哈爾濱工業(yè)大學(xué) 羅克韋爾自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室 李鳳閣 葉雪榮 林景波 梁慧敏

摘要：研制了一種基于羅克韋爾自動(dòng)化Kinetix集成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置稿棚，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)三自由度運(yùn)動(dòng)模型的精確定位控制。介紹實(shí)驗(yàn)裝置的硬件組成取阳，并以實(shí)現(xiàn)繪圖儀功能為例說明軟件設(shè)計(jì)和應(yīng)用方法采缎。

關(guān)鍵詞：Kinetix 運(yùn)動(dòng)控制 SERCOS接口

1 引言

　　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)精確的位置控制，速度控制灌罐，加速度控制敌菩，轉(zhuǎn)矩控制以及這些被控量的綜合控制 。隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展坡循，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娴囊笤絹碓礁呤韫啊樘岣呦嚓P(guān)專業(yè)學(xué)生對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，哈工大羅克韋爾自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室利用羅克韋爾自動(dòng)化捐贈(zèng)的Kinetix集成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組件開發(fā)了一種三自由度運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)裝置肯拨，它把邏輯控制和運(yùn)動(dòng)控制結(jié)合在一起榕每，在一個(gè)Kinetix平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)三軸的協(xié)調(diào)控制。

2 硬件構(gòu)成

　　實(shí)驗(yàn)裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示雪猪，由羅克韋爾自動(dòng)化的Kinetix集成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和機(jī)械執(zhí)行裝置構(gòu)成栏尚。Kinetix系統(tǒng)是一個(gè)注重于完整的運(yùn)動(dòng)控制解決方案，由A-B ControlLogix可編程自動(dòng)化控制器只恨、SERCOS接口译仗、數(shù)字式運(yùn)動(dòng)控制模塊、A-B 伺服驅(qū)動(dòng)器坤次、電機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成古劲。其中的ControlLogix控制平臺(tái)集成有8軸伺服運(yùn)動(dòng)模塊，并通過抗干擾的SERCOS（串行實(shí)時(shí)通訊系統(tǒng)）光纖與伺服驅(qū)動(dòng)器連接缰猴，避免了冗長的程序和雜亂的信號(hào)線产艾，使系統(tǒng)具有高效、精確的運(yùn)動(dòng)控制能力滑绒。

2.1 控制系統(tǒng)

　　ControlLogix系統(tǒng)為順序控制闷堡、過程控制、運(yùn)動(dòng)控制提供了一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)「芾溃可以在系統(tǒng)的一個(gè)1756機(jī)架中同時(shí)插入多個(gè)Logix55xx處理器弯菊，除順序控制、過程控制指令外牺缰，處理器還有豐富的運(yùn)動(dòng)控制指令田蕴，這些指令支持各種運(yùn)動(dòng)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)高度的集成操作及位置環(huán)和速度環(huán)的閉環(huán)控制醋咒，從而滿足各種運(yùn)動(dòng)精度的要求负稚。每個(gè)處理器都能實(shí)現(xiàn)多任務(wù), 并通過機(jī)架背板的無源數(shù)據(jù)總線提供高速靈活的通信功能和強(qiáng)大的輸入、輸出功能晦苞；ControlLogix系統(tǒng)還提供50余種基于1756機(jī)架的通用數(shù)字量和模擬量I/O模塊央改、通信模塊和特殊功能模塊。如圖1所示本實(shí)驗(yàn)裝置選用Logix5550（1756-L1）處理器作為控制系統(tǒng)的核心部件浊娄；通過數(shù)字量輸入模塊（1756-IB16）接收外部控制信號(hào)仑锥；通過Ethernet通信模塊（1756-ENBT）實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的通信；系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制功能是由一個(gè)帶SERCOS總線接口的8軸數(shù)字式運(yùn)動(dòng)控制模塊矗夯，（1756-M08SE）來實(shí)現(xiàn)的德州。SERCOS是一種專門用于數(shù)字伺服和傳動(dòng)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線接口和數(shù)據(jù)交換協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與數(shù)字伺服系統(tǒng),傳感器和可編程控制器I/O口之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信花炭。

a: 1756-L1 b:1756-ENBT c: 1756-M08SE d:1756-IB16

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 驅(qū)動(dòng)器和伺服電動(dòng)機(jī)

