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伺服驅(qū)動技術(shù)作為數(shù)控機床、工業(yè)機器人及其它產(chǎn)業(yè)機械控制的關(guān)鍵技術(shù)之一,在國內(nèi)外普遍受到關(guān)注。在20世紀(jì)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)達國家尤為明顯。
伺服驅(qū)動器按照其控制對象由外到內(nèi)分為位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán),相應(yīng)伺服驅(qū)動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式。
當(dāng)伺服驅(qū)動器工作在任意模式下,其對應(yīng)
模式可以由三種方式給定:1、使用模擬量給定;2、參數(shù)設(shè)置的內(nèi)部給定;3、通訊給定。
參數(shù)設(shè)置的內(nèi)部給定應(yīng)用比較少,為有限的有級調(diào)節(jié)。
使用模擬量給定的優(yōu)點是響應(yīng)快,應(yīng)用于許多高精度高響應(yīng)的場合,缺點是存在零漂,給調(diào)試帶來困難,歐系和美系伺服多采用這種方式。
脈沖控制兼容常用信號方式:CW/CCW(正反向脈沖)、脈沖/方向、A/B相信號。缺點是響應(yīng)慢,日系和國產(chǎn)伺服多采用這種方式。
我當(dāng)然推崇通訊給定的方式,這也是歐系品牌常用的控制方式,優(yōu)點是給定迅速,響應(yīng)快,能合理進行運動規(guī)劃,特別適合凸輪控制和flying定位方式,2012年高檔數(shù)控機床多采用這種方式。
通訊給定常為總線通訊方式,也有點對點通訊方式和網(wǎng)絡(luò)通訊方式。
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(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(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、揚州5308廠引進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*。
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-basedCNC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)動接口標(biāo)準(zhǔn),即SERCOS(SerialReal-timeCommunicat*tem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、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。初加入SERCOS工作組的公司有AEC、ABB、AMK、Banmuller、Bosch、Indramat、Siemens、PacificScientific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2/4/8/16Mbit/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(controllerAreaNetwork)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(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。2012年已能滿足在2ms內(nèi),使一臺控制器與多達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*位,一方面是該公司在應(yīng)用工程、服務(wù)及用戶支持方面的加強,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(shù)與傳統(tǒng)的交流伺服電機相差不多,但由于直線電機本身沒有轉(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械一側(cè),從而檢測工作臺的位移,也避免了旋轉(zhuǎn)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(qū)動系統(tǒng)的要求。從IMTS'2000展覽會來看,一些工業(yè)發(fā)達國家在高速加工技術(shù)方面處于*水平,IBAG公司已向業(yè)界提供0.125~185kW,gao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,電機軸承有混合陶瓷軸承、液靜*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。
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