伺服裝置是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分。伺服技術(shù)的發(fā)展建立在控制理論、電機(jī)驅(qū)動及電力電子等技術(shù)的基礎(chǔ)上。上世紀(jì)50年代初，世界笫一臺NC機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動采用液壓驅(qū)動。由于液壓系統(tǒng)單位面積產(chǎn)生的力大于電氣系統(tǒng)所產(chǎn)生的力（約為20：1），而且慣性低、反應(yīng)快，因此初期的NC系統(tǒng)的進(jìn)給伺服裝置大多采用液壓驅(qū)動裝置。當(dāng)時的日本富士通公司計(jì)算機(jī)控制部（以后發(fā)展為FANUC公司）從麻省理工學(xué)院學(xué)習(xí)了笫一臺NC技術(shù)后，用電液脈沖電機(jī)作為數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)。70年代初期，由于石油危機(jī)，加上液壓對環(huán)境的污染以及系統(tǒng)笨重、效率低等原因，美國GETTYS公司出直流大慣量伺服電機(jī)，這種伺服電機(jī)靜力矩和起動力矩大，并在NC機(jī)床上了應(yīng)用，性能良好。另一方面，1974年FANUC公司在新的低噪聲、大扭矩電液脈沖電機(jī)時，遇到了技術(shù)困難。而電液脈沖電機(jī)原先是使FANUC數(shù)控系統(tǒng)市場占有率高到幾乎接近獨(dú)占鰲頭的主要原因； 當(dāng)時擔(dān)任公司社長的稻葉先生反復(fù)思考，"我是技術(shù)人員，同時也是經(jīng)營者。作為技術(shù)人員，我作為電液脈沖電機(jī)的而感到自豪、自信；但是作為經(jīng)營者，我反復(fù)自問：電液脈沖電機(jī)就這樣原封不動地持續(xù)下去而沒有危機(jī)嗎？通過調(diào)查，我確信有新的電機(jī)來取代電液脈沖電機(jī)。"于是當(dāng)即做出了"割愛"的果斷決擇：廢棄使用的電液脈沖電機(jī)驅(qū)動方案，同時轉(zhuǎn)而從美國GETTYS公司引進(jìn)大慣量直流伺服電機(jī)制造技術(shù)，并立即進(jìn)行商品化。從此，在世界的CNC公司，開環(huán)的系統(tǒng)由閉環(huán)的系統(tǒng)取代；液壓的驅(qū)動系統(tǒng)由電氣驅(qū)動系統(tǒng)取代。這件事，一直在NC業(yè)界傳為美談。在這之后，F(xiàn)ANUC又成功地把交流伺服電機(jī)應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床上，然后不斷推出新的驅(qū)動裝置：如直線電機(jī)、高速內(nèi)裝電機(jī)、直接驅(qū)動電機(jī)等，提高了數(shù)控機(jī)床的性能，簡化了數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

1 數(shù)控機(jī)床對驅(qū)動裝置的要求

數(shù)控機(jī)床主要有兩種驅(qū)動裝置：進(jìn)給伺服驅(qū)動裝置和主軸驅(qū)動裝置。這兩種驅(qū)動裝置在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的性能優(yōu)劣。

數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給伺服裝置的要求

機(jī)械特性的要求

要求伺服裝置靜態(tài)和動態(tài)的速降小、剛度大。伺服系統(tǒng)的剛度與機(jī)床機(jī)械構(gòu)件的剛度有相同的意義，即在外部干擾力（切削力、重力等外力）作用下，這些力從工作部件傳到電機(jī)軸上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角位置變化。用C 表示單位外力矩作用下的位移： d= DqT（1）式中，Dq為工作部件角位移量，T為外加擾動力矩。要求d很小，甚至為零，即通電之后，伺服裝置處于閉環(huán)狀態(tài)，要求任何外力不使機(jī)床的工作部件發(fā)生位移（在限度以內(nèi)）。數(shù)控機(jī)床加工中有時從插補(bǔ)運(yùn)動過渡到某一軸的直線運(yùn)動或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，如果待工作的軸伺服剛性不好，加工精度同樣得不到，這是顯然的。伺服剛性通常是以對擾動力矩的響應(yīng)來綜合調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

相應(yīng)的要求

這在輪廓加工，特別對曲率大的加工對象進(jìn)行高速加工時要求較嚴(yán)格。

調(diào)速范圍的要求

這可以使數(shù)控機(jī)床適用于各種不同的刀具、加工材質(zhì)；適應(yīng)于各種不同的加工工藝。在機(jī)床加工時，當(dāng)工作部件處于停止?fàn)顟B(tài)，也即進(jìn)給電機(jī)的速度雖然為零，但要求伺服電機(jī)仍然具有轉(zhuǎn)矩，這樣才能"鎖住"工作部件；因此，進(jìn)給伺服裝置仍然處于"伺服"狀態(tài)。從理論上說，進(jìn)給驅(qū)動的調(diào)速范圍為大?；蛘哒f，進(jìn)給的調(diào)速范圍越大越好。比如FANUC的15系統(tǒng)速度范圍可達(dá)1,000,000,000:1。

