在一台機器上協調多個軸會增加真正的複雜性。您需要處理同步問題、額外的程式設計工作以及棘手的故障排除。這些挑戰會佔用大量時間，使您無法專注於改善核心流程。多軸運動控制解決方案的市場需求顯示了這種普遍的需求。預計到2024年，該市場規模將達到5.3億美元。機器人和CNC應用佔這項需求的29%。這些應用需要精確的計時和極小的抖動。多軸運動控制系統和伺服驅動器提供了直接的解決方案。它們透過集中控制和資源共享簡化了協調過程。這種方法減少了程式設計工作量，並提高了系統可靠性。其主要目標是將複雜的任務轉化為簡單且有效率的流程。
關鍵要點
多軸控制器共用電源，使用一個中央控制系統，這樣可以降低硬體成本，節省機櫃空間。
電子齒輪和虛擬凸輪取代了機械部件，因此切換配置檔速度很快，磨損也減少了。
現代程式設計工具配備了現成的功能區塊，可以節省開發時間，並允許您調整運動而無需編寫大量程式碼。
自動化調優和診斷可以節省大量人工時間，提高系統效能，並加快故障排除速度。
多軸運動控制的複雜性
同步和時序挑戰
各軸之間的精確時序是任何多軸運動控制系統的基礎。每個伺服驅動器都必須在恰到好處的時刻執行其運動。即使是幾微秒的延遲也會在最終產品中造成可見的缺陷。在機器人焊接或CNC加工中，這一點體現得特別明顯，因為這些應用中刀具路徑需要完美的協調配合。
EtherCAT 網路解決了時序問題，但也引入了自身的複雜性。主設備發送一個幀，該幀依次經過每個從設備。每個從設備讀取數據，插入回饋訊息，然後將幀轉發下去。這個過程不斷重複，從而實現確定性操作。其性能非常出色——大約 100 個軸的處理時間僅需 125 微秒。然而，必須仔細配置網路拓撲。線型、匯流排型、星型或環型拓樸對同步的影響各不相同。工程師必須根據具體應用選擇合適的拓撲結構。
同步問題會因聯軸器磨損、控制參數漂移或網路通訊延遲而逐漸出現。基於乙太網路的系統需要一致的訊號時序和最小的延遲。電纜品質、網路拓撲結構和電磁幹擾都會影響協調性。
編程和調試開銷
編寫多軸運動序列需要耗費大量精力。您必須協調多個驅動器上的線性插補、樣條曲線和電子齒輪傳動。每個軸都需要自己的運動曲線，但所有曲線必須無縫合作。隨著軸數的增加，程式設計複雜度也會隨之增加。
調試又增加了一層難度。常見的挑戰包括：
同步問題：幀速率的一致性確保所有軸上的運動協調一致
訊號完整性問題：幽靈輸入通常表示有接地問題或訊號雜訊。
時序和延遲：時脈頻率會影響執行精度，因此需要仔細進行延遲測試。
安全性與故障處理：緊急停止邏輯必須立即切斷運動訊號
對許多自動化工程師來說，最大的挑戰並非硬件，而是編寫和調試運動控制邏輯。隨著機器需求日益複雜，程式設計也往往變得更加複雜。
僅初始網路設定就需要大量工作。您必須偵測所有從設備、分配位址、設定通訊參數並建立同步。錯誤處理需要持續監控。安全協定又增加了一層配置。這些任務會佔用寶貴的工程時間，而這些時間本來可以用於其他更重要的事項。
多軸控制器如何簡化運動
集中式控制架構與分散式控制架構
設計多軸系統時，主要有兩種選擇：集中式控製或分散式控制。每個方案都適用於不同的機器需求，選擇合適的方案可以節省時間和避免不必要的麻煩。
集中式控制將所有運動邏輯整合到一個嵌入式控制器中。這種設定非常適合實現高精度同步和協調運動。所有軸共享相同時脈和通訊總線，因此驅動器之間的時序差異消失。對於需要微秒協調的作業，例如電子凸輪或複雜插補，集中式控制可提供所需的確定性。控制器直接處理每個軸，因此您無需協調多個處理器。
