刘永鑫 图尔克（天津）传感器有限公司
随着工业应用领域对生产过程中精度控制要求的不断增高，越来越多的客户选择使用模拟量位置控制产品。用户能够因此更易优化生产流程，良好地保证生产质量，并且降低了生产成本和故障率。这就是为什麽线性位移传感器得到很快发展的原因。从电位计式传感器到磁致伸缩式原理，再到如今的新型电感式检测原理，直线位移传感器得到了不断的发展。
直线位移传感器业内独一无二
以电感线圈的工作原理为基础，研制出的直线位移传感器是独一无二的，图尔克公司采用的这项技术在世界范围内达到了领先地位。标准测量系统的众多优良特性被综合到一起，幷且得到了进一步系统的发展。位置检测不再是通过磁性滑块而是通过感应式的振荡电路来完成。因此传感器完全屏蔽了磁场的干扰，例如由大型电机产生的强磁场干扰，具有极好的EMC特性。
新型直线位移传感器的测量原理是基於RLC耦合电路产生的，是电感式原理的革新技术。不像电位计式或磁致伸缩式传感器的检测原理，这种测量方式具有相当大的优势。传感器集成了信号发射器和接收器线圈系统，它们以印刷线圈的形式被精确地印制在电路板上。发射信号线圈由高频交流磁场激活并与位置块（谐振器）相互感应产生一个RLC的感应电路。因此，谐振器与接收线圈形成电感式耦合。在布有接收信号线圈的位置，电压的变化由谐振器与线圈的感应而引起。这些电压即为传感器的测量信号。为了使测量更加灵活和快速，传感器包含了一个粗略的和一个精确的测量线圈系统。前者负责粗略定位谐振器的位置，而後者负责精确定位。双管齐下保证了它的精确测量。新型的检测原理不但保证了传感器的精度，而且能够使传感器在非接触的方式下工作，在允许范围内，即便位置块发生偏移或者抖动，也不会对传感器输出产生任何偏差。
这款传感器还具有双层电路板的特点，第一层电路板负责感应信号的发送和接受，位於传感器感应面。在其下方是第二层电路板，印有接收信号处理器部分，是负责将信号进行数模转换再形成输出。两层电路板设计使得传感器的盲区极小，是目前市面上盲区最小的一款直线位移产品。
鉴於这款直线位移传感器优秀点众多，它能够胜任於更多的应用环境，如注塑机、卷板机、橡胶机械、包装机、水电站闸门控制等线性控制领域。
直线位移传感器在注塑机上的应用
注塑成型机简称注塑机。它的工作原理是利用塑料的热塑性，将物料经料筒加热圈加热，使物料熔融，再以高速、高压使其快速流入模具的型腔中，经一段时间的保压、冷却、固化定型後，模具在合模系统的作用下开启模具，通过顶出装置把定型好的制品从模具顶出。
注射成型是一个循环的过程，每一周期主要包括：定量加料-熔融塑化-锁合模-注射台前移-施压注塑-充模冷却-注射台後退-开模-顶出制品，取出塑件後又再闭模，进行下一个循环。
在这个循环工程中，锁合模、注射台移动、注塑和顶出制品这几个工位是需要精确控制的。注射机的注塑与锁合模行程控制对一台注塑机的表现和产品精度发挥了决定性的作用。近年来，注塑市场的趋势让越来越多的厂家和用户注意到位置系统的重要性。旧有的机械手动系统已日渐被现代化的数字自动系统取代。数字测量不但提高了精度，而且还可以利用现场总线科技作通讯以提升处理速度，这已成为行业标准。早先的应用中，电位计尺被大量的用於注塑机上，但是由於这种产品无论是在精度、可靠性、行程和寿命都远远不及磁致伸缩位移传感器，因为是接触式的，碳刷经过长时间重复使用难免磨损，最终导致失效。而磁致伸缩位移传感器精度可以满足要求，但是抗振动能力较差，幷且在安装上两端盲区较大，不适於在空间有限的工位上使用。因此，现在的位置控制系统从技术上来说，非接触、无磨损、坚固耐用、安装方便、外型紧凑、带可连接现场总线的位移传感器便是不能缺少的。
