FANUC的伺服工藝與伺服裝置

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FANUC的伺服工藝與伺服裝置簡介
前言 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,世界笫一台NC機床的進給驅動採……
FANUC的伺服工藝與伺服裝置正文

前言

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,世界笫一台NC機床的進給驅動採用液壓驅動。由於液壓系統單位面積產生的力大於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採用液壓驅動裝置。當時的日本富士通公司計算機控制部(以後發展為FANUC公司)從麻省理工學院學習了笫一台NC技術后,用電液脈衝電機作為數控機床進給驅動系統。70年代初期,由於石油危機,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,並在NC機床上得到了應用,性能良好。另一方面,1974年FANUC公司在開發新的低雜訊、大扭矩電液脈衝電機時,遇到了技術困難。而電液脈衝電機原先是使FANUC數控系統市場佔有率高到幾乎接近獨佔鰲頭的主要原因; 當時擔任公司社長的稻葉先生反覆思考,「我是技術人員,同時也是經營者。作為技術人員,我作為電液脈衝電機的發明者而感到自豪、自信;但是作為經營者,我必須反覆自問:電液脈衝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衝電機。」於是當即做出了「割愛」的果斷決擇:廢棄使用多年的電液脈衝電機驅動方案,同時轉而從美國GETTYS公司引進大慣量直流伺服電機製造技術,並立即進行商品化。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。在這之後,FANUC又成功地把交流伺服電機應用在數控機床上,然後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。

1) 數控機床對進給伺服裝置的要求

a. 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:

δ= △θ/T

式中,△θ為工作部件角位移量,T為外加擾動力矩。要求δ很小,甚至為零,即通電之後,伺服裝置處於閉環狀態,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。

b. 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。

c. 調速範圍的要求

這可以使數控機床適用於各種不同的刀具、加工材質;適應於各種不同的加工工藝。在機床加工時,當工作部件處於停止狀態,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於「伺服」狀態。從理論上說,進給驅動的調速範圍為無窮大。或者說,進給的調速範圍越大越好。比如FANUC的15系統速度範圍可達1,000,000,000:1。

d. 輸出轉矩的要求

一定的輸出轉矩,並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「恆轉矩」的性質。

2) 數控機床對主軸驅動裝置的要求

a. 足夠的輸出功率

數控機床的主軸負載性質近似於「恆功率」,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「恆功率」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恆功率的寬範圍調速。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,擴大恆功率的調速範圍;或者降低額定輸出功率,擴大恆功率調速範圍。

b. 調速範圍的要求

為保證數控機床適用於各種不同的刀具、加工材質,適應於各種不同的加工工藝,要求主軸驅動裝置具有一定的調速範圍。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。

c. 速度精度的要求

一般要求靜差度小於5%,更高的要求為小於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。

d. 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

1) 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於電動機,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θ的正弦成比例。即:

T=k(B1×B2×sinθ) (2)

其中k為比例係數;直流電機由於電刷的位置在幾何中心線上,所以θ=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。於是又開發了交流伺服電機。由於交流電機θ≠90°,為了提高性能,採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θ=90°;對於交流同步機結構的伺服電機,同樣也可以採用矢量控制的方法,並通過控制磁場夾角的方法得到θ=90°;由於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採用這種電機。

採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,由於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衝壓機上,原先,這些機械主要採用液壓驅動。


傳統設計和製造的NC機床受制於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,電磁力直接作用於移動元件而無需機械連接,沒有螺距周期誤差,精度完全依賴於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, 解析度可達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,由於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。

在數控機床上把低速力矩電機直接作為旋轉工作台是伺服技術的又一個發展。傳統的旋轉工作台一般是通過高速伺服電機帶動降速齒輪、蝸輪、蝸桿副進行降速。傳動鏈長,雜訊大,需要維修。在採用直接驅動的伺服電機后,由於加大了電機轉子直徑,採用稀土金屬作為磁極材料,因此可以獲得大轉矩。並對磁路進行最佳設計,以減少低速的轉矩脈動。表1是齒輪傳動工作台和直接驅動工作台性能比較。

