在進(jìn)入21世紀(jì)信息時代的高新技術(shù)推動了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,在機(jī)械工業(yè)自動化中出現(xiàn)了一些運(yùn)動控制新技術(shù):全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù)、直線電機(jī)驅(qū)動技術(shù)、可編程計(jì)算機(jī)控制器、運(yùn)動控制卡等。本文主要分析和綜述了這些新技術(shù)的基本原理、特點(diǎn)以及應(yīng)用現(xiàn)狀等。
    關(guān)鍵詞:伺服驅(qū)動技術(shù),直線電機(jī),可編程計(jì)算機(jī)控制器,運(yùn)動控制
    1 引言
    信息時代的高新技術(shù)流向傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),引起后者的深刻變革。作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之一的機(jī)械工業(yè),在這場新技術(shù)革命沖擊下,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都發(fā)生了質(zhì)的躍變,微電子技術(shù)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展使信息、智能與機(jī)械裝置和動力設(shè)備相結(jié)合,促使機(jī)械工業(yè)開始了一場大規(guī)模的機(jī)電一體化技術(shù)革命。
    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子電力技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展,各先進(jìn)國家的機(jī)電一體化產(chǎn)品層出不窮。機(jī)床、汽車、儀表、家用電器、輕工機(jī)械、彈簧機(jī)械、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、冶金機(jī)械、化工機(jī)械以及工業(yè)機(jī)器人、智能機(jī)器人等許多門類產(chǎn)品每年都有新的進(jìn)展。機(jī)電一體化技術(shù)已越來越受到各方面的關(guān)注,它在改善人民生活、提高工作效率、節(jié)約能源、降低材料消耗、增強(qiáng)企業(yè)競爭力等方面起著極大的作用。
    在機(jī)電一體化技術(shù)迅速發(fā)展的同時,運(yùn)動控制技術(shù)作為其關(guān)鍵組成部分,也得到前所未有的大發(fā)展,國內(nèi)外各個廠家相繼推出運(yùn)動控制的新技術(shù)、新產(chǎn)品。本文主要介紹了全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù)(Full Closed AC Servo)、直線電機(jī)驅(qū)動技術(shù)(Linear Motor Driving)、可編程序計(jì)算機(jī)控制器(Programmable Computer Controller,PCC)和運(yùn)動控制卡(Motion Controlling Board)等幾項(xiàng)具有代表性的新技術(shù)。
    2 全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù)
    在一些定位精度或動態(tài)響應(yīng)要求比較高的機(jī)電一體化產(chǎn)品中,交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛,其中數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)更符合數(shù)字化控制模式的潮流,而且調(diào)試、使用十分簡單,因而被受青睞。這種伺服系統(tǒng)的驅(qū)動器采用了先進(jìn)的數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor, DSP),可以對電機(jī)軸后端部的光電編碼器進(jìn)行位置采樣,在驅(qū)動器和電機(jī)之間構(gòu)成位置和速度的閉環(huán)控制系統(tǒng),并充分發(fā)揮DSP的高速運(yùn)算能力,自動完成整個伺服系統(tǒng)的增益調(diào)節(jié),甚至可以跟蹤負(fù)載變化,實(shí)時調(diào)節(jié)系統(tǒng)增益;有的驅(qū)動器還具有快速傅立葉變換(FFT)的功能,測算出設(shè)備的機(jī)械共振點(diǎn),并通過陷波濾波方式消除機(jī)械共振。
    一般情況下,這種數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)大多工作在半閉環(huán)的控制方式,即伺服電機(jī)上的編碼器反饋既作速度環(huán),也作位置環(huán)。這種控制方式對于傳動鏈上的間隙及誤差不能克服或補(bǔ)償。為了獲得更高的控制精度,應(yīng)在最終的運(yùn)動部分安裝高精度的檢測元件(如:光柵尺、光電編碼器等),即實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。比較傳統(tǒng)的全閉環(huán)控制方法是:伺服系統(tǒng)只接受速度指令,完成速度環(huán)的控制,位置環(huán)的控制由上位控制器來完成(大多數(shù)全閉環(huán)的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)就是這樣)。這樣大大增加了上位控制器的難度,也限制了伺服系統(tǒng)的推廣。目前,國外已出現(xiàn)了一種更完善、可以實(shí)現(xiàn)更高精度的全閉環(huán)數(shù)字式伺服系統(tǒng) , 使得高精度自動化設(shè)備的實(shí)現(xiàn)更為容易。其控制原理如圖1所示。
