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数控机床运动控制在工业自动化市场发展中起着关键作用

时间:2021-04-22     作者:山东万汇数控机床有限公司【原创】

数控机床工业自动化趋势中,运动控制是其中的关键部分。通过机器实现自动化操作可以避免很多人为错误,还可以提高生产效率和效率。如何使数控机器根据命令动作是机器运动控制的应用类别。

                                             

如今,机器人的行为模式主要基于人类提供的执行重复操作的编程内容。如今,机器人与各种移动电子产品(包括汽车,飞机等)之间的区别在于,它们是否可以在不参与控制的情况下自行运行。在工业制造领域,由于对重复和规则运动的巨大需求,这也恰好为工业机器人的发展提供了良好的环境。

在工业自动化环境中,运动控制是最关键的环节之一。人类最大的缺点是会出现错误,对于工业生产线来说,这常常会在较小程度上损害生产线,在严重的情况下会伤及人员。

通过机器自动执行操作可以避免很多人为错误,但是必须确保机器可以接受正确的指令并执行预期的操作,并且这些指令仍然必须手动提供给机器。如何使机器能够根据命令动作是机器运动控制的应用类别。

运动控制器

运动控制器是机器运动控制系统的大脑,负责计算机器所需的运动轨迹。由于此操作过程非常重要,因此通常由板上的数字信号处理器(例如DSP)执行该操作过程,以避免额外的负担和对主机的干扰。例如,由于执行防病毒软件而中断了数控机床的运行,这将导致生产线停止运行。运动控制器将使用自身计算出的轨道来确定适当的扭矩命令,并将该命令发送到电机放大器以生成过程运动。

在运动控制器运行期间,必须关闭PID控制回路。由于此操作要求极高的精度,并且对于稳定操作是必需的,因此控制回路通常直接在板上闭合。除了闭合控制回路外,运动控制器还监视紧急极限和停止功能,以确保过程的安全性。如果可以直接从电路板或实时系统执行这些任务,则可以确保运动控制系统的稳定性,准确性和安全性。

计算轨道

运动轨迹通常表示运动控制器的板控制操作或输出到驱动器和放大器的命令信号,然后电动机将跟随该轨迹运动。运动控制器根据程序的参数值计算运动轨迹的轨迹部分。在计算轨道时,运动控制器可以使用所需的目标位置,最大目标速度和用户提供的加速度值来确定三个主要动作部分(包括加速度,恒定速度和减速度)中的位置这需要时间。

对于一般梯形轨迹的加速段,将根据停止位置或上一次运动来开始运动操作,并且将遵循指定的加速斜坡,直到速度达到运动操作的预定目标速度为止。移动操作可以根据当前目标速度在指定时间内继续移动,直到控制器确定减速段的开始并在指定目标位置停止移动为止。

如果锻炼工作很短,通常在加速完成之前就已达到减速的起始点,轨迹将是三角形而不是梯形,并且达到的实际速度可能会低于设定的目标速度。S曲线的加减速是基本的梯形轨迹增强,也就是说,用于加速和减速的线性坡道被修改为非线性曲线轨迹。这样,斜坡的外观就具有微调控制功能,可以根据惯性,摩擦,电机动力学和其他机械运动系统的限制来调整运动跟踪的性能。

创建自定义运动控制器

尽管带有DSP的运动控制器已经可以在许多应用中使用,但是对于高精度运动控制操作(例如200kHz伺服更新速率),工程师必须通过定制的PCB设计所需的运动控制器。结果,有必要增加开发成本和时间,并且这种运动控制器具有固定的功能并且缺乏重新设计的灵活性,这使得在操作期间更难以适应运动控制计算公式的变化。需要更高准确性和灵活性的其他应用包括半导体行业中的晶圆加工机,或可以重置汽车行业中装配线的生产线车辆排序操作。

电机放大器和驱动器

电机放大器或驱动器是系统中的重要组件。运动控制器首先使用低电流模拟电压信号来形成命令。通过电机放大器接收命令后,它将其转换为高电流信号以驱动电机。为了能够驱动不同类型的电动机,通常电动机驱动器具有许多不同的变量。例如,步进电机驱动器仅连接到步进电机,而不连接到伺服电机。

除了匹配相应的电动机技术外,驱动器还必须提供正确的电压,连续电流和峰值电流以正确驱动电动机。如果驱动器提供的电流过多,则可能会损坏电动机。如果驱动器提供的电流不足,则电动机将无法实现全转矩功能。如果电压不足,电动机将无法全速运行。此外,用户还必须考虑放大器和控制器之间的连接方法。

反馈装置

反馈设备可用于协助运动控制器了解电机的位置。最常见的位置反馈设备是相位差编码器,它提供起点的相对位置。大多数运动控制器都设计有这种类型的编码器。其他反馈设备包括可以提供模拟位置反馈的位移计,可以提供速度反馈的转速表,可以执行绝对位置测量的绝对编码器以及可以执行绝对位置测量的旋转变压器。

最佳运动控制优势

在工业机器人的应用中,只有通过离线编程和在线决策相结合的使用,机器人的操作才能获得最大的收益。随着计算机计算速度的快速提高,更成熟的算法以及各种工业传感器的出现,传统机器人的应用和大量移动电子产品的使用已得到加速。

数控机床通过软件和硬件的集成,它可以为机器人运动控制提供离线辅助编程和在线加速决策。例如,机器人的拖动动作,自动跟踪等功能属于离线辅助编程,而视觉识别技术的集成则属于在线决策的实现。在这种逻辑下,我们可以定义自动驾驶汽车的路线规划属于离线编程,而驾驶过程中的避障则属于在线决策。基于此原理,这些移动电子产品可以包含在机器人的广义定义中。

市场趋势:

预计全球运动控制市场将从2020年的122.6亿美元增长到2025年底的5.09%的复合年均增长率(CAGR),达到161.52亿美元。市场增长的主要因素是越来越多地采用制造过程自动化以及对使用集成运动控制器的兴趣增加。

实际上,人工智能的真正目的是使机器具有自我学习的能力,并能够根据不同情况独立调整合适的生产策略。目前,在实际应用中,大多数被称为人工智能的功能被用来将人类的智能转化为计算代码,以达到自动决策的目的。

未来,人工智能的发展将日趋强大,而良好的决策还需要一个好的运动控制器来呈现所需的制造过程。在人工智能的运动控制中,控制器需要能够提供高速通信通道,以便接收和执行来自人工智能的决策并反馈机器人的状态信息。另外,控制器本身的功能也将直接影响人工智能的工作量。例如,如果控制器可以支持空间弧功能,则人工智能无需单独计算所有弧上的点坐标,这也将有助于减少通信量。

文章作者:山东万汇数控机床有限公司  www.sdwhjc.com

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