表1 齒輪工作台和直接驅動工作台性能比較

項目齒輪工作台直接驅動工作台
速度
加速度
伺服剛度(例
如,位置增益)
一般
抗干擾相對強相對弱
夾緊轉矩相對小
定位精度高(主要決定於編碼器
解析度和降速機械)
高(主要決定於編碼器分辨
率、機械剛度和軸承剛度)
機械雜訊
維修必需(由於機械磨損)基本不必要
裝配相對容易需要思考(由於磁拉力)
冷卻一般不需要自然冷/氣冷/液冷(決定於
連續轉矩和散熱情況)
外形尺寸不緊湊(電機外裝)緊湊(電機內裝)


當前,FANUC工作台的內裝式伺服電機D3000/150is具體規格如下:最大輸出轉矩可達3000Nm,連續額定轉矩可達1200Nm,最大轉速為150r/min,外形高度為160mm,外徑為565mm。

2) 主軸電機

由於交流非同步電機變頻調速容易實現恆轉矩、恆功率的功能,又沒有直流電機的炭刷,因此很快就被採用在數控機床的主軸上。隨著數控機床速度的提高,為了簡化傳動鏈,甚至採用「零傳動」的結構,因而出現了電主軸。把機床的主軸與主軸電動機集成在一起,它的機械結構雖然很簡單,但精度和可靠性卻要求很高。當前, 一般內裝主軸電機速度達到12000~15000r /min;電機採用三相非同步電機的結構,並採用改變極對數的方法改變分級變速。最近,又出現同步電機的結構,採用稀土磁鐵,提高輸出轉矩,設計最佳機床結構,還開發了寬範圍恆功率的主軸電機。這有兩種方法:降低原有電機的功率,擴大恆功率調速範圍;利用變極對數,達到恆功率。採用FANUC主軸電機規格如表2。

表2 FANUC主軸電機規格

型號特點額定功率範圍
(kW)
速度範圍(r/min)
(基速-最大速)
應用
ai標準型0.55~454,500~15,000車床、加工中心
aip寬範圍恆功率5.5~224,500~8,000車床、加工中心
aiT電機與機床主軸
直連
1.5~225,000~20,000車床、加工中心
aiL高精度直連,油
3.5~2215,000~20,000車床、加工中心
aiB內裝0.55~501,000~30,000車床、加工中心
aiH高壓供電0.55~1004,000~20,000車床、加工中心


3 驅動裝置的發展

FANUC的驅動裝置主要由3部分組成:電源、放大器、控制。
電源主要把交流變為直流,把泵升電壓送回電網或加以處理,在電源故障時進行保護等功能。

早期開發的晶閘管伺服系統控制簡單,速度範圍能滿足一般數控機床的需要,由於晶閘管額定電流大,短時間過電流能力強,因此對大慣量直流伺服電機可以發揮過負荷、高速、高加減速的特點。控制一般採用移相控制的方法。晶閘管伺服系統的缺點是功率轉換的頻率較低,只能是電網的頻率50Hz或者高達300Hz。因此,其伺服裝置低速電流波動較大、調速範圍不大、快速響應慢。

由於上述原因, 從技術上FANUC又推出了PWM(脈衝寬度調製)控制的電路。比如,以固定的頻率調製直流電源電壓V0,當方波的占空比△t/T0變化時,輸出平均電壓V1為:

V1=[△t/T0]V0 (3)

然這種電壓的波形也是脈動的,但是由於調製的頻率可以達到很高,因此波形仍然可以很好。從上述原理看出,PWM的特點可以使系統的快速性提得很高。如果採用晶體管,其動態調節時間比可控硅快,但允許的電流較小,因此比較適合中、小功率的驅動電路。

除了直流進給電機外,FANUC的交流電機也採用PWM控制。交流電機的控制,是通過交流、直流、交流的原理產生交流電壓去控制交流電機。首先電網的交流電壓經過整流變成直流電壓,供電給逆變器,它把直流磁路,減小低速脈動。這種電機非常適合數控車床和數控齒輪機床的應用。除此以外,FANUC還開發了與機床主軸直連的主軸電機,油冷主軸電機。為了簡化變成交流;而逆變器是由PWM控制的,通過PWM電路,變化交流電壓的幅值,頻率低時,輸出電壓的幅值也低,頻率高時,由於採用PWM的控制,輸出電壓的幅值也高。這樣就達到變頻的同時也改變了電壓。不但進給驅動系統採用這個原理;而且交流主軸電機的調速也是如此。一般頻率為3kHz~10kHz。

