什么是運(yùn)動(dòng)控制器

　　運(yùn)動(dòng)控制器是用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jī)控制器、獨(dú)立式運(yùn)動(dòng)控制器、基于PC機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制卡、網(wǎng)絡(luò)控制器。

　　比如電動(dòng)機(jī)在由行程開(kāi)關(guān)控制交流接觸器而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)物體向上運(yùn)行達(dá)到指定位置后又向下運(yùn)行，或者用時(shí)間繼電器控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)一會(huì)停一會(huì)再轉(zhuǎn)一會(huì)再停。運(yùn)動(dòng)控制在機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床的領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用要比在專用機(jī)器中的應(yīng)用更復(fù)雜，因?yàn)楹笳哌\(yùn)動(dòng)形式更簡(jiǎn)單，通常被稱為通用運(yùn)動(dòng)控制(GMC)。

　　運(yùn)動(dòng)控制器架構(gòu)組成

　　一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器用以生成軌跡點(diǎn)(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(gè)速度環(huán)。 一個(gè)驅(qū)動(dòng)器或放大器用來(lái)將運(yùn)動(dòng)控制器的控制信號(hào)(通常是速度或扭矩信號(hào))轉(zhuǎn)換為更高功率的電流或電壓信號(hào)。更為先進(jìn)的智能化驅(qū)動(dòng)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(gè)執(zhí)行器如液壓泵、氣缸、線性執(zhí)行機(jī)構(gòu)或電機(jī)用以輸出運(yùn)動(dòng)。一個(gè)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(shí)現(xiàn)和位置控制環(huán)的閉合。

　　眾多機(jī)械部件用以將執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)換為期望的運(yùn)動(dòng)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(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的功能包括：速度控制和點(diǎn)位控制(點(diǎn)到點(diǎn))。有很多方法可以計(jì)算出一個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡，它們通?；谝粋€(gè)運(yùn)動(dòng)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(dòng)軸的位置在機(jī)械上跟隨一個(gè)主動(dòng)軸的位置變化。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是，一個(gè)系統(tǒng)包含兩個(gè)轉(zhuǎn)盤，它們按照一個(gè)給定的相對(duì)角度關(guān)系轉(zhuǎn)動(dòng)。電子凸輪較之電子齒輪更復(fù)雜一些，它使得主動(dòng)軸和從動(dòng)軸之間的隨動(dòng)關(guān)系曲線是一個(gè)函數(shù)。這個(gè)曲線可以是非線性的，但必須是一個(gè)函數(shù)關(guān)系。

　　運(yùn)動(dòng)控制器的優(yōu)缺點(diǎn)

　　運(yùn)動(dòng)控制器的優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)硬件組成簡(jiǎn)單，把運(yùn)動(dòng)控制器插入PC總線，連接信號(hào)線就可組成系統(tǒng);

　　(2)可以使用PC機(jī)已經(jīng)具有的豐富軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā);

　　(3)運(yùn)動(dòng)控制軟件的代碼通用性和可移植性較好;

　　(4)可以進(jìn)行開(kāi)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(jìn)行開(kāi)發(fā)。

　　運(yùn)動(dòng)控制器的缺點(diǎn)：

　　(1)采用板卡結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(chǎng)(振動(dòng)、粉塵、油污嚴(yán)重)，不適宜長(zhǎng)期工作。

　　(2)PC資源浪費(fèi)。由于PC的捆綁方式銷售，用戶實(shí)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(fèi)，還帶來(lái)維護(hù)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(jī)，也可以是商用機(jī)。系統(tǒng)集成后，可靠性差異很大，并不是由運(yùn)動(dòng)控制器能保證的。

　　(4)難以突出行業(yè)特點(diǎn)。

　　運(yùn)動(dòng)控制器的功能

　　1、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃功能

　　實(shí)際上是形成運(yùn)動(dòng)的速度和位置的基準(zhǔn)量。合適的基準(zhǔn)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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)以及機(jī)械傳遞元件的要求。通用運(yùn)動(dòng)控制器通常都提供基于對(duì)沖擊、加速度和速度等這些可影響動(dòng)態(tài)軌跡精度的量值加以限制的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，用戶可以直接調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)。

　　對(duì)于加速度進(jìn)行限制的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃產(chǎn)生梯形速度曲線;對(duì)于沖擊進(jìn)行限制的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃產(chǎn)生S形速度曲線。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于數(shù)控機(jī)床而言，采用加速度和速度基準(zhǔn)量限制的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，就已獲得一種優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性。對(duì)于高加速度、小行程運(yùn)動(dòng)的快速定位系統(tǒng)，其定位時(shí)間和超調(diào)量都有嚴(yán)格的要求，往往需要高階導(dǎo)數(shù)連續(xù)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。

