Überblick über die Bewegungssteuerung
Die Bewegungssteuerung, ein Teilbereich der Automatisierungstechnik, hat sich in Branchen, in denen eine präzise Steuerung der Bewegungen mechanischer Systeme erforderlich ist, zunehmend durchgesetzt.
Da der weltweite Markt für Bewegungssteuerung bis 2031 voraussichtlich auf 21,95 Mrd. USD anwachsen wird, ist es keine Überraschung, dass immer mehr Unternehmen verschiedene Bewegungssteuerungssysteme wie Servomotoren und -antriebe einsetzen.
Was ist Bewegungssteuerung?
Die Bewegungssteuerung, die auch als "Robotik" bezeichnet wird, wird in industriellen Prozessen eingesetzt, um eine bestimmte Last auf kontrollierte Weise zu bewegen. Bewegungssteuerungssysteme können entweder pneumatische, hydraulische oder elektromechanische Antriebstechniken verwenden.
Die Wahl des Aktuatortyps (d. h. des Geräts, das die Energie zum Bewegen der Last bereitstellt) basiert auf den Anforderungen an Leistung, Geschwindigkeit, Präzision und Kosten. Elektromechanische Systeme werden in der Regel bei Anwendungen mit hoher Präzision, geringer bis mittlerer Leistung und hoher Geschwindigkeit eingesetzt. Diese Systeme sind flexibel, effizient und kostengünstig. Motoren sind die Aktoren, die in elektromechanischen Systemen eingesetzt werden.
Durch die Wechselwirkung elektromagnetischer Felder erzeugen sie Strom. Diese Motoren sorgen entweder für eine Dreh- oder eine Linearbewegung. Hier sehen Sie eine grafische Darstellung eines typischen Servosystems:
Bei dieser Art von System handelt es sich um ein Rückkopplungssystem, das zur Steuerung von Position, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung verwendet wird. Der Regler enthält die Algorithmen zum Schließen des gewünschten Regelkreises (in der Regel Position oder Geschwindigkeit) und übernimmt auch die Maschinenschnittstelle mit Eingängen/Ausgängen, Terminals usw.
Der Antrieb oder Verstärker schließt die innere(n) Schleife(n) (typischerweise Geschwindigkeit oder Strom) und stellt den elektrischen Leistungswandler dar, der den Motor entsprechend den Sollwertsignalen des Reglers antreibt. Der Motor kann bürstenbehaftet oder bürstenlos, rotierend oder linear sein.
Der Motor ist der eigentliche elektromagnetische Aktor, der die zur Bewegung der Last erforderlichen Kräfte erzeugt. Rückmeldeelemente wie Tachometer, LVDs, Encoder und Resolver werden am Motor und/oder an der Last angebracht, um die verschiedenen Servoschleifen zu schließen.
ADVANCED Motion Controls entwickelt und produziert Servoantriebe und Verstärker für den Einsatz in Servosystemen. Servoantriebe und -verstärker werden in großem Umfang in Bewegungssteuerungssystemen eingesetzt, wo eine präzise Steuerung von Position und/oder Geschwindigkeit erforderlich ist.
Der Umrichter/Verstärker wandelt einfach die energiearmen Referenzsignale des Reglers in energiereiche Signale um, um Motorspannung und -strom bereitzustellen. In einigen Fällen ersetzt ein Digitalantrieb das Steuerungs-/Antriebs- oder Steuerungs-/Verstärker-Steuerungssystem.
Die Befehlssignale stellen entweder ein Motordrehmoment, eine Geschwindigkeit oder eine Position dar und können entweder analog oder digital sein. Der analoge +/-10 VDC-Befehl ist immer noch das gebräuchlichste Referenzsignal, aber er weicht schnell den digitalen Netzwerkbefehlen.
Was ist die Geschichte der Bewegungssteuerung?
Der Geschichte der Bewegungssteuerungstechnik reicht bis in die Zeit der industriellen Revolution zurück, die um 1760 begann. In dieser Zeit wurden bedeutende Fortschritte in der Maschinentechnologie erzielt, die den Grundstein für die hochentwickelten Bewegungssteuerungssysteme von heute legten. In den 1700er- und 1800er-Jahren wuchs mit der Expansion der Industrie der Bedarf an raffinierten Bewegungssteuerungen exponentiell an.
