搜索
支持智能制造的PLCopen运动控制规范彭瑜PLCopen中国组织2016.5.北京内容提要运动控制概论智能制造对运动控制的要求和运动控制的发展趋势PLCopen运动控制规范的核心理念PLCopen运动控制规范概述编程举例PackML—PLCopen运动控制规范的应用实现运动控制概论十九世纪的运动控制运动是机械装备的本质特征机械装备的制造加工功能一般是通过其相关的部件的运动来实现的。尽管制造加工的原理常常有很大的差异（如冷加工的金属切削，热加工的焊接、锻造，增材制造3D打印，……），但是都离不开机械部件的运动。从这个意义上说，运动是机械装备的本质特征。不过，不同的工艺对运动的关注点有很大差异，例如机器人和数控机床关注的是路径规划、运动参数的混成缓冲等，而印刷机械、包装机械等关注的是主轴和从轴之间的同步和工艺节拍。在技术细分时应予以特别之注意。机器人运动控制和CNC运动控制的差异尽管机器人和CNC的基础都是多轴运动的协调控制，不过从实际应用和控制技术的视角来分析，它们还是有质的区别。机器人的控制主要是定位，而且是面向时间的定位。例如，日本机器人协会（JARA）定义的工业机器人都是属于按固定时间顺序定位的。而德国工程师协会VDI导则2600全用途运动自动机定义的机器人，则是按操纵任务定义，但实际应用起来，也是以定位为主。CNC的控制是面向contour（型面和型体轮廓）的，其运动控制优先关注的是加工刀具的运动路径。机器人和CNC的控制都要进行运动规划，但机器人的运动规划是以定位为目的的，而CNC的运动规划是以路径驱动为目的的。运动控制是智能机械控制的重要基础由此可见，运动控制系统是确保数控机床、机器人及各种先进装备高效运行的关键环节。运动控制技术是装备制造领域的核心技术。机器人和数控机床的运动控制要求更高，这是因为其运动轨迹和运动形态远较若干专用的机械装置（如包装机械、印刷机械、纺织机械、装配线、半导体生产设备）复杂。而且其机械运动学和动力学的问题也显著复杂。传统的运动控制系统框图运动控制系统是控制机械装置或机械部件的位置、速度、力或力矩的随动控制系统。由于执行器（如伺服电机）往往不能直接满足被控机械所要求驱动方式，所以常常需要通过传动机构来增／减速度、放大／缩小输出力矩，或完成旋转运动转换位直线运动。运动控制器承担按工艺要求实现机械装置或部件的机械运动的任务，例如主轴与从轴之间的速比控制，对多轴协调运动完成运动轨迹规划，进行插补运算，或完成复杂控制策略的运算功能，等等。主控制器主要用于人与机器的信息交互，即运动控制的调度、运动状态的显示、相关数据的存贮、数据通信和运动控以外的逻辑控制、顺序控制和协调控制主控制器运动控制器驱动器执行器传动机构被控机械反馈分布式运动控制系统的基本构成运动控制系统包括：运动控制器、驱动器、电机和负载（机械装置）为保证运动控制精准执行，还要加上电机的反馈和负载的反馈运动控制用现场直线或工业以太网运动控制的基本要素运动控制泛指通过某种驱动部件（诸如液压泵、直线驱动器，或电动机，通常是伺服电机）对机械设备或其部件，或者加工刀具，在运动过程中按照加工功能要求对其运动的基本要素位置速度加速度（减速度）加速度变化率进行控制。运动控制基本要素间的关系–距离（D）D＝V×Tdistance＝∫V·dt（速度乘以时间的积分）–速度（V）V＝D／Tvelocity＝dD/dt（运动距离的变化率）＝∫α·dt（加速度乘以时间的积分）–加速度（α）α=V/Tacceleration=dV/dt（速度的变化率）＝∫v·dt（加速度乘以时间的积分）–加速度变化率（γ）γ＝α／Tjerk＝dα/dt(加速度的变化率)运动控制的基本要素之间的关系如下：运动参数的变化曲线（profiles）这是定位过程中一组运动参数随时间变化的曲线。运动由原来位置启动后向前运动至目标位置，然后又返回原来位置的过程。曲线表示了运动过程中速度、加速度的变化情况。