Im Bereich der modernen Industrieautomation spielt die Servotechnik eine entscheidende Rolle. Es ist nicht nur das Herzstück der präzisen Bewegungssteuerung, sondern auch der Schlüssel zur Verbesserung der Anlagenleistung und Optimierung der Produktionseffizienz. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Industrie 4.0 und intelligenter Fertigung wird die Nachfrage nach Servosystemen mit hoher Leistung und hoher Dynamik immer dringlicher.
Herkömmliche Servosysteme haben oft Schwierigkeiten, hohe Leistung und hohe Dynamik gleichzeitig in Einklang zu bringen. Hohe Leistung bezieht sich typischerweise auf die Präzision, Steifigkeit und Stabilität eines Systems im stationären Betrieb, während hohe Dynamik seine Fähigkeit hervorhebt, schnell auf Befehle zu reagieren, zu beschleunigen/verzögern und komplexe Bewegungsbahnen zu verfolgen. In vielen Anwendungsszenarien – wie zum Beispiel:
• Robotik: Hochgeschwindigkeitsroboter mit hoher Präzision erfordern eine schnelle Reaktion auf Steuerbefehle und die flexible Ausführung komplexer Bewegungen, was extrem hohe Anforderungen an die Dynamik des Servosystems stellt.
• Präzisionsbearbeitung: Hochpräzise Werkzeugmaschinen erfordern Servosysteme mit außergewöhnlicher Steifigkeit und Stabilität, um die Bearbeitungsqualität sicherzustellen und gleichzeitig eine schnelle Feinabstimmung zur Verbesserung der Effizienz zu ermöglichen.
• Halbleiterfertigung: Geräte wie Lithographiemaschinen und Wafer-Inspektion stellen äußerst hohe Anforderungen an die Präzision, Geschwindigkeit und Dynamik des Servosystems.
• Elektronikfertigung: Geräte wie SMT-Bestückungsautomaten und Hochgeschwindigkeits-Dosiersysteme müssen zahlreiche sich wiederholende Aktionen in kurzer Zeit ausführen, was Servosysteme hinsichtlich Reaktionsgeschwindigkeit und Stabilität vor Herausforderungen stellt.
Daher ist die Entwicklung von Servotechnologie, die sowohl hohe Leistungs- als auch hohe Dynamikanforderungen erfüllt, zu einem unvermeidlichen Branchentrend geworden. Nur durch die Überwindung dieses Engpasses können wir den wachsenden Anwendungsanforderungen besser gerecht werden und die Gesamtleistung und Wettbewerbsfähigkeit der Ausrüstung verbessern.
Die Entwicklung leistungsstarker und hochdynamischer Servosysteme ist keine leichte Aufgabe und erfordert die Bewältigung zahlreicher technischer Herausforderungen, darunter:
• Einschränkungen von Kontrollalgorithmen: Die herkömmliche PID-Regelung hat Probleme mit komplexen Systemen und nichtlinearen Faktoren. Um die Reaktionsgeschwindigkeit, die Anti-Interferenz-Fähigkeit und die Robustheit zu verbessern, sind fortschrittliche Steuerungsstrategien wie modellprädiktive Steuerung (MPC), adaptive Steuerung und Fuzzy-Steuerung erforderlich.
• Leistungsengpässe bei Motoren und Antrieben: Als zentraler Aktuator wirkt sich die Motorleistung direkt auf die Systemleistung aus. Hochleistungsmotoren B. Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) oder Torquemotoren, mit optimierten Designs, um die Trägheit zu reduzieren und die Drehmomentdichte zu erhöhen. Um eine präzise und schnelle Reaktion zu gewährleisten, müssen Laufwerke über höhere Schaltfrequenzen, Stromgenauigkeit und geringere Latenz verfügen.
• Sensorgenauigkeit und Geschwindigkeitsbegrenzungen: Encoder, Gitter und andere Sensoren sind für die Positions-/Geschwindigkeitsrückmeldung von entscheidender Bedeutung. Ihre Genauigkeit und Geschwindigkeit wirken sich direkt auf die Präzision und Dynamik der Steuerung aus. Höher auflösende, schneller abtastende Sensoren mit effektiver Rauschfilterung sind unerlässlich.