- 1700s: Die industrielle Revolution begann und markierte die ersten Fortschritte in der Maschinentechnologie, die den Grundstein für Bewegungssteuerungssysteme legen sollten.
- 1800s: In der Fabrikautomation dominierten grobe Motoren, die mit Riemen und Riemenscheiben arbeiteten. Große Kraftquellen wie Wasserräder und Dampfmaschinen übertrugen die mechanische Kraft über vertikale Antriebsstränge.
- 1900s: Mit der Einführung des Gleichstromgenerators durch Thomas Edison in den 1870er Jahren und der Einführung des Wechselstrommotors durch Nikola Tesla in den 1880er Jahren erlebten die elektrischen Innovationen einen Aufschwung. Zu den Fortschritten des frühen 20. Jahrhunderts gehörten elektrisch betriebene Geräte, die durch Henry Fords mobile Produktionslinien und standardisierte Teile vorangetrieben wurden. Im Jahr 1927 revolutionierte Harold Black die Gegenkopplung in Verstärkern und beeinflusste damit die Entwicklung pneumatischer Bewegungssteuerungssysteme in den 1930er Jahren. Mitte des 20. Jahrhunderts wurde die Proportional-Integral-Derivativ-Steuerung (PID) eingeführt, und in den späten 1970er Jahren wurden die Pulsweitenmodulation (PWM) und bürstenlose Permanentmagnetmotoren eingeführt.
- Ende des 20. Jahrhunderts bis heute: Digitale Signalverarbeitung (DSP) und PWM-Schalttechnologien verbesserten die Kompaktheit und Effizienz von Bewegungssteuerungssystemen. Netzwerkprotokolle wie Profibus (1989) und DeviceNet (1994) zielten darauf ab, die Automatisierungskommunikation zu standardisieren. Die Einführung offener Standards wie CANopen und Ethernet Power Link (EPL) hat die Zuverlässigkeit und Konnektivität der Systeme verbessert.
Was sind die Hauptkomponenten eines Bewegungssteuerungssystems?
Regler
Die Steuerung ist das "Gehirn" eines Servosystems. Er ist verantwortlich für die Erzeugung der Bewegungspfade und für die Reaktion auf Veränderungen in der äußeren Umgebung. Steuerungen können so einfach sein wie ein EIN/AUS-Schalter oder ein Drehknopf, der von einem Bediener gesteuert wird.
Sie können auch so komplex sein wie ein Computer mit der Fähigkeit, mehrere Servoachsen aktiv zu steuern, E/A zu überwachen und die gesamte Programmierung der Maschine zu verwalten.
Normalerweise sendet die Steuerung ein Signal an den Antrieb, der Antrieb versorgt den Motor mit Strom und die Rückmeldung des Motors wird an die Steuerung und den Antrieb zurückgesendet. Die Rückmeldung von der Last wird ebenfalls an die Steuerung weitergeleitet. Die Steuerung analysiert die Rückmeldung und korrigiert Fehler, indem sie das Signal an den Verstärker aktualisiert. Der Regler wird als der intelligente Teil des Servos betrachtet, der die Geschwindigkeits- und/oder Positionsschleifen schließt, während der Verstärker die Stromschleife schließt.
Viele Verstärker schließen jedoch die Geschwindigkeits- und/oder Positionsschleifen und verringern so den Rechenaufwand für den Regler.
Physische Formen von Controllern
Controller gibt es in einer Vielzahl von Formen, die Benutzer basierend auf Kosten, Leistung, Komfort und Benutzerfreundlichkeit auswählen. Die meisten Steuerungen fallen in die Kategorie der Mikrocontroller, SPS und Bewegungssteuerungen. Jede wird unten beschrieben.
Mikrocontroller
Dies ist ein kleiner und kostengünstiger Computertyp, der ein Programm ausführt, das in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert ist. Das Konfigurieren eines Mikrocontrollers für ein System erfordert im Allgemeinen einen erfahrenen Programmierer, und das Schließen von Schleifen wie Position und Geschwindigkeit kann ziemlich schwierig sein. Wenn man ein Servosystem mit einem Mikrocontroller entwirft, muss der Verstärker/Antrieb oft die gewünschten Schleifen schließen, während der Mikrocontroller einfach bestimmte Befehle an den Verstärker zurücksendet. Diese Befehle können von Eingaben in den Mikrocontroller (Sensoren, Schalter usw.) abhängen.
