7[1].3伺服系统的发展趋势

1、 华中科技大学机械科学与工程学院华中科技大学机械科学与工程学院1第第7章章 数控加工技术的展望数控加工技术的展望 7.1 数控机床主机的发展数控机床主机的发展7.2 数控加工控制系统的发展数控加工控制系统的发展7.3 伺服系统的发展趋势伺服系统的发展趋势7.4 柔性制造技术的发展柔性制造技术的发展7.5 基于网络的数控加工技术基于网络的数控加工技术2u伺服系统中的控制信息用数字量来处理伺服系统中的控制信息用数字量来处理u随着数字信号微处理器速度的大幅度提高，伺服随着数字信号微处理器速度的大幅度提高，伺服系统的信息处理可完全用软件来完成，这就是当系统的信息处理可完全用软件来完成，这就是当前所说的

2、前所说的“数字伺服数字伺服”u伺服驱动系统全数字化伺服驱动系统全数字化l伺服驱动内部控制的数字化，伺服驱动内部控制的数字化，l伺服驱动到数控系统接口的数字化伺服驱动到数控系统接口的数字化l测量单元的数字化测量单元的数字化1. 全数字交流伺服系统全数字交流伺服系统7.3 伺服系统的发展趋势伺服系统的发展趋势3u全数字控制伺服系统可以采用以下新技术，达到全数字控制伺服系统可以采用以下新技术，达到高速度和高精度的要求高速度和高精度的要求前馈控制：引入前馈控制，实际上构成了具有反馈和前馈控制：引入前馈控制，实际上构成了具有反馈和前馈复合控制的系统结构前馈复合控制的系统结构预测控制：通过预测机床伺服系统

3、的传递函数来调节预测控制：通过预测机床伺服系统的传递函数来调节输入控制量，以产生符合要求的输出输入控制量，以产生符合要求的输出学习控制或重复控制：适合于周期性重复操作控制指学习控制或重复控制：适合于周期性重复操作控制指令情况的加工，可以获得高速、高精度令情况的加工，可以获得高速、高精度1. 全数字交流伺服系统全数字交流伺服系统7.3 伺服系统的发展趋势伺服系统的发展趋势4u数字伺服系统运用计算机技术，具有下列特性数字伺服系统运用计算机技术，具有下列特性l采用现代控制理论，通过计算机软件实现最佳控制采用现代控制理论，通过计算机软件实现最佳控制l数字伺服系统是一种离散系统，它是由采样器和保持器两数

4、字伺服系统是一种离散系统，它是由采样器和保持器两个基本环节组成的个基本环节组成的l 数字伺服系统具有较高的动、静态精度数字伺服系统具有较高的动、静态精度l系统一般的情况下会配有系统一般的情况下会配有SERCOS(Serial Real-time Communication System，串行实时通讯系统，串行实时通讯系统)板。与现场板。与现场总线相比，它可以实现高速位置闭环控制，可以处理多个总线相比，它可以实现高速位置闭环控制，可以处理多个运动轴的控制，同时可以采用精确、高效的光纤接口，光运动轴的控制，同时可以采用精确、高效的光纤接口，光纤连接可以确保通讯过程的无噪音，简化模块之间的电缆纤连接

5、可以确保通讯过程的无噪音，简化模块之间的电缆连接，提高系统的可靠性。连接，提高系统的可靠性。1. 全数字交流伺服系统全数字交流伺服系统7.3 伺服系统的发展趋势伺服系统的发展趋势5u电机的改进、驱动方式的改进和具备更高运行速率的电机的改进、驱动方式的改进和具备更高运行速率的DSP等是伺服驱动系统向着高速、高精、高性能化迈进的先决等是伺服驱动系统向着高速、高精、高性能化迈进的先决条件条件u电机方面的改进主要包括电机永磁材料性能的改进、更好电机方面的改进主要包括电机永磁材料性能的改进、更好的磁铁安装结构设计，的磁铁安装结构设计， 逆变器驱动电路的优化、加减速逆变器驱动电路的优化、加减速运动的优化、

6、再生制动和能量反馈以及更好的冷却方式运动的优化、再生制动和能量反馈以及更好的冷却方式u驱动方式的改进方面如采用无齿槽效应的高性能旋转电机驱动方式的改进方面如采用无齿槽效应的高性能旋转电机和采用直线电机的线性伺服驱动方式和采用直线电机的线性伺服驱动方式2. 高速度、高精度、高性能化高速度、高精度、高性能化 7.3 伺服系统的发展趋势伺服系统的发展趋势62. 高速度、高精度、高性能化高速度、高精度、高性能化 u德国倍福德国倍福(Beckhoff)AX5000伺服伺服驱动器驱动器电流控制环最快可达电流控制环最快可达31.25s速度控制环最快可达速度控制环最快可达125s位置控制环最快可达位置控制环最

