机械设备中的网络控制技术

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大家在市场上纷纷讨论机械控制网络解决方案，但是，很多公司仍然徘徊于是否使用这些方法。那么，向你的竞争对手学习吧，看看四家机械制造生产商怎样使用最新的运动总线技术促进新型机械设备的设计，控制它们的运动、逻辑运算、人机接口（HMI）以及工厂间的通信。

以太网将修边机引向前沿

早期的现场总线网络的解决方案有时无法提供复杂的、精密的机床所需的加工量。因此，当IMA（www.ima.de/eng）的电气设计总监Günter Redeker考虑将他们的Novimat修边机试点项目重新设计时，他打算采取另一种方法，使用最新的PC技术。

新的机床概念

这种新型的修边机是一个高性能系统，可用于加工木屑板或轻质建筑板材的边缘。Novimat Concept由各模块和可配制加工单元组成，能够进行研磨和修边、倒角、饰面以及修平等加工。该机床使用连续轨迹控制方法精确的监测并控制工件的位置，可以同时加工多个工件。

应用：用于IMA Klessmann GmbH公司家具制造中，专用的修边机和加工中心。
工程挑战：高精度的加工量；带有几千个I/O口和一百多根轴的复杂机床的系统架构。
控制方法：以太网现场总线控制12根轴和集成I/O口，去掉了PC现场总线卡。

系统概述：

· EtherCAT技术机床控制网络
· 每个机床模块有12根轴和30个信号通路
· Ethernet-based I/O口和伺服驱动代替了传统的现场总线
· 连续路径控制
· 辅助CAN-based驱动使用EtherCAT/CAN网关

新的控制平台

当重新设计Novimat时，IMA公司使用了Beckhoff公司(www.beckhoffautomation.com)的用于控制和自动化技术的实时以太网技术（EtherCAT）。IMA公司以前的木工机床上，使用的就是一台Beckhoff公司的PC控制器。这个控制器采用DOS操作系统，光导总线自动化技术和基于PC机的显示和控制。每个机械单元都有一个总线端子I/O站通过光导总线耦合，伺服驱动模块通过PROFIBUS现场总线耦合进行实际的加工，并通过CAN总线与执行机构进行通信。

Redeker说他们转向使用新平台是因为机械安装设备非常复杂，总共有几千个I/O以及一百多根轴。

他说：“以前，为了通过现场总线系统控制这些机床，我们用四芯的光导总线，在机床要求的单一采样速率下收集或传输大量的数据。这样做是达到要求的唯一方法。”

根据Redeker的说法，控制器在处理这些大量数据时需要很强的计算能力。它不仅要把数据从光导总线下载到内存，之后再传送回光导总线，还要根据进程图将输入/输出数据分类。而使用EtherCAT解决方案后，他说：“DMA控制器控制数据在以太网接口和内存之间直接传输，使我们的系统有了很大的改进。”

机床的发展

这种新系统的另一个优点是能够进行连续轨迹控制。连续轨迹控制能够在机床内跟踪工件，实现通路上的精确控制，或者同步快速机床的零件。工件通过机床的速度达到60米/分钟，对应每毫秒移动1毫米并存在潜在的关联偏差。如果连续轨迹控制的时间为2毫秒，那么完成60米长的机床就会产生2毫米的偏差，这样的结果是不精确的，尤其在如今对机床的精度要求越来越高的时候，Redeker将这个值称为临界值(borderline value)。

在控制系统架构中提供整合的EtherCAT、Profibus和CANopen通讯协议
Novimat Concept是一个单面，自动的修边系统。当材料通过该机床时，机床对其进行单板整边，修边和饰面。

他预见了在机床上完全实现EtherCAT技术后的潜力，这样就能够利用最新、最强大的工业计算机技术。目前大型的生产线需要两台电脑：一台用于用户接口；另一台用于实时控制。Redeker补充道：“希望将来在这些系统中能够只用一台电脑。同时，如果能够只使用一种现场总线，那么工程上和维修上也将简单很多。”

集于一体的建模、仿真和控制

柱面坐标测量机床中，将轴承环与旋转的主轴定心自动化，就是检测并执行动作。但是当目标精度是1—2微米，给定不同尺寸、重量的轴承，并且零件上可能还有油，同时适应系统的摩擦，这样的机床是很出众的。

统一的解决方案

克莱蒙森大学（Clemson University）的国际汽车研究中心（International Center for Automotive Research）总监Thomas Kurfess博士说：“尽管这是一个简单的系统，但在这例应用中你还有很多不知道的地方。用PID控制器使控制精度达到1微米是很困难的，原因多是有摩擦的存在。但是现在，可以使用标准运动控制平台来做到。”

Novimat Concept 是一个单侧的，自动直线封边系统，
专为接缝、封边和边沿的精加工使用
Timken 公司 (www.timken.com) 和 National Instrument公司(www.ni.com)合作研究，Kurfess和他的小组减少了自动化系统中熟练技术工人的工作。

Kurfess说：“使我们能够一步完成建模、仿真和控制的关键技术在于尖端的软件工具。以前我们可以把想要的具有某种功能的系统进行建模和仿真，但是，接下来的控制就不会发生了。你会问‘为什么不行呢？’，答案是更新你的模型吧。”

高质量的自动直线封边机实现运动网络化控制
需要效率

设计一个有效的控制系统将人工对中的过程自动化，目的是减少定心所用的周期时间。与手工操作相比，自动化系统只需要人工测量时间的15%。

这个自动控制系统由一个线性滑块和一个带有空气轴承的精密转轴组成，空气轴承的作用是提高运动精度以及使运动平滑。一个LVDT位移传感器作为测量装置安装在线性滑块上，与一个固定推杆触点一起驱动轴承环。

一个有效的控制系统使轴承定心的过程自动化,显著的减少了定心所用的时间。

应用：在柱面坐标测量机床中，使给旋转主轴上的轴承环定心的过程自动化。
工程挑战：减少准备时间；保证在高度动态机床系统中，给轴承环定心的重复误差为1?到2微米。
控制方法：使用LabView控制设计和仿真软件，硬件包括PXI/Compact PCI卡和用于运动控制的Soft Motion驱动。

系统概述：

● LabView Control Design Toolkit，实时和仿真模块
● Soft Motion驱动
● 测量装置选用LVDT位移传感器
● 卡尔曼滤波器处理原始数据