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摘   要

數字控制機床——數控機床，其英文名稱為CNCMACHINETOOLS。它是一種使用編制好的加工程序自動進行加工的機電設備。數控機床的種類非常多，除了包括數控車床、數控磨床、數控鏜床、數控刨床、數控銑床、數控立式車床等完成單一加工的數控機床外，還包括立式車銑加工中心、臥式銑鏜加工中心、龍門鏜銑加工中心、數控車銑鏜加工中心、數控縱切機床等完成復合加工的數控機床設備。此外，在近些年來新興的電火花機床、激光切割機、水切割機床、線切割機床、并聯數控機床、自動化復合機床生產線等，也發展得很快。

車床是主要用車刀對旋轉的工件進行車削加工的機床，主要用于加工軸、盤、套和其他具有回轉表面的工件，是機械制造和修配工廠中使用最廣的一類機床。數控車床又稱為CNC車床，即計算機數字控制車床，是一種高精度、高效率的自動化機床。它具有廣泛的加工性能，可加工直線圓柱、斜線圓柱、圓弧和各種螺紋，具有直線插補、圓弧插補各種補償功能，并在復雜零件的批量生產中發揮了良好的經濟效果。數控車床是目前國內使用量最大，覆蓋面最廣的一種數控機床，約占數控機床總數的25%。數控機床是集機械、電氣、液壓、氣動、微電子和信息等多項技術為一體的機電一體化產品，是機械制造設備中具有高精度、高效率、高自動化和高柔性化等優點的工作母機。

車床作為所有金屬加工機床的母機，自1797年英國機械發明家莫茲利創制了用絲杠傳動刀架的現代車床以來，己經跨越了210多年的歷史，極大地推進了機械加工業的發展，國際上車床的發展經歷了從普通車床到液壓半自動、自動化，到數控化，直到今天智能化、網絡化的發展歷程，機器與人的關系也變得越來越簡化，從依托熟練程度保證工件質量到僅輸入數控程序就可獲得高質量、高效率的產品，車床變得越來越人性化，在適應工況環境、工藝要求、專業化、環保等方面都步入了現代殿堂。

國外以德國、美國、日本為首的西方國家，對車床特別是數控車床研發較早，積累了豐富的車床研發經驗，其機床在技術水平、精度保持性、復合高速加工及豐富的配件設施方面保持領先優勢。我國雖然起步較晚，但經歷了技術引進、消化、再創新等階段，目前在中低端市場具有絕對的優勢，在高端特別是高精、高速、高復合能力上還很欠缺，縱觀國內外數控車床的發展歷程，結合目前的技術成熟程度，數控車床的發展體現出以下現狀特點。

在通用加工領域，目前市場上常用的普通車床、經濟型數控車床因為加工精度等級為IT7級，并且其主軸轉速低、快移速度低，在未來5-10年內會逐步被淘汰，被加工精度更高、主軸轉速更高、快移速度更快的線軌類機床所取代，實現整個數控車床時代的變革，這種變革在美國、德國、日本、韓國及臺灣地區都已經實現，下一步將逐步的在中國、印度等發展中國家實現。在許多科研、航天及軍事領域，由于對工件的加工精度、形位誤差、輪廓誤差要求更加嚴格，對機床的復合化加工需求明顯，如飛機發動機的轉子，往往需要一次裝卡，一次性的完成各種復雜表面、孔、槽的加工以保證精度，勢必需要機床具有復合加工的能力，并通過機床精度保證工件加工精度。此類機床以德馬吉CTX系列數控加工中心為代表。

隨著數控系統技術、互聯網技術、傳感器技術的創新發展，讓我們有能力在數控車床上實現工件的在線檢測和補償。在實際加工過程中由于機床部件受力及熱變形會導致加工精度降低，在線檢測補償技術將很好的解決這一問題，并且這些高端技術己經幵始向通用類設備普及，其代表機床以美國哈斯系列機床為主。

互聯網的發展為數控機床發展提供無限可能，隨著網絡的普及和成熟，具有互聯網接口的機床將成為時代主角，借助網絡實現物物聯網與互通，未來的機床是可以相互交流的，可以實現實時監控，實時反饋，分析利用機床位置狀態、工件狀態等數據，極大的提高生產效率。依靠數據也可實現遠端的網絡制造及定制化制造，實現真正的工業互聯網。此系列機床以沈陽機床的i5系列機床為代表。

