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数控系统中伺服控制技术的展望

发布时间:2012-4-23

  近年来,伺服电机控制技术正朝着交流化、数字化、智能化三个方向发展。作为数控机床的执行机构.伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体,并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步,经历了从步进到直流,进而到交流的发展历程。
  伺服电机控制技术的发展推动加工技术的高速高精化。80年代以来,数控系统逐渐应用伺服电机作为驱动器件。交流伺服电机内是无刷结构,几乎不需维修.体积相对较小,有利于转速和功率的提高。目前交流伺服系统已在很大范围内取代了直流伺服系统。在当代数控系统中,交流伺服取代直流伺服、软件控制取代硬件控制成为了伺服技术的发展趋势。由此产生了应用在数控机床的"NN进给和主轴装置上的交流数字驱动系统。随着微处理器和全数字化交流"fa,qE系统的发展,数控系统的计算速度大大提高.采样时间大大减少。硬件伺服控制变为软件伺服控制后,大大地提高了伺服系统的性能。例如OSP-U10/u1 Oo网络式数控系统的伺服控制环就是一种高性能的伺服控制网,它对进行自律控制的各个伺服装置和部件实现了分散配置,网络连接,进一步发挥了它对机床的控制能力和通信速度。这些技术的发展,使"fan系统性能改善、可靠性提高、调试方便、柔性增强,大大推动了高精高速加工技术的发展。
  另外,先进传感器检测技术的发展也极大地提高了交流电动机调速系统的动态响应性能和定位精度。交流伺服电机调速系统一般选用无刷旋转变压器、混合型的光电编码器和绝对值编码器作为位置、速度传感器,其传感器具有小于1″s的响应时间。伺服电动机本身也在向高速方向发展.与上述高速编码器配合实现了60m/min甚至100m/min的快速进给和1 g的加速度。为保证高速时电动机旋转更加平滑.改进了电动机的磁路设计.并配合高速数字伺服软件.可保证电动机即使在小于1″m转动时也显得平滑而无爬行。
  交流直线伺服电机直接驱动进给技术已趋成熟。数控机床的进给驱动有″旋转伺服电机+精密高速滚珠丝杠″和″直线电机直接驱动″两种类型。传统的滚珠丝杠工艺成熟加工精度较高,实现高速化的成本相对较低,所以目前应用广泛。使用滚.珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度90m/min.加速度1.59。但滚珠丝杠是机械传动,机械元件间存在弹性。
  变形、摩擦和反向间隙.相应会造成运动滞后和非线性误差.所以再进一步提高滚珠丝杠副移动速度和加速度比较难了。
  90年代以来,高速高精的大型加工机床中,应用直线电机直接驱动进给驱动方式。它比滚珠丝杠驱动具有刚度更高、速度范围更宽、加速特性更好、运动惯量更小、动态响应性能更佳,运行更平稳、位置精度更高等优点。且直线电机直接驱动,不需中间机械传动.减小了机械磨损与传动误差,减少了维护工作。直线电机直接驱动与滚珠丝杠传动相比,其速度提高30倍.加速度提高10倍,最大达109.刚度提高7倍,最高响应频率达1 00Hz,还有较大的发展余地。当前,在高速高精加工机床领域中,两种驱动方式还会并存相当长一段时间,但从发展趋势来看,直线电机驱动所占的比重会愈来愈大。种种迹象表明,直线电 机驱动在高速高精加工机床上的应用已进入加速增长期。