傳統(tǒng)的數(shù)控機床的控制方式主要有繼電器控制、單片機控制與PLC控制幾類。現(xiàn)階段數(shù)控系統(tǒng)逐漸向開放性的趨勢發(fā)展，繼電器，PLC和單片機的擴展性和可移植性都比較差，不能夠滿足數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展要求。近年來，運動控制器得到了廣泛的應用，它具有開放性好、可移植性好、可靠性高、控制功能強、體積小且性價比高等諸多優(yōu)點，經(jīng)過發(fā)展，運動控制器幾乎應用于所有的工業(yè)企業(yè)中。運動控制器既可以應用于傳統(tǒng)機床的數(shù)控化改造，也可以應用于新型數(shù)控機床的設計，降低成本、節(jié)約能源并且提高效率。本文以機械手的控制系統(tǒng)為例，介紹了基于運動控制器的數(shù)控系統(tǒng)設計。
1、數(shù)控系統(tǒng)總體方案
如圖1所示，整個數(shù)控系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分又分為控制系統(tǒng)硬件和電氣控制柜?？刂葡到y(tǒng)硬件包括運動控制器、I/O(輸入/輸出)接口、驅動模塊和執(zhí)行模塊，這部分是數(shù)控系統(tǒng)硬件的核心部分;電氣控制柜由動力電路、控制電路和信號指示電路等組成。由于現(xiàn)有的運動控制器體積較小，集成度較高，也可以直接將其放置于電氣控制柜中。數(shù)控系統(tǒng)的軟件編寫與硬件有一定的關系，一般運動控制器和觸摸屏等都會提供編程工具與編程語言，用戶根據(jù)不同需求使用所提供的編程工具與編程語言進行軟件設計。
2、機械手工作原理
本文中的機械手指搬運機械手，所要完成的工藝流程一般是將工件從一個指定位置運送到另一個指定位置，機械手工藝流程如圖2所示。數(shù)控系統(tǒng)在工作之前，機械手位于設定的原點，整個系統(tǒng)有上下左右4個限位開關，分別接入運動控制器中的4個不同輸入點。數(shù)控系統(tǒng)工作時，機械手由原點向下運動，碰到下限位開關后停止運動，機械手抓取工件，為保證機械手能夠可靠的夾緊工件，需使用數(shù)控系統(tǒng)延時功能，在夾緊2s后再繼續(xù)向上運動，其余三方向同理，最后機械手松開工件，放在指定位置。為保證機械手能夠可靠的放置工件，使用數(shù)控系統(tǒng)延時功能，在松開2s后再繼續(xù)向上運動，碰到上限位開關后繼續(xù)向左運動，回到原點后進行下一次抓取與放置。
機械手搬運分為自動和手動兩種模式，在自動模式下，無需人為干預，系統(tǒng)全自動運行;在手動模式下，操作者可以根據(jù)自己的需求控制機械手的動作。
3、數(shù)控系統(tǒng)硬件設計
數(shù)控系統(tǒng)硬件主要包括運動控制器、伺服驅動系統(tǒng)、氣動夾緊機構、觸摸屏以及其他擴展模塊和輔助硬件。數(shù)控系統(tǒng)硬件設計如圖3所示。
(1)數(shù)控系統(tǒng)硬件設計。運動控制器選用英國Trio控制器，采用32-bit的120～150MHz的DSP的最新的微處理器技術，融合了最新的控制理論及其網(wǎng)絡技術控制。Trio運動控制器提供了豐富的標準接口，例如RS232C、RS485、USB、Ethernet及CAN等，其中RS232C、RS485帶有HostLink、Modbus協(xié)議，可以和觸摸屏直接通訊;Trio運動控制編程語言是一種由Trio自行開發(fā)的結構類似于BASIC的語言，其命令就是該運動名稱的英文單詞。例如：軸就是AXIS，相對移動就是MOVE，絕對運動就是MOVEABS等等。另外，TRIO還提供二次開發(fā)使用的ActiveX控件，用戶可以根據(jù)自身需要利用VB/VC/C++等高級語言進行二次開發(fā)。
(2)選用屏通觸摸屏，屏通觸摸屏采用高彩、高亮度的數(shù)字式液晶屏幕，顯示效果好、反應快。觸摸屏與運動控制器之間通過RS485接口連接，觸摸屏可以進行參數(shù)的設置與顯示。機械手的狀態(tài)信息通過觸摸屏可以直觀的顯示出來，還可以通過觸摸屏上的按鈕、數(shù)字輸入等功能向系統(tǒng)發(fā)出指令，對機械手進行控制。
運動控制(Motion Control)通常是指在復雜條件下將預定的控制方案、規(guī)劃指令轉變成期望的機械運動，實現(xiàn)機械運動精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉矩或力的控制。
運動控制器就是控制電動機的運行方式的專用控制器：比如電動機在由行程開關控制交流接觸器而實現(xiàn)電動機拖動物體向上運行達到指定位置后又向下運行，或者用時間繼電器控制電動機正反轉或轉一會停一會再轉一會再停。運動控制在機器人和數(shù)控機床的領域內(nèi)的應用要比在專用機器中的應用更復雜，因為后者運動形式更簡單，通常被稱為通用運動控制(GMC)。
1、運動控制系統(tǒng)的組成
1)一個運動控制器用以生成軌跡點(期望輸出)和閉合位置的反饋環(huán)。許多控制器也可以在內(nèi)部閉合一個速度環(huán)。
