淺析機械工業(yè)自動化中的運動控制新技術(shù)

汪群華

摘要：

計算機與微電子技術(shù)的快速發(fā)展，帶動了工業(yè)運動控制技術(shù)的提高，出現(xiàn)了直線電機驅(qū)動技術(shù)、全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù)、計算機控制技術(shù)、運動控制卡等控制新技術(shù)。這些技術(shù)為我國工業(yè)水平的提高與機電一體化水平的進步發(fā)揮了比較大的作用。本文就機械工業(yè)自動化中的運動控制新技術(shù)進行淺顯的分析。

關(guān)鍵詞：機械工業(yè)；自動化；運動控制新技術(shù)

一、引言

傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)在高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展沖擊下，不斷革新，這也為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了機會。機械工業(yè)是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之一。新技術(shù)的革新使其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)都發(fā)生了重大變化。微電子技術(shù)、微計算機技術(shù)的快速發(fā)展，促進了機械工業(yè)自動化的進程。機電一體化不斷的技術(shù)改革，使得機電一體化的產(chǎn)品比如汽車、家用電器、冶金機械、工業(yè)機器人、包裝機械等，每隔一段時間都會有新的進展。機電一體化技術(shù)在現(xiàn)代生活、生產(chǎn)中發(fā)揮著比較重要的作用，提高了人民的生活水平與工作效率，降低了材料的消耗，增強了企業(yè)發(fā)展當中的競爭力。機電一體化迅速發(fā)展的同時，運動控制技術(shù)也得到不斷發(fā)展。機械工業(yè)自動化中的運動控制新技術(shù)得到大大發(fā)展，出現(xiàn)了全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù)(Full ClosedAC Servo)、直線電機驅(qū)動技術(shù)(Linear Motor Driving)、可編程序計算機控制器(Programmable Computer Controller,PCC)和運動控制卡(Motion Con-trolling Board)等新技術(shù)。

二、機械工業(yè)自動化當中的幾種運動控制新技術(shù)

（一）全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù)

機電一體化產(chǎn)品的定位精度與動態(tài)響應(yīng)若要求比較高，通常會用到交流伺服系統(tǒng)，其中的數(shù)字交流伺服系統(tǒng)更合適數(shù)電控制。數(shù)字交流伺服系統(tǒng)采用了數(shù)字信號處理器的驅(qū)動器，可以對機械電機軸后端部的光電編碼器進行位置采樣，電機與驅(qū)動器之間就構(gòu)成了位置與速度的閉環(huán)控制系統(tǒng)。這種閉環(huán)交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)具有高速的運算控制能力，能夠自動完成整個伺服系統(tǒng)的增益調(diào)節(jié)，對于機械中負載的變化也可以跟蹤到，能夠根據(jù)負載情況實時地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的增益，甚至有的驅(qū)動器還具有快速傅立葉變換的功能，能把機械共振點測算出來，還通過陷波濾波方式能消除機械共振。通常情況下，此類數(shù)字交流伺服系統(tǒng)一般工作在半閉環(huán)的控制方式中，這種控制方式在傳動鏈上會有間隙，誤差得不到補償。如果想得到更高精度的控制，需要在最終的運動部分安裝比較高精度的電子檢測元器件比如光電編碼器等，這樣就實現(xiàn)了全閉環(huán)的控制。這種運動控制新技術(shù)與傳統(tǒng)的全閉環(huán)控制的方法相比而言，伺服系統(tǒng)只能接受速度指令，對速度環(huán)進行控制，對位置環(huán)的控制則由上位控制器來工作實現(xiàn)。這樣導(dǎo)致在很大程度上增加了上位控制器的難度，抑制了伺服系統(tǒng)的推廣。目前，國外已經(jīng)出現(xiàn)了一種更加完善、可實現(xiàn)更加高精度的全閉環(huán)數(shù)字式伺服系統(tǒng)，讓機械實現(xiàn)更高精度的自動化水平越來越容易。這種國外的全閉環(huán)數(shù)字式控制伺服系統(tǒng)就避免了上述的半畢環(huán)控制系統(tǒng)的不足，伺服驅(qū)動器可以直接采樣裝載最后一級機械運動部件上的位置反饋元件，來作為置環(huán)，而電機上的編碼器反饋此時只當做速度環(huán)，此伺服系統(tǒng)可以消除機械傳動上出現(xiàn)的齒輪間隙等，同時補償了機械傳動件的制造誤差，獲得真正的全閉環(huán)位置控制功能，得到的定位精度也非常高。這種機械工業(yè)自動化中的全閉環(huán)控制都由驅(qū)動器來實現(xiàn)，不需要增加上位控制器的負擔，使得它的應(yīng)該越來越普遍。

(二)直線電機驅(qū)動技術(shù)

