浅谈数控伺服驱动装置

序

装备工业的技术水平和现代化程度决定了整个国民经济的水平和现代化程度。数控技术与装备是发展新兴高技术产业和尖端产业(如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业)的使能技术和最基础的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别不在于生产什么，而在于如何生产，用什么劳动手段生产”。制造技术和装备是人类生产活动中最基本的生产资料，数控技术是当今先进制造技术和装备的核心技术。当今世界，数控技术被广泛应用于制造业，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争力。此外，世界发达国家还将数控技术和装备列为国家战略物资，不仅采取重大措施发展本国数控技术和产业，还对我国“高精”数控关键技术和装备实施封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术，已经成为世界发达国家加快经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。

数控技术是利用数字信息控制机械的运动和工作过程的技术。数控装备是以数控技术为代表的新技术向传统制造业和新兴制造业渗透而形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备。其技术范围涵盖多个领域:(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工和传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术；(6)软件技术等。

1国内外数控技术的发展

世界制造业在20世纪最后十年经历了几次反复，一度几乎成为夕阳产业，所以美国人首先提出振兴现代制造业。20世纪90年代，世界数控机床制造业经历了重大重组。比如美国、德国等几大制造商都发生了很大的变化，从90年代初开始明显反弹，形成了全世界制造业技术升级的新浪潮。比如德国机床行业从2000年开始，三个月后接受订单合同，生产任务满。

20世纪人类社会最伟大的科技成就是计算机的发明和应用。计算机和控制技术在机械制造设备中的应用是本世纪制造业发展中最重大的技术进步。从1952年美国的1数控铣床问世到现在已经50年了。数控设备包括车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工和各种专机，形成了数控制造设备的庞大家族，全球年产量65，438+000 ~ 20万台，产值数百亿美元。

中国数控机床制造业在20世纪80年代有一个高速发展阶段，许多机床厂实现了从传统产品向数控产品的转变。但总的来说，技术水平不高，质量也不好。所以在90年代初，面临国民经济从计划经济向市场经济的转移和调整，经历了几年来最艰难的萧条，当时产能下降到50%，库存超过4个月。从1995“九五”以后，国家通过扩大内需启动机床市场，加强限制数控设备进口的审批，主要投入支持关键数控系统、设备和技术研究，极大地促进了数控设备的生产。特别是1999之后，国家在国防工业和重点民用行业投入了大量的技术改造资金，使得数控装备制造市场繁荣起来。从2000年8月的上海数控机床展和2001年4月的北京国际机床展也可以看出多种产品的繁荣。但这也反映了以下问题:

(1)低技术产品竞争激烈，互相压低价格促进；

(2)高科技、全功能产品主要依赖进口；

(3)数控系统配套的优质功能部件和附件主要进口；

(4)应用技术水平低，组网技术没有完全普及；

(5)自主开发能力差、技术水平相对较高的产品主要依靠进口图纸、合资生产或进口零部件组装。

当今世界工业国家拥有数控机床的数量反映了国家的经济能力和国防实力。目前中国拥有世界上最多的机床(近300万台)，但我们的机床数控化率只有1.9%左右，与西方工业国家一般的20%相差太远。日本机床不到80万台，但制造能力是中国的近10倍。现有数控机床的数控率低、利用率低、开机率低，是21世纪发展中国制造业必须首先解决的最重要问题。中国每年生产3000 ~ 4000台全功能数控机床，日本1生产5万多台数控机床。我们每年花费十几亿美元进口7000 ~ 9000台数控机床。即便如此，中国制造业也很难大幅提升行业数控化率。因此，国家计委和经贸委从“八五”和“九五”提出了数控化改造的方针。“九五”期间，我们协会也进行了研究。届时，拟进行数控改造的设备数量可达80 ~ 65438+万台，需要投资800 ~ 10亿元，但经济效益将是投资的5 ~ 10倍以上。所以这两年涌现了一大批企业公司，甚至有美国公司加入。十五之初，国防科工委明确提出对军工企业投资6.8亿元用于1.2 ~ 1.8万台机床的数控化改造。

