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科尔摩根（Kollmorgen）运动控制技术在激光眼科治疗仪中的应用 |
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| http://www.iianews.com 2008年09月16日 |
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本文介绍的新控制方法涉及集中控制、数字网络和多轴紧密耦合伺服控制。与传统的传动轴系相比，多轴紧密耦合伺服控制具有更高的灵活性和性能，能够进行在线动态调整，并独立运转，实现极高的精确度，这是传统的机械主轴和次轴、传动装置和控制系统所不具备的。
用户概况及项目要求
VISX公司是在激光眼视力矫正技术方面集设计、生产和销售为一体的跨国公司。VISX 在创立之初进行了一系列试验，这些实验预示着通过使用准分子激光器对眼睛的表面整形可以达到与视力矫正透镜相同的校正效果。到20世纪 90 年代，VISX 激光器已经在全世界 40 多个国家得到了广泛应用。到2003年，VISX 已发展成为激光视力矫正领域的行业领导者。VISX 将科尔摩根（Kollmorgen）的运动控制技术应用于多个VISX 激光眼科手术仪器镜头的精密控制。
在每个 VISX 折射激光器系统的内部，都配有一个激光器、一个光传递系统以及一个控制系统。在产生激光光束之后，光束的形状和角度将分别由可移动光学元件和可移动镜头进行调整。而可移动的光学元件和镜头需要使用6个精密伺服电机来控制，由此可以保证激光手术进行过程中极高的精确性。用于调整光束的镜头是由6个精密伺服电机中的两个来进行调整的，该电机连接到激光光束的调整机构上。可移动光学元件和激光光束调整机构利用精密编码器进行位置反馈。
经过认真挑选，VISX 最终选择了科尔摩根（Kollmorgen）的 SynqNet 控制器负责激光光束整形和调整过程中的工作。
项目设计及实施
SynqNet 运动控制网络
SynqNet 是一个高性能、全数字的开放性同步运动控制网络，它采用一种实时、同步数字网络专利技术及双冗余数据通道设计，从而可在各种复杂应用中实现卓越的运动性能，并确保机器运行的高可靠性。
SynqNet 的优越性主要体现在以下几个方面：其全数字网络基于 eXMP-SynqNet 独立控制器，最多可支持32 根协同轴，更新至48 kHz 的高转矩带宽，这为项目设计小组带来了发挥空间，能够满足对每个节点的严格同步要求； SynqNet 的“自修复”容错功能非常有利于系统安全和可靠性，能够消除机器故障停机时间；由于采用了环形拓扑结构，在维护某个进料模块时，能够在不中断其它进料模块运转的情况下，切断该模块的电源，这就赋予了VISX 仪器最高的可利用性、生产量和安全性。
在对仪器上的精密镜头进行控制时，SynqNet 控制器会发出一个合适的输出值给每个放大器，而放大器会驱动每个基于既定运动轨迹的伺服电机运动。然后 SynqNet 控制器会从一个复杂的视觉系统上接收到位置值，该系统会跨过眼睛对激光光束进行扫描（假定在对眼睛进行合适的激光反射治疗）。最终形成的传动会从每个编码器上产生信号，并反馈给控制器。编码器信号由 SynqNet 控制卡所载的 FPGA 进行“捕获”，然后会对每个轴的位置进行更新，并由 DSP 在每次固件周期中计算新的轨迹。移动的间隔时间为 15分钟。
DSP即数字信号处理，是一种快速强大的微处理器，独特之处在于它能即时处理资料，正是这项即时能力使得DSP最适合支援无法容忍任何延迟的应用。数字信号处理的任务在很大程度上需要由DSP器件来完成。
FPGA是在 PAL 、GAL、EPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA 采用了逻辑单元阵列这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块、输出输入模块和内部连线三个部分。由于 FPGA 采用高速 CHMOS 工艺，处理数据的速度会比 DSP 时钟周期快得多，因此使用 FPGA 进行位置信息捕获和比较，可以在任何应用下的触发事件和危急情况处理中达到更卓越的性能。
控制回路对六轴系统使用经过优化的 PID 增益进行控制。测试和开发合适的 PID 值的工作由传动控制台完成，这是一个由丹纳赫传动提供的传动设施。传动控制台带有一个 GUI（图形用户接口），用以对运动轴输入众多的传动参数，以及帮助设置正确的增益值来优化性能。这种闭环方式提供了 VISX 在所有仪器中所要求的高度安全性和可靠性。此外，如果病人在治疗期间有出乎意料的移动，对病人进行细致监测的视觉系统还可以随时控制放弃任何动作。
快速的稳定时间
SynqNet 控制器另一个关键的应用特性是每次达到命令位置之后的快速稳定时间，就是说当控制器设置了一个位置，就需要对实际位置的最小超出量有严格的伺服控制。而 PID 控制回路中前馈功能的使用可以有助于减小稳定时间。通过实施摩擦，速度和加速度会前馈给 PID 控制回路，设备可以通过使用系统模拟来对放大器发出更精确的命令，从而缩短稳定时间。虽然通过前馈控制可以提高传动性能，PID 控制仍然是基于误差反馈的。
更多信息，请浏览：
SynqNet 兴趣组织 www.synqnet.org
关于SynqNet
SynqNet 运动网络采用 IEE802.3 物理层行业标准，实现强大的电绝缘，并由丹纳赫传动设计确定性协议层布线长100米。SynqNet 设计用于满足高要求的多轴运动应用需求，符合行业向内向互操作数字设备发展的趋势。SynqNet 为机械设计师提供了一个开放平台，以满足对系统模块性的市场需求，此外还提供不停机 HotReplace™ 设备服务、远程故障诊断、软件升级、多厂商支持和容错安全性。自2003年以来，SynqNet 运动及 I/O 网络解决方案在27万多个轴中得到采用。
关于科尔摩根（Kollmorgen）
科尔摩根（Kollmorgen）是全球领先的运动控制解决方案提供商，致力于不断帮助全球原始设备制造商（OEM）制造更优质、更高速的机器设备。科尔摩根（Kollmorgen）的产品广泛运用于航空、医疗、机器人、半导体、电动车辆和包装等工业部门，能够大幅提高这些技术应用复杂且要求严格的部门的效率和生产率。在过去60多年中，科尔摩根（Kollmorgen）的产品创新通过其用户信赖的品牌一直在推动着运动控制行业的不断创新，旗下品牌包括 Kollmorgen、Thomson和Dover等多个著名品牌。
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