大家在市場上紛紛討論機(jī)械控制網(wǎng)絡(luò)解決方案，但是，很多公司仍然徘徊于是否使用這些方法。那么，向你的競爭對手學(xué)習(xí)吧，看看四家機(jī)械制造生產(chǎn)商怎樣使用最新的運(yùn)動(dòng)總線技術(shù)促進(jìn)新型機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)，控制它們的運(yùn)動(dòng)、邏輯運(yùn)算、人機(jī)接口（HMI）以及工廠間的通信。

以太網(wǎng)將修邊機(jī)引向前沿

早期的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的解決方案有時(shí)無法提供復(fù)雜的、精密的機(jī)床所需的加工量。因此，當(dāng)IMA（www.ima.de/eng）的電氣設(shè)計(jì)總監(jiān)Günter Redeker考慮將他們的Novimat修邊機(jī)試點(diǎn)項(xiàng)目重新設(shè)計(jì)時(shí)，他打算采取另一種方法，使用最新的PC技術(shù)。

新的機(jī)床概念

這種新型的修邊機(jī)是一個(gè)高性能系統(tǒng)，可用于加工木屑板或輕質(zhì)建筑板材的邊緣。Novimat Concept由各模塊和可配制加工單元組成，能夠進(jìn)行研磨和修邊、倒角、飾面以及修平等加工。該機(jī)床使用連續(xù)軌跡控制方法精確的監(jiān)測并控制工件的位置，可以同時(shí)加工多個(gè)工件。

應(yīng)用：用于IMA Klessmann GmbH公司家具制造中，專用的修邊機(jī)和加工中心。

工程挑戰(zhàn)：高精度的加工量；帶有幾千個(gè)I/O口和一百多根軸的復(fù)雜機(jī)床的系統(tǒng)架構(gòu)。

控制方法：以太網(wǎng)現(xiàn)場總線控制12根軸和集成I/O口，去掉了PC現(xiàn)場總線卡。

系統(tǒng)概述：

· EtherCAT技術(shù)機(jī)床控制網(wǎng)絡(luò)

· 每個(gè)機(jī)床模塊有12根軸和30個(gè)信號(hào)通路

· Ethernet-based I/O口和伺服驅(qū)動(dòng)代替了傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線

· 連續(xù)路徑控制

· 輔助CAN-based驅(qū)動(dòng)使用EtherCAT/CAN網(wǎng)關(guān)

新的控制平臺(tái)

當(dāng)重新設(shè)計(jì)Novimat時(shí)，IMA公司使用了Beckhoff公司（www.beckhoffautomation.com）的用于控制和自動(dòng)化技術(shù)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)（EtherCAT）。IMA公司以前的木工機(jī)床上，使用的就是一臺(tái)Beckhoff公司的PC控制器。這個(gè)控制器采用DOS操作系統(tǒng)，光導(dǎo)總線自動(dòng)化技術(shù)和基于PC機(jī)的顯示和控制。每個(gè)機(jī)械單元都有一個(gè)總線端子I/O站通過光導(dǎo)總線耦合，伺服驅(qū)動(dòng)模塊通過PROFIBUS現(xiàn)場總線耦合進(jìn)行實(shí)際的加工，并通過CAN總線與執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行通信。

Redeker說他們轉(zhuǎn)向使用新平臺(tái)是因?yàn)闄C(jī)械安裝設(shè)備非常復(fù)雜，總共有幾千個(gè)I/O以及一百多根軸。

他說：“以前，為了通過現(xiàn)場總線系統(tǒng)控制這些機(jī)床，我們用四芯的光導(dǎo)總線，在機(jī)床要求的單一采樣速率下收集或傳輸大量的數(shù)據(jù)。這樣做是達(dá)到要求的唯一方法?！?/p>

根據(jù)Redeker的說法，控制器在處理這些大量數(shù)據(jù)時(shí)需要很強(qiáng)的計(jì)算能力。它不僅要把數(shù)據(jù)從光導(dǎo)總線下載到內(nèi)存，之后再傳送回光導(dǎo)總線，還要根據(jù)進(jìn)程圖將輸入/輸出數(shù)據(jù)分類。而使用EtherCAT解決方案后，他說：“DMA控制器控制數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)接口和內(nèi)存之間直接傳輸，使我們的系統(tǒng)有了很大的改進(jìn)?！?/p>

