伺服电机控制技术的发展推动了高速、高精度的加工技术。自20世纪80年代以来,伺服电机逐渐被用作数控系统的驱动装置。AC 伺服电机为无刷结构,维护量小,体积相对较小,有利于速度和功率的提升。
交流伺服系统已被广泛地应用于直流伺服系统的开发中。交流伺服取代 DC伺服、软件控制已成为现代数控系统伺服技术的发展趋势。在此基础上,开发了用于数控机床伺服进给、主轴装置的交流数字化驱动系统。单片机及全数字化交流伺服系统的发展,大大提高了数控系统的运算速度,降低了采样时间。采用软件伺服控制代替硬件伺服控制,提高了伺服系统的性能。例如,OSP-U10/U100网络数控系统的伺服控制回路是一种高性能的伺服控制网络,实现了对所有伺服装置和部件的分散配置和网络连接进行自律控制,进一步发展了其对机床的控制能力和通信速度。这些技术的发展提高了伺服系统的性能、可靠性、调试便利性和灵活性,极大地推动了高精度、高速加工技术的发展。
此外,先进传感器检测技术的发展,大大提高了交流电机调速系统的动态响应性能和定位精度。交流伺服电机速度控制系统中位置和速度传感器一般采用无刷旋转变压器、混合式光电编码器和绝对值编码器,它们的传感器响应时间小于1 μ s,伺服电机本身也在向高速化发展。有了上述高速编码器,可以实现60m/min甚至100m/min的快速进给和1g的加速。为了保证电机高速平稳旋转,对电机的磁路设计进行了改进,并借助高速数字伺服软件,可以保证电机即使在旋转小于1 μ m的情况下也不会出现爬行的情况。
Ac 伺服电机直接驱动馈电技术已经成熟。数控机床的进给驱动有两种:“旋转伺服电机+精密高速滚珠丝杠”和“直线电机直接驱动”。传统滚珠丝杠技术成熟,加工精度高,实现高速的成本相对较低,目前应用广泛。滚子和滚珠丝杠驱动的高速加工机床的最大运动速度为90m/min,加速度为1.5g,但滚珠丝杠是机械驱动的,机械部件之间存在弹性变形、摩擦和齿隙,会相应地引起运动滞后和非线性误差,因此滚珠丝杠副的运动速度和加速度很难进一步提高。
从90年代开始,直线电机直接驱动进给驱动被应用于高速、高精度的大型加工机床。与滚珠丝杠传动相比,具有刚性更高、速度范围更宽、加速特性更好、惯性更小、动态响应更好、运行更平稳、位置精度更高的优点。并且直线电机直接驱动,无需中间机械传动,减少了机械磨损和传动误差以及维护工作。与滚珠丝杠传动相比,直线电机直驱速度提高30倍,加速度提高10倍,最大10g,刚度提高7倍,最大响应频率100Hz,仍有很大的发展空间。目前,在高速高精度加工机床领域,两种驱动方式将长期并存,但从发展趋势来看,直线电机驱动的比重将越来越大。有迹象表明,直线电机驱动在高速高精度加工机床中的应用已进入加速增长期。