集成化為運動控制提供新選擇

2004年4月B

　　今天，由消費需求驅(qū)動的市場逼迫制造商在工藝方面要滿足一系列要求，這些要求囊括了制造工藝的方方面面，這就使得他們對機(jī)器的柔性和性能提出越來越高的要求。對設(shè)計工程師而言，這大概意味著要設(shè)計出一臺能獨立對多種材料進(jìn)行各式加工的機(jī)器，而且這種機(jī)器還要能完成全方位的調(diào)整——這些要在極短的時間內(nèi)一氣完成。

　　設(shè)備的設(shè)計必須要有足夠的靈活性，以便能跟上不斷變化的需求，同時要有足夠的精度，以滿足精密材料及加工工藝的要求。同時，現(xiàn)在的制造者還要求其機(jī)械有更高的速度和可靠性。而這類挑戰(zhàn)的核心，就在于對運動的控制。

　　過去，在設(shè)計機(jī)器時，設(shè)計工程師慣于選用復(fù)雜的專用邏輯和I/O控制器，而通過另一個控制器來實現(xiàn)運動控制，很少考慮這些控制器適應(yīng)復(fù)雜制造過程的能力。例如，包裝和整飾機(jī)械需要用到許多復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，這些機(jī)構(gòu)必須受到嚴(yán)密的控制，而硬連線式的連接和串行接口使得通信速度快不起來，而且系統(tǒng)的同步和過程編程極為復(fù)雜、耗時甚長。此外，分離運動、順序和機(jī)械控制使得工藝的改進(jìn)無論在理解還是實施上都更加困難重重。

　　如今，設(shè)計工程師可以巧妙利用近來在運動控制方面出現(xiàn)的新進(jìn)展，把運動和順序控制功能集成為一體化、多任務(wù)的控制平臺，從而實現(xiàn)更高的系統(tǒng)性能、更快的應(yīng)用開發(fā)，保證維護(hù)更加簡便，并降低成本。這種方法讓設(shè)計工程師和最終用戶能按照需要靈活的進(jìn)行擴(kuò)展，它也可以成功的應(yīng)用于多重控制領(lǐng)域，消除多重編程和冗余的必要，在更大程度上實現(xiàn)成本的節(jié)約。

集成化的新進(jìn)展

　　一些控制運動元件制造商，包括Rockwell Automation公司，正在進(jìn)一步推動集成運動控制概念的發(fā)展，它們把順序控制和運動控制器、SERCOS Interface、伺服驅(qū)動與電機(jī)、以及執(zhí)行器無縫地集成在一起，使得集成運動——從控制器到執(zhí)行器——成為運動控制新標(biāo)準(zhǔn)。

　　與傳統(tǒng)的雙控制器系統(tǒng)相比，集成控制系統(tǒng)的購買與使用成本更低，而且安裝、編程和維護(hù)更加方便。比如說，用戶不用購買多個控制器和軟件程序，而只需購買一臺集成化的順序和運動控制器和一套軟件包即可。

　　部件更少，則意味著面板機(jī)箱更小，在控制機(jī)柜成本和占地面積上都大為節(jié)省。此外，集成化的運動系統(tǒng)是可擴(kuò)展的，具備了極大的靈活性。例如，模塊化的存儲器、網(wǎng)絡(luò)和多處理器體系架構(gòu)使用戶能根據(jù)不斷變化的應(yīng)用要求來調(diào)整控制器的規(guī)格。

　　集成化的運動控制也可以減少安裝時間。與模擬的終端模塊不同，集成化的運動系統(tǒng)，如Rockwell Automation的Kinetix， 可以在驅(qū)動和控制器之間使用光纖式SERCOS接口連接。這樣就減少了軸模塊卡的數(shù)量而且不需安裝外接線卡。對每個驅(qū)動來說，兩個光纖連接器可以取代18路分立的連線，消除了每個軸向上的36個外接端。相應(yīng)的，系統(tǒng)的成本更低，連線更為方便。通過運用一定的SERCOS接口運動控制模塊，用戶能以與雙軸運動控制相同的成本控制8個軸向，這樣在未付出更多成本的情況下獲得了另外6個軸向的控制能力。

　　集成化系統(tǒng)的故障檢查也更為方便，這是因為其診斷能力得到了改善。例如，可以提供詳細(xì)的驅(qū)動和電機(jī)狀況報告，而且圖形化的趨勢分析也使得用戶能搜集并洞察到重要的運動參數(shù)。具有遠(yuǎn)程診斷功能后，驅(qū)動可以將詳細(xì)的驅(qū)動狀態(tài)送出，發(fā)給控制器，并實現(xiàn)反向傳送，這樣用戶就可以從一個中心位置遠(yuǎn)程管理各應(yīng)用。

