新的控制选项简化协调运动

很容易假设所有多轴运动控制都涉及协调运动。实际上，协调运动是运动控制的一个非常特定的子集。涉及多个轴独立操作以定位负载的控制方案比需要高度同步运动的控制方案更易于执行。后者称为协调运动控制，需要具有高分辨率反馈的非常快速的控制回路。曾经有一段时间，构建其中一个系统需要编程专业知识、专门构建的应用程序和复杂的控制硬件。如今，协调运动功能可以内置到设备的固件中，设计团队可以选择通过HMI使用图形用户界面来编程PLC来完成工作。

“从供应商的角度来看，事情没那么简单，”安永的应用工程师马克•怀尔德(Mark Wilder)表示安川美国(沃基根,伊利诺斯州)。“对用户来说，这应该很简单。”

许多自动化任务需要沿多个轴移动以定位负载，而不需要它们之间的协调。例如，码头起重机可能首先沿X轴平移集装箱以达到其预期位置，然后沿Z轴将其降低，直到到达船舶甲板。运动沿两个轴发生，但不是同时连续发生。一种用于药店的自动药丸分配器，它可以放置药瓶，打开喂食槽，分配药物，并将瓶盖盖上，而不涉及协调的运动控制。它可能涉及集中控制，但在这里，运动也是连续播放的。如果使用分布式控制实现，则主从式体系结构涉及“更智能”的轴将命令传递给连接的轴。

即使同时沿多个轴的运动也可能不符合协调运动的条件。考虑DNA分析器中的XY定位阶段，其沿着正交轴线移动以达到期望的样本井。定位可以利用两个轴上的同时运动，但沿一个轴的运动精度不用于修改第二个轴的命令。但是，如果同一仪器中的试剂分配头需要沿样本井之间的对角线路径移动，则情况会发生显著变化。现在，需要考虑沿Y轴的X轴运动所引入的误差，以达到所需精度的终点。现在，系统正在应用协调运动。

协调运动涉及需要一个轴根据其他轴的性能和反馈更新其运动的定位任务。这可能涉及多个轴共同作用以定位单个负载，例如在复杂路径上移动工具以去除叶轮的毛刺。或者，它可以涉及多个单独的轴同步它们的位置和运动，以完成一项操作，例如用塑料包裹产品或切断塑料管的末端。其他示例包括3D打印、在车身成型线上冲压钢坯料和碳纤维放置（见图1）。

图1：该碳纤维放置系统必须高度精确地协调轴之间的运动。

协调运动的基础

同步轴
有不同的方法来同步多个轴的运动。一种是使用主从架构，从轴跟随主轴。这种方法需要高速通信通过工业现场总线。主设备可以是物理轴（编码器）或虚拟轴。“无论是编码器还是虚拟马达，您都可以创建主控器，”该公司的高级产品经理罗伯特·米勒（Robert Miller）表示三菱电机自动化（伊利诺伊州弗农山）。“旋转虚拟电机，然后所有其他轴将跟随它或跟随编码器来创建运动轮廓。”

该体系结构可以通过一个集中控制器或通过智能驱动器的集中和分布式控制的组合来实现。由集中控制器管理的轴可以遵循更复杂的运动轮廓，而分布式轴可以是简单的线性轮廓。米勒说：“你可以在放大器中关闭的信息越多，运动发生的速度就越快，因为你不必将数据发送到控制器并等待响应。”。米勒补充道：“一旦信息被发送到放大器，它们就会执行任务。运动控制器只需要监控这些轴，并在需要时进行调整。”。

并非所有的协调运动都适合主从式结构。或者，可以在集中控制中对轴进行分组。成组方法改进了轨迹规划。它的优点是，每当一个轴出现错误时，控制器都会修改每个轴的命令以进行相应的补偿。

坐标变换
根据应用的不同，系统可能包含机器人或CNC机器，以及多个运动轴。为了以指定的速度将关注点（POI）移动到所需的端点，控制器需要确定每个轴在某个公共坐标系中的位置。这涉及使用复杂运动学在多个坐标系之间进行变换。

我们可以建立以下坐标系:

• 轴坐标系（ACS）：归位后物理轴的参考框架
• 机器坐标系（MCS）：机器的坐标系，原点通常位于底部；对于笛卡尔系统，MCS可能与ACS相同
• 产品坐标系(PCS):工件坐标系
• 世界坐标系（WCS）：包含多台机器的固定参考系

考虑一个拾取和放置系统，将一部分从传送带移动到一个盒子。机器人的末端执行器在ACS中，而基座在MCS中定义。输送机上的部件在PCS中，系统作为一个整体在WCS中定义。要移动零件，软件需要从ACS转换到MCS，然后确定从MCS到WCS的偏移量，沿每个轴更新位移以补偿误差。

怀尔德说:“这可能非常复杂，因为你需要处理很多运动学问题。”“它们必须协同工作，而不是自行移动到一个位置。有些坐标轴可能移动得非常快，或者在短时间内做出非常大的移动。你必须知道整个系统的运动学"

插值运动
运动可以分为点到点移动和轮廓移动。某些点对点移动与路径无关？控制器独立管理多个轴的移动，以将POI带到指定位置。回想一下我们的DNA测序仪，它以正交轨迹定位。为了将序列器的运动转换为对角线路径，系统需要应用插值运动。

插值将每个轴的起点和终点之间的路径细分为多个小段。这些段可以用来建立复杂的轨迹。最常见的插值类型有:

• 直线插值:两点之间的直线运动
  示例应用程序包括龙门架、以一定角度移动的笛卡尔系统或以不同速度移动的多个轴。
• 圆插补:在两点之间沿圆周运动
  示例应用包括胶水分配。
• 螺旋插值：沿圆周运动，沿Z轴附加平移
  示例应用包括3D打印、胶水分配和叶轮叶片等异形表面的加工。
• 球面插值：沿球体外部的运动
  示例应用包括机器人和其他类型的曲线运动。
• 三次样条拟合：任意运动

