智能运动统一了不同的世界
不同的人对智力有不同的理解。智能运动控制通常在同一个控制包中包含运动和机器逻辑以及功率开关。最近，其他功能，如预测性维护、机器安全和高级通信，越来越多地成为“智能运动”架构的一部分。
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不同的人对智力有不同的理解。智能运动控制通常在同一个控制包中包含运动和机器逻辑以及功率开关。最近，其他功能，如预测性维护、机器安全和先进通信，越来越多地成为“智能运动”架构的一部分。
贝加莱工业自动化公司(B&R Industrial Automation Corp.)的行业部门经理Markus Sandhoefner表示，运动智能等同于一种新型驱动器，它包含了曾经由单独的运动控制器或集中控制保留的任务。“以前无法执行、分析或监控的功能，现在可以通过基于驱动器的功能来完成，这些功能在400微秒的周期内与驱动器的位置控制回路同步执行。”
贝加莱指出，作为总体趋势，控制、可视化和运动正在联合起来。他说，快速处理器已经成为一种商品，因此所有这些任务都可以在一个处理器上执行，从而消除了通信基础设施和硬件的成本。
预测性维护是新增的功能之一。新的驱动器可以实时运行诊断，允许用户设置数百个驱动器参数(扭矩，速度，位置，温度等)中的任何一个公差带。Sandhoefner解释说，此外，可以通过驱动级算法将多个参数配置为复合参数，例如系统摩擦，从而获得更可靠、更准确的操作。然后，机器控制可以生成屏幕信息，甚至通过电子邮件通知用户“按需维护”的发展状况。
他指出，智能驱动器具有“传感器”的功能，可以利用驱动器固有的参数来优化机器过程(详见本文的在线版本)。此外，质量功能可以与驱动器的能力集成，以生成实时产品/过程质量控制数据，供主控制系统跟踪。贝加莱的Acopos伺服驱动器提供各种智能功能(图)。
运动不是子系统
对于罗克韦尔自动化来说，“集成运动”一词代表了智能运动的特征。Kinetix运动控制公司的市场经理Brian Lieser说:“集成运动(Integrated Motion，简称Kinetix)描述了一种机器控制架构，它将顺序、运动、动力和机械集成到一个平台上。他解释说:“运动控制要求采用机器架构(或生产线)的视角，这与将运动视为机器子系统的传统处理方式大不相同。”
单个软件程序RSLogix 5000用于整个机器系统(包括运动)的编程、调试和诊断。其结果是简化了驱动器、电机和执行器的设置，以及更容易实施集成解决方案。Lieser补充说:“独立的传统非集成系统的工程和维护给原始设备制造商和最终用户带来了非增值任务，限制了他们的创新能力和生产力。”
Kinetix Integrated Motion专注于整个机器生命周期，从OEM的运动系统设计和选择到用户现场的机器生产力。oem和最终用户可从以下方面获益:
更快的应用程序开发，更短的上市时间;
更快的机器速度，更高的生产力;
在整个机器/生产线上无缝传输运动信息，以减少停机时间并优化流程;和
更少的面板空间和所需的布线降低了系统成本。
博世力士乐电气驱动与控制部门使用其IndraDrive产品线通过在驱动器级别实施更多的处理能力来定义“智能运动”，以扩展整体机器功能。IndraDrive集成了一个数字信号处理器(DSP)来处理闭环优化的电机反馈。驱动器中的逻辑控制器增加了智能，而可选的力士乐IndraLogic具有IEC 61131编程和功能块，简化了单轴和多轴运动逻辑。目标应用是伺服，主轴和变速控制。
增加安全，维护
博世力士乐产品经理里克·雷伊(Rick Rey)表示:“IndraDrive关闭了位置和速度回路，而不是主控制系统，并使电机保持在其指令范围内。”
