現(xiàn)代電機(jī)控制理論發(fā)展使機(jī)床數(shù)控伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)交流化、數(shù)字化、智能化機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中，常用的伺服電機(jī)和控制系統(tǒng)有:   

　　(一)開環(huán)控制系統(tǒng)

　　采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器件，無須位置和速度檢測(cè)器件，也沒有反饋電路，控制電路簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。步進(jìn)電機(jī)和普通電機(jī)的區(qū)別主要就在于它的脈沖控制，正是這個(gè)特點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)可以和現(xiàn)代的數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合。不過步進(jìn)電機(jī)在控制的精度、速度變化范圍、低速性能方面都不如傳統(tǒng)的閉環(huán)控制的直流伺服電動(dòng)機(jī)。在精度不是需要特別高的場(chǎng)合就可以使用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)可以發(fā)揮其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高和成本低的特點(diǎn)。

　 (二)半閉環(huán)和閉環(huán)位置控制系統(tǒng)

　　采用直流伺服電機(jī)或交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件，可以采用內(nèi)裝于電機(jī)內(nèi)的脈沖編碼器，無刷旋轉(zhuǎn)變壓器或測(cè)速發(fā)電機(jī)作為位置/速度檢測(cè)器件來構(gòu)成半閉環(huán)位置控制系統(tǒng)，也可以采用直接安裝在工作臺(tái)的光柵或感應(yīng)同步器作為位置檢測(cè)器件，來構(gòu)成高精度的全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。

　　70年代，美國GATTYS公司發(fā)明了機(jī)床用直流力矩伺服電機(jī)，從此各國數(shù)控機(jī)床開始大量采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。開環(huán)系統(tǒng)逐漸由閉環(huán)系統(tǒng)取代。以直流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器件的直流伺服系統(tǒng)，控制電路比較簡(jiǎn)單，價(jià)格較低。其主要缺點(diǎn)是直流伺服電機(jī)內(nèi)部有機(jī)械換向裝置，碳刷易磨損，維修工作量大，運(yùn)行時(shí)易起火花，給電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率的提高帶來較大的困難。交流異步電機(jī)雖然價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但早期由于控制性能差，所以很長時(shí)間沒有在數(shù)控系統(tǒng)上得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)和現(xiàn)代電機(jī)控制理論的發(fā)展，1971年，德國西門子的Blaschke發(fā)明了交流異步機(jī)的矢量控制法;1980年，德國人Leonhard為首的研究小組在應(yīng)用微處理器的矢量控制的研究中取得進(jìn)展，使矢量控制實(shí)用化。從70年代末，數(shù)控機(jī)床逐漸采用異步電機(jī)為主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

　　如果把直流電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行“里翻外”的處理，即把電樞繞組裝在定子，轉(zhuǎn)子為永磁部分，并以轉(zhuǎn)子軸上的編碼器測(cè)出磁極位置控制電子開關(guān)進(jìn)行電子換相，這就構(gòu)成了永磁無刷直流電機(jī)。這種交流伺服電機(jī)具有良好的伺服性能。從80年代開始，逐漸應(yīng)用在數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置上。交流伺服系統(tǒng)采用交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器件，可以和直流伺服電機(jī)一樣構(gòu)成高精度、高性能的半閉環(huán)或全閉環(huán)控制系統(tǒng)，由于交流伺服電機(jī)內(nèi)是無刷結(jié)構(gòu)，幾乎不需維修，體積相對(duì)較小，有利于轉(zhuǎn)速和功率的提高。目前交流伺服系統(tǒng)已在很大范圍內(nèi)取代了直流伺服系統(tǒng)。在當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)中，伺服技術(shù)取得的突破可以歸結(jié)為:交流伺服取代直流伺服、數(shù)字控制取代模擬控制、或者把它稱為軟件控制取代硬件控制。這兩種突破的結(jié)果產(chǎn)生了交流數(shù)字驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給和主軸裝置上。由于電力電子技術(shù)及控制理論、微處理器等微電子技術(shù)的快速發(fā)展，軟件運(yùn)算及處理能力的提高，采用高速微處理器和專用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP-DigitalSignalProcessor)的全數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)出現(xiàn)后，使系統(tǒng)的計(jì)算速度大大提高，采樣時(shí)間大大減少。原來的硬件伺服控制變?yōu)檐浖欧刂?，一些現(xiàn)代控制理論中的先進(jìn)算法得到實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而大大地提高了伺服系統(tǒng)的性能，例如OSP-U10/U100網(wǎng)絡(luò)式數(shù)控系統(tǒng)的伺服控制環(huán)就是一種高性能的伺服控制網(wǎng)，它對(duì)進(jìn)行自律控制的各個(gè)伺服裝置和部件實(shí)現(xiàn)了分散配置，網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)一步發(fā)揮了它對(duì)機(jī)床的控制能力和通信速度。這些技術(shù)的突破，使伺服系統(tǒng)性能改善、可靠性提高、調(diào)試方便、柔性增強(qiáng)，大大推動(dòng)了高精高速加工技術(shù)的發(fā)展。

