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1.2 国内外研究现状及存在的问题

1.3 设计伺服系统的基本要求

伺服系统是数控机床中及其重要的一部分，伺服系统的性能直接影响到机床的加 工精度，面对国内外伺服系统的发展趋势对伺服驱动系统有下几点基本要求。

（1）精度高。 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。包括定位 精度和轮廓加工精度。

为了保证数控机床的加工精度，除了要求数控系统精度和机床机械精度有足够高 以外，还要求具有足够高的伺服系统定位精度和进给跟踪精度，并且还起着主要作用。 一般要求定位精度为 0.01-0.001m；而高档设备的定位精度还应在 0-1μm 以内。

（2）稳定性好。 稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节 过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。直接影响数控加工的精度和表面粗糙 度。

要求伺服系统有较高的可靠性、稳定性，并且受电源、环境、负载等的影响要小。 还要具有足够的传动刚性和速度稳定性。也就是说伺服系统在负载或切削条件发生变 化时，应使进给速度保持恒定。刚性良好的系统，负载力矩的变化对进给速度的影响 很小。

（3）快速响应。 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟 踪精度。为了保证轮廓切削形状精度和加工表面粗糙度，要求伺服系统除了要有较高 的定位精度外，还要有良好的快速响应特性，也就是要求伺服电动机起、停的升降速 过程要短，要有较高的加速度。电动机转速从 0 升至 1500r/min 的时间控制在 0-2s 以 内。

（4）调速范围宽。 调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转 速之比。

为适应不同的加工条件，例如加工零件的材料、尺寸、部位以及刀具的种类和冷 却方式等不同，数控机床的进给速度需要在很宽的范围内无级变化。这就要求伺服电机要有很宽的调速范围和优异的调速特性。一般数控机床进给伺服系统的调速范围都 在 0～30m/min，高的可达 240 m/min。

（5）低速大转矩。 由于机床在低速切削时，切深和进给都比较大，也就是说吃 刀抗力较大，这就要求主轴电动机输出的转矩也应该较大。现代数控机床的伺服电动 机通常都是与丝杠直接相连，中间没有减速齿轮，这就要求进给电动机能输出较大的 转矩。

进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内都要保持这个转矩；主 轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制， 具有足够大的输出功率。

除上面的一般要求之外，还具有下面的控制功能：

（1）准停控制 为了自动换刀，要求主轴能进行高精度的准确位置停止。

（2）角度分析控制 分度有两种：一是固定的等分角位置控制。二是连续的任意 角度控制。（作特殊加工时，主轴坐标有了进给坐标的功能，称为“C”轴控制。） 为 了满足对伺服系统的要求，对伺服系统的执行元件——伺服电机也相应提出高精度、 快反映、宽调速和大转矩的要求，一般具备小惯量大转矩的具体特征 。最低进给速 度到最高进给速度范围都能稳定运行平滑过度。进给电机应具有大的较长时间的过载 能力，一般能过载 4-5 倍左右，持续时间达 10 分钟以上，转动惯量要小，满足快速 响应的要求，一般进给伺服电机做成细长，高档进给具备 400rad/s2 以上的加速度， 保证电机在 0.2s 以内从静止起动到 1500rad/min。电机应能承受频繁的起动制动和反 转，20 次/min 以上。