分散式控制將智慧分佈在整個機器上。每個驅動器都有自己的控制邏輯，並且驅動器之間直接通訊。這種設定適用於具有多軸或模組化子系統的大型機器。由於可以增加軸而不會使中央處理器過載，因此可擴展性更好。驅動器靠近馬達可以縮短電源線，從而降低佈線複雜性。模組化機器設計可讓您獨立整合子系統。故障隔離也更容易，因為一個軸的故障很少會影響其他軸。
系統要求 | 首選架構 |
|---|---|
多軸大型機械 | 分散式控制 |
模組化子系統 | 分散式控制 |
簡化馬達附近的線路 | 分散式控制 |
緊密的多軸同步 | 嵌入式控制 |
精確協調運動 | 嵌入式控制 |
分散式架構常見於大型機器或模組化系統中，在這些系統中，可擴展性和減少佈線至關重要。可擴展至多軸的機器可以從分散式架構中獲益。
您的選擇取決於您的需求。如果您需要最大程度的同步，請選擇集中式控制。如果您需要靈活性和可擴充性，請選擇分散式控制。許多現代系統將兩者結合起來，在網路上使用分散式驅動器，同時保持關鍵軸的集中協調。
整合式伺服驅動器，共用電源
整合式多軸伺服驅動系統將多個驅動模組整合到一個封裝內，並共用一個電源。與獨立的單軸驅動器相比，這種設計簡化了硬體。
成本效益顯而易見。共用直流電源無需在每個驅動器中配備交流-直流整流電路。每增加一個軸，都能節省成本。共用電源還能減少過電流保護裝置、線路濾波器、線路扼流圈和動態煞車電阻器的數量。更少的元件意味著更低的單軸成本和更小的控制櫃空間。一條主交流電源線即可為多個軸供電，從而更有效地利用控制櫃空間。
福利類別 | 多軸優於單軸 |
|---|---|
價格 | 由於共用直流電源且每個驅動器中沒有交流到直流整流部分，因此每軸成本更低。 |
環境 | 由於一條主交流電源線即可為多個軸供電，因此所需的控制櫃面板空間較小。 |
零組件專區 | 所需的過電流保護裝置、線路濾波器、線路扼流圈和動態煞車電阻器數量減少。 |
電源共享 | 與單軸系統不同，多軸系統無需額外的佈線或保險絲即可再生其他軸使用的能量。 |
勞動 | 由於設備數量減少，佈線和安裝工作量減少，從而降低了人工成本。 |
能量共享是提高效率的一大優勢。當一個軸減速時，它會回收能量。在多軸系統中，回收的能量會直接流向其他需要能量的軸。由於共享的直流母線會自動處理能量傳輸，因此無需額外的佈線或保險絲。這種能量回收功能可以降低能耗，並支持永續製造。
整合系統能夠顯著提升軸間通訊效率。 EtherCAT提供確定性的循環時間，這對於通訊設備間的精確同步至關重要。硬線 I/O 和脈衝序列輸出的協調能力有限。 ASCII 和 Modbus 的功能尚可。 Modbus TCP/IP 和 EtherNet/IP 的速度不足以滿足註冊和多軸協調的需求。 EtherCAT 仍然是多軸運動控制的首選方案，因為它能夠提供所需的確定性時序。
最終得到的是一個更簡單、更有效率的系統。您在佈線、配置和故障排除上花費的時間更少。您的機器佔用空間更小，能耗更低。多軸運動控制變得易於管理，而不是令人望而生畏。
簡化多軸協調的關鍵特性
先進的同步和電子齒輪
電子齒輪傳動是簡化多軸運動控制的最佳工具之一。它使用外部位置資料流（通常是正交編碼器訊號）作為所有運動的主要參考。您可以設定驅動馬達輸出計數與輸入編碼器計數的比率。多個軸可以同時以不同的比率運行。平滑變化的齒輪比率使啟動和停止更加平穩。
