伺服驅動(dòng)技術(shù)在數控切割機中的應用

數控切割機發(fā)展至今已經(jīng)30多年了。在這30多年中，數控切割機技術(shù)得到了巨大的發(fā)展。從數控系統來(lái)看，由以電子管為基礎的硬件數控技術(shù)發(fā)展到目前以微處理器為基礎的軟件數控系統。伴隨著(zhù)數控系統的發(fā)展，數控切割機的伺服驅動(dòng)技術(shù)也得到了相應的發(fā)展，從電液脈沖馬達、功率步進(jìn)電動(dòng)機發(fā)展到高性能交、直流伺服電動(dòng)機驅動(dòng)系統。特別是高性能交流電動(dòng)機伺服系統代表了當前伺服驅動(dòng)系統的發(fā)展方向。

數控切割機控制系統的組成與工業(yè)機器人控制系統相似，由計算機數字控制(CNC)系統、伺服驅動(dòng)器(sD)、伺服電動(dòng)機(sM)、速度和位置傳感器(S)等組成。

計算機數字控制(CNC)系統用來(lái)存儲零件加工程序，進(jìn)行各種插補運算和軟

件實(shí)時(shí)控制，向各坐標軸的伺服驅動(dòng)系統發(fā)出各種控制命令。伺服驅動(dòng)器SD和伺服電動(dòng)機SM接收到計算機數字控制(CNC)系統的控制命令后，能夠快速平滑調節運動(dòng)速度，并能夠精確地進(jìn)行位置控制。機床進(jìn)給裝置的實(shí)際速度和位置通常用裝在電動(dòng)機軸端的速度和位置傳感器來(lái)檢測。

作為數控機床進(jìn)給用的伺服驅動(dòng)系統應滿(mǎn)足以下要求：

1)應具有足夠寬的調速范圍，通常要達到10000：1以上，才能滿(mǎn)足低速加工和高速返回的要求。

2)應具有足夠的加(減)速力矩。為了快速移動(dòng)機床導板或重切削的需要要求伺服電動(dòng)機能產(chǎn)生出足夠大的力矩。

3)伺服驅動(dòng)系統的動(dòng)態(tài)響應要快，以使系統具有良好的動(dòng)態(tài)跟隨性能，盡快消除負載擾動(dòng)對電動(dòng)機速度的影響。

4)伺服電動(dòng)機的轉子慣量要小，以提高伺服系統的加(減)速性能。整個(gè)電動(dòng)機的質(zhì)量和體積應盡可能小些，為機械設計與安裝創(chuàng )造方便條件。

5)在從低速到高速的整個(gè)速度范圍內，應該保持運行平滑，電動(dòng)機的轉矩脈動(dòng)盡可能要小，在運動(dòng)中不產(chǎn)生脈動(dòng)和過(guò)大的噪聲；在停止時(shí)不產(chǎn)生爬行現象和高頻振動(dòng)。

6)伺服電動(dòng)機應安全可靠，希望電動(dòng)機本身無(wú)需維護或容易維護。這一點(diǎn)在使用多臺伺服電動(dòng)機的生產(chǎn)線(xiàn)中是應該特別強調的。同時(shí)，也要求伺服電動(dòng)機能在油氣、粉塵等易燃易爆及人體不宜接近等惡劣環(huán)境中正常工作。伺服電動(dòng)機應是無(wú)火花運行。

7)與cNc系統的接口應當簡(jiǎn)便。整個(gè)伺服驅動(dòng)裝置必須能方便地接收來(lái)自上一級控制的指令，同時(shí)也必須將自身的運行狀態(tài)送到上一級控制器。這樣，在伺服電動(dòng)機和伺服驅動(dòng)器、計算機數字控制系統之間，就存在著(zhù)信號形式與強弱的顯著(zhù)差別，必須通過(guò)接口聯(lián)系起來(lái)，這就要求接口應該是簡(jiǎn)便易行的。

數控機床和工業(yè)機器人都是典型的機電一體化產(chǎn)品，由此可以歸納出對機電一體化產(chǎn)品中的伺服驅動(dòng)系統要求如下：

1)應能控制施加于機械上的力或力矩的大小。

2)應能使機械快速或緩慢平滑地移動(dòng)。

3)應能調整機械的加速度或減速度的大小。

4)應能使機械移動(dòng)到所規定的距離。

5)應能使機械運動(dòng)跟蹤控制指令。

6)應能在規定的位置上使機械保持停止狀態(tài)。

7)應能使機械的移動(dòng)方向在正反兩個(gè)方向上自由地改變：

應該指出，不同的機電一體化產(chǎn)品對伺服驅動(dòng)系統的要求其側重點(diǎn)是有區別的，這主要是由生產(chǎn)工藝或工作特點(diǎn)所決定的。例如，上面介紹過(guò)的工業(yè)機器人和數控機床就是如此。

數控機床進(jìn)給裝置的負載在相當寬的范圍內具有恒轉矩的性質(zhì)，而且負載慣量變化很小，而工業(yè)機器人伺服電動(dòng)機軸上的慣量和力矩隨著(zhù)工業(yè)機器人運動(dòng)姿態(tài)和負載的不同將發(fā)生很大變化；后者對伺服驅動(dòng)系統所產(chǎn)生的力或力矩的適應性，提出了更高的要求，而使控制問(wèn)題復雜化，要求電動(dòng)機的體積和質(zhì)量應該盡可能的

另一方面，由于數控切割機是高效加工的數控機床所以對動(dòng)態(tài)和靜態(tài)控制精度提出了很高的要求，要求伺服驅動(dòng)系統具有非常寬闊的調速范圍和定位精度，而工業(yè)機器人在這一點(diǎn)上，一般來(lái)說(shuō)就沒(méi)有數控切割機的要求高。