數(shù)控電火花穿孔機(jī)中伺服系統(tǒng)技術(shù)特性應(yīng)用簡析 作為數(shù)控穿孔機(jī)機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，伺服系統(tǒng)集電力電子器件、控制、驅(qū)動及保護(hù)為一體，并隨著數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)、特種電機(jī)材料技術(shù)、微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)歷了從步進(jìn)到直流，進(jìn)而到交流的發(fā)展歷程。數(shù)控機(jī)床中的伺服系統(tǒng)種類繁多。 伺服系統(tǒng)是以機(jī)械運動的驅(qū)動設(shè)備一電動機(jī)為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動自動控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實現(xiàn)機(jī)械的運動要求。數(shù)控穿孔機(jī)機(jī)床中，伺服系統(tǒng)接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的位移、速度指令，經(jīng)變換、放調(diào)與整大后，由電動機(jī)和機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)床坐標(biāo)軸、主軸等，帶動工作臺及刀架，通過軸的聯(lián)動使刀具相對工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械運動，從而加工出用戶要求的復(fù)雜形狀工件。 1，伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 從基本結(jié)構(gòu)看，伺服系統(tǒng)主要由控制器、功率驅(qū)動裝置、反饋裝置和電動機(jī)組成。控制器按照數(shù)控系統(tǒng)的給定值和通過反饋裝置檢測的實際運行值的差，調(diào)節(jié)控制量；功率驅(qū)動裝置作為系統(tǒng)的主回路，一方面按控制量的大小將電網(wǎng)中的電能作用到電動機(jī)上，調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小；另一方面按電動機(jī)的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換為電動機(jī)所需的交流電或直流電；電動機(jī)則按供電大小拖動機(jī)械運轉(zhuǎn)。 考慮伺服系統(tǒng)在數(shù)控穿孔機(jī)機(jī)床中的應(yīng)用，本文按機(jī)床中傳動機(jī)械的不同將其分為進(jìn)給伺服與主軸伺服。 2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的特性 進(jìn)給伺服以數(shù)控穿孔機(jī)機(jī)床的各坐標(biāo)為控制對象，產(chǎn)生機(jī)床的切削進(jìn)給運動。為此，要求進(jìn)給伺服能快速調(diào)節(jié)坐標(biāo)軸的運動速度，并能地進(jìn)行位置控制。具體要求其調(diào)速范圍寬、位移精度高、穩(wěn)定性好、動態(tài)響應(yīng)快。根據(jù)系統(tǒng)使用的電動機(jī)，進(jìn)給伺服可細(xì)分為步進(jìn)伺服、直流伺服、交流伺服和直線伺服。 （1）步進(jìn)伺服系統(tǒng) 步進(jìn)伺服是一種用脈沖信號控制，并將脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的控制系統(tǒng)。其角位移與脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率可調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果停機(jī)后某些繞組仍保持通電狀態(tài)，則系統(tǒng)還具有自鎖能力。步進(jìn)電動機(jī)每轉(zhuǎn)1周都有固定的步數(shù)，如500步、1000步、50000步等，理論上其步距誤差不會累計。 步進(jìn)伺服結(jié)構(gòu)簡單，符合系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)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(jìn)伺服易于失步，使其主要用于速度與精度要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床及舊設(shè)備改造。