伺服�(qū)�(dòng)技�(shù)作為�(shù)控機(jī)�、工�(yè)�(jī)器人及其它產(chǎn)�(yè)�(jī)械控制的�(guān)鍵技�(shù)之一,在�(guó)�(nèi)外普遍受到關(guān)�。在20世紀(jì)10年間,微處理�(特別是數(shù)字信�(hào)處理器——DSP)技�(shù)、電力電子技�(shù)、網(wǎng)�(luò)技�(shù)、控制技�(shù)的發(fā)展為伺服�(qū)�(dòng)技�(shù)的�(jìn)一步發(fā)展奠定了良好的基�(chǔ)。如果說(shuō)20世紀(jì)80年代是交流伺服驅(qū)�(dòng)技�(shù)取代直流伺服�(qū)�(dòng)技�(shù)的話,那么,20世紀(jì)90年代則是伺服�(qū)�(dòng)系統(tǒng)�(shí)�(xiàn)全數(shù)字化、智能化、網(wǎng)�(luò)化的10�。這一�(diǎn)在一些工�(yè)�(fā)�(dá)�(guó)家尤為明��
伺服�(qū)�(dòng)器按照其控制�(duì)象由外到�(nèi)分為位置�(huán)、速度�(huán)和電流環(huán),相�(yīng)伺服�(qū)�(dòng)器也就可以工作在位置控制模式、速度控制模式和力矩控制模��
�(dāng)伺服�(qū)�(dòng)器工作在任意模式�,其�(duì)�(yīng)
模式可以由三種方式給定:1、使用模擬量給定�2、參�(shù)�(shè)置的�(nèi)部給��3、通訊給定�
參數(shù)�(shè)置的�(nèi)部給定應(yīng)用比較少,為有限的有�(jí)�(diào)節(jié)�
使用模擬量給定的�(yōu)�(diǎn)是響�(yīng)�,應(yīng)用于許多高精度高響應(yīng)的場(chǎng)�,缺�(diǎn)是存在零�,給�(diào)試帶�(lái)困難,歐系和美系伺服多采用這種方式�
脈沖控制兼容常用信號(hào)方式:CW/CCW(正反向脈沖)、脈�/方向、A/B相信�(hào)。缺�(diǎn)是響�(yīng)�,日系和�(guó)�(chǎn)伺服多采用這種方式�
我當(dāng)然最推崇通訊給定的方�,這也是歐系品牌常用的控制方式,優(yōu)�(diǎn)是給定迅�,響�(yīng)�,能合理�(jìn)行運(yùn)�(dòng)�(guī)劃,特別適合凸輪控制和flying定位方式�2012年數(shù)控機(jī)床多采用這種方式�
通訊給定常為總線通訊方式,也有點(diǎn)�(duì)�(diǎn)通訊方式和網(wǎng)�(luò)通訊方式。[1]
�(wú)人化、規(guī)模化生產(chǎn)�(duì)加工�(shè)備提出了高速度、高精度、高效率的要�,交流伺服系�(tǒng)具有高響�(yīng)、免維護(hù)(�(wú)碳刷、換向器等磨損元部件)、高可靠性等特點(diǎn),正好適�(yīng)了這一需�。例如,日本FANUC公司、三菱電�(jī)公司、安川電�(jī)公司、德�(guó)Siemens公司、AEG公司、力士樂(lè)Indramat公司、美�(guó)A.B公司、GE公司等均先后�1984年前后將交流伺服系統(tǒng)付諸�(shí)�。國(guó)�(nèi)的交流伺服驅(qū)�(dòng)技�(shù)起步較晚,到20世紀(jì)80年代末才有產(chǎn)品問(wèn)�。如冶金部自�(dòng)化研究院華騰公司的ACS系列、揚(yáng)�5308廠引�(jìn)Siemens公司�610系列,這些�(chǎn)品采用大功率晶體管模�(GTR),屬于模擬伺�,但從技�(shù)上填�(bǔ)了國(guó)�(nèi)空白�
