什么是運動控制器

　　運動控制器是用來實現(xiàn)機械運動精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制。運動控制器按結(jié)構(gòu)分類可分為PLC可編程邏輯控制器、單片機控制器、獨立式運動控制器、基于PC機的運動控制卡、網(wǎng)絡(luò)控制器。

　　比如電動機在由行程開關(guān)控制交流接觸器而實現(xiàn)電動機拖動物體向上運行達到指定位置后又向下運行，或者用時間繼電器控制電動機正反轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)一會停一會再轉(zhuǎn)一會再停。運動控制在機器人和數(shù)控機床的領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用要比在專用機器中的應(yīng)用更復(fù)雜，因為后者運動形式更簡單，通常被稱為通用運動控制（GMC）。

　　運動控制器架構(gòu)組成

　　一個運動控制器用以生成軌跡點（期望輸出）和閉合位置的反饋環(huán)。許多控制器也可以在內(nèi)部閉合一個速度環(huán)。 一個驅(qū)動器或放大器用來將運動控制器的控制信號（通常是速度或扭矩信號）轉(zhuǎn)換為更高功率的電流或電壓信號。更為先進的智能化驅(qū)動可以自身閉合位置環(huán)和速度環(huán)，以獲得更精確的控制。 一個執(zhí)行器如液壓泵、氣缸、線性執(zhí)行機構(gòu)或電機用以輸出運動。一個反饋傳感器如光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器或霍爾效應(yīng)設(shè)備等用以反饋執(zhí)行器的位置到位置控制器，以實現(xiàn)和位置控制環(huán)的閉合。

　　眾多機械部件用以將執(zhí)行器的運動形式轉(zhuǎn)換為期望的運動形式，它包括齒輪箱、軸、滾珠絲杠、齒形帶、聯(lián)軸器以及線性和旋轉(zhuǎn)軸承。 通常，一個運動控制系統(tǒng)的功能包括：速度控制和點位控制（點到點）。有很多方法可以計算出一個運動軌跡，它們通常基于一個運動的速度曲線如三角速度曲線，梯形速度曲線或者S型速度曲線。如 電子齒輪（或電子凸輪）。也就是從動軸的位置在機械上跟隨一個主動軸的位置變化。一個簡單的例子是，一個系統(tǒng)包含兩個轉(zhuǎn)盤，它們按照一個給定的相對角度關(guān)系轉(zhuǎn)動。電子凸輪較之電子齒輪更復(fù)雜一些，它使得主動軸和從動軸之間的隨動關(guān)系曲線是一個函數(shù)。這個曲線可以是非線性的，但必須是一個函數(shù)關(guān)系。

　　運動控制器的優(yōu)缺點

　　運動控制器的優(yōu)點：

　?。?）硬件組成簡單，把運動控制器插入PC總線，連接信號線就可組成系統(tǒng)；

　?。?）可以使用PC機已經(jīng)具有的豐富軟件進行開發(fā)；

　　（3）運動控制軟件的代碼通用性和可移植性較好；

　　（4）可以進行開發(fā)工作的工程人員較多，不需要太多培訓(xùn)工作，就可以進行開發(fā)。

　　運動控制器的缺點：

　?。?）采用板卡結(jié)構(gòu)的運動控制器采用金手指連接，單邊固定，在多數(shù)環(huán)境較差的工業(yè)現(xiàn)場（振動、粉塵、油污嚴重），不適宜長期工作。

　　（2）PC資源浪費。由于PC的捆綁方式銷售，用戶實際上僅使用少部分PC資源，未使用的PC資源不但造成閑置和浪費，還帶來維護上的麻煩。

　　（3）整體可靠性難以保證，由于PC選擇可以是工控機，也可以是商用機。系統(tǒng)集成后，可靠性差異很大，并不是由運動控制器能保證的。

　　（4）難以突出行業(yè)特點。

　　運動控制器的功能

　　1、運動規(guī)劃功能

　　實際上是形成運動的速度和位置的基準量。合適的基準量不但可以改善軌跡的精度，而且其影響作用還可以降低對轉(zhuǎn)動系統(tǒng)以及機械傳遞元件的要求。通用運動控制器通常都提供基于對沖擊、加速度和速度等這些可影響動態(tài)軌跡精度的量值加以限制的運動規(guī)劃方法，用戶可以直接調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)。