　　采用狀態(tài)觀察器和卡爾曼濾波器可以進(jìn)行電動(dòng)機(jī)參數(shù)的在線辨識(shí);采用滑模變結(jié)構(gòu)控制可增強(qiáng)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的魯棒性。如能將各種智能控制理論有機(jī)地結(jié)合起來，必將開創(chuàng)交流伺服控制的新天地。如模糊控制和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制都不需要精確的對(duì)象模型和參數(shù)，使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的魯棒性。

　　傳感器檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展也極大地提高了交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和定位精度。普遍采用的霍爾傳感器具有小于1µs的響應(yīng)時(shí)間。交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)一般選用無刷旋轉(zhuǎn)變壓器、混合型的光電編碼器和絕對(duì)值編碼器作為位置、速度傳感器。隨著它們的轉(zhuǎn)速、分辨率的不斷提高，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、調(diào)速范圍以及低速性能也相應(yīng)提高。傳統(tǒng)的具有A、B(兩相信號(hào)的編碼器，由于它不能兼顧分辨率和高速度，且信號(hào)線太多，從而影響了高精度、高速度的伺服系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。而新型的編碼器則克服了上述缺點(diǎn)，如日本FANUC公司生產(chǎn)的脈沖編碼器(絕對(duì)型)，由于它將來自正余弦信號(hào)的角度轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，使它具有4000r/min的高速以及高達(dá)1000000p/r或65536p/r的分辨率。另外，伺服電動(dòng)機(jī)本身也在向高速方向發(fā)展，與上述高速編碼器配合實(shí)現(xiàn)了60m/min甚至100m/min的快速進(jìn)給和1g的加速度。而在電動(dòng)機(jī)磁路設(shè)計(jì)上也作了改進(jìn)，使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)更加平滑，再配合高速數(shù)字伺服軟件，可使電動(dòng)機(jī)即使在小于1µm轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)也顯得平滑而無爬行。以IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)和IPM(智能功率模塊)等新型電力電子器件為基礎(chǔ)的新一代高載波、低噪聲變頻器的開發(fā)，以及新的控制軟件的引入，把變頻調(diào)速引入了一個(gè)全新的領(lǐng)域，使原來僅用于開環(huán)控制的變頻器演變成了既能用于開環(huán)控制,也能用于閉環(huán)控制的稱之為“通用型驅(qū)動(dòng)器”。以英國的CT公司的Unidrive產(chǎn)品和德國AMK公司的AMKASYN產(chǎn)品為代表，使變頻器登上了新的舞臺(tái)。下面以CT公司的Unidrive產(chǎn)品為例，給予簡(jiǎn)單的介紹。

　　CT公司在1996年推出了通用型驅(qū)動(dòng)器系列產(chǎn)品。它的控制板主要由Intel80166CPU、快閃存儲(chǔ)器以及3片CT公司設(shè)計(jì)的專用芯片組成，硬件高度集成化，控制板芯片數(shù)量?jī)H為當(dāng)前市場(chǎng)上通用變頻器的1/4。它按功率可分成5個(gè)等級(jí)，其中等級(jí)1(輸出功率為0.75～4kW)為基本單元，等級(jí)5額定功率為120kW(它由基本單元加上擴(kuò)展功率單元組成)，最多可8臺(tái)并聯(lián)，組成1000kW功率輸出。