想像一下一台印刷機。送紙軸以固定的比例跟隨印刷滾筒軸運動。伺服驅動器會根據滾筒的位置不斷調整自身的運動，從而保持速度和位置的準確性。電子齒輪傳動裝置能夠處理其他方法難以實現的複雜運動模式。
虛擬凸輪將這理念進一步發展。機械凸輪難以更換以適應新產品。虛擬凸輪解決了這個問題：
無需觸碰任何硬體即可快速切換相機配置文件
將所有軸連接到一個主軸，這樣就不需要單獨的速度曲線了。
磨損越少，維修次數越少。
使用不同的單位，例如度數或毫米
使用更詳細的 CAM 資料點可以提升運作效率
當產品尺寸變更時，無需更換機械凸輪。凸輪參數以數位方式儲存。您可以透過 I/O、網路指令或運動程式條件選擇不同的參數。
分散式智慧技術無需外部控制器。每個驅動器運行自己的程序，共享數據並直接使用 I/O。這簡化了 OEM 設備，並透過省去中央控制層降低了成本。
標準協定都內建了同步工具：
EtherCAT（分散式時鐘）或CANopen（同步訊息）無需自訂協調程式碼即可即時同步。
主從架構：主設備定期發送同步訊息；從設備調整其時鐘以與之匹配，從而在無需手動調整的情況下保持微秒的同步精度。
循環同步模式：基於共享時基的 CSP、CSV 和 CST 模式可實現精確的路徑追蹤、速度變化和轉矩控制。
使用者友善的程式環境
現代程式設計工具讓學習變得更輕鬆。 ACSPL + 語言支援多達 128 個軸，運行頻率高達 10 kHz，並允許跨 64 個緩衝區進行多任務處理。它融合了物件導向和腳本風格。您可以使用 C 語言編寫使用者函數，並使用代數函數進行運動學計算。控制器模擬器可以完整地模擬運動、I/O、事件和邏輯。主機整合支援 C/C++、.NET、Python、MATLAB、Linux 和 macOS 函式庫。
視覺化工具可讓您從選單中拖放檔案。支援的文字語言包括 Visual Basic、C 和 C++。 IEC 61131-3 IDE（例如 Moog 基於 CODESYS 3 的 MASS）包含用於程式設計、測試、調試、視覺化和預製功能塊的工具。
預置功能塊大大減少了程式設計工作量。 FMCP套件包含預先接線、測試和認證的零件，可立即投入使用。預置龍門架設定（1D、2D、3D、T、H）使用標準功能塊，可與多種控制器品牌相容。單一操控功能塊無需設置，即可實現多軸控制，運動平穩，並整合現場匯流排。
在一個基於管道的機器人專案中，多軸運動控制解決方案簡化了整合過程。使用者友善的整合開發環境（IDE）內建了用於定位、速度控制和同步的運動控制功能。軟體開發工具包（SDK）和運動控制庫使開發團隊無需深厚的程式設計技能即可創建自訂運動。
內建運動控制的現代伺服驅動器 無需單獨的獨立控制器。一體化設計減少了額外的部件和雜亂的佈線。內建乙太網路協定支援取代了硬線連接。 高階控制器處理製程控制任務 過去需要 PLC一個控制器同時管理運動和機器邏輯。
多軸系統實施的最佳實踐
系統建模與仿真
在安裝任何硬體之前，先對系統進行建模。這步驟可以避免代價高昂的錯誤，並節省工程時間。首先進行硬體設定。設定單位、機械轉換係數和行程限制。控制器中的軟限制可防止設備超出安全區域。合理的限制可以防止碰撞。碰撞會損壞設備並造成安全隱患。
Vega平台案例研究展示了建模如何發揮作用。工程師們對整個平台組件進行了有限元素分析 (FEA)。他們加入了來自錘擊測試的軸承剛度模型，從而獲得了更貼近實際的開環傳遞函數。團隊利用這些傳遞函數對回授控制迴路進行建模，進而預測平台的穩定時間。透過模擬基於晶圓檢測週期的完整運動軌跡，他們檢驗並優化了最大吞吐量。此設計實現了遠高於目標頻寬的第一可觀測本徵模，此結果直接提升了運動表現。