SPS
SPS haben einen Prozessor und einen Speicher, damit Befehle programmiert, gespeichert und ausgeführt werden können. Es hat auch ein Rack und E/A-Steckplätze, so dass E/A-Module nach Bedarf zur SPS hinzugefügt werden können. Die Module können Funktionen wie Hochgeschwindigkeitszähler, Echtzeituhren oder Servosteuerungsfunktionen hinzufügen.
Zu den Vorteilen von SPSen gehören Erweiterbarkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber rauen Umgebungen. Der Preis ist in der Regel niedriger als der von Motion Controllern.
Motion-Controller
Befehl
Der Befehl ist das Signal, das von der Steuerung an den Servoantrieb gesendet wird.
Digitale Servoantriebe können über verschiedene Netzwerke gesteuert werden, darunter CANopen, Ethernet, EtherCAT, Ethernet Powerlink, Synqnet, USB, RS232 und viele mehr, mit denen Sie den Motor steuern können, indem Sie den Verstärker direkt (oder fast direkt) an einen Computer anschließen. Netzwerksignale haben den Vorteil, dass sie mehr als nur den Ausgangsbefehl kommunizieren können, einschließlich E/A-Status, Antriebsstatus, Positionsinformationen und mehr.
Analoge Servoantriebe werden mit +/-10 V Analogsignalen und PWM- und Richtungssignalen gesteuert.
Servoantrieb
Der Servoantrieb ist das Bindeglied zwischen dem Regler und dem Motor. Sie werden auch als Servoverstärker bezeichnet und haben die Aufgabe, die energiearmen Referenzsignale der Steuerung in energiereiche Leistungssignale für den Motor umzuwandeln. Ursprünglich waren Antriebe einfach die Leistungsstufe, die es einer Steuerung ermöglichte, einen Motor anzutreiben. Ursprünglich handelte es sich um Ein-Quadranten-Modelle, die Bürstenmotoren antrieben. Später kamen Vier-Quadranten-Modelle hinzu, die auch bürstenlose Motoren antreiben können. Vier Quadranten bedeutet, dass sie einen Motor in beide Richtungen antreiben und regenerieren können.
Der aktuelle Trend geht dahin, Laufwerken mehr Funktionen und Fähigkeiten hinzuzufügen. Heutzutage kann von Antrieben erwartet werden, dass sie das gesamte Systemfeedback verarbeiten, einschließlich Encoder, Resolver und Tachometer sowie Endschalter und andere Sensoren. Die Antriebe werden auch aufgefordert, den Drehmomentregelkreis, den Geschwindigkeitsregelkreis und den Positionsregelkreis zu schließen, und ihnen wird die Verantwortung für die Bahngenerierung übertragen. Da die Grenze zwischen Controller und Laufwerk verschwimmt, übernimmt das Laufwerk viele der komplexeren Steuerungsfunktionen, die früher die einzige Domäne des Controllers waren.
Die Zukunft der Antriebstechnik wird auch weiterhin auf den Anforderungen der Motion-Control-Branche aufbauen. Zu diesen Forderungen gehören:
- Höhere Bandbreite zur Steigerung des Produktionsdurchsatzes
- Erhöhte Geschwindigkeits- und Positionssteuerung, um eine kompliziertere und miniaturisiertere Fertigung zu ermöglichen
- Erhöhte Netzwerkfähigkeit, um Achsen innerhalb einer Maschine und Maschinen innerhalb einer Fabrik eng zu koordinieren
- Vereinfachte, benutzerfreundliche und universelle Bedienung
Motor
Der Servomotor wandelt den Strom und die Spannung, die vom Antrieb kommen, in mechanische Bewegung um. Die meisten Motoren sind Rotationsmotoren, aber es gibt auch Linearmotoren. Es gibt viele Arten von Motoren, die in Servoanwendungen verwendet werden können.
Die folgende Liste von Motortypen findet sich häufig in Servoanwendungen.
Einzelphase
Einphasenmotoren haben zwei Stromkabel und sind sehr einfach einzurichten. Motoren in dieser Kategorie können Bürstenmotoren, induktive Lasten und Schwingspulen umfassen. Verstärker, die für Bürstenmotoren ausgelegt sind, werden normalerweise verwendet, um einphasige Lasten anzutreiben, obwohl die meisten dreiphasigen Antriebe von AMC diese Motoren auch betreiben können.
