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伺服产品竞争力评测

发布日期:2011-09-27   作者:严彩忠   浏览次数:24162
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【摘   要】:我国从上世纪70年代开始跟踪开发伺服技术,主要研究力量集中在高等院校和科研单位,以军工、宇航卫星为主要应用方向,不考虑成本因素。80年代后开始进入工业领域,直到2000年,国产伺服停留在小批量、高价格、应用面狭窄的状态,技术水平和可靠性难以满足工业需要。

      我国从上世纪70年代开始跟踪开发伺服技术,主要研究力量集中在高等院校和科研单位,以军工、宇航卫星为主要应用方向,不考虑成本因素。80年代后开始进入工业领域,直到2000年,国产伺服停留在小批量、高价格、应用面狭窄的状态,技术水平和可靠性难以满足工业需要。
        步入21世纪,全球工业自动化的速度加快,走向成熟的伺服系统被广泛应用在自动化工业的各个领域。随着中国变成世界工厂,制造业的快速发展为交流伺服提供了越来越大的市场空间,然而时至今日,国内伺服市场还是外国人的天下,日系和欧美品牌瓜分了80~90%的市场份额,尽管近年来台湾伺服品牌也有一些强势表现,但国产品牌总体仍处于弱势。
         国产伺服曾经落后国外“三十年”, 近几年的奋起直追下,不仅在技术上有了很大突破,多家国产伺服的发展也同国际接轨,具备了相当的企业竞争力。华中数控、广州数控、南京埃斯顿、和利时电机等国产伺服厂家,凭借价格优势,开始占据越来越多的市场份额,但不可否认真正决定国产伺服是否具有竞争力的核心因素还是技术水平。
        本评测选取了国内(包括台湾)具有代表性的伺服品牌产品与国外产品,在可靠性(稳定性)、精度、速度、参数上进行比较。

品种和规格
        品种和规格往往反应了一个企业所具有的技术实力的高低。纵观目前市场中的主流伺服,欧美品牌通过模块化设计,可以做到很宽的功率段,西门子的SINAMICS S120功率范围为0.12~4500kW,伦茨的9400、B&R的ACOPOSmultic同样可以做到很宽的功率范围。
        而“单机型”日系伺服则通过不同系列多种规格,满足市场需求。松下A系列、A4系列哼哈二将31种规格;安川ΣII系列、骏马系列、ΣV系列三大野战军涵盖了30W到55kW的近50种规格,三菱、富士、三洋同样具有产品多样化的特点。近年来不断崛起的台达伺服以asda-a、asda-b、asda-ab、asda-a+四大主力25种规格笑傲江湖。国产伺服中,以埃斯顿公司最为活跃。目前该公司的交流伺服产品在国产伺服厂家中具有最宽的系列范围和最多的品种规格。现已形成3个系列15个规格;功率范围100W~22kW;相应的永磁同步伺服电机具有轻惯量、中惯量和大惯量三大系列以适应不同的应用需求。其产品系列范围之宽甚至超过日本松下和三洋。除了对上述通用性交流(AC)伺服系统研发外,埃斯顿还结合多年的行业经验,开发出适合重载装备主传动交流伺服控制的专用技术及大功率、大惯量、高频响的交流伺服驱动系统及伺服电机,用以替代目前重载装备主传动方面的机械传动、液压传动,满足今后重载装备主传动电动伺服化的发展需要。

高可靠性(稳定性)
        交流伺服电机是一种高精度、高效率的自动化设备,如果发生故障,损失往往非常严重,所以交流伺服电机的可靠性就显得尤为重要。抛开价格因素,伺服的稳定性往往首先影响着用户企业的选择。伺服可靠性的定量指标“平均故障(失效)间隔时间”,指发生故障经修理或更换零件还能继续工作的可修复设备或系统,从一次故障到下一次故障的平均时间。目前国内伺服系统的MTBF值可达30000h以上,达到了国际主流伺服水平。
        除MTBF值外,一些外部因素同样影响着伺服的稳定,导致企业选择发生变化。如早期我国选用西门子伺服的企业就比较少,虽然西门子的伺服技术非常领先,但却不适合我们国家的电网。我国的电网不够稳定,会导致西门子的伺服模块容易烧坏,西门子的工作温度在0~40℃,当温度在40~55℃时,需要降温使用。影响伺服稳定的其他因素还包括湿度、震动、干扰强度等,而国产伺服对环境的要求上没有欧美伺服那么苛刻。比如南京埃斯顿工作温度在0~55℃,湿度在90%RH以下,抗振动4.9m/s2(0.5G),耐冲压19.6m/s2(2G),这一数据完全可以与松下等日系伺服分庭抗衡。
 
