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运动控制已朝多元化技术发展
面对多轴应用需求
[作者 盧傑瑞]   2019年11月05日 星期二 浏览人次: [1970]

在工厂自动化的领域中,运动控制主要是指伺服操作的控制,以及与此控制有关的运算处理,透过运动控制机制来执行处理设备的动作和控制。


由於每台的设备均由马达驱动,当马达通电时,马达会将电能转换为动能,因此运动控制指的也就是控制马达。透过有一个控制马达主体的驱动器,和一个马达控制板,利用马达控制机制来输出并控制脉冲信号,下达动作指令来进行控制。


目前工业用的机器人可以±0.1 mm或更小的精度控制各种操作,这些都是取决於马达控制机制的能力值。例如,当使机器人执行诸如画圆之类的操作时,必须以一个脉冲为单位,非常精确地调谐和控制多个伺服马达,即使乍一看似??很容易,实际上也会执行非常复杂的运算处理。马达控制机制可以代替PLC来执行复杂的运算处理,例如对多个伺服马达(包括需要此类运算处理的机器人)进行调谐控制和定位控制。


另外,运动控制机制通常是安装在伺服马达上,但其他的装置,例如传送带控制,多轴机器人的轴控制、定位控制以及各种控制设定,则是遍布设备或工厂各处,因此为了精确地进行控制,就需要透过运动控制来完成。还有,在精密机械加工、机器人、绕线机、半导体制造设备等,运动控制也是不可或缺的。


简单的说,运动控制可完成包括了正确的多轴控制、转矩控制、对作业动作机构(机器手臂等)进行同步、协调的运动等。不过定位控制器是无法进行轮廓控制。


机器人的运动控制,基本上是内置在机器人控制器中,虽然无需使用可连接到PLC的控制器,但在内部制造组合多个伺服电机的设备时,就必需要运动控制器(图1)。



图1 : 需要运动控制器来对多伺服电机进行管理。(source:富士电机)
图1 : 需要运动控制器来对多伺服电机进行管理。(source:富士电机)

对於连接有多个伺服马达的传送装置来说,例如将多个机器人连接在一起的情况下,因此在透过机器人来进行大规模自动产生时就必须使用这些机制。


运动控制器主要由伺服电机的业者提供,由於每个伺服马达的脉冲转速都不同,因此各家业者都只能提供支援本身的伺服马达的控制器。而这些业者也提供了多种类型的运动控制器,可以依照使用的情况来决定采用的规格。


简单的说,每个类型规格最大的不同点是用於运算处理的CPU的性能。如果CPU具有高性能,则将缩短运算处理所需的时间,进而而可以高速执行运动控制。还有由於可以增加处理量,因此高性能运动控制器可以由单一个控制器来控制的大量伺服马达。一般来说,可以控制在2到32个轴范,不同能力值的运动控制器可控制的轴数是不同。尽管用於开发控制软体的基础语言会因业者而异,但基本上大多是使用FA编程语言(例如SFC语言和ST语言)进行开发。


传统包装设备的运动控制模式的缺点与改善

在智慧制造技术的背景下,需要更进一步地提高生产效率,以及在制造业中对於工厂自动化进行最大化的附加价值。目前全球各电机业者已经能透过充分利用IoT来提高制造和加工产线的生产率并降低成本,或是对於食品工厂的包装线,开发了新一代的运动控制技术,来达到高包装速度,以及稳定的密封加工的最隹控制。


在亚洲,包括中国和印度,对食物的需求随着人囗的增长而增加,对食物包装设备的需求也显着增长。目前包装设备业者正在透过从机械方式更改为伺服方式来提高效能,以增加单位时间的包装量。


立式枕状包装设备的基本系统结构如图2所示。立式枕状包装机使用的薄膜传送机构是从上到下地垂直地输送包装薄膜,主要是利用重力将包装物传送给到薄膜之中,然後使用加热式封囗机构来进行密封袋囗。