Bürste
Der gebräuchlichste Einphasenmotor. Die Bürsten sind eine Form der mechanischen Kommutierung, die den Strom zur richtigen Zeit in die richtigen Spulen leitet.
Linearantrieb
Linearantriebe verwenden einen Rotationsmotor, der mit einem Getriebe gekoppelt ist, um eine lineare Welle ein- und auszufahren. Der Motor im Aktuator ist oft ein Bürstenmotor.
Schwingspule
Eine Schwingspule ähnelt konzeptionell einem Lautsprecher. Die Bewegung ist linear und normalerweise auf weniger als 0,5 Zoll (13 mm) Hub begrenzt. Viele Schwingspulenanwendungen erfordern einen Hochleistungs-Servoantrieb und ADVANCED Motion Controls ist oft die erste Wahl.
Magnetlager
Magnetlager schweben eine rotierende Welle auf einem Magnetkissen, das mit Servos gesteuert wird. Sie werden eingesetzt, wenn eine geringe Reibung erforderlich ist oder wenn die Wellendrehzahlen für herkömmliche Lager zu hoch sind. Magnetlager verwenden Elektromagnete, um die rotierende Welle zum Schweben zu bringen, sodass nichts sie physisch berührt. Ein typisches Magnetlagersystem erfordert 4 oder 5 Antriebe – ein x und y auf jeder Seite der rotierenden Welle und ein optionales Axiallager, um zu verhindern, dass die Welle ein- und austreibt. Die Leistungsanforderungen an die Laufwerke können aufgrund der Dynamik des Systems extrem hoch sein.
Induktive Last
Induktive Lasten werden häufig von Universitäten und Wissenschaftlern verwendet, um Magnetfelder für ihre Experimente zu erzeugen. ADVANCED Motion Controls-Antriebe haben erfolgreich induktive Lasten mit weniger als 80 µH Induktivität bis über 1 H (1.000.000 µH) Induktivität gesteuert. Für die in einem großen Induktor gespeicherte Energie gibt es besondere Überlegungen, und unsere technische Supportabteilung bespricht diese gerne in Bezug auf Ihr Projekt.
Drei Phasen
Bürstenloser Rotator
Bürstenlose Permanentmagnet-Servomotoren haben eine höhere Leistungsdichte, eine bessere Wärmeableitung und erfordern weniger Wartung als Bürstenmotoren. Bürstenlose Motoren können aufgrund der erhöhten Verkabelung etwas schwieriger einzurichten sein, so dass unsere digitale Linie die Dinge einfacher macht, indem sie den Kommutierungsprozess automatisiert.
Linear
Der Aufbau eines Linearmotors ist derselbe wie bei einem Rotationsmotor, aber geöffnet und abgeflacht. Die Konfiguration eines Antriebs für einen Linearmotor ist identisch mit der Konfiguration eines Antriebs für einen Rotationsmotor. Linearmotoren werden in Direktantriebsanwendungen eingesetzt, bei denen die Geschwindigkeits- und Genauigkeitsanforderungen höher sind als ein Rotationsmotor und eine Kugelumlaufspindel leisten können.
Überlegungen zum Laden
Lastüberlegungen sollten das zu bewegende Objekt, die beweglichen Teile in der Maschine und alles, was unerwünschte Instabilitäten verursachen kann, wie Kupplungen und Spiel, umfassen. Die Gesamtmasse der beweglichen Teile in der Maschine haben alle Trägheiten, die auf den Motor reflektiert werden. Reibungspunkte wie z. B. von Lineartischen und Lagern erhöhen die Motorlast. Flexible Kupplungen fügen Resonanzen hinzu, die berücksichtigt werden müssen.
Feedback
Absolutes Feedback
Absolutgeräte liefern beim Einschalten (dh ohne Homing-Routine) die endgültige Position innerhalb eines bestimmten Bereichs.
Relatives Feedback (inkrementell)
Diese Geräte bieten nur inkrementelle Positionsaktualisierungen. Um die Position des Motors oder der Last zu kennen, muss eine inkrementelle Rückführung in Verbindung mit einer Art absoluter Rückführung (z. B. einem Endschalter) verwendet werden, um die Anfangsposition zu bestimmen. Sobald die Anfangsposition bekannt ist, kann relatives Feedback Positionsinformationen über den gesamten Bewegungsbereich liefern.
