前沿运动控制技术

前沿运动控制技术

运动控制成为自动化的热点

一、市场需求的变化

1.1多品种，小批量的市场需求

运动控制越来越多的被应用到机器设计中，它不仅仅提高了机器的速度、精度，更重要的是它提供了更加灵活的机器设计，对于今天，小批量和多品种的终端消费需求而言，运动控制提供了完美的响应。

欧美主流运动控制厂商，SIEMENS 、Bosch Rexroth、B&R、LENZE 、Rockwell AB均在运动控制领域投入了重兵，SIEMENS 推出T-CPU 和Simotion 以及Sinamic120驱动技术，同时在中国建立了伺服电机生产工厂来实现本土化的运行。B&R为了拓展其在运动控制市场的方案集成能力在2007-2008年相继推出了ACOPOSmulti 应用于多轴系统的方案，以及ACOPOSmicro 、ACOPOSinveter ，并且在其Automation Studio 开发工具包中将PLC Open Motion/Hydraulic集成，同时Robotics(机器人技术) 和CNC 也被融入到其开发工具包中。Schneider 为了进入运动控制市场收购了在包装机械领域大量应用的ELAU 、以及以步进电机而知名的百格拉，并且在各个主要OEM 市场建立了MAC(机械自动化中心) ，Rockwell AB为了寻求在该领域的拓展，弥补其在低端市场的价格竞争力而收购了OEMax ，Bosch Rexroth也在国内寻求合作，收购了深圳的变频器制造商以获得本土的生产来扩展其运动控制的方案提供能力。

1.2独立驱动技术

在各种机器设计中，印刷机械对于运动控制的响应能力要求是最高的，无轴传动概念由Bosch Rexroth在1994年开始提出并应用，这个技术带来了机器设计的革命性变化，它使得传统的机械主轴磨损、维护高以及不便于变换订单的劣势得到改善，使得机器变得更加方便，在欧洲著名的印刷机械制造商，包括Man Roland 、KBA 和GOSS 的卷筒纸报纸印刷设备上均采用了这一概念的设计，Synax200是一个无轴传动的集成产品，是将Bosch Rexroth 的产品与行业应用的集成，在国内，北人印刷机械和无锡宝南机器制造也在其报纸印刷上采用了Synax200系统。之后，B&R 2003年开始与陕西北人印刷机械开始在高端的凹版印刷机械上开发成功国内第一台纸纸凹版印刷机，其设计速度高达300米/分钟，之后，SIEMENS 也高调与中山松德建立了合作，在2008年B&R获得了上海鼎龙全伺服瓦楞纸开槽印刷机的成功开发，并且在卫星式柔版印刷机上获得了多达62个伺服轴的应用项目。

LENZE 在郑纺机、盐城宏华的多单元浆纱机系统中的应用占据较高的市场份额，每年有上百台采用LENZE 伺服的浆纱机在国内得到应用，而SIEMENS 的MasterDrvier 驱动技术在盐城纺机、无锡华力等得到了多单元浆纱机的成功应用，在控制纱线的上浆、卷绕的同步控制方面，多单元独立驱动技术的发挥了其稳定可靠的优势，使得浆纱质量得到很好的控制。

轮胎成型机是一个对于变化的需求要求非常高的应用，它在轮胎的加工过程中，需针对不同的轮胎生产要求，对带束层、侧胶、钢丝圈输送等提供较高的变化和定位控制，Bosch Rexroth和Rockwell AB也在青岛高校软控和天津赛象的轮胎成型机上得到大量应用，SIEMENS 主要与北京敬业和橡胶研究院进行合作。

B&R与上海二纺机在超长车细纱机的应用上进行了合作，开发了国内乃至世界上领先的1500锭的细纱超长车，它应用了B&R的ACOPOSmulti 伺服驱动器，链接了14个伺服轴，而在塑料机械领域也获得了多达19个伺服轴的流延膜张力卷取项目。 粗纱机四电机传动技术是最早在国内由B&R开发成功并大量应用的方案，通过对龙筋、钢领板、锭翼等的独立驱动，使得各轴高度同步，并且能够快速的适应纱线生产的变化需求。

2技术进步

2.1高速响应能力

伺服响应能力大幅度提高，Bosch Rexroth的IndraDriver 提供了250uS 的位置环刷新能力，而SIEMENS 的MasterDriver 也同样可提供400uS 的位置环刷新速度，B&R的ACOPOS 伺服驱动器提供了400uS 的刷新速度，这些使得高速的机器设计得以轻松实现。

Baumuller 的B MaXX系列伺服驱动器的电流环采样为62.5uS ，速度环和位置环分别为125uS ，8kHz 的交流变换频率，B&R ACOPOS电流环为50uS, 速度环125uS ，位置环采样为125uS ，最高支持15kHz 的交流变化频率。

2.2实时通信与运动控制的融合

通常日系伺服产品多采用脉冲方式来控制，脉冲丢失以及实时性不足使得日系伺服均应用在较为低端的市场，而欧美系伺服多采用总线技术，最大的优势在于它提供了非常大的灵活性。

今天，实时通信技术为运动控制满足高性能系统的要求提供了通信基础，2001年，B&R最早在利乐包装的生产线上运行了具有划时代意义的Ethernet POWERLINK技术，它使得50个伺服轴，和2000个I/O点的数据刷新达到了惊人的2.4mS ，并且，

