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什么是FANUC的伺服驅動裝置?

文章出處:未知 作者:華正機械人氣:發表時間:2013-04-15 15:37
  伺服裝置是數控系統的重要組成部分。伺服技術的發展建立在控制理論、電機驅動及電力電子等技術的基礎上。上世紀50年代初,世界笫一臺NC機床的進給驅動采用液壓驅動。由于液壓系統單位面積產生的力大于電氣系統所產生的力(約為20:1),而且慣性低、反應快,因此初期的NC系統的進給伺服裝置大多采用液壓驅動裝置。當時的日本富士通公司計算機控制部(以后發展為FANUC公司)從麻省理工學院學習了笫一臺NC技術后,用電液脈沖電機作為數控機床進給驅動系統。70年代初期,由于石油危機,加上液壓對環境的污染以及系統笨重、效率低等原因,美國GETTYS公司開發出直流大慣量伺服電機,這種伺服電機靜力矩和起動力矩大,并在NC機床上得到了應用,性能良好。另一方面,1974年FANUC公司在開發新的低噪聲、大扭矩電液脈沖電機時,遇到了技術困難。而電液脈沖電機原先是使FANUC數控系統市場占有率高到幾乎接近獨占鰲頭的主要原因; 當時擔任公司社長的稻葉先生反復思考,“我是技術人員,同時也是經營者。作為技術人員,我作為電液脈沖電機的發明者而感到自豪、自信;但是作為經營者,我必須反復自問:電液脈沖電機就這樣原封不動地持續下去而沒有危機嗎?通過調查,我確信有新的電機來取代電液脈沖電機。”于是當即做出了“割愛”的果斷決擇:廢棄使用多年的電液脈沖電機驅動方案,同時轉而從美國GETTYS公司引進大慣量直流伺服電機制造技術,并立即進行商品化。從此,在世界最大的CNC公司,開環的系統由閉環的系統取代;液壓的驅動系統由電氣驅動系統取代。這件事,一直在NC業界傳為美談。在這之后,FANUC又成功地把交流伺服電機應用在數控機床上,然后不斷推出新的驅動裝置:如直線電機、高速內裝電機、直接驅動電機等,提高了數控機床的性能,簡化了數控機床的機械結構。
 
  1 數控機床對驅動裝置的要求
 
  數控機床主要有兩種驅動裝置:進給伺服驅動裝置和主軸驅動裝置。這兩種驅動裝置在很大程度上決定了數控機床的性能優劣。
 
  數控機床對進給伺服裝置的要求
 
  機械特性的要求
 
  要求伺服裝置靜態和動態的速降小、剛度大。伺服系統的剛度與機床機械構件的剛度有相同的意義,即在外部干擾力(切削力、重力等外力)作用下,這些力從工作部件傳到電機軸上產生的轉角位置變化。用C 表示單位外力矩作用下的位移: d= DqT(1)式中,Dq為工作部件角位移量,T為外加擾動力矩。要求d很小,甚至為零,即通電之后,伺服裝置處于閉環狀態,要求任何外力不使機床的工作部件發生位移(在限度以內)。數控機床加工中有時從插補運動過渡到某一軸的直線運動或旋轉運動,如果待工作的軸伺服剛性不好,加工精度同樣得不到保證,這是顯然的。伺服剛性通常是以對擾動力矩的響應來綜合調節系統。
 
  快速相應的要求
 
  這在輪廓加工,特別對曲率大的加工對象進行高速加工時要求較嚴格。
 
  調速范圍的要求
 
  這可以使數控機床適用于各種不同的刀具、加工材質;適應于各種不同的加工工藝。在機床加工時,當工作部件處于停止狀態,也即進給電機的速度雖然為零,但要求伺服電機仍然具有轉矩,這樣才能“鎖住”工作部件;因此,進給伺服裝置仍然處于“伺服”狀態。從理論上說,進給驅動的調速范圍為無窮大。或者說,進給的調速范圍越大越好。比如FANUC的15系統速度范圍可達1,000,000,000:1。
 
