伺服系统,智能制造的关键核心

来源:电子发烧友网原创 作者:邢生玉2017年07月26日 06:40

导读:伺服系统是工业自动化的重要组成部分,是自动化行业中实现精确定位、精准运动必要途径。伺服系统关键技术的突破,将极大地提升中国智能制造的技术水平和市场竞争力。

中国伺服市场规模

2015年整体的经济形势不景气,一些传统的制造业对伺服的需求有所放缓。然而,国家对机器人行业以及“工业4.0”的积极推动,刺激了伺服的市场需求增长,特别是网络型伺服、总线型伺服系统得到了快速发展。整体来看,2015年伺服市场仍保持着较高的增速。

2015年中国伺服市场规模为110亿元,预计未来随着工业机器人行业的深化、工业自动化的进一步突进和智能制造的深入推进,伺服市场将会出现新一轮爆发式增长,到2020年,中国伺服市场规模将达到254亿元。

2015-2020年中国伺服市场规模

伺服系统,智能制造的关键核心

伺服系统是以变频技术为基础发展起来的产品,是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。伺服系统除了可以进行速度与转矩控制外,还可以进行精确、快速、稳定的位置控制。

伺服系统工作方式

伺服系统,智能制造的关键核心

目前应用最为广泛的电气伺服系统,通常伺服系统包括伺服驱动器和伺服电机,以及伺服反馈装置(编码器)。伺服驱动器属于自动化控制系统中的驱动层,伺服电机属于执行层。伺服驱动器和伺服电机如今已经成为智能制造的必备品。

伺服系统的工作过程可以简单理解为上位机(PLC、控制卡)发出脉冲信号驱动伺服电机,由上位机来控制整个伺服运动,编码器是一个反馈单元,用来检查伺服电机执行了多少脉冲信号并反馈给驱动器,从而进行精确闭环控制。

伺服电机编码器是安装在伺服电机末端用来测量伺服电机转角及转速的一种传感器,通常内置在伺服电机末端。伺服电机编码器,目前自控领域常用的是光电编码器和磁电编码器。光电编码器通过光电码盘反射光信号数量确定电机转子转动角度,而磁电编码器通过磁场感应元器件来感应电机转子转动所带来的磁场变化来确定电机转子位置。光电式编码器进度主要由码盘刻度线精度决定,精度越高,刻度线越多,码盘体积越大,其技术难点就在于码盘的加工生产;磁电式编码器使用磁场感应元器件代替码盘,因此可以在提高精度的同时保证体积相对较小,所以在高精度但对编码器体积有要求的前提下使用磁电编码器,同时磁电式编码器采用的磁场感应工作原理,相对于光反射过程相对简单,过程更为可靠。但是磁电编码器价格比较昂贵,目前仅在精度要求、工况要求相对较高的领域适用,随着未来磁场感应元器件价格的下降,磁电式编码器将会有替代光电式编码器的趋势。

编码器作为伺服系统的信号反馈装置,很大程度上决定了伺服系统的精度。伺服驱动器驱动电机运转,电机带着编码器旋转,编码器的反馈型号输送到控制器,控制器就能知道电机的运转情况,从而得出电机的转速,移动位置和移动距离等。控制器根据编码器反馈的信号经过计算得出偏差结果,再次控制电机运动,纠正偏差,从而精确控制电机的转速、位置、距离和力矩等系统变量。

伺服编码器内部结构

伺服系统,智能制造的关键核心

编码器技术作为伺服系统的核心技术之一,高精度编码器研发难度非常大,目前国内和国外的伺服系统大部分厂商都是匹配第三方编码器。目前世界上编码器龙头企业是德国Heidenhain公司,其产品选型范围广,品种齐全;比较著名的公司还有日本的尼康和佳能,他们凭借在光学仪器生产中常年积累的经验,生产的光电式编码器具有性能稳定,精度高,使用寿命长等优点。

随着国内研发投入的不断提高,目前部内企业已经掌握编码器技术,比如汇川技术已经能够生产出达到国际领先水平的23位编码器,从而降低了整个伺服系统的制造成本,在行业竞争中取得优势。

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