作為數控車床的關鍵功能部件，動力刀架有著非常重要的功能，主要用來實現夾持刀具、儲備刀具和自動的換取刀具的功能。數控刀架在市場上通常被分為低、中、高三種，分類是主要依據于使用場合來決定的。低檔次的刀架一般只有電力作為動力，簡稱為電動刀架，由于只采用電機的力矩作為刀架轉動力矩的力量之源，所以不能承載太多的功能，但結構上的簡單也使得這種低檔的電動刀架的承載能力較強，其低檔簡單性決定了其不能適用于高精度多要求的機床上，只能在經濟簡易的機床上使用。中檔的刀架則有了一定的提升，種類也較多，主要有液壓刀架、伺服刀架和雙選電動刀架。

根據刀架的名稱可知，液壓刀架主要是以液壓馬達或者液壓缸作為動力之源，伺服則用伺服電機作為動力之源，在控制和精度上都有更高要求，轉的更快、重復定位精度更高。這種中檔的刀架由于其性能的適用性和價格的實用性，被廣泛的應用到普通的機床上。高檔的數控刀架相比于中檔的刀架，有著更為優良的性能水平，主要表現在精度保持性和高精度加工方面，其高度自動化也是高檔刀架的發展方向，這種刀架主要應用于對精度要求較高的高級數控機床上。

動力刀架的發展歷史要追溯到上世紀的80年代，隨著三十多年的發展，作為數控機床的關鍵零部件，其重要程度越來越得到重視，動力刀架使用的可靠性和性能上的穩定性在整機的可靠性水平中占據重要作用。當今世界上的刀架生產企業集中于德國、意大利、英國等歐洲較為發達的國家，由于發展歷史較為悠久，技術積累比較雄厚，科研團隊也是非常的一流，他們所設計和制造出來的刀架可靠性能更高。世界上比較著名的刀架生產商有德國的肖特、意大利的巴拉法第以及杜普馬帝克，他們占據著中高端的市場。

伺服驅動系統采用位置控制、速度控制和電流控制的三環結構組成。

（1）電流環

電流環作為系統最里面一環，是整個伺服系統的底層數據采樣環節，離散電流環采樣周期越短，伺服剛性就可以提高的越高，伺服的控制性能就會越好。電流環是最內環，所以電流環才是控制的根本，是一切控制最直接的執行者。廣義上來講，做伺服調整的最終目標，就是要保證無論在高低速情況，加工多么復雜零件，都要盡可能確保電流的穩定（電流環輸出的電流諧波分量小），不要波動太大，電流響應速度快等。

只有電流的穩定，才能保證轉矩的穩定，最后才能確保最終的加工效果。此外，電流環由于高速處理周期，還肩負著對控制異常的細節檢測，電流環作為最內環必須滿足比速度環和位置環更高的響應周期，以便能精確實時的控制由于轉速變化而對應的交流電頻率，即能夠跟得上速度環發來的指令處理，及時做出響應。

（2）速度環

速度環保證電機的轉速與指令值相一致、消除負載轉矩擾動等因素對電機轉速的影響。速度指令與反饋的電機實際轉速相比較，其差值通過速度調節器直接產生q軸指令電流控制電機加速、減速或勻速，從而使電機的實際轉速與指令值保持一致。速度環是連接電流環和位置環的中間環節，合理提高速度環増益是整個伺服調試的核心。速度環是將整個電流環作為被控制對象的。轉矩是速度與慣量的乘積為了確保轉矩的穩定，速度與合理的負載慣量比才是根本。所以，速度環的作用就是確保速度的穩定。速度與負載慣量比直接影響電流環的穩定。做伺服調整最關鍵的一個參數就是速度環增益（Kv）。