�(jìn)�20世紀(jì)s"年代,微電子制造工藝的日臻完善,使得DSP�(yùn)算速度呈幾何數(shù)上升,達(dá)到了伺服�(huán)路高速實(shí)�(shí)控制的要�,一些運(yùn)�(dòng)控制芯片制造商還將電機(jī)控制所必需的外圍電�(如A/D�(zhuǎn)換器、位�/速度檢測(cè)倍頻�(jì)�(shù)�、PWM�(fā)生器�)與DSP�(nèi)核集成于一體,使得伺服控制回路采樣�(shí)間達(dá)�100µs以內(nèi),由單一芯片�(shí)�(xiàn)自動(dòng)�、減速控制,電子齒輪同步控制,位置、速度、電流三�(huán)的數(shù)字化�(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�、凹陷濾波等得以�(shí)�(xiàn)。另一方面,電力電子技�(shù)的發(fā)�,使得伺服系�(tǒng)主電路功率元件的�(kāi)�(guān)頻率�2�5kHz提升�15�20kHz,IGBT(絕緣柵門雙極性晶體管)及IPM(智能型功率模�)均是這一�(shí)代的�(chǎn)�,從而提高了系統(tǒng)的平�(wěn)�,降低了系統(tǒng)的噪�。以上兩�(gè)方面不僅是交流伺服實(shí)�(xiàn)�(shù)字化的基�(chǔ),而且使得交流伺服趨于小型��2012年一些工�(yè)�(fā)�(dá)�(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�(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�(jī)公司、安川電�(jī)公司、松下公�、山洋電�(jī)公司、德�(guó)Siemens公司、力士樂(lè)Indramat公司、Lenze公司、美�(guó)A.B公司、Kollmorgen公司、Relliance公司、Baldor公司、PacificScientific公司��
全數(shù)字交流伺服技�(shù)的飛速發(fā)�,使得用戶根�(jù)�(fù)載狀�(如慣�、間隙、摩擦力�)�(diào)整參�(shù)更為方便,也省去了一些模擬回路所�(chǎn)生的漂移等不�(wěn)定因素,但在�(fā)展初�,伺服接口缺乏統(tǒng)一�(biāo)�(zhǔn),各�(gè)廠家均設(shè)�(jì)自己的接口電�,相互之間無(wú)可互換�,用戶適配較為麻煩。在�(wǎng)�(luò)技�(shù)及PC-basedCNC技�(shù)快速發(fā)展的情況�,這一�(wèn)題尤為突��
�1987�,由德國(guó)�(jī)床協(xié)�(huì)和德�(guó)電力電子�(xié)�(huì)�(lián)合提出數(shù)字驅(qū)�(dòng)接口�(guó)際標(biāo)�(zhǔn),即SERCOS(SerialReal-timeCommunicationSystem串行�(shí)�(shí)通信系統(tǒng))接口作為高性能�(yùn)�(dòng)控制系統(tǒng)閉環(huán)�(shù)�(jù)串行�(shí)�(shí)通信接口,這兩�(gè)�(xié)�(huì)將電�(jī)、驅(qū)�(dòng)系統(tǒng)、CNC系統(tǒng)的主要制造商組成一�(gè)�(lián)合工作組。最初加入SERCOS工作組的公司有AEC、ABB、AMK、Banmuller、Bosch、Indramat、Siemens、PacificScientific等幾家公�。到�1994年,SERCOS成為控制器與�(shù)字伺服驅(qū)�(dòng)系統(tǒng)接口的國(guó)際標(biāo)�(zhǔn)并作為IEC61491�(biāo)�(zhǔn)獲得通過(guò),因此具有開(kāi)放性,迄今成員已增加到70多�(gè)公司。與此同�(shí),開(kāi)�(fā)了相�(yīng)的ASIC芯片、SERCON816,傳輸速度�2/4/8/16Mbit/s,SERCOS與其它串行現(xiàn)�(chǎng)總線相比,有效數(shù)�(jù)傳輸率高,例如Ethement�100Mbit/s速度傳輸�(shù)�(jù)�(shí),有效數(shù)�(jù)傳輸率為5�10Mbit/s;SERCOS�16Mbit/s速度傳輸�(shù)�(jù)�(shí),有效數(shù)�(jù)傳輸率為11Mbit/s。