交流伺服的行業(yè)應(yīng)用

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。逐漸進(jìn)入到工業(yè)領(lǐng)域和民用領(lǐng)域。工業(yè)應(yīng)用主要包括高精度數(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，合計(jì)超過75％。

1.在數(shù)控機(jī)床中使用永磁無刷伺服電機(jī)代替步進(jìn)電機(jī)做進(jìn)給已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)，部分高端產(chǎn)品開始采用永磁交流直線伺服系統(tǒng)。在主軸傳動(dòng)中采用高速永磁交流伺服取代異步變頻驅(qū)動(dòng)來提高效率和速度也成為熱點(diǎn)。90 年代以來，歐、美、日各國爭相開發(fā)應(yīng)用新一代高速數(shù)控機(jī)床， 高速電主軸單元轉(zhuǎn)數(shù)在30000rpm～100000rpm，工作臺(tái)的進(jìn)給速度在分辨率為1μm 時(shí)達(dá)到100m/min，甚至200m/min 以上, 在分辨率為0.1μs 時(shí)，在24m/min 以上。當(dāng)今數(shù)控機(jī)床突出高速、高精、高動(dòng)態(tài)、高剛性的特點(diǎn)，對位置系統(tǒng)的要求包括：定位速度和輪廓切削進(jìn)給速度；定位精度和輪廓切削精度；精加工的表面粗糙度；在外界干擾下的穩(wěn)定性。這些要求的滿足主要取決于伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。 我們已經(jīng)看到國產(chǎn)伺服系統(tǒng)比如廣數(shù)的產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上的廣泛應(yīng)用，但是在中高檔數(shù)控機(jī)床上采用國產(chǎn)伺服系統(tǒng)仍然面臨困難，性能是一個(gè)重要方面，還有就是穩(wěn)定性和可靠性，或許品牌效應(yīng)也是難以短時(shí)間逾越的障礙。

2. 在機(jī)器人領(lǐng)域，無刷永磁伺服系統(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)器人需要的電機(jī)數(shù)量在10 臺(tái)以上。目前世界范圍內(nèi)工業(yè)機(jī)器人擁有量超過100 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，對可靠性要求極高。國際機(jī)器人巨頭都有自己的專屬伺服系統(tǒng)配套，比如安川、松下和ABB，這方面國內(nèi)差距明顯。國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人廠家仍然在采用標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)口交流伺服系統(tǒng)，國產(chǎn)伺服系統(tǒng)想進(jìn)入工業(yè)機(jī)器人配套領(lǐng)域，就更加遙遠(yuǎn)。不過，我們也看到在一些特殊機(jī)器人領(lǐng)域，比如反恐防爆機(jī)器人、礦井救災(zāi)機(jī)器人等輕便移動(dòng)機(jī)器人，采用了國產(chǎn)基于低壓直流供電的微型無刷伺服系統(tǒng)，比如和利時(shí)電機(jī)的蜂鳥系列就獲得了成功。當(dāng)然，在更廣泛的機(jī)器人領(lǐng)域，需要的不僅僅是交流伺服電機(jī)，還包括各種其他微特電機(jī)，如直流伺服電機(jī)、直線電機(jī)、測速發(fā)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、力矩電機(jī)等。

