通用运动控制技术

davidyu

2008年,B&R提出了Generic Motion Control这个概念，它着眼于整体建立面向整厂级的运动控制解决方案，力图使得这个架构能够适应未来的不断变化的需求和对成本的不断增加的压力。

一、未来的机器设计

模块化设计
人们必须在大量生产降低成本和小批量来适应变化之间选择，这是矛盾，对于印刷、包装、塑料、纺织机械等行业的OEM制造商而言，如何选择一个完整的平台来适应变化的需求？
设备互联

今天，在一个饮料、矿泉水或者液体奶生产厂，我们会看到整个生产线的过程，由吹瓶机生产的PET瓶被机械手输送到灌装线上，而灌装头为其提供精确的灌装，然后压盖、贴标，再按照预先设计的包装采用热膜包装，机器人码垛后装箱，整个过程，我们可以看到：吹瓶会涉及到液压技术来控制瓶子的壁厚，然后直线机械手抓取的定位控制，灌装涉及阀岛和快速的质量流量计信号采集，热膜包含了送瓶、上膜、分瓶等运动控制，而机器人则需要多维度的空间坐标转换，装箱的定位，输送单元的变频，一些简单机械位置调整可能会使用小型的直流伺服，这些融合了定位、CAM、CNC、液压、Robotics技术的整个过程需要一个完整的解决方案来实施，谁能提供如此卓越的技术而又开放简单呢？

克朗斯、立乐或者SIG这些国际知名的厂商均在提供一个完整的包装解决方案，海德堡、Man Roland则不断创新的来为印刷厂提供建立在整场架构下的商业印刷解决方案，简单的机器控制已经不再是时代的潮流，而提供基于集成架构的设计则能满足这种迫切的需求。

软件时代的到来
对于机械制造商而言，他们更加清醒的意识到，软件越来越扮演更重要的角色，如何去在语言之间选择？其实，并非如此，Ladder适合Logic部分的编写，但是C则提供了更合适于复杂算法和打包的需求，IEC和PLCopen提供了开放的功能块来供调用，这就使得软件变得更加方便和开放，而易于获得，却又可以实现复杂的应用，而无需支付未来的费用。

二、什么是GMC?

GMC是一个大的框架，它由以下几个层面构成，组成了一个完整的面向整厂解决方案的系统设计


2.1执行机构：GMC的对象不仅仅是伺服电机了，它把运动控制进行了广泛的外延，使得它具备适应各种现场实际需求的能力。步进、直流、液压、变频和安全技术，这样，不同的性能应用所需的对象均在包含之中，使得客户可以任意选择和组织，获得最优的配置选择，以发挥各执行机构所具有的优势和特点，而无需增加成本去获得昂贵的伺服来控制。

2.2应用层：
2.2.1运动控制
-点到点移动
-电子齿轮
-电子凸轮仿形
-横切
-飞锯
-色标控制
-鼓序列发生器
-套印控制

2.2.2 CNC
CNC普通的运动控制有所不同，例如CNC所需的G代码，以及3D扩展应用、3D CNC 加工，可提供多种运动模型设计算法、并且能够对工作空间监控，而与Logic PLC的任务高速同步来确保整机的完美运行，例如直线、圆弧、抛物线、螺旋线的插补等。

2.2.3机器人技术
而机器人则包含了机器人本身所需要的专业库，例如SCARA、Articulated arm robot、、Parallel SCARA机器人所需的控制均是不同的，而这些可以由ARCN0功能包集成到整个系统中，运行于实时操作系统Automation Runtime之上提供了其实时操作的保证。
-人形机器人运动学
-SCARA运动学
-Steward平台运动学
-工作空间监测
-视校功能设计

2.3软件接口
GMC提供了对PLCopen的标准模块调用支持，这包含了PLCopen Logic、Motion、Hydraulic和Safety技术的各个标准应用包，并且IEC61131所支持的编程工具和功能库也可以被调用，开放的软件调用获得了通用性，而不受制于某项私有技术的制约，能够获得开放组织所提供的长期创新集成，获得持续的可用性，保证了自身技术的独立性的同时，而无需支付昂贵的软件成本。

2.4 GMC诊断技术
CAM 轮廓图形编辑 CAM editor是一个能够对各种应用凸轮曲线进行拉伸和变形操作的工具，能够轻松的按照需求设计所需的定义。智能型的伺服需要具备自整定功能，而示波器功能则提供了工程应用中对于伺服对应参数的实时显示以获得机械工艺改善的参考以及调试方向的改善，通过与Mathworks的合作，在系统里也可以完成Simulink仿真和代码自动生成功能。