协调运动的一个关键变化就是所谓的混合动作。为了说明，考虑一系列描述三角形的线性运动。POI使用线性插值从点A移动到点B。在点B处，它暂停，然后沿着从点B到点C的线性轨迹。在点C处停止后，它返回点a（见图2）。

此路径精确，非常适合切割等应用。但是，它涉及在每个端点处完全停止，这对于等速应用（如喷漆和焊接）无效。在这些情况下，混合可以提供更好的结果。

在混合移动中，在POI实际到达B点之前，轴开始调整从B点移动到C点的参数。因此，POI完成了它的整个路径而从不停止。它可以保持恒定的速度。需要权衡的是，POI实际上从未接触过路径的端点。

F图2：线性插值（左）在开始下一条轨迹之前将关注点（POI）移动到终点。在混合（右）的情况下，轴在POI到达第一个端点之前开始过渡到后续移动。混合轨迹为等速，尽管POI未完全到达任何指定终点。（安川提供）

在协调运动复杂度范围的远端是轮廓移动，这对复杂曲面很有用。在轮廓移动中，控制器将小的线性和圆形移动组合成复杂的轨迹（见图3）。这种方法对于加工螺旋桨叶片或将碳纤维铺设在曲线表面等应用非常有用。

图3：轮廓移动将POI传送到指定路径上，该路径由一系列串在一起的点对点小移动组成。（国家文书提供）

协调运动简化
协调运动曾经因其复杂性而享有盛誉，这使得机器制造商在所有的应用中都避免使用它，除非是绝对必要的应用。经典的模型是使用PLC来运行机器和专用的运动控制器来处理运动学、路径规划和轨迹生成。编程运动控制器需要特殊的编程经验。添加其他子系统，如数控机床和机器人，原始设备制造商需要工程师能够语言，如G代码，这是不同的供应商。

同时，可编程逻辑控制器的功能也在稳步改进。最初，它们最适合整体机器控制，并支持几个运动轴。随着一代又一代的出现，PLC功能增加到设备可以处理更高级别的协调的程度。为PLCopen计划搭建了舞台。

PLCopen是一个开源软件项目，旨在简化工业自动化。基于IEC 61131-3编程标准，PLCopen专注于针对运动控制中常见任务的可重用功能块（见图4）。特别是，PLCopen第4部分以协调运动为目标。它包括用于常见任务的功能块，如轴分组、坐标变换、进行线性和圆形插值移动等。PLCopen还支持三次样条曲线和混合。

图4：功能块是预先编写的代码块，用于简化协调运动系统的实现。OEM不是在应用层对其系统进行编程，而是通过软件接口配置功能块。（三菱电气自动化提供）

“功能块方法提供了显著的好处，”Binu Thomas说，业务开发——打包和处理，西门子工业(格鲁吉亚诺)。为协调运动从头开始编写代码可能是复杂和耗时的。程序可能很长，而且很难调试。即使软件能够完美地工作，开发过程仍然会消耗大量的资源。Thomas说:“对于高端协调运动控制来说，基于功能块的方法有很多很多优点。“使用标准的预测试模块可以降低成本。调试它们非常简单，因为代码块中已经内置了诊断信息。”

解决方案架构师Marcel Voigt说：“我们不再需要一个专用的运动控制器来实现高度精确和快速的协调运动。”，B&R工业自动化（伊利诺伊州伦巴第）。

在运动供应商社区，趋势是使用功能块方法来增强易用性。客户可以选择购买带有写入固件的功能块的plc。相关的软件简化了系统的设置。oem可以使用图形用户界面来配置系统，而不是编写代码(参见图5)。

图5：GUI可以访问写入PLC固件的功能块，因此设置系统是一个配置问题，而不是编程问题。（安川提供）

这种方法还大大降低了开发成本。Thomas指出，他与一位在工业界工作仅两年的工程师一起进行了一个协调运动项目。托马斯说：“这是他第一次使用工具箱，在三个小时内，我们就可以从头开始安装delta picker。”。

PLCopen的一个重要属性是可以定制功能块。这使运动供应商能够为其系统开发自定义运动学。其想法是，运动供应商创建定制的功能块，以使协调运动易于采用，而无需在异国编程语言方面拥有丰富的内部专业知识。

运动供应商也可以自由地以最有效的方式实现功能块。它越来越多地采用PLC的形式，在固件中嵌入功能块（见图6）。这使得用户能够通过安装在HMI中的GUI设置软件，而不是直接进入代码。

图6：一种新型PLC的CPU，其特点是将协调运动功能块写入固件（由西门子提供）

plc并不是实现功能块的唯一方法。功能块可以在带有软动作的pc上使用。Voigt说:“这只是工业PC和运行时基础的一部分，使PC不仅可以用于包装机的同步运动应用，还可以用于机器人或数控机床的高度协调运动。”

与PLC和工业PC一样，一些应用程序仍然需要经典的专用运动控制器。米勒说：“这几乎取决于轴的数量。”。“我们有一个[基于PLC的]运动控制器，可以进行多轴协调。我们有一个成熟的运动控制器，也可以进行多轴协调…只是轴数更高。此外，编程的方式不是很多配置和编写PLC代码，而是通过图形编辑器。”

归根结底，这取决于客户的选择。Voigt说：“客户可以一路深入到细节，从头开始开发应用程序，或者再上一层使用功能块。”。“或者，他们可以通过专门的码垛或拣放解决方案进入下一个层次。客户可以选择他们喜欢的任何产品。”