Xu hướng phát triển của công nghệ điều khiển chuyển động Motion Control

Điều khiển chuyển động (Motion Control - MC) là một nhánh của tự động hóa. Nó sử dụng một số thiết bị thường được gọi là cơ cấu servo như bơm thủy lực, bộ truyền động tuyến tính hoặc động cơ để điều khiển vị trí hoặc tốc độ của máy.

Motion Control là gì?

Ứng dụng điều khiển chuyển động trong lĩnh vực robot và máy công cụ CNC phức tạp hơn ứng dụng trong các máy đặc biệt vì máy đặc biệt có dạng chuyển động đơn giản hơn và thường được gọi là điều khiển chuyển động chung (GMC). Điều khiển chuyển động được sử dụng rộng rãi trong các ngành đóng gói, in ấn, dệt may và lắp ráp.

Bộ điều khiển chuyển động xem xét điều khiển chuyển động, sự khác biệt giữa điều khiển động cơ và điều khiển chuyển động. Trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa công nghiệp, điều khiển chuyển động chính xác có nghĩa là gì?

Điều khiển chuyển động chủ yếu được chia thành hai hướng, một là điều khiển chuyển động, thường được sử dụng trong lĩnh vực cơ khí; cái còn lại là kiểm soát quá trình, thường được sử dụng trong ngành hóa chất. Và điều khiển chuyển động đề cập đến một loại hệ thống servo có nguồn gốc từ những ngày đầu, dựa trên sự điều khiển của động cơ, để thực hiện việc kiểm soát sự thay đổi của chuyển vị góc, mô-men xoắn, tốc độ và các đại lượng vật lý khác của vật thể.

Sự khác biệt giữa điều khiển động cơ và điều khiển chuyển động

Trong định nghĩa trên, điều khiển động cơ được đề cập, nhưng điều khiển động cơ và điều khiển chuyển động là khác nhau. Theo quan điểm cần quan tâm, điều khiển động cơ (sau đây gọi là động cơ servo) chủ yếu liên quan đến việc điều khiển một hoặc nhiều mô-men xoắn, tốc độ và vị trí của một động cơ đến một giá trị nhất định. Trọng tâm của điều khiển chuyển động là phối hợp nhiều động cơ để hoàn thành chuyển động xác định (quỹ đạo tổng hợp, tốc độ tổng hợp) và tập trung nhiều hơn vào lập kế hoạch quỹ đạo, lập kế hoạch tốc độ và chuyển đổi động học; ví dụ, máy công cụ CNC cần phối hợp động cơ trục XYZ để hoàn thành hành động nội suy.

Điều khiển động cơ thường được sử dụng như một liên kết của hệ thống điều khiển chuyển động (thường là mạch vòng dòng điện, làm việc ở chế độ mô men xoắn) và nó tập trung nhiều hơn vào việc điều khiển động cơ. Nó thường bao gồm ba vòng điều khiển: điều khiển vị trí, điều khiển tốc độ và điều khiển mô-men xoắn. Nói chung là không có kế hoạch. (Một số bộ truyền động có khả năng lập kế hoạch vị trí và tốc độ đơn giản); Điều khiển chuyển động thường dành cho các sản phẩm, bao gồm cơ khí, phần mềm, điện và các mô-đun khác, chẳng hạn như robot, máy bay không người lái, nền tảng chuyển động, v.v., dành cho chuyển động cơ học, vị trí và tốc độ của các bộ phận được kiểm soát và quản lý trong thời gian thực để chúng có thể được điều khiển theo quỹ đạo chuyển động dự kiến và các thông số chuyển động quy định.

Một phần của sự chồng chéo giữa điều khiển động cơ và điều khiển chuyển động: vòng lặp vị trí/vòng tốc độ/vòng mô-men xoắn có thể được thực hiện trong bộ truyền động của động cơ hoặc bộ điều khiển chuyển động, do đó cả hai rất dễ nhầm lẫn.

Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển chuyển động

Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển chuyển động bao gồm bộ điều khiển chuyển động: được sử dụng để tạo ra các điểm theo dõi (đầu ra mong muốn) và đóng vòng phản hồi vị trí. Nhiều bộ điều khiển cũng có thể đóng vòng lặp tốc độ bên trong. 

Bộ điều khiển chuyển động chủ yếu được chia thành ba loại, đó là dựa trên PC, bộ điều khiển chuyên dụng và PLC. Trong số đó, bộ điều khiển chuyển động dựa trên PC được sử dụng rộng rãi trong điện tử, EMS và các ngành công nghiệp khác; các ngành công nghiệp tiêu biểu của bộ điều khiển chuyên dụng là năng lượng gió, quang điện, robot, máy đúc, v.v.; PLC được ưa chuộng trong lĩnh vực cao su, ô tô, luyện kim kim loại và các ngành công nghiệp khác. 

Bộ truyền động hoặc bộ khuếch đại: dùng để chuyển đổi tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển chuyển động thành tín hiệu dòng điện hoặc điện áp có công suất cao hơn. Bộ truyền động thông minh tiên tiến hơn có thể tự đóng vòng lặp vị trí và vòng lặp tốc độ để có được khả năng điều khiển chính xác hơn. 

