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本帖最后由 藍(lán)色童話 于 2010-6-3 12:31 編輯
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, A1 b! O2 c- `一、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展概況, v; V6 ~# ~$ I- }! a
伺服控制是指采用自動(dòng)控制技術(shù)，控制各種設(shè)備按預(yù)定方式運(yùn)動(dòng)。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)電一體化產(chǎn)品的“手和腳”，對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的精度、剛度、動(dòng)態(tài)特性等有極為重要的影響，是工廠自動(dòng)化、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等機(jī)電一體化產(chǎn)品中的重要驅(qū)動(dòng)部件。一套完整的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)、連接電纜等。8 n$ s2 T! g2 W/ B/ H
) N, V" v; A. }; Q伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從液壓、氣動(dòng)到電氣的過程。電氣伺服系統(tǒng)的發(fā)展則經(jīng)歷了從直流有刷伺服驅(qū)動(dòng)、直流無刷伺服驅(qū)動(dòng)到永磁同步交流無刷伺服驅(qū)動(dòng)三個(gè)階段。伺服驅(qū)動(dòng)器的控制方案從早期的模擬控制系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)代的基于DSP控制的全數(shù)字控制系統(tǒng)。由于交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有高能量密度、高性能、免維護(hù)（無炭刷、換向器等磨損元部件）、高可靠性等特點(diǎn)，目前隨著微處理器技術(shù)、大功率高性能半導(dǎo)體功率器件技術(shù)、電機(jī)永磁材料制造工藝的成熟與完善，其功率日益提升，性價(jià)比也越來越高，已經(jīng)逐漸成為主流，特別是隨著我國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型，升級(jí)，對(duì)加工設(shè)備提出了高速度、高精度、高效率的要求，交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍日益廣泛，越來越多地取代機(jī)械傳動(dòng)、液壓和氣動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)；交流伺服不斷取代直流伺服的市場份額，導(dǎo)致直流伺服在整個(gè)伺服市場的占有率從目前的15％左右，每年大約下降0.5%；同時(shí)交流伺服成本和尺寸不斷縮小，逐步取代步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，成為工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)技術(shù)之一。' z# `% R5 v" A+ |5 m$ V) v( Y
3 D9 Q9 z4 U9 |, @二、現(xiàn)代伺服驅(qū)動(dòng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域
/ }( C* l; ?( r現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)最早被應(yīng)用到宇航和軍事領(lǐng)域，比如火炮、雷達(dá)控制。上世紀(jì)70年代逐漸進(jìn)入到工業(yè)領(lǐng)域和民用領(lǐng)域。工業(yè)應(yīng)用主要包括數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人和其他廣義的數(shù)控機(jī)械，比如紡織機(jī)械、印刷機(jī)械、包裝機(jī)械、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體設(shè)備、郵政機(jī)械、冶金機(jī)械、自動(dòng)化流水線、各種專用設(shè)備等。其中伺服用量最大的行業(yè)依次是：機(jī)床、食品包裝、紡織、電子半導(dǎo)體、塑料、印刷和橡膠機(jī)械，這些行業(yè)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的需求旺盛。2 w) T9 a' U! d) I+ D# v
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2006年伺服系統(tǒng)在中國市場收入約36160萬美元，增長26.8%，預(yù)計(jì)在2011年將達(dá)到95380萬美元，年增長率及預(yù)計(jì)增長率都超過20%。" |9 D& t" F" ?/ P( l! J: [
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目前，我國已成為世界第一機(jī)床消費(fèi)大國和生產(chǎn)大國，就國內(nèi)外的市場現(xiàn)狀看，普及型和高檔數(shù)控機(jī)床使用交流永磁無刷伺服系統(tǒng)代替步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)配置，其年需求量在20萬套以上，部分高檔數(shù)控機(jī)床開始采用交流永磁直線伺服系統(tǒng)如力矩電機(jī)、直線電機(jī)等。) j* h8 P x* f0 ^% R3 _
