伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

數(shù)控技術(shù)

華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院第7章數(shù)控加工技術(shù)的展望

7.1數(shù)控機(jī)床主機(jī)的發(fā)展7.2數(shù)控加工控制系統(tǒng)的發(fā)展7.3伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢7.4柔性制造技術(shù)的發(fā)展7.5基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)控加工技術(shù)1伺服系統(tǒng)中的控制信息用數(shù)字量來處理隨著數(shù)字信號微處理器速度的大幅度提高，伺服系統(tǒng)的信息處理可完全用軟件來完成，這就是當(dāng)前所說的“數(shù)字伺服”伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)全數(shù)字化伺服驅(qū)動(dòng)內(nèi)部控制的數(shù)字化，伺服驅(qū)動(dòng)到數(shù)控系統(tǒng)接口的數(shù)字化測量單元的數(shù)字化1.全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)7.3伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢2全數(shù)字控制伺服系統(tǒng)可以采用以下新技術(shù)，達(dá)到高速度和高精度的要求前饋控制：引入前饋控制，實(shí)際上構(gòu)成了具有反饋和前饋復(fù)合控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)預(yù)測控制：通過預(yù)測機(jī)床伺服系統(tǒng)的傳遞函數(shù)來調(diào)節(jié)輸入控制量，以產(chǎn)生符合要求的輸出學(xué)習(xí)控制或重復(fù)控制：適合于周期性重復(fù)操作控制指令情況的加工，可以獲得高速、高精度1.全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)7.3伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢3數(shù)字伺服系統(tǒng)運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，具有下列特性采用現(xiàn)代控制理論，通過計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)最佳控制數(shù)字伺服系統(tǒng)是一種離散系統(tǒng)，它是由采樣器和保持器兩個(gè)基本環(huán)節(jié)組成的數(shù)字伺服系統(tǒng)具有較高的動(dòng)、靜態(tài)精度系統(tǒng)一般的情況下會(huì)配有SERCOS(SerialReal-timeCommunicationSystem，串行實(shí)時(shí)通訊系統(tǒng))板。與現(xiàn)場總線相比，它可以實(shí)現(xiàn)高速位置閉環(huán)控制，可以處理多個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的控制，同時(shí)可以采用精確、高效的光纖接口，光纖連接可以確保通訊過程的無噪音，簡化模塊之間的電纜連接，提高系統(tǒng)的可靠性。1.全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)7.3伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢4電機(jī)的改進(jìn)、驅(qū)動(dòng)方式的改進(jìn)和具備更高運(yùn)行速率的DSP等是伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)向著高速、高精、高性能化邁進(jìn)的先決條件電機(jī)方面的改進(jìn)主要包括電機(jī)永磁材料性能的改進(jìn)、更好的磁鐵安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，逆變器驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)化、加減速運(yùn)動(dòng)的優(yōu)化、再生制動(dòng)和能量反饋以及更好的冷卻方式驅(qū)動(dòng)方式的改進(jìn)方面如采用無齒槽效應(yīng)的高性能旋轉(zhuǎn)電機(jī)和采用直線電機(jī)的線性伺服驅(qū)動(dòng)方式2.高速度、高精度、高性能化

7.3伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢52.高速度、高精度、高性能化

德國倍福(Beckhoff)AX5000伺服驅(qū)動(dòng)器電流控制環(huán)最快可達(dá)31.25μs速度控制環(huán)最快可達(dá)125μs位置控制環(huán)最快可達(dá)125μs支持高動(dòng)態(tài)性能的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)集成了高性能的EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通訊技術(shù)7.3伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢6通過Internet及時(shí)了解伺服系統(tǒng)的參數(shù)及時(shí)實(shí)運(yùn)行情況，并可根據(jù)嵌入的預(yù)測性維護(hù)技術(shù)，及時(shí)了解如電流、負(fù)載的變化情況，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)警模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家控制已運(yùn)用到伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，是當(dāng)前比較典型的智能控制方法伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化及其它功能模塊均得到了長足發(fā)展，根據(jù)設(shè)計(jì)使用者的不同要求及不同模塊的功能及參數(shù)實(shí)現(xiàn)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)3.網(wǎng)絡(luò)化、智能化、模塊化