Innerhalb dieser beiden allgemeinen Feedback-Typen gibt es viele verschiedene Feedback-Geräte. Hier sind einige der Geräte, die am häufigsten in der Bewegungssteuerung verwendet werden.
Feedback-Typen
Quadratur-Encoder
Encoder sind das am weitesten verbreitete Positionsrückmeldungsgerät in der Bewegungssteuerung. Lineare Encoder können Auflösungen im Submikronbereich erreichen und Rotationsencoder können Auflösungen von über 100.000 Zählungen pro Umdrehung haben. Dies sind relative Feedback-Geräte.
Sinus-Encoder
Sinus-Encoder verwenden Sinuswellen anstelle der Rechteckwellen, die bei Quadratur-Encodern zu sehen sind. Dadurch können Zwischencodiererzählungen auf über 1024 Mal interpoliert werden. Auflösungen von über 4 Millionen Zählungen pro Auflösung sind möglich. Dies sind relative Feedback-Geräte.
Absoluter Sinus-Encoder
Diese verwenden die gleichen Sinus-Encoder wie oben zusätzlich zu einem mechanischen Gerät oder einer elektrischen Schaltung, die absolute Positionsinformationen über viele tausend Umdrehungen aufrechterhalten kann. Diese Geräte übertragen die Positionsinformationen über ein serielles Protokoll wie zB: Hiperface®, EnDat® und BiSS.
Hall-Sensoren
Dies ist eine Rückkopplung mit niedriger Auflösung, die häufig für die Kommutierungssteuerung erforderlich ist. Dies kann auch für Geschwindigkeitsfeedback bei höheren Geschwindigkeiten verwendet werden. Diese liefern 6 Einheiten absolutes Feedback innerhalb jedes elektrischen Zyklus.
Resolver
Ein Resolver ist im Wesentlichen ein Drehtransformator. Dieses Feedback ist für Auflösungen über 16 Bit geeignet. Resolver sind das Feedback der Wahl für Umgebungen mit hohen Temperaturen und starken Vibrationen. Diese liefern absolutes Feedback innerhalb einer Umdrehung.
Was sind die Hauptfunktionen der Bewegungssteuerung?
Die Bewegungssteuerung hat sieben Hauptfunktionen. Wir werden sie im Folgenden im Detail besprechen.
Geschwindigkeitssteuerung
Die Geschwindigkeitskontrolle ist eine grundlegende Funktion in Bewegungssteuerungssystemen, die es Maschinen ermöglicht, die Geschwindigkeit der Bewegung präzise zu steuern.
Diese Steuerung ist von entscheidender Bedeutung für Anwendungen, bei denen eine konstante und kontrollierte Geschwindigkeit erforderlich ist, wie z. B. bei Förderbändern oder der Drehzahlregelung von Ventilatoren in HLK-Systemen.
Die Fähigkeit, die Geschwindigkeit gleichmäßig und genau anzupassen, gewährleistet optimale Leistung und Effizienz in automatisierten Prozessen.
Positionskontrolle (Punkt-zu-Punkt)
Bei der Positionssteuerung, die oft auch als Punkt-zu-Punkt-Steuerung bezeichnet wird, wird ein Gerät oder eine Komponente von einem bestimmten Ort zu einem anderen innerhalb eines vordefinierten Bereichs bewegt. Diese Funktion ist in Branchen von entscheidender Bedeutung, in denen es auf Präzision ankommt, z. B. in der Robotik und der CNC-Bearbeitung.
Positionssteuerungssysteme verwenden verschiedene Methoden zur Berechnung von Bewegungsbahnen, darunter Dreiecks-, Trapez- und S-Kurvenprofile. Jedes dieser Profile weist unterschiedliche Eigenschaften auf:
- Dreieckige Profile werden in der Regel für einfache, direkte Bewegungen verwendet.
- Trapezprofile führen Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen ein und eignen sich daher für komplexere Vorgänge.
- S-Kurven-Profile sorgen für eine allmähliche Erhöhung und Verringerung der Geschwindigkeit zu Beginn und am Ende der Bewegung, wodurch die Laufruhe verbessert und die mechanische Belastung des Systems verringert wird.
