機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)和主軸系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

1．微電子技術(shù)發(fā)展促進(jìn)了控制智能化

    隨著微電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路制造工藝和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，高性能的微處理器（MPU）、大規(guī)模集成電路（LSIC）芯片、表面安裝器件（SMD）等為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制提供了硬件基礎(chǔ)，不僅使控制電路體積大大縮小，而且通過控制軟件可以實(shí)現(xiàn)更加靈活、復(fù)雜的控制方法，在不增加或很少增加硬件設(shè)備的前提下，可滿足不同場合的需要，充分體現(xiàn)數(shù)字控制高度智能化和柔性的優(yōu)點(diǎn)。

2．電力電子技術(shù)開創(chuàng)了機(jī)床驅(qū)動(dòng)新局面

    電力電子技術(shù)的日新月異的發(fā)展，也為交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能的不斷提高奠定了基礎(chǔ)。電力電子技術(shù)是以電力為對象的電子技術(shù)，它的主要任務(wù)是對電能進(jìn)行控制和變換。它是用半導(dǎo)體電力電子器件進(jìn)行功率變換、控制及開關(guān)電路的應(yīng)用技術(shù)。

現(xiàn)代電力電子技術(shù)有如下特點(diǎn)：①大容量化（即高電壓、大電流）；②高頻化（即開關(guān)速度高）；③易驅(qū)動(dòng)（電壓驅(qū)動(dòng)）；④低壓降（即損耗低）；⑤模塊化；⑥功率集成化（即將驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、檢測甚至控制等功能集成于一體）；⑦全控化（即器件的自關(guān)斷性）；⑧控制技術(shù)數(shù)字化，從而使以PWM控制為代表的采用數(shù)字控制的電力電子裝置性能日趨完善。各種PWM技術(shù)的應(yīng)用，以及諧振軟開關(guān)技術(shù)的深入研究，使逆變器的性能從單目標(biāo)優(yōu)化逐步向系統(tǒng)整體性能優(yōu)化方向發(fā)展。第三代智能功率模塊（IPM）的出現(xiàn)，大幅度改善了逆變器的性能，大大縮小了體積。下一代的功率模塊將具備直接與控制信號接口的能力，內(nèi)部集成了多個(gè)高速光耦、多路驅(qū)動(dòng)電源、電壓、電流的檢測和保護(hù)等功能，被稱之為“System-In module”，從而使逆變器構(gòu)成將更簡單、更可靠，體積也將更小。

3．現(xiàn)代控制理論使交流調(diào)速成為現(xiàn)實(shí)

    由于交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型較直流電動(dòng)機(jī)復(fù)雜得多，具有非線性、強(qiáng)耦合、多變量的特點(diǎn)，應(yīng)用經(jīng)典控制理論很難控制交流電動(dòng)機(jī)，而現(xiàn)代控制理論的發(fā)展對交流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用。

    采用狀態(tài)觀察器和卡爾曼濾波器可以進(jìn)行電動(dòng)機(jī)參數(shù)的在線辨識；采用滑模變結(jié)構(gòu)控制可增強(qiáng)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的魯棒性。如能將各種智能控制理論有機(jī)地結(jié)合起來，必將開創(chuàng)交流調(diào)速的新天地。如模糊控制和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制都不需要精確的對象模型和參數(shù)，使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的魯棒性。其中，模糊控制能強(qiáng)迫電流以類似于BANG－BANG響應(yīng)方式趨于期望點(diǎn)，做到快速響應(yīng)，但當(dāng)誤差較小時(shí)，難以控制精確定位，且易振蕩；而神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制卻具有能精確地實(shí)現(xiàn)伺服信號跟蹤且無超調(diào)，但由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有固有的梯度計(jì)算，使響應(yīng)時(shí)間變長，電流響應(yīng)較早退出飽和。因此，如能將上述兩者有機(jī)地結(jié)合起來，使其在不同的誤差域內(nèi)發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)，取長補(bǔ)短，則可望實(shí)現(xiàn)期望控制。

4．利用串行伺服總線的數(shù)字化通信使機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更上一層樓

    CNC與數(shù)字伺服之間串行通信使兩者之間實(shí)現(xiàn)了高速傳輸串行數(shù)據(jù)。甚至用一根光纜（它具有直徑小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)）可直接連接多臺伺服驅(qū)動(dòng)器。如果建立一個(gè)國際上公認(rèn)的CNC與數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器之間統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換接口（類似于德國的SERCOS接口協(xié)議），則有提供產(chǎn)品互換的可能性。

