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

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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,，在國內(nèi)外普遍受到關(guān)注,。
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  一,、概述
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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)國家尤為明顯,。
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" L5 x8 }+ K! ~$ e% x* K  二,、國外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
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  無人化,、規(guī)模化生產(chǎn)對加工設(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Siemens公司,、AEG公司,、力士樂Indramat公司、美國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)了國內(nèi)空白。

4 T1 S5 j# t* {; j5 G/ ]' 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Siemens公司,、力士樂Indramat公司、Lenze公司,、美國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，這一問題尤為突出,。
, z4 g3 H* u7 N$ @  在1987年,，由德國機(jī)床協(xié)會和德國電力電子協(xié)會聯(lián)合提出數(shù)字驅(qū)動(dòng)接口國際標(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)接口的國際標(biāo)準(zhǔn)并作為IEC61491標(biāo)準(zhǔn)獲得通過,，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緩沖器及信號管理資源，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,，帶有SERCOS接口的伺服系統(tǒng)將會進(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。

  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,，無閥過濾器，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,，而檢測元件直接安裝于機(jī)械一側(cè),，從而檢測工作臺的位移，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,、高精密加工對伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求。從IMTS 2000展覽會來看,，一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家在高速加工技術(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,。
  三,、國內(nèi)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
1 G4 X1 K' l( ^  我國在20世紀(jì)80年代初期通過引進(jìn)、消化,、吸收國外先進(jìn)技術(shù),，又在國家"七五"、"八五",、"九五"期間對伺服驅(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，制約著我國數(shù)控機(jī)床的配套及應(yīng)用,，從而影響我國裝備制造業(yè)的發(fā)展,。一些機(jī)床廠家也不得不選用國外的伺服系統(tǒng)，使得國產(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，更無心力開發(fā)市場需求的新品種,，從而失去巨大的市場份額,。從公開的統(tǒng)計(jì)資料來看，CNC系統(tǒng)中75%以上的故障出自伺服部分,。

  然而,，近年來在國家不斷組織科技攻關(guān)的同時(shí)，一些民營高科技公司也為發(fā)展我國伺服驅(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)有限公司在國家沒有投入一分錢的情況下,，以市場為導(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)生的換向火花對于換向器的燒蝕,，可使碳刷壽命延長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Siemens公司1FT5系列的94個(gè)規(guī)格的無刷交流伺服電機(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)品推向市場后,，取得了很好的社會效益及經(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臺應(yīng)用于國內(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、加拿大,、澳大利亞等國家,。從1994年至今售出將近1000臺套交/直流伺服系統(tǒng)，幾年來無一臺返修,，根據(jù)該公司記錄數(shù)字來看,，只有8臺均由于用戶接線錯(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)品的用戶改變了對于國產(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實(shí)施國家科技項(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,。