随着以数控机床为主导的数字化制造技术的崛起,智能化制造、技术集成及技术复合成为数控机床技术最为活跃的发展趋势之一。智能化机床能够运用各类传感器对自身状态进行监测与分析,对与机床状态、加工过程及周边环境相关的信息进行自行检测,并据此采取相应的对策,以确保最佳的加工效果。此外,新型数控机床还需配备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,提供语音提示及短信通知,以及根据加工需求协助选取切削参数等功能。总而言之,智能化有助于提升机床工作的控制精度,以及整机的稳定性和可靠性。
在伺服系统领域,基于永磁电机动态解耦数学模型的矢量控制技术作为当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,应用高速数字信号处理器(DSP)作为控制回路,搭配增益自动调整、指令平滑功能等。以三菱电机研发的MR-J3系列交流伺服系统为例,为了实现高精度定位,与该系列伺服电机配套的高性能编码器采用分辨率为262144脉冲/转的绝对位置编码器,其速度环路频率响应提高到900Hz,兼具高速/大转矩特性,同时降低齿槽转矩,减小伺服电机的转矩波动,从而使机器在均匀速度下运行更加平稳流畅。此外,该产品内置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的所有增益的自动调整,有效抑制了驱动部件停止时产生的低于100Hz频率的振动。而且,配套的伺服设置软件MR-configurator具备精确的机械分析功能,广泛适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场所。
中达电通最近推出的ASDA-M系列属于三轴合一智能型伺服,将三台伺服集成于同一机座内,实现三轴联动操控,轴向交换数据无时间延迟现象;能够直接在驱动器内进行直线、圆弧与螺旋的插补控制;新型龙门控制架构,精准同步,适用于纯刚性连接的机构;软件具备简易的循圆分析功能,显著提升系统问题的诊断能力。除此之外,ASDA-M系列伺服还具备优良的高速响应性能、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,极大地提升了机械终端的定位精度。
作为数控机床的关键环节,电动机的性能对整个系统的性能起着至关重要的作用。其中,步进电动机虽因其在成本控制方面的显著优势成为各大经济型数控机床的首选产品,然而其固有的缺点同样不容忽视,例如惯量大、每单位功率的转矩输出比例低(N-m/kW)、效率低下、热量散发较大。与此相反,伺服电动机具有响应迅速、精准度高以及技术门槛相对较高等优点,因此在高端数控机床及其他精密机械领域中被广泛采纳。例如,交流伺服电动机以正弦波控制为主,转矩脉动微弱;定子绕组散热效果良好;惯量较小,易提升系统的响应速度;适合在高速大扭矩工作环境中使用;在相同功率级别下,体积和重量相对较小;可靠性极高,维护和保养需求较低。
根据国际能源署的最新数据显示,工业用电占据全球电力总消耗的约42%,且其中的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/定子领域都专注于提高节能效益以挖掘新的市场潜力。例如,目前众多日系、欧美伺服电机制造商已掌握了钕铁硼永磁等关键材料,在永磁交流伺服电机产品的质量和性能方面形成一定的竞争优势。据预计,采用这些稀土永磁无铁芯电机进行设备驱动的系统运行效率可提升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新的能效标准法规生效,该法规涵盖了大部分功率介于0.75千瓦至375千瓦、频率为50和60赫兹的两极、四极、六极交流电机,并计划分为三个阶段逐步提升上述电机产品的国际能效等级。与此同时,中国、澳大利亚、巴西、加拿大等国也已实施类似的能效法规,美国则从2010年底起实施了相当于IE3等级的NEMA Premium(美国全国电器制造商协会高效)标准。这些法规的陆续发布将进一步推动电机行业节能技术的发展。
此外,对于齿轮磨床、精密机床以及其他机床而言,直接驱动技术是另一个值得关注的发展趋势,直接驱动直线电机亦将成为未来高速、高精度数控机床的理想驱动模式。目前,该技术已引起广大机床制造商的高度重视,技术发展势头迅猛。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上具备丰富的专业知识,其推出的直接驱动直线(DDL)系列电机采用无框架永磁三相无刷伺服电机,无需维护,精度更高,带宽更高,运动速度更稳定,且降低了噪音;同时,亦供应多种尺寸和推力,广泛适用于各种直线应用场合,简化了高推力永磁设计方案,从而大幅提升了机器的整体可靠性。