運(yùn)動(dòng)控制成為自動(dòng)化的熱點(diǎn)
一、市場(chǎng)需求的變化
1運(yùn)動(dòng)控制越來越多的被應(yīng)用到機(jī)器設(shè)計(jì)中，它不僅僅提高了機(jī)器的速度、精度，更重要的是它提供了更加靈活的機(jī)器設(shè)計(jì)，對(duì)于今天，小批量和多品種的終端消費(fèi)需求而言，運(yùn)動(dòng)控制提供了完美的響應(yīng)。
.1多品種，小批量的市場(chǎng)需求
歐美主流運(yùn)動(dòng)控制廠商，SIEMENS、Bosch Rexroth、B&R、LENZE、Rockwell AB均在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域投入了重兵，SIEMENS推出T-CPU和Simotion以及Sinamic120驅(qū)動(dòng)技術(shù)，同時(shí)在中國建立了伺服電機(jī)生產(chǎn)工廠來實(shí)現(xiàn)本土化的運(yùn)行。B&R為了拓展其在運(yùn)動(dòng)控制市場(chǎng)的方案集成能力在2007-2008年相繼推出了ACOPOSmulti應(yīng)用于多軸系統(tǒng)的方案，以及ACOPOSmicro、ACOPOSinveter，并且在其Automation Studio開發(fā)工具包中將PLC Open Motion/Hydraulic集成，同時(shí)Robotics(機(jī)器人技術(shù))和CNC也被融入到其開發(fā)工具包中。Schneider為了進(jìn)入運(yùn)動(dòng)控制市場(chǎng)收購了在包裝機(jī)械領(lǐng)域大量應(yīng)用的ELAU、以及以步進(jìn)電機(jī)而知名的百格拉，并且在各個(gè)主要OEM市場(chǎng)建立了MAC(機(jī)械自動(dòng)化中心)，Rockwell AB為了尋求在該領(lǐng)域的拓展，彌補(bǔ)其在低端市場(chǎng)的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力而收購了OEMax，Bosch Rexroth也在國內(nèi)尋求合作，收購了深圳的變頻器制造商以獲得本土的生產(chǎn)來擴(kuò)展其運(yùn)動(dòng)控制的方案提供能力。
1.2 獨(dú)立驅(qū)動(dòng)技術(shù)
在各種機(jī)器設(shè)計(jì)中，印刷機(jī)械對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制的響應(yīng)能力要求是最高的，無軸傳動(dòng)概念由Bosch Rexroth在1994年開始提出并應(yīng)用，這個(gè)技術(shù)帶來了機(jī)器設(shè)計(jì)的革命性變化，它使得傳統(tǒng)的機(jī)械主軸磨損、維護(hù)高以及不便于變換訂單的劣勢(shì)得到改善，使得機(jī)器變得更加方便，在歐洲著名的印刷機(jī)械制造商，包括Man Roland、KBA和GOSS的卷筒紙報(bào)紙印刷設(shè)備上均采用了這一概念的設(shè)計(jì)，Synax200是一個(gè)無軸傳動(dòng)的集成產(chǎn)品，是將Bosch Rexroth的產(chǎn)品與行業(yè)應(yīng)用的集成，在國內(nèi)，北人印刷機(jī)械和無錫寶南機(jī)器制造也在其報(bào)紙印刷上采用了Synax200系統(tǒng)。之后，B&R 2003年開始與陜西北人印刷機(jī)械開始在高端的凹版印刷機(jī)械上開發(fā)成功國內(nèi)第一臺(tái)紙紙凹版印刷機(jī)，其設(shè)計(jì)速度高達(dá)300米/分鐘，之后，SIEMENS也高調(diào)與中山松德建立了合作，在2008年B&R獲得了上海鼎龍全伺服瓦楞紙開槽印刷機(jī)的成功開發(fā)，并且在衛(wèi)星式柔版印刷機(jī)上獲得了多達(dá)62個(gè)伺服軸的應(yīng)用項(xiàng)目。
LENZE在鄭紡機(jī)、鹽城宏華的多單元漿紗機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用占據(jù)較高的市場(chǎng)份額，每年有上百臺(tái)采用LENZE伺服的漿紗機(jī)在國內(nèi)得到應(yīng)用，而SIEMENS的MasterDrvier驅(qū)動(dòng)技術(shù)在鹽城紡機(jī)、無錫華力等得到了多單元漿紗機(jī)的成功應(yīng)用，在控制紗線的上漿、卷繞的同步控制方面，多單元獨(dú)立驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)揮了其穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢(shì)，使得漿紗質(zhì)量得到很好的控制。
輪胎成型機(jī)是一個(gè)對(duì)于變化的需求要求非常高的應(yīng)用，它在輪胎的加工過程中，需針對(duì)不同的輪胎生產(chǎn)要求，對(duì)帶束層、側(cè)膠、鋼絲圈輸送等提供較高的變化和定位控制，Bosch Rexroth和Rockwell AB也在青島高校軟控和天津賽象的輪胎成型機(jī)上得到大量應(yīng)用，SIEMENS主要與北京敬業(yè)和橡膠研究院進(jìn)行合作。
B&R與上海二紡機(jī)在超長車細(xì)紗機(jī)的應(yīng)用上進(jìn)行了合作，開發(fā)了國內(nèi)乃至世界上領(lǐng)先的1500錠的細(xì)紗超長車，它應(yīng)用了B&R的ACOPOSmulti伺服驅(qū)動(dòng)器，鏈接了14個(gè)伺服軸，而在塑料機(jī)械領(lǐng)域也獲得了多達(dá)19個(gè)伺服軸的流延膜張力卷取項(xiàng)目。
