运动控制应用有什么新进展?

我们很容易把工程看作是找到问题的解决方案，但事实并非总是如此。有时，改进的解决方案会提示用户将它们应用于新问题，或者以不同的方式应用于现有的应用程序。这就是现在运动控制的情况。科技行业正处于前所未有的动荡之中。从工业网络和智能工厂到自动调整驱动器、智能输送机和套件电机，该技术围绕性能、灵活性和易用性进行设计。

安川美国公司(美国伊利诺斯州沃基根市)的产品营销经理斯科特•卡尔伯格表示:“现在是从事自动化工作的好时机，因为如今的技术如此惊人。”“对于终端用户和原始设备制造商来说，提高效率和产量比以往任何时候都要容易。他们不需要花几天时间来微调整个机器。”

使它容易
从原始设备制造商到最终用户，工程技术人员在各个领域都变得不那么深入。剩下的员工需要专注于核心价值主张——医疗测试的分析仪器，半导体制造等。在重工业的情况下，如采矿，海洋和木材加工，他们可能没有人手来处理机电系统开始。为了满足对易用性和性能的广泛需求，供应链上的供应商开始关注满足这些需求的产品。

自动调优就是一个例子。使用标准PID循环技术调优驱动器可能需要熟练的工程师花费数小时甚至数天的时间。第一个自动调谐驱动器可以使性能接近第一，但仍然有人拿出螺丝刀和拨弄电位器，使系统正常工作。然而，最新的版本提供了高度复杂的技术。当然，最苛刻的应用程序可能仍然需要有经验的工程师进行一些工作，但在大多数情况下，自动调优驱动器的工作方式与宣传的一样。他们中的佼佼者不断调整机器状况的变化，并通过网络发送警报，在即将发生的问题导致故障之前发出警告。

与工业网络兼容的组件的广泛可用性进一步提高了易用性。插进任何一个端口，你都可以访问整个系统。如果机器连接到互联网，oem和集成商可以很容易地监控性能并排除错误。他们更少花时间乘坐飞机飞往遥远的工厂，资产所有者也更少花时间在一条下降的生产线旁踱步，看着亏损增加。相反，他们可以让自己的行运行并获取信息，以便更好地理解操作。如果某个组件出现故障，他们会更快地发现原因，并尽快恢复运行。

在一个软件定义的无线电和软件定义的网络的世界里，我们正迅速地向软件定义的自动化方向发展。转换需要几分钟，而不是几个小时或几天。具有网络服务器功能的网络机器可以从笔记本电脑到智能手机等设备上远程查看。重点仍然是灵活性和可用性。

对于原始设备制造商来说，预先编写的代码的可用性使他们能够在无需维护大型开发团队的情况下进行创新。“这对终端用户有好处。这对原始设备制造商有好处。这只是省去了很多苦差事，”贝加莱工业自动化公司(B&R Industrial Automation, Roswell, Georgia)业务发展总监约翰•科瓦尔(John Kowal)表示。所以像文件处理、访问控制这样的任务，以前每次都要编程，现在不用了。你可以重复使用这些物品，把时间集中在你能带来价值的地方。”

原始设备制造商可以编写自己的代码，他们可以从预先编写的函数块开始并添加，或者两者混合使用。他认为，更快地将更好的产品推向市场只是好处之一。“你们的工程资产正变得越来越有价值。他们很难被取代。所以，如果你能最大限度地利用现有的工程技术人员，希望能让他们的生活更轻松，就能更容易地留住他们，保持他们的积极性。”

这些只是导致整个行业发生变化的一些因素。现在让我们探讨它们在应用程序方面的影响。

严酷的环境下
性能和易用性使得运动控制在传统的由液压、气动、甚至是感应电机和凸轮主导的应用中占据了一席之地。例如，在木材加工中，引入伺服电机极大地提高了生产率。

当收获的原木到达磨坊时，它们首先被剥下树皮，然后经过一个粗糙的锯步骤，在这个步骤中，干净的原木被切成木板。定位的灵活性很重要，因为并不是所有的原木都是直的。当它们装入锯片时，也可能存在一些定位误差。锯片需要调整以补偿任何歪斜。调整越精细，每根原木能生产出的可用木材就越多。

