運動控制是指“控制移動”之意。其代表可以舉出利用各種電機進行位置控制等。電能附加給電機,使電機工作,轉(zhuǎn)換為動能。這項技術(shù)作為機床、機械手控制、半導體制造裝置、注塑成型機、數(shù)字家電檢查裝置等的核心,發(fā)揮著巨大的作用,在這一領(lǐng)域的設(shè)備投資近年來大幅增長。
運動控制技術(shù)是自動化技術(shù)和電氣拖動技術(shù)的融合,以工控機、PLC、DSP等為控制器的運動控制技術(shù)融合了微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、檢測技術(shù)、自動化技術(shù)以及伺服控制技術(shù)等學科的新成果,在工業(yè)生產(chǎn)中起著極為重要的作用。
運動控制起源于早期的伺服系統(tǒng)(Servomechanism),基本上可以說是一個相當有歷史的技術(shù)。簡單地說,運動控制就是對機械運動部件的位置、速度等進行實時的控制管理,使其按照預期的運動軌跡和規(guī)定的運動參數(shù)進行運動。
早期的運動控制技術(shù)主要是伴隨著數(shù)控技術(shù)、機器人技術(shù)和工廠自動化技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的?,F(xiàn)已廣泛應用于國民經(jīng)濟的各個行業(yè),且應用形式多種多樣,主要應用領(lǐng)域如下:
2)機械行業(yè):機床定位控制、加工軌跡控制、自動化流水線及機械手的控制等。
運動控制器是運動控制系統(tǒng)的核心部件,負責產(chǎn)生運動路徑的控制指令,用于設(shè)備的邏輯控制,將運動參數(shù)分配給需要運動的軸,并對被控對象的外部環(huán)境變化及時做出響應。
通用運動控制器通常都提供一系列運動規(guī)劃方法,基于對沖擊、加速度和速度等這些可影響動態(tài)軌跡精度的量值加以限制,提供對運動控制過程的運動參數(shù)的設(shè)置和運動相關(guān)的指令,使其按預先規(guī)定的運動參數(shù)和規(guī)定的軌跡完成相應的動作。
運動控制器通過一定的通信手段將控制信號或命令發(fā)送給驅(qū)動器,驅(qū)動器為執(zhí)行機構(gòu)(通常為電機)提供轉(zhuǎn)動能源動力,運動控制器接收并且分析反饋信號,得到跟隨誤差后,根據(jù)控制器的算法,產(chǎn)生減小誤差的控制信號,從而提高了運動控制的精度。
比如各品牌工業(yè)自動化廠家的各種運動控制器,比如西門子的D445等,控制器內(nèi)部有自己的配置方式、編程語言、和運動控制庫,可自身獨立使用,也可以和PLC組合使用,實現(xiàn)各種運動控制功能
一般是PCI插槽的,或者是104板卡的。這類運動卡,內(nèi)置各種運動控制方法庫,通過高級編程語言(C#/C++/C等)調(diào)用,實現(xiàn)運動控制功能。這種基于PC的運動控制卡,相比工業(yè)自動化廠家的各種運動控制器,性價比更高,且使用靈活。目前國內(nèi)外運動控制卡公司有美國的GALIL和PMAC,英國的翠歐,臺灣的臺達、凌華和研華,大陸的研控、雷賽、高古、樂創(chuàng)和風行等。
驅(qū)動器是運動控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換裝置,用于將來自運動控制器的控制信號轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機構(gòu)的運動,典型的驅(qū)動器如變頻器、步進驅(qū)動器、伺服驅(qū)動器。
控制器產(chǎn)生的命令信號是微小信號,通過驅(qū)動器放大這些信號以滿足電機的工作需求,故伺服驅(qū)動器(servodrives)又稱為“伺服控制器”或“伺服放大器”,屬于伺服系統(tǒng)的一部分,主要應用于高精度的定位系統(tǒng)。
伺服驅(qū)動器一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服電機進行控制,實現(xiàn)高精度傳動系統(tǒng)的控制。尤其是應用于交流永磁同步電機控制的伺服驅(qū)動器已經(jīng)成為國內(nèi)廣泛采用的產(chǎn)品。伺服驅(qū)動器的調(diào)速范圍寬、精度高、可靠性高,還提供多種參數(shù)供用戶調(diào)節(jié)。
步進驅(qū)動器是將接收到的運動指令轉(zhuǎn)換為步進電機的角位移(對應步距角)的執(zhí)行機構(gòu)。通常情況下接收對應位移的脈沖信號時,當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號,按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個步距角,它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。外部控制器可以通過控制脈沖個數(shù)來控制步進電機的角位移量,從而達到調(diào)速和定位的目的。步進系統(tǒng)被廣泛應用于雕刻機、電腦繡花機、數(shù)控機床、包裝機械、點膠機、切料送料系統(tǒng)、測量儀器等設(shè)備上。
