交流伺服的行業應用

現代交流伺服系統最早被應用到宇航和軍事領域，比如火炮、雷達控制。逐漸進入到工業領域和民用領域。工業應用主要包括高精度數控機床、機器人和其他廣義的數控機械，比如紡織機械、印刷機械、包裝機械、醫療設備、半導體設備、郵政機械、冶金機械、自動化流水線、各種專用設備等。其中伺服用量最大的行業依次是：機床、食品包裝、紡織、電子半導體、塑料、印刷和橡膠機械，合計超過75％。

1.在數控機床中使用永磁無刷伺服電機代替步進電機做進給已經成為標準，部分高端產品開始采用永磁交流直線伺服系統。在主軸傳動中采用高速永磁交流伺服取代異步變頻驅動來提高效率和速度也成為熱點。90 年代以來，歐、美、日各國爭相開發應用新一代高速數控機床， 高速電主軸單元轉數在30000rpm～100000rpm，工作臺的進給速度在分辨率為1μm 時達到100m/min，甚至200m/min 以上, 在分辨率為0.1μs 時，在24m/min 以上。當今數控機床突出高速、高精、高動態、高剛性的特點，對位置系統的要求包括：定位速度和輪廓切削進給速度；定位精度和輪廓切削精度；精加工的表面粗糙度；在外界干擾下的穩定性。這些要求的滿足主要取決于伺服系統的靜態、動態特性。 我們已經看到國產伺服系統比如廣數的產品在經濟型數控機床上的廣泛應用，但是在中高檔數控機床上采用國產伺服系統仍然面臨困難，性能是一個重要方面，還有就是穩定性和可靠性，或許品牌效應也是難以短時間逾越的障礙。

2. 在機器人領域，無刷永磁伺服系統得到大量應用。工業機器人擁有多個自由度，每臺工業機器人需要的電機數量在10 臺以上。目前世界范圍內工業機器人擁有量超過100 萬臺，機器人的需求量年增長在30％以上。國際上工業機器人采用的伺服系統屬專用系統，多軸合一，模塊化，特殊的散熱結構，特殊的控制方式，對可靠性要求極高。國際機器人巨頭都有自己的專屬伺服系統配套，比如安川、松下和ABB，這方面國內差距明顯。國產工業機器人廠家仍然在采用標準的進口交流伺服系統，國產伺服系統想進入工業機器人配套領域，就更加遙遠。不過，我們也看到在一些特殊機器人領域，比如反恐防爆機器人、礦井救災機器人等輕便移動機器人，采用了國產基于低壓直流供電的微型無刷伺服系統，比如和利時電機的蜂鳥系列就獲得了成功。當然，在更廣泛的機器人領域，需要的不僅僅是交流伺服電機，還包括各種其他微特電機，如直流伺服電機、直線電機、測速發電機、旋轉變壓器、力矩電機等。

3. 紡織行業當前應用伺服的比例很低，但卻是未來交流伺服大批量應用的重要行業之一。從90 年代初期至今已經15 年，紡織行業技術進步主要是依靠變頻化、PLC 化。只有少量紡織機械采用了高檔伺服技術，用于提高精度和效率，目前已有高檔梳棉機、帶自調勻整的并條機、新型粗紗機、數控細紗機、分條整經機、漿紗機、園網印花機等設備應用了交流伺服。無梭織機上已經開始采用帶交流伺服的電子送經和電子卷取，印染設備上也要用到伺服系統。這些設備每年的伺服用量在2、3 萬套左右，且幾乎全部是進口產品，如Lenze、Danaher、Siemens 和Baumuller，還有三菱和松下等。價格是制約交流伺服大面積普及的主要因素，國產產品雖然在價格上有一定競爭優勢，但是性能指標、可靠性和環境適應性等方面存在欠缺，還需要在品牌塑造、服務、交貨期等方面不斷改進。在如下兩個方面，我們可以看到國產伺服廠家的成功案例，一個是在工業縫紉機上，近幾年國產伺服控制器逐漸取代臺灣和其他進口品牌變成市場主流，憑借低成本的電機、簡單的低線數編碼器，以及集成控制和驅動，在解決了批量穩定性之后，象上海鮑麥克斯這樣的國內品牌獲得了成功。每年數十萬臺的產量，這可能是未來幾年里，低檔伺服最大的市場了。另外一個緊密結合用戶需求進行創新開發的案例，可以舉和利時電機開發的絡絲機控制系統。“絡絲機”是屬于織造前工序的精密工藝設備，將各種天然絲絡成各種規格的柱狀、寶塔形、雙錐形筒子，供用于染色、整經、針織等后道工序。該公司充分利用自己在步進、無刷、伺服、運動控制、網絡通訊等方面的綜合技術，通過和國內最大紡機集團的密切合作，開發成功了精密絡絲機控制系統，其核心是利用高動態的伺服橫動電機以及數字卷繞技術，取代傳統的機械傳動而實現單錠化和數字化，每錠之間依靠CAN 總線聯系，是無軸技術應用的典范。該產品的研發成功充分體現了國內廠商的競爭能力，為國產伺服廠商開辟了參與市場競爭的新路。

4. 無軸（電子軸）傳動技術在印刷機上應用，也是目前全球印刷企業和機械制造商的焦點。無軸傳動就是用多個單獨的伺服電機取代傳統的機械傳動鏈，伺服驅動器之間依靠高速現場總線進行聯系，通過軟件保證各伺服軸對內部的虛擬數字電子軸保持嚴格同步。采用無軸傳動技術為印刷機的生產制造、為印刷業服務革命帶來了最佳解決方案，目前歐洲50％的凹印機采用了無軸技術，日本也有30％以上采用。其他采用無軸傳動的機械包括卷筒紙印刷機、柔印機、上光機、燙金機、模切機等各類印刷設備。這一領域最頂級的伺服控制解決方案提供商是來自德國的博世力士樂、倫茨、日本的住友和奧地利的貝加萊。國內目前僅有北人和松德等個別廠家進行無軸傳動印刷機的開發，部分規格的性能指標接近國際水平，但是其采用的電子軸傳動伺服系統和套準控制系統均來自日本和歐洲，國內相關伺服廠家還鮮有涉足。國產伺服和控制系統要達到這個領域的要求，需要頂級的技術水平和對這個行業的透徹理解，看來還有漫長的路要走。

5. 包裝設備上，采用伺服控制可以提高單位時間的產量、提高資源利用率、增加品種適應性和提高產品質量，因此交流伺服在包裝機械上的廣泛使用只是時間問題。采用數字伺服技術的電子齒輪和電子凸輪將代替傳統機械部件，隨著價格的下降，成本也逐漸接近純機械的方案。歐洲有個Elau 公司專門針對包裝機械設計開發數字伺服和運動控制解決方案，在大型連續包裝設備方面居于領先地位，而我國尚沒有出現如此專業的解決方案提供商。

6.這幾年出現的新型電梯曳引機，采用永磁同步伺服電機做無齒輪直接驅動，取代變頻異步驅動，具有更高的控制精度、動態特性、高效率、低噪聲，已經成為國際和國內主要電梯廠的熱點產品，促進了電梯產業的革命。