2)一個驅動器或放大器用來將運動控制器的控制信號(通常是速度或扭矩信號)轉換為更高功率的電流或電壓信號。更為先進的智能化驅動可以自身閉合位置環(huán)和速度環(huán)，以獲得更精確的控制。
3)一個執(zhí)行器如液壓泵、氣缸、線性執(zhí)行機構或電機用以輸出運動。
4)一個反饋傳感器如光電編碼器、旋轉變壓器或霍爾效應設備等用以反饋執(zhí)行器的位置到位置控制器，以實現(xiàn)和位置控制環(huán)的閉合。
5)眾多機械部件用以將執(zhí)行器的運動形式轉換為期望的運動形式，它包括齒輪箱、軸、滾珠絲杠、齒形帶、聯(lián)軸器以及線性和旋轉軸承。
2、運動控制器原理
運動控制器執(zhí)行著四個基本任務：傳送位置反饋碼;發(fā)出定位指令或運動波形;關閉位置回路和補償穩(wěn)定度。在這四個任務當中，最基本的是傳送電動機位置信號和關閉位置回路。電動機位置的確定來自反饋信號，有時還有增量編碼器，以及同指令位置的比較信號。實際位置和指令位置之間的差值就是所謂的位置誤差。
控制器的任務是在無振蕩載荷的條件下將位置誤差減到最小程度。大多數(shù)情況下，這個任務可由比例微積塊或 PID的控制算法來完成。PID的輸出信號通過數(shù)字化模擬轉換器進入放大器和電動機。PID控制器算法的數(shù)學表達式：
其中，比例系數(shù) KP與響應速度有關;KD提供穩(wěn)定性和阻尼量;積分系數(shù) KI則決定系統(tǒng)的精確度。調(diào)節(jié)這三個系數(shù)能使伺服系統(tǒng)調(diào)協(xié)到最佳系統(tǒng)響應狀態(tài)。
運動控制器還有產(chǎn)生波形的功能，它能產(chǎn)生與時間無關的位置函數(shù)與所要求的速度波形相對應。運動的基本要求可用總距離、轉換速度和加速度來表明。因為電動機的位置總是同指令位置一致，運動波形則控制著運動的路徑和速度，除了這些基本的任務以外，一臺先進的運動控制器還可以執(zhí)行高層次的功能，例如主機的處理命令、任務排序、I 處理和誤差處理。這些特殊功能使控制器實現(xiàn)安全獨立的操作。
運動控制器是移動機器人的控制中樞，主要實現(xiàn)執(zhí)行機構精確的位置控制、速度控制、力/力矩控制等。運動控制器由硬件及軟件兩部分組成，常見的運動控制器從硬件結構上主要分為：基于MCU的運動控制器、基于PLC的運動控制器、基于IPC的運動控制器等。此外，導航控制器、網(wǎng)絡控制器等新型運動控制器也越來越多地應用在移動機器人上。計算能力、存儲能力、接口種類及數(shù)量等是衡量運動控制器性能優(yōu)劣的關鍵指標。
一、基于MCU的運動控制器
微控制單元(MCU)，又稱單片微型計算機或者單片機，是把CPU的頻率與規(guī)格做適當縮減，并將內(nèi)存、計數(shù)器、USB、A/D轉換、UART、PLC、DMA等周邊接口，甚至把LCD驅動電路都整合在單一芯片上，形成芯片級的計算機，為不同的應用場合做不同組合控制。
基于單片機的控制器把MCU嵌入到控制器中，能夠獨立運行。而且其帶有通用接口方式，方便與其他設備通訊?；贛CU的控制器具有運行性能良好、系統(tǒng)的成本低等優(yōu)勢。
二、基于PLC的運動控制器
PLC(可編程邏輯控制器)是專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)。它采用一種可編程的存儲器，在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設備或生產(chǎn)過程。
基于PLC的控制器技術成熟、編程方便，在可靠性、擴展性、對環(huán)境的適應性方面具有明顯優(yōu)勢，并且有體積小、開發(fā)周期短、方便安裝維護、互換性強等優(yōu)點。但是，基于PLC的控制器不能進行復雜的數(shù)據(jù)處理，也不支持復雜算法的部署，不能實現(xiàn)多軸聯(lián)動等復雜的運動軌跡。
工控機(IPC)一般稱為工業(yè)控制計算機，是專門用于對設備、流程、參數(shù)等進行監(jiān)測與控制的計算機。IPC的基本性能及相容性與商用電腦相差無幾，但IPC更注重在不同環(huán)境下的穩(wěn)定性、可靠性。
基于IPC(工控機)的控制器是移動機器人控制系統(tǒng)的應用主流。由于計算機平臺的使用，為動態(tài)控制算法和復雜軌跡規(guī)劃提供了良好的硬件保障。這類控制器的軟件開發(fā)成本低、系統(tǒng)兼容性好、系統(tǒng)可靠性強、算力優(yōu)勢明顯。
工控機四、上位機+下位機的運動控制方式
除了上述單層的控制架構以外，采用上位機+下位機的雙層控制架構也比較常見。上位機通常采用工控機，下位機通常采用基于MCU的嵌入式運動控制板卡，上位機和下位機之間可通過串口、USB、UDP/TCP等方式通訊。這種控制架構的工作過程是：(1)上位機給下位機發(fā)送控制命令，下位機接收到此命令并控制執(zhí)行機構完成相應的動作;(2)下位機采集各個傳感器的測量數(shù)據(jù)，然后將其轉化為數(shù)字信息反饋給上位機用于決策和控制。上位機+下位機的控制方式兼顧了MCU實時性和IPC高算力的優(yōu)勢。
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