什么是运动控制器_运动控制器的工作原理及应用 - 全文

　　什么是运动控制器

　　运动控制器是用来实现机械运动精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制。运动控制器按结构分类可分为PLC可编程逻辑控制器、单片机控制器、独立式运动控制器、基于PC机的运动控制卡、网络控制器。

　　比如电动机在由行程开关控制交流接触器而实现电动机拖动物体向上运行达到指定位置后又向下运行，或者用时间继电器控制电动机正反转或转一会停一会再转一会再停。运动控制在机器人和数控机床的领域内的应用要比在专用机器中的应用更复杂，因为后者运动形式更简单，通常被称为通用运动控制（GMC）。

　　

　　运动控制器架构组成

　　一个运动控制器用以生成轨迹点（期望输出）和闭合位置的反馈环。许多控制器也可以在内部闭合一个速度环。 一个驱动器或放大器用来将运动控制器的控制信号（通常是速度或扭矩信号）转换为更高功率的电流或电压信号。更为先进的智能化驱动可以自身闭合位置环和速度环，以获得更精确的控制。 一个执行器如液压泵、气缸、线性执行机构或电机用以输出运动。一个反馈传感器如光电编码器、旋转变压器或霍尔效应设备等用以反馈执行器的位置到位置控制器，以实现和位置控制环的闭合。

　　众多机械部件用以将执行器的运动形式转换为期望的运动形式，它包括齿轮箱、轴、滚珠丝杠、齿形带、联轴器以及线性和旋转轴承。 通常，一个运动控制系统的功能包括：速度控制和点位控制（点到点）。有很多方法可以计算出一个运动轨迹，它们通常基于一个运动的速度曲线如三角速度曲线，梯形速度曲线或者S型速度曲线。如 电子齿轮（或电子凸轮）。也就是从动轴的位置在机械上跟随一个主动轴的位置变化。一个简单的例子是，一个系统包含两个转盘，它们按照一个给定的相对角度关系转动。电子凸轮较之电子齿轮更复杂一些，它使得主动轴和从动轴之间的随动关系曲线是一个函数。这个曲线可以是非线性的，但必须是一个函数关系。

　　

　　运动控制器的优缺点

　　运动控制器的优点：

　　（1）硬件组成简单，把运动控制器插入PC总线，连接信号线就可组成系统；

　　（2）可以使用PC机已经具有的丰富软件进行开发；

　　（3）运动控制软件的代码通用性和可移植性较好；

　　（4）可以进行开发工作的工程人员较多，不需要太多培训工作，就可以进行开发。

　　运动控制器的缺点：

　　（1）采用板卡结构的运动控制器采用金手指连接，单边固定，在多数环境较差的工业现场（振动、粉尘、油污严重），不适宜长期工作。

　　（2）PC资源浪费。由于PC的捆绑方式销售，用户实际上仅使用少部分PC资源，未使用的PC资源不但造成闲置和浪费，还带来维护上的麻烦。

　　（3）整体可靠性难以保证，由于PC选择可以是工控机，也可以是商用机。系统集成后，可靠性差异很大，并不是由运动控制器能保证的。

　　（4）难以突出行业特点。

　　

　　运动控制器的功能

　　1、运动规划功能

　　实际上是形成运动的速度和位置的基准量。合适的基准量不但可以改善轨迹的精度，而且其影响作用还可以降低对转动系统以及机械传递元件的要求。通用运动控制器通常都提供基于对冲击、加速度和速度等这些可影响动态轨迹精度的量值加以限制的运动规划方法，用户可以直接调用相应的函数。

　　对于加速度进行限制的运动规划产生梯形速度曲线；对于冲击进行限制的运动规划产生S形速度曲线。一般来说，对于数控机床而言，采用加速度和速度基准量限制的运动规划方法，就已获得一种优良的动态特性。对于高加速度、小行程运动的快速定位系统，其定位时间和超调量都有严格的要求，往往需要高阶导数连续的运动规划方法。

　　2、多轴插补、连续插补功能

　　通用运动控制器提供的多轴插补功能在数控机械行业获得广泛的应用。近年来，由于雕刻市场，特别是模具雕刻机市场的快速发展，推动了运动控制器的连续插补功能的发展。在模具雕刻中存在大量的短小线段加工，要求段间加工速度波动尽可能小，速度变化的拐点要平滑过渡，这样要求运动控制器有速度前瞻和连续插补的功能。固高科技公司推出的专门用于小线段加工工艺的连续插补型运动控制器，该控制器在模具雕刻、激光雕刻、平面切割等领域获得了良好的应用。