    該系統(tǒng)克服了上述半閉環(huán)控制系統(tǒng)的缺陷,伺服驅(qū)動器可以直接采樣裝在最后一級機(jī)械運(yùn)動部件上的位置反饋元件(如光柵尺、磁柵尺、旋轉(zhuǎn)編碼器等),作為位置環(huán),而電機(jī)上的編碼器反饋此時僅作為速度環(huán)。這樣伺服系統(tǒng)就可以消除機(jī)械傳動上存在的間隙(如齒輪間隙、絲杠間隙等),補(bǔ)償機(jī)械傳動件的制造誤差(如絲杠螺距誤差等),實(shí)現(xiàn)真正的全閉環(huán)位置控制功能,獲得較高的定位精度。而且這種全閉環(huán)控制均由伺服驅(qū)動器來完成,無需增加上位控制器的負(fù)擔(dān),因而越來越多的行業(yè)在其自動化設(shè)備的改造和研制中,開始采用這種伺服系統(tǒng)。
    3 直線電機(jī)驅(qū)動技術(shù)
    直線電機(jī)在機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用,近幾年來已在世界機(jī)床行業(yè)得到重視,并在西歐工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)掀起"直線電機(jī)熱"。
    在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中,采用直線電動機(jī)直接驅(qū)動與原旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳動的最大區(qū)別是取消了從電機(jī)到工作臺(拖板)之間的機(jī)械傳動環(huán)節(jié),把機(jī)床進(jìn)給傳動鏈的長度縮短為零,因而這種傳動方式又被稱為"零傳動"。正是由于這種"零傳動"方式,帶來了原旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動方式無法達(dá)到的性能指標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。
    1. 高速響應(yīng) 由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應(yīng)時間常數(shù)較大的機(jī)械傳動件(如絲杠等),使整個閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能大大提高,反應(yīng)異常靈敏快捷。
    2. 精度 直線驅(qū)動系統(tǒng)取消了由于絲杠等機(jī)械機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的傳動間隙和誤差,減少了插補(bǔ)運(yùn)動時因傳動系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控制,即可大大提高機(jī)床的定位精度。
    3. 動剛度高 由于"直接驅(qū)動",避免了啟動、變速和換向時因中間傳動環(huán)節(jié)的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運(yùn)動滯后現(xiàn)象,同時也提高了其傳動剛度。
    4. 速度快、加減速過程短 由于直線電動機(jī)最早主要用于磁懸浮列車(時速可達(dá)500Km/h),所以用在機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動中,要滿足其超高速切削的最大進(jìn)個速度(要求達(dá)60~100M/min或更高)當(dāng)然是沒有問題的。也由于上述"零傳動"的高速響應(yīng)性,使其加減速過程大大縮短。以實(shí)現(xiàn)起動時瞬間達(dá)到高速,高速運(yùn)行時又能瞬間準(zhǔn)停。可獲得較高的加速度,一般可達(dá)2~10g(g=9.8m/s2),而滾珠絲杠傳動的最大加速度一般只有0.1~0.5g。5. 行程長度不受限制 在導(dǎo)軌上通過串聯(lián)直線電機(jī),就可以無限延長其行程長度。
    6. 運(yùn)動動安靜、噪音低 由于取消了傳動絲杠等部件的機(jī)械摩擦,且導(dǎo)軌又可采用滾動導(dǎo)軌或磁墊懸浮導(dǎo)軌(無機(jī)械接觸),其運(yùn)動時噪音將大大降低。
    7. 效率高 由于無中間傳動環(huán)節(jié),消除了機(jī)械摩擦?xí)r的能量損耗,傳動效率大大提高。
    直線傳動電機(jī)的發(fā)展也越來越快,在運(yùn)動控制行業(yè)中倍受重視。在國外工業(yè)運(yùn)動控制相對發(fā)達(dá)的國家已開始推廣使用相應(yīng)的產(chǎn)品,其中美國科爾摩根公司(Kollmorgen)的 PLATINNM DDL系列直線電機(jī)和SERVOSTAR CD系列數(shù)字伺服放大器構(gòu)成一種典型的直線永磁伺服系統(tǒng),它能提供很高的動態(tài)響應(yīng)速度和加速度、極高的剛度、較高的定位精度和平滑的無差運(yùn)動;德國西門子公司、日本三井精機(jī)公司、臺灣上銀科技公司等也開始在其產(chǎn)品中應(yīng)用直線電機(jī)。
    4 可編程計(jì)算機(jī)控制器技術(shù)
    自20世紀(jì)60年代末美國第一臺可編程序控制器(Programming Logical Controller,PLC)問世以來,PLC控制技術(shù)已走過了30年的發(fā)展歷程,尤其是隨著近代計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展,它已在軟硬件技術(shù)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)走出了當(dāng)初的"順序控制"的雛形階段。可編程計(jì)算機(jī)控制器(PCC)就是代表這一發(fā)展趨勢的新一代可編程控制器。