  輸出轉矩的要求
 
  一定的輸出轉矩,并要求一定的過載轉矩。機床進給機械負載的性質主要是克服工作部件的摩擦力和切削阻力,因此主要是“恒轉矩”的性質。
 
  數控機床對主軸驅動裝置的要求
 
  足夠的輸出功率
 
  數控機床的主軸負載性質近似于“恒功率”,也就是當機床的主軸轉速高時,輸出轉矩較小;主軸轉速低時, 輸出轉矩大; 即要求主軸驅動裝置也要具有“恒功率”的性質。可是當主軸電機工作在額定功率、額定轉速時,按照一般電機的原理,不可能在電機為額定功率下進行恒功率的寬范圍調速。因此,往往在主軸的機械部分需增加一或二檔機械變速檔,以提高低速的轉矩,擴大恒功率的調速范圍;或者降低額定輸出功率,擴大恒功率調速范圍。
 
  調速范圍的要求
 
  為保證數控機床適用于各種不同的刀具、加工材質,適應于各種不同的加工工藝,要求主軸驅動裝置具有一定的調速范圍。對主軸的驅動裝置,一般較低的要求為1:100,高的要求為1:1,000以上。
 
  速度精度的要求
 
  一般要求靜差度小于5%,更高的要求為小于1%。如果速降過大,則加工的質量就會受影響,比如光潔度就不好。
 
  快速的要求
 
  主軸驅動裝置有時也用在定位功能上,這就要求它也具有一定的快速性。
 
  2 驅動電機的發展
 
  進給伺服用電機:從直流電機到交流電機,從旋轉電機到直線電機對于電動機,其輸出轉矩T的大小與激磁磁感應強度B1和電樞磁感應強度B2的大小及B1、B2之間夾角q的正弦成比例。即: T=k(B1×B2×sinq) (2)其中k為比例系數;直流電機由于電刷的位置在幾何中心線上,所以q=90°;因此控制簡單,可以輸出較大的力矩,得到了廣泛的應用。但是直流電機電刷容易磨損,需要經常更換,這就給維修造成困難。于是又開發了交流伺服電機。由于交流電機q≠90°,為了提高性能,采用交流電機伺服控制理論和數字信號處理器可以對三相交流感應電機進行矢量控制以得到q=90°;對于交流同步機結構的伺服電機,同樣也可以采用矢量控制的方法,并通過控制磁場夾角的方法得到q=90°;由于它的特性可以與直流電機相當,因此,進給伺服應用的電機大多數采用這種電機。
 
  采用電伺服技術的初期階段,指令的控制為模擬控制;這種控制方法漂移大、精度差,由于數字控制可以克服上述缺點,因此越來越多地得到應用。
 
  當前,FANUC最大的伺服電機a3000HVis規格如下:額定輸出功率250kW,最大功率530kW,堵轉轉矩3000Nm,最大輸出轉矩為5300Nm,最高轉速為2000r/min,目前,也是世界上最大的伺服電機。這種電機主要應用在數控注塑機和沖壓機上,原先,這些機械主要采用液壓驅動。
 
  傳統設計和制造的NC機床受制于標準驅動裝置及控制器,使加工的精度和速度受到限制。在上世紀80年代末出現了直線伺服電機。它由兩個元件組成,電磁力直接作用于移動元件而無需機械連接,沒有螺距周期誤差,精度完全依賴于反饋系統和分級的支承。由全數字伺服驅動器供電,剛性高,頻響好,因而可獲得高速度。比如L17000C3/2is 的直線電機: 最大推力可達17000N, 連續推力3400N/4080N/6800N(分別對應自然冷/氣冷/水冷),速度可達4m/s,加速度30g, 分辨率可達0.01μm,甚至更高。直線電機與旋轉電機相比,主要有如下幾個特點:一是結構簡單,由于直線電機不需要有旋轉運動變成直線運動的附加裝置,因而使得系統本身的結構大為簡化,重量和體積大大地減少;二是定位精度高,在需要直線運動的地方,直線電機可以實現直接傳動,因而可以消除中間環節所帶來的各種定位誤差,故定位精度高;三是反應速度快、靈敏度高,可做到滑塊和定子之間始終保持一定的空氣隙而不接觸,這就消除了定子、滑塊間的接觸摩擦阻力,因而大大地提高了系統的靈敏度、快速性和隨動性;四是工作安全可靠、壽命長。
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