数控机床驱动技术管理论文
数控机床驱动技术管理论文 一、概述 伺服驱动技术作为数控机床、工业机器人及其它产业机械控制的关键技术 之一，在国内外普遍受到关注。在20世纪最后10年间，微处理器(特别是数字信 号处理器――DSP)技术、电力电子技术、网络技术、控制技术的发展为伺服驱 动技术的进一步发展奠定了良好的基础。如果说20世纪80年代是交流伺服驱动技 术取代直流伺服驱动技术的话，那么，20世纪90年代则是伺服驱动系统实现全数 字化、智能化、网络化的10年。这一点在一些工业发达国家尤为明显。二、国外现状与发展趋势 无人化、规模化生产对加工设备提出了高速度、高精度、高效率的要求， 交流伺服系统具有高响应、免维护(无碳刷、换向器等磨损元部件)、高可靠性等 特点，正好适应了这一需求。例如，日本FANUC公司、三菱电机公司、安川电 机公司、德国Siemens公司、AEG公司、力士乐Indramat公司、美国A.B公司、GE 公司等均先后在1984年前后将交流伺服系统付诸实用。国内的交流伺服驱动技术 起步较晚，到20世纪80年代末才有产品问世。如冶金部自动化研究院华腾公司的 ACS系列、扬州5308厂引进Siemens公司的610系列，这些产品采用大功率晶体管 模块(GTR)，属于模拟伺服，但从技术上填补了国内空白。
进入20世纪s"年代，微电子制造工艺的日臻完善，使得DSP运算速度呈几 何数上升，达到了伺服环路高速实时控制的要求，一些运动控制芯片制造商还将 电机控制所必需的外围电路(如A/D转换器、位置/速度检测倍频计数器、PWM发 生器等)与DSP内核集成于一体，使得伺服控制回路采样时间达到100s以内，由单 一芯片实现自动加、减速控制，电子齿轮同步控制，位置、速度、电流三环的数 字化补偿控制。一些新的控制算法如速度前馈、加速度前馈、低通滤波、凹陷滤 波等得以实现。另一方面，电力电子技术的发展，使得伺服系统主电路功率元件 的开关频率由2～5kHz提升到15～20kHz，1GBT(绝缘栅门双极性晶体管)及 IPM(智能型功率模块)均是这一时代的产物，从而提高了系统的平稳性，降低了 系统的噪音。以上两个方面不仅是交流伺服实现数字化的基础，而且使得交流伺 服趋于小型化。目前一些工业发达国家的伺服系统生产厂家基本上均能够提供全 数字交流伺服系统或者可以与自己的CNC系统相配套，如日本FANUC公司、三 菱电机公司、安川电机公司、松下公司、山洋电机公司、德国Siemens公司、力 士乐Indramat公司、Lenze公司、美国A.B公司、Kollmorgen公司、Relliance公司、Baldor公司、PacificScientific公司等。
全数字交流伺服技术的飞速发展，使得用户根据负载状况(如惯量、间隙、 摩擦力等)调整参数更为方便，也省去了一些模拟回路所产生的漂移等不稳定因 素，但在发展初期，伺服接口缺乏统一标准，各个厂家均设计自己的接口电路， 相互之间无可互换性，用户适配较为麻烦。在网络技术及PC-basedCNC技术快速 发展的情况下，这一问题尤为突出。
在1987年，由德国机床协会和德国电力电子协会联合提出数字驱动接口国 际标准，即SERCOS(SerialReal-timeCommunicationSystem串行实时通信系统)接口 作为高性能运动控制系统闭环数据串行实时通信接口，这两个协会将电机、驱动 系统、CNC系统的主要制造商组成一个联合工作组。最初加入SERCOS工作组的 公司有AEC、ABB、AMK、Banmuller、Bosch、Indramat、Siemens、PacificScientific 等几家公司。到了1994年，SERCOS成为控制器与数字伺服驱动系统接口的国际 标准并作为IEC61491标准获得通过，因此具有开放性，迄今成员已增加到70多个 公司。与此同时，开发了相应的ASIC芯片、SERCON816，传输速度为 2/4/8/16Mbit/s，SERCOS与其它串行现场总线相比，有效数据传输率高，例如 Ethement以100Mbit/s速度传输数据时，有效数据传输率为5～10Mbit/s；
SERCOS 以16Mbit/s速度传输数据时，有效数据传输率为11Mbit/s。
