요약: 정보화 시대의 첨단 기술과 신기술은 전통 산업의 급속한 발전을 촉진했습니다. 기계 산업의 자동화에서 일부 새로운 모션 제어 기술이 등장했습니다. 완전 폐쇄 루프 AC 서보 드라이브 기술, 선형 모터 구동 기술 및 프로그래밍 가능한 컴퓨터 컨트롤러, 모션 제어 카드 등 본 논문에서는 이러한 신기술의 기본원리와 특징, 적용현황을 주로 분석하고 검토한다.
키워드: 서보 드라이브 기술, 리니어 모터, 프로그래밍 가능한 컴퓨터 컨트롤러, 모션 제어
1 서문
정보화 시대의 첨단 기술과 신기술은 전통으로 흘러갑니다. 산업은 후자에 심각한 변화를 가져옵니다. 전통산업의 하나인 기계산업은 이러한 새로운 기술혁명의 영향으로 제품구조와 생산시스템 구조에서 질적 도약을 이루었으며, 마이크로 전자기술과 마이크로컴퓨터 기술의 급속한 발전은 정보화, 지능화, 기계장치화를 가져왔다. 전력 장비의 결합으로 인해 기계 산업은 대규모 메카트로닉스 기술 혁명을 시작하게 되었습니다.
컴퓨터 기술, 전자전력 기술, 센서 기술의 발달로 선진국의 메카트로닉스 제품이 속속 등장하고 있다. 공작기계, 자동차, 계측기, 가전제품, 경공업 기계, 섬유 기계, 포장 기계, 인쇄 기계, 야금 기계, 화학 기계, 산업용 로봇, 지능형 로봇 및 기타 여러 범주의 제품이 매년 새로운 개발을 하고 있습니다. 메카트로닉스 기술은 사람들의 삶을 향상시키고, 업무 효율성을 향상시키며, 에너지를 절약하고, 재료 소비를 줄이고, 기업 경쟁력을 높이는 데 큰 역할을 하고 있습니다.
메카트로닉스 기술이 급속도로 발전하는 가운데, 이를 핵심으로 하는 모션 제어 기술 역시 국내외 다양한 제조사들이 모션 제어 분야의 신기술과 신제품을 잇달아 출시하고 있다. 본 글에서는 주로 Full Closed AC Servo 드라이브 기술(Full Closed AC Servo), 선형 모터 구동 기술(Linear Motor Driving), 프로그래밍 가능한 컴퓨터 컨트롤러(PCC) 및 모션 제어 보드(Motion Controlling Board) 등 몇 가지 대표적인 신기술을 소개합니다.
2 완전 폐쇄 루프 AC 서보 드라이브 기술
상대적으로 높은 위치 정확도 또는 동적 응답 요구 사항을 가진 일부 메카트로닉스 제품에서는 AC 서보 시스템이 점점 더 많이 사용되고 있으며, 그중 디지털 AC 서보 시스템은 디지털 제어 모드의 추세에 더 부합하고 디버그 및 사용이 매우 간단하므로 선호됩니다. 이 서보 시스템의 드라이버는 모터 샤프트 후면 끝에 있는 광전 인코더에서 위치 샘플링을 수행할 수 있는 고급 디지털 신호 프로세서(DSP)를 사용하여 드라이버와 모터 사이의 위치 및 속도에 대한 폐쇄 루프 제어를 형성합니다. . 시스템은 DSP의 고속 컴퓨팅 성능을 최대한 활용하여 전체 서보 시스템의 게인 조정을 자동으로 완료하고 부하 변경을 추적하고 시스템 게인을 실시간으로 조정할 수도 있습니다. FFT(Fast Fourier Transform)를 통해 장비의 기계적 성능을 계산하고, 진동점을 검출하고, 노치 필터링을 통해 기계적 진동을 제거합니다.