经过50年两个阶段、六代的发展，数控技术；

阶段1:硬件数控(NC)

1代:1952电子管

第二代:1959晶体管分离元件

第三代:1965小规模集成电路

第二阶段:软件数控(CNC)

第四代:1970小型计算机

第五代:1974微处理器

第六代:1990基于个人电脑(PC-baseo)

第六代系统的优势主要包括:

(1)元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性达到50000小时以上；

(2)基于PC平台，技术进步快，升级容易；

(3)提供了开放的基础，可用的软硬件资源丰富，使数控功能可以扩展到广泛的领域(如CAD、CAM、CAPP、连接网卡、声卡、打印机、相机等。);

(4)对于数控系统制造商来说，它提供了一个优秀的开发环境，简化了硬件。

目前世界上最大的数控系统生产厂家是日本FANUC公司，1年生产5万多套系统，约占世界市场的40%，其次是德国西门子公司，占15%以上，其次是德国海德堡、西班牙福格、意大利菲迪亚、法国NUM、三菱、日本安川。

国内数控系统厂商主要有华中数控、北京航天机床数控集团、北京凯恩帝、北京凯奇、沈阳一天、广州数控、南京新方达、成都广泰等。国内数控厂商规模较小，年产量不超过300 ~ 400台。

近10年来，为了适应机械加工技术的发展，数控机床在以下技术领域取得了巨大的进步。

(1)高速

由于高速加工技术的普及，机床各方面的速度普遍提高。车床主轴转速由3000 ~ 4000转/分提高到8000 ~ 10000转/分，铣床和加工中心主轴转速由4000 ~ 8000转/分提高到12000转/分，24000转/分。快速移动速度从10 ~ 20m/min提高到48m/min、60m/min、80m/min、120m/min。同时要求提高运动部件的启动加速度，从过去一般机床的0.5G(重力加速度)提高到1.5 ~ 2g，最高达到65438。

(2)高精度

数控机床定位精度从0.01 ~ 0.02 mm提高到0.008mm左右，亚微米机床提高到0.0005mm左右，纳米级机床提高到0.005 ~ 0.01微米，最小分辨率为1 nm (0.00001 mm)。

数控两轴以上插补技术大幅提升。纳米级的插补可以使两轴链接的圆弧达到1μ。在插补之前，提前读入了很多程序段，大大提高了插补质量，可以进行自动拐角处理。

(3)复合加工和新结构机床大量出现。

比如5轴5面复合加工机床，5轴5联动加工各种异形零件。还衍生出各种新颖的机床结构，包括6轴虚拟轴机床、串并联铰链机床等。采用特殊的机械结构、特殊的数控运行方式和特殊的编程要求。

(4)使用各种高效专用工具，使数控机床“更强大”。例如，内部冷却钻头在钻深孔时大大提高了效率，因为高压冷却液直接冷却钻头的切削刃并去除切屑。钢零件切割速度可达1000m/min，铝零件切割速度可达5000m/min。

(5)数控机床的开放性和网络化管理是使用数控机床的基本要求。它不仅是提高数控机床运转率和生产率的必要手段，也是企业合理化和优化使用这些制造方法的方法。因此，在数控机床的基础上发展计算机集成制造、网络制造、远程诊断、虚拟制造、异地工程等各种新技术，必然成为21世纪制造业发展的一大趋势。

2、数控技术的发展趋势

数控技术的应用不仅给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的标志，而且在一些重要行业(IT、汽车、轻工、医疗等)的发展中发挥着越来越重要的作用。)随着数控技术的不断发展和应用领域的不断扩大，因为这些行业所需设备的数字化已经成为现代发展的大趋势。从世界数控技术及其装备的发展趋势来看，其主要研究热点有[1 ~ 8]。

