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未来伺服驱动器发展的新趋势

2019-02-22 23:12 企业新闻

 

Jarrett伺服驱动器
          有一段时间伺服驱动器只有一个角色 - 根据运动控制器的指示将电流发送到电机。 其他功能,如状态监测,质量控制和计划,必须由其他组件执行。 今天的伺服驱动器具有板载内存和处理能力,使他们能够提供更多功能。 它们可以在组件发生故障之前检测轴承缺陷,使操作员能够在不调用锁定标签的情况下清除卡纸,甚至可以充当菊花链驱动器网络的主控制器。 最新一代伺服驱动器包括旨在提高性能,生产力和可用性的修改,让我们仔细看看。
 
高性能,尺寸较小
 
        今天的伺服驱动器越来越小。部分原因是移动应用程序的增长。智能仓库和工厂的广泛实施导致了自动导引车(AGV)的广泛部署。远程呈现机器人漫游医院走廊,无人机漫游天空,休闲车辆在后面的国家漫游。几乎所有这些都是电池供电和空间受限。根据应用,它们可能需要高扭矩或高速操作。
 
         为了服务于这个不断增长的全球市场,出现了一类超紧凑型伺服驱动器。因为它们使用电池供电,所以它们的设计可以高效运行。电池供电电压明显低于壁式电源。驱动器的电压限制了它可以产生的电流,这又限制了电动机可以产生的速度和扭矩。例如,全地形车和休闲车辆经常需要高扭矩,这需要提供高功率密度的驱动器。 Elmo Motion Control(总裁John McLaughlin说:“有些伺服驱动器可以在80V直流电下提供160A的电流,大小跟手掌一样。” “移动智能是一个巨大的优势。为什么?重量更轻,能够从低压运行并提供高功率。“
 
         在其他情况下,速度而不是扭矩是问题。 AB Dynamics的引导软目标(GST)是一种泡沫和乙烯基车辆模型,用于测试高级驾驶员辅助系统(见图1)。它由一个低调的机器人平台推动。 GST旨在生成与汽车相同的视觉和雷达信号。如果被测车辆撞击GST,则壳体会剪断,测试车在平台上滚动而不会损坏。
小型伺服驱动器
         该应用程序受空间限制,但电机需要快速运行以在高速公路上推进平台。该伺服驱动器采用称为弱磁或相位超前的技术,使电机能够以额定速度的多倍运行。在正常情况下,当驱动器激励定子绕组时,它们在转子磁体中产生反EMF。该EMF引入了电流的转矩产生能力的滞后,降低了电动机速度。 Phase-Advanced Technology校正此幻灯片,使电机能够以更高的RPM运行。
 
         全球系统并不是唯一具有尺寸限制的机器。工厂的房地产总是供不应求。特别是在机器人技术的情况下,伺服驱动器需要尽可能小巧轻便。一些应用需要高扭矩来移动大量负载,将重点放在高功率密度上。其他人需要低惯性和动态响应高速运行。考虑用于电子装配的拾放三角机器人。“如果你正在移动表面贴装元件,你需要一些非常快速和动态的东西,”Technosoft(密歇根州坎顿)北美销售副总裁John Chandler说。“你不一定需要2马力的东西。”
 
振动控制
 
          每件设备都具有由频率激励的基础设施通过运动形成的自然共振谱。 这些住宅根据负载和运动特性(如速度,任务剖面等)而变化。此外,伺服驱动器也可以作为智能传感器运行。 机器运动轴,捕获并分析光谱,伺服驱动器修改任务轨迹以避免激发共振。 该过程具有多种使用案例,从防止液体容器中的晃动到最小化起重机中的摇摆(参见图2)。
 
实用性
 
          它从提升可用性的功能开始。 多年来,伺服驱动器能够监控伺服电机的当前需求。 经过适当分析,该数据可以提供即将发生的设备故障的预警。 可以通过这种方式标记的问题包括卡纸,磨损或损坏的轴承以及润滑剂损坏。
 
          具有集成数据记录器和连接功能的智能驱动器可以将数据导出到边缘设备以进行进一步处理和警报。 这有助于向预测性维护的过渡,这使公司不仅可以避免灾难性故障的成本,还可以更有效地利用其维护人员和资源。
 
高质量
 
          如果你曾经观看过NASCAR比赛,那么你将会看到活动的模糊,这是一个进站。 维修站工作人员在车上游荡,填充油箱并更换轮胎。 后一项任务是一门艺术。 如果从一个凸耳螺母到下一个凸耳螺母的扭矩存在任何不匹配,则可能产生不平衡,该不平衡仅在汽车处于速度时表现出来,从而影响性能和操作并且可能导致碰撞。 最初,赛车队依靠技能(希望)防止出现问题。 最近,他们通过比较气枪的扭矩曲线和预先确定的曲线来保持一致的性能。 当两者匹配时,车轮平衡。
 
