大家在市場上紛紛討論機械控制網絡解決方案，但是，很多公司仍然徘徊于是否使用這些方法。那么，向你的競爭對手學習吧，看看四家機械制造生產商怎樣使用最新的運動總線技術促進新型機械設備的設計，控制它們的運動、邏輯運算、人機接口（HMI）以及工廠間的通信。

以太網將修邊機引向前沿

早期的現場總線網絡的解決方案有時無法提供復雜的、精密的機床所需的加工量。因此，當IMA（www.ima.de/eng）的電氣設計總監Günter Redeker考慮將他們的Novimat修邊機試點項目重新設計時，他打算采取另一種方法，使用最新的PC技術。

新的機床概念

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

應用：用于IMA Klessmann GmbH公司家具制造中，專用的修邊機和加工中心。
工程挑戰：高精度的加工量；帶有幾千個I/O口和一百多根軸的復雜機床的系統架構。
控制方法：以太網現場總線控制12根軸和集成I/O口，去掉了PC現場總線卡。

系統概述：

· EtherCAT技術機床控制網絡
· 每個機床模塊有12根軸和30個信號通路
· Ethernet-based I/O口和伺服驅動代替了傳統的現場總線
· 連續路徑控制
· 輔助CAN-based驅動使用EtherCAT/CAN網關

新的控制平臺

當重新設計Novimat時，IMA公司使用了Beckhoff公司(www.beckhoffautomation.com)的用于控制和自動化技術的實時以太網技術（EtherCAT）。IMA公司以前的木工機床上，使用的就是一臺Beckhoff公司的PC控制器。這個控制器采用DOS操作系統，光導總線自動化技術和基于PC機的顯示和控制。每個機械單元都有一個總線端子I/O站通過光導總線耦合，伺服驅動模塊通過PROFIBUS現場總線耦合進行實際的加工，并通過CAN總線與執行機構進行通信。

Redeker說他們轉向使用新平臺是因為機械安裝設備非常復雜，總共有幾千個I/O以及一百多根軸。

他說：“以前，為了通過現場總線系統控制這些機床，我們用四芯的光導總線，在機床要求的單一采樣速率下收集或傳輸大量的數據。這樣做是達到要求的唯一方法。”

根據Redeker的說法，控制器在處理這些大量數據時需要很強的計算能力。它不僅要把數據從光導總線下載到內存，之后再傳送回光導總線，還要根據進程圖將輸入/輸出數據分類。而使用EtherCAT解決方案后，他說：“DMA控制器控制數據在以太網接口和內存之間直接傳輸，使我們的系統有了很大的改進。”

機床的發展

這種新系統的另一個優點是能夠進行連續軌跡控制。連續軌跡控制能夠在機床內跟蹤工件，實現通路上的精確控制，或者同步快速機床的零件。工件通過機床的速度達到60米/分鐘，對應每毫秒移動1毫米并存在潛在的關聯偏差。如果連續軌跡控制的時間為2毫秒，那么完成60米長的機床就會產生2毫米的偏差，這樣的結果是不精確的，尤其在如今對機床的精度要求越來越高的時候，Redeker將這個值稱為臨界值(borderline value)。

在控制系統架構中提供整合的EtherCAT、Profibus和CANopen通訊協議

Novimat Concept是一個單面，自動的修邊系統。當材料通過該機床時，機床對其進行單板整邊，修邊和飾面。

他預見了在機床上完全實現EtherCAT技術后的潛力，這樣就能夠利用最新、最強大的工業計算機技術。目前大型的生產線需要兩臺電腦：一臺用于用戶接口；另一臺用于實時控制。Redeker補充道：“希望將來在這些系統中能夠只用一臺電腦。同時，如果能夠只使用一種現場總線，那么工程上和維修上也將簡單很多。”

集于一體的建模、仿真和控制

柱面坐標測量機床中，將軸承環與旋轉的主軸定心自動化，就是檢測并執行動作。但是當目標精度是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，同時適應系統的摩擦，這樣的機床是很出眾的。

統一的解決方案

克萊蒙森大學（Clemson University）的國際汽車研究中心（International Center for Automotive Research）總監Thomas Kurfess博士說：“盡管這是一個簡單的系統，但在這例應用中你還有很多不知道的地方。用PID控制器使控制精度達到1微米是很困難的，原因多是有摩擦的存在。但是現在，可以使用標準運動控制平臺來做到。”

Novimat Concept 是一個單側的，自動直線封邊系統，
專為接縫、封邊和邊沿的精加工使用

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化系統中熟練技術工人的工作。

Kurfess說：“使我們能夠一步完成建模、仿真和控制的關鍵技術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進行建模和仿真，但是，接下來的控制就不會發生了。你會問‘為什么不行呢？’，答案是更新你的模型吧。”

高質量的自動直線封邊機實現運動網絡化控制

需要效率

設計一個有效的控制系統將人工對中的過程自動化，目的是減少定心所用的周期時間。與手工操作相比，自動化系統只需要人工測量時間的15%。

這個自動控制系統由一個線性滑塊和一個帶有空氣軸承的精密轉軸組成，空氣軸承的作用是提高運動精度以及使運動平滑。一個LVDT位移傳感器作為測量裝置安裝在線性滑塊上，與一個固定推桿觸點一起驅動軸承環。

一個有效的控制系統使軸承定心的過程自動化,顯著的減少了定心所用的時間。

應用：在柱面坐標測量機床中，使給旋轉主軸上的軸承環定心的過程自動化。
工程挑戰：減少準備時間；保證在高度動態機床系統中，給軸承環定心的重復誤差為1?到2微米。
控制方法：使用LabView控制設計和仿真軟件，硬件包括PXI/Compact PCI卡和用于運動控制的Soft Motion驅動。