但近年發(fā)展起來的恒斬波驅(qū)動、PWM驅(qū)動、微步驅(qū)動、超微步驅(qū)動和混合伺服技術(shù)，使步進(jìn)電動機(jī)的高、低頻特性得到很大提高，特別是隨著智能超微步驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，將把步進(jìn)伺服的性能提高到新的水平。 （2）直流伺服系統(tǒng) 直流伺服的工作原理建立在電磁定律基礎(chǔ)上。與電磁轉(zhuǎn)矩相關(guān)的是互相獨立的兩個變量：主磁通與電樞電流，分別控制勵磁電流與電樞電流，可方便地進(jìn)行轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速控制。另一方面，從控制角度看，直流伺服的控制是一個單輸人單輸出的單變量控制系統(tǒng)，經(jīng)典控制理論*適用于這種系統(tǒng)，因此，直流伺服系統(tǒng)控制簡單，調(diào)速性能優(yōu)異，在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動中曾占據(jù)主導(dǎo)地位。 然而，從實際運行考慮，直流伺服電動機(jī)引人了機(jī)械換向裝置，其成本高、故障多、維護(hù)困難，經(jīng)常因碳刷產(chǎn)生的火花而影響生產(chǎn)，并對其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。同時，機(jī)械換向器的換向能力限制了電動機(jī)的容量和速度。電動機(jī)的電樞在轉(zhuǎn)子上，使得電動機(jī)效率低、散熱差。為改善換向能力、減小電樞的漏感，轉(zhuǎn)子變得短粗，影響了系統(tǒng)的動態(tài)性能。 （3）交流伺服系統(tǒng) 針對直流電動機(jī)的缺陷，如果將其做“里翻外”的處理，即把電驅(qū)繞組裝在定子、轉(zhuǎn)子為永磁部分，由轉(zhuǎn)子軸上的編碼器測出磁極位置，就構(gòu)成永磁無刷電動機(jī)，同時，矢量控制方法的實用化使交流伺服系統(tǒng)具有良好的伺服特性。其寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動態(tài)響應(yīng)及四象限運行等良好的技術(shù)性能，使其動、靜態(tài)特性可與直流伺服系統(tǒng)相媲美。同時可實現(xiàn)弱磁高速控制，拓寬了系統(tǒng)的調(diào)速范圍，適應(yīng)了高性能伺服驅(qū)動的要求。 目前，在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系統(tǒng)，有三種類型：模擬形式、數(shù)字形式和軟件形式。模擬伺服用途單一，只接收模擬信號，位置控制通常由上位機(jī)實現(xiàn)；數(shù)字伺服可實現(xiàn)一機(jī)多用，如做速度、力矩、位置控制，可接收模擬指令和脈沖指令，各種參數(shù)均以數(shù)字方式設(shè)定，穩(wěn)定性好，具有較豐富的自診斷、報警功能；軟件伺服是基于微處理器的全數(shù)字伺服系統(tǒng)，其將各種控制方式和不同規(guī)格、功率的伺服電機(jī)的監(jiān)控程序以軟件實現(xiàn)。使用時可由用戶設(shè)定代碼與相關(guān)的數(shù)據(jù)即自動進(jìn)人工作狀態(tài)。配有數(shù)字接口，改變工作方式、更換電動機(jī)規(guī)格時，只需重設(shè)代碼即可，故也稱伺服。 交流伺服已占據(jù)了機(jī)床進(jìn)給伺服的主導(dǎo)地位，并隨著新技術(shù)的發(fā)展而不斷完善，具體體現(xiàn)在三方面：①系統(tǒng)功率驅(qū)動裝置中的電力電子器件不斷向高頻化方向發(fā)展，智能化功率模塊得到普及與應(yīng)用；②基于微處理器嵌人式平臺技術(shù)的成熟，將促進(jìn)先進(jìn)控制算法的應(yīng)用；③網(wǎng)絡(luò)化制造模式的推廣及現(xiàn)場總線技術(shù)的成熟，將使基于網(wǎng)絡(luò)的伺服控制成為可能。 （4）直線伺服系統(tǒng) 直線伺服系統(tǒng)采用一種直接驅(qū)動方式（direct drive），與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)傳動方式相比，zui大特點是取消了電動機(jī)到工作臺間的一切機(jī)械中間傳動環(huán)節(jié)，即把機(jī)床進(jìn)給傳動鏈的長度縮短為零。這種“零傳動”方式帶來了旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方式無法達(dá)到的性能指標(biāo)，如加速度可達(dá)29．4m／s 以上，為傳統(tǒng)驅(qū)動裝置的lO一2O倍，進(jìn)給速度是傳統(tǒng)的4—5倍。