公司将集成安全技术和预测性维护作为智能运动架构的一部分。分布式控制将智能置于每个驱动器中，允许安全监控、维护和其他功能在本地运行。雷伊继续说:“增加(另一个)驱动器可以增加更多的智能，而不是共享固定数量的集中系统。”
他说:“安全功能是根据欧洲标准EN 954，类别3实施的个人保护，不需要额外的硬件或间接控制解决方案。”如果操作员进入机器工作区域，系统传感器与驱动器通信，适当地减慢(或停止)轴，然后让机器恢复正常运行，而不增加停机时间，因为工作区域清理。
预测性维护允许检查摩擦条件，轴的刚度，并在机械系统的反弹或发挥。雷伊补充说，智能驱动器可以向主控制器(或操作员界面)发出警告，“在问题升级或损坏机器之前”指出即将发生的故障。
葆德电气对智能运动的看法集中在通过编程满足许多运动应用需求的能力上。Baldor的伺服产品经理John Mazurkiewicz说:“通过提供一个开放的编程接口，设计人员可以自由地开发软件来满足他们的确切要求，处理不同的输入条件，并采取相应的行动。”“根据机器要求设计软件的自由使设计人员能够克服预定义序列对他们施加的限制。“智能运动还使机器设计师能够自由地为许多产品或条件编程，例如，经常发生产品尺寸变化的地方。”因此，减少了与机械转换相关的停机时间。
各种宝德产品满足不同的应用需求。据报道，预编程的序列定位很容易通过Flex+Drive中的表值设置;产品尺寸的变化是简单地处理MintDrive，通过人机界面面板输入编程;而Baldor独立运动控制器服务于单轴或多轴机器。
智能运动是通过Mint(运动智能)在Baldor产品中实现的，Mint是一种全面的，类似于basic的编程语言，用于运动，I/O设置和HMI任务。
Mint的灵活性允许编程不同的机械场景。该软件的数组处理能力据说可以简化配方编程。Mazurkiewicz说:“Mint支持不同的运动类型，如分度、飞剪、软件齿轮箱和凸轮轮廓，为设计工程师提供了灵活性，可以定义他们的运动轮廓，以优化机器的吞吐量。”Mint的模块化编程允许在可管理的模块中构建应用程序。
在软件中定义
美国国家仪器公司(NI)工业控制产品经理Rahul Kulkarni表示，智能运动是“在软件中定义运动控制器的各个方面并将其部署到用户选择的硬件上的能力”。NI提供带有SoftMotion和可重构I/O技术的LabView平台，帮助用户根据特定应用的价格/性能需求，在实时操作系统(RTOS)或现场可编程门阵列(FPGA)上创建自定义运动控制器。
Kulkarni指出，具有高速应用的机器制造商可能会选择FPGA，其性能为200khz，比标准运动控制器快10倍。fpga还为设计增加了可靠性。他解释说，它们允许在需要时改变设备控制策略，例如，在算法中添加紧急情况。
除了定义监督控制、轨迹生成和样条插值之外，NI的LabView SoftMotion开发模块还允许用户将高级算法或无模型自适应(MFA)控制集成到位置和速度控制中。Kulkarni提到了一个例子。cybosoft - NI联盟合作伙伴-应用SoftMotion来协调多个轴，但通过自己的MFA控制算法增强PID位置和速度控制，用于纳米技术和半导体制造中的高精度/高速应用。
西门子能源与自动化公司Simotion的产品经理Josef Hammer指出，在过去，控制产品是针对特定任务进行优化的，即plc用于逻辑任务，运动控制器用于运动任务，等等。为了制造一台完整的可运行的机器，将不同的底层控制理念、接口和工程工具统一起来是必要的，但远非简单。
哈默解释说，强调智能运动作为最佳解决方案的机器必须超越运动控制功能，并“整合所有其他必要的控制功能，以统一的方式实现整个机器的自动化”。他进一步将“智能运动”描述为向多个硬件平台开放的产品，为用户提供灵活性，并提供最新的访问方法，如OPC和TCP/IP通信，以集成到业务系统和Web服务。