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在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，交流永磁伺服系統(tǒng)得到大量應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人擁有多個(gè)自由度，每臺(tái)工業(yè)機(jī)器人需要的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)量在6套以上。目前世界范圍內(nèi)工業(yè)機(jī)器人擁有量超過150萬臺(tái)，機(jī)器人的需求量年增長在30％以上。國際上工業(yè)機(jī)器人采用的伺服系統(tǒng)屬專用系統(tǒng)，多軸合一，模塊化，特殊的散熱結(jié)構(gòu)，特殊的控制方式，對(duì)可靠性要求極高。6 R- m$ U5 }: [) E4 _- _) t: e0 M: \' l% I
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在注塑機(jī)領(lǐng)域，我國的注塑機(jī)年產(chǎn)量已達(dá)10萬臺(tái)，占世界注塑機(jī)總產(chǎn)量的2/3以上。注塑機(jī)的發(fā)展趨勢是從油電式向全電式方向發(fā)展，預(yù)計(jì)在3-5年內(nèi)可能會(huì)形成油壓、全電、油電“三分天下”的局面。若電動(dòng)注塑機(jī)占總產(chǎn)量的20%計(jì)，注塑機(jī)用伺服驅(qū)動(dòng)器一年的需求量達(dá)24萬臺(tái)。5 S0 a1 _2 G9 J# J7 I
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我國包裝機(jī)械已成為機(jī)械工業(yè)中的十大行業(yè)之一。2005年我國包裝機(jī)械產(chǎn)量已達(dá)到67萬臺(tái)(套)，到2010年將增至93萬臺(tái)(套)，包裝機(jī)械中的大部分使用的普通或小型電機(jī)，對(duì)大容量伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的年需求估計(jì)在4萬套以上。 2 ^2 s8 Y, W \7 O3 L; U. e( h
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我國是一個(gè)紡織機(jī)械生產(chǎn)大國，但是在機(jī)電一體化方面的自動(dòng)化、連續(xù)化、高速化、智能化水平與世界先進(jìn)水平相比還有很大差距，應(yīng)用伺服的比例較低，是未來交流伺服大批量應(yīng)用的重要行業(yè)之一。目前已有高檔梳棉機(jī)、帶自動(dòng)調(diào)勻整的并條機(jī)、新型粗紗機(jī)、數(shù)控細(xì)紗機(jī)、分條整經(jīng)機(jī)、漿紗機(jī)、園網(wǎng)印花機(jī)等設(shè)備都應(yīng)用了交流伺服運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品，伺服年用量有5萬套左右，且?guī)缀跞渴沁M(jìn)口產(chǎn)品。2 Z$ X8 |( q2 B3 H! r+ j) `
. }5 h( J; G3 z2 V0 S5 C5 G我國已成為世界上最主要的工業(yè)縫紉機(jī)生產(chǎn)和消費(fèi)國，2005年，國內(nèi)工業(yè)縫紉機(jī)產(chǎn)值達(dá)到200多億元，年產(chǎn)量700萬臺(tái)，占世界產(chǎn)量的70%。其中大量采用交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
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我國是風(fēng)力資源大國，風(fēng)力發(fā)電是國內(nèi)政策支持的重點(diǎn)領(lǐng)域，其中伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用于槳葉調(diào)整與方向控制，目前的需求量在5萬套/年左右，并且以中、大功率為主，銷售額超過50億人民幣，由于性能指標(biāo)要求較高，現(xiàn)階段大量采用國外產(chǎn)品，需求量增長很快。- g( ?) e' q* [( I2 E
: B. m" |2 h* E/ d$ S, Y$ d/ ]三、中國伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
+ d, T' P ]6 K* G- [, N" i& r8 [+ M我國在20世紀(jì)80年代初期通過引進(jìn)、消化、吸收國外先進(jìn)技術(shù)，又在國家“七五”、“八五”、“九五”期間對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行重大科技攻關(guān)，取得了一定成果。& ^8 _7 _: z( P( m" C+ e
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80年代，我國曾花巨資引進(jìn)國外的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)。但由于其引進(jìn)的技術(shù)屬淘汰的落后技術(shù)，自主消化吸收沒有突破，導(dǎo)致沒有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。慘痛的歷史教訓(xùn)使我們明白了一個(gè)硬道理：對(duì)于伺服驅(qū)動(dòng)這樣的戰(zhàn)略高技術(shù)，靠花錢引進(jìn)根本辦不到，盲目效仿國外，也只會(huì)落后挨打，受制于人，唯一的出路，就是走自主創(chuàng)新之路。0 ? q3 T; b4 R$ d3 Z9 f+ L
