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挪动调节新本事

文章作者:仪器仪表 上传时间:2020-04-28

随着春季的即将到来,各位果粉心心念念的苹果春季发布会也将到来。而大家所不了解的运动控制系统恰恰是苹果手机中最关键的核心零部件,那么,运动控制系统在未来将如何走向呢? 运动控制通常是指在复杂条件下,将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动,实现机械运动精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制。按照使用动力源的不同,运动控制主要可分为以电动机作为动力源的电气运动控制、以气体和流体作为动力源的气液控制和以燃料(煤、油等)作为动力源的热机运动控制等。 电气运动控制占有一席之地 运动控制主要涉及步进电机、伺服电机的控制,控制结构模式一般是:控制装置驱动器(步进或伺服)电机。控制装置可以是PLC系统,也可以是专用的自动化装置(如运动控制器、运动控制卡)。PLC系统作为控制装置时,虽具有PLC系统的灵活性、一定的通用性,但对于精度较高(如插补控制)、反应灵敏的要求时难以做到或编程非常困难,而且成本可能较高。随着技术进步和技术积累,运动控制器应运而生了,它把一些普遍性的、特殊的运动控制功能固化在其中(如插补指令),用户只需组态、调用这些功能块或指令,这样减轻了编程难度,性能、成本等方面也有优势。 其中,步进运动控制技术,是唯一可以在开环情况下运行,而不需位置反馈的运动控制方法。这使得步进电机系统比伺服运动系统简单得多,成本较低也增添了步进电机的吸引力。再加上其它不断改进设计,如硬件小型化和高密度力矩,使得步进系统在很多要求较低速度和定位精度运动应用中保持着较强的竞力。对于某些低功率应用,内在控制简单,微电机及驱动器、高密度转矩步进系统构成了伺服电机可行的选择。东方马达对此推出的调速电动机组合产品US2系列是US系列的全面升级,基于先进的D-loop的更强大性能及可靠性,采用了高容许转矩、高强度的KⅡ系列电动机、减速机。高性能、功能丰富,更易用。 近年来,中国运动控制产品(通用伺服系统、步进系统、运动控制器)稳步增长,增速高于新常态下GDP的增长。尤其是机床、纺织、印刷、包装和电子等行业的快速发展有力带动了对运动控制器的需求。通用运动控制器作为伺服系统的控制装置,其市场规模受到伺服系统的直接影响;运动控制器需求量在2006-2012年保持稳定增长,由2006年的25.36万套上升至2012年的75.45万套。2013年中国运动控制器市场需求依旧相对稳定,增速约为19%,需求量在90万套左右。 伴随着市场规模的不断扩大,中国厂商开始在运动控制方面占据一席之地。例如中国最大的运动控制产品综合制造商之一上海安浦鸣志自动化设备有限公司,目前已跻身全球五大步进电机制造商之列的。始终秉持对专业应用技术和国际化科学管理手段的追求,在广泛的应用领域中不断的提供更专业、更节能、更高效的产品。从工厂自动化专业部件到智能LED照明驱动器,从大型工厂设备的智能管理系统到汽车通信设备的控制执行机构,鸣志成为集运动控制产品以及运动控制解决方案于一体的综合性服务提供商,产品覆盖步进电机、直流无刷电机、伺服电机和电机驱动器。 作为机械制造重要动力源,直驱电机一直备受用户关注。今天,中国制造业转型加速,更高效更可靠更精准的直驱电机更为业界所需。以对时效性最有要求的电子设备为例,伴随电子产品迅速换代,生产设备也需快速更新,同时,这些设备还必须具备很高的精准度与轻负载环境。一般直驱企业很难达到要求,而国内领先的直驱电机公司——大族电机提供的方案已屡次成功应用于苹果、三星、华为等电子半导体行业最具代表性品牌产品的生产中,具备过硬实战经验。 05年成立的大族电机一直以多领域的引领研发与集成优势被市场广泛认可,其开发的直线电机、力矩电机、工业机器人、自动化设备、激光扫描光学系统、伺服驱动控制系统等高科技产品实现了系列化、标准化和产业化,可广泛应用于工业激光设备行业、数控机床行业、电子半导体设备行业、医疗器械行业、纺织机械行业、精密检测仪器行业和民用行业等领域,因其卓越性价比成为各领域用户的首选。 运动控制平台方面,大族电机集成化直线电机平台覆盖单轴、二轴、多轴、龙门平台类型,以快速响应、准确定位和高可靠性满足高速自动化、精密测量、电子半导体加工、激光加工等设备需求。此外,相比一般直线电机平台,大族电机集成化直线平台,可显着降低成本,减少在机器上安装直线机构的工作量;用户也可根据应用性能需求选择直线执行器,而不用考虑直线机构的内部构成或它如何控制系统连接,提高产品开发效率。 气动控制仍需奋起勇追 正流体传动技术利用流体压力和液体动能进行能量传递,是机电产品向高速化、自动化、高效率、高精度、高可靠性、轻量化、多样化方向发展的关键技术之一。