引言

　　信息時(shí)代的高新技術(shù)流向傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，引起后者的深刻變革。作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之一的機(jī)械工業(yè)，在這場(chǎng)新技術(shù)革命沖擊下控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都發(fā)生了質(zhì)的躍變，微電子技術(shù)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)使信息和智能與機(jī)械裝置和動(dòng)力設(shè)備相結(jié)合，促使機(jī)械工業(yè)開(kāi)始了一場(chǎng)大規(guī)模的機(jī)電一體化技術(shù)革命。隨著計(jì)算機(jī)電子電力和傳感器技術(shù)的發(fā)展，各先進(jìn)國(guó)家機(jī)電一體化產(chǎn)品層出不窮。機(jī)床、汽車(chē)、儀表、家用電器、輕工機(jī)械、紡織機(jī)械、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、冶金機(jī)械、化工機(jī)械以及工業(yè)機(jī)器人、智能機(jī)器人等許多門(mén)類(lèi)產(chǎn)品每年都有新的進(jìn)展。機(jī)電一體化技術(shù)已越來(lái)越受到各方面的關(guān)注www.cechina.cn，它在改善人民生活、提高工作效率、節(jié)約能源、降低材料消耗、增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力等方面起著極大的作用。在機(jī)電一體化技術(shù)迅速發(fā)展的同時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)作為其關(guān)鍵組成部分，也得到前所未有的大發(fā)展。

　　在一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中“上位控制”和“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”是系統(tǒng)中舉足輕重的兩個(gè)組成部分。“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”部分一般不外乎：步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)，以及直流電機(jī)等。它們作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)刀具或工件動(dòng)作，我們稱(chēng)之為“四肢”；“上位控制”單元的方案主要有四種：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)，專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)控制PLC，PC+運(yùn)動(dòng)控制卡，專(zhuān)用控制系統(tǒng)。“上位控制”是“指揮”執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的，我們也稱(chēng)之為“大腦”。以下，我們將分述系統(tǒng)中的“大腦”中的各個(gè)部分，并詳盡地論述“PC+運(yùn)動(dòng)控制卡”方案。

　　一、用單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制

　　此系統(tǒng)由單片機(jī)芯片、外圍擴(kuò)展芯片以及通過(guò)搭建外圍電路組成。在“位置控制”方式時(shí)，通過(guò)單片機(jī)的I/O口發(fā)數(shù)字脈沖信號(hào)來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)行走；“速度控制”方式時(shí)，需加D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出模擬量信號(hào)達(dá)到控制。此方案優(yōu)點(diǎn)在于成本較低，但由于一般單片機(jī)I/O口產(chǎn)生脈沖頻率不高，對(duì)于分辨率高的執(zhí)行機(jī)構(gòu)尤其是對(duì)于控制伺服電機(jī)來(lái)說(shuō)，存在速度達(dá)不到，控制精度受限等缺點(diǎn)。對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制復(fù)雜的場(chǎng)合，例如升降速的處理，多軸聯(lián)動(dòng)，直線、圓弧插補(bǔ)等功能實(shí)現(xiàn)起來(lái)都需要自己編寫(xiě)算法，這必將帶來(lái)開(kāi)發(fā)起來(lái)難度較大，研發(fā)周期較長(zhǎng)，調(diào)試過(guò)程煩瑣，系統(tǒng)一旦定型不太容易擴(kuò)充功能、升級(jí)、柔性不強(qiáng)等問(wèn)題。因此這種方案一般適用于產(chǎn)品批量較大、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)功能簡(jiǎn)單、且有豐富的單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的用戶(hù)。

　　二、采用專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)控制PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制

　　目前，許多品牌的PLC都可選配定位控制模塊，有些PLC的CPU單元本身就具有運(yùn)動(dòng)控制功能(如松下NAIS的FP0，F(xiàn)PΣ系列)，包括脈沖輸出功能，模擬量輸出等等。使用這種PLC來(lái)做運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的上位控制時(shí)，可以同時(shí)利用PLC的I/O口功能，可謂一舉兩得。PLC通常都采用梯形圖編程，對(duì)開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單易學(xué)，省時(shí)省力。還有一點(diǎn)不可忽視，就是它可以與HMI(人機(jī)界面)進(jìn)行通訊，在線修改運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如軸號(hào)，速度，位移等。這樣整個(gè)控制系統(tǒng)中從輸入到控制再到顯示，非常便利。一方面將界面友好化，另一方面將控制系統(tǒng)的成本從整體上節(jié)省了。但具有脈沖輸出功能的PLC大多都是晶體管輸出類(lèi)型的，這種輸出類(lèi)型的輸出口驅(qū)動(dòng)電流不大，一般只有0.1~0.2A。在工業(yè)生產(chǎn)中，作為PLC驅(qū)動(dòng)的負(fù)載來(lái)說(shuō)控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，很多繼電器開(kāi)關(guān)的容量都要比這大，需要添加中間放大電路或轉(zhuǎn)換模塊。與此同時(shí)，由于PLC的工作方式(循環(huán)掃描)決定了它作為上位控制時(shí)的實(shí)時(shí)性能不是很高，要受PLC每步掃描時(shí)間的限制。而且控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)雜軌跡的動(dòng)作就不太容易實(shí)現(xiàn)，雖說(shuō)有的PLC已經(jīng)有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)功能，但由于其本身的脈沖輸出頻率也是有限的(一般為10K~100K)，對(duì)于諸如伺服電機(jī)高速高精度多軸聯(lián)動(dòng)，高速插補(bǔ)等動(dòng)作，它實(shí)現(xiàn)起來(lái)仍然較為困難。這種方案主要適用于運(yùn)動(dòng)過(guò)程比較簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)軌跡固定的設(shè)備，如送料設(shè)備、自動(dòng)焊機(jī)等。

　　三、采用專(zhuān)用數(shù)控系統(tǒng)作為上位控制

　　專(zhuān)用的數(shù)控系統(tǒng)一般都是針對(duì)專(zhuān)用設(shè)備或?qū)Ｓ眯袠I(yè)而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的，像專(zhuān)用車(chē)床數(shù)控系統(tǒng)，銑床數(shù)控系統(tǒng)，切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)等等。它集成了計(jì)算機(jī)的核心部件，輸入、輸出外圍設(shè)備以及為專(zhuān)門(mén)應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的軟件。由于是“專(zhuān)業(yè)對(duì)口”，人們可以盡情發(fā)揮“拿來(lái)主義”。不需要進(jìn)行什么二器手臂同步的時(shí)間內(nèi)將芯片頂起以利于吸頭的抓取，所有的機(jī)械動(dòng)作都必須依賴(lài)運(yùn)動(dòng)控制卡的程序運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)才能完成。若串行式運(yùn)動(dòng)控制必須通過(guò)PC將用戶(hù)的運(yùn)動(dòng)控制指令傳達(dá)到運(yùn)動(dòng)控制卡上，傳遞過(guò)程中由于操作系統(tǒng)的時(shí)間延遲且非實(shí)時(shí)性，多軸之間的同步性無(wú)法很準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)。

　　若不利用程序運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，那么運(yùn)動(dòng)指令在操作系統(tǒng)中傳遞所造成的時(shí)間差，將使其無(wú)法進(jìn)行同步運(yùn)動(dòng)控制。因此，程序運(yùn)動(dòng)控制的精神在于將用戶(hù)需要做到同步運(yùn)動(dòng)的控制軸，編成程序代碼后，下載至DSP中做運(yùn)算，DSP會(huì)依據(jù)串行式運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)更新周期時(shí)間，完成過(guò)程控制。