    與傳統(tǒng)的PLC相比較,PCC最大的特點(diǎn)在于它類似于大型計(jì)算機(jī)的分時多任務(wù)操作系統(tǒng)和多樣化的應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的PLC大多采用單任務(wù)的時鐘掃描或監(jiān)控程序來處理程序本身的邏輯運(yùn)算指令和外部的I/O通道的狀態(tài)采集與刷新。這樣處理方式直接導(dǎo)致了PLC的"控制速度"依賴于應(yīng)用程序的大小,這一結(jié)果無疑是同I/O通道中高實(shí)時性的控制要求相違背的。PCC的系統(tǒng)軟件完美地解決了這一問題,它采用分時多任務(wù)機(jī)制構(gòu)筑其應(yīng)用軟件的運(yùn)行平臺,這樣應(yīng)用程序的運(yùn)行周期則與程序長短無關(guān),而是由操作系統(tǒng)的循環(huán)周期決定。由此,它將應(yīng)用程序的掃描周期同外部的控制周期區(qū)別開來,滿足了實(shí)時控制的要求。當(dāng)然,這種控制周期可以在CPU運(yùn)算能力允許的前提下,按照用戶的實(shí)際要求,任意修改。
    基于這樣的操作系統(tǒng),PCC的應(yīng)用程序由多任務(wù)模塊構(gòu)成,給工程項(xiàng)目應(yīng)用軟件的開發(fā)帶來很大的便利。因?yàn)檫@樣可以方便地按照控制項(xiàng)目中各部分不同的功能要求,如運(yùn)動控制、數(shù)據(jù)采集、報(bào)警、PID調(diào)節(jié)運(yùn)算、通信控制等,分別編制出控制程序模塊(任務(wù)),這些模塊既獨(dú)立運(yùn)行,數(shù)據(jù)間又保持一定的相互關(guān)聯(lián),這些模塊經(jīng)過分步驟的獨(dú)立編制和調(diào)試之后,可一同下載至PCC的CPU中,在多任務(wù)操作系統(tǒng)的調(diào)度管理下并行運(yùn)行,共同實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的控制要求。
    PCC在工業(yè)控制中強(qiáng)大的功能優(yōu)勢,體現(xiàn)了可編程控制器與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及DCS(分布式工業(yè)控制系統(tǒng))技術(shù)互相融合的發(fā)展潮流,雖然這還是一項(xiàng)較為年輕的技術(shù),但在其越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域中,它正日益顯示出不可低估的發(fā)展?jié)摿Α?BR>    5 運(yùn)動控制卡
    運(yùn)動控制卡是一種基于工業(yè)PC機(jī) 、 用于各種運(yùn)動控制場合(包括位移、速度、加速度等)的上位控制單元。它的出現(xiàn)主要是因?yàn)?(1)為了滿足新型數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、柔性、開放性等要求;(2)在各種工業(yè)設(shè)備(如包裝機(jī)械、印刷機(jī)械等)、國防裝備(如跟蹤定位系統(tǒng)等)、智能醫(yī)療裝置等設(shè)備的自動化控制系統(tǒng)研制和改造中,急需一個運(yùn)動控制模塊的硬件平臺;(3)PC機(jī)在各種工業(yè)現(xiàn)場的廣泛應(yīng)用,也促使配備相應(yīng)的控制卡以充分發(fā)揮PC機(jī)的強(qiáng)大功能。
    運(yùn)動控制卡通常采用專業(yè)運(yùn)動控制芯片或高速DSP作為運(yùn)動控制核心,大多用于控制步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)。一般地 , 運(yùn)動控制卡與PC機(jī)構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu):PC機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控等方面的工作 ( 例如鍵盤和鼠標(biāo)的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、運(yùn)動軌跡規(guī)劃、控制指令的發(fā)送、外部信號的監(jiān)控等等);控制卡完成運(yùn)動控制的所有細(xì)節(jié)(包括脈沖和方向信號的輸出、自動升降速的處理、原點(diǎn)和限位等信號的檢測等等)。運(yùn)動控制卡都配有開放的函數(shù)庫供用戶在DOS或Windows系統(tǒng)平臺下自行開發(fā)、構(gòu)造所需的控制系統(tǒng)。因而這種結(jié)構(gòu)開放的運(yùn)動控制卡能夠廣泛地應(yīng)用于制造業(yè)中設(shè)備自動化的各個領(lǐng)域。
    這種運(yùn)動控制模式在國外自動化設(shè)備的控制系統(tǒng)中比較流行,運(yùn)動控制卡也形成了一個獨(dú)立的專門行業(yè),具有代表性的產(chǎn)品有美國的PMAC、PARKER等運(yùn)動控制卡。在國內(nèi)相應(yīng)的產(chǎn)品也已出現(xiàn),如成都步進(jìn)機(jī)電有限公司的DMC300系列卡已成功地應(yīng)用于數(shù)控打孔機(jī)、汽車部件性能試驗(yàn)臺等多種自動化設(shè)備上。
    6 結(jié)束語
    計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展,推動著工業(yè)運(yùn)動控制技術(shù)不斷進(jìn)步,出現(xiàn)了諸如全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)、直線電機(jī)驅(qū)動技術(shù)、可編程計(jì)算機(jī)控制器、運(yùn)動控制卡等許多先進(jìn)的實(shí)用技術(shù),為開發(fā)和制造工業(yè)自動化設(shè)備提供了高效率的手段。這也必將促使我國的機(jī)電一體化技術(shù)水平不斷提高，也為中國彈簧機(jī)械設(shè)備由進(jìn)口發(fā)展為出口大國的技術(shù)保證。