Geschichte

1700

Es ist allgemein anerkannt, dass der Beginn der industriellen Revolution um 1760 begann. Dies hängt natürlich davon ab, welche Referenz verwendet wird. Letztendlich begann das Bestreben, sich wiederholende Aufgaben zu automatisieren, ungefähr zu der Zeit, als die Menschen es taten. Das "Ende" der industriellen Revolution soll vor etwa 100 Jahren stattgefunden haben, obwohl es heute, wenn man sich umschaut, kaum vorbei scheint. Der heutige Industrie- und Automatisierungsgrad übertrifft bei weitem die Träume früher Erfinder. Erfinder, die im Laufe des 17. und 18. Jahrhunderts Fortschritte in der Maschinentechnologie brachten und die Grundlage für die Schaffung der heutigen Bewegungssteuerungsindustrie bildeten.

1800

Es gab keine Bewegungssteuerung und die Automatisierung nahm die Form von Rohmotoren mit Riemen- und Riemenscheiben-Antriebssträngen an. Um ein Industriegebäude mit Strom zu versorgen, war ein großes Wasserrad im Freien oder eine Dampfmaschine im Keller erforderlich.

Normalerweise lief ein vertikaler Antriebsstrang von einer Dampfmaschine im Keller durch das Gebäude, um mechanische Kraft auf jedes Stockwerk zu übertragen. Auf Bodenebene wandelte ein Getriebe die Kraft vom vertikalen Antriebsstrang in einen horizontalen Zug um, der den Boden überspannte.

Jede Abteilung, die mechanische Energie benötigte, zapfte mit einem Kupplungsmechanismus von der Hauptleitung ab. Nähmaschinenbediener verwendeten beispielsweise eine Fußkupplung, um einzelne Nähmaschinen mit der Stromquelle zu verbinden.

1900

Ingenieure nutzten die Dynamik des späten 19. Jahrhunderts, um den Verbrauchern elektrisch betriebene Geräte zur Verfügung zu stellen. Edisons Erfindung des Gleichstromgenerators in den 1870er Jahren, öffentliche Elektrizität und Teslas Wechselstrommotor in den 1880er Jahren und die erste elektrische Handbohrmaschine in den 1890er Jahren machten elektrischen Waschmaschinen und Kühlschränken um 1915 Platz mobile Produktionslinie, in der Teile standardisiert wurden und die Fabrikeffizienz stieg.

Die Entdeckung von Feedback

Es war 1927, als Harold Black die Kommunikation mit dem Konzept der Gegenkopplung in Verstärkern revolutionierte. Er war jedoch nicht der Erste, der eine Rückkopplungsschleife schloss, da Thermostate und Öfen seit Ende des 19. Jahrhunderts die Raumtemperatur mithilfe von Rückkopplungen regelten. Schon vorher hatte James Watt an einer mechanischen Rückkopplungsschleife für seine Dampfmaschine gearbeitet. In geschichtenhafter Mode hatte Harold Black eines Abends auf dem Heimweg von der Arbeit eine Erleuchtung, dass das Anlegen eines Teils des Verstärkerausgangs zurück an den Eingang die Signalverzerrung erheblich reduzieren konnte. Kurz nach der Entdeckung von Black kamen in den 1930er Jahren die ersten Produkte zur pneumatischen Bewegungssteuerung auf den Markt, die Feedback für die Regelung mit geschlossenem Regelkreis verwendeten.

Zu diesem Zeitpunkt tauchte die Proportional-Integral-Differential-Regelung (PID) gerade als bewusster Gedanke für die meisten Menschen auf der Welt auf. JC Maxwell schrieb 1886 eine detaillierte mathematische Analyse über PID, aber es dauerte ungefähr 50 Jahre, bis Produkte auf den Markt kamen, die absichtlich PID-Tuning verwendeten. Die 40er und 50er Jahre markierten den Beginn großer Fortschritte in der PID-Regelung. Die Menschen erkannten schließlich die Bedeutung der mathematischen Analyse und begannen, die Kontrolltheorie als Wissenschaft zu entwickeln. Dies war natürlich eine sehr grobe Periode der PID-Steuerung.

