數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)際金屬加工網(wǎng)

        一赡突、概述

　　伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)作為數(shù)控機(jī)床犯暮、工業(yè)機(jī)器人及其它產(chǎn)業(yè)機(jī)械控制的關(guān)鍵技術(shù)之一姨篮，在國(guó)內(nèi)外普遍受到關(guān)注恩奢。在20世紀(jì)最后10年間与沪，微處理器(特別是數(shù)字信號(hào)處理器--DSP)技術(shù)、電力電子技術(shù)阎恒、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)陨柴、控制技術(shù)的發(fā)展為伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。如果說(shuō)20世紀(jì)80年代是交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)取代直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的話棺厚，那么苞番，20世紀(jì)90年代則是伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化、智能化离钱、網(wǎng)絡(luò)化的10年锭化。這一點(diǎn)在一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家尤為明顯。

     二巧鸭、國(guó)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

     　無(wú)人化物咳、規(guī)模化生產(chǎn)對(duì)加工設(shè)備提出了高速度蹄皱、高精度览闰、高效率的要求，交流伺服系統(tǒng)具有高響應(yīng)巷折、免維護(hù)(無(wú)碳刷压鉴、換向器等磨損元部件)、高可靠性等特點(diǎn)锻拘，正好適應(yīng)了這一需求油吭。例如，日本FANUC公司署拟、三菱電機(jī)公司婉宰、安川電機(jī)公司妥畏、德國(guó)Siemens公司挽晌、AEG公司、力士樂(lè)Indramat公司辰诉、美國(guó)A.B公司酵抚、GE公司等均先后在1984年前后將交流伺服系統(tǒng)付諸實(shí)用辛辱。國(guó)內(nèi)的交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)起步較晚，到20世紀(jì)80年代末才有產(chǎn)品問(wèn)世遣睦。如冶金部自動(dòng)化研究院華騰公司的ACS系列唱忠、揚(yáng)州5308廠引進(jìn)Siemens公司的610系列旷糟，這些產(chǎn)品采用大功率晶體管模塊(GTR)，屬于模擬伺服临卿，但從技術(shù)上填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白巾鹰。

     　進(jìn)入20世紀(jì)90年代，微電子制造工藝的日臻完善楷象，使得DSP運(yùn)算速度呈幾何數(shù)上升其摘，達(dá)到了伺服環(huán)路高速實(shí)時(shí)控制的要求，一些運(yùn)動(dòng)控制芯片制造商還將電機(jī)控制所必需的外圍電路(如A/D轉(zhuǎn)換器堂憔、位置/速度檢測(cè)倍頻計(jì)數(shù)器、PWM發(fā)生器等)與DSP內(nèi)核集成于一體掐划，使得伺服控制回路采樣時(shí)間達(dá)到100?s以內(nèi)奥猎，由單一芯片實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加、減速控制掸屡，電子齒輪同步控制封寞，位置、速度仅财、電流三環(huán)的數(shù)字化補(bǔ)償控制狈究。一些新的控制算法如速度前饋、加速度前饋盏求、低通濾波抖锥、凹陷濾波等得以實(shí)現(xiàn)。另一方面碎罚，電力電子技術(shù)的發(fā)展磅废，使得伺服系統(tǒng)主電路功率元件的開(kāi)關(guān)頻率由2～5kHz提升到15～20kHz，1GBT(絕緣柵門雙極性晶體管)及IPM(智能型功率模塊)均是這一時(shí)代的產(chǎn)物荆烈，從而提高了系統(tǒng)的平穩(wěn)性拯勉，降低了系統(tǒng)的噪音。以上兩個(gè)方面不僅是交流伺服實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的基礎(chǔ)憔购，而且使得交流伺服趨于小型化宫峦。目前一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的伺服系統(tǒng)生產(chǎn)廠家基本上均能夠提供全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)或者可以與自己的CNC系統(tǒng)相配套，如日本FANUC公司罚琅、三菱電機(jī)公司涮舔、安川電機(jī)公司、松下公司南谈、山洋電機(jī)公司巡抛、德國(guó)Siemens公司、力士樂(lè)Indramat公司痪蚤、Lenze公司追艘、美國(guó)A.B公司凄系、Kollmorgen公司、Relliance公司娇符、Baldor公司量票、Pacific Scientific公司等。

     　全數(shù)字交流伺服技術(shù)的飛速發(fā)展遂撮，使得用戶根據(jù)負(fù)載狀況(如慣量来讯、間隙、摩擦力等)調(diào)整參數(shù)更為方便壳坪，也省去了一些模擬回路所產(chǎn)生的漂移等不穩(wěn)定因素舶得，但在發(fā)展初期，伺服接口缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)爽蝴，各個(gè)廠家均設(shè)計(jì)自己的接口電路沐批，相互之間無(wú)可互換性，用戶適配較為麻煩蝎亚。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及PC-based CNC技術(shù)快速發(fā)展的情況下九孩，這一問(wèn)題尤為突出。