哈默说:“西门子的Simotion专注于这种智能运动。”“这是一个优化的系统解决方案，运动控制、逻辑控制和其他技术功能以一种非常有效和有用的方式集成和融合在一起。”Simotion有三种硬件版本(PC、控制器或基于驱动的平台)，以适应用户的特定应用。而且，他说，平台的改变几乎可以在不影响以前开发的应用软件的情况下完成。
Hammer将智能运动的所有好处与降低成本联系起来，无论是由于减少开发周期，更紧凑的系统，还是更好地访问全球支持(参见更多在线)。
大脑和肌肉
Danaher Motion的产品经理Lou Lambruschi从驱动器制造商的角度将智能运动描述为“将可编程控制器的大脑与固态电源设备的肌肉相结合，创造出适合各种应用的封装驱动器”。他解释说，精确的速度和位置控制是通过将基于dsp的逻辑部分与高性能磁通矢量驱动功率部分(以及合适的电机)耦合来实现的。Lambruschi说:“只要用户输入一系列操作——类似于PLC程序——驱动器就会根据输入条件执行一系列复杂的动作，并提供有用的输出来监控整个过程。”丹纳赫的新型FX4000 Fusion系列驱动器实现了这些功能，同时还具有运行交流感应、交流同步和无刷直流电机的灵活性。
Lambruschi将四个用户利益归功于集成的运动控制/驱动。安装方便来自于只有一个单位来安装，电线，和程序。单独的组件将需要大量的互连，更多的面板空间，以及可能的多个软件包。一个单位也意味着单一来源责任对于技术支持，避免多个供应商兼容性问题。一个封装的智能驱动线路提供更多可靠性与单独的驱动器和控制器相比，互连更少。它可以减少松动或不正确的连接，减少潜在的电气噪声(EMI/RFI)。Lambruschi也提到了较低的首字母成本与带有独立控制器的传统驱动器相比，安装时间更短。
通用电气发那科自动化的运动经理Paul Derstine认为，一般运动控制应用的“智能运动”通常包括将运动控制(路径规划和环路控制)、逻辑控制、I/O功能和电机功率放大器等几个要素整合到一个产品中。他以通用发那科(GE Fanuc)的S2K伺服/步进运动控制器为例。
他进一步提到了“将电机纳入这一组合的一些举措”，但得出的结论是，恶劣的工业环境和高电机工作温度限制了可以产生长期用户利益的应用类型。实际上，此类产品的数量表明，迄今为止，其他非技术和市场问题限制了电机到控制器的集成(见控制工程例如，2001年12月，“集成智能电机与控制”)。
对于轴到轴协调有限的简单机器来说，智能运动的好处包括减少布线和减少多供应商产品集成问题。如果有足够的逻辑能力和I/O点可用，一个控制器就可以处理整个机器，Derstine解释说。他说:“智能运动的目标通常是实现分布式控制，以减少长生产线或机器上以电机和运动为中心的I/O布线。”在这种情况下，集中运动和逻辑控制器以及分布在高速光纤链路上的“哑”放大器可能是最有效的解决方案。这种类型的混合架构提供了集中编程和分布式运动的好处。
更多智慧即将到来
罗克韦尔自动化的Lieser认为，随着越来越多的oem和最终用户意识到集成运动的好处，在通用平台上采用集成运动的趋势将会加速。他说:“它们将推动网络和信息方面的进一步创新，使运动系统与其他机器和产品线一起进一步成为主流。”
同样，Baldor UK Ltd.的马克•克罗克(Mark Crocker)说，“未来五年将会看到plc和运动控制器等技术的融合。”分散控制将变得更加普遍，以太网将成为主导的现场总线。
编程向导、编写应用程序的辅助工具和图形化编程方法将变得更加普遍。Crocker解释说，运动控制语言和环境将开始赶上基于pc的编程环境。在功能更强大、成本更低的计算机和以太网的推动下，软运动也将变得更加普遍。“到那时，我们可能会看到更多传统的基于pc的编程语言，如Visual Basic、c++和c#，在运动编程中变得流行。”运动控制和I/O设备的接口将通过ActiveX控件(或其未来的衍生产品)实现。”
