運(yùn)動(dòng)控制中小型伺服系統(tǒng)的龍門(mén)控制

　　1 龍門(mén)設(shè)備簡(jiǎn)介

　　龍門(mén)系統(tǒng)是一種以“跨式框架結(jié)構(gòu)”的機(jī)械類(lèi)設(shè)備，在橫向(X軸)、縱向(Y軸)、垂直(Z軸)三個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)，類(lèi)似可大范圍移動(dòng)的“簡(jiǎn)易機(jī)械手”，由于其具備的靈活性特點(diǎn)，因而已成為了物料搬運(yùn)、精密裝配等場(chǎng)景中的核心裝備控制，被大量應(yīng)用在電子、電池、汽車(chē)、食品、醫(yī)藥等行業(yè)，是連接自動(dòng)化生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵紐帶。另外，機(jī)床、起重等行業(yè)也在大量使用龍門(mén)設(shè)備，有時(shí)功率非常大，很多場(chǎng)景下使用的是位置的全閉環(huán)控制，技術(shù)難度很大。而本文主要探討的是中小型伺服控制系統(tǒng)中的龍門(mén)設(shè)備，功率范圍基本在100w-7kw之間，幾乎都是位置的半閉環(huán)控制，相對(duì)比較簡(jiǎn)單。

　　調(diào)試過(guò)龍門(mén)控制的工程師們，都有深刻的體會(huì)，Y軸和Z軸調(diào)試起來(lái)相對(duì)容易，而水平軸的2個(gè)伺服軸的位置同步調(diào)試則最頭疼。使用或維護(hù)龍門(mén)設(shè)備的工程師們，感到最麻煩的事情是“龍門(mén)運(yùn)行不穩(wěn)定”，因?yàn)樗捷S經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)位置偏差、電機(jī)扭矩過(guò)大、電機(jī)堵轉(zhuǎn)等報(bào)警情況。最讓廠家們感到不解的是，剛剛調(diào)試或驗(yàn)收完的設(shè)備，運(yùn)行正常，但是運(yùn)行半年或1年之后，問(wèn)題會(huì)越來(lái)越多，報(bào)警頻發(fā)，甚至需要重新調(diào)試。這里，我僅從一名運(yùn)動(dòng)控制工程師的維度，談?wù)剬?duì)龍門(mén)的兩根水平軸控制的理解，僅供大家參考。

　　2 龍門(mén)控制分析

　　控制龍門(mén)兩根水平軸的位置同步，最常用有以下兩種方法：

　　(1)虛軸同步：以一根虛軸的位置為主軸，兩根水平軸分別與虛主軸保持1:1的齒輪同步。

　　(2)實(shí)軸同步：以一根軸的實(shí)際位置為主軸，另外一根軸跟隨主軸，保持1:1的齒輪同步。

　　第一種的同步：經(jīng)常被用在包裝、食品飲料、印刷等生產(chǎn)機(jī)械行業(yè)，它是為了確保同步的幾根伺服軸在同一時(shí)刻接受到速度和位置命令。通過(guò)與同一個(gè)虛主軸同步，從而實(shí)現(xiàn)各從軸之間的同步，這是典型的軸的設(shè)定值同步。

　　第兩種的同步：一根軸與另外一根軸的電機(jī)實(shí)際位置同步，雖然位置的設(shè)定值與實(shí)際值之間有一個(gè)跟蹤誤差的差距，但可以用一個(gè)位置值來(lái)補(bǔ)償，這是典型的軸的實(shí)際值同步。

　　這兩種同步模式都是在想方設(shè)法地讓水平軸的兩個(gè)電機(jī)的位置保持同步，從而達(dá)到龍門(mén)的兩側(cè)的機(jī)械框架也保持同步。

　　這兩種模式的前提條件是：龍門(mén)的兩個(gè)水平軸的機(jī)械剛性非常好，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，兩邊不會(huì)太大的機(jī)械間隙，且間隙較為一致。以上條件，只靠機(jī)械側(cè)努力，幾乎很難做到，電氣系統(tǒng)的控制上必須想辦法去緩解兩根水平軸在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的相互“較勁”，否則，兩側(cè)的機(jī)械會(huì)越來(lái)越“較勁”，從而導(dǎo)致報(bào)警頻發(fā)，甚至無(wú)法正常運(yùn)行?，F(xiàn)在市場(chǎng)上出現(xiàn)帶龍門(mén)控制功能的伺服系統(tǒng)，我估計(jì)不會(huì)有太大作用。我個(gè)人認(rèn)為，對(duì)于半閉環(huán)控制，如果只是兩根軸的電機(jī)實(shí)際位置同步，根本解決不了兩根軸的機(jī)械上的相互“較勁”的問(wèn)題，同樣會(huì)導(dǎo)致報(bào)警頻發(fā)。因?yàn)殡姍C(jī)的實(shí)際位置與機(jī)械位置還是有差別的，而且如果電氣控制不想辦法去處理，會(huì)導(dǎo)致機(jī)械相互較勁越來(lái)越嚴(yán)重。從根本上解決位置同步和機(jī)械相互“較勁”的問(wèn)題，下面兩種方法值得考慮：

　　(1)全閉環(huán)位置控制，即安裝水平軸的實(shí)際位置測(cè)量裝置，讓兩根軸的機(jī)械位置永遠(yuǎn)保持一致。

　　(2)半閉環(huán)位置控制時(shí)，在運(yùn)行過(guò)程中，保持位置同步，同時(shí)監(jiān)控、比較兩側(cè)電機(jī)的力矩情況，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。

　　龍門(mén)控制其實(shí)是一個(gè)比較綜合的問(wèn)題，與機(jī)械和電氣的關(guān)聯(lián)度特別高，既要考慮位置上同步，同時(shí)也要考慮電機(jī)力矩的同步，這樣才能實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行的過(guò)程中，兩側(cè)機(jī)械能夠平穩(wěn)運(yùn)行，減少相互“較勁”和伺服報(bào)警。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，更多的需要“Application”工程師想辦法去解決的問(wèn)題。現(xiàn)在的龍門(mén)控制，已經(jīng)開(kāi)始利用數(shù)字化技術(shù)，對(duì)運(yùn)行過(guò)程中的大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如：速度、位置、力矩以及加減速過(guò)程的運(yùn)控?cái)?shù)據(jù)，從而判斷整個(gè)機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)，這樣不但能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)行“0”報(bào)警，同時(shí)還能夠給使用者提供一些預(yù)測(cè)性維護(hù)的建議，我相信這樣的龍門(mén)控制，應(yīng)該是OEM廠家和終端客戶所希望的，必須給予點(diǎn)贊。