　　很高的運動性能是其本身具有的另一項優(yōu)勢。例如，控制器中的高分辨率反饋選項可以提高定位精度，減少運動循環(huán)時間。絕對反饋選項則消除了耗時甚多的歸位循環(huán)。數(shù)字指令取代了范圍有限的模擬信號，而集成化的控制器設(shè)計同時消除了網(wǎng)絡(luò)延遲和同步化邏輯，大大增強(qiáng)了性能。

運動設(shè)計的系統(tǒng)化方法

　　集成化運動控制方法的實現(xiàn)，為設(shè)計工程師提供了一種可升級的系統(tǒng)，它把問題的焦點從單個機(jī)器組件轉(zhuǎn)化為整個機(jī)器控制的挑戰(zhàn)，其影響范圍從基本的運動控制一直到運動控制市場最高端部分。這些設(shè)計和產(chǎn)品有助于設(shè)計工程師滿足以下幾方面需求：速度、成本經(jīng)濟(jì)性和靈活性。

　　速度  隨著加工機(jī)械的設(shè)計者尋求提高速度的方法，他們在大多數(shù)情況下轉(zhuǎn)向高性能伺服驅(qū)動的運動控制，將其作為主要技術(shù)手段。

　　成本效率 制造商在提高成品率方面最著重的地方常常是機(jī)器的效率，也就是說，努力采用停機(jī)時間短而出現(xiàn)廢品概率少的機(jī)型。這意味著從復(fù)雜的機(jī)械驅(qū)動的工藝轉(zhuǎn)向基于電子伺服控制的機(jī)器，后者則可以實現(xiàn)新的、更有效且重復(fù)性更好的工藝。它還意味著模塊化和可設(shè)置程度更高的制造機(jī)械，足以滿足各種國內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)，而且復(fù)制成本并不高。

　　靈活性 精度和產(chǎn)量固然是機(jī)器重要的性能參數(shù)，但也要注意有時會被忽略的一個參數(shù)——靈活性，也就是說機(jī)器必須保證盡可能大的可調(diào)范圍和模塊化，讓用戶能夠從一項產(chǎn)品的生產(chǎn)快速切換到另一項產(chǎn)品的生產(chǎn)上，以滿足市場的需求。以一臺整飾機(jī)(Converting machine)為例，采用集成化的運動控制后，它經(jīng)過調(diào)整就可以完成多種整飾任務(wù)，包括層剝、涂覆及印刷，而且適應(yīng)的產(chǎn)品范圍很寬，其功能特色也各式各樣，同時機(jī)器還能嚴(yán)格遵循工藝流程的規(guī)定，切換時間幾乎為零。這種靈活性的真正價值在于減少了推向市場所花費的時間。
　
集成化運動控制的應(yīng)用

　　要實施集成化的運動控制，就需要擺脫那些專用的、黑箱式的控制，而去了解單體化、集成化控制架構(gòu)的固有價值。設(shè)計者還需要放棄固定化的機(jī)械組件，而轉(zhuǎn)向?qū)ｉT為電子化運動控制而設(shè)計的新機(jī)制。對這些應(yīng)用還比較陌生的新手們，即使通過將這一技術(shù)應(yīng)用到更低層次的工藝模塊上而不是整臺機(jī)器上的做法，也可以從中獲益。通過對分步工藝的管理，設(shè)計者可以提高產(chǎn)品性能和靈活性，同時開發(fā)新方法來完成老任務(wù)。掌握這些新的、更小的子系統(tǒng)，難度更低，而且將其在車間里實施也會更快。然后用戶可以確定在這些新的集成化控制概念方面所需要的合理投資水平。

　　最后，設(shè)計者還應(yīng)該考慮到集成化控制在信息搜集和網(wǎng)絡(luò)化方面的優(yōu)勢。隨著制造者對其控制系統(tǒng)進(jìn)行新的工程化改造，集成控制已成為數(shù)據(jù)共享和利用數(shù)據(jù)來改善工藝效率的一項工具。過去，人們的努力都放在了對機(jī)器的診斷上，一般都是復(fù)雜的專用工具，用于處理機(jī)器的可靠性問題。如今，這種做法基本被視為一種低效率的方法。機(jī)器從本質(zhì)上講應(yīng)該是簡單、而且有自診斷功能的。為了實現(xiàn)工藝的不斷改進(jìn)，應(yīng)該在軟件上進(jìn)行投資，而且所用工具對集成控制系統(tǒng)來說應(yīng)該是渾然一體的?？刂葡渲g可以用網(wǎng)絡(luò)連接；然而，信息的獲得應(yīng)該無需復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)編程。

結(jié)語

　　現(xiàn)在，設(shè)計者在滿足運動控制方面的需求時可以比以往更為輕松。集成化的運動控制正在幫助他們設(shè)計出各種靈活而精確、足以跟上市場需求變化的設(shè)備。■