　　通用型驅(qū)動(dòng)器配置有大量的參數(shù)和20個(gè)菜單功能，便于用戶在不改變硬件配置的條件下,方便地設(shè)置成V/F控制、無速度傳感器開環(huán)矢量控制、閉環(huán)磁通矢量控制、永磁無刷交流伺服電動(dòng)機(jī)控制及再生單元等五種工作方式，適用于各種場(chǎng)合。通用型驅(qū)動(dòng)器的出現(xiàn)，將大大降低機(jī)床用進(jìn)給系統(tǒng)和主軸系統(tǒng)的硬件成本。

　　(三)機(jī)床大功率電主軸的高速化、一體化

　　當(dāng)前，世界數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展趨勢(shì)之一是高速、高效、高精度。從80年代開始，由于數(shù)控機(jī)床的主軸、進(jìn)給系統(tǒng)等功能部件的突破，數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度都大幅度提高，以及制造技術(shù)的全面進(jìn)步，使金屬切削加工進(jìn)入了高速切削的新階段。90年代以來，歐、美、日各國爭(zhēng)相開發(fā)應(yīng)用新一代高速數(shù)控機(jī)床，加快機(jī)床高速化發(fā)展步伐。高速電主軸單元轉(zhuǎn)數(shù)在30000r/min(有的高達(dá)1×105r/min)以上;工作臺(tái)的移動(dòng)速度(進(jìn)給速度):在分辨率為1µm時(shí),在100m/min(有的到200m/min)以上,在分辨率為0.1µs時(shí)，在24m/min以上。

　　為了實(shí)現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如大功率高速電主軸、高加/減速度直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給部件以及高性能控制系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。

　　超高速加工是繼數(shù)控技術(shù)之后，使制造技術(shù)產(chǎn)生第二次革命性飛躍的一項(xiàng)高新技術(shù)。超高速機(jī)床是實(shí)現(xiàn)超高速加工的物質(zhì)基礎(chǔ)，而高速主軸單元?jiǎng)t是超高速機(jī)床的“核心”部件，它的性能直接決定了機(jī)床的超高速加工性能。最佳適合高速運(yùn)轉(zhuǎn)的主軸形式是將主軸電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子直接裝入主軸組件的內(nèi)部，形成電主軸，實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸系統(tǒng)的一體化、“零傳動(dòng)”。電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，并可改善機(jī)床的動(dòng)平衡，避免振動(dòng)和噪聲，在超高速切削機(jī)床上得到了廣泛的應(yīng)用。

　　電主軸的工作轉(zhuǎn)速極高，這對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造和控制提出了非常嚴(yán)格的要求，并帶來了一系列技術(shù)難題，如主軸的散熱、動(dòng)平衡、支承、潤滑及其控制等。在應(yīng)用中，必須妥善解決這些技術(shù)難題，才能確保電主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)和精密加工的可靠性。

　　電主軸一體化所融合的技術(shù)包括:

　　高速電機(jī)技術(shù)

　　電主軸是電動(dòng)機(jī)與主軸融合在一起的產(chǎn)物，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子即為主軸的旋轉(zhuǎn)部分，理論上可以把電主軸看作一臺(tái)高速電動(dòng)機(jī)。關(guān)鍵技術(shù)是高速度下的動(dòng)平衡;

　高速軸承技術(shù)

　　電主軸通常采用復(fù)合陶瓷滾動(dòng)軸承，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍;有時(shí)也采用電磁懸浮軸承或靜壓軸承，內(nèi)外圈不接觸，理論上壽命無限;

　　油霧潤滑

　　電主軸的潤滑一般采用定時(shí)定量油氣潤滑;也可以采用脂潤滑，但相應(yīng)的速度要打折扣。所謂定時(shí)，就是每隔一定的時(shí)間間隔注一次油。所謂定量，就是通過一個(gè)叫定量閥的器件，精確地控制每次潤滑油的油量。而油氣潤滑，指的是潤滑油在壓縮空氣的攜帶下，被吹入陶瓷軸承。油量控制很重要，太少，起不到潤滑作用;太多，在軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)因油的阻力而發(fā)熱。