电感式直线位移传感器采用新的检测原理，不但继承了磁致伸缩直线位移传感器的众多优势，而且在抗磁场干扰、抗振动性、外型紧凑程度上都有更好表现。由於采用信号采集和处理分两个电路板的设计，使传感器输出类型的灵活性大大提高，只需换不同的信号处理电路板就能改变传感器输出类型，这使产品成本降低。目前产品的输出类型包括模拟量电流/电压型输出，SSI高分辨率输出，IO-link型输出，以及可以订制总线输出类型，如Profibus总线、DeviceNet总线、CANopen总线等。
图尔克这款电感式直线位移传感器目前正用在德国接插件生产商Escha公司车间的注塑机上，每台注塑机使用四只这款传感器。在每台机器的锁合模、注塑、射台和顶出四个工位上传感器都精确、稳定地保证了位置检测。“图尔克IP67防护等级的传感器的一个最重要优势是产品坚固密封的外壳对潮湿的环境有着很好的防护性。”Escha公司插件生产部门主管MarkusHühn先生说，“采用非接触检测方式的传感器的应用使我们减少了维护工作。图尔克的电感式直线位移传感器完全实现了我们的预期希望。”
除了在注塑机行业的完美应用外，图尔克的电感式直线位移传感器同样适用於其他领域。基於它的谐振耦合的电路检测原理，它能满足很多以前其他传感器所不能实现的行业应用领域。例如切割机上，切割金属产生的铁屑一直是个难题，使用电位计式传感器，铁屑很容易进入到碳刷槽内，没有多久铁屑堆积而使传感器量程不准；使用磁致伸缩式传感器虽然不存在这类问题，但是磁性滑块会吸附很多的铁屑，久而久之如果没有清除，铁屑堆积同样会使滑块与传感器表面产品摩擦，造成损坏。而电感式传感器由於它特有的检测原理，很好地解决了这样的问题，不会造成铁屑堆积，传感器会持续保持稳定高精度的输出，减少维护成本。在很多的折弯机或卷弯机上都是有同样的优势。
图尔克的这款电感式直线位移传感器以独特的创新的检测原理技术开辟了直线位移传感器的新领域，同时还具有非接触无磨损的测量方式、坚固的铝制外壳、高精度和线性度、多色的LED指示灯显示、方便快捷的编程测量距离、极小盲区等优势。它以创新的技术、突出的优势、良好的表现渐渐取得了客户的信赖。
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应“势”而生的RotAx伺服旋转第七轴
杨宝剑 上海ABB工程有限公司
张学忠 上海通用汽车有限公司
从20世纪80年代末，世界上欧、美、日等多家汽车生产厂加强了对铝制汽车车身的研究，幷取得了令人鼓舞的成就。1995年德国奥迪公司首先开始批量生产铝制车身，把车身用铝的研究推向了高潮，铝合金在整车使用材料中的比例逐年提高。利用铝板来逐步代替构成汽车车身的钢板被越来越多的汽车厂商作为提高汽车绿色含量的现阶段重要途径。当然，这种铝板的机械特性需要满足与钢板相当的刚性和尺寸稳定性，然而不可否认的是，构成汽车车身的覆盖件由於轮廓尺寸较大且具有空间的不同形状，所以在短时间内，只能是局部车身零件能完全被铝板代替。
另一方面，由於目前的汽车冲压生产线大多采用自动化上下料，不可能专为铝板的生产投资一条生产线，所以如何利用已有的冲压自动化生产线来进行铝板的自动化生产，而且能够保证与钢板生产相媲美的生产效率，是一个值得探讨和创新的课题。同时，面临的难题还包括铝板的自动快速拆垛。众所周知，钢板的拆垛分张利用的是磁性相斥的工作原理，这一原理不能用於铝板的拆垛。
目前，ABB利用其专利产品RotAx伺服旋转第七轴和专用於冲压车间的IRB 6650型机器人成功集成了一种崭新的钢板与铝板共存的冲压生产线，经过一年多时间的实际生产验证，各项工艺满足了冲压件质量的要求，生产线效率也达到了生产要求。
改进前的钢板拆垛系统
原有的拆垛系统(图1)为1998年12月ABB安装调试完成的磁性皮带配备垂直提升气缸方式，集成利用了左右移动拆垛工作台以实现不间断生产换板料，生产线平均节拍在10件/分钟以上。
改进後的钢、铝板拆垛系统