일반적인 상황에서 이 디지털 AC 서보 시스템의 대부분은 반폐쇄 루프 제어 모드에서 작동합니다. 즉, 서보 모터의 인코더 피드백은 속도 루프와 위치 루프 역할을 모두 수행합니다. 이 제어 방법은 전송 체인의 격차와 오류를 극복하거나 보상할 수 없습니다. 더 높은 제어 정확도를 얻으려면 최종 이동 부분에 고정밀 감지 구성 요소(예: 격자 눈금자, 광전 인코더 등)를 설치해야 합니다. 즉 완전 폐쇄 루프 제어가 달성됩니다. 보다 전통적인 완전 폐쇄 루프 제어 방법은 서보 시스템이 속도 명령만 받아들이고 속도 루프의 제어를 완료하는 것입니다. 위치 루프의 제어는 상위 컨트롤러에 의해 완료됩니다(대부분의 완전 폐쇄 루프의 경우). -루프 공작 기계 CNC 시스템). 이는 상위 컨트롤러의 난이도를 크게 높이고 서보 시스템의 홍보를 제한합니다. 현재 해외에서는 더 높은 정밀도를 달성할 수 있는 보다 완벽한 완전 폐쇄 루프 디지털 서보 시스템이 등장하여 고정밀 자동화 장비를 보다 쉽게 실현할 수 있습니다. 제어 원리는 그림 1에 나와 있습니다.
이 시스템은 위에서 언급한 반폐쇄 루프 제어 시스템의 단점을 극복합니다. 서보 드라이브는 설치된 위치 피드백 구성 요소(예: 격자 스케일, 자기 스케일, 회전 인코더 등)를 직접 샘플링할 수 있습니다. 기계적으로 움직이는 부품의 마지막 단계에서)는 위치 루프로 사용되는 반면 모터의 엔코더 피드백은 현재 속도 루프로만 작동합니다. 이러한 방식으로 서보 시스템은 기계식 변속기에 존재하는 틈(예: 기어 틈, 나사 틈 등)을 제거하고, 기계식 변속기 부품의 제조 오류(예: 나사 피치 오류 등)를 보상할 수 있으며, 진정한 완전 폐쇄 루프 위치 제어 기능을 달성하여 더 높은 위치 정확도를 달성합니다. 또한 이러한 종류의 완전 폐쇄 루프 제어는 상위 컨트롤러의 부담을 증가시키지 않고 서보 드라이버에 의해 완료됩니다. 따라서 점점 더 많은 산업에서 자동화 장비의 변환 및 개발에 이 서보 시스템을 채택하기 시작하고 있습니다.
3 리니어 모터 구동 기술
공작기계 피드 서보 시스템에 리니어 모터를 적용하는 것은 최근 몇 년 동안 세계 공작기계 산업에서 주목을 받아 왔으며, 서유럽의 산업 발전 지역에 대한 열정 "리니어 모터 히트".
공작기계 이송 시스템에서 리니어 모터 다이렉트 드라이브와 기존 로터리 모터 드라이브의 가장 큰 차이점은 모터에서 작업대까지의 기계적 전달 링크(드래그)가 제거되고 기계가 공구 피드 전송 체인의 길이가 0으로 단축되므로 이 전송 방법을 "제로 전송"이라고도 합니다. 원래의 회전 모터 구동 방식이 달성할 수 없는 성능 지표와 이점을 제공하는 것은 바로 이 "제로 변속기" 방식 때문입니다.
1. 고속 응답 응답 시간 상수가 큰 일부 기계적 변속기 부품(예: 나사 등)이 시스템에서 직접 제거되기 때문에 전체 폐쇄 루프 제어 시스템의 동적 응답 성능이 향상됩니다. 크게 개선되었으며 반응이 매우 민감하고 빠릅니다.
2. 정확성 리니어 드라이브 시스템은 나사와 같은 기계적 메커니즘으로 인해 발생하는 전송 간격 및 오류를 제거하고 보간 동작 중 전송 시스템의 지연으로 인해 발생하는 추적 오류를 줄입니다. 선형 위치 감지 피드백 제어를 통해 공작 기계의 위치 결정 정확도를 크게 향상시킬 수 있습니다.
3. "직접 구동"으로 인한 높은 동적 강성은 시동, 변속 및 후진 중 중간 변속기 링크의 탄성 변형, 마찰 및 마모 및 백래시로 인한 모션 지연을 피하고 또한 향상시킵니다. 전달 강성을 향상시킵니다.
4. 빠른 속도와 짧은 가감속 과정 리니어 모터는 처음에는 자기부상열차(최대 속도 500Km/h)에 주로 사용되었으므로 초고속 주행을 충족시키기 위해 공작기계 이송 드라이브에 사용됩니다. 고속 절단 요구 사항 최대 이송 속도(60~100M/min 이상 필요)는 물론 문제가 되지 않습니다. 또한 앞서 언급한 '제로 변속기'의 고속 응답성으로 인해 가감속 과정이 대폭 단축된다. 출발할 때 즉시 고속을 달성하고, 고속으로 달릴 때 즉시 정확하게 정지하기 위해서입니다. 일반적으로 최대 2~10g(g=9.8m/s2)의 더 높은 가속도를 얻을 수 있는 반면, 볼 스크류 전동의 최대 가속도는 일반적으로 0.1~0.5g에 불과합니다.