CAN(controllerAreaNetwork)用于�(yùn)�(dòng)控制�(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�2�,另一�(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(kāi)�(fā),迄今已被廣泛應(yīng)用于通用�(yùn)�(dòng)控制器與�(shù)字伺服之間的接口�2012年已能滿足在2ms�(nèi),使一�(tái)控制器與多達(dá)32�(gè)伺服系統(tǒng)�(shí)�(xiàn)�(shù)�(jù)通信。SERCOS為數(shù)字伺服網(wǎng)�(luò)化鋪就了一條寬闊大道,可以�(yù)�(jiàn),在不遠(yuǎn)的將�(lái),帶有SERCOS接口的伺服系�(tǒng)將會(huì)�(jìn)入家�、辦公室、工廠車間乃至各�(gè)與伺服應(yīng)用相�(guān)的領(lǐng)域。力士樂(lè)Indramat公司�1999年之所以占�(jù)北美伺服�(qū)�(dòng)市場(chǎng)10.5%的份�、位居位,一方面是該公司在應(yīng)用工�、銷售、服�(wù)及用戶支持方面的加強(qiáng),另一�(gè)主要因素是承諾開(kāi)放結(jié)�(gòu)——SERCOS�
輕質(zhì)(如銅、木�、鋁合金�)、復(fù)合材料在汽車、家�、AF�(yè)中的大量使用,對(duì)高�、高效加工提出了新的要求。為了適�(yīng)這一需求,一些工�(yè)�(fā)�(dá)�(guó)家相繼推出直線電�(jī)、高速主軸電�(jī),而且付諸�(shí)用。對(duì)于直線電�(jī)而言,其控制技�(shù)與傳�(tǒng)的交流伺服電�(jī)相差不多,但由于直線電機(jī)本身�(méi)有轉(zhuǎn)子等�(zhuǎn)�(dòng)�,因而本身慣量小,所以具有高�(dòng)�(tài)響應(yīng)�,而檢�(cè)元件直接安裝于機(jī)械一�(cè),從而檢�(cè)工作�(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�,滿足了高�、高精密加工�(duì)伺服�(qū)�(dòng)系統(tǒng)的要�。從IMTS�2000展覽�(huì)�(lái)看,一些工�(yè)�(fā)�(dá)�(guó)家在高速加工技�(shù)方面處于水平,IBAG公司已向�(yè)界提�0.125�185kW,轉(zhuǎn)速為14,000r/min的系列化高速內(nèi)裝式主軸系統(tǒng),徑�、軸向重�(fù)精度小于1µm,電�(jī)軸承有混合陶瓷軸承、液靜壓軸承、磁浮軸承三�,采用水管冷�,且�(nèi)置位置傳感器供加工中心ATC之用。主軸驅(qū)�(dòng)采用矢量變頻技�(shù),已在模具加�、高精密電極加工、鋁�(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�(chǎn)��
