FANUC的伺服驅(qū)動裝置

發(fā)布日期：2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽：2445

0 前言

伺服裝置是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分。伺服技術(shù)的發(fā)展建立在控制理論、電機驅(qū)動及電力電子等技術(shù)的基礎(chǔ)上。上世紀(jì)50年代初，世界笫一臺NC機床的進給驅(qū)動采用液壓驅(qū)動。由于液壓系統(tǒng)單位面積產(chǎn)生的力大于電氣系統(tǒng)所產(chǎn)生的力(約為20：1)，而且慣性低、反應(yīng)快，因此初期的NC系統(tǒng)的進給伺服裝置大多采用液壓驅(qū)動裝置。當(dāng)時的日本富士通公司計算機控制部(以后發(fā)展為FANUC公司)從麻省理工學(xué)院學(xué)習(xí)了笫一臺NC技術(shù)后，用電液脈沖電機作為數(shù)控機床進給驅(qū)動系統(tǒng)。70年代初期，由于石油危機，加上液壓對環(huán)境的污染以及系統(tǒng)笨重、效率低等原因，美國GETTYS公司開發(fā)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，并在NC機床上得到了應(yīng)用，性能良好。另一方面，1974年FANUC公司在開發(fā)新的低噪聲、大扭矩電液脈沖電機時，遇到了技術(shù)困難。而電液脈沖電機原先是使FANUC數(shù)控系統(tǒng)市場占有率高到幾乎接近獨占鰲頭的主要原因； 當(dāng)時擔(dān)任公司社長的稻葉先生反復(fù)思考，“我是技術(shù)人員，同時也是經(jīng)營者。作為技術(shù)人員，我作為電液脈沖電機的發(fā)明者而感到自豪、自信；但是作為經(jīng)營者，我必須反復(fù)自問：電液脈沖電機就這樣原封不動地持續(xù)下去而沒有危機嗎?通過調(diào)查，我確信有新的電機來取代電液脈沖電機�！庇谑钱�(dāng)即做出了“割愛”的果斷決擇：廢棄使用多年的電液脈沖電機驅(qū)動方案，同時轉(zhuǎn)而從美國GETTYS公司引進大慣量直流伺服電機制造技術(shù)，并立即進行商品化。從此，在世界最大的CNC公司，開環(huán)的系統(tǒng)由閉環(huán)的系統(tǒng)取代；液壓的驅(qū)動系統(tǒng)由電氣驅(qū)動系統(tǒng)取代。這件事，一直在NC業(yè)界傳為美談。在這之后，F(xiàn)ANUC又成功地把交流伺服電機應(yīng)用在數(shù)控機床上，然后不斷推出新的驅(qū)動裝置：如直線電機、高速內(nèi)裝電機、直接驅(qū)動電機等，提高了數(shù)控機床的性能，簡化了數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)。

1 數(shù)控機床對驅(qū)動裝置的要求

數(shù)控機床主要有兩種驅(qū)動裝置：進給伺服驅(qū)動裝置和主軸驅(qū)動裝置。這兩種驅(qū)動裝置在很大程度上決定了數(shù)控機床的性能優(yōu)劣。

  1. 數(shù)控機床對進給伺服裝置的要求

    1. 機械特性的要求

      要求伺服裝置靜態(tài)和動態(tài)的速降小、剛度大。伺服系統(tǒng)的剛度與機床機械構(gòu)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(chǎn)生的轉(zhuǎn)角位置變化。用C 表示單位外力矩作用下的位移：

      d=Dq/T                (1)

      式中，Dq為工作部件角位移量，T為外加擾動力矩。要求d很小，甚至為零，即通電之后，伺服裝置處于閉環(huán)狀態(tài)，要求任何外力不使機床的工作部件發(fā)生位移(在限度以內(nèi))。數(shù)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(zhuǎn)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(yīng)來綜合調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

    2. 快速相應(yīng)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(yán)格。

    3. 調(diào)速范圍的要求

      這可以使數(shù)控機床適用于各種不同的刀具、加工材質(zhì)；適應(yīng)于各種不同的加工工藝。在機床加工時，當(dāng)工作部件處于停止?fàn)顟B(tài)，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(zhuǎn)矩，這樣才能“鎖住”工作部件；因此，進給伺服裝置仍然處于“伺服”狀態(tài)。從理論上說，進給驅(qū)動的調(diào)速范圍為無窮大�；蛘哒f，進給的調(diào)速范圍越大越好。比如FANUC的15系統(tǒng)速度范圍可達1,000,000,000:1。

