运动控制工程

曾经有一段时间，伺服电机被认为是精确的，但挑剔的，低功率的运动解决方案降到实验室。没有更多的。今天，强大的，用户友好的，高扭矩伺服电机正在越来越多地取代液压，气动和感应电机的一系列制造应用，包括木材加工。忘记挑剔吧——运动控制在锯木厂、家具制造，甚至在造纸中执行关键任务。

日志木
原木必须先用锯子锯平，才能做成木材。传统上，这项工作是由液压定位锯片完成的。问题是，一旦叶片就位，快速重新定位以适应不同直径的原木是不可行的。相反，磨坊必须按大小对圆木进行分类，一次切一组。

输入运动控制。“有了机电技术，他们可以做他们所谓的扫描并设置艾斯利公司(Exlar Corp.，明尼苏达州查哈森市)的销售和市场副总裁约翰·沃克说。“视觉系统或维光阵列系统可以测量原木的轮廓，并确定你可以从中得到的最大方形原木尺寸。当每根原木通过时，驱动器移动锯片，将其切割到最佳尺寸。液压不够快，也不够稳定。他们在行动结束时有太多的过度和不稳定因素，因此无法做出足够迅速的反应。”

直线执行器也开始发挥作用后，方木切割成木材。一个标准的2英寸x 4英寸x 16英尺的板可能会从工厂出来几英寸或一打长。高速围栏——由线性驱动器驱动的一系列挡板——将木板压到锯子入口的适当位置，从而可以将它们修剪到合适的长度。

整个装配包括4到8个驱动器，当横向导向的板通过输送机时，驱动器需要同步操作。第一个挡板/致动器通常有6至10英寸冲程。“排在第一行的人做了大部分工作，”沃克说。“大多数板不需要比这更多的长度修正。如果需要调整的长度比第一个执行器的行程更长，则由下一个执行器进行额外调整，以此类推。”拍板者的数量越多，线可以走得越快，板反弹的机会就越低。

线性执行机构更容易安装，同时提供更少的超调量和更大的稳定性比液压。“这些植物冬天非常冷，夏天非常热，”沃克说。“如果不对系统进行大量的持续调整，这些巨大的温度波动就很难保持液压系统的运动稳定性。”运动控制的另一个优点是，该系统可以预先编程，以适应不同的板长，只需在操作面板上稍加调整，即可轻松切换。”

Exlar的驱动器还用于控制锯片，锯片将原木削成胶合板的饰面。

污染的挑战
污染一直是生产环境中的一个问题，但在木材加工过程中更是如此。到处都是锯末和其他微粒。在锯木厂，树液也成为一个因素。部件需要密封，但表面也必须得到保护。硬铬棒倾向于减少sap的问题，但有时这还不够。沃克说:“有些客户实际上是用间歇性的油滴到杆上，以防止汁液粘在杆上。”

锯屑带来了双重挑战。执行机构或电机的污染可能是一个主要问题，实现微粒安全密封并不像听起来那么容易。Walker说:“随着时间的推移，任何形式的密封都将面临挑战。靴子和保护性风箱可以保护木棒，但靴子的挡板本身会充满锯屑，造成一系列问题。

其中包括热问题。房屋或散热器上的厚厚的木屑层可以起到隔热作用，使多余的热量更难排出。沃克指出，幸运的是，过热现象并不多见。“锯木厂行业是非常保守的，所以在某些应用中，我们的规模很少接近极限。通常情况下，发动机的运转不会接近满负荷。”

展望未来，Walker认为运动控制系统将取代液压系统，特别是在上述应用中，转向绝对编码器。虽然液压通常具有绝对线性反馈装置，大多数线性执行器包括一个旋转电机安装一个螺丝。他说:“缺点是，如果只安装了解析器或正交编码器，就没有反馈的绝对线性成分。”“通过使用绝对编码器，你就能做到这一点。绝对编码器提供了更高的分辨率和更高的速度，所以它们在运动应用中工作得非常好。”