5．多種控制方法應(yīng)用于一體

    在許多國外廠商生產(chǎn)的伺服系統(tǒng)中，將串行通信以及多種控制方法集中應(yīng)用在一個(gè)產(chǎn)品中。如日本FANUC公司在伺服控制中采用高速DSP（Digital Signal Processor）進(jìn)行數(shù)值計(jì)算來實(shí)現(xiàn)“直線性”、“穩(wěn)定性”和“重復(fù)性”。利用前饋控制（Feed Forward）（框圖見圖19－18）、插補(bǔ)前鐘形加／減速以及自動(dòng)拐角減速方案之后，克服了模擬伺服和一般數(shù)字伺服的響應(yīng)滯后現(xiàn)象，響應(yīng)和精度都得到明顯的改善，輪廓誤差減到1／100，而且定位時(shí)間也大為縮短，在典型鉆削循環(huán)中循環(huán)時(shí)間可減少30％。

    因機(jī)床工作臺具有摩擦、電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)反向造成響應(yīng)延遲以及圓弧切削在過象限時(shí)的凸起，都造成加工誤差，使精度變壞。而在最新的數(shù)字伺服軟件中，考慮到這些因素，利用預(yù)補(bǔ)償來減少這個(gè)圓度誤差，并實(shí)現(xiàn)了高速度環(huán)增益而無振動(dòng)。

6．傳感器檢測技術(shù)的發(fā)展大幅度地提高了伺服系統(tǒng)的性能

    感器檢測技術(shù)的發(fā)展也極大地提高了交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和定位精度。普遍采用的電壓型和電流型霍爾傳感器具有小于1μs的響應(yīng)時(shí)間。交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)一般選用無刷旋轉(zhuǎn)變壓器、混合型的光電編碼器和絕對值編碼器作為位置、速度傳感器。隨著它們的轉(zhuǎn)速、分辨率的不斷提高，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、調(diào)速范圍以及低速性能也相應(yīng)提高。傳統(tǒng)的具有A、B相信號的編碼器，由于它不能兼顧分辨率和高速度，且信號線太多，從而影響了高精度、高速度的伺服系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。而新型的編碼器則克服了上述缺點(diǎn)，如日本FANUC公司生產(chǎn)的脈沖編碼器（絕對型），由于它將來自SIN和COS信號的角度轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，使它具有4000r/min的高速以及高達(dá)1000000脈沖／r或65536脈沖／r的分辨率。另外，伺服電動(dòng)機(jī)本身也在向高速方向發(fā)展，與上述高速編碼器配合實(shí)現(xiàn)了60m/min甚至100m/min的快速進(jìn)給和1g的加速度。而在電動(dòng)機(jī)磁路設(shè)計(jì)上又做了改進(jìn)，使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)更加平滑，再配合高速數(shù)字伺服軟件，可使電動(dòng)機(jī)即使在小于1μm轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)也顯得平滑而無爬行。

    交流主軸電動(dòng)機(jī)為滿足機(jī)床加工工藝以及主軸需要，現(xiàn)在都在向高速化方向發(fā)展，12000r/min的轉(zhuǎn)速已是正常的指標(biāo)。主軸系統(tǒng)所用的位置編碼器分辨率也已達(dá)到360000脈沖／r。

7．直線電動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

    直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，無論是在國外還是國內(nèi)都在積極的研究、探索之中，將會(huì)是下一代數(shù)控機(jī)床的一個(gè)顯著特色。這是因?yàn)槠�今為止的�?qū)動(dòng)系統(tǒng)都是由旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)、齒輪箱或聯(lián)軸器、絲杠和驅(qū)動(dòng)螺母、絲杠支座軸承等構(gòu)成，而它們都影響甚至限制了機(jī)床的性能。例如：電動(dòng)機(jī)本身有最大轉(zhuǎn)速的限制，隨著速度增加，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩下降；在高的加速度下電動(dòng)機(jī)軸會(huì)產(chǎn)生扭曲甚至變形和位置誤差。齒輪箱則會(huì)增加系統(tǒng)慣性，產(chǎn)生間隙；如電動(dòng)機(jī)與絲杠直接連接，則會(huì)產(chǎn)生扭曲變形、間隙及滯后；絲杠本身受臨界轉(zhuǎn)速、間隙、扭曲、螺距誤差、摩擦等影響，且其振動(dòng)衰減時(shí)間很長。而直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)則沒有上述缺點(diǎn)，能達(dá)到快速移動(dòng)（可以達(dá)到120m/min甚至200m/min的速度）和較短的位置穩(wěn)定時(shí)間，且能進(jìn)一步減少機(jī)床不進(jìn)行實(shí)際切削加工的非生產(chǎn)時(shí)間。由于直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)僅由兩個(gè)互不接觸部件組成，沒有低效率的中間傳動(dòng)部件，也無機(jī)械滯后以及螺距誤差，從而可達(dá)到高的效率，且其精度完全取決于反饋系統(tǒng)和軸承。當(dāng)用全數(shù)字伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)直線電動(dòng)機(jī)時(shí)，可達(dá)到高剛度和高固有頻率，從而達(dá)到極好的伺服性能。要使直線電動(dòng)機(jī)走向?qū)嵱�，尚須解決：①磁鐵吸引金屬顆粒問題，亦即要解決密封磁軌等電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)問題；②新的反饋元件的研究；③當(dāng)應(yīng)用于機(jī)床垂直軸時(shí)要解決制動(dòng)或平衡問題；④如何減少數(shù)字放大器的發(fā)熱及提高效率等一系列問題。

