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伺服系統(tǒng)的發(fā)展和優(yōu)點
二十世紀80年代早期,當機械制造公司為汽車制造引擎和變速箱時,每分鐘的停工成本逾千美元,制造商需要一種解決辦法保護開工率,并且一旦出現(xiàn)故障,應(yīng)當盡快地恢復(fù)生產(chǎn)。滿足破碎機最長開工期的需求最終成為了伺服系統(tǒng)得以應(yīng)用的催化劑。
長期以來,伺服動作控制作為昂貴的元件集合,服務(wù)于要求精度和過程效率的高性能應(yīng)用?,F(xiàn)如今,批量生產(chǎn)和技振動輸送機術(shù)革新使成本降低,伺服系統(tǒng)頻繁地出現(xiàn)在低性能應(yīng)用中,在這里伺服系統(tǒng)的優(yōu)點得以呈現(xiàn),但總成本沒有增加。
一個基本的運動控制系統(tǒng)包不銹鋼輸送機括:
■ 運動控制器: 運動控制器是運動控制系統(tǒng)的大腦,分樣篩向伺服電機發(fā)出執(zhí)行指示。
■ 伺服電機: 伺服電機是動作控制系統(tǒng)的肌肉,將伺服傳動機構(gòu)鏈板的電能轉(zhuǎn)化為使機器動作的機械能。
■ 伺服z型提升機傳動機構(gòu)(亦稱為增強器): 伺服傳動機構(gòu)或增強器,接收動作控制器發(fā)出的低級指令,然而大幅度地增強這些指令,向伺服電機提供必要的能量。
■ 反饋設(shè)施: 反饋設(shè)施,如編碼器或解算器,將實時方位和速度信息反碎石篩分機饋給動作控制器。
伺服板鏈斗式提升機電機
伺服電機以其快速加速和減速的能力而聞名遐邇,通過高峰值扭矩和高扭矩-慣矩比實現(xiàn)這種能力,可以為功率需求從幾百瓦到75kW以上的應(yīng)用提供服務(wù)。伺服電機在機床和自動機器等傳統(tǒng)的動作超細破控制應(yīng)用中表現(xiàn)出卓越的動力反應(yīng)和精確度。伺服電機可以按照以下四個標準分類:磁體類型(感應(yīng)或永磁),機械技術(shù)(旋轉(zhuǎn)或線性),電氣技術(shù)(交流無刷或直流電刷)以及結(jié)構(gòu)(殼體式或無框架式)。
感應(yīng)或異步伺服電機通過轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場的轉(zhuǎn)速之差產(chǎn)生扭矩。差值(伸縮式皮帶輸送機稱為轉(zhuǎn)差)越大,扭矩越高。在伺服電機的定子上施予交流電,隨后在轉(zhuǎn)子感應(yīng)產(chǎn)生出一個磁場,這就是此類電機被稱為感應(yīng)電機的原因。異步伺服電機多數(shù)應(yīng)用于高功率的工況中。
永磁磁鐵或同步伺服電機的定子與感應(yīng)電機相似。但是與感應(yīng)伺服電機不同的是,這種電機的轉(zhuǎn)子上裝配著永磁磁鐵。轉(zhuǎn)子和定子的磁場同時、同GXS型高效細粒原煤分級篩步、以相同的速度旋轉(zhuǎn)。當電機上施加負荷時,磁極間出現(xiàn)位置調(diào)準的微差,由此產(chǎn)生扭矩。微差越大,扭矩越高。
伺服電機通常產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動作,然后通過機械元件轉(zhuǎn)化為線性動作。然而線性伺服電機可以直接產(chǎn)生線性動作,無需附加的機械元件。線性伺服電機既可以是感應(yīng)電機,也可以是永磁磁鐵電機。其優(yōu)點在于,線性伺服電機能夠比旋轉(zhuǎn)伺服電機獲得更高的加速/減速比、電位精度化工振動篩和速度。但是旋轉(zhuǎn)伺服電機通過齒輪箱和類似的傳動系元件以速度換取扭矩來獲得扭矩的成倍增加。而線性伺服電機必須直接產(chǎn)生應(yīng)用所需的全部力,因此它們常常僅限于使用在小型機器上。
交流無刷伺服電機,現(xiàn)代定位應(yīng)用的主要電機,實際上是前文提到的永磁伺服電機,只是與直流電刷伺服電機(也是一種永磁磁鐵同步電機)對照而言,后者占據(jù)了二十年前伺服電機的主導(dǎo)地位。直流電刷伺服電機的定子上裝有磁鐵,直流電通過碳刷組件作用在轉(zhuǎn)子上,電機旋轉(zhuǎn)時,通過電刷施加到轉(zhuǎn)子的電壓極性被一種叫做換向器的機械組件不斷地逆轉(zhuǎn)。如鏈式給煤機果沒有這個機械換向器,電機將鎖定在某一個位置上,停止了運轉(zhuǎn)。由于換向是通過機械手段和電刷的滑動接觸向轉(zhuǎn)子施加的電能實現(xiàn)的,因此經(jīng)常出現(xiàn)機械磨損和維修問題。交流無刷伺服電機不需要電刷,換向在伺服傳動機構(gòu)之內(nèi)電子完成,達到了零磨損和零維修。
