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--熱烈祝賀我會聯辦的科普活動被中國科協評為--優秀科普活動
12月21日,中國科學技術協會辦公廳印發《關于對2020年全國科普日有關組織單位和活動予以表揚的通知》(科協辦函普字【2020】158號),江蘇省機械工程學會、南京工程學會和江蘇省學會服務中心聯辦的“2020年全國科普日暨第一屆‘天印筑夢·科普智行’”活動,被評為優秀科普活動。
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從旋轉運動到直線運動
有關驅動器發展趨勢,我覺得需要從頭說起。 無論是伺服電機,還是直線電機,本質上是能量轉化。過去旋轉電機是轉化為機械能的方式需要有驅動器驅動電機,為了達到控制的目的,需要通過機械傳動的方式傳動它,所以就需要要皮帶、齒輪、齒條等。直線電機也是一個道理,本質上還是電能轉化為機械能,只是說沒有這些結構,它的結構不太一樣。
我們認為每一種傳動方式有其特點。這些特點有一些可能是優點,有一些可能是缺點。無論是優點,還是缺點是相對的,不是絕對的概念。
所以機械傳動的問題點,我更愿意把它叫做特點。由于結構特點,會給用戶帶來一些成本或者不方便的地方,包括可靠性,包括摩擦,包括需要維護,還有一些精度的問題。精度的問題,因為可能部件很多,所以會有傳導誤差,所以需要增加一些補償功能。
機械傳動裝置的問題點
可靠性:機械傳動裝置長時間會磨損及有限的壽命
摩擦:降低了效率,產生熱量,對整體控制造成影響
潤滑劑:需要定期維護
精度:齒輪機械傳動精度受限,所以在高精度的直線傳動場合往往需要補償功能或增加第二編碼器
反向背隙:咬合部件間的“自由”導致精度問題及控制限制
靈活性:金屬齒輪增加了靈活性-同時會帶來彈簧效應會帶來共振和震動
成本:增加了系統成本
系統復雜:部件多,增加問題發生率MTBF
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直驅電機開始逐步提升市場占有率并取代傳動機械傳動結構
早期直線電機這個東西,在高端行業,包括CNC,貼片機、焊線機、半導體、光伏行業用了很多年。現在生產工藝的進步,使得成本降低了很多。直驅市場占有率在逐步提高,可能取代一部分機械傳動的結構。
隨著直驅產品的普及和應用,在其高速度、高精度、摩擦小、壽命長、部件少、高剛性系統等優勢被市場熟知外,其問題點也更多地被暴露。
直驅產品較之傳統的驅動產品生產成本仍然較高
(1)需要更多的磁鐵以及較高的組裝成本。
(2)線性軸承帶來的高成本
(3)由于沒有摩擦使得其對控制算法結構的要求更高。
(4)由于電機與負載直連,需要更高的控制增益及振動抑制。(5)高速和高精度的特點使之對整定時間的要求更高。
(6)需要更高分辨率和精度的編碼器。
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高創傳動解決方案
高創對于這樣的結構,以及這樣的電機,針對于驅動機三個需要的核心要素,是有一些解決方案的。
第一個我們有一個算法,我們叫HD—Loop,這個是解決高增益和降低整定時間的算法; 還有一個用于振動抑制;第三個是支持高分辨率的反饋。三個點會持續存在,當你的電機改變的時候,我們要調整這些東西,但是大體的結構不會變。
高創驅動器里面有很多算法,針對高速高精度的運用開發了一個算法,因為高創接觸直驅電機比較久。這一塊的數據收集比較多,所以開發了一種自適應非線性控制算法,我們叫HD—Loop,所有分支工作在同一個優先級并工作在各自的采樣周期。再一個分支都有一個可變增益參數,該參數會自動優化以獲取高增益和穩定度。這四個增益,或者是自適應增益參數的話,對于能夠獲取最小的誤差,以及整定時間是最核心的幫助,可以使得這個得到極大的優化。
這套算法在理論上優于其他類型控制器的算法,我們把驅動器里面的環路叫控制器。基本上要控制一個東西要形成閉環,所以稱為控制器。簡而言之,通過這個東西可以得到最小的位置誤差,以及接近于0的整定時間。我們有些案例的確做到0的整定時間。 換句話說,需要負載在規定的時間,到達規定的地點,我們這上面叫位置誤差和整定時間。
