了解伺服系统应用需求

当涉及到最大限度地发挥机器设计的潜力时，选择适当的伺服技术可以使一切不同。每个应用程序都有一组独特的需求，可以通过许多不同的方式来满足这些需求。识别关键应用需求的能力，加上现有伺服技术的知识，可以帮助设计师实现最佳的自动化解决方案。本文描述的应用程序说明了独特的挑战，以及如何实现适当的伺服技术优化每个自动化解决方案。

两轴平面形状切割

从材料薄片上切割二维图案是一个常见的应用，有几个重要的要求。无论切割是用激光、等离子体还是水射流技术完成的，X轴和y轴的平面运动平滑协调是至关重要的，以确保优化的最终切割。

考虑一台等离子切割机，从金属板材上切割图案(见图1)。在这个应用中，X轴和y轴协调移动切割头通过指定的路径，以创建所需的图案。每个轴都由一个标准的旋转伺服电机驱动，与滚珠丝杠组件耦合(见图2)。根据机器的尺寸，每个轴的行程长度可能相对较长。在这种情况下，x轴行程长度为76英寸。y轴行程长度为49英寸。在运行过程中，这种大小和性质的机器可能会受到几种不同类型的共振频率和振动。因此，每个伺服轴的调整对成品零件的切割质量至关重要。

在这台特殊机器的调试过程中，X轴和y轴上的大量振动都被反射到切割头上。这种振动的效果可以在y轴范围图和成品的照片中看到(见图3)。

目前，一些高端伺服系统具有内置功能，可以解决这些类型的机械干扰，从而影响成品部件的质量。这种内置功能包括伺服电机上的高分辨率反馈装置，以及伺服电子设备中的高级调谐算法。

在这个应用中，实现了一个带有内置功能的伺服系统。机器X轴和y轴上使用的伺服电机配备了20位反馈装置，每转1048,576次。伺服放大器采用先进的振动抑制算法，利用这种高分辨率反馈来有效地消除机器振动。通过分析电机上的反馈并将其与指令运动进行比较，伺服放大器能够获得机器的机械特征。由于反馈装置的高分辨率，放大器可以检测到极小增量的机器扰动。伺服放大器处理这些信息，并注入一个与检测到的共振和振动180度相异的信号，从而消除干扰。其结果是一台更高效的机器，运行更平稳。机器振动的消除延长了机器上机械部件的寿命，成品部件的整体质量得到了显著提高(见图4)。

玻璃切割

玻璃切割是另一个两轴平面形状切割应用的例子。玻璃切割机的金刚石切割头在X轴和y轴上从大玻璃片上切割图案(见图5)。这种应用的关键要求是提高机器的吞吐量和精度，以及增加机器的灵活性和易用性。当线性运动的吞吐量和精度是最重要的，直线伺服电机技术可以是一个很好的解决方案。

线性伺服电机使用与传统旋转伺服电机相同的设计概念，除了电机是平置的。这两种技术都使用永磁体和线圈组件，当通电时，线圈组件就会转化为电磁铁。直线电机线圈组件在磁铁轨道上方行驶，并被定义的气隙隔开(见图6)。通过按正确顺序激励线圈来对电机进行换向，以创建直线运动。

直线伺服电机技术具有显著的优势。不需要机械传动将旋转运动转换为直线运动-不需要滚珠丝杠总成。应用负载可以直接耦合到电机的线圈组件。复杂的机械设计包括滚珠丝杠，皮带和滑轮，以及其他类型的传动装置可以避免。电机的线性速度和加速度潜力的唯一限制是线性轴承和电机可以换向的速度。通过使用高分辨率线性反馈装置，系统精度可以显著提高，消除了与传统机械执行器相关的间隙和机械遵从性问题。因此，线性伺服电机系统可以非常精确，实现的速度和加速度比与机械执行器结合使用的可比旋转伺服电机高。

在玻璃切割应用中，机器制造商用直线电机取代了由气动执行器、滚珠丝杠和齿轮箱组成的复杂机械设计，以驱动切割机的X轴和y轴。结果，整机吞吐量提高了33%。切割速度提高到3米/秒，切割加速度提高到1.0 g。这些改进相当于每小时切割200块。提高了成品质量，系统精度提高了一倍。

消除了以前机械设计的复杂性有助于使机器更灵活，更容易使用。旧的设计需要大量的手工设置，这使得工作转换很困难。由于新的直线伺服电机设计，机器的设置是99%的自动化。改造后的机器有更多的正常运行时间，需要更少的维护，并为其所有者带来更多的利润。

转盘分度器

转盘分度器是一种经典的材料处理应用，其中工件在圆形路径上旋转到多个位置。在许多情况下，直驱伺服电机技术是这类应用的实际解决方案。直接驱动伺服电机设计允许负载惯性直接耦合到电机的转子(见图7)。这种电机设计消除了与常见机械部件相关的限制，如联轴器、齿轮头、滚珠丝杠、皮带和皮带轮组件。系统中引入的每一个机械组件都增加了遵从性问题，并牺牲了机械刚度。当机械刚度被妥协时，伺服系统增益可以增加的程度是有限的。

当使用直接驱动电机时，这些机械限制就被消除了。当这种电机设计在应用中实现时，伺服系统现在只能控制一个刚性质量(电机转子加上负载惯性)。当去除机械遵从性时，伺服系统调谐增益可以增加到一个点，您可以充分利用当今最先进的伺服电子设备的总带宽能力。

转盘操作非常类似于一个转盘分度器。例如，一个转盘被用于一个涉及一台机器的应用程序，该机器设计用于处理三个大型太阳能电池板，每个尺寸为49英寸。缩短了40英寸。(见图8)。当12.5英尺。直径表满载三块太阳能电池板，总负载惯性(由电机旋转的负载)为400kg /m²．要用传统的旋转伺服电机来索引如此大的负载，将需要大量的传动装置。

在这个应用中使用了直接驱动电机。直驱电机转子的惯量为0.31 kg/m²．这导致负载与转子的惯性不匹配为1300:1。由于工作台的刚性设计，并且直接与直接驱动电机的转子耦合，系统能够在这种难以置信的大惯性不匹配的情况下执行合理的运动剖面。在这个应用程序中，120度移动的目标移动时间为5秒(沉降窗口为10次)。

电机中的轴承能够支撑整个满载的移动结构。需要注意的是，选择这种特定的直接驱动伺服电机的极数、反馈分辨率和扭矩常数是为了优化这种特定应用的性能。

正如太阳能板转盘的应用所表明的那样，如果应用得当，直接驱动伺服电机技术可以产生任何其他电机技术无法比拟的性能。

Scott Carlberg是安川美国公司的运动控制产品营销经理。他在运动控制行业有15年的经验。

本文发表于2013年2月的《应用自动化》增刊控制工程而且设备工程这两家公司都隶属于CFE Media。

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