畢業(yè)論文---伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)床中的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)

1、<p><b>　　畢 業(yè) 論 文</b></p><p>　　伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)床中的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　1 交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理</p><p>　　與普通電機(jī)一樣，交流伺服電機(jī)也由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子上有兩個(gè)繞組，即勵(lì)磁繞組和控制繞組，兩個(gè)繞組在空間相差90°電角度。伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永

2、磁鐵，驅(qū)動(dòng)gS控制的u／V／W三相電形成電磁場(chǎng) 轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較 調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度{線數(shù))。</p><p>　　交流伺服電機(jī)的工作原理和單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)無本質(zhì)上的差異。但是，交流伺服電機(jī)必須具備一個(gè)性能，就是能克服交流伺服電機(jī)的所謂“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，即無控制信號(hào)時(shí)，它不應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，特別是當(dāng)它已在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如果

3、控制信號(hào)消失，它應(yīng)能立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。而普通的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來以后，如控制信號(hào)消失，往往仍在繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　當(dāng)電機(jī)原來處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，如控制繞組不加控制電壓，此時(shí)只有勵(lì)磁繞組通電產(chǎn)生脈動(dòng)磁場(chǎng)?？梢园衙}動(dòng)磁場(chǎng)看成兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。這兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同樣的大小和轉(zhuǎn)速，向相反方向旋轉(zhuǎn)，所建立的正、反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)分別切割籠型繞組（或杯形壁）并感應(yīng)出大小相同，相位相反的電動(dòng)勢(shì)和電流（或渦流），這些電流分別與各

4、自的磁場(chǎng)作用產(chǎn)生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩為零，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)不起來。一旦控制系統(tǒng)有偏差信號(hào)，控制繞組就要接受與之相對(duì)應(yīng)的控制電壓。在一般情況下，電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的磁場(chǎng)是橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。一個(gè)橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可以看成是由兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)合成起來的。這兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)幅值不等（與原橢圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向相同的正轉(zhuǎn)磁場(chǎng)大，與原轉(zhuǎn)向相反的反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)?。?，但以相同的速度，向相反的方向旋轉(zhuǎn)。它們切割轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)的電勢(shì)和電流以及產(chǎn)生的電磁力矩也方向相反、

5、大小不等（正轉(zhuǎn)者大，反轉(zhuǎn)者?。┖铣闪夭粸榱?，所以伺服電機(jī)就朝著正轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)起來，隨著信號(hào)的增強(qiáng)，磁場(chǎng)接近圓形，此時(shí)正轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及其力矩增大，反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及其力矩減小，合成力矩變大，如負(fù)載力矩不變，轉(zhuǎn)子的速度就增加。如果改變控制電壓的相位，即移相180o，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)</p><p>　　為使交流伺服電機(jī)具有控制信號(hào)消失，立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)的功能，把它的轉(zhuǎn)子電阻做得特別大，使它的臨界轉(zhuǎn)差率Sk大于1。在電機(jī)運(yùn)行過程中，如

6、果控制信號(hào)降為“零”，勵(lì)磁電流仍然存在，氣隙中產(chǎn)生一個(gè)脈動(dòng)磁場(chǎng)，此脈動(dòng)磁場(chǎng)可視為正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的合成。一旦控制信號(hào)消失，氣隙磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為脈動(dòng)磁場(chǎng)，它可視為正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的合成，電機(jī)即按合成特性曲線運(yùn)行。由于轉(zhuǎn)子的慣性，運(yùn)行點(diǎn)由A點(diǎn)移到B點(diǎn)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生了一個(gè)與轉(zhuǎn)子原來轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的制動(dòng)力矩。在負(fù)載力矩和制動(dòng)力矩的作用下使轉(zhuǎn)子迅速停止</p><p>　　必須指出，普通的兩相和三相異步電動(dòng)機(jī)