一个主要的木材处理器看到了一个机会，通过切换从机械轴系到运动控制粗锯步骤提高输出。机械系统可使叶片位置变化±15°。基于伺服电机的系统将这个角度削减到±3°。该站从每分钟45块板的加工速度提高到每分钟75块板。它还可以从每根原木中生产出更多的高价值木材(见图1)。“使用旧系统，他们可以从一根原木中获得低至50%的产量，”区域运动工程经理Michael Miller说，日本安川电气美国(沃基根,伊利诺斯州)。

在一个关注清洁能源的世界里，风力涡轮机的重要性与日俱增。伺服电机系统用于调整叶片的位置，以最佳地提取迎风的能量。风力涡轮机的一个问题是，不断的抖振旋转上部组件的方位。随着时间的推移，这会导致磨损，降低性能，并需要昂贵和困难的维护操作。基于伺服驱动的偏航控制系统有助于控制这种运动。它采用封装电子元件，可以承受高达1G的振动(见图2)。

同样，海洋部门也开始利用机电解决方案。首先是使用船用泵和压缩机上的变频驱动器。虽然这不是运动控制，但它确实代表了电子电机控制的入口点。最近，伺服电机开始被用于游艇等小型船舶的水平和稳定系统。这些主动稳定系统的设计是为了补偿汹涌的大海，利用反馈来保持甲板尽可能的稳定。

在这两种应用中，电机和驱动器需要足够的坚固耐用，以容忍潮湿、热和振动，而不会过早故障。它们需要直接集成到系统中并进行维护。这就是上面描述的一些好处得到回报的地方。

制造业
过去几年的改进使制造业发生了很大的变化。传统上，机床领域是运动控制的一个强有力的应用领域。激光切割、水射流切割、等离子切割机等数控设备需要在运动轨迹上尽可能平稳地移动。这就是最新一代的反馈设备，加上自适应调整和控制算法，显著提高了零件质量。

“一切都是关于信息，”卡尔伯格说。“假设你有一个24位编码器。你不能定位到十六万分之一的革命，但有了所有这些信息，你的调谐循环就会变得更紧，误差也就更小了。实际上，仅从误差减少的角度来看，我们测量到的发动机运行温度比上一代发动机低了20°。”

对于点对点运动来说，问题不在于路径的平滑度，而在于负载能以多快的速度到达目的地，并在没有超调或振铃的情况下稳定下来。在这里，这项技术也显示出了显著的进步。Miller描述了一个客户，他改造了他们的取放系统，将沉淀时间从50毫秒减少到4毫秒。这一变化增加了每小时29.24美元的收入。这听起来可能不多，但在一年中，它加起来超过14万美元。

曾几何时，原型制作是一个漫长而昂贵的过程，需要熟练的机械师来组装每个部件。如今，这种原型机同样有可能用3d打印技术制造出来。3-D打印需要加热某种塑料或聚合物，然后逐层挤压形成一个形状。根据零件的大小和复杂性，这个过程可能需要数小时甚至数天。

3-D打印的有效运动需要材料沉积过程中的平滑路径和挤出机头移动到新位置时的快速点对点移动和最小的沉降时间。这种机器的早期版本是基于步进电机。然而，随着项目变得越来越复杂，需求也在发生变化。米勒说:“3d打印机正在从步进电机发展到伺服电机，因此它们可以有更好的性能、更好的可重复性和更长的寿命。”

卡尔伯格表示:“企业正在超越仅仅使用3d打印来制作原型。”“这项技术发展得如此之快，以至于人们开始考虑将其用于实际生产部件。我认为今天可用的伺服技术是3d打印取得这些进步的部分原因。”