    4. 輸出轉(zhuǎn)矩的要求

      一定的輸出轉(zhuǎn)矩，并要求一定的過載轉(zhuǎn)矩。機床進給機械負(fù)載的性質(zhì)主要是克服工作部件的摩擦力和切削阻力，因此主要是“恒轉(zhuǎn)矩”的性質(zhì)。

  2. 數(shù)控機床對主軸驅(qū)動裝置的要求

    1. 足夠的輸出功率

      數(shù)控機床的主軸負(fù)載性質(zhì)近似于“恒功率”，也就是當(dāng)機床的主軸轉(zhuǎn)速高時，輸出轉(zhuǎn)矩較小；主軸轉(zhuǎn)速低時， 輸出轉(zhuǎn)矩大； 即要求主軸驅(qū)動裝置也要具有“恒功率”的性質(zhì)。可是當(dāng)主軸電機工作在額定功率、額定轉(zhuǎn)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恒功率的寬范圍調(diào)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(zhuǎn)矩，擴大恒功率的調(diào)速范圍；或者降低額定輸出功率，擴大恒功率調(diào)速范圍。

    2. 調(diào)速范圍的要求

      為保證數(shù)控機床適用于各種不同的刀具、加工材質(zhì)，適應(yīng)于各種不同的加工工藝，要求主軸驅(qū)動裝置具有一定的調(diào)速范圍。對主軸的驅(qū)動裝置，一般較低的要求為1:100，高的要求為1:1,000以上。

    3. 速度精度的要求

      一般要求靜差度小于5%，更高的要求為小于1%。如果速降過大，則加工的質(zhì)量就會受影響，比如光潔度就不好。

    4. 快速的要求

      主軸驅(qū)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(qū)動電機的發(fā)展

  1. 進給伺服用電機：從直流電機到交流電機，從旋轉(zhuǎn)電機到直線電機對于電動機，其輸出轉(zhuǎn)矩T的大小與激磁磁感應(yīng)強度B1和電樞磁感應(yīng)強度B2的大小及B1、B2之間夾角q的正弦成比例。即：

    T=k(B1×B2×sinq)                        (2)

  2. 其中k為比例系數(shù)；直流電機由于電刷的位置在幾何中心線上，所以q=90°；因此控制簡單，可以輸出較大的力矩，得到了廣泛的應(yīng)用。但是直流電機電刷容易磨損，需要經(jīng)常更換，這就給維修造成困難。于是又開發(fā)了交流伺服電機。由于交流電機q≠90°，為了提高性能，采用交流電機伺服控制理論和數(shù)字信號處理器可以對三相交流感應(yīng)電機進行矢量控制以得到q=90°；對于交流同步機結(jié)構(gòu)的伺服電機，同樣也可以采用矢量控制的方法，并通過控制磁場夾角的方法得到q=90°；由于它的特性可以與直流電機相當(dāng)，因此，進給伺服應(yīng)用的電機大多數(shù)采用這種電機。

采用電伺服技術(shù)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，由于數(shù)字控制可以克服上述缺點，因此越來越多地得到應(yīng)用。

當(dāng)前，F(xiàn)ANUC最大的伺服電機a3000HVis規(guī)格如下：額定輸出功率250kW，最大功率530kW，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩3000Nm，最大輸出轉(zhuǎn)矩為5300Nm，最高轉(zhuǎn)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(yīng)用在數(shù)控注塑機和沖壓機上，原先，這些機械主要采用液壓驅(qū)動。

傳統(tǒng)設(shè)計和制造的NC機床受制于標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動裝置及控制器，使加工的精度和速度受到限制。在上世紀(jì)80年代末出現(xiàn)了直線伺服電機。它由兩個元件組成，電磁力直接作用于移動元件而無需機械連接，沒有螺距周期誤差，精度完全依賴于反饋系統(tǒng)和分級的支承。由全數(shù)字伺服驅(qū)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(xù)推力3400N/4080N/6800N(分別對應(yīng)自然冷/氣冷/水冷)，速度可達4m/s，加速度30g， 分辨率可達0.01µm，甚至更高。直線電機與旋轉(zhuǎn)電機相比，主要有如下幾個特點：一是結(jié)構(gòu)簡單，由于直線電機不需要有旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動的附加裝置，因而使得系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)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(xiàn)直接傳動，因而可以消除中間環(huán)節(jié)所帶來的各種定位誤差，故定位精度高；三是反應(yīng)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(tǒng)的靈敏度、快速性和隨動性；四是工作安全可靠、壽命長。

