進給驅動系統龔承漢進給運動是保證零件加工精度和效率的重要運動。是“機—電”結合的關鍵所在。數控機床進給系統的機電部件主要有伺服電動機及檢測元件、聯軸節、減速機構(齒輪副和帶輪)、滾珠絲杠螺母副(或齒輪齒條副)、絲杠軸承、運動部件(工作臺、主軸箱、滑座、橫梁和立柱等)。

數控機床伺服系統是指以數控機床移動部件的位置和速度作為控制對象的自動控制系統。是數控機床的重要組成部分。它接受來自數控裝置的進給指令信號，經變換、調節和放大后驅動執行件，轉化為直線或旋轉運動。數控機床伺服系統又稱為位置隨動系統、驅動系統、伺服機構或伺服單元。

數控機床多坐標聯動加工直線和曲線時，是把曲線分成許多小線段，一段一段地加工的。每一小段的長短取決于曲線的形狀、進給速度和插補時間。在一段插補時間內，CNC完成一次插補運算，給出各坐標下一段運動的數字量。顯然，插補時間應等于或小于完成一小段加工所用的時間。插補時間與CNC的時鐘頻率與字長有關，通常在0.1—20ms范圍內。CNC的時鐘頻率越高，插補時間越短，曲線上被分割的小段就越短，精度也越高。CNC輸出的各坐標運動的數字量—位置指令被送到各坐標的伺服系統，控制伺服電動機的轉動，在經進行傳動機構拖動執行部件。

伺服系統要求輸出忠實地跟蹤控制器所發出的命令，并能產生足夠的力或力矩，使被驅動的運動機械獲得所希望的加速度、速度和位置。

伺服的含義

伺服來自英文單詞Servo，指系統跟隨外部指令進行人們所期望的運動，運動要素包括位置、速度和力矩。最常見的伺服是交流永磁同步伺服電機，伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的U/V/W三相電在定子中形成變化的電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數）。最常見的是2500線標準編碼器配置的伺服電機。伺服電動機又稱執行電動機，在自動控制系統中，用作執行元件，把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類。

在交流伺服系統中，電動機的類型有永磁同步交流伺服電機(PMSM)和感應異步交流伺服電機(IM)，其中，永磁同步電機具備十分優良的低速性能、可以實現弱磁高速控制，調速范圍寬廣、動態特性和效率都很高，已經成為伺服系統的主流之選。而異步伺服電機雖然結構堅固、制造簡單、價格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率場合得到重視。

伺服電機發展史第一個發展階段（20世紀60年代以前），此階段是以步進電動機驅動的液壓伺服馬達或以功率步進電動機直接驅動為中心的時代，伺服系統的位置控制為開環系統。

第二個發展階段（20世紀60－70年代），這一階段是直流伺服電動機的誕生和全盛發展的時代，由于直流電動機具有優良的調速性能，很多高性能驅動裝置采用了直流電動機，伺服系統的位置控制也由開環系統發展成為閉環系統。在數控機床的應用領域，永磁式直流電動機占統治地位，其控制電路簡單，無勵磁損耗，低速性能好。

第三個發展階段（20世紀80年代至今），這一階段是以機電一體化時代作為背景的，由于伺服電動機結構及其永磁材料、控制技術的突破性進展，出現了無刷直流伺服電動機（方波驅動），交流伺服電動機（正弦波驅動）等種種新型電動機。

進入20世紀80年代后，因為微電子技術的快速發展，電路的集成度越來越高，對伺服系統產生了很重要的影響，交流伺服系統的控制方式迅速向微機控制方向發展，并由硬件伺服轉向軟件伺服，智能化的軟件伺服將成為伺服控制的一個發展趨勢。

伺服系統控制器的實現方式在數字控制中也在由硬件方式向著軟件方式發展；在軟件方式中也是從伺服系統的外環向內環、進而向接近電動機環路的更深層發展。目前，伺服系統的數字控制大都是采用硬件與軟件相結合的控制方式，其中軟件控制方式一般是利用微機實現的。這是因為基于微機實現的數字伺服控制器與模擬伺服控制器相比，具有下列優點：

（1）能明顯地降低控制器硬件成本。速度更快、功能更新的新一代微處理機不斷涌現，硬件費用會變得很便宜。體積小、重量輕、耗能少是它們的共同優點。

（2）可顯著改善控制的可靠性。集成電路和大規模集成電路的平均無故障時（MTBF）大大長于分立元件電子電路。

（3）數字電路溫度漂移小，也不存在參數的影響，穩定性好。

（4）硬件電路易標準化。在電路集成過程中采用了一些屏蔽措施，可以避免電力電子電路中過大的瞬態電流、電壓引起的電磁干擾問題，因此可靠性比較高。

（5）采用微處理機的數字控制，使信息的雙向傳遞能力大大增強，容易和上位系統機聯運，可隨時改變控制參數。

（6）可以設計適合于眾多電力電子系統的統一硬件電路，其中軟件可以模塊化設計，拼裝構成適用于各種應用對象的控制算法；以滿足不同的用途。軟件模塊可以方便地增加、更改、刪減，或者當實際系統變化時徹底更新。

（7）提高了信息存貯、監控、診斷以及分級控制的能力,使伺服系統更趨于智能化。

（8）隨著微機芯片運算速度和存貯器容量的不斷提高，性能優異但算法復雜的控制策略有了實現的基礎。三環結構通過長期的生產實踐發現，伺服系統中采用三環結構是目前實現高精度控制的最好方法，即位置環.速度環.電流環。又分別被稱為外環.中環.內環。這三環是相互制約關系，使控制達到了極其完善。

對于主軸驅動而言，要求有較大調速范圍和較大轉矩，其精度要求低于進給系統，常常只需控制速度的穩定性且無需位置環。所以伺服系統的講解以進給系統為主進行。①位置控制：位置環、速度環和電流環都在驅動器中執行，用數字脈沖或數據通信方式給定電機的轉動方向和角度，驅動單元控制電機轉子按給定的方向轉過相應的角度。轉動的角度（位置）和速度都可以控制。②速度控制：驅動器內僅執行速度環和電流環，可由外部的運動控制器執行位置環的所有功能。用模擬電壓或數據通信方式給定電機的轉動方向和速度，驅動單元控制電機轉子按給定的方向和速度旋轉。③轉矩控制：驅動器僅實現電流環，由外部的運動控制器實現位置環的功能。這時系統中往往沒有速度環。用模擬電壓或數據通信方式給定電機輸出力矩的大小和方向，驅動單元控制電機轉子的轉動方向和輸出轉矩大小。PID控制：也稱為PID調節，是控制單元對輸入數據（給定、反饋）進行數學處理的常用算法。位置環是進給伺服系統中十分重要的環節，根據位置環上有無檢測器及檢測方式的不同可分為:開環控制(早期，精度低，使用步進電動機)半閉環控制(間接檢測反饋，精度較高)閉環控制(直接檢測反饋，精度高，機床不易調整，易出現工作臺振蕩或爬行)

位置控制環節單方向指令沒有反饋、只能進行一個方向的控制。使用步進馬達或交流伺服電機反饋信號只到伺服系統的情況。開環進給伺服系統示意圖半閉環控制系統示意圖全閉環控制系統示意圖“旋轉伺服電機+滾珠絲杠