　　3、电子齿轮与电子凸轮功能

　　电子齿轮和电子凸轮可以大大地简化机械设计，而且可以实现许多机械齿轮与凸轮难以实现的功能。电子齿轮可以实现多个运动轴按设定的齿轮比同步运动，这使得运动控制器在定长剪切和无轴转动的套色印刷方面有很好地应用。

　　另外，电子齿轮功能还可以实现一个运动轴以设定的齿轮比跟随一个函数，而这个函数由其他的几个运动轴的运动决定；一个轴也可以以设定的比例跟随其他两个轴的合成速度。电子凸轮功能可以通过编程改变凸轮形状，无需修磨机械凸轮，极大简化了加工工艺。这个功能使运动控制器在机械凸轮的淬火加工、异型玻璃切割和全电机驱动弹簧等领域有良好的应用。

　　4、比较输出功能

　　指在运动过程中，位置到达设定的坐标点时，运动控制器输出一个或多个开关量，而运动过程不受影响。如在AOI的飞行检测中，运动控制器的比较输出功能使系统运行到设定的位置即启动CCD快速摄像，而运动并不受影响，这极大地提高了效率，改善了图像质量。另外，在激光雕刻应用中，固高科技的通用运动器的这项功能也获得了很好地应用。

　　5、探针信号锁存功能

　　可以锁存探针信号产生的时刻，各运动轴的位置，其精度只与硬件电路相关，不受软件和系统运行惯性的影响，在CCM测量行业有良好的应用。另外，越来越多的OEM厂商希望他们自己丰富的行业应用经验集成到运动控制系统中去，针对不同应用场合和控制对象，个性化设计运动控制器的功能。固高科技公司已经开发可通用运动控制器应用开发平台，使通用运动控制器具有真正面向对象的开放式控制结构和系统重构能力，用户可以将自己设计的控制算法加载到运动控制器的内存中，而无需改变控制系统的结构设计就可以重新构造出一个特殊用途的专用运动控制器。

　　

　　运动控制器的工作原理及应用

　　我们以运动控制器在数控系统中的应用及工作原理来详解。

　　传统的数控机床的控制方式主要有继电器控制、单片机控制与PLC控制几类。现阶段数控系统逐渐向开放性的趋势发展，继电器，PLC和单片机的扩展性和可移植性都比较差，不能够满足数控系统的发展要求。近年来，运动控制器得到了广泛的应用，它具有开放性好、可移植性好、可靠性高、控制功能强、体积小且性价比高等诸多优点，经过发展，运动控制器几乎应用于所有的工业企业中。运动控制器既可以应用于传统机床的数控化改造，也可以应用于新型数控机床的设计，降低成本、节约能源并且提高效率。本文以机械手的控制系统为例，介绍了基于运动控制器的数控系统设计。

　　1、数控系统总体方案

　　如图1所示，整个数控系统由硬件和软件两部分组成，硬件部分又分为控制系统硬件和电气控制柜。控制系统硬件包括运动控制器、I/O（输入/输出）接口、驱动模块和执行模块，这部分是数控系统硬件的核心部分；电气控制柜由动力电路、控制电路和信号指示电路等组成。由于现有的运动控制器体积较小，集成度较高，也可以直接将其放置于电气控制柜中。数控系统的软件编写与硬件有一定的关系，一般运动控制器和触摸屏等都会提供编程工具与编程语言，用户根据不同需求使用所提供的编程工具与编程语言进行软件设计。

　　2、机械手工作原理

　　

　　图1 数控系统总体方案图

　　本文中的机械手指搬运机械手，所要完成的工艺流程一般是将工件从一个指定位置运送到另一个指定位置，机械手工艺流程如图2所示。数控系统在工作之前，机械手位于设定的原点，整个系统有上下左右4个限位开关，分别接入运动控制器中的4个不同输入点。数控系统工作时，机械手由原点向下运动，碰到下限位开关后停止运动，机械手抓取工件，为保证机械手能够可靠的夹紧工件，需使用数控系统延时功能，在夹紧2s后再继续向上运动，其余三方向同理，最后机械手松开工件，放在指定位置。为保证机械手能够可靠的放置工件，使用数控系统延时功能，在松开2s后再继续向上运动，碰到上限位开关后继续向左运动，回到原点后进行下一次抓取与放置。

　　机械手搬运分为自动和手动两种模式，在自动模式下，无需人为干预，系统全自动运行；在手动模式下，操作者可以根据自己的需求控制机械手的动作。

　　3、数控系统硬件设计

　　

