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Resumen: Las altas y nuevas tecnologías en la era de la información han promovido el rápido desarrollo de las industrias tradicionales. Han surgido algunas nuevas tecnologías de control de movimiento en la automatización de la industria mecánica: tecnología de servoaccionamiento de CA de circuito cerrado completo. tecnología de accionamiento de motor lineal y ordenadores programables, controlador, tarjeta de control de movimiento, etc. Este artículo analiza y revisa principalmente los principios básicos, las características y el estado de aplicación de estas nuevas tecnologías.
Palabras clave: tecnología de servoaccionamiento, motor lineal, controlador informático programable, control de movimiento
1 Introducción
Las altas y nuevas tecnologías en la era de la información fluyen hacia las tradicionales industrias, provocando profundos cambios en estas últimas. Como una de las industrias tradicionales, la industria de la maquinaria ha experimentado un salto cualitativo en la estructura del producto y la estructura del sistema de producción bajo el impacto de esta nueva revolución tecnológica. El rápido desarrollo de la tecnología microelectrónica y la tecnología de microcomputadoras ha hecho que la información, la inteligencia y los dispositivos mecánicos. La combinación de equipos eléctricos ha impulsado a la industria de la maquinaria a iniciar una revolución tecnológica mecatrónica a gran escala.
Con el desarrollo de la tecnología informática, la tecnología de energía electrónica y la tecnología de sensores, los productos mecatrónicos en los países avanzados están surgiendo uno tras otro. Cada año se producen nuevos desarrollos en muchas categorías de productos, como máquinas herramienta, automóviles, instrumentos, electrodomésticos, maquinaria industrial ligera, maquinaria textil, maquinaria de embalaje, maquinaria de impresión, maquinaria metalúrgica, maquinaria química, robots industriales y robots inteligentes. La tecnología mecatrónica ha atraído cada vez más atención desde todos los aspectos. Desempeña un papel importante en la mejora de la vida de las personas, la eficiencia del trabajo, el ahorro de energía, la reducción del consumo de materiales y la mejora de la competitividad corporativa.
Si bien la tecnología mecatrónica se está desarrollando rápidamente, la tecnología de control de movimiento, como componente clave de la misma, también ha experimentado un desarrollo sin precedentes. Varios fabricantes nacionales y extranjeros han lanzado sucesivamente nuevas tecnologías y nuevos productos en control de movimiento. Este artículo presenta principalmente la tecnología de servoaccionamiento de CA completamente cerrado (servo de CA completamente cerrado), la tecnología de accionamiento de motor lineal (conducción de motor lineal), el controlador de computadora programable (PCC) y la placa de control de movimiento (tablero de control de movimiento), etc.
2 Tecnología de servoaccionamiento de CA de circuito cerrado completo
En algunos productos mecatrónicos con una precisión de posicionamiento relativamente alta o requisitos de respuesta dinámica, se utilizan cada vez más servosistemas de CA, entre los que se encuentran los digitales. El sistema está más en línea con la tendencia del modo de control digital y es muy fácil de depurar y usar, por lo que se prefiere. El controlador de este servosistema utiliza un procesador de señal digital (DSP) avanzado, que puede realizar muestreo de posición en el codificador fotoeléctrico en el extremo posterior del eje del motor, formando un control de bucle cerrado de posición y velocidad entre el controlador y el motor. Sistema y aprovecha al máximo la potencia informática de alta velocidad del DSP para completar automáticamente el ajuste de ganancia de todo el servosistema, e incluso puede rastrear los cambios de carga y ajustar la ganancia del sistema en tiempo real. Transformada Rápida de Fourier (FFT) para calcular el rendimiento mecánico del equipo. Se detecta el punto de vibración y la vibración mecánica se elimina mediante filtrado de muesca.