Druck-/Kraftkontrolle
Die Druck- oder Kraftregelung ist für Anwendungen unerlässlich, bei denen Maschinen präzise mit unterschiedlichen Lasten und Widerständen interagieren müssen. Diese Funktion ermöglicht es den Systemen, die angewandte Kraft dynamisch anzupassen, um eine optimale Leistung zu gewährleisten, ohne die Produkte oder Maschinen zu beschädigen.
Eine solche Steuerung ist in Branchen wie der Fertigung von entscheidender Bedeutung, wo Montagelinien eine exakte Kraft benötigen, um Teile fehlerfrei zusammenzusetzen. Hochentwickelte Servomotoren und Rückkopplungssensoren überwachen und passen die Kraft kontinuierlich an, um das Gleichgewicht zwischen Effizienz und Präzision zu wahren.
Impedanzkontrolle
Die Impedanzsteuerung ist besonders in der Robotik wichtig, wo Maschinen mit dynamischen Umgebungen interagieren. Diese Art der Steuerung dient dazu, die mechanische Impedanz des Roboters, d. h. Steifigkeit und Dämpfung, in Echtzeit anzupassen.
Durch die Modulation dieser Faktoren können sich Roboter effektiv an die physikalischen Eigenschaften der Objekte anpassen, mit denen sie interagieren, und so ihre Fähigkeit zur Ausführung komplexer Aufgaben wie Montage, Verpackung oder sogar schwierige Operationen verbessern. Bei der Impedanzkontrolle geht es nicht nur um die direkte Kraftanwendung, sondern auch um nuancierte Anpassungen, die eine reibungslose und sichere Interaktion zwischen Robotern und ihrer Betriebsumgebung gewährleisten.
Pfadkontrolle
Die Bahnsteuerung ist ein wesentlicher Bestandteil, um sicherzustellen, dass ein Bewegungssystem eine vordefinierte Route oder Trajektorie genau einhalten kann. Diese Funktion ist von entscheidender Bedeutung für Anwendungen, bei denen die Bewegung zwischen mehreren Punkten präzise gesteuert werden muss, wie z. B. bei Schneidemaschinen oder beim Einsatz von Roboterarmen in Montagelinien.
Die Bahnsteuerung nutzt hochentwickelte Algorithmen, die nicht nur die Flugbahn vorgeben, sondern auch die Bewegung im Hinblick auf Geschwindigkeit und Effizienz optimieren, wodurch der Verschleiß der mechanischen Komponenten verringert und die Zuverlässigkeit des Systems insgesamt erhöht wird.
Rucksteuerung
Bei der Rucksteuerung geht es um die Änderungsrate der Beschleunigung, die ein kritischer Faktor für den reibungslosen Betrieb von Maschinen ist. Die Minimierung des Rucks ist entscheidend für die Verringerung der mechanischen Belastung und die Vermeidung von Schäden am Produkt und an der Maschine.
Diese Kontrollfunktion ist besonders wichtig in Systemen, in denen sich Geräte mit hohen Geschwindigkeiten bewegen oder empfindliche Komponenten tragen. Durch die Glättung der Übergänge beim Beschleunigen und Abbremsen sorgt die Rucksteuerung für eine längere Lebensdauer der mechanischen Teile und erhöht die Sicherheit in automatisierten Prozessen.
Elektronisches Getriebe / Nockenprofilierung
Elektronisches Getriebe und Nockenprofilierung sind fortschrittliche Techniken, die zur Synchronisierung der Bewegung verschiedener Teile einer Maschine eingesetzt werden. Diese Funktionen ermöglichen eine präzise Steuerung der Maschinendynamik und ermöglichen komplexe Bewegungen, die in synchronisierten Montagelinien oder in mehrachsigen Werkzeugmaschinen unerlässlich sind.
Das elektronische Getriebe ahmt das herkömmliche mechanische Getriebe nach, allerdings mit größerer Flexibilität und ohne physischen Kontakt, wodurch der mechanische Verschleiß verringert wird. Bei der Nockenprofilierung wird die Bewegungssteuerung so programmiert, dass sie einem Nockenprofil folgt, was besonders bei Anwendungen nützlich ist, die sich wiederholende, präzise Bewegungen erfordern.