气动元件作为便捷、廉价的基础产品,随着气动技术应用领域的扩大,不仅在机电、轻纺等传统领域内市场广阔,在信息技术、生物制品、精细加工等新兴产业中也发挥着越来越重要的作用。气动元件通过气体的压强或膨胀产生的力来做功的元件,即将压缩空气的弹性能量转换为动能的机件。如气缸、气动马达、蒸汽机等。气动元件是一种动力传动形式,亦为能量转换装置,利用气体压力来传递能量。IHS预测未来气动元件市场将会与工业机械需求的增长齐头并进。 由于汽车工业的发展以及对生产效率和产品品质要求的逐步提高,对机床的速度和效率都提出了新的更高的要求,提高数控机床功能零部件的性能和质量已经成为中国机床工业发展的当务之急。众所周知,在机床关键部件领域,代表高技术含量的是滚珠丝杠产品。要提高机床的生产效率,就要提高机床的速度。由此,对高速高精密滚珠丝杠和直线导轨的需求也会有快速的增加。 为实现其高性能,中国生产的机床在驱动上使用高精度滚珠丝杠的比率有了很大的提高。目前机床采用的滚珠丝杠,有价格较低的国产的,也有精度较高的日本和欧洲等进口产品。使用进口产品往往是在那些对加工速度、精度、寿命及稳定性方面有较高要求的机床。其中,创设于1989年的上银科技以机械关键零组件起家,为全球第二大传动控制与系统科技领导品牌,拥有精密滚珠螺杆产量世界第一,及线性滑轨产量世界第二大的成绩。上银科技以HIWIN品牌营销全球,自行研发的产品从大型到微型的滚珠丝杠、直线导轨、特殊轴承、工业机器人、晶圆机器人、医疗机器人、直线电机、线性致动器、驱动器及精密定位平台等,广泛使用在生技医疗、半导体、光电、3C、自动化、精密机床、节能、交通等产业,打破了日、德等国长期垄断的精密机械市场。 随着机床速度的提高,导轨的使用也由滑动向滚动转化。在中国,由于机床速度较低及制造成本上的原因,滑动导轨的使用还占大多数,但使用滚珠导轨和滚柱导轨的机床数量在急速上升。越来越多地企业采用了滚动直线导轨等滚动元件导向系统,使原来每分钟几米的进退速度提高到十几米甚至几十米。由于滚动导轨具有高速、长寿命、可加预压、安装方便等方面的优点,随着对机床性能及数控化要求的提高,滚动导轨使用比率的提高是必然的趋势。 银泰科技生产的直线导轨有五大优点:定位精度高,重现性;低摩擦阻力,可长时间维持精度;可承受四方向的高负荷能力;适合高速化之应用;组装容易,并具互换之特性。在进入中国大陆市场的众多台湾制造企业中,银泰科技股份有限公司(PMI)是较早进入大陆市场的。在滚珠导丝杆、直线导轨和线性模组领域,精密机械关键性零部件,银泰科技在大陆市场拥有极大的竞争力,其主要供应机床、放电加工机、线切割机、塑胶注塑机、半导体设备、精密定位及其他各式设备与机器上。 气动元件市场最初由简单技术器件组成,一些主要产品替代趋势将会影响该市场的未来发展。目前,中国供应商在气动控制这块市场,主要聚焦于标准传统气动阀门和执行器的生产,并且在价格上占据绝对优势。现在他们正在将目光投向更大的市场,如欧洲和北美,正在大规模组团向其挺进,并通过当地分销商逐渐进入市场。这将引发气动行业重新洗牌,全球市场竞争格局将改变。 机遇与压力并存 中国运动控制市场依赖机床、纺织、橡塑、包装等少数几个下游机械行业,所以前几年市场波动比较大,随着行业应用的拓展,运动控制行业也逐渐成熟。伴随我国机械装备技术水平的提高,中国市场对高端运动控制设备的需求相对保持稳定。尤其在高端医疗设备、高端机床、高端自动化纺织机械、高精密印刷机械、精密电子加工设备等行业,欧美和日本运动控制厂商表现突出,拥有较强的综合竞争优势。 在中国,很多本土厂商只能提供运动控制器,伺服驱动,伺服电机和编码器等其中一种产品,再搭配其他厂商的驱动或者电机销售。产品层面,中国本土运动控制产品和欧美,日系厂商的差距还是比较大的,比如一些关键性指标:控制精度,稳定性,动态响应,转矩脉动,高速性能,智能控制和网络支持。 中低端设备制造市场容量巨大,厂商数量众多,由于这类设备厂商主要面向细分行业,性价比往往成为其首要考虑因素。相对于高端进口产品,这些制造商对价格比较敏感,需求变化相对比较剧烈,尽管面临国际品牌的竞争,国产经济型运动控制产品逐渐得到了中低端用户的认同,但是未来仍然面临较大的竞争压力。 未来几年,中国运动控制器的需求增长仍将集中于机床、印刷、包装,电子等行业,而烟草机械、医疗设备等行业对运动控制器的需求也将稳定增长,预计到2016年中国运动控制器需求量将接近190万套,而通用运动控制器市场规模有望达到40亿元左右。 2016年是我国“十三五”的开局之年,是落实《中国制造2025》、“互联网 ”等国家重大战略的全面实施之年,也是稳增长、调结构的关键之年。中国制造要坚持智能转型,实现中国制造业从低端向高端转变,中国运动控制市场必须迎头而上,不断创新突破核心技术,从而迎来新的爆发。 标签: 编码器