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圖1 直線電機與直接驅(qū)動伺服電機

在數(shù)控機床上把低速力矩電機直接作為旋轉(zhuǎn)工作臺是伺服技術(shù)的又一個發(fā)展。傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)工作臺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，噪聲大，需要維修。在采用直接驅(qū)動的伺服電機后，由于加大了電機轉(zhuǎn)子直徑，采用稀土金屬作為磁極材料，因此可以獲得大轉(zhuǎn)矩。并對磁路進行最佳設(shè)計，以減少低速的轉(zhuǎn)矩脈動。表1是齒輪傳動工作臺和直接驅(qū)動工作臺性能比較。

當(dāng)前，F(xiàn)ANUC工作臺的內(nèi)裝式伺服電機D3000/150is具體規(guī)格如下：最大輸出轉(zhuǎn)矩可達3000Nm，連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩可達1200Nm，最大轉(zhuǎn)速為150r/min，外形高度為160mm，外徑為565mm。

表1 齒輪工作臺和直接驅(qū)動工作臺性能比較

項目

齒輪工作臺

直接驅(qū)動工作臺

速度

低

高

加速度

低

高

伺服剛度(例

如，位置增益)

一般

高

抗干擾

相對強

相對弱

夾緊轉(zhuǎn)矩

大

相對小

定位精度

高(主要決定于編碼器

分辨率和降速機械)

高(主要決定于編碼器分辨

率、機械剛度和軸承剛度)

機械噪聲

大

低

維修

必需(由于機械磨損)

基本不必要

裝配

相對容易

需要思考(由于磁拉力)

冷卻

一般不需要

自然冷/氣冷/液冷(決定于

連續(xù)轉(zhuǎn)矩和散熱情況)

外形尺寸

不緊湊(電機外裝)

緊湊(電機內(nèi)裝)

2.主軸電機

由于交流異步電機變頻調(diào)速容易實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩、恒功率的功能，又沒有直流電機的炭刷，因此很快就被采用在數(shù)控機床的主軸上。隨著數(shù)控機床速度的提高，為了簡化傳動鏈，甚至采用“零傳動”的結(jié)構(gòu)，因而出現(xiàn)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(jié)構(gòu)雖然很簡單，但精度和可靠性卻要求很高。當(dāng)前， 一般內(nèi)裝主軸電機速度達到12000～15000r /min；電機采用三相異步電機的結(jié)構(gòu)，并采用改變極對數(shù)的方法改變分級變速。最近，又出現(xiàn)同步電機的結(jié)構(gòu)，采用稀土磁鐵，提高輸出轉(zhuǎn)矩，設(shè)計最佳機床結(jié)構(gòu)，還開發(fā)了寬范圍恒功率的主軸電機。這有兩種方法：降低原有電機的功率，擴大恒功率調(diào)速范圍；利用變極對數(shù)，達到恒功率。采用FANUC主軸電機規(guī)格如表2。

表2 FANUC主軸電機規(guī)格

特點

額定功率范圍

kW)

速度范圍(r/min)

基速-最大速)

應(yīng)用

標(biāo)準(zhǔn)型

0.55～45

4,500～15,000

車床、加工中心

寬范圍恒功率

5.5～22

4,500～8,000

車床、加工中心

電機與機床主軸

直連

1.5～22

5,000～20,000

車床、加工中心

高精度直連，油

冷

3.5～22

15,000～20,000

車床、加工中心

內(nèi)裝

0.55～50

1,000～30,000

車床、加工中心

高壓供電

0.55～100

4,000～20,000

車床、加工中心

3 驅(qū)動裝置的發(fā)展

FANUC的驅(qū)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?yōu)橹绷鳎驯蒙妷核突仉娋W(wǎng)或加以處理，在電源故障時進行保護等功能。

早期開發(fā)的晶閘管伺服系統(tǒng)控制簡單，速度范圍能滿足一般數(shù)控機床的需要，由于晶閘管額定電流大，短時間過電流能力強，因此對大慣量直流伺服電機可以發(fā)揮過負(fù)荷、高速、高加減速的特點�？刂埔话悴捎靡葡嗫刂频姆椒�。晶閘管伺服系統(tǒng)的缺點是功率轉(zhuǎn)換的頻率較低，只能是電網(wǎng)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(diào)速范圍不大、快速響應(yīng)慢。

由于上述原因， 從技術(shù)上FANUC又推出了PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制的電路。比如，以固定的頻率調(diào)制直流電源電壓V0，當(dāng)方波的占空比Dt/T0變化時，輸出平均電壓V1為：

V1=[Dt/T0]V0                 (3)

