伺服精密化 力助数控机床“智造”

　　开发重点：中高档数控机床

　　拜中国经济腾飞所赐，近几年来国内机床行业取得了突飞猛进的发展。据有关数据显示，从2009年起，中国机床产值已连续两年位居全球第一，占有率达30%以上。2011年，尽管受到国内外经济下行的负面影响，中国机床工具行业的同比增速出现了下滑态势，但数据显示，2011年中国机床工具行业完成工业总产值7437.61亿元，同比增长32.50%（如图1所示），整体上仍呈现出较快的发展速度。另一个值得关注的是，2011年沈阳机床集团的经营规模也跃居全球同行业的前列，成为了中国企业的又一个骄傲。

　　与此同时，中国也是当今世界第一大机床消费国和进口国。在市场需求方面，随着国内汽车、钢铁、机械、模具、电子、化工等一批以重工业为基础的高增长行业发展势头强劲，带动了对高效、高精度自动化制造设备的需求，机床工具行业进入高速增长的阶段。在进口方面，以2011年上半年为例，中国从日本、德国进口机床的数额合计已超过60%，而从进口的机种来看，精密生产、高效高速的中高档数控机床需求明显增加，表现出我国机床需求结构已经发生了较大的改变。

　　数控机床是以数字化制造技术为核心的机电一体化机床，通常由控制系统、伺服系统、检测系统、机械传动系统及其它辅助系统组成，大致上可分为数控车床、数控铣床、加工中心等16大种类。在新颁布的国家“十二五”规划中，明确提出将重点发展高端装备制造业的信息化、自动化、智能化水平，而这显然离不开精密机床行业的有力支持。据专业人士分析，预计未来五年内中国机床行业的复合增长率约为25-30%，其中，中高端数控机床将成为增长的主力。

　　从我国目前机床行业的发展情况来看，自产数控机床仍远远无法满足国内市场的需求，特别是中高端数控机床的比例严重偏低。从2011年的统计来看，1-8月，我国机床行业平均产量数控化率为30.94%，比2010年同期的28.04%高2.9个百分点（如图2所示），与一些发达国家机床数控率达到70%的水平相比，差距较为明显。尤其是最近几年受国际金融危机的影响，德国、日本机床企业恢复迅速，并且纷纷以低价格、中端机的策略进入中国，市场反响良好，这样也为中国中高档数控机床产业的发展带来了巨大的竞争压力；同时，来自台湾地区和韩国的中档机床也是一股不容忽视的力量。从中国机床工具工业协会的统计数据显示，2011年前三季度，金属加工机床进口99.1亿美元，同比增长51.4％，由于进口激增，国产金属加工机床、数控机床的市场占有率呈显出下降的趋势。

　　为了尽快改变这些现状，2008年12月，在国家科技部等部委的支持下，由沈阳机床集团牵头，联合8家企业、6家院所正式组建起“数控机床产业技术创新联盟”，该联盟将重点围绕高速精密数控机床关键功能部件开发、高速精密机床运动特性、高速精密机床切削工艺、数控系统应用技术等方面开展研究工作。据科技部重大专项办有关负责人介绍，2009年正式启动的数控机床专项将延续到2020年，预计中央财政、地方财政及企业总投入将达到数百亿元，这标志着数控机床已成为了中国机床工业的重点发展方向。

　　伺服在数控机床的应用

　　对精度、速度、功率等的控制能力指标是机床产品的主要追求目标。针对中国机床工具行业的数控技术与国际先进水平相比仍相对落后的局面，究其根由，可以说，高品质的功能配套部件发展缓慢是其中的主要原因之一，这些功能部件的性能直接影响到主机的整体技术水平，与数控机床产业的发展息息相关，当中，也包括运动控制的核心部件——伺服系统。目前，在数控机床行业的实际应用中，交流伺服系统已明显占据了一定的优势；而按照机床传动机械的不同，又将应用的伺服系统分为进给伺服与主轴伺服两类。

　　在主轴伺服驱动单元方面，由于需要提供加工各类工件所需的切削功率，因而要求其能够满足机床主轴调速范围宽、低速大转矩、动态响应快等特性，同时还可配合CNC系统实现刚性攻丝、主轴速度控制、Cs轴控制实时切换等高性能。而进给伺服驱动单元以数控机床的各坐标为控制对象，以产生机床的切削进给运动，因此，特别强调其对位置与速度控制的准确性和快速性，且可靠性要高。

　　为了进一步提高机床行业伺服驱动单元的控制性能，目前大量的数字处理技术被引入到该领域，一批厂商纷纷开发出全数字式交流伺服驱动单元。这类伺服驱动产品采用数字信号处理器（DSP）、CPLD超大规模集成电路芯片，以及优化的PID控制算法，实现了数字式控制，大幅提高了控制精度和响应速度；此外，还运用智能功率模块（IPM），从而保障了整机的可靠性。

