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，能夠進行在線動態(tài)調(diào)整，并獨立運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)極高的精確度，這是傳統(tǒng)的機械主軸和次軸、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)立之初進行了一系列試驗，這些實驗預(yù)示著通過使用準分子激光器對眼睛的表面整形可以達到與視力矯正透鏡相同的校正效果。到20世紀 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個精密伺服電機來控制，由此可以保證激光手術(shù)進行過程中極高的精確性。用于調(diào)整光束的鏡頭是由6個精密伺服電機中的兩個來進行調(diào)整的，該電機連接到激光光束的調(diào)整機構(gòu)上?？梢苿庸鈱W(xué)元件和激光光束調(diào)整機構(gòu)利用精密編碼器進行位置反饋。
經(jīng)過認真挑選，VISX 最終選擇了丹納赫傳動的 SynqNet 控制器負責激光光束整形和調(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)卓越的運動性能，并確保機器運行的高可靠性。
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，能夠消除機器故障停機時間；由于采用了環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)，在維護某個進料模塊時，能夠在不中斷其它進料模塊運轉(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)動每個基于既定運動軌跡的伺服電機運動。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行掃描（假定在對眼睛進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 進行“捕獲”，然后會對每個軸的位置進行更新，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，是一種快速強大的微處理器，獨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，對病人進行細致監(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)用特性是每次達到命令位置之后的快速穩(wěn)定時間，就是說當控制器設(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。
更多信息，請瀏覽：
SynqNet 興趣組織 www.synqnet.org
丹納赫傳動 www.danahermotion.com.cn
關(guān)于SynqNet
SynqNet 運動網(wǎng)絡(luò)采用 IEE802.3 物理層行業(yè)標準，實現(xiàn)強大的電絕緣，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 HotReplace™ 設(shè)備服務(wù)、遠程故障診斷、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)、更高速的機器設(shè)備。丹納赫傳動的產(chǎn)品廣泛運用于航空、醫(yī)療、機器人、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。
