新控件选项简化协调动作

很容易假设所有的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殊的子集。控制方案涉及多个轴独立操作以定位负载比那些需要高度同步运动更容易执行。后者被称为协调运动控制，需要非常快速的控制回路和高分辨率的反馈。曾经有一段时间，构建这些系统需要编程专业知识、专用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人机界面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Yaskawa America(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着多个轴运动来定位负载，而不需要它们之间的协调。例如，一个码头起重机可能首先沿着x轴将集装箱移动到其预期位置，然后在z轴上将其降低，直到它到达船的甲板。运动是沿两个轴进行的，但是连续的，而不是同时的。一种用于药房的自动药丸分配器，它可以定位瓶子，打开喂食槽，分发药物，并将瓶盖盖上，不涉及协调运动控制。它可能涉及集中控制，但在这里，动作也是连续播放的。如果它是使用分布式控制实现的，主从体系结构涉及到“更智能的”轴将命令传递给连接的轴。

即使同时沿多个轴运动也不能算作协调运动。考虑DNA分析仪的XY定位阶段，它沿着正交的轴移动，以达到所需的样品井。定位可以利用两个轴上的同时运动，但沿着一个轴的运动精度并不用于修改对第二个轴的命令。然而，如果同一仪器中的试剂分配头需要沿对角线路径在样品孔之间移动，情况就会发生巨大变化。现在，X轴运动引起的误差需要沿y轴考虑，以达到所需的精度的终点。现在，这个系统应用了协调运动。

协调动作涉及定位需要一个轴来更新其移动的任务，这取决于其他轴的性能和反馈。这可以涉及多个作用在一起的轴来定位单个负载，例如穿过复杂路径的移动工具，以使叶轮变成叶轮。或者，它可以涉及多个单独的轴同步其位置和运动以完成诸如以塑料包裹或切断塑料管的端部的产品的操作。其他示例包括3D打印，在汽车体形成线中的冲压钢坯料，以及碳纤维放置（见图1）。

图1：该碳纤维放置系统必须在轴之间的运动坐标到高精度。

协调运动的基础知识

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。“你创建主人，无论是编码器还是虚拟电机，”高级产品经理Robert Miller说三菱电机自动化（Vernon Hills，伊利诺伊州）。“您旋转虚拟电机，然后所有其他轴都将遵循它或遵循编码器以创建运动配置文件。”

该架构可以通过集中控制器或通过智能驱动器实现集中式和分布式控制的组合来实现。由集中控制器管理的轴可能遵循更复杂的运动配置文件，而分布式轴可能是简单的线性配置文件。“您可以在放大器中关闭的信息越多，运动越快就会越快，因为您不必将数据发送到控制器并等待响应，”米勒说。“一旦信息发送到放大器，它们将执行其任务。运动控制器只需要监控那些轴并在需要时进行调整，“添加米勒。

并非所有协调的运动都将自己带到主从架构。或者，轴可以在集中控制中进行分组。该组方法提高了轨迹规划。它具有以下优点：每当一个轴开发错误时，控制器都会修改每个轴的命令以相应地补偿。

协调转换
根据应用的不同，一个系统可能包含机器人或数控机床，以及多个运动轴。为了以指定的速度将感兴趣点(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。这涉及到使用复杂运动学在多个坐标系之间的转换。

我们可以建立以下坐标系:

• 轴坐标系(ACS):寻的物理轴的参照系
• 机器坐标系（MCS）：机器的坐标系，原点通常在基础上;对于笛卡尔系统，MCS可以与ACS相同
• 产品坐标系(PCS):工件坐标系
• 世界坐标系（WCS）：固定框架框架，包括多台机器

考虑一个拾取的系统，将部分从传送带移动到盒子。机器人的末端执行器位于ACS中，而底座在MCS中定义。输送机上的部件位于PC中，并且在WCS中定义了整个系统。为了移动零件，软件需要从ACS转换到MCS，然后将偏移从MCS确定为WCS，更新每个轴的位移以补偿错误。

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
运动可以分为点对点移动和轮廓移动。某些点对点移动是独立的路径？控制器独立地管理多个轴的运动以将POI带到指定位置。召回定位有正交轨迹的DNA序列序列。为了将定序器的运动转换为对角线路径，系统需要应用内插运动。