8．統(tǒng)一型驅(qū)動(dòng)器的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)的概念

    變頻調(diào)速由于具有高集成度和多功能特點(diǎn)，以及它的可靠性、免維護(hù)、高效、高功率因數(shù)、操作簡單、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而越來越得到廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速尤其適用于風(fēng)機(jī)和水泵，它能節(jié)約可觀的電能，如對70％的水泵和風(fēng)機(jī)用的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造，可實(shí)現(xiàn)年節(jié)電1000億kW·h的能力。而以IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）和IPM等新器件為基礎(chǔ)的新一代高載波、低噪聲變頻器的開發(fā)，以及新的控制軟件的引入，把變頻調(diào)速引入了一個(gè)全新的領(lǐng)域，使原來僅用于開環(huán)控制的變頻器演變成了既能用于開環(huán)控制，也能用于閉環(huán)控制的稱之為“統(tǒng)一型驅(qū)動(dòng)器”。以英國的CT公司的Unidrive產(chǎn)品和德國AMK公司的AMKASYN產(chǎn)品為代表，使變頻器登上了新的舞臺。下面以CT公司的Unidrive產(chǎn)品為例，給予簡單的介紹。

    CT公司在1996年推出了統(tǒng)一型驅(qū)動(dòng)器系列產(chǎn)品。它的控制板主要由Intel80166CPU、快閃存儲(chǔ)器以及3片CT公司設(shè)計(jì)的專用芯片組成，硬件高度集成化，控制板芯片數(shù)量僅為當(dāng)前市場上通用變頻器的1／4。它按功率可分成5個(gè)等級，其中等級1（輸出功率為0.75～4kW）為基本單元，等級5額定功率為120kW（它由基本單元加上擴(kuò)展功率單元組成），最多可8臺并聯(lián)，組成1000kW功率輸出。

    統(tǒng)一型驅(qū)動(dòng)器配置有大量的參數(shù)和20個(gè)菜單功能，便于用戶在不改變硬件配置的條件下，可由用戶方便地設(shè)置成V／F控制、無速度傳感器開環(huán)矢量控制、閉環(huán)磁通矢量控制、永磁無刷交流伺服電動(dòng)機(jī)控制及再生單元等五種工作方式，適用于各種場合。它的部分動(dòng)態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)如表19－2所示。

表19－2 統(tǒng)一型驅(qū)動(dòng)器部分指標(biāo)

控 制 方 式 電流環(huán)帶寬／Hz 輸出額定轉(zhuǎn)矩

時(shí)的最低頻率／Hz 速度調(diào)整率

（靜差）

V／F 50 2～3 2％～3％

無速度傳感器開環(huán)矢量控制

300 1 1％

閉環(huán)磁通矢量控制

500 0 0.01%

永磁無刷交流伺服電動(dòng)機(jī)控制

1000 0 0.01%

    統(tǒng)一型驅(qū)動(dòng)器的無速度傳感器開環(huán)矢量控制方式、閉環(huán)磁通矢量控制方式以及永磁無刷交流伺服電動(dòng)機(jī)控制方式

