伺服系统在数控车床上的解决方案

1、概述

　　数控(NumericalControl，简称NC)是20世纪50年代发展起来的一种自动控制技术，是用数字信号对机床的运动及加工过程进行控制的一种方法。在数控技术中引进计算机技术，称为CNC(ComputerNumericalControl)，CNC具有柔性好、功能强、可靠性高、经济性好以及易于实现机电一体化等特点，使数控技术在质的方面完成了一次飞跃。

2、数控机床的特点
   数控机床是具有两轴联动、半闭环控制的数控机床。机床具有高刚性的结构设计和吸震性，以保证高精度的切削加工。对控制进给轴X、Z轴的伺服驱动器及电机要求有高的动态响应特性及精确的定位精度，使机床的刀架移动快速、稳定且定位精度高。
  对于机床的主轴，必须是高速、高刚性的主轴，有快速的启停特性，有着高效率及低噪音的设计，这样可以使零件的加工效率高、精度高，高速也就意味着高的生产效率。

3、交流伺服主轴驱动系统与变频的区别及工作原理

  主轴驱动系统是数控机床的大功率执行机构，其功能是接受数控系统(CNC)的S码速度指令及M码辅助功能指令，驱动主轴进行切削加工。数控加工中心对主轴有较高的控制要求，首先要求在大力矩、强过载能力的基础上实现宽范围无级变速，其次要求在自动换刀动作中实现定角度停止(即准停)，这使加工中心主轴驱动系统比一般的变频调速系统或小功率交流伺服系统在电路设计和运行参数整定上具有更大的难度。主轴的驱动可以使用交流变频或交流伺服2种控制方式，交流变频主轴能够无级变速但不能准停，需要另外装设主轴位置传感器，配合CNC系统PMC (指数控系统内置PLC)的逻辑程序来完成准停速度控制和定位停止;交流伺服主轴本身即具有准停功能，其自身的轴控PLC信号可直接连接至CNC系统的PMC，配合简捷的PMC逻辑程序即可完成准停定位控制，且后者的控制精度远远高于前者。

   交流伺服主轴驱动系统由主轴驱动单元、主轴电动机和检测主轴速度与位置的旋转编码器3部分组成，主要完成闭环速度控制，但当主轴准停时则完成闭环位置控制。由于数控机床的主轴驱动功率较大，所以主轴电动机采用鼠笼式感应电动机结构形式，旋转编码器可以在主轴外安装，也可以与主轴电动机做成一个整体，主轴驱动单元的闭环控制、矢量运算均由内部的高速信号处理器及控制系统实现。CNC系统向主轴驱动单元发出速度指令驱动单元将该指令与旋转编码器测出的实际速度相比较，经数字化的速度调节器和磁链函数发生器运算，得到转子当前的希望力矩与希望磁链矢量再分别与实际力矩、磁链运算结果相比较，且经过力矩、磁链调节器运算得到等效直流电动机(两相旋转轴系)的转矩电流分量和励磁电流分量换进入两相静止轴系，最后经2/3矢量变换进入三相静止轴系，得到变频装置的三相定子电流希望值，通过控制SPWM驱动器及IGBT变频主回路使负载三相电流跟随希望值，就可以完成主轴的速度闭环控制。

4、系统设计
4.1、数控车床系统架构
 （1）主轴系统：H600伺服主轴系统（4.5KW）
 （2）进给驱动系统：滚珠丝杠+弹性连轴器+直线滚动导轨+DB100系列伺服驱动系统。

 （3）系统是合作商杭州正嘉系统610TC
  以下是驱动器与系统各接头连接图：

4.2、伺服性能分析

   对于主轴伺服H600 快速响应：速度环250us，位置环500us, 支持电子凸轮及电子齿轮，支持工业以太网EtherCAT,支持17位编码器，多种编码器接口，支持类型包括：增量式光电编码器、串行通讯编码器、正余弦编码器、旋转变压器。在该机床上的应用H600伺服高效稳定性保证了机床的主轴高性能。

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。DB100系列伺服基于DSP+FPGA+IPM的硬件平台，有着稳定性好、可靠性高、响应快、操作简单的特点，速度响应频宽为500HZ；具有共振抑制功能，可以精确调谐，消除震动；控制精度可以达到1个脉冲，最大的输入频率可以达到500Kpps，这都很好的保证了进给轴所需驱动的要求。

5、结束语
  使用伺服驱动器的数控车床能达到数控机床设计的性能要求。主轴高速稳定，进给轴具有启停迅速，运行平稳、提高切削精度与效率等良好的特点。