距离速度加速度加速度变化率定位过程中计算开始减速的优化位置在定位时，典型的由用户定义的运动参数是–加速度–运行速度–减速度–目标位置考虑到运动体具有一定的质量，为保证它能准确地停在目标位置，需要按照原来已经定义的减速值计算驱动器的速度，所计算的速度值用来生成一个优化的位置参考值，在这个位置开始减速就能让驱动器准确的停在目标位置。在运动控制系统中为了保证返回原位的准确，常常在靠近原位的某个位置用一个位置开关强制减速。但在需要进行许多定位时，就很难设置那么多位置开关，计算优化开始减速的位置就很必要了。运动控制结构的技术分类从技术上讲，我们可以按其协调控制的结构把运动控制划分为两类：①主轴/从轴运动控制结构即主轴的运动控制命令生成一个或多个从轴的运动控制命令。在这类系统中，主轴可以是实轴，也可以定义为虚轴。②多维的运动控制协调结构其中没有主轴从轴之分，只有由多个轴构成的集合，称之为轴组（或轴集合）。只有这样才可能进行更好的轨迹和路径规划，解决CNC、机器人等的复杂运动控制问题。运动控制的应用分类如果我们按运动控制的应用来分类，通常分为两类：–通用运动控制主要用于印刷、包装、纺织、日用品制造（如纸质成形尿布、妇女卫生纸巾）等行业的运动控制。基本属于主轴/从轴运动控制范畴。运用的运动控制功能基本在PLCopen运动控制规范的第1和第2部分内描述。–复杂运动控制主要用于机器人、CNC等多轴协调运动控制。运用的运动控制功能基本在PLCopen运动控制规范的第4部分内描述。运动控制系统结构的分类按运动控制系统结构进行分类–集中式运动控制–分布式运动控制–混合式运动控制集中式运动控制系统其控制智能集中在运动控制器中，安装在现场的驱动器不具备任何智能。与集中式运动控制系统不同，分布式运动控制系统的现场驱动器具有一定的智能。集中式运动控制系统运动控制系统集中式还是分布式？性能比较分布式集中式分布式的优点控制接线的数目少多铺设电缆少，成本低，潜在的接线故障少控制柜元器件少尺寸小柜内元器件多省工，省时，节省成本控制器PLC控制功能分散集中所有控制功能，带来附加硬件成本节省PLC的硬件成本时间响应运动的闭环控制回路在驱动器内运动的闭环控制回路在控制器内性价比好驱动器之间的通信快速没有驱动器之间的通信硬件减少典型的运动功能以下列举一些典型的定位运动功能，有：–绝对定位–相对定位–同步–从轴在一周内与主轴同步(rolloversynchronization)–动态限速–凸轮–回零位–圆周校正–虚拟主轴–……绝对定位由原点P0运动5转到P1位置停下，再由P1点运动5转到P2停止，P2距离P0相当于10转的长度。总运动距离是相当于5+5=10转的长度相对定位由原点P0运动5转到P1位置停下，再由P1点运动10转到P2停止。总运动距离是相当于5+10=15转的长度相对同步主轴已在运行，从轴启动。从轴要迅速跟上主轴的运行速度，同步运行。从轴以最快的加速度提升速度，当超过主轴运行速度后继续上升，直到到达最高的定位速度，然后以此速度运行一段很短时间后，以最快的减速度下降速度，直至与主轴同步。从轴以最高定位速度运行的时间应该是由面积A等于面积B计算出。绝对同步主轴已在运行，从轴启动。从轴要迅速跟上主轴的运行速度，同步运行。从轴以最快的加速度提升速度，当超过主轴运行速度后继续上升，直到到达最高的定位速度，然后以此速度运行一段很短时间后，以最快的减速度下降速度，直至与主轴同步。从轴以最高定位速度运行的时间应该是由面积A等于面积B计算出。显然，绝对同步以最高定位速度运行的时间比相对同步要长。从轴在一周内与主轴同步(rolloversynchronization)主轴已在运行，从轴启动，要求从轴在运转一圈后即与主轴同步。从轴以最快的加速度提升速度，当超过主轴运行速度后继续上升，直到到达最高的定位速度，然后以此速度运行极短时间后，以最快减速度下降速度，直至与主轴同步。