Bewegungsprofile
Der Zweck aller Servosysteme besteht darin, eine Art von Last zu bewegen. Die Art und Weise, in der die Last bewegt wird, wird als Bewegungsprofil bezeichnet. Ein Bewegungsprofil kann so einfach sein wie eine Bewegung von Punkt A nach Punkt B auf einer einzigen Achse, oder es kann eine komplexe Bewegung sein, bei der mehrere Achsen präzise koordiniert bewegt werden müssen.
Ein Beispielprofil ist in Abbildung 1 dargestellt. Die insgesamt zurückgelegte Strecke D wird durch Berechnung der Fläche unter der Kurve ermittelt. T ist die Gesamtzeit, die für die Bewegung benötigt wird. Die Steigung der Geschwindigkeitskurve stellt die Beschleunigung oder Verzögerung zu diesem bestimmten Zeitpunkt dar. Es gibt mehrere Arten von Bewegungsprofilen, die bei Servosteuerungssystemen verwendet werden. Die am häufigsten verwendeten sind Konstante Geschwindigkeit, Trapez, und S-Kurve Bewegungsprofile.
Dinge, an die Sie sich erinnern sollten:
- Geschwindigkeit proportional zu 1/T
- Beschleunigung proportional zu 1/T2
- Leistung (Peak) proportional zu 1/T3
Die Auswirkungen des letzten Aufzählungspunkts sind tiefgreifend. Wenn Sie beispielsweise ein bestehendes System haben und möchten, dass die Bewegungen doppelt so schnell ausgeführt werden, benötigt das System die 8-fache Leistung!
Konstante Geschwindigkeit
Dieses Bewegungsprofil behält zwischen den Punkten eine konstante Geschwindigkeit bei (siehe Abbildung 2a). Dies ist das grundlegendste Bewegungsprofil, da nur ein Geschwindigkeitsbefehl verwendet wird.
Konstante Geschwindigkeit würde in so etwas wie einem Förderband oder einem Ventilator verwendet.
Präzisionspositioniermaschinen verwenden das konstante Geschwindigkeitsprofil nicht, da eine reale Maschine die Geschwindigkeit nicht sofort ändern kann. Es wird eine Zeitverzögerung geben, die mit Änderungen in der Last und im System schwankt. In Abbildung 2B stellt die gepunktete Linie den tatsächlichen Geschwindigkeitsweg dar, den die Last nehmen wird. Ta und Td stellen die zum Beschleunigen und Abbremsen erforderliche Zeit dar. Diese Zeiten können bei Lastschwankungen variieren.
Trapez
Das trapezförmige Bewegungsprofil neigt die Geschwindigkeitskurve, um vorhersagbare Beschleunigungs- und Verzögerungsraten zu erzeugen. Ein trapezförmiges Bewegungsprofil ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Zeit zum Beschleunigen und Abbremsen ist präzise und wiederholbar. Ta und Td existieren immer noch, aber sie sind jetzt spezifizierte Werte anstelle von zufälligen Werten.
- Wenn ta = td = T/3 für ein trapezförmiges Bewegungsprofil ist, ist die verwendete Gesamtleistung minimal
- Bei einer trapezförmigen Bewegung besteht immer noch ein Überschwingfehler, aber dieser Fehler ist für viele Systeme vernachlässigbar.
- Maschinen mit höherer Präzision erfordern ein anderes Bewegungsprofil.
S-Kurve
Das S-Kurven-Bewegungsprofil ermöglicht eine allmähliche Änderung der Beschleunigung. Dies trägt dazu bei, die durch Überschwingen verursachten Probleme zu verringern oder zu beseitigen, und das Ergebnis ist eine sehr viel geringere mechanische Vibration, die das System wahrnimmt. Die minimalen Beschleunigungspunkte treten zu Beginn und am Ende der Beschleunigungsperiode auf, während die maximale Beschleunigung zwischen diesen beiden Punkten auftritt. Dies ergibt ein Bewegungsprofil, das schnell, genau und gleichmäßig ist.
Drehmoment- und Leistungsberechnungen
Ausgehend vom Geschwindigkeitsprofil kann das Drehmomentprofil durch Ableitung der Geschwindigkeit abgeleitet werden. Eine positive Steigung im Geschwindigkeitsprofil ist ein positives Drehmoment und eine negative Steigung ist ein negatives Drehmoment. Die Steilheit des Slops entspricht der Größe des Drehmoments.
