引言

　　信息時代的高新技術(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)之一的機械工業(yè)，在這場新技術(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)、微計算機技術(shù)使信息和智能與機械裝置和動力設(shè)備相結(jié)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(shù)革命。隨著計算機電子電力和傳感器技術(shù)的發(fā)展，各先進國家機電一體化產(chǎn)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(chǎn)品每年都有新的進展。機電一體化技術(shù)已越來越受到各方面的關(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、增強企業(yè)競爭力等方面起著極大的作用。在機電一體化技術(shù)迅速發(fā)展的同時，運動控制技術(shù)作為其關(guān)鍵組成部分，也得到前所未有的大發(fā)展。

　　在一個運動控制系統(tǒng)中“上位控制”和“執(zhí)行機構(gòu)”是系統(tǒng)中舉足輕重的兩個組成部分。“執(zhí)行機構(gòu)”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(gòu)，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(gòu)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(gòu)行走；“速度控制”方式時，需加D/A轉(zhuǎn)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(chǎn)生脈沖頻率不高，對于分辨率高的執(zhí)行機構(gòu)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(fù)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(diào)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(chǎn)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(jīng)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(xué)，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(qū)動電流不大，一般只有0.1~0.2A。在工業(yè)生產(chǎn)中，作為PLC驅(qū)動的負(fù)載來說控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，很多繼電器開關(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，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(gòu)進行復(fù)雜軌跡的動作就不太容易實現(xiàn)，雖說有的PLC已經(jīng)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(shè)備，如送料設(shè)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(shè)備或?qū)Ｓ眯袠I(yè)而設(shè)計開發(fā)生產(chǎn)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(shè)備以及為專門應(yīng)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(nèi)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(shù)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(zhǔn)確的實現(xiàn)。

　　若不利用程序運動控制技術(shù)，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。