运动控制通常是指在复杂条件下,将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动,实现机械运动精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制。按照使用动力源的不同,运动控制主要可分为以电动机作为动力源的电气运动控制、以气体和流体作为动力源的气液控制和以燃料作为动力源的热机运动控制等。

信息时代的高新技术推动了传统产业的迅速发展,在机械工业自动化中出现了一些运动控制新技术:全闭环交流伺服驱动技术、直线电机驱动技术、可编程计算机控制器、运动控制卡等。本文主要分析和综述了这些新技术的基本原理、特点以及应用现状等. 1 引言信息时代的高新技术流向传统产业,引起后者的深刻变革。作为传统产业之一的机械工业,在这场新技术革命冲击下,产品结构和生产系统结构都发生了质的跃变,微电子技术、微计算机技术的高速发展使信息、智能与机械装置和动力设备相结合,促使机械工业开始了一场大规模的机电一体化技术革命。随着计算机技术、电子电力技术和传感器技术的发展,各先进国家的机电一体化产品层出不穷。机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、冶金机械、化工机械以及工业机器人、智能机器人等许多门类产品每年都有新的进展。机电一体化技术已越来越受到各方面的关注,它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的作用。在机电一体化技术迅速发展的同时,运动控制技术作为其关键组成部分,也得到前所未有的大发展,国内外各个厂家相继推出运动控制的新技术、新产品。本文主要介绍了全闭环交流伺服驱动技术、直线电机驱动技术、可编程序计算机控制器和运动控制卡等几项具有代表性的新技术。2 全闭环交流伺服驱动技术在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中,交流伺服系统的应用越来越广泛,其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流,而且调试、使用十分简单,因而被受青睐。这种伺服系统的驱动器采用了先进的数字信号处理器,可以对电机轴后端部的光电编码器进行位置采样,在驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环控制系统,并充分发挥DSP的高速运算能力,自动完成整个伺服系统的增益调节,甚至可以跟踪负载变化,实时调节系统增益;有的驱动器还具有快速傅立叶变换的功能,测算出设备的机械共振点,并通过陷波滤波方式消除机械共振。一般情况下,这种数字式交流伺服系统大多工作在半闭环的控制方式,即伺服电机上的编码器反馈既作速度环,也作位置环。这种控制方式对于传动链上的间隙及误差不能克服或补偿。为了获得更高的控制精度,应在最终的运动部分安装高精度的检测元件,即实现全闭环控制。比较传统的全闭环控制方法是:伺服系统只接受速度指令,完成速度环的控制,位置环的控制由上位控制器来完成。这样大大增加了上位控制器的难度,也限制了伺服系统的推广。目前,国外已出现了一种更完善、可以实现更高精度的全闭环数字式伺服系统 , 使得高精度自动化设备的实现更为容易。其控制原理如图1所示。该系统克服了上述半闭环控制系统的缺陷,伺服驱动器可以直接采样装在最后一级机械运动部件上的位置反馈元件(如光栅尺、磁栅尺、旋转编码器等),作为位置环,而电机上的编码器反馈此时仅作为速度环。这样伺服系统就可以消除机械传动上存在的间隙,补偿机械传动件的制造误差,实现真正的全闭环位置控制功能,获得较高的定位精度。而且这种全闭环控制均由伺服驱动器来完成,无需增加上位控制器的负担,因而越来越多的行业在其自动化设备的改造和研制中,开始采用这种伺服系统。 3 直线电机驱动技术直线电机在机床进给伺服系统中的应用,近几年来已在世界机床行业得到重视,并在西欧工业发达地区掀起"直线电机热"。在机床进给系统中,采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台之间的机械传动环节,把机床进给传动链的长度缩短为零,因而这种传动方式又被称为"零传动"。正是由于这种"零传动"方式,带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。1. 高速响应 由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件,使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高,反应异常灵敏快捷。2. 精度 直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差,减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制,即可大大提高机床的定位精度。3. 动刚度高 由于"直接驱动",避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象,同时也提高了其传动刚度。