Kollmorgen实现无刀具切割最佳性能的五个运动控制诀窍

等离子体、激光和水射流切割机有一个共同之处：客户寻求新一代性能。　　当制造商进行机床升级换代时，他们看重的是能够更快、更可靠地生产更高质量的产品的功能。这意味着，作为机床制造商，其声誉和成功取决于能否提供最佳的性能、设计和集成。所有这些都取决于运动控制系统的优化。五个主要的优化诀窍包括现场总线体系结构、控制环带宽、伺服电机设计、反馈选择和布线。
　　1.选择适合的现场总线体系结构　　过去使用的是几种不同的总线类型，新型金属成型系统几乎统一使用多种以太网版本之一，实现了易用性并确保最高性能。但是，即使在以太网协议家族内，性能也是相对的，选择错误的总线体系结构会显著降低执行速度，继而降低切割质量和精确度。　　无论是使用业界标准控制器（如 Hypertherm）还是定制的控制器，定义切割的位置点以确定的方式从控制器一个接一个传到驱动器。点的每个 x/y 组合之间的时间间隔严格且无偏差。此外，对于高度动态的应用（比如精密切割），这些时间间隔非常短，一般在 500 微秒至 1 毫秒之间。更长的时间间隔意味着切割精确度降低，而变化的时间间隔则表示扭曲的切割。　　以太网连接器看起来一样，但不同版本的以太网的工作方式并不相同，必须为相应工作选择适合的版本。但是，任何驱动器的现场总线端口都必须支持一种工业以太网版本，且总线上的所有设备都必须兼容并已正确配置。　　在现场总线上的所有设备间实时传输确定性数据时，并非所有工业以太网协议都具有相同的能力。科尔摩根建议使用 EtherCAT，因为该协议拥有快速、实时且支持 CANopen、FailSafe over EtherCAT (FSoE) 以及其他的特征。
常见体系结构的性能比较（来源：IEBmedia）
　　2.优化带宽　　更高带宽本质上与更高速度相关。随着控制环带宽的提高，系统可实现刚性更强的电机行为，减少错误并缩短瞬时响应时间。结果是对位置、速度和转矩实现更灵敏的控制。对于许多日常切割应用，这些因素可能不是很关键。但是，对于下一代切割机，控制环带宽对于性能至关重要。　　然而，虽然高带宽能够实现高性能，但它也还需要高性能运动组件。风险在于，如果驱动器和电机无法利用控制环中的快速变化，更高频率可能会导致不稳定问题。例如，高惯量电机可能无法实现所需的加速度，这些不足会被反馈到控制环中。　　另一个常见问题是带宽匹配。在多轴应用中，需要足够的带宽在每个轴上执行所需的移动。但是，如果不同轴之间的带宽不完全匹配，切割的形状将会扭曲，因为轴以不同的速率响应控制环的反馈。虽然与带宽没有直接关系，但集成龙门的应用程序也需要在两个平行的轴之间交叉耦合，以确保协调运动。
　　您的驱动器应提供简单、高度准确的工具，以匹配各个轴之间的带宽。当决定使用伺服电机时，寻找低惯性设计，以提供高带宽、高性能应用所需的加速度和扭矩响应，而不会对系统造成干扰。科尔摩根 2G 运动控制系统 做到了这一点，同时还包括龙门模式算法，简化了龙门侧之间的交叉耦合。　　3.选择电机并确定适合的尺寸
　　另一个常见的错误是在没有考虑电压或电流饱和风险的情况下，将电机尺寸减小或选择了错误的电机设计。简而言之，电机的转矩常数，或Kt，不能超过总线电压允许的值。如果驱动器无法提供必需的电压或电流，则电机可能无法执行所需运动。　　解决方案是在电机选型过程中预先集成电气计算功能。了解可用电流和电压的准确值后，即可客观地评估所需的电机设计和尺寸。可能需要换成更大电机。或者，可考虑使用配有不同绕组的同一电机，该绕组使电压和电流需求达到新的平衡。这样，将很有可能获得所需的性能，且无需增加电机尺寸，甚至能够减小尺寸。
　　寻找能够提供运动控制设计和产品选型专业知识的合作伙伴，解决电压和电流饱和问题，在电源给定的实际条件下确保最佳性能。　　4.将反馈设备与应用需求相匹配
　　反馈设备为驱动器或控制器提供信息来确保电机或负载在适当时间达到所需速度和位置。为特定应用选择的反馈设备会对成本、速度和准确性产生重大影响。　　增量编码器提供两个输出信号，指明运动和方向。这些信号只能跟踪相对位置，因此需要使用数字接口来计算绝对位置。在电源中断或应用出错时，轴必须在重启前返回到原位置，因为编码器不会跟踪绝对位置。在一些应用中，这可能是一个安全问题。增量编码器在某种程度上还易受电气噪声干扰，可能需要使用输出滤波器和采取其他措施来解决问题。
　　绝对编码器的成本一般高于增量编码器，但具有多种优点。由于绝对编码器生成数字代码来表示电机轴角度，能够提供准确位置和速度信息，无需更多处理。如果电源中断，绝对编码器将在重启时报告正确位置，无需返回至原位置。这些编码器还能够支持非常高的分辨率，具有卓越的抗噪性，并提供单电缆选件。　　旋变器是另一种选件。这些模拟设备围绕变压器设计，利用转子和定子绕组之间的电压对比，在电机轴转动一圈的范围内提供绝对位置。旋变器是坚固耐用的设备，通常用于恶劣环境，但典型旋变器无法为最高精度的切割应用提供需要的分辨率。　　科尔摩根 SFD 反馈将坚固耐用的旋变器体系结构与添加的电子装置组合在一起，构成一个精确度更高的设备，提供即插即用的设置，还有一个优点是提供单电缆选件。　　所有这些反馈类型都有各自的用途，但必须选择最适合的技术来保持要实现的机床性能。特别要注意的是，成本不高的反馈设备可能有隐藏成本，比如难以调整运动控制以可靠地满足需求
　　5.选择电缆确保可靠性和性能　　最后，选择电缆的重要性 很容易被忽视，但这不是一个可以节省开支或事后再考虑的领域。如果电缆中的线规尺寸过小，则会在效率和可靠性方面出现问题。如果电缆无法正确接地和屏蔽，则电气噪声会导致反馈错误并降低总体系统性能。如果绝缘和连接器不合格，长期使用很可能会出现故障。　　电缆的数量、尺寸、重量、灵活性和布局也会产生重要影响。例如——尤其是在龙门系统中——电缆是负载的一部分，会导致必须由伺服系统进行补偿的拖拽、重量和合规问题。在大多数情况下，单电缆设计可能很有用，因为与双电缆系统相比，它在电缆和连接器两方面都更易于布线且更轻。　　由较大电机驱动的龙门可得益于两根电缆的灵活性，而不是一根较厚和较硬的单电缆。与机器设计的所有方面一样，电缆的选择也需要找到性能的正确平衡，同时绝不能影响质量。　　成为科尔摩根的合作伙伴，获得最优运动控制方案　　科尔摩根不止是供应商。我们更是合作伙伴，全心全力助您取得成功。您的工程师可与我们创建运动控制系统的工程师，以及了解如何满足特殊金属成型要求的设计人员直接交流。 我们的自助式设计工具可帮助您在线建模、选择和优化产品。我们的制造、设计、应用和服务中心遍布全球，无论您在何处，都能够获得其他合作伙伴无法提供的可靠供应、联合研发专业知识和个性化的支持。无论是升级现有机床还是设计为客户提供最先进技术的下一代机床，我们都能帮助您创造卓越。