摘 要：伺服系统是数控机床的重要组成部分，数控机床的精度和速度指标等往往由伺服系统决定。伺服系统经历了从步进伺服到交流伺服的发展过程。而且随着技术的发展，高精度、高性能的交流伺服已成为伺服系统发展的新趋势。
1 概述
数控车床又称为 CNC车床，即计算机数字控制车床，是目前国内使用量最大，覆盖面最广的一种数控机床，一般由输入、输出装置、数控装置、伺服系统、检测反馈装置和机床主机等组成。它是数控机床的主要品种之一，解决了大部分机械零件的自动化加工问题成为最主要的机械加工设备，在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展。
2 数控机床伺服驱动系统的基本组成
数控机床伺服驱动系统的基本组成如下图1所示。数控机床的伺服驱动系统按有无反馈检测单元分为开环和闭环两种类型，这两种类型的伺服驱动系统的基本组成不完全相同。但不管是哪种类型，执行元件及其驱动控制单元都必不可少。驱动控制单元的作用是将进给指令转化为驱动执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。
图1 数控机床伺服驱动系统的基本组成
对于闭环伺服驱动系统来说，它是由执行元件、驱动控制单元、比较控制环节、反馈检测单元、以及机床等组成。反馈检测单元将工作台的实际位置检测后反馈给比较控制环节，比较控制环节将指令信号和反馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差经驱动控制单元，驱动和控制执行元件带动工作台运动。
在CNC系统中，由于计算机的引入，比较控制环节的功能由软件完成，从而导致系统结构的一些改变，但基本上还是由执行元件、反馈检测单元、比较控制环节、驱动控制单元和机床组成。
3 应用与发展
一般在用户厂家采用的专用数控车床系统CNC中，伺服电机和驱动器在系统中担任“执行机构”的角色。针对应用在数控车床上的卧龙交流伺服系统(如图2所示)，这里简单介绍下。数控车床中(如图3所示)，主轴为旋转坐标。另外两个坐标属刀具进给系统(X、Z坐标)。刀具在X轴向和Z轴向的运动分别由各自的伺服电动机通过滚珠丝杠带动，而电动机的转动及运动方式均由伺服控制器控制。主轴电动机为高速内装式感应电动机。主轴控制器通常采用矢量控制法对感应电动机进行控制，直接把转速指令输入主轴控制器就可以控制主轴的转速。由数控系统CNC给出主轴电动机与进给伺服电动机控制命令完成对主轴速度控制与各进给轴的速度、位移控制，实现轨迹加工。各坐标轴都有相应的速度与位移检测装置，构成闭环反馈控制。主轴电动机由旋转变压器测速，由光电编码器检测位置实现分度使之与进给系统保持同步，完成各种加工。 X、Z 三轴均为卧龙全数字交流伺服系统，各轴伺服电机通过联轴器带动滚珠丝杆，以移动配有直线导轨的工作台和主轴铣头，其定位准确，速度快。卧龙生产的交流伺服WLSA-15在车床上的实际表现非常不错，在用户最为关心的几个方面如：过载破坏性试验，低速稳定精细保持，过载能力快速响应，电网电压波动较大适应恶劣工作环境的能力等性能上卧龙伺服表现很好。卧龙伺服系统功能比较完善，如能耗制动、电子齿轮、自动加减速等，具备多种脉冲串输入，保护功能也比较完备。
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CNC系统的结构框图如图4所示。
图4
根据目前的国内市场来看，伺服系统将向两个方向发展：一是满足一般工业应用的要求，对性能指标要求不高的应用场合，追求低成本、少维护、使用简单等特点的驱动产品;二是代表着伺服系统发展水平的主导产品——伺服电机、伺服控制器，以满足用户较高的应用要求。
交流伺服占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的不断发展，交流伺服的发展具体体现在以下四方面：
1.电子器件不断向高频化方向发展，多功能的控制单元设计等使其高度集成化;
2.伺服驱动系统作为一种高级的工业控制装置不断向智能化发展;
3.基于微处理器嵌人式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用;
4.网络化制造模式的推广及总线技术的成熟，将使伺服控制系统向模块化和网络化快速发展。
卧龙伺服系统中采用新型伺服电机，它具有响应能力强、力矩保持好、定位精准等特点，大大提升了数控机床的机械性能。伺服驱动器中，有高速微处理器和专用数字信号处理机的伺服控制单元，集成度更高，可靠性更好。搭配智能控制功率模块驱动，运行更安全。并匹配2500线增量式编码器，提高定为精确，增强响应性和平稳性。对于进给轴 X、Z 的伺服性能的要求主要是伺服系统有较高的动态响应及较高的定位精度，而卧龙伺服系统都很好的保证了进给轴所需驱动的要求。在其智能化发展方面，卧龙伺服具有参数记忆功能、故障自诊断与分析功能等，同时还在开发伺服系统的参数自整定功能。在网络化发展方面，卧龙伺服都配置了标准的串行通信接口，并在开发专用的局域网接口，使其与CNC系统间的连接更为简单。卧龙伺服与某厂家上位机接线如图5所示。
图5
4 结束语
总之，作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标。它在很大程度上决定了数控机床的性能，随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发展，研究和开发高性能的伺服驱动系统以成为趋势。