7、快可达125s支持高动态性能的运动控制支持高动态性能的运动控制任务任务集成了高性能的集成了高性能的EtherCAT实实时以太网通讯技术时以太网通讯技术7.3 伺服系统的发展趋势伺服系统的发展趋势7u通过通过Internet及时了解伺服系统的参数及时实运行情况，及时了解伺服系统的参数及时实运行情况，并可根据嵌入的预测性维护技术，及时了解如电流、负载并可根据嵌入的预测性维护技术，及时了解如电流、负载的变化情况，实现实时预警的变化情况，实现实时预警u模糊逻辑控制、神经网络和专家控制已运用到伺服驱动系模糊逻辑控制、神经网络和专家控制已运用到伺服驱动系统中，是当前比较典型的智能控制方法统中，是当前比较典

8、型的智能控制方法u伺服驱动系统的网络化、智能化及其它功能模块均得到了伺服驱动系统的网络化、智能化及其它功能模块均得到了长足发展，根据设计使用者的不同要求及不同模块的功能长足发展，根据设计使用者的不同要求及不同模块的功能及参数实现伺服驱动系统的模块化设计及参数实现伺服驱动系统的模块化设计3. 网络化、智能化、模块化网络化、智能化、模块化 7.3 伺服系统的发展趋势伺服系统的发展趋势8u直接驱动装置直接与负载相联，省掉了机械传动元件，故直接驱动装置直接与负载相联，省掉了机械传动元件，故传动链最短传动链最短由于驱动装置的动态性能明显提高，故生产效率较高由于驱动装置的动态性能明显提高，故生产效率较高由

9、于调节质量好和定位精度高，所以产品质量提高了由于调节质量好和定位精度高，所以产品质量提高了由于取消了许多磨损件，因而生命周期的成本很少由于取消了许多磨损件，因而生命周期的成本很少简化了机床设计和机床结构简化了机床设计和机床结构u直线伺服系统采用的是一种直接驱动方式，带来了旋转驱直线伺服系统采用的是一种直接驱动方式，带来了旋转驱动方式无法达到的性能指标，如加速度可达动方式无法达到的性能指标，如加速度可达3g以上，为传以上，为传统驱动装置的统驱动装置的10-20倍，进给速度是传统的倍，进给速度是传统的4-5倍倍4. 直线伺服系统直线伺服系统 7.3 伺服系统的发展趋势伺服系统的发展趋势9u采用直线

10、电机和智能化全数字直接驱动控制系统为特征的高速加工中采用直线电机和智能化全数字直接驱动控制系统为特征的高速加工中心心u世界上第一台展出的直线电机直接驱动的高速加工中心是世界上第一台展出的直线电机直接驱动的高速加工中心是1993年展出年展出的的XHC240型加工中心型加工中心u应用到数控机床上的主要有高精度、高频响、小行程直线电动机与大应用到数控机床上的主要有高精度、高频响、小行程直线电动机与大推力、长行程、高精度直线电动机两类推力、长行程、高精度直线电动机两类l2000年年DMG公司已有公司已有28种机型采用直线电动机驱动，年产种机型采用直线电动机驱动，年产1500多多台，约占总产量的台，约占

11、总产量的1/3lMAZAK公司也将推出基于直线伺服系统的超音速加工中心，切公司也将推出基于直线伺服系统的超音速加工中心，切削速度削速度2720m/s，主轴最高转速，主轴最高转速80000r/min，快移速度，快移速度500m/min，加速度加速度6g4. 直线伺服系统直线伺服系统 7.3 伺服系统的发展趋势伺服系统的发展趋势10u作为机床进给驱动主流的永磁直线伺服电动机有作为机床进给驱动主流的永磁直线伺服电动机有两大发展方向两大发展方向大推力：通过电动机结构、磁路形式和冷却结构的特大推力：通过电动机结构、磁路形式和冷却结构的特殊设计，以获得更大的推力，从而满足大型机床强力殊设计，以获得更大的推

12、力，从而满足大型机床强力切削加工的要求切削加工的要求高精度：通过直线电动机磁路设计、磁场优化设计以高精度：通过直线电动机磁路设计、磁场优化设计以及绕组形式设计，尽量减小直线电动机的静态和动态及绕组形式设计，尽量减小直线电动机的静态和动态端部效应所引起的推力波动端部效应所引起的推力波动4. 直线伺服系统直线伺服系统 7.3 伺服系统的发展趋势伺服系统的发展趋势11u电主轴单元将主轴电机直接装在了主轴单元内部，省去了皮带、齿轮、电主轴单元将主轴电机直接装在了主轴单元内部，省去了皮带、齿轮、联轴节等中间变速和传动装置，实现了电机与主轴的零传动联轴节等中间变速和传动装置，实现了电机与主轴的零传动u电主轴是现代高档数控机械的关键部件，成为现代数控机床的主要特电主轴是现代高档数控机械的关键部件，成为现代数控机床的主要特征之一征之一u具有结构简单紧凑、效率高、噪声低、振动小和精度高等特点具有结构简