從電動機(jī)的工作原理來講，直線電動機(jī)有直流、交流、步進(jìn)、永磁、電磁、同步和異步等多種方式；而從結(jié)構(gòu)來講，又有動圈式、動鐵式、平板型和圓筒型等形式。目前應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床上的主要有高精度高頻向小行程直線電動機(jī)與大推力長行程高精度直線電動機(jī)兩類。 直線伺服是高速高精數(shù)控機(jī)床的理想驅(qū)動模式，受機(jī)床廠家重視，技術(shù)發(fā)展迅速。 3， 主軸伺服系統(tǒng)的特性 主軸伺服提供加工各類工件所需的切削功率，因此，只需完成主軸調(diào)速及正反轉(zhuǎn)功能。但當(dāng)要求機(jī)床（數(shù)控線切割機(jī)床）有螺紋加工、準(zhǔn)停和恒線速加工等功能時，對主軸也提出了相應(yīng)的位置控制要求，因此，要求其輸出功率大，具有恒轉(zhuǎn)矩段及恒功率段，有準(zhǔn)停控制，主軸與進(jìn)給聯(lián)動。與進(jìn)給伺服一樣，主軸伺服經(jīng)歷了從普通三相異步電動機(jī)傳動到直流主軸傳動。隨微處理器技術(shù)和大功率晶體管技術(shù)的進(jìn)展，現(xiàn)在又進(jìn)人了交流主軸伺服系統(tǒng)的時代。 （1）交流異步伺服系統(tǒng) 交流異步伺服通過在三相異步電動機(jī)的定子繞組中產(chǎn)生幅值、頻率可變的正弦電流，該正弦電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與電動機(jī)轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的感應(yīng)電流相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)。其中，正弦電流的幅值可分解為給定或可調(diào)的勵磁電流與等效轉(zhuǎn)子力矩電流的矢量和；正弦電流的頻率可分解為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差之和，以實現(xiàn)矢量化控制。 交流異步伺服通常有模擬式、數(shù)字式兩種。與模擬式相比，數(shù)字式伺服加速特性近似直線，時間短，且可提高主軸定位控制時系統(tǒng)的剛性和精度，操作方便，是機(jī)床主軸驅(qū)動采用的主要形式。然而交流異步伺服存在兩個主要問題：①轉(zhuǎn)子發(fā)熱，效率較低，轉(zhuǎn)矩密度較小，體積較大；②功率因數(shù)較低，因此，要獲得較寬的恒功率調(diào)速范圍，要求較大的逆變器容量。 （2）交流同步伺服系統(tǒng) 近年來，隨著高能低價永磁體的開發(fā)和性能的不斷提高，使得采用永磁同步調(diào)速電動機(jī)的交流同步伺服系統(tǒng)的性能日益突出，為解決交流異步伺服存在的問題帶來了希望。與采用矢量控制的異步伺服相比，永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子溫度低，軸向連接位置精度高，要求的冷卻條件不高，對機(jī)床環(huán)境的溫度影響小，容易達(dá)到極小的低限速度。即使在低限速度下也可作恒轉(zhuǎn)矩運行，特別適合強(qiáng)力切削加工。同時，其轉(zhuǎn)矩密度商、轉(zhuǎn)動慣量小、動態(tài)響應(yīng)特性好，特別適合高生產(chǎn)率運行。較易達(dá)到很高的調(diào)速比，允許同一機(jī)床主軸具有多種加工能力，既可以加工像鋁一樣的低硬度材料，也可以加工很硬很脆的合金，為機(jī)床進(jìn)行*切削創(chuàng)造了條件。 （3）電主軸 電主軸是電動機(jī)與主軸融合在一起的產(chǎn)物，它將主軸電動機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子直接裝入主軸組件的內(nèi)部，電動機(jī)的轉(zhuǎn)子即為主軸的旋轉(zhuǎn)部分，由于取消了齒輪變速箱的傳動與電動機(jī)的連接，實現(xiàn)了主軸系統(tǒng)的一體化、“零傳動”。因此，具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、慣性小、動態(tài)特性好等優(yōu)點，可改善機(jī)床的動平衡，避免振動和噪聲，在超高速切削機(jī)床上得到廣泛應(yīng)用。 從理論上講，電主軸作為高速電動機(jī)，既可使用異步交流感應(yīng)電動機(jī)，也可使用永磁同步電動機(jī)。電主軸的驅(qū)動一般使用矢量控制的變頻技術(shù)，通常內(nèi)置一脈沖編碼器來實現(xiàn)廂位控制及與進(jìn)給的準(zhǔn)確配合。由于電主軸的工作轉(zhuǎn)速*，對其散熱、動平衡、潤滑等提出了特殊的要求。在應(yīng)用中必須妥善解決才能確保電主軸高速運轉(zhuǎn)和精密加工。
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