伺服技術的發展與電力電子技術的發展有關,上世紀50年代初使用的功率電子器件為電子管、閘流管,體積大、壽命短、效率低;60年代之後,又相繼出現了晶閘管SCR(可控硅整流器)、功率晶體管GTR、功率場效應管MOSFET、絕緣柵三極體IGBT、智能功率模塊IPM等。把功率放大、觸發控制、驅動、保護電路集成在一起。這些器件的出現,大大提高了系統的控制性能及集成度、可靠性,從而縮小了尺寸,降低了成本。

4 控制技術的發展

FANUC為了提高伺服裝置的性能和實現數控系統的功能,對控制技術不斷進行改進。其中最重要的控制功能為HRV控制。如圖2所示。FANUC的CNC採用交流伺服電機,實際流過繞組的電流為交流電流。這有二種方法可以進行控制:(1)電流控制環和控制都為AC量;(2)通過坐標變換電流變數為DC量進行控制。現在一般採用後者進行控制。也稱矢量變換控制。矢量控制原理為:交流電機中,轉子由定子繞組感應的電流產生磁場;而定子電流含兩個成份,一個影響激磁磁場,另一個影響電機輸出轉矩。這兩個電流成份在定子耦合在一起,為了使交流電機應用在既需要速度又需要轉矩控制的場合,必須把影響轉矩的電流成份解耦控制,採用磁通向量控制法就可以分離這兩個成份, 並進行獨立控制。HRV就是基於後者的控制。由於採用DC控制,它的控制特性不取決於電機的速度(即電流的頻率),從速度控制的觀點出發,這意味著由轉矩指令決定的實際的轉矩與電機的速度無關。交流非同步電機雖然價格便宜、結構簡單,早期由於電力電子器件笨重、落後,控制理論陳舊,控制性能差,所以交流電機很長時間沒有在NC系統上得到應用。隨著電力電子技術的發展,1971年,德國西門子的Blaschke發明了交流非同步機的磁通矢量控制法;1980年,德國人Leonhard為首的研究小組在應用微處理器的矢量控制的研究中取得進展, 使矢量控制實用化。上世紀70年代末,NC機床逐漸採用非同步電機為主軸的驅動電機。對現代數控系統,伺服技術取得的最大突破可以歸結為:交流驅動取代直流驅動、數字控制取代模擬控制(或者把它稱為軟體控制取代硬體控制)。這兩種突破的結果產生了交流數字驅動系統,特別是數字信號處理器DSP的應用,系統的計算速度大大提高,採樣時間大大減少。使伺服系統性能改善、可靠性提高、調試方便、柔性增強。因而推動了數控機床高精高速加工技術的發展。

圖2 HRV控制框圖

HRV是「高響應矢量」(High Respons Vector)的意義。所謂HRV控制是對交流電機矢量控制從硬體和軟體方面進行優化,以實現伺服裝置的高性能化,從而使數控機床的加工達到高速和高精;為了實現高速和高精,進給伺服裝置的HRV主要控制:(1)對輸入指令具有高精高速的響應;減少採樣時間,對電流進行高精度檢測;優化軟體設計,對電流和速度進行控制,以加大速度增益和位置增益, 從而提高改善系統的性能;(2)對外部的干擾具有良好的魯棒性;(3)採用高精度編碼器; (4) 設置HRV濾波器, 減少機械諧振影響。通過以上措施可使系統的速度增益達到5000%,位置增益達到300/秒。而主軸伺服裝置的HRV主要控制:(1)設置HRV濾波器,減少機械諧振影響,加大速度增益;提高系統穩定性;(2)精調加減速,提高同步性;(3)降低高速時繞組溫升。

5 採用數字伺服的自調諧技術,方便於調試

為了使用戶方便調試, 對伺服裝置, FANUC 還設計了「 Servo Guide」軟體工具。它採用自調諧(self tuning)技術通過計算機可自動地把伺服參數進行設定,並顯示運轉的波形,使伺服系統方便、準確、快速地調試和進行維修。

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