　　2、多軸插補(bǔ)、連續(xù)插補(bǔ)功能

　　通用運(yùn)動(dòng)控制器提供的多軸插補(bǔ)功能在數(shù)控機(jī)械行業(yè)獲得廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，由于雕刻市場(chǎng)，特別是模具雕刻機(jī)市場(chǎng)的快速發(fā)展，推動(dòng)了運(yùn)動(dòng)控制器的連續(xù)插補(bǔ)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(dòng)盡可能小，速度變化的拐點(diǎn)要平滑過(guò)渡，這樣要求運(yùn)動(dòng)控制器有速度前瞻和連續(xù)插補(bǔ)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(bǔ)型運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)化機(jī)械設(shè)計(jì)，而且可以實(shí)現(xiàn)許多機(jī)械齒輪與凸輪難以實(shí)現(xiàn)的功能。電子齒輪可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)運(yùn)動(dòng)軸按設(shè)定的齒輪比同步運(yùn)動(dòng)，這使得運(yùn)動(dòng)控制器在定長(zhǎng)剪切和無(wú)軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸以設(shè)定的齒輪比跟隨一個(gè)函數(shù)，而這個(gè)函數(shù)由其他的幾個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)決定;一個(gè)軸也可以以設(shè)定的比例跟隨其他兩個(gè)軸的合成速度。電子凸輪功能可以通過(guò)編程改變凸輪形狀，無(wú)需修磨機(jī)械凸輪，極大簡(jiǎn)化了加工工藝。這個(gè)功能使運(yùn)動(dòng)控制器在機(jī)械凸輪的淬火加工、異型玻璃切割和全電機(jī)驅(qū)動(dòng)彈簧等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用。

　　4、比較輸出功能

　　指在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，位置到達(dá)設(shè)定的坐標(biāo)點(diǎn)時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制器輸出一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)量，而運(yùn)動(dòng)過(guò)程不受影響。如在AOI的飛行檢測(cè)中，運(yùn)動(dòng)控制器的比較輸出功能使系統(tǒng)運(yùn)行到設(shè)定的位置即啟動(dòng)CCD快速攝像，而運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)器的這項(xiàng)功能也獲得了很好地應(yīng)用。

　　5、探針信號(hào)鎖存功能

　　可以鎖存探針信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)刻，各運(yùn)動(dòng)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(yùn)行慣性的影響，在CCM測(cè)量行業(yè)有良好的應(yīng)用。另外，越來(lái)越多的OEM廠商希望他們自己豐富的行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)集成到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中去，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合和控制對(duì)象，個(gè)性化設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制器的功能。固高科技公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)可通用運(yùn)動(dòng)控制器應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使通用運(yùn)動(dòng)控制器具有真正面向?qū)ο蟮拈_(kāi)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(jì)的控制算法加載到運(yùn)動(dòng)控制器的內(nèi)存中，而無(wú)需改變控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就可以重新構(gòu)造出一個(gè)特殊用途的專用運(yùn)動(dòng)控制器。

　　運(yùn)動(dòng)控制器的工作原理及應(yīng)用

　　我們以運(yùn)動(dòng)控制器在數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用及工作原理來(lái)詳解。

　　傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床的控制方式主要有繼電器控制、單片機(jī)控制與PLC控制幾類?，F(xiàn)階段數(shù)控系統(tǒng)逐漸向開(kāi)放性的趨勢(shì)發(fā)展，繼電器，PLC和單片機(jī)的擴(kuò)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(lái)，運(yùn)動(dòng)控制器得到了廣泛的應(yīng)用，它具有開(kāi)放性好、可移植性好、可靠性高、控制功能強(qiáng)、體積小且性價(jià)比高等諸多優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)發(fā)展，運(yùn)動(dòng)控制器幾乎應(yīng)用于所有的工業(yè)企業(yè)中。運(yùn)動(dòng)控制器既可以應(yīng)用于傳統(tǒng)機(jī)床的數(shù)控化改造，也可以應(yīng)用于新型數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)，降低成本、節(jié)約能源并且提高效率。本文以機(jī)械手的控制系統(tǒng)為例，介紹了基于運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　1、數(shù)控系統(tǒng)總體方案

　　如圖1所示，整個(gè)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。控制系統(tǒng)硬件包括運(yùn)動(dòng)控制器、I/O(輸入/輸出)接口、驅(qū)動(dòng)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(dòng)力電路、控制電路和信號(hào)指示電路等組成。由于現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制器和觸摸屏等都會(huì)提供編程工具與編程語(yǔ)言，用戶根據(jù)不同需求使用所提供的編程工具與編程語(yǔ)言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。

　　2、機(jī)械手工作原理

圖1 數(shù)控系統(tǒng)總體方案圖

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

　　機(jī)械手搬運(yùn)分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式，在自動(dòng)模式下，無(wú)需人為干預(yù)，系統(tǒng)全自動(dòng)運(yùn)行;在手動(dòng)模式下，操作者可以根據(jù)自己的需求控制機(jī)械手的動(dòng)作。