贝加莱工业自动化在分布式驱动功能、标准化通信、固件自动更新和集成编程环境方面看到了智能运动趋势，并声称在所有这些方面都有强有力的参与。Sandhoefner说:“随着在机器控制中使用更多的IT技术标准，这些趋势将会盛行并得到加强。”
贝加莱通过开发以太网Powerlink实现了基于以太网的驱动器实时通信。未来，驱动器将能够将信息发布为互联网可访问的分散Web服务器。这开辟了一个新的功能范围，可以在驱动器级别执行，”他补充说。
从驱动器到生产线主机将完全透明，方便访问机器过程数据并降低系统成本。例如，特定的机器部件维护警报可以通过电子邮件直接从驱动器发出。
博世力士乐的雷伊指出，包装和印刷行业已经从基于驱动的智能中受益。在接下来的几年里，他看到其他行业在多轴伺服应用中扩展智能运动的使用。他说:“未来，机器制造商将继续在他们的机器系统中实施智能运动，使其能够更灵活地适应应用程序的变化。”
在不久的将来，西门子的哈默指出，更多的模块化机器将结合分布式逻辑和运动控制。系统中有许多智能运动控制器，其中之一将处理特定的机器模块，每个模块通过高速实时网络共享/交换数据。他解释说，这些智能模块可能是可移动的，因此它们可以根据需要服务于各种生产线。
哈默还认为，新的机器安全系统即将问世。这将在智能控制和传感器中实现所有功能，包括冗余检查，以便在入侵时将机器移至安全状态。智能安全控制有可能通过消除现有昂贵的电气解决方案来节省成本。
美国国家仪器公司(National Instruments)预计，智能运动将越来越多地将高性能运动控制与非pid控制回路结合在灵活的技术上，如FPGA和各种形式的RTOS。Kulkarni总结说，这一趋势的一部分将是“与其他学科的无缝集成，如视觉、模拟和数字I/O模块以及通信”。
合众为一(这是许多人中的一个)可能是对这种智能趋势的一个不错的比喻。
在线额外
更多关于智能运动的知识
增加的机器和系统功能正在集成到新的控制架构中，其中以“智能运动”形式的更具成本效益的输出是统一的影响。
贝加莱工业自动化公司该公司的行业部门经理Markus Sandhoefner提到，智能驱动器可以作为一个“传感器”，利用加速、速度和位置等驱动固有参数来优化机器过程。一个例子涉及机器人手臂的自适应控制系统，该系统根据负载条件的变化实时改变调谐参数。他解释说，由于机器人轴位置的变化，过程扭矩和速度变化在驱动器中被在线计算和评估。“这确保了PID控制回路的优化设置，在任何负载条件下都能实现最大的精度和吞吐量，而无需使用和评估额外的传感器。”
过程/产品质量是智能运动控制功能的另一个扩展。Sandhoefner引用了每分钟生产90,000个零件的信封印刷机的堵塞检测机制。它依赖于在一个狭窄的位置窗口(&4°)内的电机完全旋转的照片眼设置的准确读数。通过直接实时监测驱动内部的传感器，实现了精确的工艺评估。他补充说:“然后，每个周期将结果传送到主控制器一次，并输入移位寄存器，因此可以连续跟踪几个过程步骤，以成功打印生产。”
西门子能源与自动化Simotion的产品经理Josef Hammer详细阐述了智能运动在三个方面的成本降低优势:
减少工程时间-统一的，易于使用的工具，适用于所有工程任务(尺寸，参数化，编程和测试)和所有系统元素(驱动控制，运动控制，逻辑控制)，大大减少了应用程序开发，教育和调试的时间。“面向对象和库概念通过可重用软件加速了多台机器的开发，”他说。
缩小尺寸和橱柜空间-机柜空间不支持机器功能，需要花钱。紧凑型解决方案正变得越来越重要，在基于驱动器的解决方案的支持下，运动和逻辑控制直接集成在驱动器硬件中。