     常規(guī)開環(huán)驅(qū)動(dòng)不用閉環(huán)電流控制，基速以下按線性V－F特性使電壓與頻率成正比，基速以上保持電壓恒定，參考坐標(biāo)一般按電動(dòng)機(jī)磁通定向。在統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)器開環(huán)矢量方式中，參考坐標(biāo)依據(jù)定子電阻電壓降來定向。因此，在穩(wěn)態(tài)條件下，X軸是以與定子相連的磁通來定向的，Isx為勵(lì)磁電流分量，ISY為有功電流分量�；�速以下，ISY與轉(zhuǎn)矩成正比，但在5Hz以下，精度就很差。在暫態(tài)過程中，為保證V－F特性輸出定向正確，在確定電動(dòng)機(jī)端電壓之前，對X－Y軸方向的定子電阻電壓降進(jìn)行補(bǔ)償，為了在10Hz以下時(shí)還能穩(wěn)定工作，采取在X軸上加固定補(bǔ)償，而在Y軸上加可變補(bǔ)償?shù)姆椒�。為了避免在暫態(tài)條件下（暫態(tài)加載或快加速）出現(xiàn)過電流跳閘，所以在圖19－19中加入了峰值電流限幅和電流限幅。電流限幅是通過修正斜坡函數(shù)輸出的頻率給定來實(shí)現(xiàn)的，這種方法是減小電動(dòng)機(jī)有功電流，也即減小產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流。為防止加速過快引起過電流的峰值電流限幅控制，當(dāng)總電流超過限幅值時(shí)，修正輸出電壓到適當(dāng)值，使電流在峰值限幅以內(nèi)，當(dāng)電流沒有超過時(shí)，限幅器不起作用，它的輸入和輸出相等。作為電流反饋，首先將兩相電流值轉(zhuǎn)換成等效的一組正交電流ISD和ISQ，然后再轉(zhuǎn)換成參考坐標(biāo)中的X軸和Y軸分量。X軸分量僅用于峰值電流限幅，Y軸分量（有功電流）用于峰值電流限幅、電流限幅以及轉(zhuǎn)差補(bǔ)償。

    在閉環(huán)磁通矢量控制方式中，需要一臺增量式編碼器作為位置反饋，當(dāng)然也可用絕對式編碼器。控制系統(tǒng)根據(jù)USX和USY的給定值，產(chǎn)生IGBT的控制信號，并且像開環(huán)驅(qū)動(dòng)一樣計(jì)算出X軸和Y軸的電流反饋。但是，所用的參考坐標(biāo)中的X軸是以電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁通來定向的，因而Isx、ISY分別為定子電流的勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量。速度給定與速度反饋的偏差作為速度控制器輸入，其輸出為轉(zhuǎn)矩給定，經(jīng)轉(zhuǎn)矩／電流變換后得到轉(zhuǎn)矩電流給定ISY*。磁通控制器輸出勵(lì)磁電流給定，基速以下磁通控制器輸出ISX*就等于電動(dòng)機(jī)額定勵(lì)磁電流，基速以上，ISX*隨轉(zhuǎn)速的增加而減小。ISX*與ISX的偏差以及ISY*與ISY的偏差，分別經(jīng)過勵(lì)磁電流控制器和轉(zhuǎn)矩電流控制器的運(yùn)算后，輸出X－Y坐標(biāo)系中的電壓分量USX和USY。閉環(huán)磁通矢量方式在任一速度上給出良好的轉(zhuǎn)矩控制特性和快速的瞬態(tài)響應(yīng)，也不需要對直流母線電壓進(jìn)行補(bǔ)償，閉環(huán)電流控制將自動(dòng)完成這些補(bǔ)償。這種前饋補(bǔ)償有助于直流母線電壓大幅度波動(dòng)時(shí)維持調(diào)制增益恒定。

    永磁無刷交流伺服電動(dòng)機(jī)控制方式用于帶有絕對位置反饋的永磁同步電動(dòng)機(jī)，其控制系統(tǒng)與閉環(huán)矢量驅(qū)動(dòng)相似，只有兩點(diǎn)不同。一是X－Y坐標(biāo)中的X軸以轉(zhuǎn)子磁通定向，由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是永磁的，勵(lì)磁電流給定ISX*為零；二是轉(zhuǎn)子軸上的絕對編碼器可直接檢測轉(zhuǎn)子對固定坐標(biāo)系的相位角θr，亦即轉(zhuǎn)子磁通角直接來自轉(zhuǎn)子位置。永磁無刷交流伺服電動(dòng)機(jī)控制方式用于要求頻繁起制動(dòng)、零速有保持轉(zhuǎn)矩、大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、按預(yù)定速度或轉(zhuǎn)矩運(yùn)行等系統(tǒng)中，如剪切、機(jī)床、自動(dòng)定位系統(tǒng)、自動(dòng)焊接系統(tǒng)等一類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。

統(tǒng)一型驅(qū)動(dòng)器的出現(xiàn)，將大大降低機(jī)床用進(jìn)給系統(tǒng)和主軸系統(tǒng)的硬件成本。