摘要：研制了一種基于羅克韋爾自動化Kinetix集成運動控制系統的實驗裝置，能夠實現對三自由度運動模型的精確定位控制。介紹實驗裝置的硬件組成，并以實現繪圖儀功能為例說明軟件設計和應用方法。 關鍵詞：Kinetix 運動控制 SERCOS接口 1 引言 　　運動控制系統能實現精確的位置控制，速度控制，加速度控制，轉矩控制以及這些被控量的綜合控制 。隨著工業自動化技術的發展，對運動控制系統的實時性和數據傳輸等方面的要求越來越高。為提高相關專業學生對運動控制系統的認識，哈工大羅克韋爾自動化實驗室利用羅克韋爾自動化捐贈的Kinetix集成運動控制系統組件開發了一種三自由度運動控制實驗裝置，它把邏輯控制和運動控制結合在一起，在一個Kinetix平臺上實現三軸的協調控制。 2 硬件構成 　　實驗裝置硬件結構如圖1所示，由羅克韋爾自動化的Kinetix集成運動控制系統和機械執行裝置構成。Kinetix系統是一個注重于完整的運動控制解決方案，由A-B ControlLogix可編程自動化控制器、SERCOS接口、數字式運動控制模塊、A-B 伺服驅動器、電機和執行機構組成。其中的ControlLogix控制平臺集成有8軸伺服運動模塊，并通過抗干擾的SERCOS（串行實時通訊系統）光纖與伺服驅動器連接，避免了冗長的程序和雜亂的信號線，使系統具有高效、精確的運動控制能力。 2.1 控制系統 　　ControlLogix系統為順序控制、過程控制、運動控制提供了一個統一的平臺。可以在系統的一個1756機架中同時插入多個Logix55xx處理器，除順序控制、過程控制指令外，處理器還有豐富的運動控制指令，這些指令支持各種運動功能，能夠實現高度的集成操作及位置環和速度環的閉環控制，從而滿足各種運動精度的要求。每個處理器都能實現多任務, 并通過機架背板的無源數據總線提供高速靈活的通信功能和強大的輸入、輸出功能；ControlLogix系統還提供50余種基于1756機架的通用數字量和模擬量I/O模塊、通信模塊和特殊功能模塊。如圖1所示本實驗裝置選用Logix5550（1756-L1）處理器作為控制系統的核心部件；通過數字量輸入模塊（1756-IB16）接收外部控制信號；通過Ethernet通信模塊（1756-ENBT）實現與遠程計算機的通信；系統的運動控制功能是由一個帶SERCOS總線接口的8軸數字式運動控制模塊，（1756-M08SE）來實現的。SERCOS是一種專門用于數字伺服和傳動系統的現場總線接口和數據交換協議，能夠實現工業控制計算機與數字伺服系統,傳感器和可編程控制器I/O口之間的實時數據通信。 [align=center]a: 1756-L1 b:1756-ENBT c: 1756-M08SE d:1756-IB16 圖1 硬件結構圖[/align] 2.2 驅動器和伺服電動機 　　裝置采用采用帶SERCOS接口的Ultra 3000（2098-DSD-005-SE）交流伺服驅動器，它提供從簡單的獨立伺服到多軸伺服集成控制系統的全面伺服驅動，使用220V單相交流電輸入，連續輸出峰值電流2.5A，輸出功率0.5kW。可同時實現順序控制及運動控制，完全滿足多軸控制的要求。電機采用A-B的Y-系列低慣量無刷伺服電機（Y-1002-2-H），轉子慣量低，加速度高，電機本身安裝了光電編碼器，帶差動線驅動數據和換向信號，磁釋放24VDC抱閘器，以保證位置精度。 2.3 機械結構 　　裝置的機械部分由X（X1和X2）、Y、Z三個軸組成，每個軸都由伺服電機（動力裝置）、通過聯軸器與電機相連的絲杠（傳動裝置）和導向桿（導向裝置）三部分構成，能夠實現笛卡爾坐標系的X、Y、Z三個方向的運動。其中X軸固定于底座平臺上，用X1、X2兩個平行軸同步運動來增加機械負載能力；Y軸垂直于X軸，并固定在隨X軸絲杠的旋轉而沿X軸方向運動的兩個滑塊上，因此系統中X軸的運動是通過Y軸沿X軸的運動表現出來；Z軸垂直于由X軸和Y軸構成的平面，并整體固定在沿Y軸運動的滑塊上，它表現出Y軸的運動方向；沿Z軸運動的滑塊上裝有一個夾具，可以用來固定畫筆或刻刀等來模擬繪圖儀或雕刻機等設備。這樣綜合控制X、Y、Z三軸電機的旋轉即可實現在三自由度空間的定位。 3 硬件連接與運動控制的實現 　　與1756-L1處理器安裝在同一機架上的運動控制模塊通過其SERCOS接口的TX（接收端口）和RX（發送端口） 與四臺伺服驅動器串接成一個通信回路，伺服驅動器經電纜與電機連接，實現對伺服電機的實時控制。實驗裝置要求既有3軸的獨立運動，又有2或3軸的協調運動，這需要與其他I/O設備的邏輯控制結合才能實現。ControlLogix將邏輯控制與運動控制兩者完美的結合在了一起，系統中的處理器既可以通過EtherNet 網絡接口（1756-ENBT）模塊接收上位計算機的命令，也可以直接接收控制面板的控制信號來對裝置進行運動控制。 