In den 50er, 60er und 70er Jahren trugen Raumfahrt und Krieg dazu bei, die Bemühungen zur Entwicklung optimierter Steuerungsalgorithmen voranzutreiben. Solid-State-Geräte und Motortechnologie wurden in den 60er Jahren bis zu einem Punkt entwickelt, an dem die PID-Steuerung in Mikrocontroller migrierte. Verschiedene Verbesserungen und Optimierungen wurden bis in die späten 1970er Jahre fortgesetzt, als die Schalttechnologie mit Pulsweitenmodulation (PWM) zusammen mit bürstenlosen Permanentmagnetmotoren eingeführt wurde. Seitdem ist die Bewegungssteuerung nicht mehr dieselbe.

Digitale Bewegungssteuerung

In den letzten 20 Jahren haben DSP-, Netzwerk- und PWM-Schalttechnologie zu einem exponentiellen Anstieg der Verwendung von Closed-Loop-Bewegungssteuerung geführt. Die PWM-Schalttechnologie in Verstärkern und Netzteilen ermöglichte einen hohen Wirkungsgrad und eine geringe Wärmeleistungsübertragung. In nur wenigen Jahren schrumpfte die Größe eines 2-kW-Motorverstärkers von 100 Pfund oder mehr auf etwas, das von Hand getragen und an eine Platte geschraubt werden konnte.

Etwa 1990 begannen DSP-basierte Bewegungssteuerungsprodukte, anspruchsvolle Bewegungsprofile und digitale Kommunikation über serielle Netzwerke zu ermöglichen. Solche schnellen technologischen Veränderungen führten zu einem Zusammenbruch bei der Standardisierung von Bewegungssteuerungsprodukten. Netzwerkprotokolle wie beispielsweise Profibus (1989), DeviceNet (1994) und Smart Distributed Systems (1994) versuchten, den Markt für Control Area Networks (CAN) zu übernehmen. Eines der ersten Netzwerke, CAN, gab es seit Mitte der 80er Jahre für die Automobilkommunikation; Es erwies sich als so vielseitig, dass es in den 90er Jahren in die Automatisierungswelt einzog. Sercos kam in den frühen 90er Jahren auf den Markt und verwendete seine eigene Hardwareschicht mit Glasfaserübertragungsleitungen, während andere proprietäre Netzwerke mit einer RS-485-Hardwareschicht auf den Markt kamen.

Heute ist die Branche weit davon entfernt, standardisiert zu sein, mit einer unglaublichen Verfügbarkeit von Smart-Motion-Controller-Karten, Servoverstärkern, Motoren, Feedback-Geräten und mechanischen Verbindungen. Unter „Motion Control Today“ finden Sie ein kurzes Update zu all diesen Optionen.

Geschenk

Heutzutage gibt es viele Möglichkeiten, ein System zusammenzustellen. Theoretisch kann das ideale System erstellt werden, indem das beste Netzwerk, der beste Controller, der beste Servoantrieb, der beste Motor und das beste Feedback aufeinander abgestimmt werden. Dieser Traum ist jedoch aufgrund von Interoperabilitätsproblemen oft nur schwer umzusetzen. Der Grund dafür ist, dass Hersteller von Bewegungssteuerungsgeräten dazu neigen, ihre eigenen proprietären Systeme zu entwickeln, die Benutzer auf Hardware beschränken, die von diesem Hersteller produziert wird. Häufig finden Benutzer Paketlösungen angemessen für die Aufgabe, aber oft erhält der Benutzer nicht die bestmögliche Leistung. Es gibt einen Kompromiss zwischen Komfort und Leistung.

Designer von Bewegungssteuerungssystemen fordern zunehmend die Verfügbarkeit offener Standardlösungen. Systeme, die auf offenen Standards basieren, werden es Ingenieuren ermöglichen, nach den Komponenten zu suchen, die ihren Kosten-/Leistungsanforderungen entsprechen, und die Zweitbeschaffung kritischer Komponenten realistischer machen. CANopen wurde speziell für die Bewegungssteuerung entwickelt und ist aufgrund seiner bewährten Zuverlässigkeit in der Bewegungssteuerung und als offener Standard häufig das Netzwerk der Wahl. Ethernet Power Link (EPL) ist eine Ethernet-Erweiterung von CANopen, die die hohen Konnektivitätsraten von Ethernet nutzt und gleichzeitig die robusten Kommunikationsfähigkeiten von CANopen beibehält. Offene Netzwerkstandards wie diese werden dazu beitragen, die Entwicklung von Bewegungssteuerungssystemen auf die nächste Stufe von Leistung und Komfort zu bringen. Die Zukunft der Bewegungssteuerung sieht eine bessere Integration von Systemkomponenten und eine einfachere Integration und Programmierung vor.

