浅谈数控车床伺服系统

数控车床是一种高精度、高效率的自动化机床。它具有广泛的加工性能，可加工直线圆柱、斜线圆柱、圆弧和各种螺纹，具有直线插补、圆弧插补各种补偿功能，并在复杂零件的批量生产中发挥了良好的经济效果。数控车床是目前国内使用量最大、覆盖面最广的一种数控机床，约占数控机床总数的25％。数控车床的诞生对于人类机械加工制造具有划时代的意义，它令到工件制造从此走向大批量、高精度、高稳定性的道路。

数字控制机床——数控机床，其英文名称为CNCMACHINETOOLS。它是一种使用编制好的加工程序自动进行加工的机电设备。数控机床的种类非常多，除了包括数控车床、数控磨床、数控镗床、数控刨床、数控铣床、数控立式车床等完成单一加工的数控机床外，还包括立式车铣加工中心、卧式铣镗加工中心、龙门镗铣加工中心、数控车铣镗加工中心、数控纵切机床等完成复合加工的数控机床设备。此外，在近些年来新兴的电火花机床、激光切割机、水切割机床、线切割机床、并联数控机床、自动化复合机床生产线等，也发展得很快。

车床的发展现状

车床是主要用车刀对旋转的工件进行车削加工的机床，主要用于加工轴、盘、套和其他具有回转表面的工件，是机械制造和修配工厂中使用最广的一类机床。数控车床又称为CNC车床，即计算机数字控制车床，是一种高精度、高效率的自动化机床。它具有广泛的加工性能，可加工直线圆柱、斜线圆柱、圆弧和各种螺纹，具有直线插补、圆弧插补各种补偿功能，并在复杂零件的批量生产中发挥了良好的经济效果。数控车床是目前国内使用量最大，覆盖面最广的一种数控机床，约占数控机床总数的25%。数控机床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品。是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。

车床作为所有金属加工机床的母机，自1797年英国机械发明家莫兹利创制了用丝杠传动刀架的现代车床以来，己经跨越了210多年的历史，极大地推进了机械加工业的发展，国际上车床的发展经历了从普通车床到液压半自动、自动化，到数控化，直到今天智能化、网络化的发展历程，机器与人的关系也变得越来越简化，从依托熟练程度保证工件质量到仅输入数控程序就可获得高质量、高效率的产品，车床变得越来越人性化，在适应工况环境、工艺要求、专业化、环保等方面都步入了现代殿堂。

国外以德国、美国、日本为首的西方国家，对车床特别是数控车床研发较早，积累了丰富的车床研发经验，其机床在技术水平、精度保持性、复合高速加工及丰富的配件设施方面保持领先优势。我国虽然起步较晚，但经历了技术引进、消化、再创新等阶段，目前在中低端市场具有绝对的优势，在高端特别是高精、高速、高复合能力上还很欠缺，纵观国内外数控车床的发展历程，结合目前的技术成熟程度，数控车床的发展体现出以下现状特点。

（1）高速、高精、复合化加工成为主流。

在通用加工领域，目前市场上常用的普通车床、经济型数控车床因为加工精度等级为IT7级，并且其主轴转速低、快移速度低，在未来5-10年内会逐步被淘汰，被加工精度更高、主轴转速更高、快移速度更快的线轨类机床所取代，实现整个数控车床时代的变革，这种变革在美国、德国、日本、韩国及台湾地区都已经实现，下一步将逐步的在中国、印度等发展中国家实现。在许多科研、航天及军事领域，由于对工件的加工精度、形位误差、轮廓误差要求更加严格，对机床的复合化加工需求明显，如飞机发动机的转子，往往需要一次装卡，一次性的完成各种复杂表面、孔、槽的加工以保证精度，势必需要机床具有复合加工的能力，并通过机床精度保证工件加工精度。此类机床以德马吉CTX系列数控加工中心为代表。

（2）在线误差检测和补偿功能逐步普及。

随着数控系统技术、互联网技术、传感器技术的创新发展，让我们有能力在数控车床上实现工件的在线检测和补偿。在实际加工过程中由于机床部件受力及热变形会导致加工精度降低，在线检测补偿技术将很好的解决这一问题，并且这些高端技术己经幵始向通用类设备普及，其代表机床以美国哈斯系列机床为主。

