運動控制成為自動化的熱點
一、市場需求的變化
1.1多品種，小批量的市場需求
運動控制越來越多的被應(yīng)用到機器設(shè)計中，它不僅僅提高了機器的速度、精度，更重要的是它提供了更加靈活的機器設(shè)計，對于今天，小批量和多品種的終端消費需求而言，運動控制提供了完美的響應(yīng)。
歐美主流運動控制廠商，SIEMENS、Bosch Rexroth、B&R、LENZE、Rockwell AB均在運動控制領(lǐng)域投入了重兵，SIEMENS推出T-CPU和Simotion以及Sinamic120驅(qū)動技術(shù)，同時在中國建立了伺服電機生產(chǎn)工廠來實現(xiàn)本土化的運行。B&R為了拓展其在運動控制市場的方案集成能力在2007-2008年相繼推出了ACOPOSmulti應(yīng)用于多軸系統(tǒng)的方案，以及ACOPOSmicro、ACOPOSinveter，并且在其Automation Studio開發(fā)工具包中將PLC Open Motion/Hydraulic集成，同時Robotics(機器人技術(shù))和CNC也被融入到其開發(fā)工具包中。Schneider為了進入運動控制市場收購了在包裝機械領(lǐng)域大量應(yīng)用的ELAU、以及以步進電機而知名的百格拉，并且在各個主要OEM市場建立了MAC(機械自動化中心)，Rockwell AB為了尋求在該領(lǐng)域的拓展，彌補其在低端市場的價格競爭力而收購了OEMax，Bosch Rexroth也在國內(nèi)尋求合作，收購了深圳的變頻器制造商以獲得本土的生產(chǎn)來擴展其運動控制的方案提供能力。
1.2 獨立驅(qū)動技術(shù)
在各種機器設(shè)計中，印刷機械對于運動控制的響應(yīng)能力要求是最高的，無軸傳動概念由Bosch Rexroth在1994年開始提出并應(yīng)用，這個技術(shù)帶來了機器設(shè)計的革命性變化，它使得傳統(tǒng)的機械主軸磨損、維護高以及不便于變換訂單的劣勢得到改善，使得機器變得更加方便，在歐洲著名的印刷機械制造商，包括Man Roland、KBA和GOSS的卷筒紙報紙印刷設(shè)備上均采用了這一概念的設(shè)計，Synax200是一個無軸傳動的集成產(chǎn)品，是將Bosch Rexroth的產(chǎn)品與行業(yè)應(yīng)用的集成，在國內(nèi)，北人印刷機械和無錫寶南機器制造也在其報紙印刷上采用了Synax200系統(tǒng)。之后，B&R 2003年開始與陜西北人印刷機械開始在高端的凹版印刷機械上開發(fā)成功國內(nèi)第一臺紙紙凹版印刷機，其設(shè)計速度高達300米/分鐘，之后，SIEMENS也高調(diào)與中山松德建立了合作，在2008年B&R獲得了上海鼎龍全伺服瓦楞紙開槽印刷機的成功開發(fā)，并且在衛(wèi)星式柔版印刷機上獲得了多達62個伺服軸的應(yīng)用項目。
LENZE在鄭紡機、鹽城宏華的多單元漿紗機系統(tǒng)中的應(yīng)用占據(jù)較高的市場份額，每年有上百臺采用LENZE伺服的漿紗機在國內(nèi)得到應(yīng)用，而SIEMENS的MasterDrvier驅(qū)動技術(shù)在鹽城紡機、無錫華力等得到了多單元漿紗機的成功應(yīng)用，在控制紗線的上漿、卷繞的同步控制方面，多單元獨立驅(qū)動技術(shù)的發(fā)揮了其穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢，使得漿紗質(zhì)量得到很好的控制。
輪胎成型機是一個對于變化的需求要求非常高的應(yīng)用，它在輪胎的加工過程中，需針對不同的輪胎生產(chǎn)要求，對帶束層、側(cè)膠、鋼絲圈輸送等提供較高的變化和定位控制，Bosch Rexroth和Rockwell AB也在青島高校軟控和天津賽象的輪胎成型機上得到大量應(yīng)用，SIEMENS主要與北京敬業(yè)和橡膠研究院進行合作。
B&R與上海二紡機在超長車細紗機的應(yīng)用上進行了合作，開發(fā)了國內(nèi)乃至世界上領(lǐng)先的1500錠的細紗超長車，它應(yīng)用了B&R的ACOPOSmulti伺服驅(qū)動器，鏈接了14個伺服軸，而在塑料機械領(lǐng)域也獲得了多達19個伺服軸的流延膜張力卷取項目。
粗紗機四電機傳動技術(shù)是最早在國內(nèi)由B&R開發(fā)成功并大量應(yīng)用的方案，通過對龍筋、鋼領(lǐng)板、錠翼等的獨立驅(qū)動，使得各軸高度同步，并且能夠快速的適應(yīng)紗線生產(chǎn)的變化需求。
