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行業(yè)技術(shù)知識(shí)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的新發(fā)展

    在機(jī)電一體化技術(shù)迅速發(fā)展的同時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)作為其關(guān)鍵組成部分，也得到前所未有的大發(fā)展，各廠家相繼推出運(yùn)動(dòng)控制的新技術(shù)、新產(chǎn)品。本文主要介紹全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動(dòng)（Full Closed AC Servo）、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)（Linear Motor Driving）、可編程序計(jì)算機(jī)控制器（Programmable Computer Controller，PCC）等幾項(xiàng)具有代表性的新技術(shù)。

    A、引言

    信息時(shí)代的高新技術(shù)流向傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，引起后者的深刻變革。作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之一的機(jī)械工業(yè)，在這場(chǎng)新技術(shù)革命沖擊下，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都發(fā)生了質(zhì)的躍變，微電子技術(shù)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)使信息和智能與機(jī)械裝置和動(dòng)力設(shè)備相結(jié)合，促使機(jī)械工業(yè)開(kāi)始了一場(chǎng)大規(guī)模的機(jī)電一體化技術(shù)革命。

    隨著計(jì)算機(jī)電子電力和傳感器技術(shù)的發(fā)展，各先進(jìn)國(guó)家機(jī)電一體化產(chǎn)品層出不窮。機(jī)床、汽車(chē)、儀表、家用電器、輕工機(jī)械、紡織機(jī)械、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、冶金機(jī)械、化工機(jī)械以及工業(yè)機(jī)器人、智能機(jī)器人等許多門(mén)類(lèi)產(chǎn)品每年都有新的進(jìn)展。機(jī)電一體化技術(shù)已越來(lái)越受到各方面的關(guān)注，它在改善人民生活、提高工作效率、節(jié)約能源、降低材料消耗、增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力等方面起著極大的作用。

    在機(jī)電一體化技術(shù)迅速發(fā)展的同時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)作為其關(guān)鍵組成部分，也得到前所未有的大發(fā)展，各廠家相繼推出運(yùn)動(dòng)控制的新技術(shù)、新產(chǎn)品。本文主要介紹全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動(dòng)（Full Closed AC Servo）、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)（Linear Motor Driving）、可編程序計(jì)算機(jī)控制器（Programmable Computer Controller，PCC）等幾項(xiàng)具有代表性的新技術(shù)。

    B、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)

    直線電動(dòng)機(jī)在機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用，近幾年來(lái)已在世界機(jī)床行業(yè)得到重視，并在西歐工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)掀起“直線電動(dòng)機(jī)熱”。

    在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，采用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)與原旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的最大區(qū)別是取消了從電動(dòng)機(jī)到工作臺(tái)（拖板）之間的一切機(jī)械中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零。這種傳動(dòng)方式被稱為“零傳動(dòng)”。正由于這種“零傳動(dòng)”方式，帶來(lái)了原旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無(wú)法達(dá)到的性能指標(biāo)和一定優(yōu)點(diǎn)。

    （a）高速響應(yīng)。由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大的如絲杠等機(jī)械傳動(dòng)件，使整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能大大提高，反應(yīng)異常靈敏快捷。

    （b）精度。直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取消了由于絲杠等機(jī)械機(jī)構(gòu)引起的傳動(dòng)誤差減少了插補(bǔ)時(shí)因傳動(dòng)系統(tǒng)滯后帶來(lái)的跟蹤誤差。通過(guò)直線位置檢測(cè)反饋控制，即可大大提高機(jī)床的定位精度。

    （c）動(dòng)剛度高。由于“直接驅(qū)動(dòng)”，避免了啟動(dòng)、變速和換向時(shí)因中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運(yùn)動(dòng)滯后現(xiàn)象，同時(shí)提高了其傳動(dòng)剛度。