全世界的可访问性-在终端用户位置工作的机器可能仍然需要支持，Hammer解释道。能够在线诊断和排除设备故障，甚至可以从全球任何地方下载软件，几乎可以消除成本密集的服务行程。这些功能还允许有用的维护功能，如自动生成电子邮件、传真或手机提醒服务人员有关特殊机器条件。
对于采用真正智能运动系统的oem来说，这些潜在的成本降低可能是一个有竞争力的武器。
聪明的轮廓线
美国国家仪器公司(NI)工业数据采集和控制产品经理Rahul Kulkarni详细介绍了NI Motion Assistant 1.2为“智能轮廓”提供的功能，这是一种在金属加工和cnc类型应用中有用的控制方法。
Kulkarni说:“有了新的NI Motion Assistant 1.2，机器制造商和oem现在可以在交互式环境中设计一个运动应用程序，并通过将项目转换为任何C编译器的C代码或NI LabView虚拟仪器来部署该应用程序。”该软件正在申请专利的智能轮廓功能可以通过可从C、Visual Basic或LabView调用的应用程序编程接口(API)来调用。(工程师可以点击这里下载功能齐全的Motion Assistant 1.2评估版。)
智能轮廓定义
Kulkarni解释说，轮廓化的移动被表示为运动控制器用来推断光滑曲线的一系列点。曲线点是由CAD/CAM或图形程序生成的。他表示:“智能轮廓的定义是，采用一组特定的轮廓点，并应用用户指定的速度、加速度和抖动参数，从而使运动控制器在推断光滑曲线时遵循梯形或s曲线轮廓。”这可以帮助用户定义复杂的几何形状，并实现运动的梯形或s曲线轮廓。它有助于最大限度地减少对机械部件的不利影响-加速度变化率或位置相对于时间的三阶导数，从而增加机器寿命。
倪运动助手通过基于所需的速度，加速度和震动轮廓重新映射轮廓点来实现智能轮廓，同时保持曲线的几何形状。NI Motion Assistant 1.2中的这个正在申请专利的功能可以通过LabView、C和Visual Basic等编程语言在运行时调用，以便在机器上部署。
应用程序
博德电气应用:液体灌装机的智能运动
一个先进的运动控制系统美国宝德公司电是由fluid packaging Solutions (Alpharetta, GA)开发的创新连续流体包装机的核心，以消除因清洁或原位清洗程序造成的生产延迟。新型在线灌装机-通用流量正位移灌装机-使用可拆卸的泵车和可编程运动来实现批量转换，据报道，只需几分钟。
在Baldor及其分销商Control Corporation of America (Richmond, VA)的帮助下设计的精密伺服电机系统是Filler设计的基础。四个伺服电机轴驱动飞行输送机，通过给料螺杆驱动的相位输送机将瓶/容器“袋”装载到输送机上，并控制灌装头的x和y运动。灌装头与容器同步，然后插入和取出从底部向上灌装的喷嘴，然后返回起始位置。
流体容器每次从连接到传送带上的泵车上装满四个。每个小车上的四个喷嘴由一个额外的伺服轴控制，以确保精确的流体分配。泵车包含系统的所有湿部件。一台典型的机器有两个推车，允许一个移动压力清洗和启动下一个应用程序，以不中断灌装过程。
与典型的现有流体包装线相比，该技术可大大提高生产效率，使fluid packaging Solutions的机器实现每分钟约100个容器的灌装速度。据报道，换档所需的新标准时间不到5分钟。它允许用户处理更小的批量，降低库存水平和业务成本。
缩短开发时间
Baldor为Filler机器提供了所有的运动、I/O设备和人机界面(HMI)系统组件，并使用MintMT[多任务]运动语言编写了应用软件。“通过MintMT内置的多任务操作系统，开发时间大大缩短，机器功能/灵活性大大增强，”Baldor应用专家Mike Mitchell说。
