同步运动取决于特殊控制方法

技术分类: 运动控制/自动化    作者:Frank J. Bartos  发表时间:2008-04-07

  为了满足诸如印刷机或其他自动化系统中多轴运动的同步需求,我们需要开发更高级的控制技术。高速网络协议能够有效满足复杂自控系统的数据传输与控制要求。

  随着时代的进步,功能强大的控制器和处理器不断涌现,工业级自控系统中可控运动轴的数量正呈稳步增长态势。但是,在许多的这些控制系统中,例如串行制造阶段做点到点运动的标引站,或者是分布式系统中的并行运动路径,运动轴的运行依然相互独立。

  相比之下,更为复杂的自动化系统中都会需要各种运动轴的同步。不管是印刷机,计算机数控(CNC)机床,还是用于金属成形和飞剪系统的线速度高达152米/分钟(500英尺/分钟)的高速动态反馈机,等等,都需要有更高级的控制技术来满足自控系统中的多轴运动。高速网络协议能够有效的满足其数据传输和控制需求。  

  博世力士乐使用电子线路轴传动(ELS)-一种允许多轴同步运动的技术,以提高包装、传送和印刷机器的生产率。图示的是一台无轴皮带打印机。在每小时48公里(30mph)的打印速度下,ELS可以达到0.01mm的墨点精度同步运动控制是Baldor电气集团公司的研发重心之一。 “在协调运

动中,多个运动轴必须通力合作,才能完成处理过程。” 该公司的伺服产品经理John Mazurkiewicz说,“尤其是在自动化和xy/xyz型应用中,了解插补控制和运动控制所需的轴位置将显得非常重要。”

  Baldor公司通过其NextMove多轴控制器和Ethernet Powerlink (EPL)基于以太网技术的实时运动控制总线实现了同步运动控制。据Mazurkiewicz所言,NextMove控制器可插补多达16轴,其中包括同时启动/停止功能。他还说,“受处理器能力限制,目前插补轴的数量最多为16个。”此外,通过使用Powerlink,NextMove 100还可以同步控制伺服轴(输出范围 ±10 V) ,步进轴(脉冲型和直流型)及其他运动轴。

  Baldor公司将同步和插补加以区别,他们认为,同步,是指运动轴由被参照机器(通常是一个带有主编码器的主运动轴)“给定时钟”,而插补,是指两个或多个轴在同一条曲线上运动必能同时启停。同步功能包括轴间速率给定(电子传动),位置偏移调整,电子凸轮曲线和飞剪运动调整。轴插补可以是直线型的,也可以是圆弧型的或高次曲线型的。  

  Baldor 电气的多轴控制器和Mint软件在飞剪控制中的应用。该控制可以将材料在飞行过程中被切割成规定长度。在该应用中,切割器必须能循环加速以与被切割材料同步运动,并在切割完成后能减速到下一次切割所需速度。

  博世力士乐集团公司在近20年来一直致力于建立使用数字光纤SERCOS(串行实时通讯系统)接口(国际标准IEC 61491)的多轴同步运动控制系统,该公司电气设备和控制部工业机械工具分部经理Karl Rapp指出,“SERCOS精确的同步能力—同步时间误差小于1微秒—已经有力地证明了其在最新应用中的能力。”对SERCOS816芯片的评测显示其实际同步误差低至0.035ms,这充分肯定了SERCOS对同步运动的适用性。最新版本的SERCOS III(支持100MHz的以太网)与老的SERCOS相比增加了新的功能,并进一步增强了I/O系统的能力。

  协调,同步,插补

  协调,同步和插补是应用于这一特殊控制领域的不同复杂程度的控制方法。协调控制,用于对运动路径要求较少但对速度要求较严格的地方,例如,博世力士乐公司指出,在有障碍物的环境中以尽可能高的速度进行无震荡混合运动。(“震荡”是加速度的倒数或位移的三次倒数,最小震荡对于运动系统性能和减小磨损非常重要。)如果用户编写的程序逻辑能够将协调轴运动到指定位置,并且该位置是由路径向量得到的速度和加速度的梯度值所决定的,那么这一运动就与插补相似。然而,这种计算只在每次运动前发生一次,这与插补(见下文)并不相同,Rapp解释道。

  同步引入了一个主轴和一个或多个“从轴”的概念。主轴可以是一个“真正的主轴”,如金属冲压飞轮上的编码器,或是一个“虚拟主轴”,如记录标记或由运动控制器或驱动器产生的编码器。例如,电子线路轴传动(ELS)技术,可以用一个主编码器同步多达32轴,并且能够以电子方式改变各个轴的传动比率,博世力士乐公司的控制产品经理Rami Al-Ashqar说。

  插补——用于下面讲到的精确路径——插补被认为是集

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