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應用再次延伸 運動控制市場大開
 

【作者: 王明德】   2014年07月14日 星期一

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運動控制技術問世已久,以往的架構都相當單純,不過隨著應用領域的逐漸寬廣,其架構也日益多元,不同領域也有不同形式的運動控制技術相對應,就目前來看,將運動控制可以分成三種種形式:


圖一
圖一

1.點位運動控制:這種運動控制的特點是僅對終點位置有要求,與運動的中間過程即運動軌跡無關。相應的運動控制器要求具有快速的定位速度,在運動的加速段和減速段,採用不同的加減速控制策略。在加速運動時,為了使系統能夠快速加速到設定速度,往往提高系統增益和加大加速度,在減速的末段採用S曲線減速的控制策略。為了防止系統到位後震動,規劃到位後,又會適當減小系統的增益。所以,點位運動控制器往往具有線上可變控制參數和可變加減速曲線的能力。


2.連續軌跡運動控制:又稱為輪廓控制,主要應用在傳統的數控系統、切割系統的運動輪廓控制。相應的運動控制器要解決的問題是如何使系統在高速運動的情況下,既要保證系統加工的輪廓精度,還要保證刀具沿輪廓運動時的切向速度的恒定,對小線段加工時,有多段程式預處理功能。


3.同步運動控制:是指多個軸之間的運動協調控制,可以是多個軸在運動全程中進行同步,也可以是在運動過程中的局部有速度同步,主要應用在需要有電子齒輪箱和電子凸輪功能的系統控制中。工業上有印染、印刷、造紙、軋鋼、同步剪切等行業,相應的運動控制器的控制演算法常採用自適應前饋控制,通過自動調節控制量的幅值和相位,來保證在輸入端加一個與干擾幅值相等、相位相反的控制作用,以抑制週期干擾,保證系統的同步控制,從市場的應用情況回饋來看,按照不同的運動特點和行業應用進行產品開發和市場推廣,將具有一定的優勢。


多面相控制技術


對於週期性、多頻擾動常見的控制方法則有四種:


(1) 學習控制是一種通過重複的試運行來形成目標輸入,從而在有限時間內產生所需輸出的方法,它被認為是一種對目標輸入的逆系統進行反復生成的方法。


(2) 自適應前饋控制是通過自動調節控制量的幅值和相位,來保證在輸入端加一個與干擾幅值相等、相位相反的控制作用,以抑制週期干擾。


(3) 內模控制(Internal Model Control)是將干擾模型包含在回饋環內,控制器的設計主要是選擇一個適當的傳遞函數,使閉環系統穩定,且具有期望的輸入、輸出性能,以抑制週期性干擾。這種方法還可處理多頻干擾問題。


(4) 重複控制則是採用內模原理,通過建立重複補償器和穩定化補償器,使系統具有內部穩定性,進而抑制週期性干擾。由於運動控制器的應用範圍越來越廣泛,為了適應新的情況、特定環境和物件,不斷會有新的運動規劃、多軸插補和控制濾波演算法出現。


通用運動控制功能


運動控制設備不但在傳統的機械數控行業有著廣泛的應用,而且在新興的電子製造和資訊產品的製造業中起著不可替代的作用。通用運動控制技術已逐步發展成為一種高度集成化的技術,不但包含通用的多軸速度、位置控制技術,而且與應用系統的工藝條件和技術要求緊密相關。事實上,應用系統的技術要求,特別是一個行業的工藝技術要求也促進了運動控制器的功能的發展。通用運動控制器的許多功能都是同工藝技術要求密切相關的,通用運動控制器的應用不但簡化了機械結構甚至簡化了生產工藝。


通用運動控制器的第一功能在多個行業得到廣泛的應用在運動規劃功能方面,實際上是形成運動的速度和位置的基準量。合適的基準量不但可以改善軌跡的精度,而且其影響作用還可以降低對傳動系統以及機械傳遞元件的要求。通用運動控制器通常都提供基於對衝擊、加速度和速度等這些可影響動態軌跡精度的量值加以限制的運動規劃方法,用戶可以直接調用相應的函數。對於加速度進行限制的運動規劃產生梯形速度曲線;對於衝擊進行限制的運動規劃產生S形速度曲線。一般說來,對於數控機床而言,採用加速度和速度基準量限制的運動規劃方法,就足已獲得一種優良的動態特性。對於高加速度、小行程運動的快速定位系統如PCB鑽床、SMT等,其定位時間和超調量都有嚴格的要求,往往需要高階導數連續的運動規劃方法。


第二是多軸插補、連續插補功能,通用運動控制器提供的多軸插補功能在數控機械行業獲得了廣泛的應用。近年來,由於雕刻機市場,特別是模具雕刻機市場的快速發展,推動了運動控制器的連續插補功能的發展。在模具雕刻中存在大量的短小線段加工,要求段間加工速度波動盡可能小,速度的變化的拐點要平滑過渡,這樣要求運動控制器由速度前瞻和連續插補的功能。固高科技公司推出了專門應用於小線段加工工藝的連續插補型運動控制器,該控制器在模具雕刻、鐳射雕刻、平面切割等領域獲得了良好的應用。