剛才的東西是為了解決位置誤差和整定時間,那這個東西就是為了解決震動。振動會直接傳遞到電機上,當它傳遞到電機上,電機會有感知,通過采取電流和采集反饋數據進行預播,我們就可以知道目前震動是在什么樣的頻率范圍。我們就在里面做了一個閉環,去等同于這個頻率對沖掉,這個就是震動抑制。
從整體看得到顯著完善,這樣的環路可以做很多個。換句話說,可能你的震動點可能有很多個,所以使得它比較穩,比較快。這是第二個核心的先進控制算法的震動抑制。
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直線電機未來發展趨勢
關于趨勢,我們覺得趨勢的部分一定是跟大環境相關,直線電機未來的趨勢會怎么樣,或者做成什么形態,我覺得不是很重要,因為跟應用場景相關。在中國的東西,它會有符合中國應用的場景,以及符合中國應用的商品。
符合中國應用的發展驅勢
(1)中國經濟的高速發展迫使機器的成本降低,產能提高/交付縮短/開發周期短,需要更好的精度和更少的維護。
(2)中國設備制造商更加激進敢于冒險,其結果是-機器更輕量化,機械結構更柔性靈活—>使得更加難以控制-加大了對于驅動和控制器要求。
(3)機器設備種類趨勢變化快,規模大-需要自動調試和易用性。
我們的驅動、運動控制器、電機怎么辦?一定要放在大環境里面考慮問題,才能把發展方向想清楚,這是我們的看法。
對于驅動器和運動控制器的角度,因為現在的芯片已經足夠強大,它不再像以前,可能只能做有限的東西,半導體和集成電路的發展非常快,既然芯片已經很強大了,我們不應該用非常新的芯片做老的設計方案。 所以我們要改變,這個改變是為了適應相關的需求。
驅動和控制的邊界慢慢會越來越模糊,可能會慢慢融合在一起。
驅動和控制融合所需要達到的目的
(1)易用性。
(2)穩定性。
(3)連接傳感器視覺以及其他第三方核心工藝制程器件。
(4)集成更高階而豐富的算法。
(5)簡單接口及用戶界面,即插即用。
(6)類似“子系統”的嵌入式系統。
(7)盡量少的線纜及小型化尺寸。
(8)更加智能化,強大的數據收集和處理、云端系統。
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電機未來的方向是什么?
從我們角度來看是機電一體化。長期以來,我們銷售驅動器給直線電機公司,直線電機公司再銷售給客戶端,但是實際上銷售的意義遠大于集成的意義和方案的意義。直線電機公司不一定理解驅動器,驅動器不一定理解直線電機公司,兩個加起來不一定理解現場應用場景。如果這個壁壘不打破,最后沒有辦法服務好客戶。
從我的角度來看,我們賣東西給客人,不是為了賺客人的錢。比如說賣東西給設備商,我們不是為了賺錢。我們賣的東西跟消費品不一樣,如果賣一臺手機給終端用戶,這是我賺它的錢,因為它拿過來是為了使用。我們賣東西給設備商,設備商拿到以后要再賣出去賺錢。我們目的是幫助設備商賺錢,然后分享其中一部分,這是我的理解。要達到這樣的目的,怎么樣幫終端用戶賺錢。
我們原來出現很多例子。直線電機說這不是我的問題,是驅動電機的問題。驅動電機說這是直線電機的問題,會有互相之間的扯皮。我覺得本質是墻沒有打破,互相之間要融合。
這里舉一個例子,比如說誤差補償表。
我們直線電機有加溫過高,所以用軟件補回來,這就降低了生產制造的成本,同時降低了個人服務的需求,這個就是機電一體化,同時也有附加值。剛才是1D的,這個是3D的。
理論上我們可以做到6D,就是6個維度。右邊是給齒輪公司做的系統,因為齒輪非常大,要檢查非常細微的精度,它整個的測量設備有誤差,我們就做誤差補償的算法。整個系統做到12張表進去,可能一個直線電機需要1張表。這樣做之后極大提升精度,使得整個成本下降。
像這樣的東西,我認為都是機電一體化的產物。不單單是高創公司,我認為大部分公司的接口都會越來越豐富,所以我覺得發展趨勢的核心是機電一體化。 這種機電一體化需要電機公司跟軟件公司,跟驅動性公司,以及運動控制公司緊密合作。
這種合作首先是人上面的合作, 以及支持架構下的建立需要更多的交互,而不是你干的,我干我的,需要更多的交流,我想這是直驅聯盟組織會議的目的。 未來會非常好,但是需要多交互,尤其是機電一體化,這是我們對未來的理解。