7、正常情況下都是在對(duì)稱狀態(tài)下工作，不對(duì)稱運(yùn)行屬于故障狀態(tài)。而交流伺服電機(jī)則可以靠不同程度的不對(duì)稱運(yùn)行來達(dá)到控制目的。這是交流伺服電機(jī)在運(yùn)行上與普通異步電動(dòng)機(jī)的根本區(qū)別。</p><p>　　就伺服驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度來看，轉(zhuǎn)矩模式運(yùn)算量最小，驅(qū)動(dòng)器對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)最快;位置模式運(yùn)算量最大，驅(qū)動(dòng)器對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)最慢。</p><p>　　對(duì)運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)態(tài)性能有比較高的要求時(shí)，需要實(shí)時(shí)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整

8、。那么如果控制器本身的運(yùn)算速度很慢(比如PLC，或低端運(yùn)動(dòng)控制器)，就用位置方式控制。如果控制器運(yùn)算速度比較快，可以用速度方式，把位置環(huán)從驅(qū)動(dòng)器移到控制器上，減少驅(qū)動(dòng)器的工作量，提高效率(比如大部分中高端運(yùn)動(dòng)控制器);如果有更好的上位控制器，還可以用轉(zhuǎn)矩方式控制，把速度環(huán)也從驅(qū)動(dòng)器上移開，這一般只是高端專用控制器才能這么干，而且，這時(shí)完全不需要使用伺服電機(jī)。</p><p><b>　　換一種說法是：&

9、lt;/b></p><p>　　1、轉(zhuǎn)矩控制：轉(zhuǎn)矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設(shè)定電機(jī)軸對(duì)外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，具體表現(xiàn)為例如10V對(duì)應(yīng)5Nm的話，當(dāng)外部模擬量設(shè)定為5V時(shí)電機(jī)軸輸出為2.5Nm:如果電機(jī)軸負(fù)載低于2.5Nm時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，外部負(fù)載等于2.5Nm時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)，大于2.5Nm時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)(通常在有重力負(fù)載情況下產(chǎn)生)。可以通過即時(shí)的改變模擬量的設(shè)定來改變?cè)O(shè)定的力矩大小，也可通過通

10、訊方式改變對(duì)應(yīng)的地址的數(shù)值來實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用主要在對(duì)材質(zhì)的受力有嚴(yán)格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如饒線裝置或拉光纖設(shè)備，轉(zhuǎn)矩的設(shè)定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時(shí)更改以確保材質(zhì)的受力不會(huì)隨著纏繞半徑的變化而改變。</p><p>　　2、位置控制：位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小，通過脈沖的個(gè)數(shù)來確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對(duì)速度和位移進(jìn)行賦值。由于位置模式可以對(duì)速度和位置都有

11、很嚴(yán)格的控制，所以一般應(yīng)用于定位裝置。應(yīng)用領(lǐng)域如數(shù)控機(jī)床、印刷機(jī)械等等。</p><p>　　3、速度模式：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時(shí)速度模式也可以進(jìn)行定位，但必須把電機(jī)的位置信號(hào)或直接負(fù)載的位置信號(hào)給上位反饋以做運(yùn)算用。位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測(cè)位置信號(hào)，此時(shí)的電機(jī)軸端的編碼器只檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，位置信號(hào)就由直接的最終負(fù)載端的檢測(cè)裝置來提供了，這樣的

12、優(yōu)點(diǎn)在于可以減少中間傳動(dòng)過程中的誤差，增加了整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。</p><p>　　（交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖）</p><p>　　2 交流伺服系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用</p><p>　　目前普遍采用的交流伺服電機(jī)都是永磁同步電動(dòng)機(jī)，這種電機(jī)具有能量轉(zhuǎn)換效率高，體積小，運(yùn)行可靠性高、調(diào)速范圍廣，系統(tǒng)動(dòng)、靜特性好等優(yōu)點(diǎn)，隨著世界各國(guó)紛紛對(duì)加大其進(jìn)行研究，大大提高了交流