" \: P6 D i; F華中科技大學(xué)是我國自主創(chuàng)新的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)源地之一�！鞍宋濉� 期間，華中科技大學(xué)的自控系和電力系分別開始了伺服驅(qū)動(dòng)的研發(fā)工作。1996年，自控系與華中數(shù)控合作，共同研制基于單片機(jī)的模擬數(shù)字混合式（電流環(huán)是模擬量）交流伺服驅(qū)動(dòng)和主軸驅(qū)動(dòng)（HSV-9系列），后來又開發(fā)了基于DSP的全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置（HSV-16/18/20）并投入大批量生產(chǎn)，被評(píng)為國家攻關(guān)重大成果和國家重點(diǎn)新產(chǎn)品，到目前為止已累計(jì)生產(chǎn)銷售五萬多臺(tái)。華中科技大學(xué)電力系與廣州數(shù)控、上海開通數(shù)控等單位合作，研制的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)也已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
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北京航天數(shù)控公司生產(chǎn)的DSCU系列全數(shù)字伺服控制單元和DSSU系列全數(shù)字主軸控制單元、北京凱奇數(shù)控設(shè)備成套有限公司生產(chǎn)的全數(shù)字伺服控制單元和全數(shù)字主軸控制單元及電機(jī)也已經(jīng)得到了大規(guī)模應(yīng)用，進(jìn)給伺服功率范圍20W—7.5KW，主軸伺服功率范圍3.5KW到22KW，可以滿足企業(yè)實(shí)際需要。5 L9 Q- P* l' \* l8 E
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北京時(shí)光科技公司自主研發(fā)的“全數(shù)字化交流伺服控制技術(shù)”，采用32位微處理器為基礎(chǔ)的系統(tǒng)級(jí)芯片和智能化功率器件，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)三相交流異步電機(jī)（鼠籠式電動(dòng)機(jī)）的高精度伺服控制�；诖隧�(xiàng)技術(shù)研制生產(chǎn)的IMS系列伺服控制器可通過編程方式，靈活、準(zhǔn)確地對(duì)電機(jī)的位置、轉(zhuǎn)速、加速度和輸出轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)高精度控制，其產(chǎn)品能廣泛應(yīng)用于機(jī)床、電梯、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、塑料機(jī)械、搬運(yùn)機(jī)械、電動(dòng)車及自動(dòng)化生產(chǎn)線等各種領(lǐng)域，用戶反映良好。其他銷量較大的伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品還有廣州數(shù)控等一些企業(yè)。5 F0 a: X% z) P2 `* ^- x
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應(yīng)該說，目前，我國已部分掌握伺服驅(qū)動(dòng)裝置及伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，形成了一定的產(chǎn)品系列和自主配套能力，但產(chǎn)品性能、可靠性方面，與國外產(chǎn)品還存在一定差距。特別是在全數(shù)字化的高性能伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)方面，與國外名牌企業(yè)仍存在較大差距，已成為制約我國發(fā)展中高檔數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的“瓶頸”。國外品牌占據(jù)了中國交流伺服市場85％左右的份額，他們來自日本、德國和美國。國外品牌的主要劣勢在售前、售后服務(wù)，昂貴的服務(wù)和維修成本和維修周期讓國內(nèi)用戶難以接受。& P/ M7 e& |/ b l
2 Y0 Q8 v- u7 x: U n) H5 f! t四、發(fā)展我國伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)的建議$ ^( ~8 F t* J
作為數(shù)控機(jī)床的重要功能部件，伺服驅(qū)動(dòng)和伺服電機(jī)是影響數(shù)控系統(tǒng)性能的重要功能部件。伺服驅(qū)動(dòng)和伺服電機(jī)的成本占到數(shù)控系統(tǒng)的總成本的1/2～3/4，因此，是否掌握自主的伺服驅(qū)動(dòng)和伺服電機(jī)技術(shù)，是決定一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)廠的市場綜合競爭力的決定性因素。希望國家加大對(duì)全數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的支持力度，瞄準(zhǔn)國際先進(jìn)水平，突破關(guān)鍵技術(shù)，提高國產(chǎn)伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的市場占有率。具體建議如下：
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（一）大力加強(qiáng)伺服驅(qū)動(dòng)裝置的生產(chǎn)工藝技術(shù)的研究) B% q3 I, e6 p$ t