Als nächstes kann die Leistungskurve abgeleitet werden, indem die Geschwindigkeitskurve mit der Drehmomentkurve multipliziert wird (Drehmoment x Drehzahl = Leistung).
Entwerfen eines Systems
Die Informationen in diesen drei Profilen bilden die Grundlage des Systemdesigns.
- Anhand der Geschwindigkeits- und Drehmomentprofile können Sie Ihre Motorauswahl auf Modelle einschränken, die in der Lage sind, das erforderliche Drehmoment und die erforderliche Drehzahl bereitzustellen
- Anhand der Motordaten (Kt - Drehmomentkonstante, Kv - Spannungskonstante, Rm Motorwiderstand) können Sie dann den Strom- und Spannungsbedarf des Systems ermitteln
- Aus dem Spitzendrehmoment lässt sich der Spitzenstrom (I) berechnen. Ich = T / Kt
- Aus der Spitzengeschwindigkeit können Sie die Spitzenspannung (V) berechnen. V = Drehzahl * Kv + I * Rm
- Anhand der Motordaten (Kt - Drehmomentkonstante, Kv - Spannungskonstante, Rm Motorwiderstand) können Sie dann den Strom- und Spannungsbedarf des Systems ermitteln
- Wenn die Strom- und Spannungsanforderungen bekannt sind, können Sie einen Servoantrieb auswählen
Mehr Gleichungen
- Drehmoment ist proportional zum Strom.
- Drehmoment * Drehzahl = Leistung
- KT = Drehmomentkonstante (lb-in/A)
- Das RMS-Drehmoment ist wichtig für Versorgungs- und thermische Erwägungen.
Was sind die Anwendungen von Motion Control?
Zu den acht wichtigsten Branchen, in denen die Bewegungssteuerung zum Einsatz kommt, gehören:
- Herstellung: Bewegungssteuerungssysteme rationalisieren Produktionslinien, erhöhen die Präzision von Montageprozessen und verringern Ausfallzeiten aufgrund mechanischer Fehler.
- Robotik: In der Robotik ist die Bewegungssteuerung von entscheidender Bedeutung für präzise Bewegungen in Anwendungen, die von der industriellen Automatisierung bis zu Servicerobotern im Gesundheitswesen reichen.
- Luft- und Raumfahrt: Die Bewegungssteuerung, die für Positionierungs- und Navigationssysteme verwendet wird, gewährleistet die genaue Handhabung und den Einsatz von Komponenten in Raumfahrzeugen und Flugzeugen.
- Automobilindustrie: Implementiert die Bewegungssteuerung in automatisierten Montagelinien und stellt sicher, dass die Teile mit hoher Präzision montiert werden, was die Gesamtqualität des Fahrzeugs verbessert.
- Unterhaltung: Technologien zur Bewegungssteuerung werden in der Animatronik und bei Spezialeffekten eingesetzt, um realistische Bewegungen in Filmen und Themenparks zu erzeugen.
- Gesundheitswesen: Entscheidend für Operationsroboter und Diagnosegeräte, die eine präzise Steuerung ermöglichen, die das Ergebnis medizinischer Verfahren verbessert.
- Verpackung: Ermöglicht einen schnellen und präzisen Warenumschlag, der die Verpackungseffizienz verbessert und den Materialabfall reduziert.
- Drucken: Bewegungssteuerungssysteme sorgen für eine hochauflösende Ausgabe, indem sie die präzisen Bewegungen der Druckköpfe steuern, was für die Erzielung hochwertiger Drucke unerlässlich ist.
Unterm Strich
Die Bewegungssteuerung ist ein weites Feld und entwickelt sich ständig weiter. Unternehmen wie Advanced Motion Controls sind führend in der Entwicklung von Komponenten zur Bewegungssteuerung wie Servoantriebe und ServoreglerDie Industrie setzt ihre Innovationen fort und verbessert die Präzision, Effizienz und Vielseitigkeit der verschiedenen Anwendungen.
Diese Fortschritte versprechen weitere Fortschritte in der Automatisierung, Robotik und Fertigung und werden die Zukunft zahlreicher Branchen prägen.
Genug mit der Theorie, sehen wir uns dieses Zeug in echten Maschinen an!