數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)現(xiàn)狀和趨勢(shì)

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伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)作為數(shù)控機(jī)床、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,，在國(guó)內(nèi)外普遍受到關(guān)注,。
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% k5 g0 K5 }3 r5 z% X) z  一、概述

. I$ p" h9 U6 `$ c/ d; x  伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)作為數(shù)控機(jī)床,、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,，在國(guó)內(nèi)外普遍受到關(guān)注。在20世紀(jì)最后10年間,，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)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù),、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，那么,，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、網(wǎng)絡(luò)化的10年,。這一點(diǎn)在一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家尤為明顯,。
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; l* t8 r/ ?6 L4 _# T% u  二、國(guó)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

  無(wú)人化,、規(guī)�,；�生產(chǎn)對(duì)加工設(shè)備提出了高速度、高精度、高效率的要求,，交流伺服系統(tǒng)具有高響應(yīng),、免維護(hù)(無(wú)碳刷、換向器等磨損元部件),、高可靠性等特點(diǎn),，正好適應(yīng)了這一需求。例如,，日本FANUC公司,、三菱電機(jī)公司、安川電機(jī)公司,、德國(guó)Siemens公司,、AEG公司、力士樂Indramat公司,、美國(guó)A.B公司,、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。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,。如冶金部自動(dòng)化研究院華騰公司的ACS系列、揚(yáng)州5308廠引進(jìn)Siemens公司的610系列,，這些產(chǎn)品采用大功率晶體管模塊(GTR),，屬于模擬伺服，但從技術(shù)上填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白,。
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" `( D9 O! g0 A4 _: G  進(jìn)入20世紀(jì)90年代,，微電子制造工藝的日臻完善，使得DSP運(yùn)算速度呈幾何數(shù)上升,，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、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,，使得伺服控制回路采樣時(shí)間達(dá)到100?s以內(nèi)，由單一芯片實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加,、減速控制,，電子齒輪同步控制，位置,、速度,、電流三環(huán)的數(shù)字化補(bǔ)償控制。一些新的控制算法如速度前饋,、加速度前饋,、低通濾波,、凹陷濾波等得以實(shí)現(xiàn)。另一方面,，電力電子技術(shù)的發(fā)展,，使得伺服系統(tǒng)主電路功率元件的開關(guān)頻率由2～5kHz提升到15～20kHz，1GBT均是這一時(shí)代的產(chǎn)物,，從而提高了系統(tǒng)的平穩(wěn)性,，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),，而且使得交流伺服趨于小型化,。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,、三菱電機(jī)公司、安川電機(jī)公司,、松下公司,、山洋電機(jī)公司、德國(guó)Siemens公司,、力士樂Indramat公司,、Lenze公司、美國(guó)A.B公司,、Kollmorgen公司,、Relliance公司、Baldor公司,、Pacific Scientific公司等,。
  全數(shù)字交流伺服技術(shù)的飛速發(fā)展，使得用戶根據(jù)負(fù)載狀況(如慣量,、間隙,、摩擦力等)調(diào)整參數(shù)更為方便，也省去了一些模擬回路所產(chǎn)生的漂移等不穩(wěn)定因素,，但在發(fā)展初期,，伺服接口缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)廠家均設(shè)計(jì)自己的接口電路,，相互之間無(wú)可互換性,，用戶適配較為麻煩。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及PC-based CNC技術(shù)快速發(fā)展的情況下,，這一問(wèn)題尤為突出,。
  在1987年，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),，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)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、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,、ABB、AMK,、Banmuller,、Bosch等幾家公司。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),，因此具有開放性，迄今成員已增加到70多個(gè)公司,。與此同時(shí),，開發(fā)了相應(yīng)的ASIC芯片、SERCON816,，傳輸速度為2/4/8/16 Mbit/s,，SERCOS與其它串行現(xiàn)場(chǎng)總線相比，有效數(shù)據(jù)傳輸率高,，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；SERCOS以16Mbit/s速度傳輸數(shù)據(jù)時(shí),，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)，必須提供額外的存儲(chǔ)緩沖器及信號(hào)管理資源,，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)、傳輸可靠性高,。雖然SERCOS接口初終是為CNC與數(shù)字伺服接口而開發(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。目前已能滿足在2ms內(nèi),，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，可以預(yù)見,，在不遠(yuǎn)的將來(lái),，帶有SERCOS接口的伺服系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入家庭、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,。力士樂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、位居第一位,，一方面是該公司在應(yīng)用工程,、銷售,、服務(wù)及用戶支持方面的加強(qiáng)，另一個(gè)主要因素是承諾開放結(jié)構(gòu)--SERCOS,。

