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浅谈运动控制技术的发展趋势

2022-12-14 14:332140工业品商城

目前由于用户层次多,市场需求还是多元化的。用户的需求,甚至下游用户的需求,都会对厂商的R&D和设计方向产生影响。虽然这是一个完全正常的现象,但由于用户的不同,以需求为导向的R&D制造商对市场需求和R&D方向的看法也不同。

凌华科技的丁认为,作为自动化产品主要执行机构的控制部件,速度和精度一直是衡量运动控制产品能力的主要指标。随着自动化能力的提高,制造速度的提高一直是追求生产成本最小化的最直接手段。因此,近年来,单位时间生产效率的提高是许多设备制造商追求的首要指标,而作为执行控制机构的运动控制器往往是最先被要求提速的。产品外观的小型化要求产品所有部件的小型化,因此制造精度成为另一个需要提高的指标。值得一提的是,他把第三个指标定位为能耗。由于制造业的能源消耗已经成为全球的主要能源消耗,节能的要求也在制造业中凸显出来。为了满足这些要求,运动控制开始省去不必要的中间环节,提高内部对输入输出的响应速度,强调多轴间的高速协调控制。原本需要软件拟合的算法被独立的并行处理器所取代。

随着用户越来越重视综合需求,集成日益成为自动化技术发展的一个方向,这使得不同自动化设备需求之间的许多区别变得模糊。罗克韦尔自动化的郑指出:一个通用的控制平台,一个简单的开发环境,以及对信息和安全的考虑,这些原本是非运动控制但设备本身的要求,现在都加入到了运动控制领域。同时,昂贵的高性能运动产品的普及将成为一种趋势(如直线电机、直接驱动、多自由度机械手等。).他还强调,不同行业对运动控制的要求不同,无论是研发还是购买,还是从实际出发。

丹纳赫传动高级技术工程师郭海东也强调了实际情况的多样性。他以位置轮廓指令模式、速度指令模式和电流(转矩)指令模式三种控制模式为例,说明不同级别、不同场合选择的模式是不同的。

位置指令模可以控制步进电机驱动器或伺服电机驱动器,不适合多轴复杂协调运动。常用于低端机控制,目前使用量巨大。速度指令模式下,位置环控制在控制器中完成。这种典型的控制模式适用于大多数低精度或动态索引的应用,大多数控制卡都支持这种控制模式。而电流(转矩)指令模式、速度环和位置环控制都在控制器中完成,这种模式一般用于精确或高动态响应,对控制器中央处理器的计算能力要求最高。大多数主流控制卡都支持这种控制模式。此外,电流控制器也包含在控制卡中,并且输出直接控制功率转换器。

郭海东进一步指出,一旦引入多轴协调控制,在这样的系统下,电流指令输出的控制器可以直接协调各轴的力矩,从而提高协调各轴位置的响应速度;由于其分辨率的限制,传统的模拟输出方式难以提高运动的精度和响应速度,因此不得不采用运动控制总线。运算速度低的运动控制器也难以解决复杂的算法,这也催生了采用64位双精度浮点DSP的控制器。

如上所述,用户之间的竞争使得他们越来越关注机械设备的整体性能,机械设备的运动也变得越来越复杂。于是,运动控制产品的开放性成为一个越来越普遍的话题。特别是当多轴协同控制等进一步需求出现时,运动控制产品不得不寻求与网络技术的结合,以达到更好的同步效果。同时,这也解决了运动控制组件与其他自动化组件的无缝集成问题。

对此,西门子的段成指出,在大多数场合,要求运动控制产品具有很强的网络支持能力,越高端的机械,对运动控制产品之间的网络速度和数据传输能力的要求越高。网络支持能力决定了机械系统的加工精度和速度。

事实上,虽然低端应用依然众多,但运动总线、工业以太网等通信技术的成熟度已经初具规模。在解决了通信确定性和高速实时性的困境后,各有所长的工业以太网标准几乎同时加入了竞争。最具代表性的有EtherCAT、EtherNet/IP (CIP motion)、POWERlink、PROFINET等。这些标准的背后是大厂商密集的阵营。不久前人们还担心多标准带来的封闭,现在看来已经不是什么大问题了,竞争让不同的厂商开始了广泛的合作。