图2为经过改造後的系统，增加了铝板拆垛系统。通过对比可以看出，整线在增加了铝板拆垛系统幷没有增加占地面积。由於替代皮带机通过折叠式设计（当板料无需清洗时，只作为传送单元）安装在了原钢板拆垛系统下方，整个拆垛系统看起来更紧凑合理。事实证明，在生产线的钢板和铝板生产之间生产转换，只需要在总控台同过生产模式转换即可快速实现。
关键技术
1. RotAx伺服旋转第七轴
由於受空间所限，在拆垛速度必须满足整线节拍的要求下，如果利用传统的六轴机器人和端拾器，由於板料的运行轨迹在进行180度旋转时需要避让钢板拆垛系统部分结构，故不能充分使用机器人的柔性速度。同时，可以看出，如果使板料在拆垛完成後以直线运动姿态进入替代皮带机将会大大缩短运行时间。而ABB机器人和其专利产品RotAx伺服旋转第七轴完全适应於这一要求。
图3 ABBRotax旋转7轴
区别於在机器人第六轴通过增加连杆机构实现附加第7轴，ABBRotAx伺服旋转第七轴是采用伺服控制，真正意义上的第7轴。借助於其360度的旋转运动。在工序间传递板料时，能保持零件方向不变。它不仅使端拾器布置灵活，而且操作编程简便，另外，因为伺服轴与机器人完全融为一体，可实现紧凑型生产线（压机间距离最小）的设置。更重要的是，由於板料在传递时的姿态平稳，机器人柔性的动力性能也因此发挥至最佳。自2006年首次在国内推出後，已成功使用於多家国内外知名汽车厂商，帮助其生产效率和产品品质得到大幅提高。
2.铝板分张
众所周知，由於铝板的非磁性特性，采用同钢板相同的分张方式，即利用同极相斥的原理制造磁力分张器是不可行的，通过考察当今汽车厂家，对於铝板分张主要在采用以下两种方式：
吹气分张：通常直接与钢板的磁力分张相结合，如图示，这种设计优点是结构简单，可以直接利用工厂气源，只需通过增设一储气罐来满足吹气分张的瞬时耗气量。同时，在生产钢板时，也可以作为其分张效果的辅助。缺点是由於板料间普遍存在的油膜，致使双料产生的机率大大增加，从而使生产节拍得不到保证。nextpage
锯条辅助+吹气分张：通过在端拾器上增加条形锯条，即使板料间存在油膜，可以借助锯条的细齿带起最上面板料，同时进行吹气。这种工作方式提高了板料分张的可靠性，生产节拍能在一定程度上得到保证。不足之处是由於锯条在工作时，容易产生微细的碎铝屑，一旦带入模具，会给零件品质和模具带来损失。或者，对於新的铝板冲压自动化线，可以考虑在对中前增加清洗单元。
图5 辅助齿锯分张
在综合考虑以上两种铝板分张方式後，ABB通过改进机器人气路附属装置成功开发研制了自动剥离+高压吹气的分张系统，其具体工作原理如图6所示：借助於编码器控制的升降拆垛台始终将垛料上铝板位置保持在工作高度，机器人完成示教後吸盘每次在建立真空前首先由辅助提升气缸将板料的四个直角部分提气。同时空气喷嘴吹出高压气体，在板料提气直角部分和第二张板料间建立充气层。与此同时，其它工作吸盘开始建立真空幷最终将这张板料提起，在机器人第七轴的直线运动下将板料送至生产线。
图6 自动剥离分张示意
可以看出，在调试中去协调优化各部分的工作时间和顺序是成功分张的关键。ABB机器人制造车间工艺人员通过实验，将复杂的气路控制与机器人本身具备的附件气路装置成功集成在一起，这样一来，既保证了端拾器功能的实现，又简化了端拾器重量，对最终该系统达到生产线节拍要求创造了有利条件。
该生产线成功的改进，使其既能生产钢板件，又能适应於铝板生产，而且平均生产节拍均超过9次/分钟（如果空间允许，经过进一步的轨迹优化，节拍可以达到11次/分钟）。
可优化机器性能的伺服驱动器
科尔摩根供稿