• Unzureichende mechanische Steifigkeit und Dämpfung: Mechanische Strukturen – einschließlich Übertragungs- und Unterstützungsmechanismen – beeinflussen die Systemleistung. Eine geringe Steifigkeit führt zu Vibrationen und Resonanzen, die Stabilität und Präzision beeinträchtigen, während eine unzureichende Dämpfung die Reaktion verlangsamt und die dynamische Leistung verringert. Strukturoptimierung, Steifigkeitserhöhung und aktive Dämpfungskontrolle (z. B. Dämpfungsmaterialien) sind erforderlich.
• Leistung und Zuverlässigkeit in Echtzeit: Servosysteme müssen die Datenerfassung, -verarbeitung, -steuerung und -ausführung innerhalb extrem kurzer Zeiträume abschließen und erfordern eine extrem hohe Echtzeitleistung. Darüber hinaus ist Zuverlässigkeit in rauen Industrieumgebungen von entscheidender Bedeutung. Hochleistungsprozessoren, Echtzeitbetriebssysteme (RTOS), Redundanz, Fehlerdiagnose und fehlertolerante Steuerung sind wichtige Lösungen.
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, müssen die folgenden Schlüsselstrategien übernommen werden, um fortschrittliche Servotechnologie zu erschließen und Branchenchancen zu nutzen:
• Entwickeln Sie erweiterte Steuerungsalgorithmen: Erkunden und wenden Sie modernste Algorithmen wie MPC, adaptive Steuerung, Fuzzy-Steuerung und neuronale Netzwerksteuerung an. Durch maschinelles Lernen können Parameter für die adaptive Abstimmung weiter optimiert werden.
• Einführung von Hochleistungsmotoren und -antrieben: PMSMs nutzen oder Torquemotoren mit optimierten Designs für geringere Trägheit und höhere Drehmomentdichte. Wählen Sie Laufwerke mit höheren Schaltfrequenzen, Stromgenauigkeit und geringerer Latenz. Implementieren Sie erweiterte Kontrollstrategien wie FOC und DTC.
• Verwenden Sie hochpräzise Hochgeschwindigkeitssensoren: Verwenden Sie hochauflösende Encoder/Gitterlineale mit schneller Abtastung und Rauschfilterung. Die Multisensorfusion kann die Messgenauigkeit und -zuverlässigkeit verbessern.
• Optimieren Sie das mechanische Design: Verbessern Sie die Steifigkeit und Dämpfung durch Finite-Elemente-Analyse (FEA), Strukturoptimierung und aktive Dämpfungstechniken.
• Verbessern Sie die Echtzeitleistung und -zuverlässigkeit: Nutzen Sie Hochleistungsprozessoren, RTOS, Redundanz und fehlertolerante Designs. Echtzeit-Kommunikationsprotokolle (z. B. EtherCAT, PROFINET) sorgen für die Synchronisation.
• Priorisieren Sie Simulation und Tests: Nutzen Sie Softwaresimulation und Hardware-in-the-Loop-Tests (HIL) für eine umfassende Leistungsbewertung und -optimierung.
• Stärkung der Zusammenarbeit zwischen Industrie und Wissenschaft: Arbeiten Sie mit Universitäten und Forschungsinstituten zusammen, um Innovation und Talententwicklung zu beschleunigen.
In einem wettbewerbsintensiven Markt kann nur kontinuierliche Innovation die Branchenführerschaft sichern. Zu den wichtigsten Empfehlungen gehören:
Erhöhen Sie die Investitionen in Forschung und Entwicklung: Ressourcen für die Entwicklung proprietärer Servotechnologien und -produkte bereitstellen.
Konzentrieren Sie sich auf die Marktbedürfnisse: Verstehen Sie die Problempunkte der Benutzer und passen Sie die Lösungen entsprechend an.
Markenwert aufbauen: Steigern Sie die Markenbekanntheit und den Ruf, um eine starke Marktpräsenz aufzubauen.
Erweitern Sie Anwendungen: Entdecken Sie neue Branchen und aufstrebende Felder für die Servotechnik.
Entwickeln Sie ein Ökosystem: Arbeiten Sie mit Partnern zusammen, um den Fortschritt der Servotechnologie voranzutreiben.
Die Erschließung von Servotechnologie, die höchste Leistungs- und Dynamikanforderungen erfüllt, ist für die moderne Industrieautomation von entscheidender Bedeutung. Durch die Akzeptanz von Innovationen und die Bewältigung von Herausforderungen können Unternehmen die Branche anführen und die Zukunft gestalten.