图2 : 传统立式枕状包装设备的基本系统结构。(source:富士电机)
图2 : 传统立式枕状包装设备的基本系统结构。(source:富士电机)

在传统上,控制的方法就如图3中所示。薄膜传送轴马达和封囗轴马达的位置通常是,透过梯形的加减速来控制,并且每个轴的旋转速度,是与包装速度相对应的比率来确定。增加包装速度会增加密封机构的撞击速度,并增加撞击力。这样的结果,会对整个机器产生震动,进而对於稳定的密封品质造成影响。



图3 : 增加包装速度会对於稳定的密封品质造成影响。(source:富士电机)
图3 : 增加包装速度会对於稳定的密封品质造成影响。(source:富士电机)

日本富士电机提出了一个透过PLC来调整包装机控制的概念(图4)。在这样的运动控制中,进行密封薄膜时,密封轴的旋转速度可以保持恒定,并且可以透过改变其他部分的速度来改变包装速度,进而达到无论包装速度如何调整,都能够进行稳定的密封作业。透过这样的机制,在实际的应用上,能够大幅度的提高包装速度。



图4 : 透过PLC来调整包装机控制,提高包装稳定度。(source:富士电机)
图4 : 透过PLC来调整包装机控制,提高包装稳定度。(source:富士电机)

讯号传送和控制正朝多元化的发展

但就趋势观察,运动系统的确是逐渐趋於复杂化,由於通讯式架构可以针对更多不同的功能进行配置,在复杂的产线上将可发挥更大的作用。业者指出,在复杂化的系统上考虑的不是单点的运动效果,而是整个生产线的流程整合。当动作复杂的时候,业者会想要了解整个生产线系统上的机台是如何运作的,这时在上位的资料整合的软体系统的重要性,也就被凸显出来。


虽然PLC目前仍占有运动控制大部份的控制器市场,不过PC-Based 控制器已渐渐扩大了市场占比,主要原因在於现在生产系统都要求整合,尤其是往上层或与IT系统的整合。而现在的制造管理软体,几??都是Window Based,这与传统PLC架构格格不入,相对的,PC-Based控制器所提供的Ethernet介面、RAM、储存装置(CF)、作业系统与关联式资料库连接,都可以用非常低的价格取得,而且整合非常容易。


因此开始透过IPC等PC-Based设备来规划运动控制的应用,也形成运动控制系统的不同选择。PC-Based类设备被认为在功能性上的确较为强大,但在稳定性议题上也造成相当的不确定性,所以在传统上除非是在PLC无法负担之时,才以IPC取代,加上IPC的成本相较於PLC来说的确较高,以及在提升介面时的复杂度问题,这些面向也每每成为两阵营相互较劲之处。不过虽然IPC成本较其他架构为高,但由於其容易与资料库及I/O进行整合,也受到厂商相当的关注。


目前以技术而言,运动控制的讯号传送技术主流,包括了脉冲式和通讯式为主。无论是采用脉冲式或通讯式的运动控制,多取决於应用及环境的需求,例如,脉冲式大多应用在单机、轴数较少、独立运作的设备,而系统较庞大、且多轴应用的产线,为了降低配线的复杂度,就会以通讯式系统为主。


目前的运动控制器均都提供了这两种应用技术,但并非在面对多轴的环境下,就非得选用通讯式不可,例如脉冲式控制器可以介接的马达选择较多,会因为对於马达成本的考量,而期??采用脉冲式控制器,因此在这样的需求下,已经有业者针对脉冲式的控制器,开发出「虚拟轴」的技术来支援多轴控制应用。


但目前传统脉冲技术的弱点逐渐出现,尤其是杂讯的干扰,例如马达间互为杂讯的干扰已经相当严重,使得同步讯号地无误传送更加困难,目前在较复杂的应用底下,控制器已经开始透过以数位的讯号取代脉冲命令,来提高讯号的精准度,达到多轴同步应用的目标。