第三為電子齒輪與電子凸輪功能,這種功能不但可以大大地簡化機械設計,而且可以實現許多機械齒輪與凸輪難以實現的功能。電子齒輪可以實現多個運動軸按設定的齒輪比同步運動,這使得運動控制器在定長剪切(fixed-length cutting)和無軸傳動的套色印刷方面有很好的應用。另外,電子齒輪功能還可以實現一個運動軸以設定的齒輪比跟隨一個函數,而這個函數由其他的幾個運動軸的運動決定;一個軸也可以以設定的比例跟隨其他兩個軸的合成速度。如工業縫紉機和絎縫機的應用中,Z軸(縫線軸)可以跟隨XY 軸(移動軸)的合成速度,從而使縫針腳距均勻。電子凸輪功能可以通過編程改變凸輪形狀,無需修磨機械凸輪,極大地簡化了加工工藝。這個功能使運動控制器在機械凸輪的淬火加工、異型玻璃切割和全電機驅動彈簧機等領域有良好的應用。


第四為比較輸出功能,這是指在運動過程中,位置到達設定的座標點時,運動控制器輸出一個或多個開關量,而運動過程不受影響。如在AOI 的飛行檢測(Flyinginspection)中,運動控制器的比較輸出功能使系統運行到設定的位置即啟動CCD快速攝像,而運動並不受影響,這樣極大地提高了效率,改善了圖像品質如鐳射雕刻應用。


最後則是探針信號鎖存功能,此功能可以鎖存探針信號產生的時刻,各運動軸的位置,其精度只與硬體電路相關,不受軟體和系統運動慣性的影響,在CMM 測量行業有良好的應用。


PC Based運動控制優缺點


另外,越來越多的OEM 廠商希望將他們自己豐富的行業應用經驗整合到運動控制中去,針對不同的應用場合和控制物件,客製化設計運動控制器的功能。這種通用運動控制器應用開發平台,使通用運動控制器具有真正面向物件的開放式控制結構和系統重構能力,用戶可以將自己設計的控制演算法載入到運動控制器的記憶體中,而無需改變控制系統的結構設計就可以重新構造一個特殊用途的專用運動控制器,電腦標準匯流排的運動控制器未來仍是市場的主流,而網路型態的嵌入式運動控制器發展更將備受重視。


基於電腦標準匯流排的通用運動控制器主要是板卡結構,採用的匯流排大都為ISA、PCI。由於它們的應用依附於通用PC 電腦平台,從工業控制的角度分析,這種運動控制器的優缺點:


優點:


(1) 硬體組成簡單,把運動控制器插入PC 匯流排,連接信號線就可組成系統。


(2) 可使用PC技術已經具有的豐富軟體進行開發。


(3) 運動控制軟體的代碼通用性和可攜性較好。


(4) 可以進行開發工作的工程人員較多,不需要太多培訓工作,就可以進行開發。


缺點:


(1) 採用板卡結構的運動控制器採用金手指連接,單邊固定,在多數環境較差的工業現場(振動,粉塵,油污嚴重),不適宜長期工作。


(2) PC 資源浪擲。由於PC 多為整體式銷售,用戶實際上僅使用少部分PC 資源,未使用的PC 資源不但造成閒置和浪費,還帶來維護上的麻煩。


(3) 整體可靠性難以保證,由於PC 的選擇可以是工控機,也可以是商用機。系統整合後,可靠性差異很大,並不是由運動控制器能保證的。


(4) 難以突出行業特點。不同行業、不同設備其控制面板均有不同的特色和個性。


嵌入式前景看俏


嵌入式PC 的運動控制器能夠克服以上缺點,會有較好的市場前景。由於SOM(system on module)和SOC(system on chip)技術的快速發展,嵌入式PC 運動控制器獲得良好發展。嵌入式運動控制器產品可易於使用在PC 上開發的應用系統,不加任何改動就可以移植過來。對使用者來講,僅需開發跟其具體專案有關、相對獨立的人機界面即可。由於嵌入式PC 的運動控制平台具有標準PC 的介面功能,用戶不需要再購買工業PC 就可組成所需系統,這種嵌入式運動控制器既提高了整個系統的可靠性,有時系統更加簡潔和高度整合化。


隨著工業現場網路匯流排技術的發展,基於網路的運動控制器獲得了極大的發展,並已經開始應用於多軸同步控制中。越來越多的傳統的以機械軸同步的系統開始採用網路運動控制器控制的電機軸控制,這樣可以減少系統地維護和增加系統的彈性。


因應不同特殊市場需求,一些其他的專用運動控制系統也會越來越多。例如圖像伺服控制的專用運動控制器,力伺服的專用運動控制器等,根據用戶的應用要求進行客製化的重構,設計出客製化運動控制器將成為市場應用的一大方向。一個典型的運動控制系統主要由運動部件、傳動機構、執行機構、驅動器和運動控制器構成,整個系統的運動指令有運動控制器給出,因此運動控制器是整個運動控制系統的靈魂。使用者必需使用通用運動控制器提供的標準功能進行二次開發,根據自己的應用系統的工藝條件,應用運動控制器的相關功能,開發出整合自己的工藝特點和行業經驗的應用系統,同時,用戶還需要瞭解構成運動控制系統的其他部件,必須保證機械系統的完備,才能整合出高品質的運動控制系統。


運動控制核心技術


運動控制可分為幾種技術包括ASIC-Based、DSP-Based、串列控制技術,ASIC-Based是特殊用途積體電路或專用積體電路。許多運動控制器會採用具有運動功能的ASIC,來達到低階或是高階的運動控制。通常ASIC已經由晶片開發廠商經過一連串測試與市場洗鍊,所以穩定度與功能的驗證高,整體的指令集執行速度快,但是,缺乏可程式化能力,所以相較於DSP的運動控制卡,無擴充能力,亦無法實現絕對同步的運動控制。ASIC-based的運動控制一般適合用於步進馬達、線性馬達及伺服馬達等的非同步運動軌跡控制。


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