態tai響xiang應ying快kuai。根gen據ju係xi統tong使shi用yong的de電dian機ji，進jin給gei伺si服fu可ke細xi分fen為wei步bu進jin伺si服fu
、直流伺服、交流伺服和直線伺服。

步進伺服係統
        bujinsifushiyizhongyongmaichongxinhaojinxingkongzhi，bingjiangmaichongxinhaozhuanhuanchengxiangyingdejiaoweiyidekongzhixitong。qijiaoweiyiyumaichongshuchengzhengbi，zhuansuyumaichongpinlvchengzhengbi


，tongguogaibianmaichongpinlvketiaojiedianjidezhuansu。ruguotingjihoumouxieraozurengbaochitongdianzhuangtai，zexitonghaijuyouzisuonengli。bujindianjimeizhuanyizhoudouyougudingdebushu
，ru500步
、1000步
、50000步等等，從理論上講其步距誤差不會累計。
步進伺服結構簡單，符合係統數字化發展需要，但精度差，能耗高
，速度低，且其功率越大移動速度越低。特別是步進伺服易於產生“失步”，使其主要用於速度與精度要求不高的經濟型數控機床及舊設備改造。但近年發展起來的恒斬波驅動、PWM驅動、微步驅動、超微步驅動和混合伺服技術，使得步進電機的高、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
，將步進伺服的性能提高到一個新的水平。

直流伺服係統
        直zhi流liu伺si服fu的de工gong作zuo原yuan理li是shi建jian立li在zai電dian磁ci力li定ding律lv基ji礎chu上shang。與yu電dian磁ci轉zhuan矩ju相xiang關guan的de是shi互hu相xiang獨du立li的de兩liang個ge變bian量liang主zhu磁ci通tong與yu電dian樞shu電dian流liu
，它ta們men分fen別bie控kong製zhi勵li磁ci電dian流liu與yu電dian樞shu電dian流liu
，可ke方fang便bian地di進jin行xing轉zhuan矩ju、轉zhuan速su控kong製zhi。另ling一yi方fang麵mian從cong控kong製zhi角jiao度du看kan
，直zhi流liu伺si服fu的de控kong製zhi是shi一yi個ge單dan輸shu入ru單dan輸shu出chu的de單dan變bian量liang控kong製zhi係xi統tong，經jing典dian控kong製zhi理li論lun完wan全quan適shi用yong於yu這zhe種zhong係xi統tong，因yin此ci
，直zhi流liu伺si服fu係xi統tong控kong製zhi簡jian單dan，調tiao速su性xing能neng優you異yi
，在zai數shu控kong機ji床chuang的de進jin給gei驅qu動dong中zhong曾zeng占zhan據ju著zhe主zhu導dao地di位wei。
        然(ran)而(er)，從(cong)實(shi)際(ji)運(yun)行(xing)考(kao)慮(lv)
，直(zhi)流(liu)伺(si)服(fu)電(dian)機(ji)引(yin)入(ru)了(le)機(ji)械(xie)換(huan)向(xiang)裝(zhuang)置(zhi)。其(qi)成(cheng)本(ben)高(gao)，故(gu)障(zhang)多(duo)
，維(wei)護(hu)困(kun)難(nan)，經(jing)常(chang)因(yin)碳(tan)刷(shua)產(chan)生(sheng)的(de)火(huo)花(hua)而(er)影(ying)響(xiang)生(sheng)產(chan)，並(bing)對(dui)其(qi)他(ta)設(she)備(bei)產(chan)生(sheng)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)。同(tong)時(shi)機(ji)械(xie)換(huan)向(xiang)器(qi)的(de)換(huan)向(xiang)能(neng)力(li)
，限(xian)製(zhi)了(le)電(dian)機(ji)的(de)容(rong)量(liang)和(he)速(su)度(du)。電(dian)機(ji)的(de)電(dian)樞(shu)在(zai)轉(zhuan)子(zi)上(shang)，使(shi)得(de)電(dian)機(ji)效(xiao)率(lv)低(di)，散(san)熱(re)差(cha)。為(wei)了(le)改(gai)善(shan)換(huan)向(xiang)能(neng)力(li)
，減(jian)小(xiao)電(dian)樞(shu)繞(rao)組(zu)的(de)漏(lou)感(gan)


，轉(zhuan)子(zi)變(bian)得(de)短(duan)粗(cu)

，影(ying)響(xiang)了(le)係(xi)統(tong)的(de)動(dong)態(tai)性(xing)能(neng)。
   

交流伺服係統
        針對直流電機的缺陷，如果將其做“裏翻外”的de處chu理li，即ji把ba電dian樞shu繞rao組zu裝zhuang在zai定ding子zi，轉zhuan子zi為wei永yong磁ci部bu分fen，由you轉zhuan子zi軸zhou上shang的de編bian碼ma器qi測ce出chu磁ci極ji位wei置zhi，就jiu構gou成cheng了le永yong磁ci無wu刷shua電dian機ji