系統概述：

●  LabView Control Design Toolkit，實時和仿真模塊
●  Soft Motion驅動
●  測量裝置選用LVDT位移傳感器
●  卡爾曼濾波器處理原始數據

設計上的挑戰

設計者使用NI公司的 Labview 控制設計工具箱設計并分析系統中的高階回路環，并可以通過編程給噪聲測量裝置的輸出使用一個定制的卡爾曼濾波器。

Kurfess說：“Labview的偉大之處在于它的信號處理和采樣，并不是它的控制功能。”但是，現在的Labview針對基于DSP和FPGA的實時對象，可以使你重新考慮你的控制方法。時間分段功能和軟件的優先級可設置擴大了我們的使用范圍。十年前，我們選用一個樣本并對它進行加工，之后在控制方面，我們做了一些工作研究它的模擬輸出。以前軟件運行速度取決于計算機，并且你沒有很多的性能保證。在新的實時控制目標下，就可以實現對運轉性能的保證，并且你可以設置軟件的優先級。

系統在由于軸承大小、重量和潤滑等因素影響而形成的
不同摩擦力下，成功實現重復性精度1.5-2微米

Kurfess補充道，在這個應用中使用Soft Motion，使系統的硬件完全透明、無縫并且易于編程。他說：“實時控制器在軟件中運行，你需要做的就是轉換Soft Motion，以改變對象。你可以改變使其直接在DSP上運行程序，而不用必須在計算機上運行。”

控制系統使用了NI的軟件運動控制技術

電子動力軸驅動的印后加工設備

在下一代的Pacesetter上使用集中控制、面向對象的軟件、數字聯網和緊密耦合、復合坐標伺服控制是Goss International成功的秘訣？這就是1100印刷滾壓機的解決方法。

新型機床的設計拋棄了傳統機床的動力軸方法，取而代之的是使用尖端的聯網控制，這種控制能夠保證在網絡中任何地方的伺服機構與高速I/O口之間緊密的同步。

控制系統自動使軸承環定心，節約了原來定心的次數

工程上的挑戰

根據Goss的高級工程師，Atef T. Massoud博士的說法，他認為實現集中控制，并且用單一的位置基準協調系統中大量的軸是工程上面臨的最主要的挑戰。

在Pacesetter之后呢？1100是一臺基于模塊化的機床，它的裝配方式是可以根據需要而改變，以適應大批量生產任務的要求。它可以使用六個到四十個進料口，額定速率達到2000件每小時，最多能夠有45根軸。然而，用同樣的運動控制方法，選用Goss的另一種印后加工設備可以有94根軸。

在這個應用中，Goss選用MEI/Danaher Motion (www.motioneng.com)公司的SynqNet網絡和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；發動機選用Baldor (www.baldor.com)公司的。驅動器是在AMC公司定做的，上面帶有附加的I/O口。

應用：Goss International的新一代卷筒紙膠印印后加工設備。
工程挑戰：利用集中控制、數字網絡和緊密耦合、多軸伺服控制，實現高性能的、電子的傳動軸系和凸輪系統。
控制方法：SynqNet控制平臺用于閉合核心的位置控制回路，使得控制應用中高達94根軸，并保持系統伺服軸與高速I/O口之間嚴格的同步。

系統概述：

●  每個eXMP SynqNet控制器能夠控制20個以上的伺服電機軸
●  Red Hat Linux管理進程調度和應用屬性配置
●  伺服系統代替機械的主從式、齒輪傳動和連軸器傳動系統與上層通信
●  高性能的、動態的系統，具有動態系統調整
●  利用MEI的運動程序接口（MPI），使用C語言編程

集中控制

Massoud說，他們用“面向對象的設計思想”實現機床要求的多線程軟件結構，并擴展大量的伺服軸。他說：“實現系統的集中控制方法是我們面臨的一個挑戰。我們必須設計用一個eXMP控制器控制所有的對象，同時指定20個軸的指令。”

MEI公司的運動程序接口（MPI）一個顯著的特征是，它能夠在控制平臺上重復使用運動程序代碼。Massoud說，在這個應用中，他們定義了表示機床狀態以及指令的集合或方程，使得系統中的每根軸能夠執行。每根軸只能運算它自己的數據，并且只能執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上運行的不同的軸，是因為每根軸只能運算它自己的數據。”在面向對象的方法中，能夠重復使用程序代碼以及它的數據運算方法，使得用C語言編制系統程序時很方便，并且保持了系統中大量軸數。

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，那么它只能運算它自己的數據。一旦方程設計好了，就能夠被系統中任意的伺服軸使用。

新的印后加工設備中，虛擬分揀取代了傳統的機械式分揀，
并且在系統的伺服電機和高速I/O 接口間形成高度同步

以太網通信

這個應用中面臨的另一個挑戰是怎樣將各個軸的狀態與上層控制器或PLC之間進行通信。在生產線上，當傳動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從以前的設計中保留下來的零部件之一是PLC，用于控制機床的邏輯性能。通過在PLC和eXMP控制器之間采用以太網進行通信，使用這種方法后，當通信的頻帶寬度和傳輸速度增加時可以減輕PLC的通信計算強度。另外，完整的診斷信息可以通過通信，并用進料口處的帶觸摸屏的HMI顯示。

Pacesetter 1100 模塊化的設計能接受
來自任何地方的6－40個分線站，以滿足生產需求。

原載《DESIGN NEWS China》