本文介紹的新控制方法涉及集中控制、數(shù)字網(wǎng)絡(luò)和多軸緊密耦合伺服控制。與傳統(tǒng)的傳動軸系相比,多軸緊密耦合伺服控制具有更高的靈活性和性能,能夠進(jìn)行在線動態(tài)調(diào)整,并獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn),實現(xiàn)極高的精確度,這是傳統(tǒng)的機(jī)械主軸和次軸、傳動裝置和控制系統(tǒng)所不具備的。
用戶概況及項目要求
VISX公司是在激光眼視力矯正技術(shù)方面集設(shè)計、生產(chǎn)和銷售為一體的跨國公司。VISX 在創(chuàng)立之初進(jìn)行了一系列試驗,這些實驗預(yù)示著通過使用準(zhǔn)分子激光器對眼睛的表面整形可以達(dá)到與視力矯正透鏡相同的校正效果。到20世紀(jì) 90 年代,VISX 激光器已經(jīng)在全世界 40 多個國家得到了廣泛應(yīng)用。到2003年,VISX 已發(fā)展成為激光視力矯正領(lǐng)域的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。VISX 將丹納赫傳動(Danaher Motion)的運(yùn)動控制技術(shù)應(yīng)用于多個VISX 激光眼科手術(shù)儀器鏡頭的精密控制。
在每個 VISX 折射激光器系統(tǒng)的內(nèi)部,都配有一個激光器、一個光傳遞系統(tǒng)以及一個控制系統(tǒng)。在產(chǎn)生激光光束之后,光束的形狀和角度將分別由可移動光學(xué)元件和可移動鏡頭進(jìn)行調(diào)整。而可移動的光學(xué)元件和鏡頭需要使用6個精密伺服電機(jī)來控制,由此可以保證激光手術(shù)進(jìn)行過程中極高的精確性。用于調(diào)整光束的鏡頭是由6個精密伺服電機(jī)中的兩個來進(jìn)行調(diào)整的,該電機(jī)連接到激光光束的調(diào)整機(jī)構(gòu)上??梢苿庸鈱W(xué)元件和激光光束調(diào)整機(jī)構(gòu)利用精密編碼器進(jìn)行位置反饋。
經(jīng)過認(rèn)真挑選,VISX 最終選擇了丹納赫傳動的 SynqNet 控制器負(fù)責(zé)激光光束整形和調(diào)整過程中的工作。
項目設(shè)計及實施
SynqNet 運(yùn)動控制網(wǎng)絡(luò)
SynqNet 是一個高性能、全數(shù)字的開放性同步運(yùn)動控制網(wǎng)絡(luò),它采用一種實時、同步數(shù)字網(wǎng)絡(luò)專利技術(shù)及雙冗余數(shù)據(jù)通道設(shè)計,從而可在各種復(fù)雜應(yīng)用中實現(xiàn)卓越的運(yùn)動性能,并確保機(jī)器運(yùn)行的高可靠性。
SynqNet 的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下幾個方面:其全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)基于 eXMP-SynqNet 獨(dú)立控制器,最多可支持32 根協(xié)同軸,更新至48 kHz 的高轉(zhuǎn)矩帶寬,這為項目設(shè)計小組帶來了發(fā)揮空間,能夠滿足對每個節(jié)點的嚴(yán)格同步要求; SynqNet 的“自修復(fù)”容錯功能非常有利于系統(tǒng)安全和可靠性,能夠消除機(jī)器故障停機(jī)時間;由于采用了環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在維護(hù)某個進(jìn)料模塊時,能夠在不中斷其它進(jìn)料模塊運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下,切斷該模塊的電源,這就賦予了VISX 儀器最高的可利用性、生產(chǎn)量和安全性。
在對儀器上的精密鏡頭進(jìn)行控制時,SynqNet 控制器會發(fā)出一個合適的輸出值給每個放大器,而放大器會驅(qū)動每個基于既定運(yùn)動軌跡的伺服電機(jī)運(yùn)動。然后 SynqNet 控制器會從一個復(fù)雜的視覺系統(tǒng)上接收到位置值,該系統(tǒng)會跨過眼睛對激光光束進(jìn)行掃描(假定在對眼睛進(jìn)行合適的激光反射治療)。最終形成的傳動會從每個編碼器上產(chǎn)生信號,并反饋給控制器。編碼器信號由 SynqNet 控制卡所載的 FPGA 進(jìn)行“捕獲”,然后會對每個軸的位置進(jìn)行更新,并由 DSP 在每次固件周期中計算新的軌跡。移動的間隔時間為 15分鐘。