智能化与网络化
         将现场总线和工业以太网技术、甚至无线网络技术集成到伺服驱动器当中,已经成为欧洲和美国厂商的常用做法。现代工业局域网发展的重要方向和各种总线标准竞争的焦点,就是如何适应高性能运动控制对数据传输实时性、可靠性、同步性的要求。在适合运动控制的工业协议方面,我们还看到Beckhoff的EtherCAT,B&R的PowerLink, Danaher下面的MEI开发的SynqNet,Siemens的ProfiNet,还有久负盛名的Sercos已经发展到SercosIII。这些通讯协议都为多轴实时同步控制提供了可能性,也被一些高端伺服驱动器集成进去。
        随着国内对大规模分布式控制装置的需求上升,高档数控系统的开发成功,网络化数字伺服的开发已经成为当务之急。在国内,甚至CAN这样的中低端总线也没有变成伺服驱动器的标准配置,采用高性能实时现场总线的商品化驱动器还没有出现。这一方面是因为我们的伺服基本性能还没有达到相应的水准,另一方面也是因为市场还没有发育到这个程度。可喜的是,我们已经看到一些企业进行了有益的研发实践,一方面消化国外的先进技术,一方面尝试推出自己的总线标准。南京埃斯顿在自己的下一代伺服产品ProNet系列中集成多种可选的通讯模块,其中集成CAN、Profibus-DP的伺服产品已经开发成功,基于ProfiNet工业以太网的伺服也在开发中;和利时电机和北航联合开发的CANsmc(用于多轴同步运动控制的总线),基于蓝牙无线通讯的模块也在研发中。
        埃斯顿最新开发的交流伺服产品具有智能化功能,应用多种最新智能控制算法,可实现在线实时检测负载惯量,随时自动调整增益以达到最佳控制状态,能智能化地自动适应不同机械结构,传动方式,负载惯量和运动控制要求,最大程度简化调试过程,降低对人员的技术要求,提高生产效率。
ProNet系列交流伺服产品的开发完成后将可广泛用于高精度机床,高速包装和印刷机械等高端应用领域,标志着中高端交流伺服系统被欧美产品一统天下的局面被彻底打破。这对突破国产交流伺服系统长期处于低端,疲于价格竞争的困局具有及其重要的意义。

加工精度
        伺服驱动技术作为五轴联动数控机床的关键技术之一,其在国内的发展还处在初级阶段。目前国内具有自主知识产权的伺服产品还只能使用在普通的数控机床上,定位精度一般在几个微米。无论是性能还是可靠性,都不能满足五轴联动数控机床的要求。
        埃斯顿公司作为一个专业的交流伺服系统研发及制造厂家,成功取得了江苏省科技厅“高档数控系统、高速高精度伺服控制系统及其典型主流机床关键共性技术开发”的重点科研项目。在此项目中,特别针对五轴联动数控机床对交流伺服系统的高速高精度要求进行了深入研究。现在,终于研制出埃斯顿公司的新一代全数字交流伺服系统--PRONET系列。该系列产品功率范围从0.5kW到15kW,可全系列地覆盖包括数控机床在内的各种机械自动控制应用行业。ProNet系列交流伺服可配备新型17位绝对值编码器,大幅度提高反馈精度,这种应用17位高分辨率绝对值编码器作为位置传感器的高速高精度交流伺服系统,可确保定位和运行精度满足五轴联动数控机床的要求。同时该技术也是各种高端交流伺服系统应用的关键技术之一。ProNet在伺服驱动器中通过大规模可编程器件将自主研发的串行编码器数据解码功能和速度实时检测功能集成为一体。一方面,使电机的低速性能得到了进一步的提高,速度波动、转矩波动减至最低;另一方面,也提高了定位精度,新的控制算法使位置控制的整定时间也缩短为原来的1/5。

性能指标
        交流伺服系统的性能指标可以从调速范围、定位精度、稳态精度、动态响应等方面来衡量。低档的伺服系统调速范围在1:1000以上,一般的在1:5000~1:10000,高性能的可以达到1:100000以上;定位精度一般都要达到±1个脉冲;稳态精度,尤其是低速下的稳态精度比如给定1rpm时,一般的在±0.1rpm以内,高性能的可以达到±0.01rpm以内;动态响应方面,通常衡量的指标是系统最高响应频率,即给定最高频率的正弦速度指令,系统输出速度波形的相位滞后不超过90度,或者幅值不小于50%。安川新发布的ΣV系列的速度频率响应(很多地方称“速度扫描频率”)达到了1.6kHz,而国内主流产品的频率在200~500Hz。 埃斯顿公司的ProNet系列伺服的速度频率响应可以达到650Hz,调速比达到1:10000,处于国内领先水平。可以很好地满足机械的高速快移和单步点动。


总结
        国产伺服与国外伺服存在差距这是事实,但这差距并不像想象中那么大。市场在扩大、技术在进步、人才在增加,随着国家扶持力度的加大及民营企业投入的增长,国产伺服必将迎来自己的“春天”。曾经有位业内人士谈到国产伺服的情景时表示,60%靠技术,40%靠市场。国内伺服企业过多地关注在低价格的竞争中,迫使彼此之间疲与争斗,而无暇顾及技术研发。可喜的是,以埃斯顿为代表的国内伺服企业正不断增加人力、物力、财力的投入,奋起直追,期待超越!
 

 
 
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