2.1高速高精加工技术与设备的新趋势

效率和质量是先进制造技术的主体。高速高精加工技术可以大大提高效率，提高产品质量和档次，缩短生产周期，提高市场竞争力。因此，日本先进技术研究协会将其列为现代制造五大技术之一，CIRP将其确定为21世纪的中心研究方向之一。

在汽车工业领域，每年30万辆汽车的生产周期是40秒，多品种加工是汽车装备必须解决的关键问题之一。在航空航天领域，加工的零件多为薄壁薄筋，刚度差，材料为铝或铝合金。只有在高切削速度和小切削力的条件下，才能加工出这些筋和壁。最近采用“挖空”大型整体铝合金毛坯的方法制造机翼、机身等大型部件，而不是通过众多的铆钉、螺钉等连接方式组装多个部件，使部件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工设备提出了高速、高精度、高柔性的要求。

根据EMO2001的展示，高速加工中心的进给速度可以达到80m/min甚至更高，空转速度可以达到100m/min左右。目前，世界上许多汽车厂，包括中国的上海通用汽车公司，都用高速加工中心组成的生产线部分替代了组合机床。美国辛辛那提公司HyperMach机床最大进给速度60m/min，快速度100m/min，加速度2g，主轴转速达到了60 000r/min。加工一个薄壁飞机零件只需要30分钟，而在普通高速铣床上加工同样的零件需要3个小时，在普通铣床上需要8个小时。德国DMG公司生产的双轴车床主轴转速和加速度分别达到12*！000转/毫米和1克。

在加工精度方面，近10年，普通数控机床加工精度从10μm提高到5μm，精密加工中心从3 ~ 5μ m提高到1 ~ 1.5μ m，超精密加工精度开始进入纳米级(0.01μm)。

在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值达到了6 000h以上，伺服系统的MTBF值达到了30000h以上，表现出了非常高的可靠性。

为了实现高速、高精度加工，电主轴、直线电机等配套功能部件发展迅速，应用领域进一步扩大。

2.2五轴联动加工bsp

利用五轴联动加工三维曲面零件，刀具可以切削出最佳的几何形状，不仅光洁度高，而且效率大大提高。一般来说，1五轴联动机床的效率可以和2台三轴联动机床的效率相当，尤其是立方氮化硼这种超硬材料铣刀用于高速铣削淬硬钢零件时，五轴联动加工比三轴联动加工能带来更大的效益。但过去由于五轴数控系统和主机结构复杂，编程技术难度大，其价格比三轴数控机床高出数倍，制约了五轴数控机床的发展。

目前，由于电主轴的出现，用于5轴联动加工的复合轴头结构大大简化，其制造难度和成本大大降低，数控系统的价格差距缩小。从而推动了复合轴头式五轴联动机床和复合加工机床(包括五面加工机床)的发展。

在EMO2001展会上，NIKO的5面加工机床采用了复合主轴头，可以实现4个垂直面和任意角度的加工，使5面加工和5轴加工可以在同一台机床上实现，还可以实现斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司展出的DMUVoution系列加工中心可在一次装夹下进行五面加工和五轴联动加工，并可由CNC系统或CAD/CAM直接或间接控制。

2.3智能化、开放性和网络化已成为当代数控系统发展的主要趋势。

21世纪的数控设备将是一个智能系统，它包括数控系统中的各个方面:为了追求加工效率和加工质量的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数的自动生成；为了提高驱动性能和易于连接的智能化，如前馈控制、电机参数自适应运行、负载自动识别、自动选型、自校正等。简化编程，简化操作的智能化，比如智能自动编程，智能人机界面；还有智能诊断，智能监控，方便系统诊断和维护等。

为了解决封闭的传统数控系统和工业化生产数控应用软件存在的问题。目前，许多国家都在研究开放式数控系统，如美国的NGC(下一代工作站/机床控制)和欧洲的OSACA(Op)。