En circunstancias normales, la mayor parte de este servosistema de CA digital funciona en un modo de control de bucle semicerrado, es decir, la retroalimentación del codificador en el servomotor sirve como bucle de velocidad y bucle de posición. Este método de control no puede superar ni compensar los huecos y errores en la cadena de transmisión. Para obtener una mayor precisión de control, se deben instalar componentes de detección de alta precisión (como reglas de rejilla, codificadores fotoeléctricos, etc.) en la parte móvil final, es decir, se logra un control de circuito completamente cerrado. El método de control de bucle cerrado completo más tradicional es: el servosistema solo acepta instrucciones de velocidad y completa el control del bucle de velocidad. El control del bucle de posición lo completa el controlador superior (este es el caso de la mayoría de los completamente cerrados). -sistemas CNC de máquina herramienta de bucle). Esto aumenta en gran medida la dificultad del controlador superior y limita la promoción de los servosistemas. En la actualidad, ha aparecido en el extranjero un servosistema digital de circuito cerrado más completo que puede lograr una mayor precisión, lo que facilita la realización de equipos de automatización de alta precisión. Su principio de control se muestra en la Figura 1.
Este sistema supera las deficiencias del sistema de control de circuito semicerrado mencionado anteriormente. El servoaccionamiento puede muestrear directamente los componentes de retroalimentación de posición (como escala de rejilla, escala magnética, codificador rotatorio, etc.) instalados. en la última etapa de piezas mecánicas móviles. ), como un bucle de posición, mientras que la realimentación del codificador en el motor solo actúa como un bucle de velocidad en este momento. De esta manera, el servosistema puede eliminar los espacios existentes en la transmisión mecánica (como espacios de engranajes, espacios de tornillos, etc.), compensar los errores de fabricación de las piezas de la transmisión mecánica (como errores de paso de tornillos, etc.) y Logre una verdadera función de control de posición de circuito cerrado completo, logrando una mayor precisión de posicionamiento. Además, este tipo de control de circuito completamente cerrado lo completa el servocontrolador sin aumentar la carga sobre el controlador de nivel superior. Por lo tanto, cada vez más industrias están comenzando a adoptar este servosistema en la transformación y desarrollo de sus equipos de automatización.
3 Tecnología de accionamiento de motores lineales
La aplicación de motores lineales en servosistemas de alimentación de máquinas herramienta ha recibido atención en la industria mundial de máquinas herramienta en los últimos años y ha desencadenado una ola de entusiasmo en las zonas industrialmente desarrolladas de Europa occidental"Linear Motor Heat".
En el sistema de alimentación de la máquina herramienta, la mayor diferencia entre el accionamiento directo del motor lineal y el accionamiento del motor rotativo original es que se elimina el enlace de transmisión mecánica desde el motor al banco de trabajo (arrastre), y la máquina avance de la herramienta La longitud de la cadena de transmisión se acorta a cero, por lo que este método de transmisión también se denomina "transmisión cero". Es precisamente gracias a este método de "transmisión cero" que aporta indicadores de rendimiento y ventajas que el método original de accionamiento por motor giratorio no puede lograr.
1. Respuesta de alta velocidad Debido a que algunas piezas de transmisión mecánica con grandes constantes de tiempo de respuesta (como tornillos, etc.) se eliminan directamente del sistema, el rendimiento de respuesta dinámica de todo el sistema de control de circuito cerrado Ha mejorado mucho y la respuesta es extremadamente sensible y rápida.
2. Precisión El sistema de accionamiento lineal elimina los espacios de transmisión y los errores causados por mecanismos mecánicos como tornillos, y reduce los errores de seguimiento causados por el retraso en el sistema de transmisión durante el movimiento de interpolación. Mediante el control de retroalimentación de detección de posición lineal, se puede mejorar enormemente la precisión de posicionamiento de la máquina herramienta.
3. La alta rigidez dinámica debido a la "transmisión directa" evita el retraso del movimiento causado por la deformación elástica, la fricción y el desgaste y el juego de los enlaces de transmisión intermedios durante el arranque, el cambio y la marcha atrás, y también mejora la mejora la rigidez de su transmisión.
