机械专业毕业论文高分
关键词:伺服驱动技术，直线电机，可编程计算机控制器，运动控制
1简介
信息时代的高科技流向传统行业，引起后者的深刻变革。机械行业作为传统行业之一，在这场新技术革命的冲击下，产品结构和生产体系结构发生了质的变化。微电子和微型计算机技术的飞速发展，使信息和智能与机械装置和动力设备相结合，促使机械工业开始了一场大规模的机电一体化技术革命。
随着计算机技术、电子电力技术和传感器技术的发展，先进国家的机电一体化产品层出不穷。机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、冶金机械、化工机械、工业机器人、智能机器人等许多产品每年都有新的进展。机电一体化技术越来越受到各方面的重视，在改善人们生活、提高工作效率、节约能源、降低物耗、增强企业竞争力等方面发挥着巨大的作用。
随着机电一体化技术的飞速发展，作为其关键组成部分的运动控制技术也取得了前所未有的发展，国内外各厂商相继推出了运动控制的新技术和新产品。本文主要介绍了几种有代表性的新技术，如全封闭式交流伺服驱动技术、直线电机驱动技术、可编程计算机控制器(PCC)和运动控制卡。
2全闭环交流伺服驱动技术
在一些对定位精度或动态响应要求较高的机电一体化产品中，交流伺服系统的应用越来越广泛，其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的趋势，而且调试和使用都非常简单，因此备受青睐。该伺服系统的驱动器采用了先进的数字信号处理器(DSP)，可以采样电机轴后端的光电编码器的位置，在驱动器和电机之间形成位置和速度的闭环控制系统，充分发挥DSP的高速计算能力自动完成整个伺服系统的增益调节，甚至可以实时跟踪负载变化，调节系统增益。有些驱动器还具有快速傅立叶变换(FFT)功能，可以计算出设备的机械振动点，通过陷波滤波消除机械振动。
一般来说，这种数字交流伺服系统大多工作在半闭环控制模式，即伺服电机上的编码器反馈既是速度环又是位置环。这种控制方法不能克服或补偿传动链上的间隙和误差。为了获得更高的控制精度，高精度检测元件(如光栅尺、光电编码器等。)应安装在最终运动部分，即应实现全闭环控制。传统的全闭环控制方式是伺服系统只接受速度指令，完成速度环的控制，位置环的控制由上位控制器完成(大多数全闭环数控机床都是这样)。这大大增加了上位控制器的难度，限制了伺服系统的推广。目前国外已经出现了更完善、精度更高的闭环数字伺服系统，更容易实现高精度自动化设备。其控制原理如图1所示。
该系统克服了上述半闭环控制系统的缺点。伺服驱动器可以直接采样位置反馈元件(如光栅尺、磁栅尺、旋转编码器等。)安装在最后一个机械运动部件上作为位置环，而电机上的编码器反馈此时只作为速度环。这样，伺服系统可以消除机械传动中存在的间隙(如齿轮间隙、螺旋间隙)，补偿机械传动部件的制造误差(如螺距误差)，实现真正的全闭环位置控制功能，获得较高的定位精度。而且这种全闭环控制是由伺服驱动器完成的，不会增加上位控制器的负担，所以越来越多的行业开始在其自动化设备的改造和发展中采用这种伺服系统。
3直线电机驱动技术
直线电机在机床进给伺服系统中的应用近年来在世界机床工业中受到重视，在西欧工业化地区掀起了“直线电机热”。
在机床进给系统中，直线电机直接驱动与原来旋转电机驱动的最大区别是取消了从电机到工作台(拖板)的机械传动环节，机床进给传动链的长度缩短为零，所以这种传动方式也称为“零传动”。正是因为这种“零驱动”模式，带来了原有旋转电机驱动模式无法达到的性能指标和优势。
1.高速响应由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动部件(如丝杠)，使得整个闭环控制系统的动态响应性能大大提高，响应极其灵敏快速。
2.精密直线驱动系统消除了丝杠等机械机构带来的传动间隙和误差，减少了插补时传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测的反馈控制，可以大大提高机床的定位精度。
3.动刚度高由于“直接驱动”，避免了中间传动环节在起动、变速、换向过程中因弹性变形、摩擦磨损、反向间隙而产生的运动滞后，也提高了其传动刚度。
4.速度快，加减速过程短。由于直线电机最早主要用于磁悬浮列车(速度可达500Km/h)，所以用在机床进给驱动中，满足超高速切削的最大进给速度(60 ~ 100 m/min或更高)当然是没有问题的。由于上述“零驱动”的高速响应性，大大缩短了加减速过程。为了实现起步时瞬间高速，高速运行时瞬间准停。可以获得更高的加速度，一般达到2 ~ 10g (g = 9.8m/S2)，而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.1 ~ 0.5g..