3.1 控制面板 　　在實驗裝置控制面板上的按鈕與1756-IB16數字量輸入模塊接點連接，處理器根據這些按鈕的狀態，控制伺服電機的運動，從而實現簡單的運動控制。啟動和停止按鈕控制伺服驅動器的使能和禁止；置零按鈕可以將各軸當前位置設置為坐標原點；運動控制按鈕使伺服裝置按照預先編制好的軌跡運動。 3.2 上位機（PC）控制 　　采用上位機控制系統工作時，可以通過PC機上的人機界面向處理器發送啟動、停止等命令，還可以設置電機速度。處理器根據上位機命令執行用戶程序，控制伺服電機的運動。另一方面，電機的工作參數可通過編碼器反饋給伺服驅動器，進而通過1756-M08SE模塊和EtherNet接口模塊傳遞給上位機，上位機可以以運行速度、加速度、以及角位移等形式顯示在人機界面上，實時監控各軸的運動位置。系統中的PC機還可以用來配置系統參數、調試程序。 4. 軟件設計 　　ControlLogix系統使用RSLogix5000 編程軟件進行組態、編程和監控系統運行。該軟件提供了完整的軸與驅動器配置及運動控制編程支持, 并具有凸輪/ 凸輪運動曲線編輯器，可通過圖形界面產生并監視運動軌跡。只需簡單地在處理器的梯形圖程序中插入標準的運動控制指令就能完成運動控制的編程工作。下面以在實驗裝置上實現繪圖儀的功能為例說明系統組態和編程方法。 4.1添加I/O模塊和驅動器 　　ControlLogix系統中一個框架支持多個處理器，因此，即使系統中的1756模塊與處理器在一個機架內，還需要用RSLogix5000軟件的I/O配置功能將系統中所用的I/O模塊以及與1756-M08SE8模塊相連的4臺Ultra3000伺服驅動器按照他們實際所在的機架槽號和節點號分配給系統中的處理器。為了編程方便將驅動器分別命名為“axis_x1-4”，節點號由硬件設置分別設置為1-4。 4.2 建立運動組 　　畫筆的定位是三軸聯動的結果，因此需要建立運動組（Motion Group）協調各軸運動。在4.1中添加的驅動器顯示在RSLogix5000軟件的“Ungrouped Axes” 目錄下，說明還沒有為驅動器及其相關軸定義所屬的運動組。 　　在RSlogix5000配置運動組的屬性對話框中自定義一個名字為MotionGroup的組，然后在分配軸（Axis Assignment）界面將四個運動軸指派給所建立的運動組。還要對運動組中的軸進行配置，在Units屬性頁中配置所用的單位，可以在inch，meter，mm之間選擇，本系統一個坐標單位取1 mm；在Conversion屬性頁中配置電機每移動一個位置單位編碼器的反饋點，既軸定位的類型，有Linear 和Rotary兩種類型，Linear把反饋點數轉換成移動的距離，Rotary把反饋的點數轉換成旋轉角度，為了直觀地表示各軸的運動距離，這里選擇“Linear”，同時選擇單位計數次數為200000。在建立運動組時要注意設置適當的刷新頻率，以保證運動任務執行的計算時間，在執行運動指令時，由標簽監視位置，速度和加速度，傳送到1756-MO8SE伺服模塊中，還可以傳送到處理器中，上位機監控系統的運行。 4.3 建立并配置三軸坐標系 　　坐標系的建立是三軸精確定位的基礎，在運動組坐標系標簽對話框中自定義名字為AB_XYZ。接著將為建好的坐標系添加運動軸：在坐標系的屬性對話框中選擇坐標系的維數為3，對應X1的Axis Name下拉選擇axis_x，同理，X2和X3分別下拉選擇axis_y, axis_z，完成坐標系的建立。 4.4 繪圖儀控制程序設計 （1）運動控制指令 　　Logix55xx處理器有豐富的運動控制指令，包括用于調整/配置軸或者對伺服系統進行診斷檢測的運動組態指令（Motion Configuration Instructions）；提供專用事件檢測（例如登錄和監視位置）或清除錯誤功能的運動事件指令（Motion Event Instructions）； 控制一組傳動軸運動的傳動組控制指令（Motion Group Instructions）；控制傳動軸位置的運動控制指令（Motion Move Instructions）；能夠直接控制或改變傳動軸的運行狀態的運動狀態指令（Motion State Instructions）；以及在笛卡爾坐標系中實行執行直線或圓弧運動的工具——運動坐標指令（Motion coordinated instructions），這些指令大大簡化了運動控制的編程過程。 　　例如我們欲用實驗裝置繪制“Rockwell”字樣就可以用運動坐標指令中的直線運動（Motion Coordinated Linear Move-MCLM）和圓弧運動（Motion Coordinated Circular Move-MCCM）兩條指令來實現，這兩條指令的特點是只需指定運動軌跡上關鍵的坐標、運動方向以及運動方式等參數而無需知道各軸在實現某段軌跡運動的過程中的動作分配，這樣就簡化了編程的工作。 　　