6 h) ~/ f* C7 Y- ^* e, K3 k7 Q  輕質(zhì)(如銅,、木材、鋁合金等),、復(fù)合材料在汽車,、家電、AF 業(yè)中的大量使用,，對(duì)高速,、高效加工提出了新的要求。為了適應(yīng)這一需求,，一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相繼推出直線電機(jī),、高速主軸電機(jī)，而且付諸實(shí)用,。對(duì)于直線電機(jī)而言,，其控制技術(shù)與傳統(tǒng)的交流伺服電機(jī)相差不多,，但由于直線電機(jī)本身沒有轉(zhuǎn)子等轉(zhuǎn)動(dòng)體,，因而本身慣量小，各種生活污水處理設(shè)備,，無(wú)閥過(guò)濾器,，環(huán)保配件價(jià)格優(yōu)惠，焊管,、冷卻器,、油缸缸筒、液壓油缸,、橡膠機(jī)械,、橡塑機(jī)械、叉車,、噴塑,、汽車空調(diào)壓縮機(jī)、結(jié)晶器銅管總成,、護(hù)欄,、除塵設(shè)備、金剛石鉆頭,、精密鋼管,、無(wú)縫鋼管、土工格柵,、橡塑保溫,、接線端子,、輸送機(jī)保護(hù)、防爆燈,、液壓件,、耐腐泵、拋丸機(jī)代理銷售,、油缸,、液壓缸、活塞桿,、電爐,、點(diǎn)焊機(jī)、對(duì)焊機(jī),、保護(hù)膜,、電腦剝線機(jī)、MBR膜生物反應(yīng)器,、電子包裝袋所以具有高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性,，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,，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,，滿足了高速、高精密加工對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求,。從IMTS 2000展覽會(huì)來(lái)看,，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,，最高轉(zhuǎn)速為14,000r/min的系列化高速內(nèi)裝式主軸系統(tǒng),，徑向、軸向重復(fù)精度小于1?m,，電機(jī)軸承有混合陶瓷軸承,、液靜壓軸承、磁浮軸承三種,，采用水管冷卻,，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),，已在模具加工,、高精密電極加工、鋁質(zhì)零件加工,、高精度磨削加工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,，F(xiàn)isher公司也有類似產(chǎn)品。
1 n# D$ w2 L$ f" _  三,、國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
  我國(guó)在20世紀(jì)80年代初期通過(guò)引進(jìn),、消化,、吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，又在國(guó)家"七五",、"八五",、"九五"期間對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行重大科技項(xiàng)目攻關(guān)取得了很大成果。但由于產(chǎn)品可靠性等方面的原因,，制約著我國(guó)數(shù)控機(jī)床的配套及應(yīng)用,，從而影響我國(guó)裝備制造業(yè)的發(fā)展。一些機(jī)床廠家也不得不選用國(guó)外的伺服系統(tǒng),，使得國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在價(jià)格,、交貨期、可靠性等方面均不占優(yōu)勢(shì),，更無(wú)心力開發(fā)市場(chǎng)需求的新品種,，從而失去巨大的市場(chǎng)份額。從公開的統(tǒng)計(jì)資料來(lái)看,，CNC系統(tǒng)中75%以上的故障出自伺服部分,。

8 {4 W3 i* i5 _6 h3 r  然而，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,。例如北京中寶倫自動(dòng)化技術(shù)有限公司在國(guó)家沒有投入一分錢的情況下，以市場(chǎng)為導(dǎo)向,，不斷開發(fā)新產(chǎn)品,，1994年開發(fā)成功PDC系列直流伺服系統(tǒng)，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),，采用國(guó)際上最新一代的功率器件--IPM、PWM控制,，調(diào)制頻率達(dá)到15kHz,，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,。1997年底該公司又開發(fā)成功PAC系列交流伺服系統(tǒng),，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,、2,000r/min,、3,000r/min、4,000r/min,、4,500r/min,、6,000r/min，扭矩范圍0.15～90N·,；2000年11月又根據(jù)市場(chǎng)需求,，開發(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，取得了很好的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益,，得到北京第一機(jī)床廠,、清華大學(xué)精密儀器廠、青海第一機(jī)床廠等廠家認(rèn)可,，與XA5750滑枕銑床,、XA718立式銑床、XA2412/2410龍門銑床和XKA5032數(shù)控立式銑床,、數(shù)控異型螺桿銑床,、XKA8132/8140數(shù)控銑床等配套。除此之外,，也應(yīng)用于復(fù)合材料成型機(jī)械,、汽車子午胎一段、二段成型及裁斷機(jī)械,、衛(wèi)星風(fēng)洞群控制,、電子元件材料切割、編帶等領(lǐng)域,。目前,，近200臺(tái)應(yīng)用于國(guó)內(nèi)各大汽車子午胎生產(chǎn)線，每日24h連續(xù)運(yùn)行,。除在國(guó)內(nèi)應(yīng)用外,，從1997年開始，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),、加拿大,、澳大利亞等國(guó)家。從1994年至今售出將近1000臺(tái)套交/直流伺服系統(tǒng),，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，只有8臺(tái)均由于用戶接線錯(cuò)誤而導(dǎo)致保險(xiǎn)電阻,、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。華中數(shù)控系統(tǒng)有限公司,、珠峰數(shù)控公司,、航天數(shù)控公司、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),，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。洛陽(yáng)軸承研究所自主研發(fā)高速電主軸,，已應(yīng)用于軸承磨床,、印刷電路板銑,、鉆等方面。