13、伺服電機(jī)的效率，縮小了體積，降低了成本，特別是隨著電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，極大地促進(jìn)了交流伺服控制技術(shù)的發(fā)展，目前，各國(guó)的電氣公司，如德國(guó)的西門子、美國(guó)的通用電氣公司、日本的三菱公司等都相繼推出了各自的永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)系列產(chǎn)品，并不斷采用新技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和更新，使永磁同步伺服系統(tǒng)性能更加優(yōu)異，價(jià)格更趨合理。交流伺服系統(tǒng)取代直流伺服系統(tǒng)已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。特別在伺服定位領(lǐng)域里，目前交流伺服產(chǎn)品已經(jīng)是主流產(chǎn)品。</p

14、><p>　　(交流伺服系統(tǒng)的控制框圖)</p><p>　　2.1 交流伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)</p><p>　　60～70年代后，數(shù)控系統(tǒng)大多采用直流伺服系統(tǒng)。直流伺服電機(jī)具有良好的寬調(diào)速性能。輸出轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)，伺服系統(tǒng)也由開環(huán)控制發(fā)展為閉環(huán)控制，因而在工業(yè)及相關(guān)領(lǐng)域獲得了更加廣泛的運(yùn)用。但是，隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，其相應(yīng)設(shè)備如精密數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等對(duì)電伺服系

15、統(tǒng)提出越來越高的要求，尤其是精度、可靠性等性能。而傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)采用的是機(jī)械式換向器，在應(yīng)用過程中面臨很多問題，如電刷和換向器易磨損，維護(hù)工作量大，成本高;換向器換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，使電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速及應(yīng)用環(huán)境受到限制;直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、對(duì)其他設(shè)備易產(chǎn)生干擾。     這些問題的存在，限制了直流伺服系統(tǒng)在高精度、高性能要求伺服驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合的應(yīng)用。</p><p>　　針

16、對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)，人們一直在努力尋求以交流伺服電動(dòng)機(jī)取代具有機(jī)械換向器和電刷的直流伺服電動(dòng)機(jī)的方法，以滿足各種應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是高精度、高性能伺服驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的需要。但是由于交流電機(jī)具有強(qiáng)耦合，非線性的特性，控制非常復(fù)雜，所以高性能運(yùn)用一直受到局限。自80年代以來，隨著電子電力等各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，特別是現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，在矢量控制算法方面的突破，原來一直困擾著交流電動(dòng)機(jī)的問題得以解決，交流伺服發(fā)展地越來越快。  &#

17、160;  交流伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)     交流伺服系統(tǒng)除了具有穩(wěn)定性好、快速性好、精度高的特點(diǎn)外，與直流伺服電機(jī)系統(tǒng)相比有一系列優(yōu)點(diǎn):     a交流電機(jī)不存在換向器圓周調(diào)速限制，也不存在電樞元件中電抗電勢(shì)數(shù)值限制，其轉(zhuǎn)速限制可以設(shè)計(jì)得比相同功率的直流電機(jī)高。     b調(diào)速范圍寬，目前大多數(shù)的交流

18、伺服電機(jī)的變速比可以達(dá)到1:5000，高性能的伺服電機(jī)的變速比已達(dá)1:10000以上。滿足數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)調(diào)速范圍寬、靜差率小的要求。     c矩頻特性好，交流電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速以內(nèi)輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。并且具有轉(zhuǎn)矩過載能力，可克服慣性負(fù)載在</p><p><b>　　2.2數(shù)控機(jī)床</b></p>

19、<p>　　20世紀(jì)50年代出現(xiàn)數(shù)控機(jī)床以來，作為數(shù)控機(jī)床重要組成部分的伺服系統(tǒng)，隨著新材料、電子電力、控制理論等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了從步進(jìn)伺服系統(tǒng)到直流伺服系統(tǒng)再到今天的交流伺服系統(tǒng)的過程。交流伺服技術(shù)的日益發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)將逐步全面取代直流伺服系統(tǒng)。      數(shù)控（Numerical Control）是數(shù)控技術(shù)的簡(jiǎn)稱。它是利用數(shù)字化的信息對(duì)機(jī)床及加工過程進(jìn)行控制的一種方法