4. 速度快、加减速过程短 由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车,所以用在机床进给驱动中,要满足其超高速切削的最大进个速度当然是没有问题的。也由于上述"零传动"的高速响应性,使其加减速过程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速,高速运行时又能瞬间准停。可获得较高的加速度,一般可达2~10g,而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.1~0.5g。5. 行程长度不受限制 在导轨上通过串联直线电机,就可以无限延长其行程长度。6. 运动动安静、噪音低 由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦,且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨,其运动时噪音将大大降低。7. 效率高 由于无中间传动环节,消除了机械摩擦时的能量损耗,传动效率大大提高。直线传动电机的发展也越来越快,在运动控制行业中倍受重视。在国外工业运动控制相对发达的国家已开始推广使用相应的产品,其中美国科尔摩根公司的 PLATINNM DDL系列直线电机和SERVOSTAR CD系列数字伺服放大器构成一种典型的直线永磁伺服系统,它能提供很高的动态响应速度和加速度、极高的刚度、较高的定位精度和平滑的无差运动;德国西门子公司、日本三井精机公司、台湾上银科技公司等也开始在其产品中应用直线电机。4 可编程计算机控制器技术自20世纪60年代末美国第一台可编程序控制器问世以来,PLC控制技术已走过了30年的发展历程,尤其是随着近代计算机技术和微电子技术的发展,它已在软硬件技术方面远远走出了当初的"顺序控制"的雏形阶段。可编程计算机控制器就是代表这一发展趋势的新一代可编程控制器。与传统的PLC相比较,PCC最大的特点在于它类似于大型计算机的分时多任务操作系统和多样化的应用软件的设计。传统的PLC大多采用单任务的时钟扫描或监控程序来处理程序本身的逻辑运算指令和外部的I/O通道的状态采集与刷新。这样处理方式直接导致了PLC的"控制速度"依赖于应用程序的大小,这一结果无疑是同I/O通道中高实时性的控制要求相违背的。PCC的系统软件完美地解决了这一问题,它采用分时多任务机制构筑其应用软件的运行平台,这样应用程序的运行周期则与程序长短无关,而是由操作系统的循环周期决定。由此,它将应用程序的扫描周期同外部的控制周期区别开来,满足了实时控制的要求。当然,这种控制周期可以在CPU运算能力允许的前提下,按照用户的实际要求,任意修改。基于这样的操作系统,PCC的应用程序由多任务模块构成,给工程项目应用软件的开发带来很大的便利。因为这样可以方便地按照控制项目中各部分不同的功能要求,如运动控制、数据采集、报警、PID调节运算、通信控制等,分别编制出控制程序模块,这些模块既独立运行,数据间又保持一定的相互关联,这些模块经过分步骤的独立编制和调试之后,可一同下载至PCC的CPU中,在多任务操作系统的调度管理下并行运行,共同实现项目的控制要求。PCC在工业控制中强大的功能优势,体现了可编程控制器与工业控制计算机及DCS技术互相融合的发展潮流,虽然这还是一项较为年轻的技术,但在其越来越多的应用领域中,它正日益显示出不可低估的发展潜力。5 运动控制卡运动控制卡是一种基于工业PC机 、 用于各种运动控制场合的上位控制单元。它的出现主要是因为:为了满足新型数控系统的标准化、柔性、开放性等要求;在各种工业设备、国防装备、智能医疗装置等设备的自动化控制系统研制和改造中,急需一个运动控制模块的硬件平台;PC机在各种工业现场的广泛应用,也促使配备相应的控制卡以充分发挥PC机的强大功能。运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速DSP作为运动控制核心,大多用于控制步进电机或伺服电机。一般地 , 运动控制卡与PC机构成主从式控制结构:PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作 ;控制卡完成运动控制的所有细节。运动控制卡都配有开放的函数库供用户在DOS或Windows系统平台下自行开发、构造所需的控制系统。因而这种结构开放的运动控制卡能够广泛地应用于制造业中设备自动化的各个领域。这种运动控制模式在国外自动化设备的控制系统中比较流行,运动控制卡也形成了一个独立的专门行业,具有代表性的产品有美国的PMAC、PARKER等运动控制卡。在国内相应的产品也已出现,如成都步进机电有限公司的DMC300系列卡已成功地应用于数控打孔机、汽车部件性能试验台等多种自动化设备上。6 结束语计算机技术和微电子技术的快速发展,推动着工业运动控制技术不断进步,出现了诸如全闭环交流伺服驱动系统、直线电机驱动技术、可编程计算机控制器、运动控制卡等许多先进的实用技术,为开发和制造工业自动化设备提供了高效率的手段。这也必将促使我国的机电一体化技术水平不断提高。