　　冷卻裝置

　　為了盡快給高速運(yùn)行的電主軸散熱，通常對(duì)電主軸的外壁通以循環(huán)冷卻劑，冷卻裝置的作用是保持冷卻劑的溫度。

　　內(nèi)置脈沖編碼器

　　為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀以及剛性攻螺紋，電主軸內(nèi)置一脈沖編碼器，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的相角控制以及與進(jìn)給的配合。主軸系統(tǒng)所用的位置編碼器分辨率也已達(dá)到360000p/r。

　　高頻變頻裝置

　　要實(shí)現(xiàn)電主軸每分鐘幾萬甚至十幾萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，必須用一高頻變頻裝置來驅(qū)動(dòng)電主軸的內(nèi)置高速電動(dòng)機(jī)，變頻器的輸出頻率必須達(dá)到上千或幾千Hz。

　　當(dāng)前高速高精加工機(jī)床一般都使用矢量控制的變頻驅(qū)動(dòng)電主軸，常內(nèi)置一脈沖編碼器，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的相位控制以及與進(jìn)給的準(zhǔn)確配合，電機(jī)定子和主軸軸承用恒溫水循環(huán)冷卻。所使用的主軸軸承主要是定時(shí)定量油氣潤滑的高精度陶瓷球角接觸球軸承，轉(zhuǎn)速不太高的機(jī)床也有采用脂潤滑的。主軸與刀具的接口以適合高速加工的HSK等接口為主，但也可選擇傳統(tǒng)的7:24錐孔。對(duì)精度的要求，主軸徑向跳動(dòng)小于2µm，軸向竄動(dòng)小于1µm，軸系不平衡度達(dá)到G0.4級(jí)。預(yù)計(jì)在2010年前，油氣潤滑的陶瓷球軸承電主軸依然是主流，空氣靜壓軸承、電主軸和磁懸浮軸承電主軸仍會(huì)比較少。

　　主軸傳動(dòng)用電動(dòng)機(jī)和進(jìn)給傳動(dòng)一樣，經(jīng)歷了從普通三相異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)到直流主軸傳動(dòng)，而隨著微處理器技術(shù)和大功率晶體管技術(shù)的進(jìn)展，現(xiàn)在又進(jìn)入了交流主軸伺服系統(tǒng)的時(shí)代，目前已很少見到在數(shù)控機(jī)床上有使用直流主軸伺服系統(tǒng)了。

　　當(dāng)代電主軸所使用的電機(jī)，不僅有異步交流感應(yīng)電機(jī)，還有永磁同步電機(jī)，后者在相同功率下，外形尺寸較小，且轉(zhuǎn)子為永久磁鐵不發(fā)熱。

　　高速主軸單元技術(shù)在一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家已經(jīng)發(fā)展到較高水平，并被廣泛應(yīng)用于高速機(jī)床行業(yè)，已經(jīng)產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。為了滿足國內(nèi)發(fā)展高速、高精度數(shù)控機(jī)床的需求，在“九五”期間通過攻關(guān)，我國開發(fā)出了主軸功率為2.5kW～29kW、扭矩為4～86N.m、能應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床和加工中心的電主軸，并且已裝備了部分國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床。但是從總體上講，國產(chǎn)的電主軸和國外產(chǎn)品相比較，無論是性能、品種和質(zhì)量都有較大差距，所以目前國產(chǎn)的高轉(zhuǎn)速、高精度數(shù)控機(jī)床和加工中心所用的電主軸，仍然主要從國外進(jìn)口。而高速電主軸單元技術(shù)是制約我國超高速加工技術(shù)的瓶頸。為了趕上高速加工技術(shù)發(fā)展的潮流，我國正在不斷加大對(duì)超高速加工關(guān)鍵功能部件—電主軸單元的研究力度。目前，國家高效磨削工程技術(shù)研究中心承擔(dān)了國家“十五”攻關(guān)計(jì)劃課題“高速主軸單元的研究開發(fā)與應(yīng)用”，正在為提升我國的電主軸單元技術(shù)水平而不斷努力。

　　 (四)以直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的直線伺服進(jìn)給技術(shù)已趨成熟

　　高速高精加工機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，主要有傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+精密高速滾珠絲杠”和新型的“直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)”兩種類型。

