本科畢業設計說明書（論文）第1頁共32頁1引言數控技術是先進制造技術的關鍵技術之一，隨著制造自動化水平和加工精度的提高，數控技術必將在未來的現代制造中起著非常重要的作用。伺服系統（ServoSystem）是自動控制系統的一個分支，通常應用閉環控制結構來控制被控制對象的某種狀態，使其能自動、連續、精確的復現輸入信號的變化規律。伺服控制技術伴隨著電力電子技術、計算機技術和控制理論的發展而發展。在主流的電機伺服系統中，電機控制技術是伺服控制的核心。交流電機的控制方法一直是研究的熱點。20世紀70年代產生的矢量控制技術，對交流電機的控制產生了劃時代的影響。矢量控制在理論上解決了交流電機的轉矩控制問題，實現了交流電機模型的解耦，使其控制性能發生了質的飛越。隨著多年的發展，交流伺服系統正逐步取代直流系統成為運動控制系統的主流。目前，矢量控制是交流電機應用最廣泛、最有效的控制方法。數控機床的伺服系統是數控機床關鍵功能部件，是機床運動的最終執行件。伺服系統的特性一直是影響系統加工性能的重要指標，其性能對加工精度與加工效率都起著重要的作用，在整個數控機床的成本構成中伺服系統也占有相當大的比例。所以，一個高精度，高性能的數控機床必須配置與之相適應的高性能的伺服驅動系統，才能充分發揮整個數控機床的性能與優勢1。隨著交流伺服技術的發展，交流伺服已逐步占據數控機床伺服系統的主導地位。由于通過采用矢量控制等先進的控制方法，交流伺服性能迅速提高，目前無論是數控系統的進給伺服驅動，還是主軸驅動，交流伺服系統都處于主流地位，正逐步淘汰直流伺服系統。現在國內外的數控產品的伺服系統絕大多數采用交流系統。因此，從數控加工特點出發，以矢量控制為著眼點，研究交流伺服系統的控制技術，緊跟其它學科先進技術的發展，消化吸收前沿技術，進一步推進數控技術，制造技術的完善和發展，有著十分重要的意義。同時，作為現代伺服系統主流的交流伺服技術，是研制開發各種先進的機電一體化設備，如數控機床、加工中心、工業機器人等的關鍵性技術。目前，高性能數控機床和工業機器人所采用的電機伺服系統仍然主要依靠進口，這種現狀限制了我國相關產業的發展2。同時，矢量控制技術是目前交流伺服系統運用最多，最適宜實用化的交流伺服系統控制技術。因此，通過借鑒國外研究工作的先進經驗，以交流電機控制為研究對象，從矢量控制技術著眼，以數控加工技術為結合點，對交流伺服系統的控制進行研究和仿真，開發高性能的交流伺服系統，對于促進我國數控機床工業，有著非常重要的意義。本科畢業設計說明書（論文）第2頁共32頁2數控機床伺服系統的發展現狀及分數控機床的伺服系統在經歷了開環的步進電機系統、直流伺服系統兩個階段之后，目前已進入交流伺服系統階段。隨著電力電子技術、計算機技術及控制理論的迅速發展，目前交流伺服系統已經處于主導地位。交流伺服系統控制可分為感應電機（IM）控制和永磁同步電機（PMSM）控制兩大類3。目前，由這兩類電機組成的高性能交流伺服驅動裝置已占據了主導地位。永磁同步交流電機體積小，力矩慣量比大，過載能力強，通過運用矢量控制，控制精度高，性能好，但造價相對較貴，容量相對較小。因此，采用矢量控制永磁同步電機主要應用在高精度，高性能，但功率不大的場合。目前，采用矢量控制的永磁同步電機在高精度、高性能的中小功率伺服領域（如數控機床進給伺服，機器人等）占有不可動搖的地位，永磁交流同步電機已經成為數控機床進給伺服系統的主流。異步電機結構簡單，成本低廉，可靠性高，且容易實現大容量，但其參數易受溫度影響，控制精度不穩定。所以，采用矢量控制的異步電機多用在功率較大、精度要求不太高的場合4。而數控機床的主軸驅動要求提供很大的功率，若使用永磁同步電機，則容量受到限制，不易做到大容量。