執(zhí)行機構(gòu)是運動控制系統(tǒng)中的控制對象,用于將驅(qū)動信號轉(zhuǎn)換為位移、旋轉(zhuǎn)等,執(zhí)行機構(gòu)通過一些機械機構(gòu)連接,實現(xiàn)控制對象的運動。常見的執(zhí)行機構(gòu)如各種類型的電機、液壓、啟動設(shè)備。
常見的傳動機構(gòu)有:滾珠絲桿、齒輪傳動、齒條傳動、帶傳動、絲桿傳動,鏈傳動、液壓傳動、氣壓傳動等。
電機主要分為步進電機和伺服電機,二者的控制方式不同,步進電機通過控制脈沖的個數(shù)控制轉(zhuǎn)動角度的,一個脈沖對應一個步距角。伺服電機通過控制定子電角度的旋轉(zhuǎn),帶動轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn),并經(jīng)過編碼器的反饋構(gòu)成閉環(huán),從定位到目標角度。伺服電機運行平穩(wěn),還具有較強的過載能力,各方面性能優(yōu)于步進電機。
反饋裝置是運動控制系統(tǒng)中進行檢測并處理反饋的裝置,主要反饋的是負載的位置和速度,例如編碼器、光柵尺等,編碼器是一種非常常見的反饋裝置。
點位運動是指:運動控制器控制運動平臺從當前位置開始以設(shè)定的速度運動到指定位置后準確地停止。
點位運動只關(guān)注終點坐標,對運動軌跡的精度沒有要求。點位運動的運動距離由脈沖數(shù)決定,運動速度由脈沖頻率決定。
點位運動主要特點在于僅對運動的終點位置有要求,而與運動的中間過程或軌跡無關(guān)。在點位運動模式下,各軸可以獨立設(shè)置目標位置、目標速度、加速度、減速度、起跳速度以及平滑時間等運動參數(shù),因此它們能夠獨立運動或停止。
鉆孔與點焊:在制造業(yè)中,鉆孔和點焊是常見的工藝過程。點位運動控制能夠精確地控制工具或電極的運動,確保它們能夠準確地到達預設(shè)的位置,實現(xiàn)精確的鉆孔或點焊。
抓取物料:在自動化生產(chǎn)線上,機器人或機械臂需要頻繁地抓取和放置物料。點位運動控制可以幫助這些設(shè)備準確地到達物料的位置,進行抓取或放置操作,從而大大提高生產(chǎn)效率。
數(shù)控機床加工:在數(shù)控機床加工領(lǐng)域,點位運動控制用于確保刀具能夠精確地到達指定的加工位置,實現(xiàn)高精度的切削或磨削操作。
機器人技術(shù):在機器人技術(shù)中,點位運動控制是實現(xiàn)機器人精確操作的關(guān)鍵。無論是工業(yè)機器人還是服務型機器人,都需要通過點位運動控制來實現(xiàn)對目標位置的準確到達和操作。
連續(xù)運動是指:電機從起始速度開始運行,加速至最大速度后連續(xù)運動;只有當接收到停止指令或外部停止信號后,才減速停止。連續(xù)運動指令其實就是速度控制指令,國外運動控制器將此指令稱為JOG 指令。
為了實現(xiàn)軌跡控制,運動控制按照一定的控制策略控制多軸聯(lián)動,使運動平臺用微小直線段精確地逼近軌跡的理論曲線,保證運動平臺從起點到終點上的所有軌跡點都控制在允許誤差范圍內(nèi)。這種控制策略稱為插補算法因此軌跡運動通常稱為插補運動。插補運動有許多種類,如:直線插補、圓弧插補、螺旋線插補、拋物線插補等。類,如:直線插補、圓弧插補、螺旋線插補、拋物線插補等。
插補運動至少需要兩個軸參與,進行插補運動時,會將規(guī)劃軸映射到相應的機臺坐標系中。運動控制器會根據(jù)坐標映射關(guān)系,控制各軸的運動,從而實現(xiàn)所需的運動軌跡。插補運動的指令會被存入運動緩沖區(qū),然后依次從緩沖區(qū)中取出指令執(zhí)行,直到插補運動全部完成。
直線插補:在直線插補中,兩點間的插補是沿著直線的點群來逼近的。例如,在實際輪廓的起始點處,首先沿X方向走一小段距離,然后根據(jù)終點相對于實際輪廓的位置,可能沿Y方向再走一小段。這個過程會不斷重復,直到到達終點。雖然實際輪廓是由一段段的折線拼接而成,但每一段插補線段在精度允許范圍內(nèi)都非常小,因此可以近似看做一條直線段。
插補運動在運動控制系統(tǒng)中起到了關(guān)鍵作用,它使得機械部件能夠按照預定的軌跡進行精確運動,從而實現(xiàn)各種復雜的加工和操作任務。
在運動平臺上,每個軸都有一個位置傳感器用于設(shè)置一個位置參考點,即原點位置,以便進行位置控制。在正常運動之前,都需要用回零指令控制平臺向原點方向運動,當控制卡檢測到原點信號 ORG 后,平臺自動停止,并將停止位置作為該軸的原點。
系列卡支持異常減速停止時間設(shè)置功能,異常減速停止包括命令減速停止、硬限位減速停止、軟限位減速停止、 IO 觸 發(fā)減速停止等,用戶根據(jù)現(xiàn)場實際需求情況設(shè)定減速停止時間可達到理想的減速效果。
用于檢測平臺的位移或電機的轉(zhuǎn)角。編碼器有 EA 、 EB 、 EZ 三個信號,脈沖計數(shù)信號由 EA 和 EB端口輸入;它可以接收兩種類型的脈沖信號:正負脈沖輸入或 A/B 相正交信號; EZ 信號是編碼器零位信號。
系列運動控制卡除了運動控制功能外,還提供了數(shù)字式輸入信號( Input )和輸出信號( Output )即 IO信號的控制功能。專用 IO 信號用于原點、限位、伺服電機等控制,有專用控制指令相對應。
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