雖然這種電壓的波形也是脈動的，但是由于調(diào)制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(tǒng)的快速性提得很高。如果采用晶體管，其動態(tài)調(diào)節(jié)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(qū)動電路。

除了直流進給電機外，F(xiàn)ANUC的交流電機也采用PWM控制。交流電機的控制，是通過交流、直流、交流的原理產(chǎn)生交流電壓去控制交流電機。首先電網(wǎng)的交流電壓經(jīng)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(shù)控車床和數(shù)控齒輪機床的應(yīng)用。除此以外，F(xiàn)ANUC還開發(fā)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，由于采用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(qū)動系統(tǒng)采用這個原理；而且交流主軸電機的調(diào)速也是如此。一般頻率為3kHz～10kHz。

伺服技術(shù)的發(fā)展與電力電子技術(shù)的發(fā)展有關(guān)，上世紀(jì)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年代之后，又相繼出現(xiàn)了晶閘管SCR(可控硅整流器)、功率晶體管GTR、功率場效應(yīng)管MOSFET、絕緣柵三極管IGBT、智能功率模塊IPM等。把功率放大、觸發(fā)控制、驅(qū)動、保護電路集成在一起。這些器件的出現(xiàn)，大大提高了系統(tǒng)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(shù)的發(fā)展

FANUC為了提高伺服裝置的性能和實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的功能，對控制技術(shù)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采用交流伺服電機，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(huán)和控制都為AC量；(2)通過坐標(biāo)變換電流變量為DC量進行控制�，F(xiàn)在一般采用后者進行控制。也稱矢量變換控制。矢量控制原理為：交流電機中，轉(zhuǎn)子由定子繞組感應(yīng)的電流產(chǎn)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(zhuǎn)矩。這兩個電流成份在定子耦合在一起，為了使交流電機應(yīng)用在既需要速度又需要轉(zhuǎn)矩控制的場合，必須把影響轉(zhuǎn)矩的電流成份解耦控制，采用磁通向量控制法就可以分離這兩個成份， 并進行獨立控制。HRV就是基于后者的控制。由于采用DC控制，它的控制特性不取決于電機的速度(即電流的頻率)，從速度控制的觀點出發(fā)，這意味著由轉(zhuǎn)矩指令決定的實際的轉(zhuǎn)矩與電機的速度無關(guān)。交流異步電機雖然價格便宜、結(jié)構(gòu)簡單，早期由于電力電子器件笨重、落后，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(tǒng)上得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，1971年，德國西門子的Blaschke發(fā)明了交流異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(yīng)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(jì)70年代末，NC機床逐漸采用異步電機為主軸的驅(qū)動電機。對現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)，伺服技術(shù)取得的最大突破可以歸結(jié)為：交流驅(qū)動取代直流驅(qū)動、數(shù)字控制取代模擬控制(或者把它稱為軟件控制取代硬件控制)。這兩種突破的結(jié)果產(chǎn)生了交流數(shù)字驅(qū)動系統(tǒng)，特別是數(shù)字信號處理器DSP的應(yīng)用，系統(tǒng)的計算速度大大提高，采樣時間大大減少。使伺服系統(tǒng)性能改善、可靠性提高、調(diào)試方便、柔性增強。因而推動了數(shù)控機床高精高速加工技術(shù)的發(fā)展。

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圖2 HRV控制框圖

HRV是“高響應(yīng)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件和軟件方面進行優(yōu)化，以實現(xiàn)伺服裝置的高性能化，從而使數(shù)控機床的加工達到高速和高精；為了實現(xiàn)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(yīng)；減少采樣時間，對電流進行高精度檢測；優(yōu)化軟件設(shè)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(tǒng)的性能；(2)對外部的干擾具有良好的魯棒性；(3)采用高精度編碼器； (4) 設(shè)置HRV濾波器， 減少機械諧振影響。通過以上措施可使系統(tǒng)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(shè)置HRV濾波器，減少機械諧振影響，加大速度增益；提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；(2)精調(diào)加減速，提高同步性；(3)降低高速時繞組溫升。

5 采用數(shù)字伺服的自調(diào)諧技術(shù)，方便于調(diào)試

為了使用戶方便調(diào)試， 對伺服裝置， FANUC 還設(shè)計了“ Servo Guide”軟件工具。它采用自調(diào)諧(self tuning)技術(shù)通過計算機可自動地把伺服參數(shù)進行設(shè)定，并顯示運轉(zhuǎn)的波形，使伺服系統(tǒng)方便、準(zhǔn)確、快速地調(diào)試和進行維修。

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