，同tong時shi隨sui著zhe矢shi量liang控kong製zhi方fang法fa的de實shi用yong化hua，使shi交jiao流liu伺si服fu係xi統tong具ju有you良liang好hao的de伺si服fu特te性xing。寬kuan調tiao速su範fan圍wei、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
、靜態特性已完全可與直流伺服係統相媲美。同時可實現弱磁高速控製拓寬了係統的調速範圍適應了高性能伺服驅動的要求。
        目前在機床進給伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服係統
，有三種類型:模擬形式、數字形式和軟件形式。模擬伺服用途單一隻接收模擬信號位置控製通常由上位機實現。數字伺服可實現一機多用如做速度、力矩、位置控製。可接收模擬指令和脈衝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。軟件伺服是基於微處理器的全數字伺服係統。其將各種控製方式和不同規格
、功率的伺服電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即自動進入工作狀態。配有數字接口改變工作方式、更換電機規格時隻需重設代碼即可故也稱“萬能伺服”。
        交流伺服已占據了機床進給伺服的主導地位，並隨著新技術的發展而不斷完善
，具體體現在三個方麵。
        一是係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;
        二是基於微處理器嵌入式平台技術的成熟，將促進先進控製算法的應用;
        三是網絡化製造模式的推廣及現場總線技術的成熟

，將使基於網絡的伺服控製成為可能。
   

直線伺服係統
       直線伺服係統采用的是一種直接驅動方式(Direct Drive)與傳統的旋轉傳動方式相比，最大特點是取消了電機到工作台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。從電機的工作原理來講，直線電機有直流、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響小行程直線電機和大推力長行程高精度直線電機兩類。
        直線伺服是高速高精數控機床的理想驅動模式，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機驅動的高速機床，快移速度已達100～120m/min
，加速度1.5～2g，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種機型采用直線電機驅動
，年產1500多台，約占總產量的1/3。而MAZAK公司最近也將推出基於直線伺服係統的超音速加工中心，切削速度8馬赫，主軸最高轉速80000r/min，快移速度為500m/min，加速度6g。suoyouzhexie
，doubiaozhizheyizhixiandianjiqudongweidaibiaodedierdaigaosujichuang
，jiangqudaiyigaosugunzhusigangqudongweidaibiaodediyidaigaosujichuang，bingzaishiyongzhongzhubuzhanjuzhudaodiwei。

主軸伺服係統
        主軸伺服提供加工各類工件所需的切削功率，因此
，隻需完成主軸調速及正、反轉功能。但當要求機床有螺紋加工、“準停”和“恒線速”加工等功能時，對主軸也提出了相應的位置控製要求，因此，要求其輸出功率大，具有恒扭矩段及恒功率段，有“準停”kongzhi，zhuzhouyujingeiliandong。yujingeisifuyiyang
，zhuzhousifujinglilecongputongsanxiangyibudiandongjichuandongdaozhiliuzhuzhouchuandong。suizheweichuliqijishuhedagonglvdianlidianziqijiandejinzhan，zaijinrujiaoliuzhuzhousifuxitongdeshidai。
   

 交流異步伺服係統
        交流異步伺服通過在三相異步電機的定子繞組中產生幅值


、頻(pin)率(lv)可(ke)變(bian)的(de)正(zheng)弦(xian)電(dian)流(liu)該(gai)正(zheng)弦(xian)電(dian)流(liu)產(chan)生(sheng)的(de)旋(xuan)轉(zhuan)磁(ci)場(chang)與(yu)電(dian)機(ji)轉(zhuan)子(zi)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)感(gan)應(ying)電(dian)流(liu)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)產(chan)生(sheng)電(dian)磁(ci)扭(niu)矩(ju)從(cong)而(er)實(shi)現(xian)電(dian)機(ji)的(de)旋(xuan)轉(zhuan)。其(qi)中(zhong)正(zheng)弦(xian)電(dian)流(liu)的(de)幅(fu)值(zhi)可(ke)分(fen)解(jie)為(wei)給(gei)定(ding)或(huo)可(ke)調(tiao)的(de)勵(li)磁(ci)電(dian)流(liu)與(yu)等(deng)效(xiao)轉(zhuan)子(zi)力(li)矩(ju)電(dian)流(liu)的(de)矢(shi)量(liang)和(he);正弦電流的角頻率可分解為轉子的轉速角頻率與轉差角頻率之和
，以實現矢量化控製。
        交流異步伺服通常有模擬式、數(shu)字(zi)式(shi)兩(liang)種(zhong)方(fang)式(shi)。與(yu)模(mo)擬(ni)式(shi)相(xiang)比(bi)，數(shu)字(zi)式(shi)伺(si)服(fu)加(jia)速(su)特(te)性(xing)近(jin)似(si)直(zhi)線(xian)，加(jia)速(su)時(shi)間(jian)短(duan)，且(qie)可(ke)提(ti)高(gao)主(zhu)軸(zhou)定(ding)位(wei)控(kong)製(zhi)時(shi)係(xi)統(tong)的(de)剛(gang)性(xing)和(he)精(jing)度(du)，操(cao)作(zuo)方(fang)便(bian)，是(shi)機(ji)床(chuang)主(zhu)軸(zhou)驅(qu)動(dong)采(cai)用(yong)的(de)主(zhu)要(yao)形(xing)式(shi)。然(ran)而(er)交(jiao)流(liu)異(yi)步(bu)伺(si)服(fu)存(cun)在(zai)兩(liang)個(ge)主(zhu)要(yao)問(wen)題(ti):
        一是轉子發熱
，效率較低，轉矩密度較小