在國家863計(jì)劃、科技部中小型企業(yè)創(chuàng)新基金和國家十五攻關(guān)成果基礎(chǔ)上，我國的伺服驅(qū)動(dòng)裝置的控制平臺(tái)技術(shù)已經(jīng)基本成熟。下一步產(chǎn)品化攻關(guān)重點(diǎn)是：可靠性設(shè)計(jì)和可靠性保證措施、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和系列化設(shè)計(jì)、大批量生產(chǎn)工藝研究，使產(chǎn)品能滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足市場急劇增長的需求，擴(kuò)大國產(chǎn)伺服驅(qū)動(dòng)裝置的市場占有率。
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（二）開展高性能伺服驅(qū)動(dòng)裝置的性能測評(píng)和改進(jìn)技術(shù)研究
1 h' U) U! P" G2 p& Q! e加大對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)裝置測試手段的投入，開展伺服驅(qū)動(dòng)的性能測評(píng)，以獨(dú)立、客觀、科學(xué)、實(shí)用的技術(shù)測試為依據(jù)，為我國伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展提供清晰的技術(shù)趨勢，把握真實(shí)的產(chǎn)品資料及合理的采購建議。# D! X& Y! R/ o" i/ `! ]4 E# N
) Z' p: O4 |: W2 }8 d' {在此基礎(chǔ)上，支持國內(nèi)企業(yè)開展高性能伺服驅(qū)動(dòng)裝置的開發(fā)�？s小與國外高性能伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品在高精度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高剛性、高過載能力、高可靠性、高電磁兼容性、高電網(wǎng)適應(yīng)能力、高性價(jià)等方面的技術(shù)差距，提高我國產(chǎn)品的可靠性。
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6 @( ~* U; e! B- q1 O（三）制訂伺服驅(qū)動(dòng)和數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)字化接口的中國標(biāo)準(zhǔn)
6 C5 L: J- i$ N% I/ n+ f8 @5 j4 R以數(shù)控系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化接口規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)這一共性技術(shù)為紐帶，形成國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的合作和聯(lián)盟，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)費(fèi)用、形成相互配套，形成合力與國外數(shù)控系統(tǒng)廠商競爭，增強(qiáng)我國數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)在國際市場上的競爭力。掌握了數(shù)控系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化接口協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)的話語權(quán)，才能提高我國在國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的地位，起到規(guī)范國內(nèi)數(shù)控市場，影響國際數(shù)控公司，建立保護(hù)我國數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)壁壘。可以縮小我國數(shù)控系統(tǒng)行業(yè)與國外的技術(shù)差距，改變目前國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)廠商之間的低價(jià)格、低水平競爭的狀況。9 A( D/ Y3 w& E5 F) M; o
( w1 G: e1 y2 O7 H" j（四）加大投入，開發(fā)大推力直線伺服驅(qū)動(dòng)裝置、大轉(zhuǎn)矩力矩伺服驅(qū)動(dòng)裝置和高速主軸驅(qū)動(dòng)裝置% G* J6 k) O& ~/ v2 j0 e1 D' }
& G0 ?4 V2 ^) X, o% I直接伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)是未來伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展的方向。數(shù)控機(jī)床采用直接伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)，雖然省去中間變換環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)所謂零傳動(dòng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有更加的合理性，但是作為一種新的應(yīng)用技術(shù)還面臨許多現(xiàn)實(shí)的技術(shù)難題。諸如控制系統(tǒng)對(duì)參數(shù)攝動(dòng)、負(fù)載擾動(dòng)等許多不確定因素的抗干擾問題、伺服電動(dòng)機(jī)的強(qiáng)制散熱問題、系統(tǒng)快速吸能制動(dòng)問題及嚴(yán)格防塵隔磁措施等，所有這些實(shí)際問題有待于進(jìn)一步解決和技術(shù)的進(jìn)一步完善。 |
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發(fā)表于 2010-6-3 12:29:47
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伸手黨/灌水/看不懂
發(fā)表于 2010-6-4 22:38:48