速度環增益是對給定速度與反饋速度經過比較后的差值放大倍數。顯然這個倍數越大，對速度變化的分辨率就越高。分辨率越高，那么對速度波動的鑒別能力與扭轉能力就越強（因為負反饋的實質就是對差值進行不斷的校正，直至為0為止），這個對速度的扭轉能力非常關鍵，它表示著這個系統對外界負載的抗干擾能力，速度增益越大，表示系統對外界抗干擾能力就越強，那么抑制速度波動的能力就越強，顯然光潔度就要越好了（在無振動前提下）。所以越大的速度環增益，代表著精確的速度控制能力，代表著精確的轉矩力道，代表著最佳的表面光潔特性，它與位置環一起，代表著機械的最佳響應性。

（3）位置環

位置環的根本任務是使執行機構對位置指令的精確跟蹤，它能產生電機的速度指令并使電機準確定位和跟蹤。通過設定的目標位置與電機準確定位的實際位置相比較，利用其偏差通過位置調節器來產生電機的速度指令。當給定量隨機變化時，系統能使被控量準確無誤地跟蹤并復現給定量。從伺服驅動系統原理框圖中可看出，位置環是三環里面的最外環，是最后的調整對象。控制著包括電流環與速度環在內的所有對象。

一般情況下，先確定電流環與速度環，最后確定位置環，所以經過插補之后的位置指令，位置環是確保加工結果是否滿足要求的最重要的最終的決定因素。評價一臺機床加工性能的好壞，主要表現在對加工零件的表面光潔度與輪廓精度兩方面，而輪廓精度從系統角度來講，就是由位置環決定。在確保了位置環的輸入指令之后，與通過反饋回來的反饋位置進行差值放大，即得到位置誤差。顯然，類似速度環增益，位置環增益描述的是對位置變化的精確分辨能力。它的作用是來描述系統的靜態精度與動態跟蹤性能的。位置環増益KP設定越大，對位置變化的鑒別能力與扭轉能力就越高，則機械的滯后將得到大大改善，動態跟隨性能就越強。配合速度環的高響應，最終才使得定位精度得以提升。

20世紀60年代初期，數控機床采用液壓伺服系統，液壓伺服系統與當時傳統的直流電動機相比，響應時間短，輸出相同扭矩的伺服部件的外形尺寸小。但由于液壓伺服系統存在著發熱量大、效率低、污染環境和不便于維修等缺點。

20世紀60年代中期，小功率伺服型步進電機和液壓扭矩放大器所組成的開環系統曾一度廣泛應用于數控機床。其最有代表性的是日本公司的電液脈沖馬達伺服系統。但由于該系統結構過于復雜、可靠性差等缺點。

20世紀60年代后期，在數控機床上廣泛使用的小慣量直流電動機。小慣量直流電機因增加了中間齒輪傳動而使電動機的結構變得更為復雜，容易出現磨損，增大傳動間隙，影響傳動精度。

自20世紀80年代以來隨著大規模集成電路、電力電子學、計算機控制技術的發展，特別是計算機對交流電動機的磁場進行矢量控制技術的重大突破，使長期以來人們一直試圖用交流電動機取代直流電動機應用在調速和伺服控制中的設想得以實現。交流伺服系統幾乎保留了直流系統的所有優點，具有調速范圍寬、穩速精度高和動態響應特性好等優良的技術特性，而且繼承了交流電動機本身固有的許多優良性能。

近幾年來，國際上出現了許多采用直線電機進給伺服系統的加工設備。在1993年漢諾威歐機床博覽會上，德國展出了世界上第一臺采用直線電機臥式加工中心，拉開了直線電機伺服系統的序幕。直線伺服是高速高精數控機床的理想驅動模式，無論是在國外還是國內都在積極的研究、探索之中，將會是下一代數控機床的一個顯著特色。

伺服系統是以機械參數（位置、速度、加速度）作為被控量的一種自動控制的系統，它的基本要求是系統的輸出能夠迅速而且精確地響應指令輸入的變化。對伺服系統的基本要求有：

1. 穩定性好穩定是指系統在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調節過程后到達新的或者回到原有的平衡狀態。

2. 精度高伺服系統的精度是指輸出量能跟隨輸入量的精確程度。作為精密加工的數控機床，要求的定位精度或輪廓加工精度通常比較離。

3. 快速響應性好快速響應性是伺服系統動態品質的標志之一，即要求跟蹤指令信號的響應要快，一方面要求過渡過程時間短，一般要求在200毫秒以內，甚至小于幾十毫秒；另一方面，要求過渡過程的前沿陡，即上升率要大。

