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什么是FANUC的伺服驱动装置?

文章出处:未知 作者:国际机械人气: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。伺服技术的发展建立在控制理论、电机驱动及电力电子等技术的基础上。上世纪50年代初,世界笫一台NC国际的进给驱动采用液压驱动。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),而且惯性低、反应快,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。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国际进给驱动系统。70年代初期,由于石油危机,加上液压对环境的污染以及系统笨重、效率低等原因,美国GETTYS公司开发出直流大惯量伺服电机,这种伺服电机静力矩和起动力矩大,并在NC国际上得到了应用,性能良好。另一方面,1974年FANUC公司在开发新的低噪声、大扭矩电液脉冲电机时,遇到了技术困难。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,“我是技术人员,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、自信;但是作为经营者,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危机吗?通过调查,我确信有新的电机来取代电液脉冲电机。”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,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,并立即进行商品化。从此,在世界最大的CNC公司,开环的系统由闭环的系统取代;液压的驱动系统由电气驱动系统取代。这件事,一直在NC业界传为美谈。在这之后,FANUC又成功地把交流伺服电机应用在数控国际上,然后不断推出新的驱动装置:如直线电机、高速内装电机、直接驱动电机等,提高了数控国际的性能,简化了数控国际的机械结构。
 
  1 数控国际对驱动装置的要求
 
  数控国际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国际的性能优劣。
 
  数控国际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。伺服系统的刚度与国际机械构件的刚度有相同的意义,即在外部干扰力(切削力、重力等外力)作用下,这些力从工作部件传到电机轴上产生的转角位置变化。用C 表示单位外力矩作用下的位移: d= DqT(1)式中,Dq为工作部件角位移量,T为外加扰动力矩。要求d很小,甚至为零,即通电之后,伺服装置处于闭环状态,要求任何外力不使国际的工作部件发生位移(在限度以内)。数控国际娱乐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,娱乐手机版同样得不到保证,这是显然的。伺服刚性通常是以对扰动力矩的响应来综合调节系统。
 
  快速相应的要求
 
  这在轮廓娱乐,特别对曲率大的娱乐对象进行高速娱乐时要求较严格。
 
  调速范围的要求
 
  这可以使数控国际适用于各种不同的刀具、娱乐材质;适应于各种不同的娱乐工艺。在国际娱乐时,当工作部件处于停止状态,也即进给电机的速度虽然为零,但要求伺服电机仍然具有转矩,这样才能“锁住”工作部件;因此,进给伺服装置仍然处于“伺服”状态。从理论上说,进给驱动的调速范围为无穷大。或者说,进给的调速范围越大越好。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。国际进给机械负载的性质主要是克服工作部件的摩擦力和切削阻力,因此主要是“恒转矩”的性质。
 
  数控国际对主轴驱动装置的要求
 
  足够的输出功率
 
  数控国际的主轴负载性质近似于“恒功率”,也就是当国际的主轴转速高时,输出转矩较小;主轴转速低时, 输出转矩大; 即要求主轴驱动装置也要具有“恒功率”的性质。可是当主轴电机工作在额定功率、额定转速时,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,以提高低速的转矩,扩大恒功率的调速范围;或者降低额定输出功率,扩大恒功率调速范围。
 
  调速范围的要求
 
  为保证数控国际适用于各种不同的刀具、娱乐材质,适应于各种不同的娱乐工艺,要求主轴驱动装置具有一定的调速范围。对主轴的驱动装置,一般较低的要求为1:100,高的要求为1:1,000以上。
 
  速度手机版的要求
 
  一般要求静差度小于5%,更高的要求为小于1%。如果速降过大,则娱乐的质量就会受影响,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,这就要求它也具有一定的快速性。
 
  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,从旋转电机到直线电机对于电动机,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,所以q=90°;因此控制简单,可以输出较大的力矩,得到了广泛的应用。但是直流电机电刷容易磨损,需要经常更换,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°,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°;对于交流同步机结构的伺服电机,同样也可以采用矢量控制的方法,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,因此,进给伺服应用的电机大多数采用这种电机。
 
  采用电伺服技术的初期阶段,指令的控制为模拟控制;这种控制方法漂移大、手机版差,由于数字控制可以克服上述缺点,因此越来越多地得到应用。
 
  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3000Nm,最大输出转矩为5300Nm,最高转速为2000r/min,目前,也是世界上最大的伺服电机。这种电机主要应用在数控注塑机和冲压机上,原先,这些机械主要采用液压驱动。
 
  传统设计和制造的NC国际受制于标准驱动装置及控制器,使娱乐的手机版和速度受到限制。在上世纪80年代末出现了直线伺服电机。它由两个元件组成,电磁力直接作用于移动元件而无需机械连接,没有螺距周期误差,手机版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,刚性高,频响好,因而可获得高速度。比如L17000C3/2is 的直线电机: 最大推力可达17000N, 连续推力3400N/4080N/6800N(分别对应自然冷/气冷/水冷),速度可达4m/s,加速度30g, 分辨率可达0.01μm,甚至更高。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,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,因而使得系统本身的结构大为简化,重量和体积大大地减少;二是定位手机版高,在需要直线运动的地方,直线电机可以实现直接传动,因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差,故定位手机版高;三是反应速度快、灵敏度高,可做到滑块和定子之间始终保持一定的空气隙而不接触,这就消除了定子、滑块间的接触摩擦阻力,因而大大地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性;四是工作安全可靠、寿命长。
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