5.冲程长度不受限制。通过在导轨上串联一个直线电机，可以无限延长行程长度。
6.动作安静，噪音低。因为取消了传动螺杆等部件的机械摩擦，导轨可以是滚动导轨，也可以是磁垫悬浮导轨(无机械接触)，所以运动时的噪音会大大降低。
7.效率高由于没有中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损失，传动效率大大提高。
直线驱动电机的发展越来越快，在运动控制行业受到了广泛的关注。在工业运动控制相对发达的国外，相应的产品已经推广使用，其中Kollmorgen的PLATINNM DDL系列直线电机和SERVOSTAR CD系列数字伺服放大器构成了典型的直线永磁伺服系统，能够提供高动态响应速度和加速度、极高的刚度、高定位精度和平滑无误差的运动。德国西门子、日本三井精机公司和台湾省上音科技公司也开始在其产品中应用直线电机。
4可编程计算机控制器技术
自20世纪60年代末美国第一台可编程逻辑控制器(PLC)问世以来，PLC控制技术已经走过了30年的发展历程，特别是随着现代计算机技术和微电子技术的发展，在软件和硬件技术方面已经远远脱离了最初的“顺序控制”的萌芽阶段。可编程计算机控制器(PCC)是代表这一发展趋势的新一代可编程控制器。
与传统的PLC相比，PCC最大的特点是类似于大型计算机的分时多任务操作系统和多样化应用软件的设计。传统PLC多采用单任务时钟扫描或监控程序来处理程序本身的逻辑运算指令以及外部I/O通道的状态采集和刷新。这种处理方式直接导致了PLC的“控制速度”取决于应用程序的大小，这无疑与I/O通道中的高实时性控制要求相违背。PCC的系统软件很好地解决了这个问题。它利用分时多任务机制构建其应用软件的运行平台，使应用程序的运行周期与程序的长短无关，而是由操作系统的循环周期决定。从而区分了应用程序的扫描周期和外部控制周期，满足了实时控制的要求。当然，这个控制周期可以在CPU的计算能力允许的前提下，根据用户的实际要求任意修改。
基于该操作系统，PCC的应用程序由多任务模块组成，为工程项目应用软件的开发带来了极大的便利。因为可以方便地根据控制项目各部分的不同功能要求，编写控制程序模块(任务)，如运动控制、数据采集、报警、PID调节操作、通信控制等。这些模块不仅独立运行，而且数据之间保持一定的相关性。这些模块经过独立编译和分步调试后，可以下载到PCC的CPU上，在多任务操作系统的调度管理下并行运行，共同实现。
PCC在工业控制中强大的功能优势体现了可编程控制器、工业控制计算机和DCS(分布式工业控制系统)技术一体化的发展趋势。虽然它还是一门比较年轻的技术，但在越来越多的应用领域越来越显示出它的发展潜力。
5运动控制卡
运动控制卡是基于工业PC的上位控制单元，用于各种运动控制场合(包括位移、速度、加速度等。).它的出现主要是因为:(1)为了满足新型数控系统的标准化、柔性化和开放性的要求；(2)从事各种工业设备(如包装机械、印刷机械等)的自动控制系统的开发和改造。)、国防装备(如跟踪定位系统等。)，智能医疗器械等设备，迫切需要一个运动控制模块的硬件平台；(3)PC机在各种工业现场的广泛应用也促使提供相应的控制卡，以充分发挥pc机的强大功能。
运动控制卡通常采用专业的运动控制芯片或高速DSP作为运动控制的核心，多用于控制步进电机或伺服电机。一般运动控制卡和PC机构成主从控制结构:PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控(如键盘鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹的规划、控制指令的发送、外部信号的监控等。);控制卡完成运动控制的所有细节(包括脉冲和方向信号的输出，自动加减速的处理，原点和极限等信号的检测等。).运动控制卡配有开放的函数库，供用户在DOS或Windows平台下开发和构建自己的控制系统。因此，这种开放式结构的运动控制卡可以广泛应用于制造业设备自动化的各个领域。
这种运动控制方式在国外自动化设备的控制系统中比较流行，运动控制卡也形成了独立的专门产业。代表产品有美国PMAC、派克等运动控制卡。国内也出现了相应的产品。如成都步进机电有限公司的DMC300系列卡已成功应用于数控冲床、汽车零部件性能试验台等自动化设备。
6结束语
随着计算机技术和微电子技术的快速发展，工业运动控制技术不断完善，出现了许多先进实用的技术，如全闭环交流伺服驱动系统、直线电机驱动技术、可编程计算机控制器、运动控制卡等，为开发和制造工业自动化设备提供了高效的手段。这也将促进我国机电一体化技术的不断提高。