最后,殼體式與無框架式結(jié)構(gòu)的伺服電機代表了伺服電機包裝的一些近期發(fā)展。傳統(tǒng)的伺服電機是殼體式結(jié)構(gòu),作為一個單獨的部件連接到機器上。機械能通過電機的軸傳遞砂石料篩分設(shè)備給機器,電機的軸以各種方式與機器連接,如聯(lián)軸節(jié)、皮帶輪或齒輪箱?,F(xiàn)在,要求苛刻的應(yīng)用使用無框架式或“成套”電機,即電機與機器的結(jié)構(gòu)合為一體。設(shè)備制造商如今必須在機器上安裝轉(zhuǎn)子、定子和反饋元件。這種電機代表了動力的頂峰,比殼體式伺服電機占用的空間少了許多。
伺服傳動機構(gòu)
與伺服電機同樣,伺服傳動機構(gòu)也具有一些明顯的特征。例如,密閉式結(jié)構(gòu)的伺服傳動機構(gòu)作為一個獨立的單元直接安裝在機器上,或者開放式結(jié)構(gòu)的伺服傳動機構(gòu)需要安裝在一個機柜內(nèi)。伺服傳動機構(gòu)既可以分布配電,也可以獨立供電;既可以通過儲存(電容器)、燃燒(泄流電阻器)處理再生能,也可以將再生能送回輸電線中。
每種應(yīng)用都是獨一無二的,為了獲得最佳效果,動作系統(tǒng)設(shè)計人員應(yīng)當為每種應(yīng)用設(shè)計匹配的伺服系統(tǒng)。對于每分鐘做數(shù)百次沖程的樞軸來說,合理的做法是將再生能儲存在電容器中,為下一次加速進行儲備。對于高速運動、每分鐘的循環(huán)次數(shù)少的樞軸來說,應(yīng)當在電阻器中燒去多余的能量。做諸如拉伸等動作的軸不斷地再生能量,那么最佳選擇是將這些能量送回供電線。如果一臺機器中有多個軸從一個中央位置控制,最合理的設(shè)計是分布配電系統(tǒng)。當某些軸加速,另一些軸減速,則從電源線抽取的能量減少,同時降低(或消除)了處理再生能的附加電容器或泄流電阻器的需要。為某種應(yīng)用選擇正確的伺服系統(tǒng)可以降低成本,改進性能,提高堅固性,減少停工時間。
伺服系統(tǒng)的優(yōu)點
伺服系統(tǒng)的模件性和緊湊性為設(shè)備制造商和最終用戶帶來了更大的機器靈活性,縮短了準備時間,減少了相應(yīng)的浪費,并且通過消除機械元件的缺陷改進了質(zhì)量。伺服系統(tǒng)的長周期、可靠和可重復(fù)的特性可以提高許多動作控制應(yīng)用的處理量和處理速度。總體而言,開車和切換時的浪費減少,機械元件少使磨損降低所節(jié)省下來的費用大大地抵消了伺服系統(tǒng)的購買成本。
除了生產(chǎn)率和精確度等令人動心的優(yōu)點之外,伺服系統(tǒng)的操作性好,同時可以提供多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)選項,如Ethernet TCP/IP,Profibus-DP, DeviceNet,INTERBUS-S,ControlNet和Rexroth標準SERCOS。SERCOS是唯一的開放式標準,協(xié)調(diào)、同步化數(shù)字動作控制,是動作控制系統(tǒng)及其傳動機構(gòu)的數(shù)字界面。這種通訊標準(IEC認可為IEC-61491)允許多個伺服傳動機構(gòu)通過一根共用的抗噪光纖電纜連接到一個動作控制器上。一旦安裝就位,SERCOS網(wǎng)絡(luò)連接形成一個回路,避免了為每一個傳動機構(gòu)單獨硬接線到動作控制器。SERCOS標準真正與眾不同之處在于,它通過一個保證毫微秒同步的協(xié)議協(xié)調(diào)自動化設(shè)備上多個樞軸的動作。它同時提供控制系統(tǒng)和傳動機構(gòu)之間變量交換的標準化格式。
諸如SERCOS等網(wǎng)絡(luò)選項有助于提高通訊速度,增強抗噪能力,擴大開放性,使硬件標準化以及使用更少的連接電纜和電線,從而進一步簡化了元部件的更新和系統(tǒng)升級。
伺服系統(tǒng)還可以提供有價值的診斷功能,幫助排除故障,大大縮短了維修時間,多數(shù)配有PC接口和HMI(人-機界面)選項。
從本質(zhì)而言,伺服技術(shù)并非新鮮事物。但是在過去幾年里,其昂貴的成本使其僅能作為小型應(yīng)用領(lǐng)域的選擇。隨著制造商面臨永遠存在的速度和精度要求,伺服傳動設(shè)計迅速發(fā)展成為新的標準。 (
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