（3）智能化、网络化、柔性化。

互联网的发展为数控机床发展提供无限可能，随着网络的普及和成熟，具有互联网接口的机床将成为时代主角，借助网络实现物物联网与互通，未来的机床是可以相互交流的，可以实现实时监控，实时反馈，分析利用机床位置状态、工件状态等数据，极大的提高生产效率。依靠数据也可实现远端的网络制造及定制化制造，实现真正的工业互联网。此系列机床以沈阳机床的i5系列机床为代表。

数控车床的电机部件

1.刀架

作为数控车床的关键功能部件，动力刀架有着非常重要的功能，主要用来实现夹持刀具、储备刀具和自动的换取刀具的功能。数控刀架在市场上通常被分为低、中、高三种，分类是主要依据于使用场合来决定的。低档次的刀架一般只有电力作为动力，简称为电动刀架，由于只采用电机的力矩作为刀架转动力矩的力量之源，所以不能承载太多的功能，但结构上的简单也使得这种低档的电动刀架的承载能力较强，其低档简单性决定了其不能适用于高精度多要求的机床上，只能在经济简易的机床上使用。中档的刀架则有了一定的提升，种类也较多，主要有液压刀架、伺服刀架和双选电动刀架。

根据刀架的名称可知，液压刀架主要是以液压马达或者液压缸作为动力之源，伺服则用伺服电机作为动力之源，在控制和精度上都有更高要求，转的更快、重复定位精度更高。这种中档的刀架由于其性能的适用性和价格的实用性，被广泛的应用到普通的机床上。高档的数控刀架相比于中档的刀架，有着更为优良的性能水平，主要表现在精度保持性和高精度加工方面，其高度自动化也是高档刀架的发展方向，这种刀架主要应用于对精度要求较高的高级数控机床上。

动力刀架的发展历史要追溯到上世纪的80年代，随着三十多年的发展，作为数控机床的关键零部件，其重要程度越来越得到重视，动力刀架使用的可靠性和性能上的稳定性在整机的可靠性水平中占据重要作用。当今世界上的刀架生产企业集中于德国、意大利、英国等欧洲较为发达的国家，由于发展历史较为悠久，技术积累比较雄厚，科研团队也是非常的一流，他们所设计和制造出来的刀架可靠性能更高。世界上比较著名的刀架生产商有德国的肖特、意大利的巴拉法第以及杜普马帝克，他们占据着中高端的市场。

2.进给伺服

伺服驱动系统采用位置控制、速度控制和电流控制的三环结构组成。

图1伺服驱动系统原理框图

（1）电流环

电流环作为系统最里面一环，是整个伺服系统的底层数据采样环节，离散电流环采样周期越短，伺服刚性就可以提高的越高，伺服的控制性能就会越好。电流环是最内环，所以电流环才是控制的根本，是一切控制最直接的执行者。广义上来讲，做伺服调整的最终目标，就是要保证无论在高低速情况，加工多么复杂零件，都要尽可能确保电流的稳定（电流环输出的电流谐波分量小），不要波动太大，电流响应速度快等。

只有电流的稳定，才能保证转矩的稳定，最后才能确保最终的加工效果。此外，电流环由于高速处理周期，还肩负着对控制异常的细节检测，电流环作为最内环必须满足比速度环和位置环更高的响应周期，以便能精确实时的控制由于转速变化而对应的交流电频率，即能够跟得上速度环发来的指令处理，及时做出响应。

图2斜身车床方案

（2）速度环

速度环保证电机的转速与指令值相一致、消除负载转矩扰动等因素对电机转速的影响。速度指令与反馈的电机实际转速相比较，其差值通过速度调节器直接产生q轴指令电流控制电机加速、减速或匀速，从而使电机的实际转速与指令值保持一致。速度环是连接电流环和位置环的中间环节，合理提高速度环増益是整个伺服调试的核心。速度环是将整个电流环作为被控制对象的。转矩是速度与惯量的乘积为了确保转矩的稳定，速度与合理的负载惯量比才是根本。所以，速度环的作用就是确保速度的稳定。速度与负载惯量比直接影响电流环的稳定。做伺服调整最关键的一个参数就是速度环增益（Kv）。