5. 스트로크 길이는 제한이 없습니다. 가이드 레일에 리니어 모터를 직렬로 연결하면 스트로크 길이를 무한히 늘릴 수 있습니다.
6. 전동스크류와 기타 부품의 기계적 마찰이 없어 움직임이 조용하고 소음이 적으며, 가이드레일은 롤링가이드레일이나 마그네틱패드 서스펜션 가이드레일을 사용할 수 있다. (기계적 접촉 없음), 이동 중 소음이 크게 감소됩니다.
7. 고효율 중간 전달 링크가 없기 때문에 기계적 마찰 시 에너지 손실이 없어지고 전달 효율이 크게 향상됩니다.
선형 구동 모터의 개발도 점점 빨라지고 있으며 모션 제어 업계에서도 많은 주목을 받고 있습니다. 해외에서 상대적으로 산업 모션 제어가 발달한 국가에서는 해당 제품의 사용을 장려하기 시작했습니다. 그 중 미국 Kollmorgen의 PLATINNM DDL 시리즈 선형 모터와 SERVOSTAR CD 시리즈 디지털 서보 증폭기는 전형적인 선형 영구 자석 서보 시스템을 구성합니다. 매우 높은 동적 응답 속도 및 가속도, 매우 높은 강성, 높은 위치 정확도 및 부드럽고 원활한 모션을 제공할 수 있습니다. 독일의 Siemens, 일본의 Mitsui Seiki, 대만의 Shanghai Silver Technology Co., Ltd. 등도 자사 제품을 사용하기 시작했습니다. 선형 모터는 응용 분야에 사용됩니다.
4 프로그래밍 가능한 컴퓨터 컨트롤러 기술
1960년대 후반 미국에서 최초의 프로그래밍 논리 컨트롤러(PLC)가 등장한 이후 PLC 제어 기술은 30년의 개발 끝에 특히 현대 컴퓨터 기술과 마이크로 전자공학 기술의 발전으로 소프트웨어와 하드웨어 기술 측면에서 '순차 제어'의 초기 단계를 훨씬 넘어섰습니다. 프로그래밍 가능 컴퓨터 컨트롤러(PCC)는 이러한 개발 추세를 대표하는 차세대 프로그래밍 가능 컨트롤러입니다.
기존 PLC와 비교했을 때 PCC의 가장 큰 특징은 대형 컴퓨터의 시분할 멀티 태스킹 운영체제와 다양한 응용 소프트웨어 설계와 유사하다는 점이다. 대부분의 기존 PLC는 단일 작업 클럭 스캐닝 또는 모니터링 프로그램을 사용하여 프로그램 자체의 논리 연산 명령과 외부 I/O 채널의 상태 수집 및 새로 고침을 처리합니다. 이 처리 방법은 PLC의 "제어 속도"가 애플리케이션 프로그램의 크기에 따라 달라지도록 직접적으로 발생시킵니다. 이 결과는 의심할 바 없이 I/O 채널의 높은 실시간 제어 요구 사항에 위배됩니다. PCC의 시스템 소프트웨어는 이 문제를 완벽하게 해결합니다. 이는 시간 공유 멀티 태스킹 메커니즘을 사용하여 응용 프로그램 소프트웨어의 실행 플랫폼을 구축하는 방식으로 응용 프로그램의 실행 주기는 프로그램의 길이와 관련이 없습니다. 운영 체제의 주기에 따라 결정됩니다. 따라서 응용 프로그램의 스캔 주기와 외부 제어 주기를 구별하여 실시간 제어 요구 사항을 충족합니다. 물론 이 제어 주기는 CPU 컴퓨팅 성능이 허용하는 한 사용자의 실제 요구 사항에 따라 임의로 수정할 수 있습니다.