科尔摩根在亚洲推出了全新的Advanced Kollmorgen Drive（AKD）高性能伺服驱动器。AKD基於以太网，可以提供一流的性能和业内领先的灵活性、可升级性和功率范围，能够满足几乎所有应用的独特性能要求；从简单的转矩和速度应用、分度以及通过公司强大的新型自动化解决方案—科尔摩根自动化组件（Kollmorgen Automation Suite）实现的多轴可编程运动。这样，机器制造商就可以通过统一的图形用户界面（GUI）在单一驱动器产品系列的多个功率范围内实现标准化，从而在多种应用中实现优化的机器性能、产出量和准确度，同时减少与多种类型驱动器的库存、理解和编程相关的工程设计时间和成本。
图7 铝板吹气分张机构
科尔摩根北美产品经理Josh Inman说：“AKD经过专门设计，具有原始设备制造商扩展机器性能和加快集成速度所需的通用性、通信和功率。通过标准的科尔摩根伺服电机和线性定位器，AKD实现了真正的即插即用操作，可以快速启动和运行经过优化、高性能的系统，而且比低性能选项节省更多的空间和成本。基础硬件具有多种以太网连接选项，无需单独的选项卡就可以支持各种开放和封闭协议。AKD采用尺寸更小的紧凑型设计，提供广泛的功率范围，机器制造商可以通过单一的界面使用这些增强型的驱动器。”
AKD适用於120/240VAC或480VAC的工作条件，功率范围为3到24Arms的持续电流，峰值为9到48Arms。到2010年，新的型号将具有业内领先的功率范围，持续电流可以达到96Arms，峰值电流达到192Arms。AKD具有很高的功率密度，这样机器制造商就可以从168mmX57mmX153mm这样小尺寸的驱动器内获得更大的功率。在全部AKD的功率范围内都采用通用的界面和硬件，因此机器制造商也将从更快的调试和故障排除过程中获益。
AKD采用的基础硬件具有独特的功能，可以在不需要任何单独选项卡的情况下支持多种反馈设备和以太网运动总线。目前支持的反馈设备包括智能反馈设备（SFD）、Endat、BiSS、模拟正弦/余弦编码器、增量编码器、HIPERFACE®和旋转变压器。目前支持的以太网运动总线包括EtherCAT®、CANopen®和Modbus/TCP。由於这些功能可以通过基础硬件以“开箱即用”的方式获得，因此AKD在使质量和操作灵活性最大化的同时还减少了与集成选项卡相关的成本和总体尺寸。
AKD提供获得专利的Autotuning算法，可以自动调节所有的增益，包括专利申请中的观测器。这种先进的Autotuning功能还提供了对动态负载的即时、适应性的响应，幷保证了对所有电机类型的精确控制。此外，Autotuning还有助於克服不太完善的设计，幷帮助机器制造商解决最具挑战性的问题，补偿可能会影响机器性能的柔性传动和耦合。
AKD具有高达27位的解析度，在改善机器精度的同时提供业内最低的噪音特性。此外，强大的双处理器系统针对极快的建立时间以高解析度执行业内领先的伺服算法。AKD可以提供0.67μs的转矩环路更新、市场领先的62.5μs速度环路更新和125μs的位置环路更新，因此这些驱动器可以立即适应变换的负载条件，实现工业领先的性能。
AKD的图形用户界面使用起来非常方便，具有六通道的实时软件示波器，可以实现快速的调试和诊断。通过多功能的波特图（BodePlot），用户可以对性能进行快速评估，而使用可编程命令的自动完成功能则避免了查看参数名称。通过一键捕捉和分享程序图和参数设置功能，用户可以立即发送机器性能数据。Inman说：“由於通过AKD监控系统性能和共享系统信息实在是太方便了，因此启动和运行科尔摩根电机和驱动器系统几乎不费任何力气。而在所有功率范围内采用的用户友好的界面则使调试和一般交互成为非常直观的过程。”AKD可以在0℃到40℃之间的环境温度下工作（如果降低额定值工作，则温度可以达到55℃），平均故障间隔时间（MTBF）达到66万小时。这些产品符合Category3/Sil2和RoHS标准，满足IEC60601的绝缘要求，获得了UL认证并且带有CE标识。
AKD功能的广度和深度使其成为理想的高性能驱动器解决方案，适用於包装、传送、印刷、食品和饮料、材料成型、太阳能和医疗等行业。