速度环增益是对给定速度与反馈速度经过比较后的差值放大倍数。显然这个倍数越大，对速度变化的分辨率就越高。分辨率越高，那么对速度波动的鉴别能力与扭转能力就越强（因为负反馈的实质就是对差值进行不断的校正，直至为0为止），这个对速度的扭转能力非常关键，它表示着这个系统对外界负载的抗干扰能力，速度增益越大，表示系统对外界抗干扰能力就越强，那么抑制速度波动的能力就越强，显然光洁度就要越好了（在无振动前提下）。所以越大的速度环增益，代表着精确的速度控制能力，代表着精确的转矩力道，代表着最佳的表面光洁特性，它与位置环一起，代表着机械的最佳响应性。

（3）位置环

位置环的根本任务是使执行机构对位置指令的精确跟踪，它能产生电机的速度指令并使电机准确定位和跟踪。通过设定的目标位置与电机准确定位的实际位置相比较，利用其偏差通过位置调节器来产生电机的速度指令。当给定量随机变化时，系统能使被控量准确无误地跟踪并复现给定量。从伺服驱动系统原理框图中可看出，位置环是三环里面的最外环，是最后的调整对象。控制着包括电流环与速度环在内的所有对象。

一般情况下，先确定电流环与速度环，最后确定位置环，所以经过插补之后的位置指令，位置环是确保加工结果是否满足要求的最重要的最终的决定因素。评价一台机床加工性能的好坏，主要表现在对加工零件的表面光洁度与轮廓精度两方面，而轮廓精度从系统角度来讲，就是由位置环决定。在确保了位置环的输入指令之后，与通过反馈回来的反馈位置进行差值放大，即得到位置误差。显然，类似速度环增益，位置环增益描述的是对位置变化的精确分辨能力。它的作用是来描述系统的静态精度与动态跟踪性能的。位置环増益KP设定越大，对位置变化的鉴别能力与扭转能力就越高，则机械的滞后将得到大大改善，动态跟随性能就越强。配合速度环的高响应，最终才使得定位精度得以提升。

图3动力刀架

伺服系统的发展经历了几个阶段

20世纪60年代初期，数控机床采用液压伺服系统，液压伺服系统与当时传统的直流电动机相比，响应时间短，输出相同扭矩的伺服部件的外形尺寸小。但由于液压伺服系统存在着发热量大、效率低、污染环境和不便于维修等缺点。

20世纪60年代中期，小功率伺服型步进电机和液压扭矩放大器所组成的开环系统曾一度广泛应用于数控机床。其最有代表性的是日本公司的电液脉冲马达伺服系统。但由于该系统结构过于复杂、可靠性差等缺点。

图4数控车铣复合机方案

20世纪60年代后期，在数控机床上广泛使用的小惯量直流电动机。小惯量直流电机因增加了中间齿轮传动而使电动机的结构变得更为复杂，容易出现磨损，增大传动间隙，影响传动精度。

自20世纪80年代以来随着大规模集成电路、电力电子学、计算机控制技术的发展，特别是计算机对交流电动机的磁场进行矢量控制技术的重大突破，使长期以来人们一直试图用交流电动机取代直流电动机应用在调速和伺服控制中的设想得以实现。交流伺服系统几乎保留了直流系统的所有优点，具有调速范围宽、稳速精度高和动态响应特性好等优良的技术特性，而且继承了交流电动机本身固有的许多优良性能。

近几年来，国际上出现了许多采用直线电机进给伺服系统的加工设备。在1993年汉诺威欧机床博览会上，德国展出了世界上第一台采用直线电机卧式加工中心，拉开了直线电机伺服系统的序幕。直线伺服是高速高精数控机床的理想驱动模式，无论是在国外还是国内都在积极的研究、探索之中，将会是下一代数控机床的一个显著特色。