由于要求同步能在一周内完成，显然会出现过调后才会同步。动态限速当主轴速度过快，超过最大定位速度，从轴难以跟上，此时会产生同步出错需要进行动态限速。在本例中给出一个停止信号，主轴降速，直至主轴停转。从轴由速度由最大定位速度下降。为保证从轴准确定位，其定位速度在下降到一定速度后会保持一定速度，然后再下降，并按所计算的定位减速度下降，实施准确定位。从轴的动态限速按照面积A＝面积B计算其减速曲线。电子凸轮电子凸轮是用主轴在360度的不同位置对应于从轴的角度值的方法在从轴上产生一个机械凸轮的非对称曲线，主轴每旋转360度，从轴就就按此曲线运动。由于凸轮数据表中对应主轴每个位置的从轴位置值可由用户设定，所以能够灵活地构成任意形状的非对称曲线。主轴位置从轴位置主轴位置从轴位置电子凸轮和机械凸轮的比较性能机械凸轮电子凸轮凸轮结构凸轮旋转一周，回到原来的起点位置旋转一周后，可不回到原来位置例如，可以呈现螺旋形凸轮平滑度根据机械加工精度确定两点之间通过插补算法计算位置准确性准确命令准确，位置准确使用方便性制造和修改凸轮曲线困难更换不方便只需要改变轮廓曲线的数据输出功率存在较大接触应力，不宜传递大功率没有接触应力，可传递大的输出功率维护性存在机械磨损，必须保养机械修复一般较多数据输入正确，可保证长期应用不需保养，电子系统的修复少使用空间占用空间大空间节省，无可动部件长行程特点行程受凸轮大小影响，行程越长，凸轮越大没有空间限制，行程不受影响加速度限制由机械件物理特性确定，一般都应限制加速度，防止冲击伺服系统和马达能力确定。一般都应限制加速度，防止冲击缩放功能通过齿轮比改变，因此，不同齿轮比要用不同的齿轮只需要改变齿轮比的分子和分母数值就可，方便在线修改齿轮比电子凸轮应用案例—飞剪主轴从轴主轴每旋转一圈，从轴产生一个机械切断动作，按所要求的长度切断在夹辊系统中直线送进的某种材料圆周校正（1/2）圆周校正在许多场合下都有用。不论是直线运动或者圆周运动，当运动发生偏差时或者材料位置放置发生偏差，都需要校正。上图的案例中主轴驱动的传送带上放置的物品，必须总领先于从轴驱动的传送带上的物品10mm。发生偏差时需要校正。此接近开关用以锁定主轴的参考位置此接近开关用以锁定从轴的动作位置圆周校正（2/2）圆周校正总是需要锁定未知的信息。这种信息可以取自外部的传感器（如图中的接近开关），或者是旋转编码器中的零位置脉冲Z-Pulse。要让两个传送带伤得物品恒保持10mm的距离，从轴驱动一定要取得主轴的运转速度，由两种方法：–从轴驱动器从主轴的编码器取得速度信息。这意味着从轴驱动要连接两个编码器信号（主轴和从轴的编码器），而主轴是处于开环的状况。–主轴的编码器与主轴驱动器连接，主轴运转速度信息通过光缆DDCS送至从轴驱动器。主轴驱动器是闭环的。从轴驱动器的数字量输入接收两个接近开关的信号进行比较发出校正信号，调节从轴驱动器的速度，使两个传送带上物品的间距保持为所要求的长度。虚拟主轴所谓虚拟主轴，就是主轴的参考速度值和定位值是在软件的旋转轴模型中运行的速度和定位，而非实际的物理旋转轴的速度和位置信号。这种参考值是一种没有噪声的速度值和定位值。运用它，可以在无实际物理主轴的情况下，使两个和多个从轴之间保持同步。虚拟主轴的功能在调试中很有用处。我们可以通过设定虚拟主轴让部分机械装置运行，进行调试。等到所有的部件都分别调试好，再让系统全部试运行，进行整体调试投运。智能制造对运动控制的要求和运动控制的发展趋势智能制造市场对运动控制产品和系统的要求智能制造市场对运动控制产品和系统的要求可归结为8点：–更好–更安全–更智能–更快–噪声更小–运转更平滑–价格更便宜–体积更小以上8项能同时满足4项，就足以在商场竞争中成为胜者。更好、更安全、更智能、更快速–更好能效高，改善能效算法，驱动功耗低，编码器分辨率高，运动控制通信总线速率高、抖动小–更安全推行国际机械安全标准(UL－ISO－IEC)，提供运动控制和安全控制一体化