　　裝置采用采用帶SERCOS接口的Ultra 3000（2098-DSD-005-SE）交流伺服驅(qū)動(dòng)器躬拢，它提供從簡(jiǎn)單的獨(dú)立伺服到多軸伺服集成控制系統(tǒng)的全面伺服驅(qū)動(dòng)，使用220V單相交流電輸入见间，連續(xù)輸出峰值電流2.5A，輸出功率0.5kW工猜∶姿撸可同時(shí)實(shí)現(xiàn)順序控制及運(yùn)動(dòng)控制，完全滿足多軸控制的要求篷帅。電機(jī)采用A-B的Y-系列低慣量無刷伺服電機(jī)（Y-1002-2-H）史侣，轉(zhuǎn)子慣量低，加速度高魏身，電機(jī)本身安裝了光電編碼器惊橱，帶差動(dòng)線驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)和換向信號(hào)，磁釋放24VDC抱閘器箭昵，以保證位置精度税朴。

2.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)

　　裝置的機(jī)械部分由X（X1和X2）、Y家制、Z三個(gè)軸組成正林，每個(gè)軸都由伺服電機(jī)（動(dòng)力裝置）、通過聯(lián)軸器與電機(jī)相連的絲杠（傳動(dòng)裝置）和導(dǎo)向桿（導(dǎo)向裝置）三部分構(gòu)成裕消，能夠?qū)崿F(xiàn)笛卡爾坐標(biāo)系的X桃铛、Y肋森、Z三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。其中X軸固定于底座平臺(tái)上假磺，用X1烈杠、X2兩個(gè)平行軸同步運(yùn)動(dòng)來增加機(jī)械負(fù)載能力；Y軸垂直于X軸努扶，并固定在隨X軸絲杠的旋轉(zhuǎn)而沿X軸方向運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)滑塊上鸵丸，因此系統(tǒng)中X軸的運(yùn)動(dòng)是通過Y軸沿X軸的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出來；Z軸垂直于由X軸和Y軸構(gòu)成的平面肪禾，并整體固定在沿Y軸運(yùn)動(dòng)的滑塊上贪焊，它表現(xiàn)出Y軸的運(yùn)動(dòng)方向；沿Z軸運(yùn)動(dòng)的滑塊上裝有一個(gè)夾具袁羔，可以用來固定畫筆或刻刀等來模擬繪圖儀或雕刻機(jī)等設(shè)備惦肴。這樣綜合控制X、Y挠疲、Z三軸電機(jī)的旋轉(zhuǎn)即可實(shí)現(xiàn)在三自由度空間的定位耳标。

3 硬件連接與運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)

　　與1756-L1處理器安裝在同一機(jī)架上的運(yùn)動(dòng)控制模塊通過其SERCOS接口的TX(接收端口)和RX(發(fā)送端口) 與四臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器串接成一個(gè)通信回路，伺服驅(qū)動(dòng)器經(jīng)電纜與電機(jī)連接邑跪，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)控制次坡。實(shí)驗(yàn)裝置要求既有3軸的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，又有2或3軸的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)画畅，這需要與其他I/O設(shè)備的邏輯控制結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)砸琅。ControlLogix將邏輯控制與運(yùn)動(dòng)控制兩者完美的結(jié)合在了一起，系統(tǒng)中的處理器既可以通過EtherNet 網(wǎng)絡(luò)接口（1756-ENBT）模塊接收上位計(jì)算機(jī)的命令轴踱，也可以直接接收控制面板的控制信號(hào)來對(duì)裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制症脂。

3.1 控制面板

　　在實(shí)驗(yàn)裝置控制面板上的按鈕與1756-IB16數(shù)字量輸入模塊接點(diǎn)連接，處理器根據(jù)這些按鈕的狀態(tài)淫僻，控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)诱篷，從而實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)控制。啟動(dòng)和停止按鈕控制伺服驅(qū)動(dòng)器的使能和禁止雳灵；置零按鈕可以將各軸當(dāng)前位置設(shè)置為坐標(biāo)原點(diǎn)棕所；運(yùn)動(dòng)控制按鈕使伺服裝置按照預(yù)先編制好的軌跡運(yùn)動(dòng)。