我國(guó)�20世紀(jì)80年代初期通過(guò)引�(jìn)、消化、吸收國(guó)外先�(jìn)技�(shù),又在國(guó)家“七五�、“八五�、“九五”期間對(duì)伺服�(qū)�(dòng)技�(shù)�(jìn)行重大科技�(xiàng)目攻�(guān)取得了很大成�。但由于�(chǎn)品可靠性等方面的原�,制約著我國(guó)�(shù)控機(jī)床的配套及應(yīng)用,從而影響我�(guó)裝備制造業(yè)的發(fā)�。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)�(chǎn)�(shù)控機(jī)床在�(jià)�、交貨期、可靠性等方面均不占優(yōu)�(shì),更�(wú)心力�(kāi)�(fā)市場(chǎng)需求的新品�,從而失去巨大的市場(chǎng)份額。從公開(kāi)的統(tǒng)�(jì)資料�(lái)�,CNC系統(tǒng)�75%以上的故障出自伺服部�。然��2012年來(lái)在國(guó)家不斷組織科技攻關(guān)的同�(shí),一些民�(yíng)高科技公司也為�(fā)展我�(guó)伺服�(qū)�(dòng)技�(shù)注入了新的活�。例如北京中寶倫自�(dòng)化技�(shù)有限公司在國(guó)家沒(méi)有投入一分錢的情況下,以市場(chǎng)為導(dǎo)向,不斷�(kāi)�(fā)新產(chǎn)��1994年開(kāi)�(fā)成功PDC系列直流伺服系統(tǒng),扭矩從1N·m�44.1N·m共有七�(gè)�(guī)格的寬調(diào)速直流伺服電�(jī),采用國(guó)際上一代的功率器件——IPM、PWM控制,調(diào)制頻率達(dá)�15kHz,有效地克服了以往SCR控制�(shí)電流斷續(xù)所�(chǎn)生的換向火花�(duì)于換向器的燒�,可使碳刷壽命延�(zhǎng)1倍以上�1997年底該公司又�(kāi)�(fā)成功PAC系列交流伺服系統(tǒng),與蘭州電機(jī)廠引�(jìn)德國(guó)Siemens公司1FT5系列�94�(gè)�(guī)格的�(wú)刷交流伺服電�(jī)相配�。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�0.15�90N·�2000�11月又根據(jù)市場(chǎng)需�,開(kāi)�(fā)出PAC-P系列�(shù)字化位置型交流伺服系�(tǒng)。這些�(chǎn)品推向市�(chǎng)�,取得了很好的社�(huì)效益及經(jīng)�(jì)效益,得到北京機(jī)床廠、清華大�(xué)精密儀器廠、青海機(jī)床廠等廠家認(rèn)�,與XA5750滑枕銑床、XA718立式銑床、XA2412/2410龍門銑床和XKA5032�(shù)控立式銑�、數(shù)控異型螺桿銑�、XKA8132/8140�(shù)控銑床等配套。除此之外,也應(yīng)用于�(fù)合材料成型機(jī)�、汽車子午胎一�、二段成型及裁斷�(jī)�、衛(wèi)星風(fēng)洞群控制、電子元件材料切割、編帶等�(lǐng)��1980年,�200�(tái)�(yīng)用于�(guó)�(nèi)各大汽車子午胎生�(chǎn)�,每�24h連續(xù)�(yùn)�。除在國(guó)�(nèi)�(yīng)用外,從1997年開(kāi)�,該公司部分�(chǎn)品由北京�(jī)床廠配套出口到德�(guó)、加拿大、澳大利亞等�(guó)家。從1994年至今售出將�1000�(tái)套交/直流伺服系統(tǒng),幾年來(lái)�(wú)一�(tái)返修,根�(jù)該公司記錄數(shù)字來(lái)�,只�8�(tái)均由于用戶接線錯(cuò)誤而導(dǎo)致保�(xiǎn)電阻、電源回路及接口元器件燒�。使用中寶倫產(chǎn)品的用戶改變了對(duì)于國(guó)�(chǎn)伺服系統(tǒng)可靠性不好的看法。華中數(shù)控系�(tǒng)有限公司、珠峰數(shù)控公�、航天數(shù)控公司、中科院電工所等單位通過(guò)�(shí)施國(guó)家科技�(xiàng)目攻�(guān),已能夠向各�(jī)床制造廠配套自身�(shù)控系�(tǒng)所需要的伺服系統(tǒng),還�(yīng)用于一些老設(shè)備技�(shù)改�。洛�(yáng)軸承研究所自主研發(fā)高速電主軸,已�(yīng)用于軸承磨床、印刷電路板�、鉆等方��