引言

　　信息時代的高新技術流向傳統(tǒng)產業(yè)，引起后者的深刻變革。作為傳統(tǒng)產業(yè)之一的機械工業(yè)，在這場新技術革命沖擊下控制工程網版權所有，產品結構和生產系統(tǒng)結構都發(fā)生了質的躍變，微電子技術、微計算機技術使信息和智能與機械裝置和動力設備相結合，促使機械工業(yè)開始了一場大規(guī)模的機電一體化技術革命。隨著計算機電子電力和傳感器技術的發(fā)展，各先進國家機電一體化產品層出不窮。機床、汽車、儀表、家用電器、輕工機械、紡織機械、包裝機械、印刷機械、冶金機械、化工機械以及工業(yè)機器人、智能機器人等許多門類產品每年都有新的進展。機電一體化技術已越來越受到各方面的關注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、增強企業(yè)競爭力等方面起著極大的作用。在機電一體化技術迅速發(fā)展的同時，運動控制技術作為其關鍵組成部分，也得到前所未有的大發(fā)展。

　　在一個運動控制系統(tǒng)中“上位控制”和“執(zhí)行機構”是系統(tǒng)中舉足輕重的兩個組成部分。“執(zhí)行機構”部分一般不外乎：步進電機，伺服電機，以及直流電機等。它們作為執(zhí)行機構，帶動刀具或工件動作，我們稱之為“四肢”；“上位控制”單元的方案主要有四種：單片機系統(tǒng)，專業(yè)運動控制PLC，PC+運動控制卡，專用控制系統(tǒng)。“上位控制”是“指揮”執(zhí)行機構動作的，我們也稱之為“大腦”。以下，我們將分述系統(tǒng)中的“大腦”中的各個部分，并詳盡地論述“PC+運動控制卡”方案。

　　一、用單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)運動控制

　　此系統(tǒng)由單片機芯片、外圍擴展芯片以及通過搭建外圍電路組成。在“位置控制”方式時，通過單片機的I/O口發(fā)數(shù)字脈沖信號來控制執(zhí)行機構行走；“速度控制”方式時，需加D/A轉換模塊輸出模擬量信號達到控制。此方案優(yōu)點在于成本較低，但由于一般單片機I/O口產生脈沖頻率不高，對于分辨率高的執(zhí)行機構尤其是對于控制伺服電機來說，存在速度達不到，控制精度受限等缺點。對于運動控制復雜的場合，例如升降速的處理，多軸聯(lián)動，直線、圓弧插補等功能實現(xiàn)起來都需要自己編寫算法，這必將帶來開發(fā)起來難度較大，研發(fā)周期較長，調試過程煩瑣，系統(tǒng)一旦定型不太容易擴充功能、升級、柔性不強等問題。因此這種方案一般適用于產品批量較大、運動控制系統(tǒng)功能簡單、且有豐富的單片機系統(tǒng)開發(fā)經驗的用戶。

　　二、采用專業(yè)運動控制PLC來實現(xiàn)運動控制

　　目前，許多品牌的PLC都可選配定位控制模塊，有些PLC的CPU單元本身就具有運動控制功能(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來做運動控制系統(tǒng)的上位控制時，可以同時利用PLC的I/O口功能，可謂一舉兩得。PLC通常都采用梯形圖編程，對開發(fā)人員來說簡單易學，省時省力。還有一點不可忽視，就是它可以與HMI(人機界面)進行通訊，在線修改運動參數(shù)，如軸號，速度，位移等。這樣整個控制系統(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型的，這種輸出類型的輸出口驅動電流不大，一般只有0.1~0.2A。在工業(yè)生產中，作為PLC驅動的負載來說控制工程網版權所有，很多繼電器開關的容量都要比這大，需要添加中間放大電路或轉換模塊。與此同時，由于PLC的工作方式(循環(huán)掃描)決定了它作為上位控制時的實時性能不是很高，要受PLC每步掃描時間的限制。而且控制執(zhí)行機構進行復雜軌跡的動作就不太容易實現(xiàn)，雖說有的PLC已經有直線插補、圓弧插補功能，但由于其本身的脈沖輸出頻率也是有限的(一般為10K~100K)，對于諸如伺服電機高速高精度多軸聯(lián)動，高速插補等動作，它實現(xiàn)起來仍然較為困難。這種方案主要適用于運動過程比較簡單、運動軌跡固定的設備，如送料設備、自動焊機等。

　　三、采用專用數(shù)控系統(tǒng)作為上位控制

　　專用的數(shù)控系統(tǒng)一般都是針對專用設備或專用行業(yè)而設計開發(fā)生產的，像專用車床數(shù)控系統(tǒng)，銑床數(shù)控系統(tǒng)，切割機數(shù)控系統(tǒng)等等。它集成了計算機的核心部件，輸入、輸出外圍設備以及為專門應用而開發(fā)的軟件。由于是“專業(yè)對口”，人們可以盡情發(fā)揮“拿來主義”。不需要進行什么二器手臂同步的時間內將芯片頂起以利于吸頭的抓取，所有的機械動作都必須依賴運動控制卡的程序運動控制技術才能完成。若串行式運動控制必須通過PC將用戶的運動控制指令傳達到運動控制卡上，傳遞過程中由于操作系統(tǒng)的時間延遲且非實時性，多軸之間的同步性無法很準確的實現(xiàn)。

　　若不利用程序運動控制技術，那么運動指令在操作系統(tǒng)中傳遞所造成的時間差，將使其無法進行同步運動控制。因此，程序運動控制的精神在于將用戶需要做到同步運動的控制軸，編成程序代碼后，下載至DSP中做運算，DSP會依據(jù)串行式運動的數(shù)據(jù)更新周期時間，完成過程控制。