3. 紡織行業(yè)當(dāng)前應(yīng)用伺服的比例很低，但卻是未來交流伺服大批量應(yīng)用的重要行業(yè)之一。從90 年代初期至今已經(jīng)15 年，紡織行業(yè)技術(shù)進(jìn)步主要是依靠變頻化、PLC 化。只有少量紡織機(jī)械采用了高檔伺服技術(shù)，用于提高精度和效率，目前已有高檔梳棉機(jī)、帶自調(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)備應(yīng)用了交流伺服。無梭織機(jī)上已經(jīng)開始采用帶交流伺服的電子送經(jīng)和電子卷取，印染設(shè)備上也要用到伺服系統(tǒng)。這些設(shè)備每年的伺服用量在2、3 萬套左右，且?guī)缀跞渴沁M(jìn)口產(chǎn)品，如Lenze、Danaher、Siemens 和Baumuller，還有三菱和松下等。價(jià)格是制約交流伺服大面積普及的主要因素，國產(chǎn)產(chǎn)品雖然在價(jià)格上有一定競爭優(yōu)勢，但是性能指標(biāo)、可靠性和環(huán)境適應(yīng)性等方面存在欠缺，還需要在品牌塑造、服務(wù)、交貨期等方面不斷改進(jìn)。在如下兩個(gè)方面，我們可以看到國產(chǎn)伺服廠家的成功案例，一個(gè)是在工業(yè)縫紉機(jī)上，近幾年國產(chǎn)伺服控制器逐漸取代臺(tái)灣和其他進(jìn)口品牌變成市場主流，憑借低成本的電機(jī)、簡單的低線數(shù)編碼器，以及集成控制和驅(qū)動(dòng)，在解決了批量穩(wěn)定性之后，象上海鮑麥克斯這樣的國內(nèi)品牌獲得了成功。每年數(shù)十萬臺(tái)的產(chǎn)量，這可能是未來幾年里，低檔伺服最大的市場了。另外一個(gè)緊密結(jié)合用戶需求進(jìn)行創(chuàng)新開發(fā)的案例，可以舉和利時(shí)電機(jī)開發(fā)的絡(luò)絲機(jī)控制系統(tǒng)。“絡(luò)絲機(jī)”是屬于織造前工序的精密工藝設(shè)備，將各種天然絲絡(luò)成各種規(guī)格的柱狀、寶塔形、雙錐形筒子，供用于染色、整經(jīng)、針織等后道工序。該公司充分利用自己在步進(jìn)、無刷、伺服、運(yùn)動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò)通訊等方面的綜合技術(shù)，通過和國內(nèi)最大紡機(jī)集團(tuán)的密切合作，開發(fā)成功了精密絡(luò)絲機(jī)控制系統(tǒng)，其核心是利用高動(dòng)態(tài)的伺服橫動(dòng)電機(jī)以及數(shù)字卷繞技術(shù)，取代傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)而實(shí)現(xiàn)單錠化和數(shù)字化，每錠之間依靠CAN 總線聯(lián)系，是無軸技術(shù)應(yīng)用的典范。該產(chǎn)品的研發(fā)成功充分體現(xiàn)了國內(nèi)廠商的競爭能力，為國產(chǎn)伺服廠商開辟了參與市場競爭的新路。

4. 無軸（電子軸）傳動(dòng)技術(shù)在印刷機(jī)上應(yīng)用，也是目前全球印刷企業(yè)和機(jī)械制造商的焦點(diǎn)。無軸傳動(dòng)就是用多個(gè)單獨(dú)的伺服電機(jī)取代傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)鏈，伺服驅(qū)動(dòng)器之間依靠高速現(xiàn)場總線進(jìn)行聯(lián)系，通過軟件保證各伺服軸對內(nèi)部的虛擬數(shù)字電子軸保持嚴(yán)格同步。采用無軸傳動(dòng)技術(shù)為印刷機(jī)的生產(chǎn)制造、為印刷業(yè)服務(wù)革命帶來了最佳解決方案，目前歐洲50％的凹印機(jī)采用了無軸技術(shù)，日本也有30％以上采用。其他采用無軸傳動(dòng)的機(jī)械包括卷筒紙印刷機(jī)、柔印機(jī)、上光機(jī)、燙金機(jī)、模切機(jī)等各類印刷設(shè)備。這一領(lǐng)域最頂級的伺服控制解決方案提供商是來自德國的博世力士樂、倫茨、日本的住友和奧地利的貝加萊。國內(nèi)目前僅有北人和松德等個(gè)別廠家進(jìn)行無軸傳動(dòng)印刷機(jī)的開發(fā)，部分規(guī)格的性能指標(biāo)接近國際水平，但是其采用的電子軸傳動(dòng)伺服系統(tǒng)和套準(zhǔn)控制系統(tǒng)均來自日本和歐洲，國內(nèi)相關(guān)伺服廠家還鮮有涉足。國產(chǎn)伺服和控制系統(tǒng)要達(dá)到這個(gè)領(lǐng)域的要求，需要頂級的技術(shù)水平和對這個(gè)行業(yè)的透徹理解，看來還有漫長的路要走。

5. 包裝設(shè)備上，采用伺服控制可以提高單位時(shí)間的產(chǎn)量、提高資源利用率、增加品種適應(yīng)性和提高產(chǎn)品質(zhì)量，因此交流伺服在包裝機(jī)械上的廣泛使用只是時(shí)間問題。采用數(shù)字伺服技術(shù)的電子齒輪和電子凸輪將代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械部件，隨著價(jià)格的下降，成本也逐漸接近純機(jī)械的方案。歐洲有個(gè)Elau 公司專門針對包裝機(jī)械設(shè)計(jì)開發(fā)數(shù)字伺服和運(yùn)動(dòng)控制解決方案，在大型連續(xù)包裝設(shè)備方面居于領(lǐng)先地位，而我國尚沒有出現(xiàn)如此專業(yè)的解決方案提供商。

6.這幾年出現(xiàn)的新型電梯曳引機(jī)，采用永磁同步伺服電機(jī)做無齒輪直接驅(qū)動(dòng)，取代變頻異步驅(qū)動(dòng)，具有更高的控制精度、動(dòng)態(tài)特性、高效率、低噪聲，已經(jīng)成為國際和國內(nèi)主要電梯廠的熱點(diǎn)產(chǎn)品，促進(jìn)了電梯產(chǎn)業(yè)的革命。