4. 靈敏度：系統對參數變化的靈敏度要小，即系統能不因參數變化而受到較大的影響。抗干擾性：系統應具有良好的抵抗外部負載干擾和高頻噪音的能力等。

5. 對機械傳動系統的要求；為確保數控機床進給系統的傳動精度和工作平穩性等，在設計機械傳動裝置時，提出如下要求：

（1）髙的傳動精度與定位精度：數控機床進給傳動裝置的傳動精度和定位精度對零件的加工精度起著關鍵性的作用。無論對點位、直線控制系統，還是輪廓控制系統，傳動精度和定位精度都是表征數控機床性能的主要指標。

（2）響應速度要快：工作臺應能在規定的速度范圍內靈敏而精確地跟蹤指令，進行單步或連續移動，在運行時不出現丟步或多步現象。

（3）無間隙傳動：進給系統的傳動間隙一般指反向間隙，即反向死區誤差，它存在于整個傳動鏈的各傳動副中，直接影響數控機床的加工精度；因此，應盡量消除傳動間隙，減小反向死區誤差。

（4）穩定性好、壽命長：穩定性是伺服進給系統能夠正常工作的最基本的條件，特別是在低速進給情況下不產生爬行，并能適應外加負載的變化而不發生共振。所謂進給系統的壽命，主要指其保持數控機床傳動精度和定位精度的時間長短，及各傳動部件保持其原來制造精度的能力。

（5）使用維護方便：進給系統的結構設計應便于維護和保養，最大限度地減小維修工作量，以提高機床的利用率。

數控車床主軸驅動系統的特點及要求包括：主軸控制系統的作用是按程序要求驅動主軸，在數控車床的加工方式中，主軸主要是帶動工件旋轉，與進給伺服驅動軸相配合，完成切削運動。數控車床對主軸位置精度和速度調節不像要求進給伺服系統那樣高，所以執行部件多采用通用交流異步電動機，很少采用價格昂貴的永磁交流伺服電動機，一般采用“變頻器+交流異步電動機”進行矢量控制、編碼器進行速度檢測的方式。隨著產業的不斷升級，“主軸伺服驅動器+主軸伺服電機+外置編碼器”在斜身數控車銑復合機的應用越來越廣泛，可以滿足一般精度零件加工和車削螺紋的要求，并且調速方便，造價成本相對較低，被廣泛采用。

數控車床的主軸運動是傳遞主切削力，消耗的功率占到機床總功率的60%左右，所以驅動系統要有足夠的功率、剛性好、低轉速時要保持足夠的轉矩；另外，要適應不同加工工藝對主軸轉速的要求，如車削螺紋、粗加工及精加工等，需要主軸有較寬的調速范圍。

主軸伺服系統也是像進給伺服驅動一樣，擁有著三環，但是精度與響應要求并沒有進給伺服的要求那么高，一般主軸伺服電機適配的都是增量式2500光電編碼器，也有很多廠家在應對振動比較大的切削現場，適配的是旋轉變壓器作為反饋元件。

數控車床主軸機械傳動常見有3種方式：

1. 分段無級變速。主軸電機通過有限級齒輪傳動驅動主軸旋轉，這種傳動方式適用于大型數控機床特別是強力切削的場合；

2. 帶傳動變速。主軸電機通過同步帶傳動方式驅動主軸旋轉，這種傳動方式適用于中小型數控機床特別是對抗振性要求較高的場合；

3. 電機直接驅動。主軸電機通過聯軸器直接驅動主軸旋轉或直接采用電主軸，這種傳動方式適用于小型數控機床特別是高精度加工場合。

綜上所述，數控機床的伺服系統是實現機床軸運動，包括進給運動、主軸運動及位置控制的關鍵的系統之一。它的性能對數控機床的重復定位精度、動態響應特性，以及最高空程運動速度具有重要影響；同時伺服系統的發展對數控機床的發展產生了不可估量的影響。

來源：伺服與運動控制