     　在1987年发框，由德國(guó)機(jī)床協(xié)會(huì)和德國(guó)電力電子協(xié)會(huì)聯(lián)合提出數(shù)字驅(qū)動(dòng)接口國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)躺彬，即SERCOS(SerialReal-time Communication System串行實(shí)時(shí)通信系統(tǒng))接口作為高性能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)閉環(huán)數(shù)據(jù)串行實(shí)時(shí)通信接口，這兩個(gè)協(xié)會(huì)將電機(jī)梅惯、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)宪拥、CNC系統(tǒng)的主要制造商組成一個(gè)聯(lián)合工作組。最初加入SERCOS工作組的公司有AEC铣减、ABB江解、AMK、Banmuller徙歼、Bosch废筒、Indramat、Siemens捆牍、Pacific Scientific等幾家公司棉挤。到了1994年，SERCOS成為控制器與數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)接口的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)并作為IEC61491標(biāo)準(zhǔn)獲得通過(guò)跃躯，因此具有開(kāi)放性岳扒，迄今成員已增加到70多個(gè)公司。與此同時(shí)唯久，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的ASIC芯片掘叫、SERCON816，傳輸速度為2/4/8/16 Mbit/s吕罩，SERCOS與其它串行現(xiàn)場(chǎng)總線相比洒屡，有效數(shù)據(jù)傳輸率高躯橡，例如Ethement以100Mbit/s速度傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，有效數(shù)據(jù)傳輸率為5～10Mbit/s查奉；SERCOS以16Mbit/s速度傳輸數(shù)據(jù)時(shí)廉屑，有效數(shù)據(jù)傳輸率為11Mbit/s。CAN(controller Area Network)用于運(yùn)動(dòng)控制時(shí)档玻，必須提供額外的存儲(chǔ)緩沖器及信號(hào)管理資源怀泊，其成本大約是SERCOS接口的2倍，另一個(gè)特點(diǎn)是它的光纖噪聲抑制能力強(qiáng)误趴、傳輸可靠性高霹琼。雖然SERCOS接口初終是為CNC與數(shù)字伺服接口而開(kāi)發(fā)，迄今已被廣泛應(yīng)用于通用運(yùn)動(dòng)控制器與數(shù)字伺服之間的接口凉当。目前已能滿足在2ms內(nèi)枣申，使一臺(tái)控制器與多達(dá)32個(gè)伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。SERCOS為數(shù)字伺服網(wǎng)絡(luò)化鋪就了一條寬闊大道纤怒，可以預(yù)見(jiàn)糯而，在不遠(yuǎn)的將來(lái)天通，帶有SERCOS接口的伺服系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入家庭泊窘、辦公室、工廠車間乃至各個(gè)與伺服應(yīng)用相關(guān)的領(lǐng)域像寒。力士樂(lè)Indramat公司在1999年之所以占據(jù)北美伺服驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)10.5%的份額烘豹、位居第一位，一方面是該公司在應(yīng)用工程会贝、銷售苞誊、服務(wù)及用戶支持方面的加強(qiáng)，另一個(gè)主要因素是承諾開(kāi)放結(jié)構(gòu)--SERCOS跺鬼。