Regler

Bewegungssteuerungen verleihen der Bewegung einer Maschine Intelligenz. Sie können eigenständige oder PCI-Karten sein, die direkt in einen PC eingebaut werden. Funktionen wie Trajektoriengenerierung, S-Kurven-Profilierung, Kompensation, Tiefpassfilter, Kerbfilter und andere Algorithmen machen streng kontrollierte Profile einfacher als je zuvor. Bewegungssteuerungen können ein- oder mehrachsige Maschinen mit entweder verteilten oder zentralisierten Netzwerken steuern. CAN und 100Base-T sind die gängigsten Netzwerkschichten. Diese Netzwerklösungen sind beliebt, aber Standard-Analog- und Impuls/Richtungs-Befehlsquellen nehmen immer noch einen großen Teil des Marktes ein und sind auf praktisch jeder Motion-Controller-Karte verfügbar. Bewegungssteuerungen sind normalerweise mit einem Verstärker oder "Servotreiber" verbunden, der sich zwischen dem Motor und der Steuerung befindet.

Antrieb

Die Grenze zwischen Servoantrieben und Bewegungssteuerungen verschwimmt zunehmend, da Servoantriebe Funktionen erhalten, die zuvor nur Bewegungssteuerungen hatten. In immer mehr Antrieben befinden sich ausgeklügelte Regelkreise. Das ist gut, weil es dem Motion Controller Spielraum für übergeordnete Algorithmen gibt. Während analoge Antriebe einen großen Prozentsatz von Servosystemen ausmachen, werden digitale Antriebe aufgrund programmierbarer E/A und vieler per Software konfigurierbarer Funktionen immer attraktiver. Einer der vielen Vorteile der Digitalisierung besteht darin, dass die gesamte Funktionalität eines digitalen Servoantriebs mit einem einfachen Firmware-Download geändert werden kann, wodurch Upgrades vor Ort mit neuen Funktionen schnell und einfach durchgeführt werden können.

Motor

Motoren gibt es in jeder Größe und Form mit verschiedenen Steuerungsschemata. Explosionsgeschützte Motoren sind in volatilen Umgebungen beliebt und rahmenlose Motoren ermöglichen eine enge Integration. Die Pharma- und Getränkeindustrie verwendet "Wash-Down"-Motoren für spezielle Anwendungen, bei denen der Motor regelmäßig unter Druck gewaschen wird. Motorhersteller können Motoren mit jeder Art von Spezifikation herstellen, einschließlich Größe, Gewicht, Form, Nenndrehmoment, Nenndrehzahl, Motorkonstante und mehr. Es stehen viele Arten von Motoren zur Auswahl, darunter: Schrittmotoren, Ein- und Dreiphasen-Wechselstrom-Induktionsmotoren, bürstenlose Permanentmagnetmotoren, bürstenbehaftete Permanentmagnetmotoren und bürstenlose Linearmotoren. Um die Position oder Geschwindigkeit eines dieser Motoren zu steuern, sind geeignete Feedback-Geräte erforderlich.

Feedback

Es gibt einige Standard-Feedback-Geräte, die für die meisten Anwendungen funktionieren. Dazu gehören Tachometer, Inkrementalgeber, Absolutwertgeber, Resolver, analoge Potentiometer und Halls. Während alle erwähnten Geräte entweder digitale Impulsfolgen auf TTL-Pegel oder analoge Signale verwenden, sind neuere Geräte mit absoluter Rückkopplung in der Lage, serielle Kommunikation zu betreiben. Anstatt einfach eine Spannung zu lesen oder Impulse zu zählen, muss der Antrieb oder die Steuerung aktiv mit dem Feedbackgerät kommunizieren, um eine digitale Anzeige der Rotorposition zu erhalten. Bei sinusförmigen 1-Vpp-Encodern verwenden einige Hochpräzisionsanwendungen Techniken, um Auflösungen von über 4 Millionen Zählungen/Umdrehung zu erreichen! Die erreichbare Auflösung an der Last hängt jedoch weitgehend von mechanischen Verbindungen und fortschrittlichen Feedback-Schemata wie Dual-Loop-Feedback ab.

Sehen Sie in der Bewegungssteuerungsübersicht, wie alle Teile zusammenkommen