　　對于加速度進行限制的運動規(guī)劃產(chǎn)生梯形速度曲線；對于沖擊進行限制的運動規(guī)劃產(chǎn)生S形速度曲線。一般來說，對于數(shù)控機床而言，采用加速度和速度基準量限制的運動規(guī)劃方法，就已獲得一種優(yōu)良的動態(tài)特性。對于高加速度、小行程運動的快速定位系統(tǒng)，其定位時間和超調(diào)量都有嚴格的要求，往往需要高階導(dǎo)數(shù)連續(xù)的運動規(guī)劃方法。

　　2、多軸插補、連續(xù)插補功能

　　通用運動控制器提供的多軸插補功能在數(shù)控機械行業(yè)獲得廣泛的應(yīng)用。近年來，由于雕刻市場，特別是模具雕刻機市場的快速發(fā)展，推動了運動控制器的連續(xù)插補功能的發(fā)展。在模具雕刻中存在大量的短小線段加工，要求段間加工速度波動盡可能小，速度變化的拐點要平滑過渡，這樣要求運動控制器有速度前瞻和連續(xù)插補的功能。固高科技公司推出的專門用于小線段加工工藝的連續(xù)插補型運動控制器，該控制器在模具雕刻、激光雕刻、平面切割等領(lǐng)域獲得了良好的應(yīng)用。

　　3、電子齒輪與電子凸輪功能

　　電子齒輪和電子凸輪可以大大地簡化機械設(shè)計，而且可以實現(xiàn)許多機械齒輪與凸輪難以實現(xiàn)的功能。電子齒輪可以實現(xiàn)多個運動軸按設(shè)定的齒輪比同步運動，這使得運動控制器在定長剪切和無軸轉(zhuǎn)動的套色印刷方面有很好地應(yīng)用。

　　另外，電子齒輪功能還可以實現(xiàn)一個運動軸以設(shè)定的齒輪比跟隨一個函數(shù)，而這個函數(shù)由其他的幾個運動軸的運動決定；一個軸也可以以設(shè)定的比例跟隨其他兩個軸的合成速度。電子凸輪功能可以通過編程改變凸輪形狀，無需修磨機械凸輪，極大簡化了加工工藝。這個功能使運動控制器在機械凸輪的淬火加工、異型玻璃切割和全電機驅(qū)動彈簧等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用。

　　4、比較輸出功能

　　指在運動過程中，位置到達設(shè)定的坐標點時，運動控制器輸出一個或多個開關(guān)量，而運動過程不受影響。如在AOI的飛行檢測中，運動控制器的比較輸出功能使系統(tǒng)運行到設(shè)定的位置即啟動CCD快速攝像，而運動并不受影響，這極大地提高了效率，改善了圖像質(zhì)量。另外，在激光雕刻應(yīng)用中，固高科技的通用運動器的這項功能也獲得了很好地應(yīng)用。

　　5、探針信號鎖存功能

　　可以鎖存探針信號產(chǎn)生的時刻，各運動軸的位置，其精度只與硬件電路相關(guān)，不受軟件和系統(tǒng)運行慣性的影響，在CCM測量行業(yè)有良好的應(yīng)用。另外，越來越多的OEM廠商希望他們自己豐富的行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗集成到運動控制系統(tǒng)中去，針對不同應(yīng)用場合和控制對象，個性化設(shè)計運動控制器的功能。固高科技公司已經(jīng)開發(fā)可通用運動控制器應(yīng)用開發(fā)平臺，使通用運動控制器具有真正面向?qū)ο蟮拈_放式控制結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)重構(gòu)能力，用戶可以將自己設(shè)計的控制算法加載到運動控制器的內(nèi)存中，而無需改變控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計就可以重新構(gòu)造出一個特殊用途的專用運動控制器。