减少沉淀时间可以使挤出机头更快地从一个点移动到下一个将开始沉淀材料的位置。在一个多天的运行过程中，即使在每个动作中减去几毫秒，也会产生戏剧性的效果。

运动的新路线
制造业自动化过去专注于高效地生产很多相同的东西。今天，工作的中心是定制。在这里，智能输送机系统发挥着关键作用，制造业正朝着难以捉摸的“一批一件”迈进。智能输送系统由在预先配置好的轨道上运行的自动小车组成。从某种意义上说，电动机的元件是在两者之间分离的。轨道包含电机线圈，而卡片包含永久磁铁。有选择地激活轨道以不同的速度和不同的车对车间隔移动到不同的位置。

奥雅纳实验室(ARUP Laboratories)是犹他大学病理学系(University of Utah Department of Pathology)的一部分，专门从事临床诊断。它提供了3000种不同的测试组合。它为美国各地的医院、诊所和实验室提供服务，有一个两层楼高的冰箱，可以储存多达230万份标本。它使用超过200米轨道的智能输送系统，使其能够每小时处理多达6000个样品(见图3)。

每个样本被放置在一个磁性的“冰球”中。每米轨道包含60个电机线圈。当被激活时，它们会移动实验室周围的公园，进行各种步骤，包括解冻、准备、测试等。

对于这种类型的应用程序，标识、跟踪和正确路由示例非常重要。MagneMotion公司的产品线经理Neil Bentley表示:“他们将测试样本绑定到一个移动的推车上，并拥有测试样本在诊断实验室的完整路径历史。罗克韦尔自动化(德文斯,马萨诸塞州])。“他们正准备进行一次重大升级，并寻求提高流程的质量。对他们来说，样本的路由历史非常重要。”

智能输送系统在制造和装配过程中对零件的搬运有多种用途。它们也可以用于包装，例如制作混合冷切或化妆品套装的包装。

对于DNA测序、视觉病理学和细胞成像等应用，确定性和可追溯性同样是生命科学计量学中的问题。在这些情况下，使用激光线扫描和光谱等技术对样品进行成像和分析。例如，在数字病理学中，该系统将样本的一系列图像拼接在一起，使放射科医生可以查看。定位需要高度精确，以确保有效的图像捕捉。与此同时，它需要迅速发生。

由于该过程的移动和稳定性质，这类设备传统上使用步进电机。现在，随着3d打印技术的发展，这种情况正在改变。“我们看到的一大趋势是，从步进电机技术向伺服电机技术的转变，”该公司业务发展经理布赖恩•汉德汉(Brian Handerhan)表示派克汉尼汾公司(宾夕法尼亚州欧文)。“这可能是受速度和吞吐量要求的驱动，他们在飞行中进行成像，或者仍然是移动和稳定，但使用非常高分辨率的编码器来缩短稳定时间。”

这一趋势的另一部分是从标准伺服电机转向直接驱动电机，无论是旋转还是线性。这些无框的，或套件电机最大限度地减少占地面积和减少合规。由于形状因素和灵活性，它们给原始设备制造商更多的灵活性，以区分他们的设备与市场上的同类产品。

和Miller一样，他指出了自动调整和反馈在减少沉淀时间方面的价值。这不仅适用于生命科学，也适用于其他计量应用，如半导体测试和晶圆映射。“你说的是移动小于100µm，稳定性为±10 nm，并且在小于50µs内完成，”Handerhan说。多年来，空气轴承是这些应用的技术选择。利用感官输入和反馈与改进的软件工具已允许机械轴承重新获得市场份额。

应用程序的最大总体趋势可能是对智能资产价值的日益认识。将智能组件、工业网络和软件相结合，可以实现预测性维护、更快的转换、通过能源分析降低运营成本、减少员工和管理层的头痛。

技术是可行的;终端用户只需要利用它。Kinetix motion业务全球产品经理吉姆•格罗斯罗伊兹(Jim Grosskreuz)表示:“我们正处于这个旅程的开始阶段罗克韦尔自动化(Mequon,威斯康辛州)。“以一种比现在更有意义的方式汇集情报是有空间的。我认为，大型终端用户现在开始理解它的价值。”

致谢
感谢Adam Moos，产品销售经理Parker Hannifin提供的有用建议。