數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
一、概述
伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一種以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。
對(duì)于數(shù)控機(jī)床，如果說(shuō)CNC裝置是數(shù)控機(jī)床的“大腦”，是發(fā)布“命令”的“指揮機(jī)構(gòu)”，那么伺服系統(tǒng)便是數(shù)控機(jī)床的“四肢”，是一種“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”，能夠準(zhǔn)確地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)出的運(yùn)動(dòng)命令。
伺服系統(tǒng)的性能在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的性能。例如，數(shù)控機(jī)床的移動(dòng)速度、跟蹤精度、定位精度等重要指標(biāo)，均取決于進(jìn)給伺服系統(tǒng)的特性。
（一）伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分類
1.按控制對(duì)象和使用目的的不同，數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)可分為進(jìn)給伺服系統(tǒng)、主軸伺服系統(tǒng)和輔助伺服系統(tǒng)。
（1）進(jìn)給伺服系統(tǒng)用于控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，是一種精密的位置跟蹤、定位系統(tǒng)，它包括速度控制和位置控制。
（2）主軸伺服系統(tǒng)用于控制機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和切削過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩和功率，一般只以速度控制為主。
（3）輔助伺服系統(tǒng)用在各類加工中心或多功能數(shù)控機(jī)床中，用來(lái)控制刀庫(kù)、料庫(kù)等輔助系統(tǒng)，一般多采用簡(jiǎn)易的位置控制。
2.按伺服系統(tǒng)調(diào)節(jié)理論，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)。
3.按驅(qū)動(dòng)部件的動(dòng)作原理又可將其分為電液控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)。其中，電氣控制系統(tǒng)又有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之分。
4.按反饋比較控制方式，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)有脈沖比較、相位比較、幅值比較和全數(shù)字等伺服系統(tǒng)之分。
（二）數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求
（Ⅰ）總體要求：
1.高精度。要求伺服系統(tǒng)準(zhǔn)確定位，即定位誤差特別是重復(fù)定位誤差要小，并且伺服系統(tǒng)的跟隨精度高，即跟隨誤差小。一般定位精度達(dá)到μm級(jí)，高的要求達(dá)到±0.01～±0.005μm。
2.快速響應(yīng)，無(wú)超調(diào)。加工過(guò)程中，為了提高生產(chǎn)率和保證加工質(zhì)量，要求加（減）速度足夠大，以便縮短伺服系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。一般電動(dòng)機(jī)速度從零變到速，或從速降至零，時(shí)間在200毫秒以下，甚至小于幾十毫秒。
3.調(diào)速范圍寬。為保證在任何情況下都能得到切削條件，要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)必須具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍（至少達(dá)到1：1000，有些高性能系統(tǒng)已能達(dá)到1：100000），而且通常是無(wú)級(jí)調(diào)速。
4.低速大轉(zhuǎn)矩，而且具有較強(qiáng)的過(guò)載能力。
5.可靠性高，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，性能穩(wěn)定，使有壽命長(zhǎng)，平均無(wú)故障間隔時(shí)間（MBTF）長(zhǎng)。
（Ⅱ）具體要求：
1.數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)不同于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，主軸的工作運(yùn)動(dòng)通常為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不僅應(yīng)該具有寬的調(diào)速范圍，而且能在盡可能寬的速度范圍內(nèi)保持恒功率輸出。
2.為了滿足不同數(shù)控機(jī)床的加工要求，還對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提出一些特殊要求，如：
（1）為了能在數(shù)控車床等機(jī)床上加工螺紋，要求主軸驅(qū)動(dòng)與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)實(shí)行同步控制;
（2）為了保證端面加工的表面粗糙度，要求數(shù)控車床、磨床等機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有恒線速切削功能;
（3）在加工中心上，由于自動(dòng)換刀的需要，要求主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有高精度的停位控制功能;
（4）有的數(shù)控機(jī)床還要求主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有角度的控制功能。
【例題14•單選題】數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（ ）的說(shuō)法是錯(cuò)誤的。
A.包括速度控制和位置控制
B.在低速時(shí)應(yīng)該輸出大轉(zhuǎn)矩
C.應(yīng)該響應(yīng)快、調(diào)速范圍寬
D.具有恒線速切削功能
答案：D
【例題15•單選題】數(shù)控機(jī)床不要求進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有（ ）的功能。
A.快速響應(yīng)
B.調(diào)速范圍寬
C.低速大轉(zhuǎn)矩