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
  样本应用包括齿轮架，笛卡尔系统以一定角度移动，或以不同速度移动的多个轴移动。
• 圆插补:在两点之间沿圆周运动
  样品应用包括胶水分配。
• 螺旋插值：沿着圆圈的运动，沿z轴附加翻译
  示例应用包括3D打印、胶水点胶和加工叶轮叶片等曲面。
• 球面插值：沿球形外部运动
  示例应用包括机器人和其他类型的曲线运动。
• 立方样条拟合：任意运动

协调运动的关键变化是所谓的混合移动。为了说明，考虑一系列描述三角形的线性移动。POI使用线性插值从点A到点B移动。在B点，它暂停，然后从点B到点C的线性轨迹遵循。在点C时停止后，它返回点A（参见图2）。

这条路径精确，使其适合切割等应用。然而，它涉及每个终点的完整停止，这对于诸如绘画和焊接等恒流应用没有有效。在这些情况下，混合提供了更好的结果。

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。

FIGURE 2：线性插值（左）在启动下一个轨迹之前将兴趣点（POI）移动到终点。在混合（右）的情况下，在POI甚至到达第一端点之前，轴开始转换到后续移动。混合轨迹是恒定的速度，但POI没有完全达到任何指定的终点。（由Yaskawa提供）

在协调运动复杂度范围的远端是轮廓移动，这对复杂表面有益。在轮廓移动中，控制器组装来自小线性和圆形移动的复杂轨迹（参见图3）。这种方法对于加工螺旋桨叶片或将碳纤维铺设到曲线表面上的应用是有用的。

图3:一个轮廓移动在一个指定的路径上，由一系列小点到点的移动串在一起。(美国国家仪器公司提供)

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，可编程控制器的功能也在稳步提高。最初，它们是最好的整体机器控制，支持几个运动轴。随着几代人的相继出现，PLC的功能增加到设备可以处理更高级别的协调。PLCopen倡议的舞台已经准备就绪。

PLCOPEN是一种旨在简化工业自动化的开源软件计划。基于IEC 61131-3编程标准，PLCoPen侧重于可重用的功能块，该函数块针对运动控制中的常见任务（参见图4）。特别是Plcopen第4部分目标协调动作。它包括用于分组轴，坐标变换，制作线性和循环内插移动等的常见任务的功能块等.PLCOPEN还支持立方样条和混合。

图4：功能块是预先写入代码的块，简化了协调运动系统的实现。OEM通过软件接口配置功能块而不是在应用程序层上编程其系统。（由三菱电动自动化提供）

“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。”

“我们不再需要一个专门的运动控制器来实现高度精确和快速的协调运动，”解决方案设计师Marcel Voigt说，B&R工业自动化(伦巴第,伊利诺斯州)。

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，以便设置系统是配置而不是编程。（由Yaskawa提供）

这种方法还大大降低了开发成本。托马斯指出，他与一位在工业领域工作了两年的工程师共同完成了一个协调运动项目。Thomas说:“这是他第一次使用这个工具箱，在3个小时内，我们就能够从头开始安装delta拾取器。”

Plcopen的一个重要属性是可以自定义功能块。这使能动议供应商为其系统开发自定义运动学。这个想法是，运动供应商创建定制的功能块，以便在异国情调的编程语言中没有重要内部专业知识，使协调的运动易于采用。

运动供应商也可以以最有效的方式自由实现功能块。越来越多地，已经采取了PLC的形式，其中嵌入固件中的功能块（见图6）。这使用户能够通过在HMI中安装的GUI来设置软件，而不是直接潜入代码。

图6:用于新一代plc的CPU，其特点是写入固件的协调运动功能块(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。”

作为PLC和工业PC的功能可能，某些应用仍然需要经典的专用运动控制器。“几乎归结为轴的数量，”米勒说。“我们有一个[PLC为主]运动控制器，可以进行多轴协调。我们有一个完整的运动控制器，也可以进行多元x协调......只是一个更高的轴数。此外，您编程的方式不是很多配置和编写PLC代码，它通过图形编辑器。“

最终，它归结为客户选择。“客户可以一路走到Nitty GriTy并从头开始开发应用程序，或者将应用程序开发，或者将下一级别提升并使用功能块”，“Voigt说。“或者，他们可以通过专门的解决方案进行码垛或挑选的专用解决方案。客户可以选择他们舒适的任何东西。“