　　在机床行业所使用的电机上，目前主要包括步进电机、伺服电机和混合式步进电机等，高精密数控机床要求电机采用全封闭式结构，搭配高速、高精度光电编码器，与高性能驱动器配合作高精度速度和位置控制，稳定可靠、振动小、噪声低。

　　伴随着国内数控机床行业的快速发展，高速度、亚微米精加工时代已经来临， 例如，在iPone、iPad、LED TV等消费性电子、信息和光电产业中，由于3C产品多样化而快速生产的特点，使得精密小型快速加工需求攀升，高速切削机床的市场容量急剧增加。此外，数字化、网络化技术正引领数控机床进入一个崭新的阶段，“智能化制造”已不再只是一个梦想而已。面对数控机床行业最新的技术发展，使得伺服控制系统也亟待在各方面提升其性能指标，其中，分布式串行伺服系统、高控制精度和稳定性，以及降低电机的能耗，是目前整体伺服系统在技术研发上的主要趋势。

　　满足多轴、多点控制需求

　　在当今运动控制技术的发展中，分布式系统架构（Distributed）凸显出越来越重要的作用和价值，其在生产决策、整合制造、人机界面的良好化、节能环保等方面具有积极的意义。因应这一趋势，在要求软硬件更具有实时性、扩充性的同时，也需要采用串行式（Serial）伺服控制，以满足多轴、多点（I/O）控制，这些将成为未来伺服系统发展的主要方向之一。

　　传统的伺服控制系统大多经过一个闭环回路（Close Loop），控制系统内各装置的定位、速度与力矩；但随着一些大型分布式生产系统所须控制的装置（轴数、I/O点）日益增多、配线也更为复杂，在这种情况下，往往会使其分辨率和同步性、实时性捉襟见肘，且易受到电源等噪声的干扰。因此，近年来，一些领导型厂商采用多样工业以太网络协议，通过网络传递数字信号和控制参数，以满足对实时性的要求——分布式运动控制系统也随之发展起来。分布式串行伺服系统可模块化，设计较为弹性，可任意扩充多轴运动（Motion）与I/O控制点数，只须单线连结、单机（计算机）管控，大幅节省了配线成本与空间，因而成为了未来制造业主流趋势。

　　南京埃斯顿自动控制技术有限公司在这一技术研发领域取得了突出的成绩。为了使用户更加灵活地使用伺服系统，其开发的Pronet系列伺服驱动器率先增加了可扩展性以及柔性化、开放性的设计。通过选件模块，可扩展各种通信接口以及各种反馈接口。除了RS485通信接口和CAN通信接口之外，还可以支持MODBUS通信协议、CANopen通信协议和PROFIBUS通信协议。例如，对应PROFIBUS-DP通信网络，该系统的伺服信息（位置、速度、转矩、输入输出、报警等）可实时控制和调整，使伺服系统的调整时间缩短，操作更加简单，一个上位控制器可最多实现255个站点的多轴运动控制，可广泛用于高精度机床、高速包装和印刷机械等高端应用领域。

　　另外，以广州数控推出的DAT系列交流伺服驱动单元为例，其在成熟交流伺服技术的基础上，结合串行总线及绝对式编码器接口技术，支持自主研发的GSKLink总线技术，CNC通过串行总线可实现对伺服的调试和实时监控，显著提高了速度精度和位置精度，位置脉冲指令最高频率为1MHz适配0.1μm指令精度的CNC，可实现0.1μm级控制精度，是数控机床、自动化设备高速高精运动控制的较佳选择。

　　提高控制精度、稳定性

　　随着以数控机床为技术平台的数字化制造的兴起，智能化制造、技术集成和技术复合已成为了数控机床技术最为活跃的发展趋势之一。智能化机床能够借助各种传感器对自己的状态进行监控，自行分析机床状态、加工过程以及周边环境有关的信息，然后自行采取应对措施来保证最优化的加工。另外，新型的数控机床同时也需要具有减小振动的主动振动抑制功能，控制热位移的智能热屏障功能，防止部件碰撞的智能安全屏障功能，提供语音提示和短信通知，以及按照加工要求帮助选择切削参数等等，总之，智能化可以提高机床工作的控制精度，以及整机的稳定、可靠性。

　　而在伺服系统方面，基于永磁电机动态解耦数学模型的矢量控制技术是目前伺服系统的核心控制方法，为了进一步提高控制精度和稳定性，部分厂商在矢量控制的基础上，控制回路采用高速数字信号处理器（DSP），配合增益自动调整、指令平滑功能　　以三菱电机开发的MR-J3系列交流伺服系统为例，为了实现高精度定位，与MR-J3系列配套的高性能伺服电机编码器采用了分辨率为262144脉冲/转的绝对位置编码器，速度环路频率响应提高到900Hz，具有高速/大转矩特性，还可降低齿槽转矩，减小伺服电机的转矩波动，实现机器在匀速下更加平滑顺畅的运行。同时，该产品可通过先进的自整定功能和高级振动抑制控制功能，实现包括位置增益和速度增益在内所有增益的自动调整，有效抑制当驱动部件停止时所发生的100Hz频率以下的振动，且伺服设置软件MR-configurator具有精确的机械分析功能，可用于机械工具和一般工业机械等需要高精度位置控制和平稳速度控制的应用场合。