20、。數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要部分，它隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展?，F(xiàn)在的數(shù)控系統(tǒng)都是由計(jì)算機(jī)完成以前硬件數(shù)控所做的工作，為特別強(qiáng)調(diào)，有時(shí)也稱為計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制CNC（Computer Numerical Control）系統(tǒng)是以微處理器技術(shù)為特征,并隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、通訊技術(shù)以及精密測(cè)量技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展完善的一種先進(jìn)加工制造系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)框圖見圖所示，它由數(shù)控程序、輸入輸出設(shè)備、操作面板、CNC裝備

21、、可編程控制器（PLC）、主軸伺服系統(tǒng)、進(jìn)給伺服系統(tǒng)、檢測(cè)裝備和一些電氣輔助裝置等組成。</p><p><b>　?。–NC系統(tǒng)框圖）</b></p><p>　　2.3 伺服系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用</p><p>　　伺服系統(tǒng)是以驅(qū)動(dòng)裝置—電機(jī)為控制對(duì)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(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)

22、自動(dòng)控制系統(tǒng)，它包括伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)。數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自數(shù)控裝置的指令信號(hào)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床移動(dòng)部件跟隨指令脈沖運(yùn)動(dòng)，并保證動(dòng)作的快速和準(zhǔn)確，這就要求高質(zhì)量的速度和位置伺服。數(shù)控機(jī)床的精度和速度等技術(shù)指標(biāo)往往主要取決于伺服系統(tǒng)。</p><p>　　數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)應(yīng)滿足以下基本要求:</p><p>　　a精度高   數(shù)控機(jī)床不可能像傳統(tǒng)機(jī)床那樣用

23、手動(dòng)操作來調(diào)整和補(bǔ)償各種誤差，因此它要求很高的定位精度和重復(fù)定位精度。</p><p>　　b快速響應(yīng)特性好   </p><p>　　快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的標(biāo)志之一。它要求伺服系統(tǒng)跟隨指令信號(hào)不僅跟隨誤差小，而且響應(yīng)要快，穩(wěn)定性要好。在系統(tǒng)給定輸入后，能在短暫的調(diào)節(jié)之后達(dá)到新的平衡或是受到外界干擾作用下能迅速恢復(fù)原來的平衡狀態(tài)。 </p><

24、p><b>　　c調(diào)速范圍大  </b></p><p>　　由于工件材料、刀具以及加工要求不同，要保證數(shù)控機(jī)床在任何情況下都能得到最佳的切削條件，伺服系統(tǒng)就必須有足夠的調(diào)速范圍，既能滿足高速加工要求，又能滿足低速進(jìn)給要求。調(diào)速范圍一般大于1:10000。而且在低速切削時(shí)，還要求有較大穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩輸出。 d系統(tǒng)可靠性要好 </p><p

25、>　　數(shù)控機(jī)床的使用率要求很高，常常是24小時(shí)連續(xù)工作不能停機(jī)，因而要求工作可靠。</p><p>　　數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的基本組成如圖2 所示。數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)按有無反饋檢測(cè)元件分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)控制單元是將進(jìn)給指令轉(zhuǎn)化為執(zhí)行元件所需要的信號(hào)，執(zhí)行元件將該信號(hào)轉(zhuǎn)為機(jī)械位移。開環(huán)控制系統(tǒng)沒有反饋檢測(cè)元件和比較控制環(huán)節(jié)，這些是閉環(huán)控制系統(tǒng)必須的部分。   &

26、#160; 伺服系統(tǒng)按用途和功能分為進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。按有無反饋檢測(cè)元件分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。按執(zhí)行元件的不同，分為步進(jìn)伺服系統(tǒng)、直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)</p><p>　　圖2 伺服系統(tǒng)的基本組成</p><p>　　3 交流伺服系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用趨勢(shì)</p><p>　　3.1 國(guó)內(nèi)交流伺服的研究現(xiàn)狀</p><p

