随着计算机、电子电力和传感器技术的发展,先进国家的机电一体化产品层出不穷。机床、汽车、仪器、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、工业机器人、智能机器人等许多产品每年都有新的进展。机电一体化技术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、降低物耗、增强企业竞争力等方面发挥着重要作用。
随着机电一体化技术的飞速发展,作为其关键组成部分的运动控制技术也取得了前所未有的发展。各厂商相继推出运动控制的新技术和新产品。本文主要介绍了全封闭交流伺服驱动、直线电机驱动和可编程计算机控制器(PCC)等几种有代表性的新技术。
数字交流伺服系统广泛应用于一些具有高定位精度或动态响应要求的机电一体化产品中。这个伺服系统的驱动器对电机轴后端的光电编码器的位置进行采样,在驱动器和电机之间形成一个位置和速度的闭环控制系统。位置控制分辨率高,可靠性好。
通常带位置环的伺服系统,其反馈采样取自伺服电机的编码器,无法补偿和克服传动链上的间隙和误差,只能形成半闭环位置控制系统。松下最近推出了一个完整的闭环数字伺服系统,可以实现更高的精度。
该系统克服了上述半闭环系统的缺陷。位置环的采样可以直接取自位置反馈元件(如光栅尺、磁栅尺、旋转编码器等。)安装在最后一级机械上,而电机上的编码器此时只起到速度环的反馈作用,这样就可以消除机械上存在的一切差距。而且伺服系统还可以补偿机械传动中出现的误差,从而实现真正的全闭环功能,实现高精度的位置控制。而且全闭环控制由驱动器完成,不会增加上位控制器的负担。
由于全闭环交流伺服系统可以获得极高的定位精度,因此不需要增加上层控制系统的复杂度。因此,它广泛应用于数控机床、钻床等高精度数控设备中。
近年来,直线电机在机床进给伺服系统中的应用受到了世界机床行业的重视,西欧工业化地区掀起了“直线电机热”。
在机床进给系统中,直线电机用于直接驱动的面积最大,是由原来的旋转电机驱动的。
不要取消从电机到工作台(拖板)的所有机械中间传动环节,把机床进给传动链的长度缩短为零。这种传输模式称为“零传输”。由于这种“零驱动”模式,带来了一些原有旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和一定的优势。
(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部件,如螺杆,整个闭环控制系统的动态响应性能大大提高,响应极其灵敏快速。(2)精密直线驱动系统抵消了丝杠等机械机构带来的传动误差,减少了插补时传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测的反馈控制,可以大大提高机床的定位精度。
(3)动刚度高由于“直接驱动”,避免了起步、换挡、倒车时中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损、反向间隙引起的运动滞后现象,同时提高了传动刚度。
(4)速度快,加减速过程短。由于直线电机最早主要用在磁悬浮列车上(速度可以达到500Km/h),所以用在机床的进给驱动上,满足超高速切削的最大进给速度(要求是60 ~ 100 m/min或更高)当然是没有问题的。因为零传动的高速响应,大大缩短了加减速过程。为了实现起步时瞬间高速,高速运行时瞬间准停。可以获得较高的加速度,一般达到(2 ~ 10) g (g = 9.8m/s2),而滚珠丝杠传动的最大加速度只有(0.1 ~ 0.5) g。
(5)行程长度不限。通过在导轨上连接一系列线性电机,可以无限延长行程长度。
(6)运动安静,噪音低。由于传动螺杆等部件的机械摩擦被取消,导轨可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨(无机械接触),运动时的噪音将大大降低。
(7)效率高。由于没有中间传动环节,消除了机械摩擦时的能量损失。Kollmorgen PLATINNM DDL系列直线电机和SERVOSTAR CD系列数字伺服放大器构成了典型的直线永磁伺服系统,能够提供高动态响应速度和加速度、高刚性、高定位精度和平滑无误差的运动。
20世纪60年代末美国第一台可编程逻辑控制器(PLC)问世以来,PLC控制技术已经走过了30年的发展历程,特别是随着现代计算机技术和微电子技术的发展,在硬件和软件技术上已经远远超越了最初的“顺序控制”的萌芽阶段。可编程计算机控制器(PCC)是代表这一发展趋势的新一代可编程控制器。
与常规PLC相比,PCC的特点是分时多任务操作系统和类似于大型计算机的多样化应用软件设计。大多数常规PLC使用单任务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I/O通道的状态采集和刷新。这样,真正的“控制速度”直接取决于应用程序的大小,这无疑与I/O通道中的高实时控制要求相违背。PCC的系统软件完美解决了这个问题。它采用分时多任务机制来构建其应用软件的运行平台,使得应用的运行周期与程序的长短无关,而是由操作系统的周期决定。从而区分了应用程序的扫描周期和真实的外部控制周期,满足了实时控制的要求。当然,这个控制周期可以在CPU的计算能力允许的前提下,根据用户的实际要求任意修改。