以及中国的ONC(开放式数控系统)。数控系统的开放性已经成为数控系统的未来。所谓开放式数控系统，是指数控系统的开发可以在统一的操作平台上面向机床制造商和最终用户。通过改变、增加或削减结构对象(数控功能)，可以形成系列化，用户的特殊应用和技术诀窍可以方便地集成到控制系统中，从而快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成个性鲜明的名牌产品。目前，开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统函数库和数控系统功能软件开发工具是当前研究的核心。

网络化数控设备是近两年国际知名机床博览会上的一个新亮点。数控设备的网络化将极大地满足生产线、制造系统和制造企业的信息集成需求，也是实现敏捷制造、虚拟企业和全球制造等新型制造模式的基本单元。国内外一些知名数控机床和数控系统制造公司近两年推出了相关的新概念和样机，如Mazak Yamazaki在EMO2001展出的“CyberProduction Center”(简称CPC)；日本大间机床公司展出“IT广场”(信息技术广场，简称IT广场)；德国西门子公司展示的开放式制造环境(OME)反映了数控机床加工走向网络化的趋势。

2.4重视新技术标准和规范的建立。

2.4.1关于数控系统的设计和开发规范

如上所述，开放式数控系统具有更好的通用性、灵活性和适应性。许多国家实施了战略发展计划，研究并制定了开放式体系结构数控系统规范(OMAC、奥萨卡、OSEC)。世界上最大的三个经济体在短时间内制定了几乎相同的科学计划和规范，这预示着数控技术新变革时期的到来。2000年，我国也开始研究制定我国ONC数控系统的标准框架。

2.4.2关于数控标准

数控标准是制造业信息化发展的趋势。在数控技术诞生后的50年里，信息交换是以ISO6983标准为基础的，即用g代码和M代码来描述如何加工，其本质特征是面向加工过程。显然，它已经不能满足现代数控技术快速发展的需要。因此，国际上正在研究制定新的数控系统标准ISO 14649 (Step-NC ),旨在提供一种不依赖于特定系统、能够描述产品全生命周期统一数据模型的中性机制，从而实现整个制造过程乃至各个工业领域的产品信息标准化。

STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，将对数控技术乃至整个制造业的发展产生深远的影响。首先，STEP-NC提出了全新的制造理念。在传统的制造观念中，数控加工程序都集中在单台计算机上。在新标准下，数控程序可以在网上发布，这是数控技术开放和网络化发展的方向。其次，STEP-NC系统可以大大减少加工图纸(约75%)、编程时间(约35%)和加工时间(约50%)。

目前欧美国家对STEP-NC的研究非常重视，欧洲发起了STEP-NC的IMS计划(1999.1.1 ~ 2001.12.31)。来自欧洲和日本的20个CAD/CAM/CAPP/CNC用户、制造商和学术机构参加了这个项目。STEP Tools是一家美国公司，是制造数据交换软件的全球开发商。他开发了数控机床信息交换的超级模型，目标是用统一的规范描述所有的加工过程。目前，这种新的数据交换格式已经在装有西门子、FIDIA和欧洲OSACA-NC数控系统的样机上得到验证。

2.5灵活性包括两个方面:数控系统本身的灵活性，数控系统的模块化设计，功能覆盖面大，剪裁性强，容易满足不同用户的需求；群控系统的灵活性，同一个群控系统可以根据不同生产过程的要求自动、动态地调整物流和信息流，从而最大限度地发挥群控系统的效率。

2.6工序复杂化和以减少工序和辅助时间为主要目的的多轴复合加工正在向多轴多系列控制功能发展。数控机床的工艺复合是指工件在机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转盘等多种措施，进行多工序、多曲面的复合加工。西门子880系统控制的轴数可达24个。(4)实时智能化早期的实时系统通常是针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，保证任务在规定的时限内完成。而人工智能则试图用计算模型来实现人类的各种智能行为。随着科学技术的发展，实时系统和人工智能相互结合，人工智能向着具有实时响应的更现实的领域发展，而实时系统也向着具有智能行为的更复杂的应用发展，从而产生了实时智能控制的新领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展:自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如，数控系统配备了编程专家系统、故障诊断专家系统、自动参数设置、自动刀具管理和补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入了提前预测和预算、动态前馈等功能，在压力、温度、位置和速度控制中采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最优控制的目的。