3.2 上位機(jī)（PC）控制

　　采用上位機(jī)控制系統(tǒng)工作時(shí)悯辙，可以通過PC機(jī)上的人機(jī)界面向處理器發(fā)送啟動(dòng)地垢、停止等命令，還可以設(shè)置電機(jī)速度认施。處理器根據(jù)上位機(jī)命令執(zhí)行用戶程序鹅址，控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。另一方面，電機(jī)的工作參數(shù)可通過編碼器反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器妨谦，進(jìn)而通過1756-M08SE模塊和EtherNet接口模塊傳遞給上位機(jī)巡雄，上位機(jī)可以以運(yùn)行速度、加速度显而、以及角位移等形式顯示在人機(jī)界面上夹宏，實(shí)時(shí)監(jiān)控各軸的運(yùn)動(dòng)位置。系統(tǒng)中的PC機(jī)還可以用來配置系統(tǒng)參數(shù)楷芝、調(diào)試程序檩耕。

4. 軟件設(shè)計(jì)

　　ControlLogix系統(tǒng)使用RSLogix5000 編程軟件進(jìn)行組態(tài)、編程和監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行裕砖。該軟件提供了完整的軸與驅(qū)動(dòng)器配置及運(yùn)動(dòng)控制編程支持, 并具有凸輪/ 凸輪運(yùn)動(dòng)曲線編輯器蜒鸣，可通過圖形界面產(chǎn)生并監(jiān)視運(yùn)動(dòng)軌跡。只需簡(jiǎn)單地在處理器的梯形圖程序中插入標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制指令就能完成運(yùn)動(dòng)控制的編程工作鸵隧。下面以在實(shí)驗(yàn)裝置上實(shí)現(xiàn)繪圖儀的功能為例說明系統(tǒng)組態(tài)和編程方法绸罗。

4.1添加I/O模塊和驅(qū)動(dòng)器

　　ControlLogix系統(tǒng)中一個(gè)框架支持多個(gè)處理器，因此豆瘫，即使系統(tǒng)中的1756模塊與處理器在一個(gè)機(jī)架內(nèi)珊蟀，還需要用RSLogix5000軟件的I/O配置功能將系統(tǒng)中所用的I/O模塊以及與1756-M08SE8模塊相連的4臺(tái)Ultra3000伺服驅(qū)動(dòng)器按照他們實(shí)際所在的機(jī)架槽號(hào)和節(jié)點(diǎn)號(hào)分配給系統(tǒng)中的處理器。為了編程方便將驅(qū)動(dòng)器分別命名為“axis_x1-4”外驱，節(jié)點(diǎn)號(hào)由硬件設(shè)置分別設(shè)置為1-4育灸。

4.2 建立運(yùn)動(dòng)組

　　畫筆的定位是三軸聯(lián)動(dòng)的結(jié)果，因此需要建立運(yùn)動(dòng)組（Motion Group）協(xié)調(diào)各軸運(yùn)動(dòng)昵宇。在4.1中添加的驅(qū)動(dòng)器顯示在RSLogix5000軟件的“Ungrouped Axes” 目錄下磅崭，說明還沒有為驅(qū)動(dòng)器及其相關(guān)軸定義所屬的運(yùn)動(dòng)組。

