數控機床伺服驅動技術現狀和趨勢

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伺服驅動技術作為數控機床、工業機器人及其它產業機械控制的關鍵技術之一，在國內外普遍受到關注。
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$ ~- I) }$ U) @  一、概述
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  伺服驅動技術作為數控機床、工業機器人及其它產業機械控制的關鍵技術之一，在國內外普遍受到關注。在20世紀最后10年間，微處理器(特別是數字信號處理器--DSP)技術、電力電子技術、網絡技術、控制技術的發展為伺服驅動技術的進一步發展奠定了良好的基礎。如果說20世紀80年代是交流伺服驅動技術取代直流伺服驅動技術的話，那么，20世紀90年代則是伺服驅動系統實現全數字化、智能化、網絡化的10年。這一點在一些工業發達國家尤為明顯。

6 w) W$ T% m% e: o3 f  二、國外現狀與發展趨勢

  無人化、規模化生產對加工設備提出了高速度、高精度、高效率的要求，交流伺服系統具有高響應、免維護(無碳刷、換向器等磨損元部件)、高可靠性等特點，正好適應了這一需求。例如，日本FANUC公司、三菱電機公司、安川電機公司、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付諸實用。國內的交流伺服驅動技術起步較晚，到20世紀80年代末才有產品問世。如冶金部自動化研究院華騰公司的ACS系列、揚州5308廠引進Siemens公司的610系列，這些產品采用大功率晶體管模塊(GTR)，屬于模擬伺服，但從技術上填補了國內空白。

