機電一體化及其機床電氣控制技術(shù)的發(fā)展概況

  機電一體化技術(shù)是隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，生產(chǎn)工藝不斷提出新要求而迅速發(fā)展的。在控制方法上主要是從手動到自動;在控制功能上，是從簡單到復(fù)雜;在操作上，是由笨重到輕巧。隨著新的控制理論和新型電器及電子器件的出現(xiàn)，又為電氣控制技術(shù)的發(fā)展開拓了新途徑。

  傳統(tǒng)機床電氣控制是繼電器接觸式控制系統(tǒng)，由繼電器、接觸器、按鈕、行程開關(guān)等組成，實現(xiàn)對機床的啟動、停車、有極調(diào)速等控制。繼電器接觸式控制系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、抗干擾強、價格低，因此應(yīng)用于各類機床和機械設(shè)備。在我國繼電器接觸式控制仍然是機床和其他機械設(shè)備基本的電氣控制形式之一。

  在實際生產(chǎn)中，由于大量存在一些用開關(guān)量控制的簡單的程序控制過程，而實際生產(chǎn)工藝和流程又是經(jīng)常變化的，因而傳統(tǒng)的繼電器接觸式控制系統(tǒng)常不能滿足這種要求，因此曾出現(xiàn)了繼電器接觸控制和電子技術(shù)相結(jié)合的控制裝置，叫做順序控制器。它能根據(jù)生產(chǎn)需要改變控制程序，而又遠(yuǎn)比電子計算機結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，它是通過組合邏輯元件插接或編程來實現(xiàn)繼電器接觸控制的。但它的裝置體積大，功能也受到限制。隨著大規(guī)模集成電路和微處理機技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，上述控制技術(shù)也發(fā)生了根本性的變化，在上世紀(jì)70年代出現(xiàn)了將計算機的存儲技術(shù)引入順序控制器，產(chǎn)生了新型工業(yè)控制器——可編程序控制器(PLC)，它兼?zhèn)淞擞嬎銠C控制和繼電器控制系統(tǒng)兩方面的優(yōu)點，故在世界各國已作為一種標(biāo)準(zhǔn)化通用裝置普遍應(yīng)用于工業(yè)控制。

  為解決占機械總加工量80%左右的單件和小批量生產(chǎn)的自動化難題，50年代出現(xiàn)了數(shù)控機床。它綜合應(yīng)用了電子、計算機、檢測、自動控制和機床結(jié)構(gòu)設(shè)計等各個技術(shù)領(lǐng)域的新技術(shù)成就，它是典型的機電一體化產(chǎn)品。數(shù)控機床經(jīng)過40年來的發(fā)展，品種日益增多，性能不斷完善，其中以輪廓控制的數(shù)控機床和帶有自動換刀裝置和工作臺能自動轉(zhuǎn)位的數(shù)控加工中心發(fā)展更為迅速。數(shù)控機床由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機床本體等部分組成，其中伺服系統(tǒng)的性能是決定數(shù)控機床加工精度和生產(chǎn)率的主要因素之一。

  伺服系統(tǒng)在數(shù)控加工中的作用及組成

  在自動控制系統(tǒng)中，把輸出量能以準(zhǔn)確度跟隨輸入量的變化而變化的系統(tǒng)稱為隨動系統(tǒng)，亦稱伺服系統(tǒng)。數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)是指以機床移動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)，又稱為隨動系統(tǒng)。

  伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動裝置和驅(qū)動元件(或稱執(zhí)行元件伺服電機)組成，高性能的伺服系統(tǒng)還有檢測裝置，反饋實際的輸出狀態(tài)。

  數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自數(shù)控裝置的指令信號，驅(qū)動機床移動部件跟隨指令脈沖運動，并保證動作的快速和準(zhǔn)確，這就要求高質(zhì)量的速度和位置伺服。以上指的主要是進給伺服控制，另外還有對主運動的伺服控制，不過控制要求不如前者高。數(shù)控機床的精度和速度等技術(shù)指標(biāo)往往主要取決于伺服系統(tǒng)。

  應(yīng)用趨勢

  自動控制系統(tǒng)不僅在理論上飛速發(fā)展，在其應(yīng)用器件上也日新月異。模塊化、數(shù)字化、高精度、長壽命的器件每隔3～5年就有更新?lián)Q代的產(chǎn)品面市。傳統(tǒng)的交流伺服電機特性軟，并且其輸出特性不是單值的;步進電機一般為開環(huán)控制而無法準(zhǔn)確定位，電動機本身還有速度諧振區(qū)，pwm調(diào)速系統(tǒng)對位置性能較差，變頻調(diào)速較簡單但精度有時不夠，直流電機伺服系統(tǒng)以其優(yōu)良的性能被應(yīng)用于位置隨動系統(tǒng)中，但其也有缺點，例如結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在低速時死區(qū)矛盾突出，并且換向刷會帶來噪聲和維護保養(yǎng)問題。新型的永磁交流伺服電機發(fā)展迅速，尤其是從方波控制發(fā)展到正弦波控制后，系統(tǒng)性能，它調(diào)速范圍寬，尤其是低速性能優(yōu)越。