在杂讯解决上,大多以提高控制器的晶片效能,来增加抗杂讯干扰的能力,或是以高脉冲传送的方式来降低杂讯所造成的影响。这是因为杂讯干扰的问题在系统上是一定会出现的,不过,如果能过高脉冲的方式,就可以有效的降低杂讯干扰,提升运动控制的精准度。


软体平台控制是运动控制趋势技术

透过CPU来进行指令处理,再以软体经由透过网路来控制各种马达、机器,这种所谓的软体运动控制,已经是近年来产业相竞开发的趋势技术之一。


软体运动控制是透过函式库与高阶语法,进行开发控制机制,这非常适合用应在规划大型系统,来进行高度复杂的动作规划,这种作法在PLC的架构上不易做到。软体运动控制的发展除了弹性应用之外,另外一个重点在於「智慧制造」,基於这样的架构基础,可以依需求快速,且高弹性的调整产线的产能与制程。


当然,软体控制也有一定程度的课题需要去克服,例如如果通讯介面无法共通整合,期??达到即时性控制会有一定困难,这方面是必须克服的。以目前来说,在通讯协定方面,大多数是采用EtherCAT技术,透过网路线即可支援大量工作站,让所有工作站只须1微秒就可以接受到同步的指令。


以目前来说,可以观察到软体运动控制逐渐被重视,有几项关键的条件,例如EtherCAT、Ethernet/IP 与 PROFINET等,能让大量的元件高速沟通的数位汇流排;其次是,透过具有微处理器和内建记忆体的智慧驱动器,来进行开关扭矩、判定位置和速度,以及与系统内其他装置沟通。


如前述,运动控制器是透过类比讯号将指令传送出去,进行关闭控制机制和速度控制。如果面对大型设备或多轴应用的化,这样会大幅增加成本、和设备操控的复杂度。


虽然软体运动控制可以透过多应用程式来进行,但是面对简单的作动并不能展现出优点。只有在面对高复杂需求、极小误差、多轴数的系统,和高度同步的需求时,才会显出软体运动控制的高弹性与能力。


未来运动控制系统发展趋势

近年来,产业已朝着智慧制造迈进,无论是物联网,大数据分析和人工智慧等技术的发展。相信在未来,运动控制系统将朝向几个发展趋势。


更小体积来提供设备的体空间的优化

更小的体积,意味着可以在单位空间内放置更多运动控制元件,这是提升设备自动化,完成更多精细动作的基础。其实并不仅仅是在单台设备的体积的优化,为了使多轴系统的硬体空间进一步优化,其他技术也不断被应用。


更少接线和智慧型动控制网路

这样一来可以提升设备工程实施效率、强化EMC稳定性,和减少布线的困扰。所以,运动控制汇流排技术在今天已经是非常重要关键技术了,当设备动作越来越多时,继续用脉冲和类比控制就会显得相当吃力,因此发运动控制网路和智慧型数位系统将是主要趋势之一。


更强控制处理能力来满足多轴应用

随着设备同步轴数的增加,除了控制器需要更强大,能够以更快的速度处理更多的动作演算法。同样是毫秒级的同步控制,3个轴、30个轴、到上百个轴,对於控制器的运算速度,和网路频率和精度要求是有相当大的落差。随着愈来愈高的生产的精密度与高速度期??值,相信设备中被使用的轴数将会愈来愈多,这对於系统的处理能力依赖就更高。


大资料和端云计算

随着运动控制功能的增加,设备的资料将以几何倍数增加,设备各个动作的运行曲线、以及它们之间的相关性、步序的合理性、生产运行流程以及它们和设备运维、企业经济效益等等资料之间的关联性,这些都使运动控制元件将不再是单独孤立的产品和系统,而是必然会融合到智慧型网路中去,成为智慧设备终端元件的一员。


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