  進入20世紀90年代，微電子制造工藝的日臻完善，使得DSP運算速度呈幾何數上升，達到了伺服環路高速實時控制的要求，一些運動控制芯片制造商還將電機控制所必需的外圍電路(如A/D轉換器、位置/速度檢測倍頻計數器、PWM發生器等)與DSP內核集成于一體，使得伺服控制回路采樣時間達到100?s以內，由單一芯片實現自動加、減速控制，電子齒輪同步控制，位置、速度、電流三環的數字化補償控制。一些新的控制算法如速度前饋、加速度前饋、低通濾波、凹陷濾波等得以實現。另一方面，電力電子技術的發展，使得伺服系統主電路功率元件的開關頻率由2～5kHz提升到15～20kHz，1GBT均是這一時代的產物，從而提高了系統的平穩性，降低了系統的噪音。以上兩個方面不僅是交流伺服實現數字化的基礎，而且使得交流伺服趨于小型化。目前一些工業發達國家的伺服系統生產廠家基本上均能夠提供全數字交流伺服系統或者可以與自己的CNC系統相配套，如日本FANUC公司、三菱電機公司、安川電機公司、松下公司、山洋電機公司、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。
  全數字交流伺服技術的飛速發展，使得用戶根據負載狀況(如慣量、間隙、摩擦力等)調整參數更為方便，也省去了一些模擬回路所產生的漂移等不穩定因素，但在發展初期，伺服接口缺乏統一標準，各個廠家均設計自己的接口電路，相互之間無可互換性，用戶適配較為麻煩。在網絡技術及PC-based CNC技術快速發展的情況下，這一問題尤為突出。
+ {. m$ J5 E  s# _  在1987年，由德國機床協會和德國電力電子協會聯合提出數字驅動接口國際標準，即SERCOS(SerialReal-time Communication System串行實時通信系統)接口作為高性能運動控制系統閉環數據串行實時通信接口，這兩個協會將電機、驅動系統、CNC系統的主要制造商組成一個聯合工作組。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成為控制器與數字伺服驅動系統接口的國際標準并作為IEC61491標準獲得通過，因此具有開放性，迄今成員已增加到70多個公司。與此同時，開發了相應的ASIC芯片、SERCON816，傳輸速度為2/4/8/16 Mbit/s，SERCOS與其它串行現場總線相比，有效數據傳輸率高，例如Ethement以100Mbit/s速度傳輸數據時，有效數據傳輸率為5～10Mbit/s；SERCOS以16Mbit/s速度傳輸數據時，有效數據傳輸率為11Mbit/s。CAN(controller Area Network)用于運動控制時，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，另一個特點是它的光纖噪聲抑制能力強、傳輸可靠性高。雖然SERCOS接口初終是為CNC與數字伺服接口而開發，迄今已被廣泛應用于通用運動控制器與數字伺服之間的接口。目前已能滿足在2ms內，使一臺控制器與多達32個伺服系統實現數據通信。SERCOS為數字伺服網絡化鋪就了一條寬闊大道，可以預見，在不遠的將來，帶有SERCOS接口的伺服系統將會進入家庭、辦公室、工廠車間乃至各個與伺服應用相關的領域。力士樂Indramat公司在1999年之所以占據北美伺服驅動市場10.5%的份額、位居第一位，一方面是該公司在應用工程、銷售、服務及用戶支持方面的加強，另一個主要因素是承諾開放結構--SERCOS。
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! d, T1 q* I# s  輕質(如銅、木材、鋁合金等)、復合材料在汽車、家電、AF 業中的大量使用，對高速、高效加工提出了新的要求。為了適應這一需求，一些工業發達國家相繼推出直線電機、高速主軸電機，而且付諸實用。對于直線電機而言，其控制技術與傳統的交流伺服電機相差不多，但由于直線電機本身沒有轉子等轉動體，因而本身慣量小，各種生活污水處理設備，無閥過濾器，環保配件價格優惠，焊管、冷卻器、油缸缸筒、液壓油缸、橡膠機械、橡塑機械、叉車、噴塑、汽車空調壓縮機、結晶器銅管總成、護欄、除塵設備、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、輸送機保護、防爆燈、液壓件、耐腐泵、拋丸機代理銷售、油缸、液壓缸、活塞桿、電爐、點焊機、對焊機、保護膜、電腦剝線機、MBR膜生物反應器、電子包裝袋所以具有高動態響應性，而檢測元件直接安裝于機械一側，從而檢測工作臺的位移，也避免了旋轉電機在方向改變時所存在的換向間隙，滿足了高速、高精密加工對伺服驅動系統的要求。從IMTS 2000展覽會來看，一些工業發達國家在高速加工技術方面處于領先水平，IBAG公司已向業界提供0.125～185kW，最高轉速為14,000r/min的系列化高速內裝式主軸系統，徑向、軸向重復精度小于1?m，電機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，且內置位置傳感器供加工中心ATC之用。主軸驅動采用矢量變頻技術，已在模具加工、高精密電極加工、鋁質零件加工、高精度磨削加工等領域廣泛應用，Fisher公司也有類似產品。
  三、國內現狀與發展趨勢
4 {+ Z( c1 Z! J7 X- w  我國在20世紀80年代初期通過引進、消化、吸收國外先進技術，又在國家"七五"、"八五"、"九五"期間對伺服驅動技術進行重大科技項目攻關取得了很大成果。但由于產品可靠性等方面的原因，制約著我國數控機床的配套及應用，從而影響我國裝備制造業的發展。一些機床廠家也不得不選用國外的伺服系統，使得國產數控機床在價格、交貨期、可靠性等方面均不占優勢，更無心力開發市場需求的新品種，從而失去巨大的市場份額。從公開的統計資料來看，CNC系統中75%以上的故障出自伺服部分。
3 s& D( ]! a7 n' a, L2 S
$ G% c+ P. V0 _3 d* _- N; [. a% d% \  然而，近年來在國家不斷組織科技攻關的同時，一些民營高科技公司也為發展我國伺服驅動技術注入了新的活力。例如北京中寶倫自動化技術有限公司在國家沒有投入一分錢的情況下，以市場為導向，不斷開發新產品，1994年開發成功PDC系列直流伺服系統，扭矩從1Nom至44.1Nom共有七個規格的寬調速直流伺服電機，采用國際上最新一代的功率器件--IPM、PWM控制，調制頻率達到15kHz，有效地克服了以往SCR控制時電流斷續所產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年底該公司又開發成功PAC系列交流伺服系統，與蘭州電機廠引進德國Siemens公司1FT5系列的94個規格的無刷交流伺服電機相配套。轉速系列有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月又根據市場需求，開發出PAC-P系列數字化位置型交流伺服系統。這些產品推向市場后，取得了很好的社會效益及經濟效益，得到北京第一機床廠、清華大學精密儀器廠、青海第一機床廠等廠家認可，與XA5750滑枕銑床、XA718立式銑床、XA2412/2410龍門銑床和XKA5032數控立式銑床、數控異型螺桿銑床、XKA8132/8140數控銑床等配套。除此之外，也應用于復合材料成型機械、汽車子午胎一段、二段成型及裁斷機械、衛星風洞群控制、電子元件材料切割、編帶等領域。目前，近200臺應用于國內各大汽車子午胎生產線，每日24h連續運行。除在國內應用外，從1997年開始，該公司部分產品由北京第一機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，幾年來無一臺返修，根據該公司記錄數字來看，只有8臺均由于用戶接線錯誤而導致保險電阻、電源回路及接口元器件燒壞。使用中寶倫產品的用戶改變了對于國產伺服系統可靠性不好的看法。華中數控系統有限公司、珠峰數控公司、航天數控公司、中科院電工所等單位通過實施國家科技項目攻關，已能夠向各機床制造廠配套自身數控系統所需要的伺服系統，還應用于一些老設備技術改造。洛陽軸承研究所自主研發高速電主軸，已應用于軸承磨床、印刷電路板銑、鉆等方面。