Thiết bị truyền động: chẳng hạn như máy bơm thủy lực, xi lanh, thiết bị truyền động tuyến tính hoặc động cơ để tạo ra chuyển động. Cảm biến phản hồi: chẳng hạn như bộ mã hóa quang điện, bộ phân giải hoặc thiết bị hiệu ứng Hall, v.v., được sử dụng để phản hồi vị trí của bộ truyền động đến bộ điều khiển vị trí để nhận ra việc đóng vòng điều khiển vị trí.

Nhiều thành phần cơ khí được sử dụng để chuyển đổi dạng chuyển động của bộ truyền động thành dạng chuyển động mong muốn, bao gồm hộp số, trục, vít bi, đai răng, khớp nối, vòng bi tuyến tính và quay.

Sự xuất hiện của điều khiển chuyển động đã thúc đẩy các giải pháp điều khiển cơ điện. Ví dụ, trước đây, cả cam và bánh răng đều cần được thực hiện bằng kết cấu cơ khí. Giờ đây, chúng có thể được thực hiện bằng cam điện tử và bánh răng điện tử, giúp loại bỏ lực phản hồi, ma sát và độ mòn của quá trình thực hiện cơ học.

Các sản phẩm điều khiển chuyển động ổn định và hoàn thiện không chỉ cần cung cấp khả năng lập kế hoạch đường đi, điều khiển hướng tới tương lai, phối hợp chuyển động, nội suy, các giải pháp chuyển động thuận và nghịch đảo cũng như đầu ra lệnh điều khiển động cơ mà còn cần phải có phần mềm cấu hình kỹ thuật, trình thông dịch cú pháp và đơn giản. Chức năng PLC, thực hiện thuật toán điều khiển PID, giao diện tương tác HMI, giao diện chẩn đoán lỗi, bộ điều khiển chuyển động tiên tiến cũng có thể thực hiện kiểm soát an toàn, v.v.

Xu hướng phát triển của công nghệ và thị trường giải pháp điều khiển chuyển động

Theo báo cáo nghiên cứu thị trường do Markets and Markets công bố, thị trường điều khiển chuyển động toàn cầu (bao gồm các phụ tùng thay thế: Động cơ AC, động cơ, bộ điều khiển chuyển động, bộ truyền động AC, bộ truyền động điện tử; ứng dụng: đóng gói, xử lý vật liệu, gia công kim loại, chuyển đổi, định vị) dự kiến sẽ đạt 22,84 tỷ đô la Mỹ, tăng trưởng với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm là 5,5% từ năm 2016 đến năm 2022.

Đối với bộ điều khiển chuyển động, với việc mở rộng ứng dụng công nghiệp, thị trường điều khiển chuyển động của Trung Quốc đã dần trưởng thành. Hầu hết các ngành công nghiệp máy móc hạ nguồn như máy công cụ, máy khắc, chất bán dẫn, robot công nghiệp, EMS và xử lý vật liệu đã đạt được sự phát triển tốt. Đặc biệt trong các ngành công nghiệp như pin lithium, robot công nghiệp, chất bán dẫn và EMS, các nhà sản cung cấp giải pháp điều khiển chuyển động Châu Âu, Mỹ và Nhật Bản có hiệu suất vượt trội và có lợi thế cạnh tranh toàn diện mạnh mẽ.

Vì mục tiêu của điều khiển chuyển động là hoàn thiện quy trình dây chuyền sản xuất để tạo ra sản phẩm nên quy trình điều khiển chuyển động ở giữa không phải là quan trọng nhất mà làm thế nào để đáp ứng yêu cầu một cách chính xác và theo thời gian thực mới là chức năng quan trọng nhất; Thêm vào đó, các sản phẩm khác nhau hiện nay yêu cầu về độ chính xác ngày càng cao hơn và các yêu cầu đối với quy trình sản xuất ngày càng nghiêm ngặt hơn. Điều khiển chuyển động nhấn mạnh vào thời gian thực và độ chính xác. Để đạt được sự tối ưu hóa, nhiều công nghệ liên quan khác nhau phải được tích hợp. Sự tích hợp như vậy được coi là công nghệ điều khiển khó khăn nhất.

Bộ điều khiển chuyên dụng sẽ vẫn là loại bộ điều khiển chuyển động chính trong ngành công nghiệp robot công nghiệp trong một thời gian nữa. Thị trường điều khiển chuyển động dựa trên PC (PC-Based) trong ngành bán dẫn đang phát triển ổn định với tốc độ tăng trưởng khoảng 17%. Nhu cầu ngày càng tăng về các chức năng thị giác máy trong ngành hậu cần đã dẫn đến tỷ lệ dựa trên PC tăng dần. Máy in truyền thống vẫn bị chi phối bởi bộ điều khiển chuyển động PLC. Ứng dụng bộ điều khiển chuyển động dựa trên PC vừa mới bắt đầu. Nó được sử dụng nhiều hơn trong các máy in kỹ thuật số mới nổi và sẽ phát triển nhẹ trong tương lai. Theo phân tích và dự đoán của chuyên gia, nhu cầu thị trường về bộ điều khiển chuyển động sẽ ngày càng lớn hơn trong vài năm tới, đây sẽ là một trong những nền tảng cho sự phát triển công nghiệp trong tương lai.