           制造业已开始应用类似技术通过驱动器执行质量监控。例如,考虑机床。在生产开始时,操作团队捕获有关良好零件制造的数据,记录停留时间,速度等。在生产过程中,驱动器在加工时收集每个后续零件的数据。驱动器导出数据以供边缘设备处理,边缘设备将其与标准值进行比较。如果他们通过,该卡被认为是好的。如果没有,则需要采取进一步行动。
 
           西门子工业公司高级产品营销经理克雷格·尼尔森说:“他们拥有所有正在反馈的信息,电流,扭矩,所以他们基本上可以判断产品是否符合规格。”。“这是监控生产的一种更有效的方式。马上就可以轻松判断产品是否未正确生产。如果没有,我们可以进行修正或从生产线中取出该产品。“
 
           用例各不相同 - 该技术可用于过程控制,基于样品的批次检验,甚至验收测试。它节省了时间和金钱,否则将用于百分之百的检查。它减少了废料和返工。通过智能驱动器和基于边缘的分析,可以直接实现。
 
安全性
 
          曾经有一段时间,机器安全意味着物理传感器连接到继电器组,当某些条件被违反时,这些传感器会切断设备的电源。今天的安全性通常通过伺服电机控制来实现。它不再是响应(切断功率)而是一个过程(仅在此包络内移动,不在此速度以上运行)。该方法保护工人,设备和过程本身。
小型伺服驱动器
          最初的实施涉及控制“哑”伺服驱动器的安全PLC。最初的功能是Safe Torque Off,它可以防止轴产生扭矩,但不会拉动动力。这导致更快的重启和减少停机时间。
 
          最近,安全相关的驱动器已开始接管安全功能。它们超越STO以调用更复杂的功能,例如:
 
          安全限速(SLS):设定最高速度。
 
          安全方向(SDI):限制运动方向。
 
          安全限制增量(SLI):限制运动增量以支持点动操作。
 
           这些类型的功能可以通过减少停机时间直接提高生产率。例如,SLI允许操作员使用机器的动力来清除卡纸。 SDI和SLS使涉及人员的操作能够在保持严格安全条件的同时快速进行。朝向操作员的手移动的轴可能是危险的,但是移动的轴可以以几倍的速度移动。能够在驱动器中设置速度和方向的阈值使得这些类型的安全方案易于实现。
 
          安全级伺服驱动器通常具有内置连接,易于实施。该方法减少了布线,加快了装配速度,并消除了故障点。几乎所有主要的工业现场总线协议都有安全版本,旨在检测任何通信问题,然后才能破坏系统的反应。
 
          本文采访的所有消息来源都认为该技术正在逐步走出早期采用者阶段。 “接受现在正在扩大,因为它提高了生产力,”尼尔森说。 “最终用户可以从过去需要锁定标签的事件中快速恢复。”他还指出连接性和易安装性是主要优势。 “之前,OEM必须为他们生产的每台机器订购和安装安全继电器。他们不得不做所有的布线,这可能会非常昂贵,并且他们在制造的每台机器上都会花费这么多。通过控制伺服驱动器的同一通信网络上的安全集成技术,连接已经存在。该软件需要写一次。在那之后,它只是在每个未来的机器上下载。这对OEM来说是一个竞争优势,也是一个巨大的差异化因素。
 
可靠性
 
          除了提高性能和生产力之外,今天的伺服驱动器旨在让OEM更轻松。进步包括自动调整以实现快速调试。
 
          曾几何时,调整伺服轴就像科学一样艺术。这是一个过程,必须在调试过程中与实际的机器和负载有关。自动调谐涉及PID回路调节,在某些情况下需要数小时,即使对于有经验的技术人员也是如此驱动器行业的回应是自动调整。 “我们的客户每天都在为不同的应用调试新机器,”钱德勒说。 “自动调整已经成为常态。我认为它需要为那些需要快速调试机器的设备制造商带来红利,而无需打电话给工厂的专家。“
小型伺服驱动器
         早期版本的自动调整驱动器承诺比它们提供的更多。他们为您提供了第一个近似值,但仍需要大量的手动工作和技能。目前的自动调谐驱动器有了很大的改进(见图3)。 “机器制造商需要这些工具才能工作,他们需要这些工具才能坚固耐用,”Chandler补充道。 “你点击一个按钮,在大约三十秒内,你完成了95%。如果您真的想要优化它以便平滑或优化它以获得平滑或低噪音,您可以从那里手动调整它。“
 
