1.2.7 智能制造对运动控制的要求和运动控制的发展趋势

智能制造市场对运动控制产品和系统的要求可归结为8点：更好，更安全，更智能，更快，噪声更小，运转更平滑，价格更便宜，体积更小。以上8项能同时满足4项，就足以在商场竞争中成为胜者。

“更好”主要是指能效高，改善能效算法，驱动功耗低，编码器分辨率高，运动控制通信总线速率高、抖动小。“更安全”包括推行国际机械安全标准（UL-ISO-IEC），提供运动控制和安全控制一体化系统，采用高绝缘材料等。“更智能”应该涵盖伺服驱动器智能算法，运动控制软件平台对不同行业和装备的针对性更强，以低制造成本为前提向绝对型定位驱动反馈发展，优化节能和降低能源损耗。“更快速”是要提高伺服电动机轴速，高电压驱动要求采用高性能IGBT和FET器件才能满足高转速输出，低谐波，提高器件反馈带宽至400kHz以上。“噪声更小”要求采用新的电机设计降低振动和减少电动机固有谐波，控制电动机功率输入的谐波，控制电机输入电压和电流的波形以降低谐波。“运转更平滑”是指利用DSP和FP GA的性能计算和存储电压电流波形，消除谐波和畸变，使运动速度和加速度更为平滑，高分辨的反馈信号和更好的运动控制总线性能也有利于运动平滑平稳。“体积更小”不言而喻。“价格更便宜”，如中国制造的伺服系统比美国至少便宜20%，运动控制系统中软件比硬件的比例更高，意味着整体价格趋向于不断下降，数字驱动比模拟驱动价格便宜，性能更强。

1.智能制造推动运动控制技术巨大进步

从传统制造发展到智能制造，运动控制技术获得了巨大的进步，主要表现如下：

● 适应高速精准的制造加工，驱动器必然大量采用伺服驱动。

● 随着PLCopen的运动控制规范成为事实上的工业标准，软件在运动控制中的作用和比重日趋增强，运动控制软件平台化必然建立在模块化的架构之上。

● 一体化的逻辑控制、运动控制及视觉控制开发平台，可提升高效且快速开发智能制造生产线和智能制造装备的能力，逐步实现知识的自动化。

● 适用于运动控制应用的现场总线和工业以太网的发展，致使分布式运动控制进展迅速。

● 运动控制系统负载端的反馈信息采集呈多元化，视觉系统大量应用。

● 智能制造的重要环节之一是如何把以伺服驱动为核心的运动控制与逻辑控制和顺序控制完美地结合起来，形成快速、精准、节能且高效的智能化控制。

以成形加工（包括塑料成形、冲压成形和压铸成形等）的装备为代表，呈现用伺服驱动系统替代液压驱动或机械驱动系统的发展趋向。通用伺服运动控制促使智能制造装备发展全电动注塑机采用伺服系统驱动注塑泵，大大减少了压力波动，提高了产品质量，节能效果显著。伺服冲床或锻压机械采用伺服系统直接带动偏心轮实现滑块的运动轨迹控制（行程、速度曲线等），不但大大简化了机械设计（去掉蓄能的飞轮机构），而且大大提高了生产率和成形质量，降低能耗，满足多种工艺要求。这种趋向是多年来在包装机械及其生产线、印刷机械及其生产线、纺织机械、塑料及橡胶加工机械等广泛采用伺服系统实现数字化和智能化的成功实践中，全方位地向各类机械装备推广运用的体现。

数字化伺服系统具有足够的优越性，体现了智能控制技术的优越性：

● 在进行精确定位控制的同时，还可满足速度控制和转矩控制的要求。

● 通过工业以太网可方便实现多轴同步控制。

● 快速运动，启动力矩大，加减速控制功能强。

● 节能潜力巨大。

● 便于用软件来实现各类机械装置运动过程中负载控制的要求。

值得注意的是，过去由于伺服系统技术复杂，价格较贵，应用面很有限。而随着越来越广泛的运用，生产批量越大，它的成本迅速下降。进而随着机械系统变得简约，整体的成本也会显著降低。

2.市场需求推动运动控制软件的标准化进程

长期以来，用户可在很大范围内选择实现运动控制的硬件。不过，每种硬件都要求独自而无法兼容的开发软件。即使所要求的功能完全相同，在更换另一种硬件时，也需要重新编写软件。这一困扰运动控制用户的问题，其实质就是如何实现运动控制软件的标准化。这实际上是一种市场推动。PLCopen国际组织考虑到用户存在运动控制软件标准化的需求，从1996年就建立了运动控制规范工作组，历时十多年完成了这一具有挑战性的工作。PLCopen开发运动控制规范的目的在于：在IEC 61131-3为基础的编程环境下，在开发、安装和维护运动控制软件等各个阶段，协调不同的编程开发平台都能满足运动控制功能块的标准化要求。

由此可以清晰地看出，制定PLCopen运动控制规范是为了构建满足各类运动控制要求的模块化的软件系统。PLCopen开发运动控制标准化的技术路线是：在以IEC 61131-3为基础的编程环境下，建立标准的运动控制应用功能块库。这样做的原委是：让运动控制软件的开发平台独立于运动控制的硬件；让运动控制的软件具有良好的可复用性；让运动控制软件在开发、安装和维护等各个阶段，都能满足运动控制功能块的标准化要求。

特别是该规范的第四部分，创造性地规范了多轴协调运动控制的理论基础和功能性，并详尽规定了各种相关的功能块。经过多年的努力，现在已经有了很好的实现，既有集合机器人、CNC（数控机床）和通用运动控制的工程软件平台，也有硬软件一体化的PLC系列产品，还有许多实际应用运动控制规范的智能装备。