粗紗機(jī)四電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)是最早在國內(nèi)由B&R開發(fā)成功并大量應(yīng)用的方案，通過對(duì)龍筋、鋼領(lǐng)板、錠翼等的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，使得各軸高度同步，并且能夠快速的適應(yīng)紗線生產(chǎn)的變化需求。
2 技術(shù)進(jìn)步
2.1 高速響應(yīng)能力
伺服響應(yīng)能力大幅度提高，Bosch Rexroth的IndraDriver提供了250uS的位置環(huán)刷新能力，而SIEMENS的MasterDriver也同樣可提供400uS的位置環(huán)刷新速度，B&R的ACOPOS伺服驅(qū)動(dòng)器提供了400uS的刷新速度，這些使得高速的機(jī)器設(shè)計(jì)得以輕松實(shí)現(xiàn)。
Baumuller的B MaXX系列伺服驅(qū)動(dòng)器的電流環(huán)采樣為62.5uS，速度環(huán)和位置環(huán)分別為125uS，8kHz的交流變換頻率，B&R ACOPOS電流環(huán)為50uS,速度環(huán)125uS，位置環(huán)采樣為125uS，最高支持15kHz的交流變化頻率。
2.2 實(shí)時(shí)通信與運(yùn)動(dòng)控制的融合
通常日系伺服產(chǎn)品多采用脈沖方式來控制，脈沖丟失以及實(shí)時(shí)性不足使得日系伺服均應(yīng)用在較為低端的市場(chǎng)，而歐美系伺服多采用總線技術(shù)，最大的優(yōu)勢(shì)在于它提供了非常大的靈活性。
今天，實(shí)時(shí)通信技術(shù)為運(yùn)動(dòng)控制滿足高性能系統(tǒng)的要求提供了通信基礎(chǔ)，2001年，B&R最早在利樂包裝的生產(chǎn)線上運(yùn)行了具有劃時(shí)代意義的Ethernet POWERLINK技術(shù)，它使得50個(gè)伺服軸，和2000個(gè)I/O點(diǎn)的數(shù)據(jù)刷新達(dá)到了驚人的2.4mS，并且，它是基于標(biāo)準(zhǔn)Ethernet芯片的設(shè)計(jì)，無需ASIC，這是最早出現(xiàn)的實(shí)時(shí)通信技術(shù)，它的應(yīng)用使得多軸之間的運(yùn)動(dòng)控制達(dá)到了新的高度，Bosch Rexroth的SERCOS通信技術(shù)采用光纖通信，高達(dá)12Mbps的通信速度融合IndraDriver智能型驅(qū)動(dòng)器，2007年SIEMENS推出了新一代的RTE-ProfiNet它是一個(gè)基于以太網(wǎng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，最開始，SERCOSI還是一個(gè)無法將運(yùn)動(dòng)和I/O指令運(yùn)行在同一通道的，只能采用環(huán)網(wǎng)的拓?fù)�，并且�?shí)用昂貴的光纖，而現(xiàn)在，SERCOSIII在此基礎(chǔ)上更好的融合了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)通信，可以采用RJ45來通信，也將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了拓展，這些都是技術(shù)的進(jìn)步。
Rockwell AB的Kinetix 6000系列支持SERCOS通信接口，但是，SERCOS通信模塊非常的昂貴，而且為了實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的電子凸輪設(shè)計(jì)需要配備高性能的ControlLogix CPU整體性價(jià)比并非很理想。
B&R提供的Ethernet POWERLINK技術(shù)目前是最廣為應(yīng)用的實(shí)時(shí)通信技術(shù)，這主要是因?yàn)锽&R在OEM市場(chǎng)獲得的巨大的客戶基礎(chǔ)而決定的，未來的市場(chǎng)可能主要是依賴于ProfiNet IRT,ModBus TCP/IP，因?yàn)檫@些有大型廠商支持的總線技術(shù)可能會(huì)依賴于其自身強(qiáng)大的市場(chǎng)資源推廣到較大的份額，而POWERLINK將尾隨其后，而SERCOS由于其狹窄的應(yīng)用范圍而可能會(huì)最終占據(jù)較小的份額。
2.3 共直流母線伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)
共直流母線技術(shù)的驅(qū)動(dòng)器也由各個(gè)主要的廠商開始推出，SIEMENS推出了其新一代的驅(qū)動(dòng)器Sinamic120和SIMOTION,而其T-CPU融合了運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，Bosch Rexroth的智能型驅(qū)動(dòng)器IndraDriver也實(shí)現(xiàn)了采用了共直流母線技術(shù)，B&R的ACOPOSmulti，Rockwell AB的Kinetex 6000系列。
B&R ACOPOSmulti伺服驅(qū)動(dòng)器
共直流母線技術(shù)的伺服驅(qū)動(dòng)器通�？梢詭в须p軸驅(qū)動(dòng)模塊，例如:Bosch Rexroth的IndraDriver和B&R的ACOPOSmulti伺服驅(qū)動(dòng)器，它們均有針對(duì)雙軸的應(yīng)用模塊，這樣，通過共享直流母線單元而不是將直流單元集成到獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器中，在多軸應(yīng)用時(shí)它提供了一個(gè)非常大的成本節(jié)約方案，例如，B&R的ACOPOSmulti伺服驅(qū)動(dòng)器在10個(gè)伺服軸以上的應(yīng)用成本節(jié)約可達(dá)30%。
Rockwell AB提供了Kinetix 6000系列伺服驅(qū)動(dòng)器，基于共直流母線設(shè)計(jì).
