伺服产品在机床行业中的应用

　　摘要：2013年，中国机床工具行业延续了两年来的总体下行趋势，市场需求结构发生巨大变化。经济再平衡和中国经济增速放缓的大环境，对机床工具行业产生了全面而深刻的影响，过去10余年赖以高速发展的增长要素发生了深刻变化。特别是今年以来，行业发展在结构调整、转型升级方面的特征愈加明显。
　　
　　进入2013年后，中国机床工具产品进口额出现两位数下滑。前3季度，机床工具产品累计进口额同比下降19.3%，其中金属加工机床进口额同比下降24.0%。金属加工机床中，金切机床进口额同比下降25.7%。这是除受金融危机影响的2009年外，机床工具进口额近10年出现两位数大幅下降。同时，近两年来我国进口机床工具产品的结构也发生诸多明显变化，对高精、高速、、智能型中数控机床的需求明显增加。尽管市场环境复杂多变，一批企业通过在创新和服务等方面的扎实努力取得了阶段性成果。
　　
　　2013年机床产量延续了2012年产量持续下降趋势，但降幅逐月收窄。2013年1—12月金属切削机床产量72.59万台，同比下降1.54%，其中数控机床产量20.93万台，同比增长2.16%，从趋势看，2013年下半年数控机床产量增幅高于金切机床增幅，主要受上年基数影响。
　　
　　2012年我国刀具市场的规模从2011年的400亿元缩减到340亿元，刀具进口从135亿元下降到115亿元，两项数据同比降幅均在15%左右，刀具出口从85亿元下降到76亿元。2013年1—11月进口刀具额虽然同比下降0.49%，但仍达到12.5亿美元，整体来看进口刀具呈下降趋势。
　　
　　在经济复苏乏力、中国机床工具市场处于缓慢下行的大背景中，众多外资企业却加紧在中国市场的布局。2013年，山崎马扎克大连新工厂竣工投产，森精机公司天津工厂开业，德国通快集团以72%的大股份收购了我国锻压行业企业江苏金方圆公司。这些现象一方面说明外企对未来中国市场更加重视，另一方面也预示着国内中机床市场将面临更为激烈的竞争。
　　
　　再来看一下进出口数据，2013年金属加工机床进口73733台、100.15亿美元，金额同比下降25.37%，平均进口单价为13.58万美元。其中，加工中心进口20741台、33.82亿美元，金额同比下降40.14%;数控机床进口15937台、41.69亿美元，金额同比下降11.71%。
　　
　　2013年1-11月，全国机床工具行业累计完成出口交货值401.45亿元，累计同比下降6.65%，低于上月累计增速0.89个百分点。分类别看，累计下降明显的为其他设备制造行业及其他非金属矿物制品制造行业，累计同比分别下降22.24%、18.79%，不过降幅较上月统计明显收窄。累计同比涨幅较大的为金属成形机床制造行业，累计同比增长12.72%，但也明显低于1-10月统计的累计同比增速20.7%。
　　
　　以上数据充分显示出中国机床工具市场正在发生非常显着的变化，突出特征是：需求总量下降，需求结构上升，进口的机床工具趋向于产品。
　　
　　2.伺服产品在机床行业中的应用
　　
　　机床是将金属毛坯加工成机器零件的机器，其所担负的加工工作量占机器总制造工作量的一半左右，在零件的加工工作中占有非常重要的作用。目前市面上机床加工机械零件的方法很多，如切削、铸造、焊接、冲压、挤压等，只要是生产较高精度的零件，一半以上的工艺都会用到机床进行加工处理。
　　
　　机床种类很多，一般分为普通机床、精密机床、高精度机床、数控机床等。不过大多由以下几个部件组成：支承部件、变速机构、进给机构、刀架刀库、控制和操纵系统、润滑系统、冷却系统等。在控制与操作系统中，伺服控制一般应用较多。
　　
　　在铣床上的应用
　　
　　当前，许多伺服产品不仅具有低速大力矩输出、零速力矩保持、调速精度高等伺服系统的优良性能，还具有PLC功能，可连接手摇脉冲发生器实现微量调速进给及对刀功能，因此非常适合在强力龙门铣床的进给轴上做单轴控制。
　　
　　机床的X、Y、Z、W、V轴分别由五台伺服控制器控制，由各自的电位器控制发出模拟电压控制各轴的进给速度。机床的手动脉冲发生器，通过轴选通信号分别接到五台伺服控制器外部信号输入口，控制各轴的进给和定位。
　　
　　在铣床上，通过应用伺服控制器的接口编程可实现对电机的各种复杂控制，同时在PLC程序中加人了电机掉电延时程序，可保证在抱闸*闭合后电机再掉电，解决了z轴的下坠问题；此外，横梁下降时，由于两根丝杠的不平衡导致横梁倾斜问题，这就需要横梁反向运行一段距离纠正横梁的倾斜，因此在程序里加入了使横梁下降停止时都自动向上走一定位距离再停止的功能，这样就解决横梁的反向间隙问题。
　　
　　通过使用伺服系统，可提升强力龙门铣的整体档次，且它线路简单，操作方便，系统的可靠性高，功能强，精度高，修改与维修方便，经济效益显着，目前大多数铣床上都采用伺服控制。
　　
　　在数控机床上的应用
　　
　　卧式数控机床由CNC控制器，伺服驱动及电机、电器柜和数控机床的机架四部分组成。其工作原理是：通过CNC内配置的编程软件，将加工零件的的轨迹用坐标的方式表达出来，把这些信息转化成能使驱动伺服电机的带有功率的信号（脉冲串），控制伺服电机带动相应轴来实现运动轨迹。同时，刀架上配有数控车刀，通过按加工材质配置相应的刀具，对固定于主轴上的加工材料进行切削，即可加工出相应的工件。
　　
　　在数控机床上，伺服调控系统是其*的一部分。其任务是把数控信息转化为机床进给运动，从而实现控制。由于数控机床对产品加工时要求高，所以采用的伺服控制系统十分关键。
　　
　　目前在数控机床上使用的伺服控制系统，其优点主要有：精度高，伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的程度。包括定位精度和轮廓加工精度；稳定性好，稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。直接影响数控加工的精度和表面粗糙度；快速响应，快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度；调速范围宽，其调速范围可达0—30m/min；低速大转矩，进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内都要保持这个转矩，主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，能提供较大转矩，在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。
　　
　　在机床进给伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系统，有三种类型：模拟形式、数字形式和软件形式。模拟伺服用途单一，只接收模拟信号，位置控制通常由上位机实现。数字伺服可实现一机多用，如做速度、力矩、位置控制。可接收模拟指令和脉冲指令，各种参数均以数字方式设定，稳定性好。具有较丰富的自诊断、报警功能。软件伺服是基于微处理器的全数字伺服系统。其将各种控制方式和不同规格、功率的伺服电机的监控程序以软件实现。使用时可由用户设定代码与相关的数据即自动进入工作状态。配有数字接口，改变工作方式、更换电动机规格时，只需重设代码即可，故也称伺服。
　　
　　交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进*控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。
　　
　　目前在机床行业，国内外众多厂商都有该行业的伺服产品，其中国外的西门子、博世力士乐，国内的汇川、东菱、台达等产品在2013年的市场表现较好。