4. Velocidad rápida y proceso corto de aceleración y desaceleración Dado que los motores lineales se utilizaron por primera vez principalmente en trenes maglev (velocidades de hasta 500 km/h), se utilizan en accionamientos de alimentación de máquinas herramienta para cumplir con sus requisitos ultrarrápidos. Requisitos de corte de alta velocidad. La velocidad máxima de alimentación (que debe ser de 60 ~ 100 M/min o superior) no es, por supuesto, un problema. Además, debido a la capacidad de respuesta a alta velocidad de la "transmisión cero" antes mencionada, el proceso de aceleración y desaceleración se acorta considerablemente. Para lograr una alta velocidad instantáneamente al arrancar y detenerse con precisión al instante cuando se ejecuta a alta velocidad. Puede obtener una mayor aceleración, generalmente hasta 2 ~ 10 g (g = 9,8 m/s2), mientras que la aceleración máxima de la transmisión por husillo de bolas es generalmente de solo 0,1 ~ 0,5 g.
5. La longitud de la carrera no está limitada Al conectar un motor lineal en serie en el riel guía, la longitud de la carrera se puede extender infinitamente.
6. El movimiento es silencioso y el ruido es bajo ya que se elimina la fricción mecánica del tornillo de transmisión y otros componentes, y el riel guía puede usar un riel guía rodante o un riel guía de suspensión de almohadilla magnética. (sin contacto mecánico), el ruido durante su movimiento se reducirá considerablemente.
7. Alta eficiencia Dado que no hay enlaces de transmisión intermedios, se elimina la pérdida de energía durante la fricción mecánica y la eficiencia de la transmisión mejora considerablemente.
El desarrollo de motores de accionamiento lineal también es cada vez más rápido y ha atraído mucha atención en la industria del control de movimiento. Los países con control de movimiento industrial relativamente desarrollado en el extranjero han comenzado a promover el uso de productos correspondientes. Entre ellos, los motores lineales de la serie PLATINNM DDL y los servoamplificadores digitales de la serie SERVOSTAR CD de Kollmorgen en los Estados Unidos constituyen un servosistema de imán permanente lineal típico. puede proporcionar alta velocidad de respuesta dinámica y aceleración, rigidez extremadamente alta, alta precisión de posicionamiento y movimiento suave y sin errores. Siemens de Alemania, Mitsui Seiki de Japón, Shanghai Silver Technology Co., Ltd. de Taiwán, etc., también han comenzado a utilizar sus productos en; Los motores lineales se utilizan en aplicaciones.
4 Tecnología de controlador programable por computadora
Desde la llegada del primer controlador lógico de programación (PLC) en los Estados Unidos a fines de la década de 1960, la tecnología de control PLC ha transcurrido 30 años de desarrollo. Especialmente con el desarrollo de la tecnología informática y la tecnología microelectrónica moderna, en términos de tecnología de software y hardware, ha ido mucho más allá de la etapa embrionaria del "control secuencial". El controlador informático programable (PCC) es una nueva generación de controladores programables que representa esta tendencia de desarrollo.
En comparación con el PLC tradicional, la característica más importante del PCC es que es similar al sistema operativo multitarea de tiempo compartido y al diseño de software de aplicación diversificada de una computadora grande. La mayoría de los PLC tradicionales utilizan programas de monitoreo o escaneo de reloj de tarea única para manejar las instrucciones de operación lógica del programa en sí y la recopilación de estado y actualización de los canales de E/S externos. Este método de procesamiento hace que la "velocidad de control" del PLC dependa directamente del tamaño del programa de aplicación. Este resultado es sin duda contrario a los altos requisitos de control en tiempo real en el canal de E/S. El software del sistema PCC resuelve perfectamente este problema. Utiliza un mecanismo multitarea de tiempo compartido para construir la plataforma de ejecución de su software de aplicación. De esta manera, el ciclo de ejecución de la aplicación no tiene nada que ver con la duración del programa. está determinado por el ciclo del sistema operativo. De este modo, distingue el ciclo de escaneo del programa de aplicación del ciclo de control externo y cumple con los requisitos del control en tiempo real. Por supuesto, este ciclo de control se puede modificar arbitrariamente de acuerdo con los requisitos reales del usuario siempre que la potencia informática de la CPU lo permita.