　　滾珠絲杠由於工藝成熟，應(yīng)用廣泛，不僅精度能達(dá)到較高(ISO34081級(jí))，而且實(shí)現(xiàn)高速化的成本也相對(duì)較低，所以迄今仍為許多高速加工機(jī)床所采用。當(dāng)前使用滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的高速加工機(jī)床最大移動(dòng)速度90m/min，加速度1.5g。但滾珠絲杠畢竟是機(jī)械傳動(dòng)，從伺服電機(jī)到移動(dòng)部件間有一系列機(jī)械元件，勢(shì)必存在彈性變形、摩擦和反向間隙，相應(yīng)造成運(yùn)動(dòng)滯后和其它非線性誤差，目前滾珠絲杠副的移動(dòng)速度和加速度已提高較多，再進(jìn)一步提高的余地有限。自1993年，在機(jī)床進(jìn)給上開始應(yīng)用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，它是高速高精加工機(jī)床特別是其中的大型機(jī)床更理想的驅(qū)動(dòng)方式。目前使用直線電機(jī)的高速高精加工機(jī)床最大快移速度已達(dá)208m/min，加速度2g(Mazak的HMCF3-660L加工中心的水平)，并且還有發(fā)展余地。

　　與滾珠絲杠傳動(dòng)相比，直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是:

　　高剛度

　　直線電機(jī)直接和負(fù)載連接，沒有間隙，有更高的動(dòng)態(tài)剛度。

　　更寬的速度范圍

　　現(xiàn)代電機(jī)技術(shù)，很容易實(shí)現(xiàn)寬調(diào)速，速度變化范圍可達(dá),1:10000以上。例如，美國科爾摩根公司DDL永磁直線電機(jī)高速大于5m/s，低速1µm/s。

　　加速特性好、運(yùn)動(dòng)慣量小、有更高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

　　運(yùn)行平穩(wěn)，位置精度高(基本上取決于位置反饋檢測(cè)元件)。

　　無行程限制

　　采用模塊結(jié)構(gòu),可接長適應(yīng)不同行程要求。

　　采用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)

　　省去了一切中間機(jī)械傳動(dòng)，從根本上減小了機(jī)械摩損與傳動(dòng)誤差，減少維護(hù)工作。

　　軌跡誤差小，高速下可獲得良好的定位精度。直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)正好彌補(bǔ)滾珠絲杠傳動(dòng)的不足，與滾珠絲杠傳動(dòng)相比，其速度提高30倍，加速度提高10倍，最大達(dá)10g，剛度提高7倍，最高響應(yīng)頻率達(dá)100Hz。

　　直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)也存在一些缺點(diǎn)和問題，除控制難度大(中間沒有緩沖環(huán)節(jié)和存在端部效應(yīng))外，還存在強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)周邊產(chǎn)生磁干擾，影響滾動(dòng)導(dǎo)軌副的壽命，同時(shí)給排屑、裝配、維修帶來困難，以及發(fā)熱大、散熱條件差。需解決散熱、隔磁、足夠的推力、自鎖和移動(dòng)部件輕量化等方面的問題，才能在機(jī)床上實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)成本較高也影響其推廣應(yīng)用。目前這些問題都已得到不同程度的解決，采用者愈來愈多。交流直線伺服電機(jī)也有感應(yīng)(異步)式和同步式兩大類，同步式(次級(jí)為永久磁鋼)由于效率高、推力密度大、可控性好等優(yōu)點(diǎn)，盡管其對(duì)隔磁防塵要求較高和裝配較困難，現(xiàn)在也已成為機(jī)床用直線電機(jī)的主流。例如，美國Ingersoll銑床公司生產(chǎn)的HVM800高速臥式加工中心，X、Y、Z三軸都采用永磁同步直線伺服電機(jī)，最大進(jìn)給速度可達(dá)76.2m/min，最大加速度1.5g。

　　在高速高精加工機(jī)床領(lǐng)域，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)和滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)雖然還會(huì)并存相當(dāng)長一段時(shí)間，但總的趨勢(shì)是直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)所占比重會(huì)愈來愈大，將來很有可能成為此種機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的主流?，F(xiàn)在世界各國的知名機(jī)床制造商(比如以發(fā)展?jié)L珠絲杠驅(qū)動(dòng)聞名于世的日本Mazak公司和韓國的大宇公司)都紛紛推出直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床。種種跡象表明，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)在高速高精加工機(jī)床上的應(yīng)用已進(jìn)入加速增長期。