27、>　　交流伺服系統(tǒng)包括基于異步電動(dòng)機(jī)的交流伺服系統(tǒng)和基于同步電動(dòng)機(jī)的交流伺服系統(tǒng)。目前機(jī)床主要采用的是永磁同步交流伺服系統(tǒng)。在交流伺服研究領(lǐng)域，日本、美國(guó)和歐洲的研究一直走在世界前列。日本的安川公司在20世紀(jì)80年代中期研制成功世界上第一臺(tái)交流伺服驅(qū)動(dòng)器。隨后FANUC、三菱、松下等公司先后推出各自的交流伺服系統(tǒng)，國(guó)外的這些產(chǎn)品大多是基于異步電動(dòng)機(jī)的。國(guó)內(nèi)在基于異步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)的研究比較晚，到目前為止還沒有產(chǎn)品問世。國(guó)內(nèi)很多學(xué)

28、者把研究的重點(diǎn)放在永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)上。我國(guó)的華中科技大學(xué)、北京機(jī)床研究所、西安微電動(dòng)機(jī)研究所、中科院沈陽自動(dòng)化研究所、蘭州電動(dòng)機(jī)廠等單位開始研究并推出交流伺服系統(tǒng)。其中，由廣州數(shù)控公司生產(chǎn)的DA98全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置在我國(guó)的高精度數(shù)控伺服驅(qū)動(dòng)行業(yè)已經(jīng)打開局面，打破了外國(guó)公司壟斷的格局，開創(chuàng)了民族品牌新紀(jì)元。     交流伺服的信號(hào)和數(shù)控系統(tǒng)接口有三種模式，也是它經(jīng)歷的三個(gè)階段。以國(guó)內(nèi)

29、來說，廣州數(shù)控的DA98屬于第一代也是劃時(shí)代的一種伺服驅(qū)動(dòng)器，它是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置，它接受方向命令脈沖。第二代是以埃斯頓為代表的EDB系列，它不僅能夠接受</p><p>　　3.2 數(shù)控機(jī)床中伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　3.2.1 概述</p><p>　　伺服系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備———電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，以控制器為核心

30、，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)自 動(dòng)控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)控制電動(dòng)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(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)要求。具體在數(shù)控機(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(dòng)機(jī)和機(jī) 械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)床坐標(biāo)軸、主軸等，帶動(dòng)工作臺(tái)及刀 架，通過軸的聯(lián)動(dòng)使刀具相對(duì)工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械 運(yùn)動(dòng)，從而加工出用戶所要求的復(fù)雜形狀的工件。</p>&

31、lt;p>　　作為數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，伺服系統(tǒng)將電力電子器件、控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)等集為一體，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，本文通過分析其 結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)單歸分，對(duì)其技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)作簡(jiǎn)要探討。</p><p>　　伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及分類</p><p>　　從基本結(jié)構(gòu)來看

32、，伺服系統(tǒng)主要由三部分組成：控 制器、功率驅(qū)動(dòng)裝置、反饋裝置和電動(dòng)機(jī)（附圖）?？?制器按照數(shù)控系統(tǒng)的給定值和通過反饋裝置檢測(cè)的實(shí)際 運(yùn)行值的差，調(diào)節(jié)控制量；功率驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)之上，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小，另一方面按電動(dòng)機(jī) 的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)所需的交流 電或直流電；電動(dòng)機(jī)則按供電大小拖動(dòng)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。</p><p>　　附圖中的主要成分變

33、化多樣，其中任何部分的變化都可構(gòu)成不同種類的伺服系統(tǒng)。如根據(jù)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的類型，可將其分為直流伺服和交流伺服；根據(jù)控制器實(shí)現(xiàn) 方法的不同，可將其分為模擬伺服和數(shù)字伺服；根據(jù)控 制器中閉環(huán)的多少，可將其分為開環(huán)控制系統(tǒng)、單環(huán)控制系統(tǒng)、雙環(huán)控制系統(tǒng)和多環(huán)控制系統(tǒng)?？紤]伺服系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用，本文首先按機(jī)床中傳動(dòng)機(jī)械的不同將其分為進(jìn)給伺服與主軸伺服，然后再根據(jù)其他要素 來探討不同伺服系統(tǒng)的技術(shù)特性。</p><p>