機(jī)床的發(fā)展

這種新系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠進(jìn)行連續(xù)軌跡控制。連續(xù)軌跡控制能夠在機(jī)床內(nèi)跟蹤工件，實(shí)現(xiàn)通路上的精確控制，或者同步快速機(jī)床的零件。工件通過機(jī)床的速度達(dá)到60米/分鐘，對應(yīng)每毫秒移動(dòng)1毫米并存在潛在的關(guān)聯(lián)偏差。如果連續(xù)軌跡控制的時(shí)間為2毫秒，那么完成60米長的機(jī)床就會(huì)產(chǎn)生2毫米的偏差，這樣的結(jié)果是不精確的，尤其在如今對機(jī)床的精度要求越來越高的時(shí)候，Redeker將這個(gè)值稱為臨界值（borderline value）。

Novimat Concept是一個(gè)單面，自動(dòng)的修邊系統(tǒng)。當(dāng)材料通過該機(jī)床時(shí)，機(jī)床對其進(jìn)行單板整邊，修邊和飾面。

他預(yù)見了在機(jī)床上完全實(shí)現(xiàn)EtherCAT技術(shù)后的潛力，這樣就能夠利用最新、最強(qiáng)大的工業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)。目前大型的生產(chǎn)線需要兩臺(tái)電腦：一臺(tái)用于用戶接口；另一臺(tái)用于實(shí)時(shí)控制。Redeker補(bǔ)充道：“希望將來在這些系統(tǒng)中能夠只用一臺(tái)電腦。同時(shí)，如果能夠只使用一種現(xiàn)場總線，那么工程上和維修上也將簡單很多?！?/p>

集于一體的建模、仿真和控制

柱面坐標(biāo)測量機(jī)床中，將軸承環(huán)與旋轉(zhuǎn)的主軸定心自動(dòng)化，就是檢測并執(zhí)行動(dòng)作。但是當(dāng)目標(biāo)精度是1—2微米，給定不同尺寸、重量的軸承，并且零件上可能還有油，同時(shí)適應(yīng)系統(tǒng)的摩擦，這樣的機(jī)床是很出眾的。

統(tǒng)一的解決方案

克萊蒙森大學(xué)（Clemson University）的國際汽車研究中心（International Center for Automotive Research）總監(jiān)Thomas Kurfess博士說：“盡管這是一個(gè)簡單的系統(tǒng)，但在這例應(yīng)用中你還有很多不知道的地方。用PID控制器使控制精度達(dá)到1微米是很困難的，原因多是有摩擦的存在。但是現(xiàn)在，可以使用標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)來做到?！?/p>

Timken 公司 （www.timken.com） 和 National Instrument公司（www.ni.com）合作研究，Kurfess和他的小組減少了自動(dòng)化系統(tǒng)中熟練技術(shù)工人的工作。

Kurfess說：“使我們能夠一步完成建模、仿真和控制的關(guān)鍵技術(shù)在于尖端的軟件工具。以前我們可以把想要的具有某種功能的系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，但是，接下來的控制就不會(huì)發(fā)生了。你會(huì)問‘為什么不行呢？’，答案是更新你的模型吧?！?/p>

設(shè)計(jì)一個(gè)有效的控制系統(tǒng)將人工對中的過程自動(dòng)化，目的是減少定心所用的周期時(shí)間。與手工操作相比，自動(dòng)化系統(tǒng)只需要人工測量時(shí)間的15%。

這個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)由一個(gè)線性滑塊和一個(gè)帶有空氣軸承的精密轉(zhuǎn)軸組成，空氣軸承的作用是提高運(yùn)動(dòng)精度以及使運(yùn)動(dòng)平滑。一個(gè)LVDT位移傳感器作為測量裝置安裝在線性滑塊上，與一個(gè)固定推桿觸點(diǎn)一起驅(qū)動(dòng)軸承環(huán)。

