伺服系统在数控中的应用

　　0 前言

　　数控(numerical contro1)技术是利用数字化的信息对机床以及加工过程进行控制的一种方法。数控系统是数控机床的重要部分，它随着计算机技术的发展而发展。现在的数控系统都是由计算机来完成以前硬件数控所做的工作，因此，有时也将其称为计算机数字控制系统。计算机数字控制系统是以微处理器技术为特征，并随着电子技术、计算机技术、数控技术、通讯技术和精密测量技术的发展而不断发展完善的一种先进加工制造系统。

　　1 数控机床系统分析

　　1.1 数控系统的组成及应用

　　数控机床由数字程序实现机床控制。数控机床具有自动换刀装置，工作自动进给、装卸、刀具寿命检测系统和排屑等各种附加装置，可以进行长时间的无人运转加工。数控机床加工过程的精度和效率很大程度上取决于刀具的进给精度及其与主轴旋转速度的协调关系。

　　如图1所示，数控机床一般由五部分组成。其中数控装置是数控机床的核心，现代数控机床都采用计算机控制CNC(computer numerical contro1)装置。它具备的主要功能有：1)多坐标控制;2)实现多种函数插补;3)多种程序输入功能。以及编辑和修改功能;4)信息转换功能;5)补偿功能;6)多种加工方式选择;7)故障自诊断功能;8)显示功能;9)通讯与联网功能。CNC系统的结构框图如图2所示。数控系统是严格按照数控程序对工件进行自动加工的。数控加工程序按照零件加工的轨迹信息、工艺信息和开关命令等。

　　1.2 数控机床中的伺服系统

　　伺服系统是以机械运动的驱动设备— —电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。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。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放大与调整后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，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，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、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进伺服系统到直流伺服系统。进而到交流伺服系统的发展历程。数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统。

　　数控机床的伺服系统主要有两种：进给伺服系统和主轴伺服系统。进给伺服系统是指一般概念的伺服系统，它包括速度控制环和位置控制环。进给伺服系统完成各坐标轴的进给运动，具有定位和轮廓跟踪功能，是数控机床中要求最高的伺服系统，它的性能决定了数控机床的最大进给速度和定位精度等。严格来说，一般的主轴控制只是一个速度控制系统。主要实现主轴的旋转运动，提供切削过程中的转矩和功率，且保证任意转速的调节，完成在转速范围内的无级变速。具有C轴控制的主轴和进给伺服系统一样，为一般概念的位置伺服控制系统。而随着高速加工技术的发展，对主轴伺服系统的要求也越来越高。此外，刀库的位置控制是为了在刀库的不同位置选择刀具，与进给坐标轴的位置控制相比，性能要低得多，故称为简易位置伺服系统。