直線電機驅(qū)動技術(shù)也是機械工業(yè)自動化中的運動控制新技術(shù)。直線電機在機床行業(yè)當中的應(yīng)用越來越被受到重視，尤其在西歐等工業(yè)發(fā)達國家對直線電機應(yīng)用非常看好。在機床的進給系統(tǒng)當中，使用直線電動機代替原旋轉(zhuǎn)電動機的驅(qū)動的最大的區(qū)別是取消了電機到工作臺之間的機械傳動環(huán)節(jié)，使得機床進給傳動鏈的長度被縮減為零，此種傳動也被稱為“零傳動”。領(lǐng)傳動方式的性能遠遠超過了原來的旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動。直線電機驅(qū)動技術(shù)具有一系列的特點。直線電機驅(qū)動技術(shù)當中取消了一些響應(yīng)時間常數(shù)比較大的機械傳動零器件比如絲杠等，這樣讓整個閉環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)效應(yīng)得到了很大程度的提高，機器反應(yīng)也非常的靈敏；同時機械產(chǎn)生的傳動間隙與誤差也大大地降低，通過直線檢測反饋控制，在很大程度上提高了機床的定位精度。直線電機驅(qū)動因驅(qū)動是“直接驅(qū)動”，免去了啟動、換向時中間傳動環(huán)節(jié)的彈性變形、反向間隙所出現(xiàn)的運動滯后現(xiàn)象，從很多程度提高了傳動的剛度。直線電動機還具有速度比較快、速度加與減的過程比較短、行程長度不受限制、機械運動比較安靜、機械工作的噪音偏低等特點。此外，直線電動機省掉了一些中間環(huán)節(jié)，機械摩擦損耗就少了許多，這樣傳動效率就大大地得到提高。直線電動機的應(yīng)用越來越多，尤其在機械的運動控制行業(yè)當中受到很大的重視。國外發(fā)達工業(yè)運動控制的企業(yè)的推廣已經(jīng)達到比較火爆的程度，比如日本三井精機公司、美國科爾摩根公司等應(yīng)用了直線電機驅(qū)動技術(shù)。

(三) 可編程序計算機控制器

可編程控制器的發(fā)展已經(jīng)有相當長的時間，到目前經(jīng)過了三十多年的發(fā)展，技術(shù)趨于成熟，尤其加上這些年來微電子技術(shù)與計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，可編程控制器結(jié)合了這些先進技術(shù)的特點，形成了新一代的可編程控制器即可編程序計算機控制器?？删幊逃嬎銠C控制器和傳統(tǒng)的控制器相比，它有一個比較大的優(yōu)點，那就是它有著大型計算機分時多任務(wù)操作系統(tǒng)與多樣化的應(yīng)用軟件的設(shè)計。傳統(tǒng)的可編程控制器比較多地運用了單任務(wù)的時鐘掃描或者監(jiān)控程序來處理程序自身的邏輯運算指令與外部的進出通道信號狀態(tài)的采集和刷新，采用這種方式就限制了可編程控制器的速度控制大小，與進出通道當中的高實時性控制相違背。可編程計算機控制器就比較完美地解決了傳統(tǒng)可編程控制器的這一缺點。計算機控制器采用了分時多任務(wù)機制構(gòu)筑了應(yīng)用軟件的運行平臺，那么應(yīng)用程序的運行周期就與程序的長度沒有關(guān)系，只與循環(huán)周期有大的關(guān)系，這樣達到了實時控制的要求。計算機可編程控制技術(shù)的操作系統(tǒng)幫助了工程應(yīng)用軟件的開發(fā)。計算機控制器的各個模塊比如數(shù)據(jù)采集、通信控制等可以進行獨立的運行，各個數(shù)據(jù)之間又保持著相互聯(lián)系。各個模塊經(jīng)過獨立編制與測試之后，可以同時下載到其中央處理器當中，能實現(xiàn)多任務(wù)操作下的并行運行，實現(xiàn)了對項目共同的控制。計算機可編程控制器在機械工業(yè)控制中體現(xiàn)了比較強大的功能優(yōu)勢。它的應(yīng)用將越來越得到全面開發(fā)。

(四)運動控制卡

運動控制卡就是一種工業(yè)的PC機，它主要用作各種運動控制當中的上位控制單元。它作為機械工業(yè)自動化中的運動控制新技術(shù)，完全符合新型數(shù)控系統(tǒng)的各項標準與要求，滿足了包裝機械、國防裝備、印刷機械等改造的硬件平臺，達到了PC機借助運動控制卡強大的功能特點。運動控制卡一般都會采用專業(yè)運動控制芯片來作為運動控制的核心部分，通常情況下，運動控制卡和PC機會構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)。運動控制卡會有比較開放的DOS或Windows系統(tǒng)等來作為控制系統(tǒng)，PC機則管控著運動軌跡規(guī)劃、鍵盤管理、鼠標管理等。運動控制卡正因有結(jié)構(gòu)開放的特點，它能應(yīng)用于制造機械工業(yè)自動化中比較多的領(lǐng)域。運動控制卡在國外的機械工業(yè)自動化設(shè)備的控制中比較流行。它也形成了一個獨立的專門行業(yè)。在國內(nèi)，運動控制卡應(yīng)用于機械工業(yè)自動化中也相繼已經(jīng)有出現(xiàn)。

三、結(jié)束語

綜上所述，機械工業(yè)自動化中的運動控制新技術(shù)的出現(xiàn)與現(xiàn)代科技技術(shù)的不斷發(fā)展有著密切的關(guān)系，尤其是計算機技術(shù)與微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，加速了運動控制技術(shù)發(fā)展的進程。運動控制新技術(shù)的出現(xiàn)也加速了機電一體化新的進程，為機電一體化的在制造業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用帶來福音。所以，全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)、直線電機驅(qū)動技術(shù)、可編程計算機控制器、運動控制卡等為代表的運動新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用將會越來越突出，為提高工業(yè)工作效率，降低損耗，得到更高的精度，實現(xiàn)強大的功能操作等方面發(fā)揮重要的作用。這些運動控制新技術(shù)在國外發(fā)達國家已經(jīng)有相當程度的應(yīng)用，取得了一些成績，相信，在國內(nèi)也會加大速度發(fā)展與推廣這些運動控制新技術(shù)，為我國的機電一體化技術(shù)水平的提高做出應(yīng)有的貢獻。

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