一個(gè)有效的控制系統(tǒng)使軸承定心的過程自動(dòng)化，顯著的減少了定心所用的時(shí)間。

應(yīng)用：在柱面坐標(biāo)測量機(jī)床中，使給旋轉(zhuǎn)主軸上的軸承環(huán)定心的過程自動(dòng)化。

工程挑戰(zhàn)：減少準(zhǔn)備時(shí)間；保證在高度動(dòng)態(tài)機(jī)床系統(tǒng)中，給軸承環(huán)定心的重復(fù)誤差為1?到2微米。

控制方法：使用LabView控制設(shè)計(jì)和仿真軟件，硬件包括PXI/Compact PCI卡和用于運(yùn)動(dòng)控制的Soft Motion驅(qū)動(dòng)。

系統(tǒng)概述：

● LabView Control Design Toolkit，實(shí)時(shí)和仿真模塊

● Soft Motion驅(qū)動(dòng)

● 測量裝置選用LVDT位移傳感器

● 卡爾曼濾波器處理原始數(shù)據(jù)

設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)

設(shè)計(jì)者使用NI公司的 Labview 控制設(shè)計(jì)工具箱設(shè)計(jì)并分析系統(tǒng)中的高階回路環(huán)，并可以通過編程給噪聲測量裝置的輸出使用一個(gè)定制的卡爾曼濾波器。

Kurfess說：“Labview的偉大之處在于它的信號(hào)處理和采樣，并不是它的控制功能?！钡牵F(xiàn)在的Labview針對基于DSP和FPGA的實(shí)時(shí)對象，可以使你重新考慮你的控制方法。時(shí)間分段功能和軟件的優(yōu)先級(jí)可設(shè)置擴(kuò)大了我們的使用范圍。十年前，我們選用一個(gè)樣本并對它進(jìn)行加工，之后在控制方面，我們做了一些工作研究它的模擬輸出。以前軟件運(yùn)行速度取決于計(jì)算機(jī)，并且你沒有很多的性能保證。在新的實(shí)時(shí)控制目標(biāo)下，就可以實(shí)現(xiàn)對運(yùn)轉(zhuǎn)性能的保證，并且你可以設(shè)置軟件的優(yōu)先級(jí)。

Kurfess補(bǔ)充道，在這個(gè)應(yīng)用中使用Soft Motion，使系統(tǒng)的硬件完全透明、無縫并且易于編程。他說：“實(shí)時(shí)控制器在軟件中運(yùn)行，你需要做的就是轉(zhuǎn)換Soft Motion，以改變對象。你可以改變使其直接在DSP上運(yùn)行程序，而不用必須在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。”

在下一代的Pacesetter上使用集中控制、面向?qū)ο蟮能浖?、?shù)字聯(lián)網(wǎng)和緊密耦合、復(fù)合坐標(biāo)伺服控制是Goss International成功的秘訣？這就是1100印刷滾壓機(jī)的解決方法。

新型機(jī)床的設(shè)計(jì)拋棄了傳統(tǒng)機(jī)床的動(dòng)力軸方法，取而代之的是使用尖端的聯(lián)網(wǎng)控制，這種控制能夠保證在網(wǎng)絡(luò)中任何地方的伺服機(jī)構(gòu)與高速I/O口之間緊密的同步。

根據(jù)Goss的高級(jí)工程師，Atef T. Massoud博士的說法，他認(rèn)為實(shí)現(xiàn)集中控制，并且用單一的位置基準(zhǔn)協(xié)調(diào)系統(tǒng)中大量的軸是工程上面臨的最主要的挑戰(zhàn)。

在Pacesetter之后呢？1100是一臺(tái)基于模塊化的機(jī)床，它的裝配方式是可以根據(jù)需要而改變，以適應(yīng)大批量生產(chǎn)任務(wù)的要求。它可以使用六個(gè)到四十個(gè)進(jìn)料口，額定速率達(dá)到2000件每小時(shí)，最多能夠有45根軸。然而，用同樣的運(yùn)動(dòng)控制方法，選用Goss的另一種印后加工設(shè)備可以有94根軸。