Mint语言包含采用“关键字”形式的应用程序级软件，这也有助于快速创建软件。例如，FLY命令在控制一个轴的位置的同时同步两个轴的运动，提供了一个将灌装头运动与容器匹配的简洁解决方案。在控制程序中还使用了OFFSET命令，该命令允许在基本速度之上添加位置移动，以提供“相位输送机”进给机构的解决方案。米切尔补充说:“由于这台机器需要大量的运动轮廓——从简单的速度控制，到点对点定位，再到往复索引运动——语言的关键字节省了许多天的编程工作，使我们能够专注于添加功能。”
主输送机和泵车上的所有主要轴都由Baldor MintDrive或Flex+Drive系列的智能驱动器控制，这些驱动器将单轴驱动器与内置定位功能相结合。它们运行CANopen协议，通过CAN通信连接起来。主输送机是网络的主节点;所有其他驱动器都从属于这个轴。因此，网络流量最小，CAN提供了实时协调系统操作所需的速度，主轴控制点胶速度。
分布式和多任务的硬件/软件架构增加了系统的灵活性，包括根据维护或维修需要将一个或多个泵喷嘴离线的能力。Baldor说，该系统将自动重新计算灌装速度，并将所有轴调整到新的速度。
Mint软件支持的进一步灵活性可以在泵车上找到，每个泵车都有一个人机界面(HMI)面板。当与传送带断开并被推去清洗时，其中一个智能驱动器切换到二级控制程序，成为辅助控制网络的主人，该控制网络自动冲洗、清洗并通过水箱和泵运行特定的清洗剂。
应用程序
贝加莱工业自动化应用:智能运动增强切长机
Acopos智能伺服驱动技术来自贝加莱工业自动化应用于鹰制造公司(Sterling Heights, MI)，以提高其Eagle切长机的精度和吞吐量速度，同时显着减少浪费。该机器将六个工具组合在一个操作装置中，根据控制器的指示自动将所需工具移动到适当的位置。使用22个伺服驱动器，所有的工具变化都是“在线和动态”发生的，而不会中断上游挤压材料流。快速设置和刀具更换在五秒内是机器的主要特点。
Eagle Manufacturing要求机器以50英尺/分钟的线速以1毫米(0.039英寸)的精度切割零件，通过将编码器信号馈送到主轴驱动器中获得。主位置信号通过贝加莱的以太网Powerlink网络广播到其他21个驱动器，每个驱动器根据驱动器上的本地凸轮功能实时计算其从位置。驱动位置控制回路和以太网Powerlink周期完全同步，无抖动操作。800微秒的周期时间导致每0.005英寸更新一次位置。以50英尺/分钟的吞吐速度喂料。根据贝加莱的说法，Acopos智能伺服驱动器即使增加了运动轴的数量，也能实现以前无法实现的工艺质量。
Feeder-axis挑战
由于物料不是刚性或均匀的，因此通过切长机输送挤压材料是一项挑战。为了防止物料撕裂，给料轴辊不能超过一定的力限制，但一旦挤出机完成生产，给料轴辊仍然需要移动剩余的物料通过机器，以防止浪费。
贝加莱通过实时执行内部驱动功能解决了这一挑战。给料辊的输出扭矩限制可随时调节。给料辊跟随主编码器的速度控制模式，以防止滞后误差的积累。速度设定点是通过区分主编码器在驱动器中的位置，然后将该值馈送到一个额外的PID控制回路来计算的。为了使材料保持所需的张力，设定速度乘以从五个操作面板中的任何一个输入系统的调节系数。当主编码器停止时，驱动器自动切换到位置控制模式，基于取代主编码器信号的“虚拟主”。
此外，Acopos驱动器内部的功能块处理惯性前馈，可以在机器刚度低和负载-惯性不匹配高的情况下实现快速，精确的运动。这克服了传统pid环方法的增益整定问题。“Acopos在线生成路径配置文件。当惯性给定或可由算法确定时，伺服驱动器通过实时乘以加速度和惯性直接计算扭矩，”贝加莱工业自动化公司表示。“因此，所需的电流是精确确定的，而传统的PID控制回路，电流直接取决于滞后误差的大小。”
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