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運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的新發(fā)展
運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的新發(fā)展
信息時(shí)代的*流向傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，引起后者的深刻變革,。作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之一的機(jī)械工業(yè),，在這場(chǎng)新技術(shù)革命沖擊下，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都發(fā)生了質(zhì)的躍變,，微電子技術(shù),、微計(jì)算機(jī)技術(shù)使信息和智能與機(jī)械裝置和動(dòng)力設(shè)備相結(jié)合，促使機(jī)械工業(yè)開始了一場(chǎng)大規(guī)模的機(jī)電一體化技術(shù)革命,。
隨著計(jì)算機(jī)電子電力和傳感器技術(shù)的發(fā)展,，各*國(guó)家機(jī)電一體化產(chǎn)品層出不窮。機(jī)床,、汽車,、儀表、家用電器,、輕工機(jī)械,、紡織機(jī)械,、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械,、冶金機(jī)械,、化工機(jī)械以及工業(yè)機(jī)器人、智能機(jī)器人等許多門類產(chǎn)品每年都有新的進(jìn)展,。機(jī)電一體化技術(shù)已越來越受到各方面的關(guān)注,，它在改善人民生活、提高工作效率,、節(jié)約能源,、降低材料消耗、增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力等方面起著極大的作用,。
在機(jī)電一體化技術(shù)迅速發(fā)展的同時(shí),，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)作為其關(guān)鍵組成部分，也得到大發(fā)展,，各廠家相繼推出運(yùn)動(dòng)控制的新技術(shù),、新產(chǎn)品。本文主要介紹全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動(dòng)（Full Closed AC Servo）,、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)（Linear Motor Driving）,、可編程序計(jì)算機(jī)控制器（Programmable Computer Controller，PCC）等幾項(xiàng)具有代表性的新技術(shù),。
二、全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)
在一些定位精度或動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求比較高的機(jī)電一體化產(chǎn)品中,，廣泛使用數(shù)字式交流伺服系統(tǒng),。這種伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器對(duì)電機(jī)軸后端部的光電編碼器進(jìn)行位置采樣，在驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)之間構(gòu)成位置和速度的閉環(huán)控制系統(tǒng),。位置控制分辨高,，可靠性好。
通常帶位置環(huán)的伺服系統(tǒng),，位置環(huán)的反饋采樣取自伺服電機(jī)的編碼器,，對(duì)于傳動(dòng)鏈上的間隙及誤差還不能補(bǔ)償克服，只能形成半閉環(huán)的位置控制系統(tǒng),。松下公司新近推出了一種更完善,、可以實(shí)現(xiàn)更高精度的全閉環(huán)全數(shù)字式伺服系統(tǒng)。
通常帶位置環(huán)的伺服系統(tǒng),，位置環(huán)的反饋采樣取自伺服電機(jī)的編碼器,，對(duì)于傳動(dòng)鏈上的間隙及誤差還不能補(bǔ)償克服，只能形成半閉環(huán)的位置控制系統(tǒng),。松下公司新近推出了一種更完善,、可以實(shí)現(xiàn)更高精度的全閉環(huán)全數(shù)字式伺服系統(tǒng),。
該系統(tǒng)克服了上述半閉環(huán)系統(tǒng)的缺陷，位置環(huán)的采樣可以直接采自裝在最后一級(jí)機(jī)械上的位置反饋元件(如光柵尺,、磁柵尺,、旋轉(zhuǎn)編碼器等)，而電機(jī)上的編碼器此時(shí)僅作為速度環(huán)的反饋,，這樣就可以消除機(jī)械上存在的一切間隙,，并且該伺服系統(tǒng)還可以對(duì)機(jī)械傳動(dòng)上出現(xiàn)的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到真正全閉環(huán)的功能,，實(shí)現(xiàn)高精度的位置控制,。而且這種全閉環(huán)控制均由驅(qū)動(dòng)器來完成，無需增加上位控制器的負(fù)擔(dān),。
由于采用全閉環(huán)交流伺服系統(tǒng)能獲得*的定位精度,，而不需增加上位控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度。所以它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床,、臺(tái)鉆機(jī)等高精度數(shù)控設(shè)備,。
三、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)
直線電動(dòng)機(jī)在機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用,，近幾年來已在世界機(jī)床行業(yè)得到重視,，并在西歐工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)掀起“直線電動(dòng)機(jī)熱”。
在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中,，采用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)與原旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的最大區(qū)別是取消了從電動(dòng)機(jī)到工作臺(tái)（拖板）之間的一切機(jī)械中間傳動(dòng)環(huán)節(jié),，把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零。這種傳動(dòng)方式被稱為“零傳動(dòng)”,。正由于這種“零傳動(dòng)”方式,，帶來了原旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無法達(dá)到的性能指標(biāo)和一定優(yōu)點(diǎn)。
