伺服系统的基本要求

数控机床集中了传统的自动机床、精密机床和万能机床的优点，将高效率、高精度和高柔性集中于一体。而数控机床技术水平的提高首先依赖于进给和主轴驱动特性的改善以及功能的扩大，为此数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制、伺服电动机、机械传动等方面都有很高的要求。

图5-1 数控机床伺服系统的结构

由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面：

1.可逆运行

可逆运行要求能灵活地正反向运行。在加工过程中，机床工作台处于随机状态，根据加工轨迹的要求，随时都可能实现正向或反向运动。同时要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动的损失。从能量角度看，应该实现能量的可逆转换，即在加工运行时，电动机从电网吸收能量变为机械能；在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电能回馈给电网，以实现快速制动。

2.速度范围宽

为适应不同的加工条件，例如所加工零件的材料、类型、直径、部位以及刀具的种类和冷却方式等的不同，数控机床要求进给能在很宽的范围内无级变化。这就要求伺服电动机有很宽的调速范围和优异的调速特性。经过机械传动后，电动机转速的变化范围即可转化为进给速度的变化范围。目前，最先进的水平是在进给脉冲当量为1μm的情况下，进给速度在0～240m/min范围内连续可调。

对一般数控机床而言，进给速度范围在0～24m/min时，都可满足加工要求。通常在这样的速度范围还可以提出以下更细致的技术要求：

1）在1～24000mm/min即1∶24000调速范围内，要求速度均匀、稳定、无爬行，且速降小。

2）在1mm/min以下时具有一定的瞬时速度，但平均速度很低。

3）在零速时，即工作台停止运动时，要求电动机有电磁转矩以维持定位精度，使定位误差不超过系统的允许范围，即电动机处于伺服锁定状态。

由于位置伺服系统是由速度控制单元和位置控制环节两大部分组成的，如果对速度控制系统也过分地追求像位置伺服控制系统那么大的调速范围而又要可靠稳定地工作，那么速度控制系统将会变得相当复杂，既增加了成本又降低了可靠性。

一般来说，对于进给速度范围为1∶20000的位置控制系统，在总的开环位置增益为20s^-1时，只要保证速度控制单元具有1∶1000的调速范围就可以满足需要，这样可使速度控制单元线路既简单又可靠。当然，代表当今世界先进水平的实验系统，速度控制单元调速范围已达1∶100000。

3.具有足够的传动刚性和高的速度稳定性

这就要求伺服系统具有优良的静态与动态负载特性，即伺服系统在不同的负载情况下或切削条件发生变化时，应使进给速度保持恒定。刚性良好的系统，速度受负载力矩变化的影响很小。通常要求承受额定力矩变化时，静态速降应小于5%，动态速降应小于10%。(www.xing528.com)

4.快速响应并无超调

为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度，对位置伺服系统除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。这就对伺服系统的动态性能提出两方面的要求：一方面在伺服系统处于频繁地启动、制动、加速、减速等动态过程中，为了提高生产率和保证加工质量，则要求加、减速度足够大，以缩短过渡过程时间。一般电动机速度由零到最大，或从最大减少到零，时间应控制在200ms以下，甚至少于几十ms，且速度变化时不应有超调；另一方面是当负载突变时，过渡过程前沿要陡，恢复时间要短，且无振荡。这样才能得到光滑的加工表面。

5.高精度

为了满足数控加工精度的要求，关键是保证数控机床的定位精度和进给跟踪精度。这也是伺服系统静态特性与动态特性指标是否优良的具体表现。位置伺服系统的定位精度一般要求能达到lμm甚至0.1μm，高的可达到±0.005～±0.01μm。

相应地，对伺服系统的分辨率也提出了要求。当伺服系统接受CNC送来的一个脉冲时，工作台相应移动的单位距离叫分辨率。系统分辨率取决于系统稳定工作性能和所使用的位置检测元件。目前的闭环伺服系统都能达到lμm的分辨率。数控测量装置的分辨率可达0.1μm。高精度数控机床也可达到0.1μm的分辨率，甚至更小。

6.低速大转矩

机床的加工特点，大多是低速时进行切削，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。

7.伺服系统对伺服电动机的要求

数控机床上使用的伺服电动机，大多是专用的直流伺服电动机，如改进型直流电动机、小惯量直流电动机、永磁式直流伺服电动机、无刷直流电动机等。自20世纪80年代中期以来，以交流异步电动机和永磁同步电动机为基础的交流进给驱动得到了迅速的发展，它是机床进给驱动发展的一个方向。

由于数控机床对伺服系统提出了如上的严格技术要求，伺服系统也对其自身的执行机构———电动机提出了严格的要求。

1）从最低速到最高速电动机都能平滑运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。

2）电动机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电动机要求在数分钟内过载4～6倍而不损坏。

3）为了满足快速响应的要求，电动机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。电动机应具有耐受4000rad/s²以上角加速度的能力，才能保证电动机可在0.2s以内从静止启动到额定转速。

4）电动机应能承受频繁启动、制动和反转。