IEC 61131-3为机械部件的运动控制提供一种良好的架构，PLCopen选择以此为基础，为运动控制提供功能块库，最显著的特点是：极大增强了运动控制应用软件的可复用性，从而减少了开发、培训和技术支持的成本；只要采用不同的控制解决方案，就可按照实际要求实现运动控制应用的可扩可缩；功能块库的方式保证了数据的封装和隐藏，进而使之能适应不同的控制系统架构，譬如说集中的运动控制架构、分布式的运动控制架构，或者既有集中又有分散的集成运动控制架构；它不但服务于当前的运动控制技术，而且也能适应今后的或正在开发的运动控制技术。所以，IEC 61131-3与PLCopen运动控制规范的紧密结合提供了理想的机电一体化的解决方案。

3.PLC、机器人和CNC技术融合发展的趋势

运用PLCopen运动控制规范的第四部分，可以运用简明直观的功能块方式来控制包括机器人、CNC在内的加工机械。当前，智能制造和数字化工厂正在全球蓬勃发展。一个首当其冲的关键就是CNC和机器人这些制造单元的开放架构问题。MES、ERP、CAM……，都要求制造设备层能提供基于IT技术的软硬件接口。而且智能制造技术的实现也要求CNC、机器人和其他制造单元和设备之间建立开放性的网络和软件接口。与此同时，由于驱动技术和机器人技术的发展，使得用机器人来控制CNC加工单元成为可能。

以上这些技术的进展，表明了当前智能制造装置最前沿的一个值得关注的动向，就是PLC技术、机器人技术和CNC技术正在呈现融合发展的趋势。不过，对于传统的CNC和机器人厂商来说，要迅速适应变化也非易事，因为这首先需要开放的软件架构。传统厂商的硬件绝大多数是基于RISC的芯片，升级转型并没有非常方便和高效率的方案。显而易见，采用更为开放的IT集成Intel的CISC芯片，会容易得多。

平台的改变意味着工作量很大。PLCopen运动控制规范及其软件实现（例如，德国斯图加特大学的机床控制工厂研究所开发的ISG Kernel平台）给出了快速实现的可能。

KUKA和ISG合作开发的机器人CNC目前已经取得了一定的成功。对于材质为铸钢、铝、塑料和木材的工件，机器人的加工质量符合要求。它在节省操作空间和价格上的潜力，令人鼓舞并感兴趣。

对数字化机加工工厂，CNC已能够满足CAD-CAM链的要求，而传统的机器人则不能满足；此外，在使用CNC时，机器人与机器人运动学也难以满足两者之间的优化配合。只有将传统机器人升级，使之具备CNC的功能，构成一体化的CNC机器人，才能解决上述两个问题。

要求传统的CNC具备机器人的运动学的功能花费太高，这是因为只有在控制软件中运用非常复杂的高速切割算法HSC，才能够掌控机器人的运动学。进一步的潜力在于扩展这一功能性，尤其是在路径规划的场合。

KUKA早在2008年就开始用Automation Framework作为其KRC4 controller的软件平台。这一系统在2010年就投放市场。所有的专用控制器（机器人控制器RC、PLC、运动控制器MC、PC以及顺序控制器等）全部被多功能的机器人控制器的软件任务（机器人运动、生产顺序控制、定位、生产流程和操作者安全等）所取代。

4.嵌入式的视觉处理系统

视觉技术使机械装备和机器人更能适应智能制造的环境，特别是在智能制造的生产线中，让它们与加工工件之间的相互作用显得快速、准确且灵敏。例如，在装配线上、在制造环境下，使得它们能安全而灵巧地运动，能相互看得见，而且能了解、预知下一步它们应该如何配合。

智能制造生产线应该比人工更不知疲倦、更快速、更精确，这只有利用视觉系统才可能做到。智能制造需要实时的数字式视觉处理系统，而以往的视觉系统复杂昂贵，即使能满足装备或工件运动的要求，也只能限定在固定的方向和一定的位置。现在人们需要的是有足够实时要求的数字式视觉处理系统。这类系统由性价比高的视觉处理器器件、能分辨景深且分辨力高的传感器、处理能力强的低功耗CPU以及运行适应性强的软件算法等组成。

在智能制造控制系统中集成嵌入式视觉系统可以用于自动装配线、工件/成品的检查、成品入库跟踪以及工作场所的安全监控。

实际上，在追求能实现高性能、低功耗、低价格和可编程等综合要求的同时，也能实现图像处理的方案，是具有挑战性的。目前基本上倾向使用多核的器件：一个通用的CPU进行启发式的复杂决策、网络存取、用户接口、存储管理和整体控制，一个高性能的数字信号处理器进行实时的筛选处理（用复杂筛选算法），一个或数个高度并行的引擎进行像素处理（用简单算法）。实际上使用的器件包含高性能的CPU、带CPU的图像处理器、带加速器和CPU的数字信号处理器以及带CPU的FPGA。

为了实现运动控制和视觉系统一体化，近些年来运动控制系统负载端的反馈信息采集呈现多元化，特别是视觉系统大量应用，使机器人控制的精准程度和动作速度都有了很大提高。如果这两个系统是相互独立的，那么集成的成本高，信息的反馈也受到制约，总的效果是要大打折扣的。将两个系统合为一体，一种方案是采用多核的SoC芯片，譬如集成了有ARM核（常规控制）、DSP核（运动控制）和视觉处理核的芯片。这种芯片的RAM具有多个端口，多个核交换信息，相当于对存储器的存取，快速而方便。近些年出现了将视觉处理功能和工业通信功能也纳入的解决方案，在操作系统实时核的统一调度下，统一管理硬件存取、自动化的有关功能（PLC、CANopen和EtherCAT网络）以及图像处理。详见图1-23所示德国Kithara公司的嵌入式实时操作系统的功能图。