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什么是FANUC的伺服驱动装置?

文章出处:未知 作者:华正机械人气:发表时间:2014-04-15 15:37
  伺服装置是数控系统的重要组成部分yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 。伺服技术的发展建立在控制理论yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 、电机驱动及电力电子等技术的基础上yth2206游艇会|手机版 。上世纪50年代初,世界笫一台NC机床的进给驱动采用液压驱动yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 。由于液压系统单位面积产生的力大于电气系统所产生的力(约为20:1)yth2206游艇会|手机版 ,而且惯性低、反应快yth2206游艇会|手机版 ,因此初期的NC系统的进给伺服装置大多采用液压驱动装置yth2206游艇会|手机版 。当时的日本富士通公司计算机控制部(以后发展为FANUC公司)从麻省理工学院学习了笫一台NC技术后,用电液脉冲电机作为数控机床进给驱动系统。70年代初期yth2206游艇会|手机版 ,由于石油蝭th2206游艇会|手机版 ;?,加上液压对环境的污染以及系统笨重yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 、效率低等原因,美国GETTYS公司开发出直流大惯量伺服电机yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,这种伺服电机静力矩和起动力矩大yth2206游艇会|手机版 ,并在NC机床上得到了应用yth2206游艇会|手机版 ,性能良好yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 。另一方面yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,1974年FANUC公司在开发新的低噪声yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 、大扭矩电液脉冲电机时yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,遇到了技术困难yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 。而电液脉冲电机原先是使FANUC数控系统市场占有率高到几乎接近独占鳌头的主要原因; 当时担任公司社长的稻叶先生反复思考yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,“我是技术人员yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,同时也是经营者。作为技术人员,我作为电液脉冲电机的发明者而感到自豪yth2206游艇会|手机版 、自信yth2206游艇会|手机版 ;但是作为经营者yth2206游艇会|手机版 ,我必须反复自问:电液脉冲电机就这样原封不动地持续下去而没有蝭th2206游艇会|手机版 ;?yth2206游艇会|手机版 ?通过调查yth2206游艇会|手机版 ,我确信有新的电机来取代电液脉冲电机yth2206游艇会|手机版 。”于是当即做出了“割爱”的果断决择:废弃使用多年的电液脉冲电机驱动方案yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,同时转而从美国GETTYS公司引进大惯量直流伺服电机制造技术yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,并立即进行商品化yth2206游艇会|手机版 。从此,在世界最大的CNC公司yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,开环的系统由闭环的系统取代yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ;液压的驱动系统由电气驱动系统取代yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 。这件事yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,一直在NC业界传为美谈yth2206游艇会|手机版 。在这之后yth2206游艇会|手机版 ,FANUC又成功地把交流伺服电机应用在数控机床上yth2206游艇会|手机版 ,然后不断推出新的驱动装置:如直线电机、高速内装电机yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 、直接驱动电机等yth2206游艇会|手机版 ,提高了数控机床的性能,简化了数控机床的机械结构yth2206游艇会|手机版 。
 
  1 数控机床对驱动装置的要求
 
  数控机床主要有两种驱动装置:进给伺服驱动装置和主轴驱动装置。这两种驱动装置在很大程度上决定了数控机床的性能优劣yth2206游艇会|手机版 。
 
  数控机床对进给伺服装置的要求
 
  机械特性的要求
 
  要求伺服装置静态和动态的速降小、刚度大。伺服系统的刚度与机床机械构件的刚度有相同的意义yth2206游艇会|手机版 ,即在外部干扰力(切削力、重力等外力)作用下yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,这些力从工作部件传到电机轴上产生的转角位置变化yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 。用C 表示单位外力矩作用下的位移: d= DqT(1)式中yth2206游艇会|手机版 ,Dq为工作部件角位移量yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,T为外加扰动力矩yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 。要求d很小,甚至为零yth2206游艇会|手机版 ,即通电之后yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,伺服装置处于闭环状态,要求任何外力不使机床的工作部件发生位移(在限度以内)。数控机床加工中有时从插补运动过渡到某一轴的直线运动或旋转运动,如果待工作的轴伺服刚性不好yth2206游艇会|手机版 ,加工精度同样得不到保证yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,这是显然的yth2206游艇会|手机版 。伺服刚性通常是以对扰动力矩的响应来综合调节系统yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 。
 
  快速相应的要求
 
  这在轮廓加工,特别对曲率大的加工对象进行高速加工时要求较严格yth2206游艇会|手机版 。
 
  调速范围的要求
 
  这可以使数控机床适用于各种不同的刀具yth2206游艇会|手机版 、加工材质yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ;适应于各种不同的加工工艺yth2206游艇会|手机版 。在机床加工时yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,当工作部件处于停止状态yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,也即进给电机的速度虽然为零yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,但要求伺服电机仍然具有转矩yth2206游艇会|手机版 ,这样才能“锁住”工作部件yth2206游艇会|手机版 ;因此yth2206游艇会|手机版 ,进给伺服装置仍然处于“伺服”状态yth2206游艇会|手机版 。从理论上说,进给驱动的调速范围为无穷大th2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ;蛘咚?yth2206游艇会|手机版 ,进给的调速范围越大越好yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 。比如FANUC的15系统速度范围可达1,000,000,000:1。
 
  输出转矩的要求
 
  一定的输出转矩,并要求一定的过载转矩th2206游艇会|手机版 ;步蹈涸氐男灾手饕强朔ぷ鞑考哪Σ亮颓邢髯枇th2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,因此主要是“恒转矩”的性质yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 。
 