     　輕質(zhì)(如銅盘贤、木材、鋁合金等)墩沸、復(fù)合材料在汽車蚣枝、家電、AF 業(yè)中的大量使用址嘴，對(duì)高速歼呼、高效加工提出了新的要求。為了適應(yīng)這一需求蚀弹，一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相繼推出直線電機(jī)犁捕、高速主軸電機(jī)，而且付諸實(shí)用减叫。對(duì)于直線電機(jī)而言萤遥，其控制技術(shù)與傳統(tǒng)的交流伺服電機(jī)相差不多裕坊，但由于直線電機(jī)本身沒(méi)有轉(zhuǎn)子等轉(zhuǎn)動(dòng)體，因而本身慣量小曙求，所以具有高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性碍庵，而檢測(cè)元件直接安裝于機(jī)械一側(cè)，從而檢測(cè)工作臺(tái)的位移悟狱，也避免了旋轉(zhuǎn)電機(jī)在方向改變時(shí)所存在的換向間隙静浴，滿足了高速、高精密加工對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求挤渐。從IMTS 2000展覽會(huì)來(lái)看苹享，一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家在高速加工技術(shù)方面處于領(lǐng)先水平，IBAG公司已向業(yè)界提供0.125～185kW浴麻，最高轉(zhuǎn)速為14,000r/min的系列化高速內(nèi)裝式主軸系統(tǒng)得问，徑向、軸向重復(fù)精度小于1?m软免，電機(jī)軸承有混合陶瓷軸承宫纬、液靜壓軸承、磁浮軸承三種膏萧，采用水管冷卻漓骚，且內(nèi)置位置傳感器供加工中心ATC之用。主軸驅(qū)動(dòng)采用矢量變頻技術(shù)尤稍，已在
     　然而捏裂，近年來(lái)在國(guó)家不斷組織科技攻關(guān)的同時(shí)，一些民營(yíng)高科技公司也為發(fā)展我國(guó)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)注入了新的活力甸胃。例如北京中寶倫自動(dòng)化技術(shù)有限公司在國(guó)家沒(méi)有投入一分錢的情況下吩屹，以市場(chǎng)為導(dǎo)向，不斷開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，1994年開(kāi)發(fā)成功PDC系列直流伺服系統(tǒng)煤搜，扭矩從1Nom至44.1Nom共有七個(gè)規(guī)格的寬調(diào)速直流伺服電機(jī)免绿，采用國(guó)際上最新一代的功率器件--IPM、PWM控制擦盾，調(diào)制頻率達(dá)到15kHz嘲驾，有效地克服了以往SCR控制時(shí)電流斷續(xù)所產(chǎn)生的換向火花對(duì)于換向器的燒蝕，可使碳刷壽命延長(zhǎng)1倍以上迹卢。1997年底該公司又開(kāi)發(fā)成功PAC系列交流伺服系統(tǒng)辽故，與蘭州電機(jī)廠引進(jìn)德國(guó)Siemens公司1FT5系列的94個(gè)規(guī)格的無(wú)刷交流伺服電機(jī)相配套。轉(zhuǎn)速系列有1,200r/min腐碱、2,000r/min誊垢、3,000r/min、4,000r/min症见、4,500r/min喂走、6,000r/min，扭矩范圍0.15～90N·谋作；2000年11月又根據(jù)市場(chǎng)需求兵故，開(kāi)發(fā)出PAC-P系列數(shù)字化位置型交流伺服系統(tǒng)。這些產(chǎn)品推向市場(chǎng)后缩棉，取得了很好的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益折甸，得到北京第一機(jī)床廠、清華大學(xué)精密儀器廠锌拾、青海第一機(jī)床廠等廠家認(rèn)可绕众，與XA5750滑枕銑床瞪卜、XA718立式銑床肴摊、XA2412/2410龍門銑床和XKA5032數(shù)控立式銑床、數(shù)控異型螺桿銑床畴文、XKA8132/8140數(shù)控銑床等配套碉晾。除此之外，也應(yīng)用于復(fù)合材料成型機(jī)械删猿、汽車子午胎一段陋窗、二段成型及裁斷機(jī)械、衛(wèi)星風(fēng)洞群控制隅本、電子元件材料切割实愚、編帶等領(lǐng)域。目前兔辅，近200臺(tái)應(yīng)用于國(guó)內(nèi)各大汽車子午胎生產(chǎn)線腊敲，每日24h連續(xù)運(yùn)行。除在國(guó)內(nèi)應(yīng)用外维苔，從1997年開(kāi)始碰辅，該公司部分產(chǎn)品由北京第一機(jī)床廠配套出口到德國(guó)懂昂、加拿大、澳大利亞等國(guó)家没宾。從1994年至今售出將近1000臺(tái)套交/直流伺服系統(tǒng)凌彬，幾年來(lái)無(wú)一臺(tái)返修，根據(jù)該公司記錄數(shù)字來(lái)看循衰，只有8臺(tái)均由于用戶接線錯(cuò)誤而導(dǎo)致保險(xiǎn)電阻铲敛、電源回路及接口元器件燒壞。使用中寶倫產(chǎn)品的用戶改變了對(duì)于國(guó)產(chǎn)伺服系統(tǒng)可靠性不好的看法会钝。華中數(shù)控系統(tǒng)有限公司原探、珠峰數(shù)控公司、航天數(shù)控公司忘当、中科院電工所等單位通過(guò)實(shí)施國(guó)家科技項(xiàng)目攻關(guān)芯妇，已能夠向各機(jī)床制造廠配套自身數(shù)控系統(tǒng)所需要的伺服系統(tǒng)，還應(yīng)用于一些老設(shè)備技術(shù)改造圈蛹。洛陽(yáng)軸承研究所自主研發(fā)高速電主軸肃刁，已應(yīng)用于軸承磨床、印刷電路板銑奇茫、鉆等方面孙泵。

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三菱機(jī)床工業(yè)機(jī)器人電子制造電子加工

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