　　中达电通近期推出的ASDA-M系列属于三轴合一智能型伺服，其将三台伺服融合在同一机座内，三轴同动控制，轴间交换数据没有时间延迟问题；可以直接在驱动器内进行直线、圆弧与螺旋的插补控制；新的龙门控制架构，精准同步，可以用于纯刚性连接的机构；软件具备简易的循圆分析，可强化系统问题的诊断能力。此外，ASDA-M系列伺服还具备优异的高速响应性能、高低频抑振能力、精准的全闭环控制、灵活的内部位置编程模式、实时性的位置记录与位置比较功能等优势，大大提高了机械终端的定位精度。

　　降低电机能耗

　　作为数控机床的重要功能部件，电动机的性能直接关系到整体系统的性能发挥。由于步进电机在成本控制方面的优势，因而使其成为了大多数经济型数控机床的首选产品，但同时它的缺点也很明显，即惯量大、每单位功率的转矩输出比值小（N-m/kW）、效率差、发热量大。而伺服电机因具有响应速度快、定位精准、技术门坎相对较高的优势，因而在高端数控机床等精密机械行业中得以广泛应用。其中，交流伺服电机的特点是正弦波控制，转矩脉动小；定子绕组散热比较方便；惯量小，易于提高系统的快速性；适应于高速大力矩工作状态；同功率下有较小的体积和重量；可靠性高，对维护和保养要求低。

　　根据国际能源署的最新统计，工业用电占全球电力总消耗的约42%，其中2/3被工业电机所消耗。因此，现阶段数控机床高速主轴所需的伺服电机、内藏式转∕定子领域都以强调提高节能效益来创造新的市场商机。例如，目前一些日系、欧美伺服电机厂商均掌握了钕铁硼永磁等关键材料，因而在永磁交流伺服电机产品的质量、性能上相对具有一定的优势。而据估计，采用这些稀土永磁无铁芯电机拖动通用设备的系统运行效率平均可提高20-40%，节电潜力可达1000-2000亿千瓦时。

　　去年6月，针对低压电机的欧盟最低能效标准法规开始生效，该新法规涉及大部分功率介于0.75千瓦~375千瓦、50和60赫兹的两级、四级、六级交流电机，计划分三个阶段，提高所涉及的这些电机产品的国际能效等级。与此同时，中国、澳大利亚、巴西、加拿大等国家也已经实施了类似的能效法规，美国则是从2010年底开始执行相当于IE3等级的NEMA Premium（美国全国电器制造商协会高效率）标准。这些法规的陆续推出将进一步促进电机行业节能技术的提升。

　　此外，对于齿轮磨床、精密机床以其它一些机床来说，直接驱动技术是另一个值得关注的发展方向，直接驱动直线电机也是未来高速、高精度数控机床的理想驱动模式，目前受到了机床厂家的普遍重视，技术发展迅速。全球领先的运动控制系统和配件厂商科尔摩根在直接驱动技术的研发领域有着丰富的专业经验，其推出的直接驱动直线（DDL）系列电机属于无框永磁三相无刷伺服电机，不需要维护，精度更高，带宽更高，运动速度更平稳，减少了噪音；同时，还提供多种尺寸和推力，可适用于各种直线应用，简化了高推力永磁设计方案，从而大大提高了机器的整体可靠性。

　　结语

　　值得一提的是，在中国机床行业大举迈入高档数控化的同时，对普通机床和老化数控机床进行“再制造”，也是一个潜力无穷的市场，毕竟来讲，要购置全新的数控机床需要巨额的投入。目前国内一些领先厂商正积极开拓这一市场，力争实现与购置新机床同样的效果，在减少资金投入的同时，提高零件加工质量和生产率，缩短产品制造周期，改善工作环境，据有关厂商计算，一套经济型数控化“再制造”机床的价格仅为相同功能新数控机床的1/5-1/3。

　　数控机床的发展直接关系到国家基础制造业的转型与升级，是现阶段重要的战略发展国策之一。作为其中主要的支撑产业，伺服控制系统急需快速地适应当前制造业的发展特点，从技术和服务这两个环节上，提升整体解决方案的技术水平。针对当前中高端数控机床的具体需求，伺服控制企业应不断为客户提供创新的运动解决方案和高品质的产品，帮助客户提升数控机床产品的性能，使其更具市场竞争力，并且尽可能地缩短产品上市时间，节约预算，提高整体系统的可靠性和生率效率，最终达到提升数控机床速度、准度和位置控制精确度的目标。

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