它是基于标准Ethernet 芯片的设计，无需ASIC ，这是最早出现的实时通信技术，它的应用使得多轴之间的运动控制达到了新的高度，Bosch Rexroth 的SERCOS 通信技术采用光纤通信，高达12Mbps 的通信速度融合IndraDriver 智能型驱动器，2007年SIEMENS 推出了新一代的RTE-ProfiNet 它是一个基于以太网技术的实现，最开始，SERCOSI 还是一个无法将运动和I/O指令运行在同一通道的，只能采用环网的拓扑，并且实用昂贵的光纤，而现在，SERCOSIII 在此基础上更好的融合了标准以太网通信，可以采用RJ45来通信，也将拓扑结构进行了拓展，这些都是技术的进步。

Rockwell AB 的Kinetix 6000系列支持SERCOS 通信接口，但是，SERCOS 通信模块非常的昂贵，而且为了实现较为复杂的电子凸轮设计需要配备高性能的ControlLogix CPU整体性价比并非很理想。

BR 提供的Ethernet POWERLINK技术目前是最广为应用的实时通信技术，这主要是因为BR 在OEM 市场获得的巨大的客户基础而决定的，未来的市场可能主要是依赖于ProfiNet IRT,ModBus TCP/IP，因为这些有大型厂商支持的总线技术可能会依赖于其自身强大的市场资源推广到较大的份额，而POWERLINK 将尾随其后，而SERCOS 由于其狭窄的应用范围而可能会最终占据较小的份额。

2.3共直流母线伺服驱动技术

共直流母线技术的驱动器也由各个主要的厂商开始推出，SIEMENS 推出了其新一代的驱动器Sinamic120和SIMOTION, 而其T-CPU 融合了运动控制技术，Bosch Rexroth 的智能型驱动器IndraDriver 也实现了采用了共直流母线技术，BR 的ACOPOSmulti ，Rockwell AB的Kinetex 6000系列。

BR ACOPOSmulti伺服驱动器

共直流母线技术的伺服驱动器通常可以带有双轴驱动模块，例如:Bosch Rexroth 的IndraDriver 和BR 的ACOPOSmulti 伺服驱动器，它们均有针对双轴的应用模块，这样，通过共享直流母线单元而不是将直流单元集成到独立的驱动器中，在多轴应用时它提供了一个非常大的成本节约方案，例如，BR 的ACOPOSmulti 伺服驱动器在10个伺服轴以上的应用成本节约可达30%。

Rockwell AB提供了Kinetix 6000系列伺服驱动器，基于共直流母线设计.

2.4一体化的软件平台

软件平台的集成化成为了未来的发展趋势，BR 一直秉承着All In One的开发平台设计理念，其Automation Studio融合了HMI 、Motion 、Control 、Communication 多种设计于一体，而Rockwell AB 的RsLogix 也将不同的产品设计融为一体，这些使

得其产品设计变得更加简单，而提供了客户开发低学习成本，这个更重要的是一种站在整体的概念看机器的设计理念而非简单的集成软件为一体那么简单。

2.5CAM 应用

对于卷筒纸裁切、瓦楞纸横切、全息定位烫、包装的热封、细纱纱线成型、模切机器前沿送纸机构等等，众多的机器设计中，CAM 的应用非常广泛，包括SIEMENS 、BR 、Rockwell AB 、Bosch Rexroth 、Baomuller 、LENZE 等一众厂商均在其伺服驱动器中内置了CAM 功能，且其CAM 曲线的设计能力能够达到非常高的实现能力，例如BR 提供了6阶64个多项式的描绘能力，而同样SIEMENS 的CAM 集成到其工艺包中可以被应用到具体项目中，提供6阶函数描绘能力，Bosch Rexroth的CAM 也能够实现较高的运行能力，在电子凸轮送纸机构、卷筒纸裁切领域也有大量的应用。

3. 未来发展

3.1模块化设计

为了提高系统的灵活性，能够实现任意的方式的组合不同应用方案，各厂商提供了多种构想的模块化设计，例如BR 的ACOPOSmulti 伺服驱动器，将伺服逆变单元像PLC 一样安装于底板，并且有多种灵活的编码器模块根据应用进行配置，而ACOPOS 甚至可以直接接入带有Profibus 接口的CPU 到驱动器上，并且也可以接入I/O，例如在印刷机的直接驱动中，模拟量的色标信号可以直接被接入到驱动器上，这种设计直接提高了运动控制与逻辑控制之间的响应匹配能力。而LENZE 9400系列伺服驱动器则提供了PLC 和驱动器的连接，安全模块、通信模块、数频、I/O等多种选择，Baumuller 也提供了在其B Max上的DriverPLC 接入，CT 的伺服驱动器可以直接插入I/O，CPU 等，Rockwell AB 的Kinetix 6000系列也是一种基于模块化设计的多轴驱动方案，大大的节省了电柜空间，其滑扣安装方式也使得接线更加简便。

3.2安全技术

机器的人性化设计必须考虑到人的安全，另外也包含了机器本身的安全，safety 技术正在成为欧洲众多厂商应用的必须，而国内，尽管运动控制的安全尚未多的应用，但是，越来越多的客户开始关注安全问题，

在BR 中，将ACOPOS safety 集成到伺服中，而L-force 9400高端伺服驱动器也将安全应用模块集成到了其中，SM0，SM100等多种安全模块可以选择适应于不同的安全应用要求。