DSP即數(shù)字信號處理,是一種快速強(qiáng)大的微處理器,獨(dú)特之處在于它能即時處理資料,正是這項即時能力使得DSP最適合支援無法容忍任何延遲的應(yīng)用。數(shù)字信號處理的任務(wù)在很大程度上需要由DSP器件來完成。
FPGA是在 PAL 、GAL、EPLD 等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物,是專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路,既解決了定制電路的不足,又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。FPGA 采用了邏輯單元陣列這樣一個新概念,內(nèi)部包括可配置邏輯模塊、輸出輸入模塊和內(nèi)部連線三個部分。由于 FPGA 采用高速 CHMOS 工藝,處理數(shù)據(jù)的速度會比 DSP 時鐘周期快得多,因此使用 FPGA 進(jìn)行位置信息捕獲和比較,可以在任何應(yīng)用下的觸發(fā)事件和危急情況處理中達(dá)到更卓越的性能。
PID 閉環(huán)控制
控制回路對六軸系統(tǒng)使用經(jīng)過優(yōu)化的 PID 增益進(jìn)行控制。測試和開發(fā)合適的 PID 值的工作由傳動控制臺完成,這是一個由丹納赫傳動提供的傳動設(shè)施。傳動控制臺帶有一個 GUI(圖形用戶接口),用以對運(yùn)動軸輸入眾多的傳動參數(shù),以及幫助設(shè)置正確的增益值來優(yōu)化性能。這種閉環(huán)方式提供了 VISX 在所有儀器中所要求的高度安全性和可靠性。此外,如果病人在治療期間有出乎意料的移動,對病人進(jìn)行細(xì)致監(jiān)測的視覺系統(tǒng)還可以隨時控制放棄任何動作。
快速的穩(wěn)定時間
SynqNet 控制器另一個關(guān)鍵的應(yīng)用特性是每次達(dá)到命令位置之后的快速穩(wěn)定時間,就是說當(dāng)控制器設(shè)置了一個位置,就需要對實際位置的最小超出量有嚴(yán)格的伺服控制。而 PID 控制回路中前饋功能的使用可以有助于減小穩(wěn)定時間。通過實施摩擦,速度和加速度會前饋給 PID 控制回路,設(shè)備可以通過使用系統(tǒng)模擬來對放大器發(fā)出更精確的命令,從而縮短穩(wěn)定時間。雖然通過前饋控制可以提高傳動性能,PID 控制仍然是基于誤差反饋的。
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SynqNet 興趣組織 www.synqnet.org
丹納赫傳動 www.danahermotion.com.cn
關(guān)于SynqNet
SynqNet 運(yùn)動網(wǎng)絡(luò)采用 IEE802.3 物理層行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),實現(xiàn)強(qiáng)大的電絕緣,并由丹納赫傳動設(shè)計確定性協(xié)議層布線長100米。SynqNet 設(shè)計用于滿足高要求的多軸運(yùn)動應(yīng)用需求,符合行業(yè)向內(nèi)向互操作數(shù)字設(shè)備發(fā)展的趨勢。SynqNet 為機(jī)械設(shè)計師提供了一個開放平臺,以滿足對系統(tǒng)模塊性的市場需求,此外還提供不停機(jī) HotReplace™ 設(shè)備服務(wù)、遠(yuǎn)程故障診斷、軟件升級、多廠商支持和容錯安全性。自2003年以來,SynqNet 運(yùn)動及 I/O 網(wǎng)絡(luò)解決方案在27萬多個軸中得到采用。
關(guān)于丹納赫傳動
丹納赫傳動是全球領(lǐng)先的運(yùn)動控制解決方案提供商,致力于不斷幫助全球原始設(shè)備制造商(OEM)制造更優(yōu)質(zhì)、更高速的機(jī)器設(shè)備。丹納赫傳動的產(chǎn)品廣泛運(yùn)用于航空、醫(yī)療、機(jī)器人、半導(dǎo)體、電動車輛和包裝等工業(yè)部門,能夠大幅提高這些技術(shù)應(yīng)用復(fù)雜且要求嚴(yán)格的部門的效率和生產(chǎn)率。在過去60多年中,丹納赫傳動的產(chǎn)品創(chuàng)新通過其用戶信賴的品牌一直在推動著運(yùn)動控制行業(yè)的不斷創(chuàng)新,旗下品牌包括 Kollmorgen、Thomson和Dover等多個著名品牌。丹納赫傳動是丹納赫公司(NYSE 交易代號:DHR)的戰(zhàn)略平臺之一。了解詳情,請瀏覽 www.danahermotion.com.cn。