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伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)在數(shù)控切割機(jī)中的應(yīng)用

數(shù)控切割機(jī)發(fā)展至今已經(jīng)30多年了。在這30多年中，數(shù)控切割機(jī)技術(shù)得到了巨大的發(fā)展。從數(shù)控系統(tǒng)來(lái)看，由以電子管為基礎(chǔ)的硬件數(shù)控技術(shù)發(fā)展到目前以微處理器為基礎(chǔ)的軟件數(shù)控系統(tǒng)。伴隨著數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展，數(shù)控切割機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)也得到了相應(yīng)的發(fā)展，從電液脈沖馬達(dá)、功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)展到高性能交、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。特別是高性能交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)代表了當(dāng)前伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。

數(shù)控切割機(jī)控制系統(tǒng)的組成與工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)相似，由計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC)系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)器(sD)、伺服電動(dòng)機(jī)(sM)、速度和位置傳感器(S)等組成。

計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC)系統(tǒng)用來(lái)存儲(chǔ)零件加工程序，進(jìn)行各種插補(bǔ)運(yùn)算和軟

件實(shí)時(shí)控制，向各坐標(biāo)軸的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出各種控制命令。伺服驅(qū)動(dòng)器SD和伺服電動(dòng)機(jī)SM接收到計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC)系統(tǒng)的控制命令后，能夠快速平滑調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度，并能夠精確地進(jìn)行位置控制。機(jī)床進(jìn)給裝置的實(shí)際速度和位置通常用裝在電動(dòng)機(jī)軸端的速度和位置傳感器來(lái)檢測(cè)。

作為數(shù)控機(jī)床進(jìn)給用的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：

1)應(yīng)具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍，通常要達(dá)到10000：1以上，才能滿足低速加工和高速返回的要求。

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

3)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要快，以使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)跟隨性能，盡快消除負(fù)載擾動(dòng)對(duì)電動(dòng)機(jī)速度的影響。

4)伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量要小，以提高伺服系統(tǒng)的加(減)速性能。整個(gè)電動(dòng)機(jī)的質(zhì)量和體積應(yīng)盡可能小些，為機(jī)械設(shè)計(jì)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(nèi)，應(yīng)該保持運(yùn)行平滑，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)盡可能要小，在運(yùn)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(xiàn)象和高頻振動(dòng)。

6)伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)安全可靠，希望電動(dòng)機(jī)本身無(wú)需維護(hù)或容易維護(hù)。這一點(diǎn)在使用多臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)線中是應(yīng)該特別強(qiáng)調(diào)的。同時(shí)，也要求伺服電動(dòng)機(jī)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(jī)應(yīng)是無(wú)火花運(yùn)行。

7)與cNc系統(tǒng)的接口應(yīng)當(dāng)簡(jiǎn)便。整個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)裝置必須能方便地接收來(lái)自上一級(jí)控制的指令，同時(shí)也必須將自身的運(yùn)行狀態(tài)送到上一級(jí)控制器。這樣，在伺服電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)之間，就存在著信號(hào)形式與強(qiáng)弱的顯著差別，必須通過(guò)接口聯(lián)系起來(lái)，這就要求接口應(yīng)該是簡(jiǎn)便易行的。

數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人都是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，由此可以歸納出對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品中的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求如下：

1)應(yīng)能控制施加于機(jī)械上的力或力矩的大小。

2)應(yīng)能使機(jī)械快速或緩慢平滑地移動(dòng)。

3)應(yīng)能調(diào)整機(jī)械的加速度或減速度的大小。

4)應(yīng)能使機(jī)械移動(dòng)到所規(guī)定的距離。

5)應(yīng)能使機(jī)械運(yùn)動(dòng)跟蹤控制指令。

6)應(yīng)能在規(guī)定的位置上使機(jī)械保持停止?fàn)顟B(tài)。

7)應(yīng)能使機(jī)械的移動(dòng)方向在正反兩個(gè)方向上自由地改變：

應(yīng)該指出，不同的機(jī)電一體化產(chǎn)品對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求其側(cè)重點(diǎn)是有區(qū)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(jī)器人和數(shù)控機(jī)床就是如此。

數(shù)控機(jī)床進(jìn)給裝置的負(fù)載在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)具有恒轉(zhuǎn)矩的性質(zhì)，而且負(fù)載慣量變化很小，而工業(yè)機(jī)器人伺服電動(dòng)機(jī)軸上的慣量和力矩隨著工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和負(fù)載的不同將發(fā)生很大變化；后者對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所產(chǎn)生的力或力矩的適應(yīng)性，提出了更高的要求，而使控制問(wèn)題復(fù)雜化，要求電動(dòng)機(jī)的體積和質(zhì)量應(yīng)該盡可能的

另一方面，由于數(shù)控切割機(jī)是高效加工的數(shù)控機(jī)床所以對(duì)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有非常寬闊的調(diào)速范圍和定位精度，而工業(yè)機(jī)器人在這一點(diǎn)上，一般來(lái)說(shuō)就沒(méi)有數(shù)控切割機(jī)的要求高。

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