　　图2 机械手工艺流程图

　　数控系统硬件主要包括运动控制器、伺服驱动系统、气动夹紧机构、触摸屏以及其他扩展模块和辅助硬件。数控系统硬件设计如图3所示。

　　（1）数控系统硬件设计。运动控制器选用英国Trio控制器，采用32-bit的120～150MHz的DSP的最新的微处理器技术，融合了最新的控制理论及其网络技术控制。Trio运动控制器提供了丰富的标准接口，例如RS232C、RS485、USB、Ethernet及CAN等，其中RS232C、RS485带有HostLink、Modbus协议，可以和触摸屏直接通讯；Trio运动控制编程语言是一种由Trio自行开发的结构类似于BASIC的语言，其命令就是该运动名称的英文单词。例如：轴就是AXIS，相对移动就是MOVE，绝对运动就是MOVEABS等等。另外，TRIO还提供二次开发使用的ActiveX控件，用户可以根据自身需要利用VB/VC/C++等高级语言进行二次开发。

　　（2）选用屏通触摸屏，屏通触摸屏采用高彩、高亮度的数字式液晶屏幕，显示效果好、反应快。触摸屏与运动控制器之间通过RS485接口连接，触摸屏可以进行参数的设置与显示。机械手的状态信息通过触摸屏可以直观的显示出来，还可以通过触摸屏上的按钮、数字输入等功能向系统发出指令，对机械手进行控制。

　　

　　图3 系统硬件设计图

　　（3）伺服系统选用松下MINAS A5系列伺服系统，包括伺服驱动器和伺服电动机，该伺服系统可以满足高速、高精度和高性能的要求。伺服驱动器和伺服电动机之间通过配套的动力线和编码器线进行连接。在机械手中需要水平和竖直两套伺服系统。水平和竖直方向分别有两个限位开关，用来控制伺服电动机的行程。除此之外，在水平和竖直方向分别有一个回零开关作为基准，用来设置水平和竖直方向的零点。

　　4、数控系统软件设计

　　系统软件设计主要包括三大部分，分别为上位机程序设计、控制程序设计与触摸屏程序设计。通过控制程序和触摸屏程序的配合运行，可以实现机械手相应的功能。

　　（1）软件整体设计。为了保证软件的可靠性与可扩展性，控制程序与触摸屏程序采用模块化设计思想。如图4所示，软件分为管理模块、控制模块和参数模块三大部分。由于运动控制器自身没有操作系统，不具备开发环境，必须通过上位机对其进行开发与管理，所以管理模块在上位机中运行；控制模块在运动控制器中运行，在上位机上编写好的控制程序可以直接传输到运动控制器中，运动控制器根据程序实现相应的功能；参数模块主要用来进行参数的设置与显示，可在触摸屏上运行。通过这样的模块化设计，可以提高系统的响应速度，使系统更加稳定可靠。

　　（2）部分程序设计。由于运动控制器是基于PC运行的，所以需要开发上位机程序对数控程序进行管理。一般运动控制器都会提供上位机开发的接口。Trio中的Active X控件就是用来与高级语言结合使用的接口，本文中使用VB进行上位机程序编写，直接向工程中添加Active X控件，编程时调用相关函数即可。

　　控制程序分为两部分，分别为手动控制程序和自动控制程序。在手动控制模式下，机械手主要根据触摸屏上的按钮指令进行运动，各个动作可以单步执行，主要用来进行安装调试与维修等工作；自动控制程序用来控制机械手自动完成工件的搬运工作，程序通过外部状态信息的反馈，按照指定路线进行工件搬运，当出现问题时系统会运行保护程序，防止意外发生，机械手的运行状态和外部反馈信息都会在触摸屏上实时显示。机械手控制流程如图5所示。

　　触摸屏是人机交互的窗口，触摸屏程序由多个画面组成，通过这种方式来使人机交互更加清晰，避免误操作的发生。触摸屏界面主要有主界面、状态显示界面和操作界面等，其中状态显示界面如图6所示。

　　

　　图4 软件整体设计图

　　

　　图5 机械手控制流程图

　　

　　图6 状态显示界面

　　5、结语

　　随着工业控制的不断发展，新的控制方式不断出现，相应的数控系统也需要与时俱进。采用运动控制器作为数控系统的核心具有系统简单灵活、硬件少且开放性好的优点。实验结果达到了预期设想，完成了相应功能，证明了系统的可行性。基于运动控制器的数控系统，既可以应用于新数控系统的开发，又可以应用于传统机床的数控化改造，是数控系统发展的新方向。