电气运动控制占有一席之地

运动控制主要涉及步进电机、伺服电机的控制,控制结构模式一般是:控制装置+驱动器+电机。控制装置可以是PLC系统,也可以是专用的自动化装置(如运动控制器、运动控制卡)。PLC系统作为控制装置时,虽具有PLC系统的灵活性、一定的通用性,但对于精度较高、反应灵敏的要求时难以做到或编程非常困难,而且成本可能较高。随着技术进步和技术积累,运动控制器应运而生了,它把一些普遍性的、特殊的运动控制功能固化在其中,用户只需组态、调用这些功能块或指令,这样减轻了编程难度,性能、成本等方面也有优势。

其中,步进运动控制技术,是唯一可以在开环情况下运行,而不需位置反馈的运动控制方法。这使得步进电机系统比伺服运动系统简单得多,成本较低也增添了步进电机的吸引力。再加上其它不断改进设计,如硬件小型化和高密度力矩,使得步进系统在很多要求较低速度和定位精度运动应用中保持着较强的竞力。对于某些低功率应用,内在控制简单,微电机及驱动器、高密度转矩步进系统构成了伺服电机可行的选择。东方马达(2016慕尼黑上海电子生产设备展,展位号:W2.2442)对此推出的调速电动机组合产品US2系列是US系列的全面升级,基于先进的D-loop的更强大性能及可靠性,采用了高容许转矩、高强度的KⅡ系列电动机、减速机。高性能、功能丰富,更易用。

近年来,中国运动控制产品(通用伺服系统、步进系统、运动控制器)稳步增长,增速高于新常态下GDP的增长。尤其是机床、纺织、印刷、包装和电子等行业的快速发展有力带动了对运动控制器的需求。通用运动控制器作为伺服系统的控制装置,其市场规模受到伺服系统的直接影响;运动控制器需求量在2006-2012年保持稳定增长,由2006年的25.36万套上升至2012年的75.45万套。2013年中国运动控制器市场需求依旧相对稳定,增速约为19%,需求量在90万套左右。

伴随着市场规模的不断扩大,中国厂商开始在运动控制方面占据一席之地。例如中国最大的运动控制产品综合制造商之一上海安浦鸣志自动化设备有限公司(2016慕尼黑上海电子生产设备展,展位号:W2.2420),目前已跻身全球五大步进电机制造商之列的。始终秉持对专业应用技术和国际化科学管理手段的追求,在广泛的应用领域中不断的提供更专业、更节能、更高效的产品。从工厂自动化专业部件到智能LED照明驱动器,从大型工厂设备的智能管理系统到汽车通信设备的控制执行机构,鸣志成为集运动控制产品以及运动控制解决方案于一体的综合性服务提供商,产品覆盖步进电机、直流无刷电机、伺服电机和电机驱动器。

作为机械制造重要动力源,直驱电机一直备受用户关注。今天,中国制造业转型加速,更高效更可靠更精准的直驱电机更为业界所需。以对时效性最有要求的电子设备为例,伴随电子产品迅速换代,生产设备也需快速更新,同时,这些设备还必须具备很高的精准度与轻负载环境。一般直驱企业很难达到要求,而国内领先的直驱电机公司——大族电机(2016慕尼黑上海电子生产设备展,展位号:W2.2300)提供的方案已屡次成功应用于苹果、三星、华为等电子半导体行业最具代表性品牌产品的生产中,具备过硬实战经验。

05年成立的大族电机一直以多领域的引领研发与集成优势被市场广泛认可,其开发的直线电机、力矩电机、工业机器人、自动化设备、激光扫描光学系统、伺服驱动控制系统等高科技产品实现了系列化、标准化和产业化,可广泛应用于工业激光设备行业、数控机床行业、电子半导体设备行业、医疗器械行业、纺织机械行业、精密检测仪器行业和民用行业等领域,因其卓越性价比成为各领域用户的首选。

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