2 技術(shù)進步
2.1 高速響應(yīng)能力
伺服響應(yīng)能力大幅度提高，Bosch Rexroth的IndraDriver提供了250uS的位置環(huán)刷新能力，而SIEMENS的MasterDriver也同樣可提供400uS的位置環(huán)刷新速度，B&R的ACOPOS伺服驅(qū)動器提供了400uS的刷新速度，這些使得高速的機器設(shè)計得以輕松實現(xiàn)。
Baumuller的B MaXX系列伺服驅(qū)動器的電流環(huán)采樣為62.5uS，速度環(huán)和位置環(huán)分別為125uS，8kHz的交流變換頻率，B&R ACOPOS電流環(huán)為50uS,速度環(huán)125uS，位置環(huán)采樣為125uS，最高支持15kHz的交流變化頻率。
2.2 實時通信與運動控制的融合
通常日系伺服產(chǎn)品多采用脈沖方式來控制，脈沖丟失以及實時性不足使得日系伺服均應(yīng)用在較為低端的市場，而歐美系伺服多采用總線技術(shù)，最大的優(yōu)勢在于它提供了非常大的靈活性。
今天，實時通信技術(shù)為運動控制滿足高性能系統(tǒng)的要求提供了通信基礎(chǔ)，2001年，B&R最早在利樂包裝的生產(chǎn)線上運行了具有劃時代意義的Ethernet POWERLINK技術(shù)，它使得50個伺服軸，和2000個I/O點的數(shù)據(jù)刷新達到了驚人的2.4mS，并且，它是基于標準Ethernet芯片的設(shè)計，無需ASIC，這是最早出現(xiàn)的實時通信技術(shù)，它的應(yīng)用使得多軸之間的運動控制達到了新的高度，Bosch Rexroth的SERCOS通信技術(shù)采用光纖通信，高達12Mbps的通信速度融合IndraDriver智能型驅(qū)動器，2007年SIEMENS推出了新一代的RTE-ProfiNet它是一個基于以太網(wǎng)技術(shù)的實現(xiàn)，最開始，SERCOSI還是一個無法將運動和I/O指令運行在同一通道的，只能采用環(huán)網(wǎng)的拓撲，并且實用昂貴的光纖，而現(xiàn)在，SERCOSIII在此基礎(chǔ)上更好的融合了標準以太網(wǎng)通信，可以采用RJ45來通信，也將拓撲結(jié)構(gòu)進行了拓展，這些都是技術(shù)的進步。
Rockwell AB的Kinetix 6000系列支持SERCOS通信接口，但是，SERCOS通信模塊非常的昂貴，而且為了實現(xiàn)較為復(fù)雜的電子凸輪設(shè)計需要配備高性能的ControlLogix CPU整體性價比并非很理想。
B&R提供的Ethernet POWERLINK技術(shù)目前是最廣為應(yīng)用的實時通信技術(shù)，這主要是因為B&R在OEM市場獲得的巨大的客戶基礎(chǔ)而決定的，未來的市場可能主要是依賴于ProfiNet IRT,ModBus TCP/IP，因為這些有大型廠商支持的總線技術(shù)可能會依賴于其自身強大的市場資源推廣到較大的份額，而POWERLINK將尾隨其后，而SERCOS由于其狹窄的應(yīng)用范圍而可能會最終占據(jù)較小的份額。
2.3 共直流母線伺服驅(qū)動技術(shù)
共直流母線技術(shù)的驅(qū)動器也由各個主要的廠商開始推出，SIEMENS推出了其新一代的驅(qū)動器Sinamic120和SIMOTION,而其T-CPU融合了運動控制技術(shù)，Bosch Rexroth的智能型驅(qū)動器IndraDriver也實現(xiàn)了采用了共直流母線技術(shù)，B&R的ACOPOSmulti，Rockwell AB的Kinetex 6000系列。
B&R ACOPOSmulti伺服驅(qū)動器
共直流母線技術(shù)的伺服驅(qū)動器通�？梢詭в须p軸驅(qū)動模塊，例如:Bosch Rexroth的IndraDriver和B&R的ACOPOSmulti伺服驅(qū)動器，它們均有針對雙軸的應(yīng)用模塊，這樣，通過共享直流母線單元而不是將直流單元集成到獨立的驅(qū)動器中，在多軸應(yīng)用時它提供了一個非常大的成本節(jié)約方案，例如，B&R的ACOPOSmulti伺服驅(qū)動器在10個伺服軸以上的應(yīng)用成本節(jié)約可達30%。
Rockwell AB提供了Kinetix 6000系列伺服驅(qū)動器，基于共直流母線設(shè)計.