7.3伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢7直接驅(qū)動(dòng)裝置直接與負(fù)載相聯(lián)，省掉了機(jī)械傳動(dòng)元件，故傳動(dòng)鏈最短由于驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)態(tài)性能明顯提高，故生產(chǎn)效率較高由于調(diào)節(jié)質(zhì)量好和定位精度高，所以產(chǎn)品質(zhì)量提高了由于取消了許多磨損件，因而生命周期的成本很少簡化了機(jī)床設(shè)計(jì)和機(jī)床結(jié)構(gòu)直線伺服系統(tǒng)采用的是一種直接驅(qū)動(dòng)方式，帶來了旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)方式無法達(dá)到的性能指標(biāo)，如加速度可達(dá)3g以上，為傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置的10-20倍，進(jìn)給速度是傳統(tǒng)的4-5倍4.直線伺服系統(tǒng)

7.3伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢8采用直線電機(jī)和智能化全數(shù)字直接驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)為特征的高速加工中心世界上第一臺展出的直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的高速加工中心是1993年展出的XHC240型加工中心應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床上的主要有高精度、高頻響、小行程直線電動(dòng)機(jī)與大推力、長行程、高精度直線電動(dòng)機(jī)兩類2000年DMG公司已有28種機(jī)型采用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，年產(chǎn)1500多臺，約占總產(chǎn)量的1/3MAZAK公司也將推出基于直線伺服系統(tǒng)的超音速加工中心，切削速度2720m/s，主軸最高轉(zhuǎn)速80000r/min，快移速度500m/min，加速度6g4.直線伺服系統(tǒng)

7.3伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢9作為為機(jī)機(jī)床床進(jìn)進(jìn)給給驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)主主流流的的永永磁磁直直線線伺伺服服電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)有有兩兩大大發(fā)發(fā)展展方方向向大推推力力：：通通過過電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)、、磁磁路路形形式式和和冷冷卻卻結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的特特殊殊設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)，，以以獲獲得得更更大大的的推推力力，，從從而而滿滿足足大大型型機(jī)機(jī)床床強(qiáng)強(qiáng)力力切切削削加加工工的的要要求求高精精度度：：通通過過直直線線電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)磁磁路路設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)、、磁磁場場優(yōu)優(yōu)化化設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)以以及及繞繞組組形形式式設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)，，盡盡量量減減小小直直線線電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)的的靜靜態(tài)態(tài)和和動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)端端部部效效應(yīng)應(yīng)所所引引起起的的推推力力波波動(dòng)動(dòng)4.直線線伺伺服服系系統(tǒng)統(tǒng)7.3伺服服系系統(tǒng)統(tǒng)的的發(fā)發(fā)展展趨趨勢勢10電主主軸軸單單元元將將主主軸軸電電機(jī)機(jī)直直接接裝裝在在了了主主軸軸單單元元內(nèi)內(nèi)部部，，省省去去了了皮皮帶帶、、齒齒輪輪、、聯(lián)聯(lián)軸軸節(jié)節(jié)等等中中間間變變速速和和傳傳動(dòng)動(dòng)裝裝置置，，實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)了了電電機(jī)機(jī)與與主主軸軸的的零零傳傳動(dòng)動(dòng)電主主軸軸是是現(xiàn)現(xiàn)代代高高檔檔數(shù)數(shù)控控機(jī)機(jī)械械的的關(guān)關(guān)鍵鍵部部件件，，成成為為現(xiàn)現(xiàn)代代數(shù)數(shù)控控機(jī)機(jī)床床的的主主要要特特征征之之一一具有有結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)簡簡單單緊緊湊湊、、效效率率高高、、噪噪聲聲低低、、振振動(dòng)動(dòng)小小和和精精度度高高等等特特點(diǎn)點(diǎn)易于于實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)高高速速化化，，促促進(jìn)進(jìn)了了數(shù)數(shù)控控機(jī)機(jī)床床向向高高速速化化方方向向發(fā)發(fā)展展電主主軸軸性性能能參參數(shù)數(shù)和和制制造造質(zhì)質(zhì)量量的的高高低低，，在在很很大大程程度度上上決決定定了了數(shù)數(shù)控控機(jī)