　　3、數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖2 機(jī)械手工藝流程圖

　　數(shù)控系統(tǒng)硬件主要包括運(yùn)動(dòng)控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、氣動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)、觸摸屏以及其他擴(kuò)展模塊和輔助硬件。數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。

　　(1)數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。運(yùn)動(dòng)控制器選用英國(guó)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(yùn)動(dòng)控制器提供了豐富的標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)動(dòng)控制編程語(yǔ)言是一種由Trio自行開(kāi)發(fā)的結(jié)構(gòu)類似于BASIC的語(yǔ)言，其命令就是該運(yùn)動(dòng)名稱的英文單詞。例如：軸就是AXIS，相對(duì)移動(dòng)就是MOVE，絕對(duì)運(yùn)動(dòng)就是MOVEABS等等。另外，TRIO還提供二次開(kāi)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(jí)語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

　　(2)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(yùn)動(dòng)控制器之間通過(guò)RS485接口連接，觸摸屏可以進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置與顯示。機(jī)械手的狀態(tài)信息通過(guò)觸摸屏可以直觀的顯示出來(lái)，還可以通過(guò)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(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。

圖3 伺服系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖

　　(3)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(dòng)器和伺服電動(dòng)機(jī)，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(dòng)器和伺服電動(dòng)機(jī)之間通過(guò)配套的動(dòng)力線和編碼器線進(jìn)行連接。在機(jī)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(gè)限位開(kāi)關(guān)，用來(lái)控制伺服電動(dòng)機(jī)的行程。除此之外，在水平和豎直方向分別有一個(gè)回零開(kāi)關(guān)作為基準(zhǔn)，用來(lái)設(shè)置水平和豎直方向的零點(diǎn)。

　　4、數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括三大部分，分別為上位機(jī)程序設(shè)計(jì)、控制程序設(shè)計(jì)與觸摸屏程序設(shè)計(jì)。通過(guò)控制程序和觸摸屏程序的配合運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手相應(yīng)的功能。

　　(1)軟件整體設(shè)計(jì)。為了保證軟件的可靠性與可擴(kuò)展性，控制程序與觸摸屏程序采用模塊化設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)控制器自身沒(méi)有操作系統(tǒng)，不具備開(kāi)發(fā)環(huán)境，必須通過(guò)上位機(jī)對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)與管理，所以管理模塊在上位機(jī)中運(yùn)行;控制模塊在運(yùn)動(dòng)控制器中運(yùn)行，在上位機(jī)上編寫好的控制程序可以直接傳輸?shù)竭\(yùn)動(dòng)控制器中，運(yùn)動(dòng)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(lái)進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置與顯示，可在觸摸屏上運(yùn)行。通過(guò)這樣的模塊化設(shè)計(jì)，可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

　　(2)部分程序設(shè)計(jì)。由于運(yùn)動(dòng)控制器是基于PC運(yùn)行的，所以需要開(kāi)發(fā)上位機(jī)程序?qū)?shù)控程序進(jìn)行管理。一般運(yùn)動(dòng)控制器都會(huì)提供上位機(jī)開(kāi)發(fā)的接口。Trio中的AcTIve X控件就是用來(lái)與高級(jí)語(yǔ)言結(jié)合使用的接口，本文中使用VB進(jìn)行上位機(jī)程序編寫，直接向工程中添加AcTIve X控件，編程時(shí)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(dòng)控制程序和自動(dòng)控制程序。在手動(dòng)控制模式下，機(jī)械手主要根據(jù)觸摸屏上的按鈕指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，各個(gè)動(dòng)作可以單步執(zhí)行，主要用來(lái)進(jìn)行安裝調(diào)試與維修等工作;自動(dòng)控制程序用來(lái)控制機(jī)械手自動(dòng)完成工件的搬運(yùn)工作，程序通過(guò)外部狀態(tài)信息的反饋，按照指定路線進(jìn)行工件搬運(yùn)，當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)系統(tǒng)會(huì)運(yùn)行保護(hù)程序，防止意外發(fā)生，機(jī)械手的運(yùn)行狀態(tài)和外部反饋信息都會(huì)在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示。機(jī)械手控制流程如圖5所示。

　　觸摸屏是人機(jī)交互的窗口，觸摸屏程序由多個(gè)畫面組成，通過(guò)這種方式來(lái)使人機(jī)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(jì)圖

圖5 機(jī)械手控制流程圖

圖6 狀態(tài)顯示界面

　　5、結(jié)語(yǔ)

　　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(shí)俱進(jìn)。采用運(yùn)動(dòng)控制器作為數(shù)控系統(tǒng)的核心具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單靈活、硬件少且開(kāi)放性好的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)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(yùn)動(dòng)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(kāi)發(fā)，又可以應(yīng)用于傳統(tǒng)機(jī)床的數(shù)控化改造，是數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的新方向。