Basado en dicho sistema operativo, el programa de aplicación de PCC se compone de módulos multitarea, lo que aporta una gran comodidad al desarrollo de software de aplicación de proyectos de ingeniería. Porque de esta manera, los módulos del programa de control (tareas) se pueden compilar fácilmente de acuerdo con los diferentes requisitos funcionales de cada parte del proyecto de control, como control de movimiento, recopilación de datos, alarma, operación de ajuste PID, control de comunicación, etc. Se pueden ejecutar de forma independiente y los datos tienen una cierta correlación. Después de que estos módulos se compilan y depuran de forma independiente paso a paso, se pueden descargar juntos a la CPU de PCC y ejecutarse en paralelo bajo la gestión de programación de tareas múltiples. sistema operativo para lograr los requisitos de control del proyecto simultáneamente.
Las poderosas ventajas funcionales del PCC en el control industrial reflejan la tendencia de desarrollo de integrar controladores programables con computadoras de control industrial y tecnología DCS (sistema de control industrial distribuido), aunque todavía es una tecnología relativamente joven. En sus cada vez más campos de aplicación, muestra cada vez más un potencial de desarrollo que no puede subestimarse.
5 Tarjeta de control de movimiento
La tarjeta de control de movimiento es una unidad de control de nivel superior basada en PC industrial y utilizada en diversas situaciones de control de movimiento (incluyendo desplazamiento, velocidad, aceleración, etc. ). Su aparición se debe principalmente a: (1) Para cumplir con la estandarización, flexibilidad, apertura y otros requisitos de los nuevos sistemas CNC (2) en diversos equipos industriales (como maquinaria de embalaje, maquinaria de impresión, etc.), defensa nacional; (como sistemas de seguimiento y posicionamiento), etc.), dispositivos médicos inteligentes y otros equipos, existe una necesidad urgente de una plataforma de hardware para módulos de control de movimiento (3) La amplia aplicación de las PC en varios sitios industriales también impulsa la instalación; de tarjetas de control correspondientes para aprovechar al máximo las potentes funciones del PC.
Las tarjetas de control de movimiento suelen utilizar chips de control de movimiento profesionales o DSP de alta velocidad como núcleo de control de movimiento, y se utilizan principalmente para controlar motores paso a paso o servomotores. Generalmente, la tarjeta de control de movimiento y la PC forman una estructura de control maestro-esclavo: la PC es responsable de la gestión de la interfaz de interacción persona-computadora y del monitoreo en tiempo real del sistema de control (como la administración del teclado y el mouse, el sistema visualización de estado, trayectoria de movimiento), planificación, envío de instrucciones de control, monitoreo de señales externas, etc.); la tarjeta de control completa todos los detalles del control de movimiento (incluida la salida de señales de pulso y dirección, procesamiento de aceleración y disminución automática de velocidad, detección de señales). como origen y límite, etc.). Las tarjetas de control de movimiento están equipadas con bibliotecas de funciones abiertas para que los usuarios desarrollen y construyan los sistemas de control necesarios bajo plataformas de sistema DOS o Windows. Por lo tanto, este tipo de tarjeta de control de movimiento con estructura abierta puede usarse ampliamente en diversos campos de la automatización de equipos en la fabricación.
Este modo de control de movimiento es relativamente popular en los sistemas de control de equipos de automatización extranjeros. Las tarjetas de control de movimiento también han formado una industria especializada independiente. Los productos representativos incluyen American PMAC, PARKER y otras tarjetas de control de movimiento. Los productos correspondientes también han aparecido en China, por ejemplo, las tarjetas de la serie DMC300 de Chengdu Stepper Electromechanical Co., Ltd. se han utilizado con éxito en una variedad de equipos de automatización, como máquinas perforadoras CNC y bancos de pruebas de rendimiento de componentes automotrices.
6 Conclusión
El rápido desarrollo de la tecnología informática y la tecnología microelectrónica ha promovido el progreso continuo de la tecnología de control de movimiento industrial, con la aparición de tecnologías como el servoaccionamiento de CA de circuito cerrado completo. sistema, tecnología de accionamiento de motor lineal. Muchas tecnologías prácticas avanzadas, como controladores informáticos programables y tarjetas de control de movimiento, proporcionan medios eficientes para desarrollar y fabricar equipos de automatización industrial. Esto también promoverá inevitablemente la mejora continua del nivel de tecnología mecatrónica de mi país.