木材家具
一旦木材被切割成木板，就可以用来制作家具等产品了。在工厂里，运动控制被用来做任何事情，从切割板到弯曲的元素，到把刨花板的外露边缘打包。“你有几个轴需要非常精确地定位，”拉尔夫·巴兰说，他是该公司电机和机电一体化产品经理西门子能源与自动化公司(亚特兰大,乔治亚州)。“你需要让工具与通过机器的面板的速度同步。”运动控制提供了一个解决方案。

系统设计的细节取决于应用程序。在某些情况下，例如当应用程序只涉及一个或两个轴时，集成驱动器的智能电机提供最佳性能。更常见的情况是，集中控制占据主导地位。Baran说:“从价格的角度来看，在多轴系统中采用集中控制更有趣，特别是当你有木材加工机器时，这些机器很脏。”

“当你加工木材的时候，你会得到非常细的颗粒和锯屑，这就形成了驱动系统。当驱动器分布到现场时，需要一个干净的表面来冷却驱动器。我们建议在单独的面板中使用一个驱动系统，在现场只使用电动机。然而，在热利用率低的辅助轴中，如数控路由器中的换刀器，分布式驱动技术是一种经过验证的解决方案。”

如果你在一个面板里装了很多电子产品，你仍然会产生大量需要散热的热量。最简单、最常用的方法是使用过滤空气交换系统用风扇冷却。当然，当你处理细颗粒物时，即使是高效微粒空气过滤器也可能无法应对挑战。在面板上添加散热片可以排出一定量的热量，特别是如果散热片是风冷的，如果是内部的，或者简单地放在面板外面。当然，后者又会让你陷入锯末绝缘的问题，这意味着散热器需要定期清理。

第三种方法是在面板内部安装水冷铝冷板。巴兰说:“你可以通过不让面板内外空气交换来关闭面板，这样就可以确保没有灰尘。”当然，水冷式方法增加了复杂性、成本和故障点，所以它往往是最后的解决方案。

干燥纸
在造纸工业中，运动控制也面临着挑战。一旦木浆变成纸，合成的产品必须干燥并卷绕到卷筒上。这个过程发生在所谓的干罩，保持在90摄氏度。

在传统系统中使用的感应电动机的问题是它们太大了。为了达到所需的扭矩和速度，1000或2000转的电机必须减速至200或600转，这需要相当大的变速箱。由于生产线上的每个轮子都设置在不同的高度——2米、1.5米、1米等等——电机和变速箱必须安装在混凝土垫板上，这意味着占地面积很大。

空间问题促使VOITH纸业，最大的纸业oem之一，到西门子的运动控制解决方案。Baran说:“使用高扭矩伺服电机，我们将电机直接连接到干滚轴上。“你不需要混凝土或其他东西来支撑电机，你不再需要变速箱。因此，VOITH可以将其设计从相对较耗空间的设计转变为节省空间的设计。”

消除对变速箱的需求也可以提高效率。对于一个24/7运行的造纸厂，即使是5 - 10%的电力消耗下降每年也可以达到数千美元，提供快速的投资回报。此外，更少的组件意味着更少的故障点，从而减少维护和停机时间。

处理热
客户特别要求将电机放在干燥的发动机罩下，而不像感应电机和变速箱，它们通常放在室外。由于干式通风柜的目的是消除水分，通风柜下面的区域一点也不干燥——湿度可以高达35%。此外，环境温度足够高，不仅会降解电子器件，还会使磁铁退磁，这将是一个挑战。

Baran说:“我们需要制造一种电机来应对这些温度和高湿度，例如使用一种特殊的磁铁材料。”“我们在磁性材料上涂了一层漆，以保护它免受高温、湿度和空气中除了水以外的化学物质的影响，然后我们在电机上涂了一种特殊的漆面，以确保湿度不会损害它。”他们还添加了一个专门为恶劣环境设计的编码器。

尽管面临着高温和污染的挑战——更不用说原木在高速传送带上飞舞——运动控制在木材加工行业依然存在。该技术在整个食物链中提供了强大、稳定、可靠的操作，客户肯定看到了树木的好处。