MCCM指令梯形圖符號如圖2所示，它能夠使運動控制系統在笛卡爾坐標系中執行圓弧移動，指令在本例繪圖儀中應用的參數配置如下： Coordinate System：定義為前面命名的AB_XYZ； Motion Control：指令的標簽，自定義為mccmxyz； Move Type：指定運動方式，0為絕對坐標，1為增量位移，這里采用絕對增量的移動方式，即各軸以各自的速度，加速度和減速度，沿著圓弧軌跡向著確定的位置移動； Position：指定運動組各軸的坐標，操作數是三維坐標系下一組序列，其下方顯示的即為剛建立的坐標系的軸； Circle Type：圓弧運動方式，指令定義了四種圓類型操作數：“Via”選擇經過始點和終點之間的一個點；“Center”定義在序列數組中包含圓心；“Radius”序列數組中第一個數組含半徑，“Centre Incremental”指via/center/radius數組定義了一個不斷增長變化的圓心坐標，且這種變化與運動類行操作數無關。其操作數也是三維坐標系下的一組序列，本文采用第一種圓類型； Via/Center/Radius：定義由Circle Type指定的點坐標或半徑； Direction：定義了運動方向，其具體參數值由具體的應用而定，在本例中其意義為在三維坐標系下以最短距離移動； Speed：運動速度，可直接賦值或由標簽定義，本例由立即數定義初值為3； Speed Units：指定由Speed標定的值的單位，有在坐標系下直接定義每秒運動的單位（Units per sec）和根據最大速度的百分比定義（% of Maximum）兩種選項，本例選擇第一種方式； Accel Rate：加速度值，可直接賦值或由標簽定義； Accel Units：設置Accel Rate標定的值的單位； Decel Rate：減速度值，可直接復制或由標簽定義； Dccel Units：設置Decel Rate標定的值的單位； Profile：設置速度變化方式，有Trapezoidal和S Curve兩種選擇，本例選擇第一種。 Merge：定義是否將所有軸的運動轉變為單一坐標系下運動，有Merge Disabled，Coordinated Motion，All Motion三種操作數，由于本系統只建了一個坐標系所以選取第一種操作數。 （2） 編寫控制程序 繪圖儀要實現對“Rockwell”字樣的繪制，首先要完成全局控制功能，包括伺服驅動器的使能與禁止、各軸電機的清錯與復位等。畫筆的運動實際上是按照人工分解的路徑關鍵點運動的過程，是典型的順序運動。本例為字母“R”選擇的關鍵點及這些關鍵點所對應的坐標參見附表。 　　Logix55xx處理器支持自定義數據類型（或數據結構體），在編程之前首先自定義一個命名為 MOTION_PATH的數據結構題，用于按順序保存各關鍵點的運行參數, 每個關鍵點都包含指令類型（Instruction Type）以及MCLM或MCCM指令所需的如Move Type, Circle Type, Direction, Position, ViaCenterRadius等參數的設置值。其中指令類型用于設置程序執行圓弧指令還是直線指令。程序流程如圖3所示，在上電初始化時將畫筆復位到起始點，并使能各運動軸。在程序執行時，可以通過依次調出關鍵點參數，順序完成圖形的繪制。 5 結束語 　　基于Kinetix的三自由度運動控制實驗裝置及其所繪制“Rockwell”字樣如圖4所示，它通過三個坐標軸的協調運動直觀地展示運動控制的特點，學生只需編制簡單的梯形圖程序就能實現各種運動控制功能，能夠在實驗中對運動控制有更直觀和深刻的理解。系統采用Kinetix集成運動控制系統大大簡化了系統集成和調試，模塊與驅動器之間的通訊連接使用光纖介質，確保可靠的具有良好抗干擾性的高速數據傳送，提高了通訊速度以及驅動器和運動模塊之間的互連性。 參考文獻 [1] 李琰、徐殿國等，SERCOS接口應用技術研究[J].Servo Control，2006（9）：20-22，26 [2] 丁金水，郁建平, 1756-M08SE 模塊的多軸運動控制[J], 機械制造與自動化，2005，34（1）：68-71,75 [3] 張君峰,ControlLogix和SERCOS系統結合應用[J],電氣時代,2005,（08）：54-55,57 [4] Rockwell AB Logix5550 Motion Instruction Set [5] Rockwell AB RSLogix5000 Configuration and Programming [6] Rockwell AB ControlLogix Reference Manual [7] Rockwell AB1756-M08SE Installation Instruction 作者簡介 李鳳閣 （1967-）女 碩士/高級工程師。