         自动调整不仅有助于调试。即使面对不断变化的条件,更复杂的伺服驱动器也可动态调整以保持性能,例如,如果皮带松动,轴承或滚珠丝杠螺母失去预紧力等,这些类型的自动调整驱动器可以检测问题,修改调整到缓解问题,并向维护发送警报,以便他们能够在情况许可时解决根本原因。
 
          其他可用性趋势包括整个产品线的统一管理软件,以简化配置。在某些情况下,公司正在构建可以通过Web服务器从任何连接的设备进行编程的组件,或者使用传统的更高级语言(如C ++)的组件。 “我们在这里推广的是易于设置,易于维护,易于诊断,易于与工业4.0集成,”Bosch Rexroth产品经理Joaquin Ocampo说。 “原始设备制造商应该只寻找易于安装并立即投入运行的产品。”即使是带有电源和数据的单个表,布线也变得更加容易。
 
伺服驱动器软件架构
 
          如果没有对分布式与集中式架构的进度进行快速状态检查,就不会完成关于伺服驱动器趋势的对话。 这可以在两个层面上考虑:
 
          分布式硬件:将驱动器放在电机旁边的机器上,而不是将它们放在带有运动控制器的气候控制柜中。
 
          分布式智能:通过驱动器控制轴,而不是使用单个集中式PLC /运动控制器来形成路径规划并传输到驱动器以执行。
 
分布式硬件
 
          集中式架构一直是传统解决方案。 将伺服驱动器和控制器保持在气候控制柜中可以保护它们免受热摆动,污染,冲击和振动的影响。 集中控制适用于非常高性能的运动或同步运动。 在缺点方面,集中式硬件需要更多布线,这会增加成本,安装时间,错误机会和故障点。 机柜占用地面空间并消耗能量用于气候控制,以消散由大量电子元件产生的热量。
 
          分布式硬件架构仅需要控制器的机柜。伺服驱动器位于附近,从而最大限度地减少了布线以及随之而来的成本,时间和复杂性。
 
分布式智能化
 
          集中控制是默认方法。它特别适合高度复杂的同步或协调运动。也就是说,它给控制器带来了巨大的处理负担,无论是PLC还是运动控制器。这增加了成本和尺寸。分布式控制架构提供了另一种选择。
 
         十年前,普遍的智慧持有分布式控制只适用于低轴数和简单运动。其他任何事情都需要集中控制。然而,多年来,配备以太网连接的智能驱动器提供了足够的性能来处理各种应用。
 
         将性能级别添加到上述列表中,分布式体系结构应该在此之后进入广泛部署。然而,正在进行的克制是明年的。
 
        一些人认为,解决方案背后的原因不是技术的功能,而是由市场周期驱动的技术。 “它提供了许多优势,但实现起来确实很慢,”尼尔森说。 “我们确实看到很多客户只是保留他们的传统方法。”他建议,在某些方面,它可以被贴上最小阻力的道路。 “他们没有足够的人力或资源来利用这项技术。他们说;这一切都很棒,但我太忙了。“
 
         在某些情况下,它只是务实。当前平台可能没有足够的空间来安装机器上的伺服驱动器。在集成伺服电机驱动器的情况下,这可能特别大胆,而其他看似有希望的技术一直在缓慢地找到市场份额。
 
         “许多机器在电机轴上没有脚印空间,无法集成电机和驱动器,因此,这肯定是某些行业采用集成驱动器和电机的原因之一, “西门子SIMOTICS运动控制电机产品经理Randy Summerville说。他指出技术的增长领域是大型输送系统和航空航天制造。
 
          在许多情况下,问题不是技术性能和成本效益,而只是时间问题。机器制造商通常每10至15年更新一次平台。在这一点上,他们更有可能采用需要更改设计的新组件。 “你必须在合适的时间得到它们,”奥坎波说。 “切换确实需要重新设计机器。因此,一旦OEM决定是时候进行升级或重新设计,那就是它成为关于好处的良好对话。“
 
          在我们结束之前,最后一个驱动趋势,并不是一个好的趋势。在蓬勃发展的全球经济的推动下,再加上物联网等新兴技术的需求飙升,全球电子元件短缺已经形成。电池和电阻器等交付时间甚至普通设备的运行时间为20周和40周。这似乎不是泡沫。许多电子制造商在经济衰退期间缩减规模并改变其库存业务模式。结果,他们无法满足意想不到的高需求。
 
          短缺对驱动器市场产生了重大影响。预计有限的可用性,较长的交货时间和较高的价格。尽可能早地获得订单非常重要,因为驱动器的交付时间几乎与电子产品的交付时间一样。
 
          除了这个特殊的故障,驱动器市场正在变得强劲。机器制造商和最终用户可以利用各种技术来提高性能,生产力和可用性。特别是在转向下一代平台时,OEM和机器制造商应利用这一机会整合新技术。通过增加的技术,他们可以大大提升其设备的价值主张。
 

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