이러한 운영 체제를 기반으로 PCC의 응용 프로그램은 멀티 태스킹 모듈로 구성되어 엔지니어링 프로젝트 응용 소프트웨어 개발에 큰 편의성을 제공합니다. 이러한 방식으로 제어 프로그램 모듈(작업)은 모션 제어, 데이터 수집, 경보, PID 조정 계산, 통신 제어 등과 같은 제어 프로젝트 각 부분의 다양한 기능 요구 사항에 따라 쉽게 컴파일될 수 있습니다. 독립적으로 실행되고 데이터 사이에는 일정한 상관관계가 있습니다. 이러한 모듈은 단계별로 독립적으로 컴파일되고 디버깅된 후 PCC의 CPU에 함께 다운로드되어 다중 작업 운영 체제의 스케줄링 관리 하에 병렬로 실행될 수 있습니다. 프로젝트의 제어 요구 사항을 동시에 달성합니다.
산업용 제어에서 PCC의 강력한 기능적 장점은 프로그래밍 가능한 컨트롤러를 산업용 제어 컴퓨터 및 DCS(분산 산업 제어 시스템) 기술과 통합하는 개발 추세를 반영하지만, 이는 아직 비교적 젊은 기술이지만, 점점 더 많은 응용 분야에서 과소평가할 수 없는 개발 잠재력을 점점 더 보여주고 있습니다.
5 모션 제어 카드
모션 제어 카드는 산업용 PC 기반의 상위 제어 장치로 다양한 모션 제어 상황(변위, 속도, 가속도 등 포함)에 사용됩니다. ). 그 출현은 주로 다음과 같습니다: (1) 새로운 CNC 시스템의 표준화, 유연성, 개방성 및 기타 요구 사항을 충족하기 위해 (2) 다양한 산업 장비(예: 포장 기계, 인쇄 기계 등), 국방 (추적 및 위치 확인 시스템 등), 지능형 의료 기기 및 기타 장비의 경우 모션 제어 모듈용 하드웨어 플랫폼이 시급히 필요합니다. (3) 다양한 산업 현장에서 PC가 광범위하게 적용됨에 따라 설치도 촉발되었습니다. PC의 강력한 기능을 최대한 활용하기 위한 해당 제어 카드.
모션 제어 카드는 일반적으로 전문 모션 제어 칩이나 고속 DSP를 모션 제어 코어로 사용하며 대부분 스테퍼 모터 또는 서보 모터를 제어하는 데 사용됩니다. 일반적으로 모션 제어 카드와 PC는 마스터-슬레이브 제어 구조를 형성합니다. PC는 인간-컴퓨터 상호 작용 인터페이스의 관리와 제어 시스템(예: 키보드 및 마우스 관리, 시스템)의 실시간 모니터링을 담당합니다. 상태 표시, 모션 궤적) 계획, 제어 명령 전송, 외부 신호 모니터링 등) 제어 카드는 모션 제어의 모든 세부 사항(펄스 및 방향 신호 출력, 자동 속도 증가 및 감소 처리, 신호 감지 포함)을 완료합니다. 원산지, 한계 등). 모션 제어 카드에는 사용자가 DOS 또는 Windows 시스템 플랫폼에서 필요한 제어 시스템을 개발하고 구성할 수 있는 개방형 기능 라이브러리가 장착되어 있습니다. 따라서 이러한 개방형 구조의 모션 제어 카드는 제조 장비 자동화의 다양한 분야에서 널리 사용될 수 있습니다.
이 모션 제어 모드는 외국 자동화 장비의 제어 시스템에서 비교적 널리 사용됩니다. 모션 제어 카드도 독립적인 전문 산업을 형성했습니다. 대표적인 제품으로는 미국 PMAC, PARKER 및 기타 모션 제어 카드가 있습니다. 해당 제품은 중국에서도 출시되었습니다. 예를 들어 Chengdu Stepper Electromechanical Co., Ltd.의 DMC300 시리즈 카드는 CNC 드릴링 머신 및 자동차 부품 성능 테스트 벤치와 같은 다양한 자동화 장비에 성공적으로 사용되었습니다.
6 결론
컴퓨터 기술과 마이크로 전자공학 기술의 급속한 발전은 완전 폐쇄 루프 AC 서보 드라이브와 같은 기술의 출현으로 산업용 모션 제어 기술의 지속적인 발전을 촉진했습니다. 시스템, 리니어 모터 드라이브 기술, 프로그래머블 컴퓨터 컨트롤러, 모션 제어 카드 등 많은 첨단 실용 기술은 산업 자동화 장비 개발 및 제조에 효율적인 수단을 제공합니다. 이는 또한 우리나라의 메카트로닉스 기술 수준의 지속적인 향상을 필연적으로 촉진할 것입니다.