34、<b>　　伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　3.2.3 交流伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀和展望 </p><p>　　針對(duì)直流電動(dòng)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(cè)出磁極位置，就構(gòu)成了永磁無刷電動(dòng) 機(jī)，同時(shí)隨著矢量控制方法的實(shí)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(dòng)態(tài)

35、響應(yīng)及四象限運(yùn)行等良好的技術(shù)性能，使其動(dòng)、 靜態(tài)特性已完全可與直流伺服系統(tǒng)相媲美。同時(shí)可實(shí)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(dòng)的要求。</p><p>　　目前在機(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(hào)，位置控制通 常由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字伺服可實(shí)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

36、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(bào)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(shí)現(xiàn)。使用時(shí)可由用戶設(shè)定代碼與相關(guān)的數(shù)據(jù)即自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)。配有數(shù)字接口，改變 工作方式、更換電動(dòng)機(jī)規(guī)格時(shí)，只需重設(shè)代碼即可，故也稱萬能伺服。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)在三個(gè)方面。一是系統(tǒng)功率驅(qū)動(dòng)裝置中的電力電

37、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；二是基于微 處理器嵌入式平臺(tái)技術(shù)的成熟，將促進(jìn)先進(jìn)控制算法的 應(yīng)用；三是網(wǎng)絡(luò)化制造模式的推廣及現(xiàn)場(chǎng)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。</p><p>　　交流異步伺服電機(jī)在數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用趨勢(shì)</p><p>　　隨著中國(guó)數(shù)控機(jī)床的快速發(fā)展，國(guó)產(chǎn)交流異步伺服電機(jī)在數(shù)控機(jī)床的使用已經(jīng)越來越廣泛了，它不僅大大提升了中國(guó)數(shù)

38、控機(jī)床的性能和檔次，同時(shí)使得原來以進(jìn)口為主的交流異步伺服單元價(jià)格大幅度降低。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近三年來國(guó)外知名品牌交流異步伺服單元進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)產(chǎn)品的價(jià)格已經(jīng)下降了近50percent。中國(guó)數(shù)控機(jī)床依附于進(jìn)口數(shù)控機(jī)床功能部件的局面得到了很大的改善</p><p>　　。  數(shù)控機(jī)床使用的伺服電機(jī)分為進(jìn)給伺服電機(jī)和主軸伺服電機(jī)兩種。進(jìn)給伺服但主要是以交流永磁同步伺服電機(jī)為主，由于其驅(qū)動(dòng)控制器的復(fù)雜性，所以

39、國(guó)產(chǎn)進(jìn)給伺服主要是以1.5KW以下的小功率為主，2.0KW以上的仍是進(jìn)口產(chǎn)品居多。在主軸伺服電機(jī)方面，由于永磁電機(jī)普遍存在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題，目前市場(chǎng)上的主軸伺服電機(jī)包括進(jìn)口知名品牌仍以交流異步伺服為主。   </p><p>　　中國(guó)數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量近幾年快速增長(zhǎng)，據(jù)統(tǒng)計(jì)2006年全國(guó)生產(chǎn)了85756臺(tái)數(shù)控機(jī)床，同比增長(zhǎng)了32.78percent。但是，在這些數(shù)控機(jī)床中約占70percent的產(chǎn)

40、品是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床或簡(jiǎn)式數(shù)控車床。這些數(shù)控車床除了必要的NC、進(jìn)給伺服、滾珠絲杠外，主軸箱傳動(dòng)部分基本上以傳統(tǒng)的齒輪箱結(jié)構(gòu)為主，主軸電機(jī)仍以普通的交流異步電機(jī)或者雙速電機(jī)為主。近年來隨著變頻電機(jī)的發(fā)展，這些產(chǎn)品中約有40percent配套應(yīng)用了變頻調(diào)速電機(jī)，有的廠家稱之變頻數(shù)控機(jī)床。</p><p>　　主軸是數(shù)控機(jī)床的重要功能部件。無論是主軸的最高轉(zhuǎn)速、主軸起動(dòng)停止的加減速時(shí)間、主軸的螺紋切削功能、主軸的恒線速