2.5Ethernet POWERLINK技术集成
GMC融合了实时通信技术到运动控制中，通常来说，各种控制对象里运动控制对于总线的速度和实时性要求是最高的，基于总线型设计的运动控制需要借助于高速的通信技术来提供数据的交换以确保轴与轴之间的同步关系，在印刷机械、高速CNC加工和机器人应用中，采用高速数据总线来提供各个轴之间的速度、位置以及坐标信号（X,Y,Z,Roll,Pitch,Yaw）至关重要，通过不断的数据交换各个轴之间进行着高速的同步来确保控制目的的实现。



三、为什么采用GMC？
什么是GMC理念设计的源动力？显然， OEM制造商的不断变化的需求和对行业的精深理解使得B&R的设计师们通过集成原有的技术，使得他们之间更加优化组合，设计出放眼全局的通用运动控制解决方案。

变化的需求

如果你到了超市里，你看到那些洗衣粉的包装可谓千奇百怪，或者饮料、啤酒、烟草的包装都在不断的变化，这些给设备制造商很大的压力，因为，他们必须在大批量生产和非标设计的灵活性间平衡，这似乎是矛盾的，但是，运动控制很好的解决了这些问题，与传统的机械设计相比，运动控制使得灵活性得到大幅度的提升：
如果裁切一卷纸，如果采用传统的机械方式，那么刀辊会被根据尺寸而更换，刀辊的成本加上更换调校所需的时间成本加起来，我们会发现，运动控制的灵活性所支付的成本变得微不足道，如果在经编机上采ELS电子横移技术，那么重达2吨的链块安装和调校这项耗费巨大的工作将被触摸屏上的设置代替，不同的纱线成型工艺有所不同，可是通过凸轮，不仅是会出现机械的磨损，而且，变化一次所需要的时间和成本则会被运动控制的数分钟的参数设置所替代，这就是运动控制的魅力。

GMC不断的响应这些需求，在其中集成了多种不同的功能，如上所述，CAM、色标、张力处理、CNC插补、机械手、定位等等，GMC就是为了这些变化来设计的，因为，这是众多OEM制造商所渴望的变化。
成本优化的集成架构
什么是真正意义的成本优化？集成架构对于成本的优化绝非空谈，而是事实，那些应用各种技术的工程师最有贴身体会。

复杂多变的机器需求带来了内在性能的不匹配的同时也带来了成本的压力，因为，为了实现一个不同的衔接可能需要额外的投资。例如：在互联这些设备时，GMC提供了一个再也不需要拼凑各家的系统，而这些系统由于互联增加了额外的硬件开支，接口转换器或者网关模块，以及为了互联而必须进行的设备调试成本。将机器人或者CNC这类专业而封闭的系统加入到系统中需要支付整个的成本，而事实上，对于很多应用而言，并非需要所有却要为一部分支付所有的费用，显然，GMC可以很好的解决这个问题。

事实上，成本并非是一个静止的参考值，潜在的浪费是可怕的，例如：对于不断的加减速的应用，独立的驱动技术使得那些制动的能量被以热量的形式通过制动电阻消耗掉了，而GMC架构下的ACOPOSmulti共直流母线驱动技术则提供了一个DC-BUS的解决方式使得制动的能量回馈到直流母线并被提供到其它电动机状态的轴，通过这一技术，成本被大量的节省，尤其是在工业领域，机器的运转在一年里甚至几乎不间断，那是一个惊人的数字。

持续的成本降低还在于，系统提供了快速的数据分析和反馈能力，为整厂的质量分析和生产工艺优化提供了数据基础，获得持续改善的能力。

GMC-开放平台提供缩短面市时间
IEC+PLCopen标准应用库提供了快速调用，而自定义库提供了差异化设计的能力。
当很多个厂商服务于一个客户的时候，他们经常发现需要掌握很多方面的控制产品进行系统的配置、应用学习和培训，并且，如何使得系统之间能够优化颇费脑筋。
成本损耗总是那么容易被察觉，可是，市场的时机损耗却并非那么直观，如果采用模块化的软件设计+完整的通用控制平台，那么，在贴标里的色标检测就可以被应用到彩色膜包或者裁切单元，而CAM调用则使得裁切、热封动作、烫金、模切、送纸这些不同的应用可以采用相同的功能块，然后根据实际情况来设计数据入口和出口，示波器和仿真功能则缩短了调试周期，通过实时在线数据反馈来获得整机的性能调整方向，获得快速的实现，这一切都是为了快速而高效的投放市场，缩短响应市场的周期，获得优先的竞争力。


四、GMC-面向未来的机器设计

GMC是一个面向未来的设计，它放眼全局，整体架构，运动控制将在生产中扮演越来越重要的角色，而GMC并非是一个设计为单纯的运动控制，并且包含了与PLC、HMI的融合，它不断的改善，以获得在整个机器设计和整个工厂设计的一种柔性平衡，使得各个单元能够具有独立的性能评估和整线的性能匹配，并且使得他们完全不缺乏灵活性。

lizhichuang

学习中，多多指教，，，学习中，多多指教