伺服驅(qū)動技術(shù)在數(shù)控機(jī)床的運用

    伺服驅(qū)動技術(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)動技術(shù)取代直流伺服驅(qū)動技術(shù)的話，那么，20世紀(jì)90年代則是伺服驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的10年。這一點在一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家尤為明顯。

二、國外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

    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，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)付諸實用。國內(nèi)的交流伺服驅(qū)動技術(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。

    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運算速度呈幾何數(shù)上升，達(dá)到了伺服環(huán)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(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間達(dá)到100µs以內(nèi)，由單一芯片實現(xiàn)自動加、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(絕緣柵門雙極性晶體管)及IPM(智能型功率模塊)均是這一時代的產(chǎn)物，從而提高了系統(tǒng)的平穩(wěn)性，降低了系統(tǒng)的噪音。以上兩個方面不僅是交流伺服實現(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)，各個廠家均設(shè)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(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。

    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)動接口國際標(biāo)準(zhǔn)，即SERCOS(SerialReal-time Communication System串行實時通信系統(tǒng))接口作為高性能運動控制系統(tǒng)閉環(huán)數(shù)據(jù)串行實時通信接口，這兩個協(xié)會將電機(jī)、驅(qū)動系統(tǒng)、CNC系統(tǒng)的主要制造商組成一個聯(lián)合工作組。最初加入SERCOS工作組的公司有AEC、ABB、AMK、Banmuller、Bosch、Indramat、Siemens、Pacific Scientific等幾家公司。到了1994年，SERCOS成為控制器與數(shù)字伺服驅(qū)動系統(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多個公司。與此同時，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，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，有效數(shù)據(jù)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(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)用于通用運動控制器與數(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個伺服系統(tǒng)實現(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)動體，因而本身慣量小，所以具有高動態(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)在方向改變時所存在的換向間隙，滿足了高速、高精密加工對伺服驅(qū)動系統(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1µm，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

    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)動技術(shù)進(jìn)行重大科技項目攻關(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，一些民營高科技公司也為發(fā)展我國伺服驅(qū)動技術(shù)注入了新的活力。例如北京中寶倫自動化技術(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1N•m至44.1N•m共有七個規(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誤而導(dǎo)致保險電阻、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施國家科技項目攻關(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。