，體積較大;
        二是功率因數較低
，因此
，要獲得較寬的恒功率調速範圍，要求較大的逆變器容量。

交流同步伺服係統
        jinnianlaisuizhegaonengdijiayongcitidekaifahexingnengdebuduantigao，shidecaiyongyongcitongbutiaosudianjidejiaoliutongbusifuxitongdexingnengriyituchu
，weijiejuejiaoliuyibusifucunzaidewentidailailexiwang。yucaiyongshiliangkongzhideyibusifuxiangbi，yongcitongbudianjizhuanziwendudi，zhouxianglianjieweizhijingdugao


，yaoqiudelengquetiaojianbugao，duijichuanghuanjingdewenduyingxiangxiao，rongyidadaojixiaodedixiansudu。jishizaidixiansuduxia，yekezaihengzhuanju狀taiyunxing，tebieshiheqiangliqiexuejiagong。tongshiqizhuanjumidugao
，zhuandongguanliangxiao，dongtaixiangyingtexinghao，tebieshihegaoshengchanlvyunxing。jiaorongyidadaohengaodetiaosubi
，rongxutongyijichuangzhuzhoujuyouduozhongjiagongnengli，jikeyijiagongleisilvdediyingducailiao，yekeyijiagonghenying

、很脆的合金，為機床進行最優切削創造了條件。
電主軸
        電主軸是電機與主軸融合在一起的產物，它將主軸電機的定子、zhuanzizhijiezhuangruzhuzhouzujiandeneibu，dianjidezhuanzijiweizhuzhoudexuanzhuanbufen，youyuquxiaolechilunbiansuxiangdechuandongyudianjidelianjie，shixianlezhuzhouxitongdeyitihua

、“零傳動”。因此
，其具有結構緊湊、重量輕
、慣性小、動態特性好等優點，並可改善機床的動平衡，避免振動和噪聲，在超高速切削機床上得到了廣泛的應用。
        從cong理li論lun上shang講jiang
，電dian主zhu軸zhou為wei一yi台tai高gao速su電dian機ji
，其qi既ji可ke使shi用yong異yi步bu交jiao流liu感gan應ying電dian機ji
，也ye可ke使shi用yong永yong磁ci同tong步bu電dian機ji。電dian主zhu軸zhou的de驅qu動dong一yi般ban使shi用yong矢shi量liang控kong製zhi的de變bian頻pin技ji術shu
，通tong常chang內nei置zhi脈mai衝chong編bian碼ma器qi，來lai實shi現xian相xiang位wei控kong製zhi及ji與yu進jin給gei的de準zhun確que配pei合he。由you於yu電dian主zhu軸zhou的de工gong作zuo轉zhuan速su極ji高gao
，對dui其qi散san熱re、動平衡、潤滑等提出了特殊的要求。在應用中必須妥善解決，才能確保電主軸高速運轉和精密加工。

結束語
       作(zuo)為(wei)數(shu)控(kong)機(ji)床(chuang)的(de)重(zhong)要(yao)功(gong)能(neng)部(bu)件(jian)，伺(si)服(fu)係(xi)統(tong)的(de)特(te)性(xing)一(yi)直(zhi)是(shi)影(ying)響(xiang)係(xi)統(tong)加(jia)工(gong)性(xing)能(neng)的(de)重(zhong)要(yao)指(zhi)標(biao)。圍(wei)繞(rao)伺(si)服(fu)係(xi)統(tong)動(dong)態(tai)特(te)性(xing)與(yu)靜(jing)態(tai)特(te)性(xing)的(de)提(ti)高(gao)

，近(jin)年(nian)來(lai)發(fa)展(zhan)了(le)多(duo)種(zhong)伺(si)服(fu)驅(qu)動(dong)技(ji)術(shu)。可(ke)以(yi)預(yu)見(jian)隨(sui)著(zhe)超(chao)高(gao)速(su)切(qie)削(xue)、超精密加工
、網絡製造等先進製造技術的發展，具有網絡接口的全數字伺服係統
、直線電機及高速電主軸等將成為數控機床行業的關注的熱點，並成為伺服係統的發展方向。