而采用矢量控制的異步電機作為主軸驅動，可提高主軸定位控制的剛性和精度，完全能滿足高性能的數控裝備主軸驅動的要求。目前，異步電機在主軸驅動系統中處于主導地位，國內外的數控產品中，主軸的驅動大多是采用矢量控制的交流異步電機。作為數控機床的重要功能部件，伺服系統的特性一直是影響系統加工性能的重要指標。圍繞伺服系統動態特性與靜態特性的提高，近年來發展了多種伺服驅動技術。可以預見隨著超高速切削、超精密加工、網絡制造等先進制造技術的發展，具有網絡接口的全數字伺服系統、直線電機及高速電主軸等將成為數控機床行業的關注的熱點5，并成為伺服系統的發展方向。總的來說其發展趨勢主要有以下幾個方面：(1)交流系統將完全取代直流系統伺服技術將迅速的由DC伺服系統轉向AC伺服系統。從目前國際市場的情況來看，幾乎所有的新產品都是AC伺服系統。在工業發達國家，AC伺服電機在運動控制市場占主導地位，國內的AC伺服電機產量也是迅速上升，技術進步很快，性能也日益提高6。(2)全數字化采用新型高速微處理器和專用數字信號處理器（DSP）的伺服控制單元將全面代替以模擬電子器件為主的伺服控制單元，從而實現完全數字化的交流伺服系統。全數字化的實現，將原有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制，從而使在交本科畢業設計說明書（論文）第3頁共32頁流伺服系統中應用現代控制理論的先進算法如最優控制，人工智能，模糊控制，神經網絡等）成為可能。(3)高度集成化新的交流伺服系統改變了劃分為速度伺服單元與位置伺服單元兩個模塊的做法，而是用單一的，高度集成化，多功能的控制單元7。(4)智能化最新數字化的伺服控制單元的智能化主要是應用專家系統、模糊邏輯及神經網絡理論來實現自學習或自組織控制，具有故障自診斷與分析功能；具有參數自整定等。(5)模塊化和網絡化目前，在工廠自動化技術迅速發展的基礎上，伺服系統都配置了標準的通信接口和專用的總線接口（如西門子的ProfiBus）。這些接口顯著的增強了伺服系統與CNC之間的互聯，而且若干臺伺服單元與上位機，以及PLC等連成功能網絡，從而大大提高了自動化水平。本科畢業設計說明書（論文）第4頁共32頁3CK6150車床的驅動裝置及CK6150車床的參數數控的驅動控制線路與普通機床電路有所不同，除了常用的電器控制線路外，它還有數控裝置。普通機床與數控機床的主要區別是數控機床的主軸調速和刀架的進給全部自動完成，即根據編程指令按要求執行。數控裝置是整個數控機床的核心，機床的操作均由此發出。驅動裝置位于數控裝置和機床之間，包括進給驅動和主軸驅動裝置。驅動裝置根據控制電機不同，其控制電路形式也不同。步進電機有步進驅動裝置，直流伺服電機有直流伺服驅動裝置，交流伺服電機有交流伺服驅動裝置8。機床電器控制裝置位于數控裝置與機床本體之間，它主要接收數控裝置發出的開關命令。數控機床的組成結構圖，見圖1所示：圖1數控機床的組成結構圖3.1CK6150數控車床的驅動CK6150數控車床采用主軸變頻調速，機床主軸的旋轉運動由5.5KW變頻主軸電動機經皮帶傳動至I軸,經三聯齒輪變速將運動傳至主軸,并得到低速、中速和高速三段范圍內的無級變速。機床進給為兩軸聯動,配有四工位電動刀架,可滿足不同需要的加工。Z坐標為大拖板左右運動方向,其運動由GK6063-6AC31交流永磁伺服電動機與滾珠絲杠直聯實現；X坐標方向為中拖板前后運動方向,其運動由GK6062-6AC31交流永磁伺服電動機通過一對齒輪帶動滾珠絲杠旋轉得以實現。為保證車削加工螺紋時主軸轉一圈,刀架移動一個導程(即被加工