对伺服进给系统的要求

伺服系统是以机械参数（位置、速度、加速度）作为被控量的一种自动控制的系统，它的基本要求是系统的输出能够迅速而且精确地响应指令输入的变化。对伺服系统的基本要求有：

1.稳定性好稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后到达新的或者回到原有的平衡状态。

2.精度高伺服系统的精度是指输出量能跟随输入量的精确程度。作为精密加工的数控机床，要求的定位精度或轮廓加工精度通常比较离。

3.快速响应性好快速响应性是伺服系统动态品质的标志之一，即要求跟踪指令信号的响应要快，一方面要求过渡过程时间短，一般要求在200毫秒以内，甚至小于几十毫秒；另一方面，要求过渡过程的前沿陡，即上升率要大。

4.灵敏度：系统对参数变化的灵敏度要小，即系统能不因参数变化而受到较大的影响。抗干扰性：系统应具有良好的抵抗外部负载干扰和高频噪音的能力等。

5.对机械传动系统的要求；为确保数控机床进给系统的传动精度和工作平稳性等，在设计机械传动装置时，提出如下要求：

（1）髙的传动精度与定位精度：数控机床进给传动装置的传动精度和定位精度对零件的加工精度起着关键性的作用。无论对点位、直线控制系统，还是轮廓控制系统，传动精度和定位精度都是表征数控机床性能的主要指标。

（2）响应速度要快：工作台应能在规定的速度范围内灵敏而精确地跟踪指令，进行单步或连续移动，在运行时不出现丢步或多步现象。

（3）无间隙传动：进给系统的传动间隙一般指反向间隙，即反向死区误差，它存在于整个传动链的各传动副中，直接影响数控机床的加工精度；因此，应尽量消除传动间隙，减小反向死区误差。

（4）稳定性好、寿命长：稳定性是伺服进给系统能够正常工作的最基本的条件，特别是在低速进给情况下不产生爬行，并能适应外加负载的变化而不发生共振。所谓进给系统的寿命，主要指其保持数控机床传动精度和定位精度的时间长短，及各传动部件保持其原来制造精度的能力。

（5）使用维护方便：进给系统的结构设计应便于维护和保养，最大限度地减小维修工作量，以提高机床的利用率。

主轴伺服系统

数控车床主轴驱动系统的特点及要求包括：主轴控制系统的作用是按程序要求驱动主轴，在数控车床的加工方式中，主轴主要是带动工件旋转，与进给伺服驱动轴相配合，完成切削运动。数控车床对主轴位置精度和速度调节不像要求进给伺服系统那样高，所以执行部件多采用通用交流异步电动机，很少采用价格昂贵的永磁交流伺服电动机，一般采用“变频器+交流异步电动机”进行矢量控制、编码器进行速度检测的方式。随着产业的不断升级，“主轴伺服驱动器+主轴伺服电机+外置编码器”在斜身数控车铣复合机的应用越来越广泛，可以满足一般精度零件加工和车削螺纹的要求，并且调速方便，造价成本相对较低，被广泛采用。

数控车床的主轴运动是传递主切削力，消耗的功率占到机床总功率的60%左右，所以驱动系统要有足够的功率、刚性好、低转速时要保持足够的转矩；另外，要适应不同加工工艺对主轴转速的要求，如车削螺纹、粗加工及精加工等，需要主轴有较宽的调速范围。

主轴伺服系统也是像进给伺服驱动一样，拥有着三环，但是精度与响应要求并没有进给伺服的要求那么高，一般主轴伺服电机适配的都是增量式2500光电编码器，也有很多厂家在应对振动比较大的切削现场，适配的是旋转变压器作为反馈元件。

数控车床主轴机械传动常见有3种方式：

1.分段无级变速。主轴电机通过有限级齿轮传动驱动主轴旋转，这种传动方式适用于大型数控机床特别是强力切削的场合；

2.带传动变速。主轴电机通过同步带传动方式驱动主轴旋转，这种传动方式适用于中小型数控机床特别是对抗振性要求较高的场合；

3.电机直接驱动。主轴电机通过联轴器直接驱动主轴旋转或直接采用电主轴，这种传动方式适用于小型数控机床特别是高精度加工场合。

综上所述，数控机床的伺服系统是实现机床轴运动，包括进给运动、主轴运动及位置控制的关键的系统之一。它的性能对数控机床的重复定位精度、动态响应特性，以及最高空程运动速度具有重要影响；同时伺服系统的发展对数控机床的发展产生了不可估量的影响。

（王季驰 伟创电气）

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