（1）高速響應(yīng)
由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大的如絲杠等機(jī)械傳動(dòng)件,，使整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能大大提高,，反應(yīng)異常靈敏快捷。
（2）精度
直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取消了由于絲杠等機(jī)械機(jī)構(gòu)引起的傳動(dòng)誤差減少了插補(bǔ)時(shí)因傳動(dòng)系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差,。通過直線位置檢測(cè)反饋控制,，即可大大提高機(jī)床的定位精度。
（3）動(dòng)剛度高
由于“直接驅(qū)動(dòng)”,，避免了啟動(dòng),、變速和換向時(shí)因中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運(yùn)動(dòng)滯后現(xiàn)象,，同時(shí)提高了其傳動(dòng)剛度,。
（4）速度快、加減速過程短
由于直線電動(dòng)機(jī)最早主要用于磁懸浮列車（時(shí)速可達(dá)500Km/h）,，所以用在機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中,，要滿足其超高速切削的最大進(jìn)個(gè)速度（要求達(dá)60～100M/min或更高）當(dāng)然是沒有問題的,。也由于上述零傳動(dòng)的高速響應(yīng)性，使其加減速過程大大縮短,。以實(shí)現(xiàn)起動(dòng)時(shí)瞬間達(dá)到高速,，高速運(yùn)行時(shí)又能瞬間準(zhǔn)停?？色@得較高的加速度,，一般可達(dá)（2～10）g（g=9.8m/s2），而滾珠絲杠傳動(dòng)的最大加速度只有（0.1～0.5）g,。
（5）行程長(zhǎng)度不受限制
在導(dǎo)軌上通過串聯(lián)直線電機(jī),，就可以無限延長(zhǎng)其行程長(zhǎng)度。
（6）動(dòng)安靜,、噪音低
由于取消了傳動(dòng)絲杠等部件的機(jī)械摩擦,，且導(dǎo)軌又可采用滾動(dòng)導(dǎo)軌或磁墊懸浮導(dǎo)軌（無機(jī)械接觸），其運(yùn)動(dòng)時(shí)噪音將大大降低,。
（7）效率高
由于無中間傳動(dòng)環(huán)節(jié),，消除了機(jī)械摩擦?xí)r的能量損耗?？茽柲Ω鵓LATINNM DDL系列直線電機(jī)和SERVOSTAR CD系列數(shù)字伺服放大器構(gòu)成一種典型的直線永磁伺服系統(tǒng),，它能提供很高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和加速度、*的剛度,、高的定位精度和平滑的無差運(yùn)動(dòng),。
四、可編程計(jì)算機(jī)控制器技術(shù)
自20世紀(jì)60年代末美國(guó)第一臺(tái)可編程序控制器PLC問世以來,，PLC控制技術(shù)已走過了30年的發(fā)展歷程,，尤其是隨著近代計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，它已在軟硬件技術(shù)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)走出了當(dāng)初的“順序控制”的雛形階段,。可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC）就是代表這一發(fā)展趨勢(shì)的新一代可編程控制器,。
與常規(guī)的PLC相比較,，PCC最大的特點(diǎn)在于其類似于大型計(jì)算機(jī)的分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)和多樣化的應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)。常規(guī)的PLC大多采用單任務(wù)的時(shí)鐘掃描或監(jiān)控程序來處理程序本身的邏輯運(yùn)算指令和外部的I/O通道的狀態(tài)采集與刷新,。這樣處理,，直接導(dǎo)致了真正意義上的“控制速度”依賴于應(yīng)用程序的大小，這一結(jié)果無疑是同I/O通道中高實(shí)時(shí)性的控制要求相違背的,。PCC的系統(tǒng)軟件解決了這一問題,，它采用分時(shí)多任務(wù)機(jī)制構(gòu)筑其應(yīng)用軟件的運(yùn)行平臺(tái)，這樣應(yīng)用程序的運(yùn)行周期則與程序長(zhǎng)短無關(guān),，而是由操作系統(tǒng)的循環(huán)周期決定,。由此,，它將應(yīng)用程序的掃描周期同真正外部的控制周期區(qū)別開來，滿足了真正實(shí)時(shí)控制的要求,。當(dāng)然,，這種控制周期可以在CPU運(yùn)算能力允許的前提下，按照用戶的實(shí)際要求,，任意修改
基于這樣的操作系統(tǒng),，PCC的應(yīng)用程序由多任務(wù)模塊構(gòu)成，給項(xiàng)目應(yīng)用軟件的開發(fā)帶來很大的便利,。因?yàn)檫@樣可以方便地按照控制項(xiàng)目中各部分不同的功能要求,，如運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集,，報(bào)警,，PID調(diào)節(jié)運(yùn)算，通信控制等,，分別編制出控制程序模塊（任務(wù)）,，這些模塊既獨(dú)立運(yùn)行，數(shù)據(jù)間又保持一定的相互關(guān)聯(lián),，這些模塊經(jīng)過分步驟的獨(dú)立編制和調(diào)試之后,，可一同下載至PCC的CPU中，在多任務(wù)操作系統(tǒng)的調(diào)度管理下并行運(yùn)行,，共同實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的控制要求,。
PCC在工業(yè)控制中強(qiáng)大的功能優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)了可編程控制器與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及DCS（分布式工業(yè)控制系統(tǒng)）技術(shù)互相融合的發(fā)展潮流,，雖然這還是一項(xiàng)較為年輕的技術(shù),，但在其越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域中，它正日益顯示出不可低估的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
五,、結(jié)束語(yǔ)
科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，促使運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)不斷進(jìn)步,，這必將使我國(guó)的機(jī)電一體化技術(shù)水平不斷提高,。