2.7功能发展方向

(1)用户界面图形用户界面是数控系统与用户之间的对话界面。由于不同的用户对界面有不同的要求，开发用户界面的工作量是巨大的，用户界面已经成为计算机软件开发中最难的部分之一。目前，互联网、虚拟现实、科学计算可视化和多媒体技术也对用户界面提出了更高的要求。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于实现蓝图编程和快速编程、三维彩色三维动态图形显示、图形仿真、图形动态跟踪和模拟、不同方向视图和局部显示的缩放功能。

(2)科学计算的可视化科学计算的可视化可以用来高效地处理和解释数据，使信息交流不再局限于文字和语言，而是可以直接使用图形、图像、动画等可视化信息。可视化技术与虚拟环境技术的结合进一步拓宽了无图纸设计、虚拟样机技术等应用领域，对于缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。在数控技术领域，可视化技术可用于CAD/CAM，如自动编程设计、自动参数设置、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示、加工过程的可视化仿真演示等。

(3)插补和补偿方法多样化，如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2D+2螺旋插补、纳米插补、NURBS插补(非均匀有理B样条插补)、样条插补(A、B、C样条插补)、多项式插补等。多种补偿功能，如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带有平滑进刀和退刀的刀具半径补偿以及相对点的计算等。

(4)内置高性能PLC数控系统内置高性能PLC控制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。编程工具包括车床和铣床的标准PLC用户程序的例子，用户可以在标准PLC用户程序的基础上进行编辑和修改，从而方便地建立自己的应用程序。

(5)多媒体技术应用多媒体技术，将计算机、视听、通信技术融为一体，使计算机具备综合处理声音、文字、图像、视频信息的能力。在数控技术领域，多媒体技术的应用可以使信息处理综合化、智能化，在实时监控系统、生产现场设备故障诊断、生产过程参数监控等方面有很大的应用价值。

2 .8建筑的发展

(1)集成采用高度集成的CPU、RISC芯片、大规模可编程集成电路FPGA、EPLD、CPLD和ASIC芯片，可以提高数控系统的集成度和软硬件的运行速度。FPD平板显示技术的应用可以提高显示性能。平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点，可以实现超大显示。它已经成为与CRT相抗衡的新显示技术，是21世纪显示技术的主流。先进的封装和互连技术被应用于集成半导体和表面安装技术。通过增加集成电路的密度，减少互连的长度和数量，降低了产品价格，提高了性能，减小了元件尺寸，提高了系统的可靠性。

(2)模块化硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求，将基本模块如CPU、存储器、位置伺服、PLC、I/O接口、通信等模块做成标准系列产品，通过积木式方式进行功能裁剪和模块数量增减，形成不同档次的数控系统。

(3)联网机床可以联网进行远程控制和无人操作。通过机床的联网，可以在任何机床上对其他机床进行编程、设置、操作和运行，同时在每台机床的屏幕上显示不同机床的画面。

(4)通用开放式闭环控制模式采用通用计算机，形成总线式、模块化、开放式、嵌入式的体系结构，便于裁剪、扩展和升级，可形成不同档次、类型和集成度的数控系统。闭环控制模式是针对传统数控系统中唯一专用的单机闭环控制模式而提出的。由于制造过程是多变量控制和加工技术综合作用的复杂过程，包括加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等多种因素，为了实现加工过程的多目标优化，必须采用多变量闭环控制，在实时加工过程中动态调整加工过程变量。加工过程采用开放、通用的实时动态闭环控制模式，易于集成计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理、动态刀具补偿、动态仿真等高新技术，形成制造过程的严格闭环控制系统，实现集成化、智能化、网络化。

3、智能数控系统

3.1国内外数控系统发展综述

随着计算机技术的飞速发展，传统制造业开始了根本性的变革。发达国家投入巨资研发现代制造技术，提出了全新的制造模式。现代制造