41、度切削功能等，都已經(jīng)成為廣大用戶關(guān)心的重要指標(biāo)。而實(shí)現(xiàn)這些功能只有配置交流伺服主軸電機(jī)。</p><p>　　交流主軸伺服單元同變頻調(diào)速裝置相比，顯然從性能及性價(jià)比來說要高出一個(gè)檔次，這也是為什么進(jìn)口的數(shù)控車床均采用交流主軸伺服單元而不是變頻調(diào)速裝置的關(guān)鍵所在。</p><p>　　目前在機(jī)械裝備中，交流異步伺服應(yīng)用的并不普遍。但隨著自動(dòng)化水平的提高，交流異步伺服會(huì)有廣泛的市場(chǎng)</p

42、><p>　　現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床是朝著精密化和高速化方向發(fā)展。作為數(shù)控機(jī)床主要組成部分的伺服系統(tǒng)，越來越多的選擇停留在交流伺服上面，它具有其他幾種伺服系統(tǒng)無可比擬的優(yōu)勢(shì)。隨著交流伺服技術(shù)的發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)將逐漸地全面取代直流伺服系統(tǒng)。</p><p><b>　　4 結(jié)論</b></p><p>　　作為數(shù)控機(jī)床的重要功能部件，伺服系統(tǒng)的特性一 直是

43、影響系統(tǒng)加工性能的重要指標(biāo)。圍繞伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài) 特性與靜態(tài)特性的提高，近年來發(fā)展了多種伺服驅(qū)動(dòng)技 術(shù)。可以預(yù)見隨著超高速切削、超精密加工、網(wǎng)絡(luò)制造 等先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，具有網(wǎng)絡(luò)接口的全數(shù)字伺服系 統(tǒng)、直線電動(dòng)機(jī)及高速電主軸等將成為數(shù)控機(jī)床行業(yè)的 關(guān)注的熱點(diǎn)，并成為伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向。</p><p><b>　　5 參考文獻(xiàn)</b></p><p><b>

44、　　6 致謝</b></p><p>　　這次畢業(yè)設(shè)計(jì)得到了很多老師、同學(xué)和同事的幫助，其中我的導(dǎo)師xx老師對(duì)我的關(guān)心和支持尤為重要，每次遇到難題，我最先做的就是向兩位導(dǎo)師尋求幫助，而兩位導(dǎo)師每次不管忙或閑，總會(huì)抽空來找我面談，然后一起商量解決的辦法。 另外，感謝校方給予我這樣一次機(jī)會(huì)，能夠獨(dú)立地完成一個(gè)課題，并在這個(gè)過程當(dāng)中，給予我們各種方便，使我們?cè)诩磳㈦x校的最后一段時(shí)間里，能夠更

45、多學(xué)習(xí)一些實(shí)踐應(yīng)用知識(shí)，增強(qiáng)了我們實(shí)踐操作和動(dòng)手應(yīng)用能力，提高了獨(dú)立思考的能力。再一次對(duì)我的母校表示感謝。 感謝在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)期間和我密切合作的同學(xué)，和曾經(jīng)在各個(gè)方面給予過我?guī)椭幕锇閭?，在大學(xué)生活即將結(jié)束的最后的日子里，我們?cè)僖淮窝堇[了團(tuán)結(jié)合作的童話，把一個(gè)龐大的，從來沒有上手的課題，圓滿地完成了。正是因?yàn)橛辛四銈兊膸椭抛屛也粌H學(xué)到了本次課題所涉及的新知識(shí)，更 讓我感覺到了知識(shí)以外的東西，那就是團(tuán)結(jié)的力量。