您還需要設定座標係原點和歸零程序。啟動時運行歸零程序。程式會將每個軸移動到已知位置。歸零感測器或硬限位器會標記此位置。建模有助於您在編寫任何生產程式碼之前檢查這些程式。您可以測試不同的情況並及早發現錯誤。
自動調校和診斷
手動調整多軸系統耗時數小時，且結果往往不均。自動調整工具則能有效解決此問題。它們會檢查所有軸的慣性、摩擦和負載情況，從而確保整個系統馬達響應的穩定性。此調整工具還能自動調整參數，以減少運作過程中的機械振動，並顯著降低抖動和不穩定性。這在精密切割任務中尤其重要。
先進的診斷技術還能縮短故障排除時間。 AP-MARS 系統採用電路查詢分析 (CIA) 技術。這套演算法能夠找到節點組並檢查每個網路的訊號路徑。這種自動化方法避免了人為探測錯誤，減少了每個引腳的物理接觸次數，探測步驟減少了80% 以上。更快的故障查找速度意味著更少的停機時間，從而為您節省更多寶貴的工程時間。
將這些工具與合適的運動程式設計結合。使用點對點移動、絕對定位和相對定位指令。較低的速度可獲得更高的精度，而較高的速度可以縮短循環時間。對於多軸運動控制，請使用直線和圓弧插補。良好的協調運動與順序軸運動相比，可將循環時間縮短 30% 至50%，並提高路徑精度。這些方法構成了任何多軸運動控制系統的核心。
多軸控制器將難題化繁為簡。無需複雜的網路設置，即可在所有軸上實現精確計時。共用電源降低了硬體成本，並減少了機櫃空間佔用。現代化的程式設計工具大幅縮短了開發時間。自動化的調優和診斷功能使故障排除速度顯著提升，從數小時縮短至數分鐘。
現在您有了明確的選擇。不妨了解整合式伺服驅動系統，例如 Moog MSD 或 B&R 的 ACOPOS 系列。與應用工程師溝通，了解您的機器需要什麼。他們可以為您推薦最佳方案。立即開始簡化您的運動控制。
常見問題
集中式控制和分散式控制有什麼差別？
集中式控制將所有運動邏輯集中在一個嵌入式控制器中，可實現高精度任務的緊密同步。分散式控制則將智慧分佈在各個驅動器上，每個驅動器運行各自的邏輯。集中式控制適用於微秒協調，而分散式控制則適用於大型機器的可擴展性和更少的佈線。
電子齒輪如何簡化多軸協調？
電子齒輪傳動使用一個位置資料流（通常來自正交編碼器）作為主參考。您可以為每個驅動軸設定傳動比。多個軸可以同時以不同的傳動比運行。平滑的傳動比變化使啟動和停止更加平順。這樣就完全避免了機械齒輪箱的使用。
為什麼多軸系統更傾向選擇 EtherCAT？
EtherCAT 提供同步所需的確定性時序。單一幀依次經過每個從設備。每個從設備讀取資料、插入回饋並轉發該幀。此過程持續重複。大約 100 個軸的處理時間為 125 微秒。其他協定（例如 Modbus TCP/IP）缺乏這種速度。
我需要單獨的嗎？ PLC 使用多軸控制器？
不。現代伺服驅動器內建運動控制功能，無需獨立控制器。高階控制器可以處理過去需要單獨的控制器才能完成的製程控制任務。 PLC一個控制器即可同時管理運動和機器邏輯。這種整合減少了額外的部件和雜亂的線路。
自動調校可以節省多少時間？
手動調整多軸系統耗時數小時，且結果不均。自動化工具可偵測所有軸的慣性、摩擦和負載情況，並自動調整參數以減少振動。先進的診斷技術可將偵測步驟減少 80% 以上，故障排除時間也從數小時縮短至數分鐘。