  数控机床对主轴驱动装置的要求
 
  足够的输出功率
 
  数控机床的主轴负载性质近似于“恒功率”yth2206游艇会|手机版 ,也就是当机床的主轴转速高时,输出转矩较?th2206游艇会|手机版 ;主轴转速低时yth2206游艇会|手机版 , 输出转矩大yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ; 即要求主轴驱动装置也要具有“恒功率”的性质yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ?yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ?墒堑敝髦岬缁ぷ髟诙疃üβ?yth2206游艇会|手机版 、额定转速时yth2206游艇会|手机版 ,按照一般电机的原理,不可能在电机为额定功率下进行恒功率的宽范围调速。因此,往往在主轴的机械部分需增加一或二档机械变速档yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,以提高低速的转矩yth2206游艇会|手机版 ,扩大恒功率的调速范围yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ;或者降低额定输出功率,扩大恒功率调速范围yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 。
 
  调速范围的要求
 
  为保证数控机床适用于各种不同的刀具yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 、加工材质yth2206游艇会|手机版 ,适应于各种不同的加工工艺,要求主轴驱动装置具有一定的调速范围yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 。对主轴的驱动装置yth2206游艇会|手机版 ,一般较低的要求为1:100yth2206游艇会|手机版 ,高的要求为1:1,000以上yth2206游艇会|手机版 。
 
  速度精度的要求
 
  一般要求静差度小于5%yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,更高的要求为小于1%yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 。如果速降过大yth2206游艇会|手机版 ,则加工的质量就会受影响,比如光洁度就不好。
 
  快速的要求
 
  主轴驱动装置有时也用在定位功能上yth2206游艇会|手机版 ,这就要求它也具有一定的快速性yth2206游艇会|手机版 。
 
  2 驱动电机的发展
 
  进给伺服用电机:从直流电机到交流电机yth2206游艇会|手机版 ,从旋转电机到直线电机对于电动机yth2206游艇会|手机版 ,其输出转矩T的大小与激磁磁感应强度B1和电枢磁感应强度B2的大小及B1、B2之间夹角q的正弦成比例。即: T=k(B1×B2×sinq) (2)其中k为比例系数;直流电机由于电刷的位置在几何中心线上yth2206游艇会|手机版 ,所以q=90°yth2206游艇会|手机版 ;因此控制简单yth2206游艇会|手机版 ,可以输出较大的力矩yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,得到了广泛的应用yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 。但是直流电机电刷容易磨损yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,需要经常更换yth2206游艇会|手机版 ,这就给维修造成困难。于是又开发了交流伺服电机。由于交流电机q≠90°yth2206游艇会|手机版 ,为了提高性能,采用交流电机伺服控制理论和数字信号处理器可以对三相交流感应电机进行矢量控制以得到q=90°yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ;对于交流同步机结构的伺服电机yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,同样也可以采用矢量控制的方法yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,并通过控制磁场夹角的方法得到q=90°;由于它的特性可以与直流电机相当yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,因此,进给伺服应用的电机大多数采用这种电机yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 。
 
  采用电伺服技术的初期阶段yth2206游艇会|手机版 ,指令的控制为模拟控制yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ;这种控制方法漂移大、精度差yth2206游艇会|手机版 ,由于数字控制可以克服上述缺点yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,因此越来越多地得到应用yth2206游艇会|手机版 。
 
  当前,FANUC最大的伺服电机a3000HVis规格如下:额定输出功率250kW,最大功率530kW,堵转转矩3000Nmyth2206游艇会|手机版 ,最大输出转矩为5300Nm,最高转速为2000r/minyth2206游艇会|手机版 ,目前yth2206游艇会|手机版 ,也是世界上最大的伺服电机yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 。这种电机主要应用在数控注塑机和冲压机上yth2206游艇会|手机版 ,原先yth2206游艇会|手机版 ,这些机械主要采用液压驱动yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 。
 
  传统设计和制造的NC机床受制于标准驱动装置及控制器,使加工的精度和速度受到限制yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 。在上世纪80年代末出现了直线伺服电机yth2206游艇会|手机版 。它由两个元件组成yth2206游艇会|手机版 ,电磁力直接作用于移动元件而无需机械连接yth2206游艇会|手机版 ,没有螺距周期误差,精度完全依赖于反馈系统和分级的支承。由全数字伺服驱动器供电yth2206游艇会|手机版 ,刚性高yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,频响好yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,因而可获得高速度yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 。比如L17000C3/2is 的直线电机: 最大推力可达17000Nyth2206游艇会|手机版 , 连续推力3400N/4080N/6800N(分别对应自然冷/气冷/水冷),速度可达4m/syth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,加速度30g, 分辨率可达0.01μmyth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,甚至更高yth2206游艇会|手机版 。直线电机与旋转电机相比,主要有如下几个特点:一是结构简单yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,由于直线电机不需要有旋转运动变成直线运动的附加装置yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,因而使得系统本身的结构大为简化yth2206游艇会|手机版 ,重量和体积大大地减少yth2206游艇会|手机版 ;二是定位精度高,在需要直线运动的地方yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,直线电机可以实现直接传动yth2206游艇会|手机版 ,因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 ,故定位精度高yth2206游艇会|手机版 ;三是反应速度快yth2206游艇会|手机版 、灵敏度高yth2206游艇会|手机版 ,可做到滑块和定子之间始终保持一定的空气隙而不接触yth2206游艇会|手机版 ,这就消除了定子yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 、滑块间的接触摩擦阻力,因而大大地提高了系统的灵敏度yth2206游艇会|手机版 yth2206游艇会|手机版 、快速性和随动性yth2206游艇会|手机版 ;四是工作安全可靠、寿命长。

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