在這個(gè)應(yīng)用中，Goss選用MEI/Danaher Motion （www.motioneng.com）公司的SynqNet網(wǎng)絡(luò)和eXMP 控制器。Goss還選用了Advanced Motion Controls （www.a-m-c.com）公司的Digiflex系列的SynqNet Drives，額定功率為1KW；發(fā)動(dòng)機(jī)選用Baldor （www.baldor.com）公司的。驅(qū)動(dòng)器是在AMC公司定做的，上面帶有附加的I/O口。

應(yīng)用：Goss International的新一代卷筒紙膠印印后加工設(shè)備。

工程挑戰(zhàn)：利用集中控制、數(shù)字網(wǎng)絡(luò)和緊密耦合、多軸伺服控制，實(shí)現(xiàn)高性能的、電子的傳動(dòng)軸系和凸輪系統(tǒng)。

控制方法：SynqNet控制平臺(tái)用于閉合核心的位置控制回路，使得控制應(yīng)用中高達(dá)94根軸，并保持系統(tǒng)伺服軸與高速I/O口之間嚴(yán)格的同步。

系統(tǒng)概述：

● 每個(gè)eXMP SynqNet控制器能夠控制20個(gè)以上的伺服電機(jī)軸

● Red Hat Linux管理進(jìn)程調(diào)度和應(yīng)用屬性配置

● 伺服系統(tǒng)代替機(jī)械的主從式、齒輪傳動(dòng)和連軸器傳動(dòng)系統(tǒng)與上層通信

● 高性能的、動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)，具有動(dòng)態(tài)系統(tǒng)調(diào)整

● 利用MEI的運(yùn)動(dòng)程序接口（MPI），使用C語言編程

集中控制

Massoud說，他們用“面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想”實(shí)現(xiàn)機(jī)床要求的多線程軟件結(jié)構(gòu)，并擴(kuò)展大量的伺服軸。他說：“實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集中控制方法是我們面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。我們必須設(shè)計(jì)用一個(gè)eXMP控制器控制所有的對象，同時(shí)指定20個(gè)軸的指令?！?/p>

MEI公司的運(yùn)動(dòng)程序接口（MPI）一個(gè)顯著的特征是，它能夠在控制平臺(tái)上重復(fù)使用運(yùn)動(dòng)程序代碼。Massoud說，在這個(gè)應(yīng)用中，他們定義了表示機(jī)床狀態(tài)以及指令的集合或方程，使得系統(tǒng)中的每根軸能夠執(zhí)行。每根軸只能運(yùn)算它自己的數(shù)據(jù)，并且只能執(zhí)行一組事先確定好的控制方程組。

Massoud說：“我們能夠做到分離出在同一CPU上運(yùn)行的不同的軸，是因?yàn)槊扛S只能運(yùn)算它自己的數(shù)據(jù)?！痹诿嫦?qū)ο蟮姆椒ㄖ?，能夠重?fù)使用程序代碼以及它的數(shù)據(jù)運(yùn)算方法，使得用C語言編制系統(tǒng)程序時(shí)很方便，并且保持了系統(tǒng)中大量軸數(shù)。

Massoud說道，例如他編制了起始序列和同步序列（homing/synchronization sequences），之后任何一根軸都可以使用這些方程。但是，如果軸10正在使用起始序列方程，那么它只能運(yùn)算它自己的數(shù)據(jù)。一旦方程設(shè)計(jì)好了，就能夠被系統(tǒng)中任意的伺服軸使用。

以太網(wǎng)通信

這個(gè)應(yīng)用中面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是怎樣將各個(gè)軸的狀態(tài)與上層控制器或PLC之間進(jìn)行通信。在生產(chǎn)線上，當(dāng)傳動(dòng)軸系變成伺服控制之后，Pacesetter上仍然保留了原來的某些零部件？1100從以前的設(shè)計(jì)中保留下來的零部件之一是PLC，用于控制機(jī)床的邏輯性能。通過在PLC和eXMP控制器之間采用以太網(wǎng)進(jìn)行通信，使用這種方法后，當(dāng)通信的頻帶寬度和傳輸速度增加時(shí)可以減輕PLC的通信計(jì)算強(qiáng)度。另外，完整的診斷信息可以通過通信，并用進(jìn)料口處的帶觸摸屏的HMI顯示。
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