　　運動控制器的工作原理及應(yīng)用

　　我們以運動控制器在數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用及工作原理來詳解。

　　傳統(tǒng)的數(shù)控機床的控制方式主要有繼電器控制、單片機控制與PLC控制幾類?，F(xiàn)階段數(shù)控系統(tǒng)逐漸向開放性的趨勢發(fā)展，繼電器，PLC和單片機的擴展性和可移植性都比較差，不能夠滿足數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展要求。近年來，運動控制器得到了廣泛的應(yīng)用，它具有開放性好、可移植性好、可靠性高、控制功能強、體積小且性價比高等諸多優(yōu)點，經(jīng)過發(fā)展，運動控制器幾乎應(yīng)用于所有的工業(yè)企業(yè)中。運動控制器既可以應(yīng)用于傳統(tǒng)機床的數(shù)控化改造，也可以應(yīng)用于新型數(shù)控機床的設(shè)計，降低成本、節(jié)約能源并且提高效率。本文以機械手的控制系統(tǒng)為例，介紹了基于運動控制器的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計。

　　1、數(shù)控系統(tǒng)總體方案

　　如圖1所示，整個數(shù)控系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分又分為控制系統(tǒng)硬件和電氣控制柜?？刂葡到y(tǒng)硬件包括運動控制器、I/O（輸入/輸出）接口、驅(qū)動模塊和執(zhí)行模塊，這部分是數(shù)控系統(tǒng)硬件的核心部分；電氣控制柜由動力電路、控制電路和信號指示電路等組成。由于現(xiàn)有的運動控制器體積較小，集成度較高，也可以直接將其放置于電氣控制柜中。數(shù)控系統(tǒng)的軟件編寫與硬件有一定的關(guān)系，一般運動控制器和觸摸屏等都會提供編程工具與編程語言，用戶根據(jù)不同需求使用所提供的編程工具與編程語言進行軟件設(shè)計。

　　2、機械手工作原理

　　圖1 數(shù)控系統(tǒng)總體方案圖

　　本文中的機械手指搬運機械手，所要完成的工藝流程一般是將工件從一個指定位置運送到另一個指定位置，機械手工藝流程如圖2所示。數(shù)控系統(tǒng)在工作之前，機械手位于設(shè)定的原點，整個系統(tǒng)有上下左右4個限位開關(guān)，分別接入運動控制器中的4個不同輸入點。數(shù)控系統(tǒng)工作時，機械手由原點向下運動，碰到下限位開關(guān)后停止運動，機械手抓取工件，為保證機械手能夠可靠的夾緊工件，需使用數(shù)控系統(tǒng)延時功能，在夾緊2s后再繼續(xù)向上運動，其余三方向同理，最后機械手松開工件，放在指定位置。為保證機械手能夠可靠的放置工件，使用數(shù)控系統(tǒng)延時功能，在松開2s后再繼續(xù)向上運動，碰到上限位開關(guān)后繼續(xù)向左運動，回到原點后進行下一次抓取與放置。

　　機械手搬運分為自動和手動兩種模式，在自動模式下，無需人為干預(yù)，系統(tǒng)全自動運行；在手動模式下，操作者可以根據(jù)自己的需求控制機械手的動作。

　　3、數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　圖2 機械手工藝流程圖

　　數(shù)控系統(tǒng)硬件主要包括運動控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、氣動夾緊機構(gòu)、觸摸屏以及其他擴展模塊和輔助硬件。數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖3所示。

　?。?）數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計。運動控制器選用英國Trio控制器，采用32-bit的120～150MHz的DSP的最新的微處理器技術(shù)，融合了最新的控制理論及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)控制。Trio運動控制器提供了豐富的標準接口，例如RS232C、RS485、USB、Ethernet及CAN等，其中RS232C、RS485帶有HostLink、Modbus協(xié)議，可以和觸摸屏直接通訊；Trio運動控制編程語言是一種由Trio自行開發(fā)的結(jié)構(gòu)類似于BASIC的語言，其命令就是該運動名稱的英文單詞。例如：軸就是AXIS，相對移動就是MOVE，絕對運動就是MOVEABS等等。另外，TRIO還提供二次開發(fā)使用的ActiveX控件，用戶可以根據(jù)自身需要利用VB/VC/C++等高級語言進行二次開發(fā)。