    （d）速度快、加減速過(guò)程短。由于直線電動(dòng)機(jī)最早主要用于磁懸浮列車(chē)（時(shí)速可達(dá)500Km/h），所以用在機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中，要滿足其超高速切削的最大進(jìn)個(gè)速度（要求達(dá)60～100M/min或更高）當(dāng)然是沒(méi)有問(wèn)題的。也由于上述零傳動(dòng)的高速響應(yīng)性，使其加減速過(guò)程大大縮短。以實(shí)現(xiàn)起動(dòng)時(shí)瞬間達(dá)到高速，高速運(yùn)行時(shí)又能瞬間準(zhǔn)停。可獲得較高的加速度，一般可達(dá)（2～10）g（g=9.8m/s2），而滾珠絲杠傳動(dòng)的最大加速度只有（0.1～0.5）g。

    （e）行程長(zhǎng)度不受限制 在導(dǎo)軌上通過(guò)串聯(lián)直線電機(jī)，就可以無(wú)限延長(zhǎng)其行程長(zhǎng)度。

    （f）動(dòng)安靜、噪音低 由于取消了傳動(dòng)絲杠等部件的機(jī)械摩擦，且導(dǎo)軌又可采用滾動(dòng)導(dǎo)軌或磁墊懸浮導(dǎo)軌（無(wú)機(jī)械接觸），其運(yùn)動(dòng)時(shí)噪音將大大降低。

    （g）效率高 由于無(wú)中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，消除了機(jī)械摩擦?xí)r的能量損耗。科爾摩根PLATINNM DDL系列直線電機(jī)和SERVOSTAR CD系列數(shù)字伺服放大器構(gòu)成一種典型的直線永磁伺服系統(tǒng)，它能提供很高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和加速度、極高的剛度、高的定位精度和平滑的無(wú)差運(yùn)動(dòng)。

    C、全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)

    在一些定位精度或動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求比較高的機(jī)電一體化產(chǎn)品中，廣泛使用數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)。這種伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器對(duì)電機(jī)軸后端部的光電編碼器進(jìn)行位置采樣，在驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)之間構(gòu)成位置和速度的閉環(huán)控制系統(tǒng)。位置控制分辨高，可靠性好。

    通常帶位置環(huán)的伺服系統(tǒng)，位置環(huán)的反饋采樣取自伺服電機(jī)的編碼器，對(duì)于傳動(dòng)鏈上的間隙及誤差還不能補(bǔ)償克服，只能形成半閉環(huán)的位置控制系統(tǒng)。松下公司新近推出了一種更完善、可以實(shí)現(xiàn)更高精度的全閉環(huán)全數(shù)字式伺服系統(tǒng)，其控制原理如圖1所示。

    通常帶位置環(huán)的伺服系統(tǒng)，位置環(huán)的反饋采樣取自伺服電機(jī)的編碼器，對(duì)于傳動(dòng)鏈上的間隙及誤差還不能補(bǔ)償克服，只能形成半閉環(huán)的位置控制系統(tǒng)。松下公司新近推出了一種更完善、可以實(shí)現(xiàn)更高精度的全閉環(huán)全數(shù)字式伺服系統(tǒng)，其控制原理如圖1所示。

    該系統(tǒng)克服了上述半閉環(huán)系統(tǒng)的缺陷，位置環(huán)的采樣可以直接采自裝在最后一級(jí)機(jī)械上的位置反饋元件(如光柵尺、磁柵尺、旋轉(zhuǎn)編碼器等)，而電機(jī)上的編碼器此時(shí)僅作為速度環(huán)的反饋，這樣就可以消除機(jī)械上存在的一切間隙，并且該伺服系統(tǒng)還可以對(duì)機(jī)械傳動(dòng)上出現(xiàn)的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到真正全閉環(huán)的功能，實(shí)現(xiàn)高精度的位置控制。而且這種全閉環(huán)控制均由驅(qū)動(dòng)器來(lái)完成，無(wú)需增加上位控制器的負(fù)擔(dān)。

    由于采用全閉環(huán)交流伺服系統(tǒng)能獲得極高的定位精度，而不需增加上位控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度。所以它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、臺(tái)鉆機(jī)等高精度數(shù)控設(shè)備。