1 龙门设备简介

　　龙门系统是一种以“跨式框架结构”的机械类设备，在横向(X轴)、纵向(Y轴)、垂直(Z轴)三个方向上运动，类似可大范围移动的“简易机械手”，由于其具备的灵活性特点，因而已成为了物料搬运、精密装配等场景中的核心装备控制，被大量应用在电子、电池、汽车、食品、医药等行业，是连接自动化生产各环节的关键纽带。另外，机床、起重等行业也在大量使用龙门设备，有时功率非常大，很多场景下使用的是位置的全闭环控制，技术难度很大。而本文主要探讨的是中小型伺服控制系统中的龙门设备，功率范围基本在100w-7kw之间，几乎都是位置的半闭环控制，相对比较简单。

　　调试过龙门控制的工程师们，都有深刻的体会，Y轴和Z轴调试起来相对容易，而水平轴的2个伺服轴的位置同步调试则最头疼。使用或维护龙门设备的工程师们，感到最麻烦的事情是“龙门运行不稳定”，因为水平轴经常会出现位置偏差、电机扭矩过大、电机堵转等报警情况。最让厂家们感到不解的是，刚刚调试或验收完的设备，运行正常，但是运行半年或1年之后，问题会越来越多，报警频发，甚至需要重新调试。这里，我仅从一名运动控制工程师的维度，谈谈对龙门的两根水平轴控制的理解，仅供大家参考。

　　2 龙门控制分析

　　控制龙门两根水平轴的位置同步，最常用有以下两种方法：

　　(1)虚轴同步：以一根虚轴的位置为主轴，两根水平轴分别与虚主轴保持1:1的齿轮同步。

　　(2)实轴同步：以一根轴的实际位置为主轴，另外一根轴跟随主轴，保持1:1的齿轮同步。

　　第一种的同步：经常被用在包装、食品饮料、印刷等生产机械行业，它是为了确保同步的几根伺服轴在同一时刻接受到速度和位置命令。通过与同一个虚主轴同步，从而实现各从轴之间的同步，这是典型的轴的设定值同步。

　　第两种的同步：一根轴与另外一根轴的电机实际位置同步，虽然位置的设定值与实际值之间有一个跟踪误差的差距，但可以用一个位置值来补偿，这是典型的轴的实际值同步。

　　这两种同步模式都是在想方设法地让水平轴的两个电机的位置保持同步，从而达到龙门的两侧的机械框架也保持同步。

　　这两种模式的前提条件是：龙门的两个水平轴的机械刚性非常好，长时间运行后，两边不会太大的机械间隙，且间隙较为一致。以上条件，只靠机械侧努力，几乎很难做到，电气系统的控制上必须想办法去缓解两根水平轴在运动过程中的相互“较劲”，否则，两侧的机械会越来越“较劲”，从而导致报警频发，甚至无法正常运行。现在市场上出现带龙门控制功能的伺服系统，我估计不会有太大作用。我个人认为，对于半闭环控制，如果只是两根轴的电机实际位置同步，根本解决不了两根轴的机械上的相互“较劲”的问题，同样会导致报警频发。因为电机的实际位置与机械位置还是有差别的，而且如果电气控制不想办法去处理，会导致机械相互较劲越来越严重。从根本上解决位置同步和机械相互“较劲”的问题，下面两种方法值得考虑：

　　(1)全闭环位置控制，即安装水平轴的实际位置测量装置，让两根轴的机械位置永远保持一致。

　　(2)半闭环位置控制时，在运行过程中，保持位置同步，同时监控、比较两侧电机的力矩情况，并进行适当的补偿。

　　龙门控制其实是一个比较综合的问题，与机械和电气的关联度特别高，既要考虑位置上同步，同时也要考虑电机力矩的同步，这样才能实现在运行的过程中，两侧机械能够平稳运行，减少相互“较劲”和伺服报警。从这个意义上来说，更多的需要“Application”工程师想办法去解决的问题。现在的龙门控制，已经开始利用数字化技术，对运行过程中的大数据进行分析，如：速度、位置、力矩以及加减速过程的运控数据，从而判断整个机械设备的状态，这样不但能够实现运行“0”报警，同时还能够给使用者提供一些预测性维护的建议，我相信这样的龙门控制，应该是OEM厂家和终端客户所希望的，必须给予点赞。