輸出轉(zhuǎn)矩的要求

的輸出轉(zhuǎn)矩，并要求的過載轉(zhuǎn)矩。機(jī)床進(jìn)給機(jī)械負(fù)載的性質(zhì)主要是克服工作部件的摩擦力和切削阻力，因此主要是"恒轉(zhuǎn)矩"的性質(zhì)。

數(shù)控機(jī)床對主軸驅(qū)動裝置的要求

足夠的輸出功率

數(shù)控機(jī)床的主軸負(fù)載性質(zhì)近似于"恒功率"，也就是當(dāng)機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速高時，輸出轉(zhuǎn)矩較?。恢鬏S轉(zhuǎn)速低時， 輸出轉(zhuǎn)矩大； 即要求主軸驅(qū)動裝置也要具有"恒功率"的性質(zhì)?？墒钱?dāng)主軸電機(jī)工作在額定功率、額定轉(zhuǎn)速時，按照一般電機(jī)的原理，不可能在電機(jī)為額定功率下進(jìn)行恒功率的寬范圍調(diào)速。因此，往往在主軸的機(jī)械部分需增加一或二檔機(jī)械變速檔，以提高低速的轉(zhuǎn)矩，擴(kuò)大恒功率的調(diào)速范圍；或者降低額定輸出功率，擴(kuò)大恒功率調(diào)速范圍。

調(diào)速范圍的要求

為數(shù)控機(jī)床適用于各種不同的刀具、加工材質(zhì)，適應(yīng)于各種不同的加工工藝，要求主軸驅(qū)動裝置具有的調(diào)速范圍。對主軸的驅(qū)動裝置，一般較低的要求為1:100，高的要求為1:1,000以上。

速度精度的要求

一般要求靜差度小于5%，的要求為小于1%。如果速降過大，則加工的質(zhì)量就會受影響，比如光潔度就不好。

的要求

主軸驅(qū)動裝置有時也用在定位功能上，這就要求它也具有的性。

2 驅(qū)動電機(jī)的發(fā)展

進(jìn)給伺服用電機(jī)：從直流電機(jī)到交流電機(jī)，從旋轉(zhuǎn)電機(jī)到直線電機(jī)對于電動機(jī)，其輸出轉(zhuǎn)矩T的大小與激磁磁感應(yīng)強(qiáng)度B1和電樞磁感應(yīng)強(qiáng)度B2的大小及B1、B2之間夾角q的正弦成比例。即： T=k（B1×B2×sinq） （2）其中k為比例系數(shù)；直流電機(jī)由于電刷的位置在幾何中心線上，所以q=90°；因此控制簡單，可以輸出較大的力矩，了廣泛的應(yīng)用。但是直流電機(jī)電刷容易磨損，需要經(jīng)常更換，這就給維修造成困難。于是又了交流伺服電機(jī)。由于交流電機(jī)q≠90°，為了提，采用交流電機(jī)伺服控制理論和數(shù)字信號處理器可以對三相交流感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行矢量控制以q=90°；對于交流同步機(jī)結(jié)構(gòu)的伺服電機(jī)，同樣也可以采用矢量控制的方法，并通過控制磁場夾角的方法q=90°；由于它的特性可以與直流電機(jī)相當(dāng)，因此，進(jìn)給伺服應(yīng)用的電機(jī)大多數(shù)采用這種電機(jī)。

采用電伺服技術(shù)的初期階段，指令的控制為模擬控制；這種控制方法漂移大、精度差，由于數(shù)字控制可以克服上述缺點(diǎn)，因此越來越多地應(yīng)用。

當(dāng)前，F(xiàn)ANUC的伺服電機(jī)a3000HVis規(guī)格如下：額定輸出功率250kW，功率530kW，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩3000Nm，輸出轉(zhuǎn)矩為5300Nm，轉(zhuǎn)速為2000r/min，目前，也是世界上的伺服電機(jī)。這種電機(jī)主要應(yīng)用在數(shù)控注塑機(jī)和沖壓機(jī)上，原先，這些機(jī)械主要采用液壓驅(qū)動。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造的NC機(jī)床受制于標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動裝置及控制器，使加工的精度和速度受到限制。在上世紀(jì)80年代末出現(xiàn)了直線伺服電機(jī)。它由兩個元件組成，電磁力直接作用于移動元件而無需機(jī)械連接，沒有螺距周期誤差，精度依賴于反饋系統(tǒng)和分級的支承。由全數(shù)字伺服驅(qū)動器供電，剛性高，頻響好，因而可獲得高速度。比如L17000C3/2is 的直線電機(jī)： 推力可達(dá)17000N， 連續(xù)推力3400N/4080N/6800N（分別對應(yīng)自然冷/氣冷/水冷），速度可達(dá)4m/s，加速度30g， 分辨率可達(dá)0.01μm，甚至。直線電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，主要有如下幾個特點(diǎn)：一是結(jié)構(gòu)簡單，由于直線電機(jī)不需要有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變成直線運(yùn)動的附加裝置，因而使得系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)大為簡化，重量和體積地減少；二是定位，在需要直線運(yùn)動的地方，直線電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)直接傳動，因而可以中間環(huán)節(jié)所帶來的各種定位誤差，故定位；三是反應(yīng)、，可做到滑塊和定子之間始終保持的空氣隙而不接觸，這就了定子、滑塊間的接觸摩擦阻力，因而地提高了系統(tǒng)的靈敏度、性和隨動性；四是工作、壽命長。