CAN(controllerAreaNetwork)用于运动控制时，必须提供额外的存储缓冲器及信号 管理资源，其成本大约是SERCOS接口的2倍，另一个特点是它的光纤噪声抑制 能力强、传输可靠性高。虽然SERCOS接口初终是为CNC与数字伺服接口而开发， 迄今已被广泛应用于通用运动控制器与数字伺服之间的接口。目前已能满足在 2ms内，使一台控制器与多达32个伺服系统实现数据通信。SERCOS为数字伺服 网络化铺就了一条宽阔大道，可以预见，在不远的将来，带有SERCOS接口的伺 服系统将会进入家庭、办公室、工厂车间乃至各个与伺服应用相关的领域。力士 乐Indramat公司在1999年之所以占据北美伺服驱动市场10.5%的份额、位居第一 位，一方面是该公司在应用工程、销售、服务及用户支持方面的加强，另一个主 要因素是承诺开放结构――SERCOS。
轻质(如铜、木材、铝合金等)、复合材料在汽车、家电、AF业中的大量使 用，对高速、高效加工提出了新的要求。为了适应这一需求，一些工业发达国家 相继推出直线电机、高速主轴电机，而且付诸实用。对于直线电机而言，其控制 技术与传统的交流伺服电机相差不多，但由于直线电机本身没有转子等转动体， 因而本身惯量小，所以具有高动态响应性，而检测元件直接安装于机械一侧，从而检测工作台的位移，也避免了旋转电机在方向改变时所存在的换向间隙，满足 了高速、高精密加工对伺服驱动系统的要求。从IMTS2000展览会来看，一些工 业发达国家在高速加工技术方面处于领先水平，IBAG公司已向业界提供0.125～ 185kW，最高转速为14,000r/min的系列化高速内装式主轴系统，径向、轴向重复 精度小于1m，电机轴承有混合陶瓷轴承、液静压轴承、磁浮轴承三种，采用水 管冷却，且内置位置传感器供加工中心ATC之用。主轴驱动采用矢量变频技术， 已在模具加工、高精密电极加工、铝质零件加工、高精度磨削加工等领域广泛应 用，Fisher公司也有类似产品。
三、国内现状与发展趋势 我国在20世纪80年代初期通过引进、消化、吸收国外先进技术，又在国家 “七五”、“八五”、“九五”期间对伺服驱动技术进行重大科技项目攻关取得了很大 成果。但由于产品可靠性等方面的原因，制约着我国数控机床的配套及应用，从 而影响我国装备制造业的发展。一些机床厂家也不得不选用国外的伺服系统，使 得国产数控机床在价格、交货期、可靠性等方面均不占优势，更无心力开发市场 需求的新品种，从而失去巨大的市场份额。从公开的统计资料来看，CNC系统中 75%以上的故障出自伺服部分。然而，近年来在国家不断组织科技攻关的同时， 一些民营高科技公司也为发展我国伺服驱动技术注入了新的活力。例如北京中宝 伦自动化技术有限公司在国家没有投入一分钱的情况下，以市场为导向，不断开 发新产品，1994年开发成功PDC系列直流伺服系统，扭矩从1Nm至44.1Nm共有 七个规格的宽调速直流伺服电机，采用国际上最新一代的功率器件――IPM、 PWM控制，调制频率达到15kHz，有效地克服了以往SCR控制时电流断续所产生 的换向火花对于换向器的烧蚀，可使碳刷寿命延长1倍以上。1997年底该公司又 开发成功PAC系列交流伺服系统，与兰州电机厂引进德国Siemens公司1FT5系列 的94个规格的无刷交流伺服电机相配套。转速系列有1,200r/min、2,000r/min、 3,000r/min、4,000r/min、4,500r/min、6,000r/min，扭矩范围0.15～90N・；
2000 年11月又根据市场需求，开发出PAC-P系列数字化位置型交流伺服系统。这些产 品推向市场后，取得了很好的社会效益及经济效益，得到北京第一机床厂、清华 大学精密仪器厂、青海第一机床厂等厂家认可，与XA5750滑枕铣床、XA718立 式铣床、XA2412/2410龙门铣床和XKA5032数控立式铣床、数控异型螺杆铣床、 XKA8132/8140数控铣床等配套。除此之外，也应用于复合材料成型机械、汽车 子午胎一段、二段成型及裁断机械、卫星风洞群控制、电子元件材料切割、编带 等领域。目前，近200台应用于国内各大汽车子午胎生产线，每日24h连续运行。
除在国内应用外，从1997年开始，该公司部分产品由北京第一机床厂配套出口到德国、加拿大、澳大利亚等国家。从1994年至今售出将近1000台套交/直流伺服 系统，几年来无一台返修，根据该公司记录数字来看，只有8台均由于用户接线 错误而导致保险电阻、电源回路及接口元器件烧坏。使用中宝伦产品的用户改变 了对于国产伺服系统可靠性不好的看法。华中数控系统有限公司、珠峰数控公司、 航天数控公司、中科院电工所等单位通过实施国家科技项目攻关，已能够向各机 床制造厂配套自身数控系统所需要的伺服系统，还应用于一些老设备技术改造。
洛阳轴承研究所自主研发高速电主轴，已应用于轴承磨床、印刷电路板铣、钻等 方面。