这无疑给运动控制带来了福音。现在,一些厂商已经开始考虑将运动控制和机器视觉技术相结合,以满足更智能的应用。对此,的丁表示,整体自动化速度和精度的提升是产业需求,仅靠运动控制是无法完成的。与机器视觉、高速传感器的结合是必然之路,是产业升级的必然趋势,各部件之间的技术门槛较高。因此,集成必须首先发生在彼此之间的接口上。有了长距离、高速的网络技术,自然成为所有家庭认可的通用规范,也会成为一种流行技术,受到追捧。

罗克韦尔自动化的郑也指出,从设备发展来看,运动控制作为设备控制的一部分,必须与各种技术相融合。比如信息,安全,视觉,甚至过程控制等等。将这些方面考虑进去,可以提高整个设备的各方面性能,降低整体的使用和开发成本,这将是其优势的一个重要方面。

面对这种情况,运动控制厂商自然选择了自己的特色。我们也注意到,这些技术和概念虽然方向不同,但对市场的针对性很强。

面对多样化的需求,西门子的特点之一就是产品种类多,适应性强。段成强调,多样化的需求需要不同的硬件平台,供应商可以提供不同的产品与之匹配,从而实现针对不同用户的不同成套自动化系统的集成,从用户角度实现合理的性价比。

其产品的设置也充分体现了这一特点:Simotion是西门子的高性能运动控制器,集逻辑控制、过程控制、运动控制于一体。有三种不同的硬件平台Simotion C(基于PLC的运动控制器)、Simotion D(基于驱动器的运动控制器)和Simotion P(基于工控机的运动控制器),三种编程语言LAD(运动控制图)(MCC)和结构化文本(ST)

Sinamics S120是集V/F、矢量和伺服控制于一体的新一代高性能驱动系统。它不仅可以控制普通的三相异步电动机,还可以控制高动态、高性能的同步伺服、力矩和直线电机。可实现高精度闭环速度控制和位置控制,可满足各种生产机器的驱动控制要求。

Sinamics V80伺服驱动系统是西门子为小型和简单机器开发的经济型伺服驱动产品。其经济的价格,简单方便的设置,无需参数化的配置方式,为人们所称道。采用Sinamics S7-200 PLC,充分体现了经济实用的特点。

同样以一体化整体解决方案著称的罗克韦尔自动化也最早提出了一体化运动控制解决方案Kinematix。郑认为,由于制造业信息化的需求,这仍将是运动控制系统的发展方向和趋势。罗克韦尔自动化的Kinematix在继续完善IA集成架构平台本身的同时,还将继续增加更多模块化的运动控制功能和组件(如Kinematix等。)来满足各行业日益增长的应用需求。

集成运动控制还包括运动控制系统与机械设备的有机集成——机电一体化(Mechatronics)。这种系统设计方法将极大地优化设备的设计和制造,提高生产效率,减少设计调试、时间和维护成本,降低整体使用成本和风险。新的运动分析软件MOTION ANALYZER将有助于改进运动控制系统的机电一体化设计。

从设备安全方面,罗克韦尔自动化长期以来提出了安全运动控制方案,是整体设备安全的重要组成部分,以满足不同场合不同级别的设备安全要求。此外,一些新技术将应用到罗克韦尔的新产品中,如直接驱动产品、单轴多轴直线驱动平台、电动缸直线驱动、直线电机系统等。

凌华对运动控制的发展趋势有自己的一套看法。丁认为,广义上不存在完整可用的运动控制解决方案。而各个厂商熟悉的行业往往有很多共同的技术需求,所以可以形成一个通用的解决方案,几个相似或者衍生的行业会有相似的技术需求,可以整合成一个整体的解决方案。这是一个大而全面的需求。目前高性价比的需求,需要灵活配置,按需生成方案,这是一个小而精的需求。两者的协调统一构成了每个企业的产品R&D战略。

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