2.4 一體化的軟件平臺(tái)
軟件平臺(tái)的集成化成為了未來的發(fā)展趨勢(shì)，B&R一直秉承著All In One的開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)理念，其Automation Studio融合了HMI、Motion、Control、Communication多種設(shè)計(jì)于一體，而Rockwell AB的RsLogix也將不同的產(chǎn)品設(shè)計(jì)融為一體，這些使得其產(chǎn)品設(shè)計(jì)變得更加簡單，而提供了客戶開發(fā)低學(xué)習(xí)成本，這個(gè)更重要的是一種站在整體的概念看機(jī)器的設(shè)計(jì)理念而非簡單的集成軟件為一體那么簡單。
2.5CAM 應(yīng)用
對(duì)于卷筒紙裁切、瓦楞紙橫切、全息定位燙、包裝的熱封、細(xì)紗紗線成型、模切機(jī)器前沿送紙機(jī)構(gòu)等等，眾多的機(jī)器設(shè)計(jì)中，CAM的應(yīng)用非常廣泛，包括SIEMENS、B&R、Rockwell AB、Bosch Rexroth、Baomuller、LENZE等一眾廠商均在其伺服驅(qū)動(dòng)器中內(nèi)置了CAM功能，且其CAM曲線的設(shè)計(jì)能力能夠達(dá)到非常高的實(shí)現(xiàn)能力，例如B&R提供了6階64個(gè)多項(xiàng)式的描繪能力，而同樣SIEMENS的CAM集成到其工藝包中可以被應(yīng)用到具體項(xiàng)目中，提供6階函數(shù)描繪能力，Bosch Rexroth的CAM也能夠?qū)崿F(xiàn)較高的運(yùn)行能力，在電子凸輪送紙機(jī)構(gòu)、卷筒紙裁切領(lǐng)域也有大量的應(yīng)用。
3. 未來發(fā)展
3.1 模塊化設(shè)計(jì)
為了提高系統(tǒng)的靈活性，能夠?qū)崿F(xiàn)任意的方式的組合不同應(yīng)用方案，各廠商提供了多種構(gòu)想的模塊化設(shè)計(jì)，例如B&R的ACOPOSmulti伺服驅(qū)動(dòng)器，將伺服逆變單元像PLC一樣安裝于底板，并且有多種靈活的編碼器模塊根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行配置，而ACOPOS甚至可以直接接入帶有Profibus接口的CPU到驅(qū)動(dòng)器上，并且也可以接入I/O，例如在印刷機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)中，模擬量的色標(biāo)信號(hào)可以直接被接入到驅(qū)動(dòng)器上，這種設(shè)計(jì)直接提高了運(yùn)動(dòng)控制與邏輯控制之間的響應(yīng)匹配能力。而LENZE 9400系列伺服驅(qū)動(dòng)器則提供了PLC和驅(qū)動(dòng)器的連接，安全模塊、通信模塊、數(shù)頻、I/O等多種選擇，Baumuller也提供了在其B Max上的DriverPLC接入，CT的伺服驅(qū)動(dòng)器可以直接插入I/O，CPU等，Rockwell AB的Kinetix 6000系列也是一種基于模塊化設(shè)計(jì)的多軸驅(qū)動(dòng)方案，大大的節(jié)省了電柜空間，其滑扣安裝方式也使得接線更加簡便。
3.2 安全技術(shù)
機(jī)器的人性化設(shè)計(jì)必須考慮到人的安全，另外也包含了機(jī)器本身的安全，safety技術(shù)正在成為歐洲眾多廠商應(yīng)用的必須，而國內(nèi)，盡管運(yùn)動(dòng)控制的安全尚未多的應(yīng)用，但是，越來越多的客戶開始關(guān)注安全問題，
在B&R中，將ACOPOS safety集成到伺服中，而L-force 9400高端伺服驅(qū)動(dòng)器也將安全應(yīng)用模塊集成到了其中，SM0，SM100等多種安全模塊可以選擇適應(yīng)于不同的安全應(yīng)用要求。