　?。?）選用屏通觸摸屏，屏通觸摸屏采用高彩、高亮度的數(shù)字式液晶屏幕，顯示效果好、反應(yīng)快。觸摸屏與運動控制器之間通過RS485接口連接，觸摸屏可以進行參數(shù)的設(shè)置與顯示。機械手的狀態(tài)信息通過觸摸屏可以直觀的顯示出來，還可以通過觸摸屏上的按鈕、數(shù)字輸入等功能向系統(tǒng)發(fā)出指令，對機械手進行控制。

　　圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計圖

　?。?）伺服系統(tǒng)選用松下MINAS A5系列伺服系統(tǒng)，包括伺服驅(qū)動器和伺服電動機，該伺服系統(tǒng)可以滿足高速、高精度和高性能的要求。伺服驅(qū)動器和伺服電動機之間通過配套的動力線和編碼器線進行連接。在機械手中需要水平和豎直兩套伺服系統(tǒng)。水平和豎直方向分別有兩個限位開關(guān)，用來控制伺服電動機的行程。除此之外，在水平和豎直方向分別有一個回零開關(guān)作為基準，用來設(shè)置水平和豎直方向的零點。

　　4、數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括三大部分，分別為上位機程序設(shè)計、控制程序設(shè)計與觸摸屏程序設(shè)計。通過控制程序和觸摸屏程序的配合運行，可以實現(xiàn)機械手相應(yīng)的功能。

　?。?）軟件整體設(shè)計。為了保證軟件的可靠性與可擴展性，控制程序與觸摸屏程序采用模塊化設(shè)計思想。如圖4所示，軟件分為管理模塊、控制模塊和參數(shù)模塊三大部分。由于運動控制器自身沒有操作系統(tǒng)，不具備開發(fā)環(huán)境，必須通過上位機對其進行開發(fā)與管理，所以管理模塊在上位機中運行；控制模塊在運動控制器中運行，在上位機上編寫好的控制程序可以直接傳輸?shù)竭\動控制器中，運動控制器根據(jù)程序?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能；參數(shù)模塊主要用來進行參數(shù)的設(shè)置與顯示，可在觸摸屏上運行。通過這樣的模塊化設(shè)計，可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

　?。?）部分程序設(shè)計。由于運動控制器是基于PC運行的，所以需要開發(fā)上位機程序?qū)?shù)控程序進行管理。一般運動控制器都會提供上位機開發(fā)的接口。Trio中的Active X控件就是用來與高級語言結(jié)合使用的接口，本文中使用VB進行上位機程序編寫，直接向工程中添加Active X控件，編程時調(diào)用相關(guān)函數(shù)即可。

　　控制程序分為兩部分，分別為手動控制程序和自動控制程序。在手動控制模式下，機械手主要根據(jù)觸摸屏上的按鈕指令進行運動，各個動作可以單步執(zhí)行，主要用來進行安裝調(diào)試與維修等工作；自動控制程序用來控制機械手自動完成工件的搬運工作，程序通過外部狀態(tài)信息的反饋，按照指定路線進行工件搬運，當出現(xiàn)問題時系統(tǒng)會運行保護程序，防止意外發(fā)生，機械手的運行狀態(tài)和外部反饋信息都會在觸摸屏上實時顯示。機械手控制流程如圖5所示。

　　觸摸屏是人機交互的窗口，觸摸屏程序由多個畫面組成，通過這種方式來使人機交互更加清晰，避免誤操作的發(fā)生。觸摸屏界面主要有主界面、狀態(tài)顯示界面和操作界面等，其中狀態(tài)顯示界面如圖6所示。

　　圖4 軟件整體設(shè)計圖

　　圖5 機械手控制流程圖

　　圖6 狀態(tài)顯示界面

　　5、結(jié)語

　　隨著工業(yè)控制的不斷發(fā)展，新的控制方式不斷出現(xiàn)，相應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)也需要與時俱進。采用運動控制器作為數(shù)控系統(tǒng)的核心具有系統(tǒng)簡單靈活、硬件少且開放性好的優(yōu)點。實驗結(jié)果達到了預(yù)期設(shè)想，完成了相應(yīng)功能，證明了系統(tǒng)的可行性。基于運動控制器的數(shù)控系統(tǒng)，既可以應(yīng)用于新數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)，又可以應(yīng)用于傳統(tǒng)機床的數(shù)控化改造，是數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的新方向。