2.4 一體化的軟件平臺
軟件平臺的集成化成為了未來的發(fā)展趨勢，B&R一直秉承著All In One的開發(fā)平臺設(shè)計理念，其Automation Studio融合了HMI、Motion、Control、Communication多種設(shè)計于一體，而Rockwell AB的RsLogix也將不同的產(chǎn)品設(shè)計融為一體，這些使得其產(chǎn)品設(shè)計變得更加簡單，而提供了客戶開發(fā)低學習成本，這個更重要的是一種站在整體的概念看機器的設(shè)計理念而非簡單的集成軟件為一體那么簡單。
2.5CAM 應(yīng)用
對于卷筒紙裁切、瓦楞紙橫切、全息定位燙、包裝的熱封、細紗紗線成型、模切機器前沿送紙機構(gòu)等等，眾多的機器設(shè)計中，CAM的應(yīng)用非常廣泛，包括SIEMENS、B&R、Rockwell AB、Bosch Rexroth、Baomuller、LENZE等一眾廠商均在其伺服驅(qū)動器中內(nèi)置了CAM功能，且其CAM曲線的設(shè)計能力能夠達到非常高的實現(xiàn)能力，例如B&R提供了6階64個多項式的描繪能力，而同樣SIEMENS的CAM集成到其工藝包中可以被應(yīng)用到具體項目中，提供6階函數(shù)描繪能力，Bosch Rexroth的CAM也能夠?qū)崿F(xiàn)較高的運行能力，在電子凸輪送紙機構(gòu)、卷筒紙裁切領(lǐng)域也有大量的應(yīng)用。
3. 未來發(fā)展
3.1 模塊化設(shè)計
為了提高系統(tǒng)的靈活性，能夠?qū)崿F(xiàn)任意的方式的組合不同應(yīng)用方案，各廠商提供了多種構(gòu)想的模塊化設(shè)計，例如B&R的ACOPOSmulti伺服驅(qū)動器，將伺服逆變單元像PLC一樣安裝于底板，并且有多種靈活的編碼器模塊根據(jù)應(yīng)用進行配置，而ACOPOS甚至可以直接接入帶有Profibus接口的CPU到驅(qū)動器上，并且也可以接入I/O，例如在印刷機的直接驅(qū)動中，模擬量的色標信號可以直接被接入到驅(qū)動器上，這種設(shè)計直接提高了運動控制與邏輯控制之間的響應(yīng)匹配能力。而LENZE 9400系列伺服驅(qū)動器則提供了PLC和驅(qū)動器的連接，安全模塊、通信模塊、數(shù)頻、I/O等多種選擇，Baumuller也提供了在其B Max上的DriverPLC接入，CT的伺服驅(qū)動器可以直接插入I/O，CPU等，Rockwell AB的Kinetix 6000系列也是一種基于模塊化設(shè)計的多軸驅(qū)動方案，大大的節(jié)省了電柜空間，其滑扣安裝方式也使得接線更加簡便。
3.2 安全技術(shù)
機器的人性化設(shè)計必須考慮到人的安全，另外也包含了機器本身的安全，safety技術(shù)正在成為歐洲眾多廠商應(yīng)用的必須，而國內(nèi)，盡管運動控制的安全尚未多的應(yīng)用，但是，越來越多的客戶開始關(guān)注安全問題，在B&R中，將ACOPOS safety集成到伺服中，而L-force 9400高端伺服驅(qū)動器也將安全應(yīng)用模塊集成到了其中，SM0，SM100等多種安全模塊可以選擇適應(yīng)于不同的安全應(yīng)用要求。