D.在寬調(diào)速范圍內(nèi)保持恒功率輸出
答案：D
一、概述
伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一種以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。
對(duì)于數(shù)控機(jī)床，如果說(shuō)CNC裝置是數(shù)控機(jī)床的“大腦”，是發(fā)布“命令”的“指揮機(jī)構(gòu)”，那么伺服系統(tǒng)便是數(shù)控機(jī)床的“四肢”，是一種“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”，能夠準(zhǔn)確地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)出的運(yùn)動(dòng)命令。
伺服系統(tǒng)的性能在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的性能。例如，數(shù)控機(jī)床的移動(dòng)速度、跟蹤精度、定位精度等重要指標(biāo)，均取決于進(jìn)給伺服系統(tǒng)的特性。
（一）伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分類
1.按控制對(duì)象和使用目的的不同，數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)可分為進(jìn)給伺服系統(tǒng)、主軸伺服系統(tǒng)和輔助伺服系統(tǒng)。
（1）進(jìn)給伺服系統(tǒng)用于控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，是一種精密的位置跟蹤、定位系統(tǒng)，它包括速度控制和位置控制。
（2）主軸伺服系統(tǒng)用于控制機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和切削過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩和功率，一般只以速度控制為主。
（3）輔助伺服系統(tǒng)用在各類加工中心或多功能數(shù)控機(jī)床中，用來(lái)控制刀庫(kù)、料庫(kù)等輔助系統(tǒng)，一般多采用簡(jiǎn)易的位置控制。
2.按伺服系統(tǒng)調(diào)節(jié)理論，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)。
3.按驅(qū)動(dòng)部件的動(dòng)作原理又可將其分為電液控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)。其中，電氣控制系統(tǒng)又有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之分。
4.按反饋比較控制方式，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)有脈沖比較、相位比較、幅值比較和全數(shù)字等伺服系統(tǒng)之分。
（二）數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求
（Ⅰ）總體要求：
1.高精度。要求伺服系統(tǒng)準(zhǔn)確定位，即定位誤差特別是重復(fù)定位誤差要小，并且伺服系統(tǒng)的跟隨精度高，即跟隨誤差小。一般定位精度達(dá)到μm級(jí)，高的要求達(dá)到±0.01～±0.005μm。
2.快速響應(yīng)，無(wú)超調(diào)。加工過(guò)程中，為了提高生產(chǎn)率和保證加工質(zhì)量，要求加（減）速度足夠大，以便縮短伺服系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。一般電動(dòng)機(jī)速度從零變到速，或從速降至零，時(shí)間在200毫秒以下，甚至小于幾十毫秒。
3.調(diào)速范圍寬。為保證在任何情況下都能得到切削條件，要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)必須具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍（至少達(dá)到1：1000，有些高性能系統(tǒng)已能達(dá)到1：100000），而且通常是無(wú)級(jí)調(diào)速。
4.低速大轉(zhuǎn)矩，而且具有較強(qiáng)的過(guò)載能力。
5.可靠性高，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，性能穩(wěn)定，使有壽命長(zhǎng)，平均無(wú)故障間隔時(shí)間（MBTF）長(zhǎng)。
（Ⅱ）具體要求：
1.數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)不同于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，主軸的工作運(yùn)動(dòng)通常為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不僅應(yīng)該具有寬的調(diào)速范圍，而且能在盡可能寬的速度范圍內(nèi)保持恒功率輸出。
2.為了滿足不同數(shù)控機(jī)床的加工要求，還對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提出一些特殊要求，如：
（1）為了能在數(shù)控車床等機(jī)床上加工螺紋，要求主軸驅(qū)動(dòng)與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)實(shí)行同步控制;
（2）為了保證端面加工的表面粗糙度，要求數(shù)控車床、磨床等機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有恒線速切削功能;
（3）在加工中心上，由于自動(dòng)換刀的需要，要求主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有高精度的停位控制功能;
（4）有的數(shù)控機(jī)床還要求主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有角度的控制功能。
【例題14•單選題】數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（ ）的說(shuō)法是錯(cuò)誤的。
A.包括速度控制和位置控制
B.在低速時(shí)應(yīng)該輸出大轉(zhuǎn)矩
C.應(yīng)該響應(yīng)快、調(diào)速范圍寬
D.具有恒線速切削功能
答案：D
【例題15•單選題】數(shù)控機(jī)床不要求進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有（ ）的功能。
A.快速響應(yīng)
B.調(diào)速范圍寬
C.低速大轉(zhuǎn)矩
D.在寬調(diào)速范圍內(nèi)保持恒功率輸出
答案：D