　　在RSlogix5000配置運(yùn)動(dòng)組的屬性對(duì)話框中自定義一個(gè)名字為MotionGroup的組趟薄，然后在分配軸(Axis Assignment)界面將四個(gè)運(yùn)動(dòng)軸指派給所建立的運(yùn)動(dòng)組绽诚。還要對(duì)運(yùn)動(dòng)組中的軸進(jìn)行配置，在Units屬性頁中配置所用的單位杭煎，可以在inch，meter卒落，mm之間選擇枝徙，本系統(tǒng)一個(gè)坐標(biāo)單位取1 mm；在Conversion屬性頁中配置電機(jī)每移動(dòng)一個(gè)位置單位編碼器的反饋點(diǎn)顺丸，既軸定位的類型饺焕，有Linear 和Rotary兩種類型，Linear把反饋點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換成移動(dòng)的距離短即，Rotary把反饋的點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)角度什氮，為了直觀地表示各軸的運(yùn)動(dòng)距離，這里選擇“Linear”，同時(shí)選擇單位計(jì)數(shù)次數(shù)為200000舟道。在建立運(yùn)動(dòng)組時(shí)要注意設(shè)置適當(dāng)?shù)乃⑿骂l率莫金，以保證運(yùn)動(dòng)任務(wù)執(zhí)行的計(jì)算時(shí)間，在執(zhí)行運(yùn)動(dòng)指令時(shí)遍沟，由標(biāo)簽監(jiān)視位置洽咬，速度和加速度，傳送到1756-MO8SE伺服模塊中倚务，還可以傳送到處理器中橙围，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行。

4.3 建立并配置三軸坐標(biāo)系

　　坐標(biāo)系的建立是三軸精確定位的基礎(chǔ)着逐，在運(yùn)動(dòng)組坐標(biāo)系標(biāo)簽對(duì)話框中自定義名字為AB_XYZ崔赌。接著將為建好的坐標(biāo)系添加運(yùn)動(dòng)軸：在坐標(biāo)系的屬性對(duì)話框中選擇坐標(biāo)系的維數(shù)為3，對(duì)應(yīng)X1的Axis Name下拉選擇axis_x耸别，同理健芭，X2和X3分別下拉選擇axis_y, axis_z，完成坐標(biāo)系的建立太雨。

4.4 繪圖儀控制程序設(shè)計(jì)

（1）運(yùn)動(dòng)控制指令

　　Logix55xx處理器有豐富的運(yùn)動(dòng)控制指令吟榴，包括用于調(diào)整/配置軸或者對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行診斷檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)組態(tài)指令（Motion Configuration Instructions）；提供專用事件檢測(cè)（例如登錄和監(jiān)視位置）或清除錯(cuò)誤功能的運(yùn)動(dòng)事件指令（Motion Event Instructions）囊扳； 控制一組傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)組控制指令(Motion Group Instructions)吩翻；控制傳動(dòng)軸位置的運(yùn)動(dòng)控制指令(Motion Move Instructions)；能夠直接控制或改變傳動(dòng)軸的運(yùn)行狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)指令(Motion State Instructions)锥咸；以及在笛卡爾坐標(biāo)系中實(shí)行執(zhí)行直線或圓弧運(yùn)動(dòng)的工具——運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)指令（Motion coordinated instructions）狭瞎，這些指令大大簡(jiǎn)化了運(yùn)動(dòng)控制的編程過程。

　　例如我們欲用實(shí)驗(yàn)裝置繪制“Rockwell”字樣就可以用運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)指令中的直線運(yùn)動(dòng)（Motion Coordinated Linear Move-MCLM）和圓弧運(yùn)動(dòng)（Motion Coordinated Circular Move-MCCM）兩條指令來實(shí)現(xiàn)搏予，這兩條指令的特點(diǎn)是只需指定運(yùn)動(dòng)軌跡上關(guān)鍵的坐標(biāo)熊锭、運(yùn)動(dòng)方向以及運(yùn)動(dòng)方式等參數(shù)而無需知道各軸在實(shí)現(xiàn)某段軌跡運(yùn)動(dòng)的過程中的動(dòng)作分配，這樣就簡(jiǎn)化了編程的工作隧渠。

　　MCCM指令梯形圖符號(hào)如圖2所示俯态，它能夠使運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在笛卡爾坐標(biāo)系中執(zhí)行圓弧移動(dòng)，指令在本例繪圖儀中應(yīng)用的參數(shù)配置如下：

圖2 MCCM指令梯形圖符號(hào)

Coordinate System：定義為前面命名的AB_XYZ元八；

Motion Control：指令的標(biāo)簽玻桶，自定義為mccmxyz；

Move Type：指定運(yùn)動(dòng)方式聪萨，0為絕對(duì)坐標(biāo)假盼，1為增量位移，這里采用絕對(duì)增量的移動(dòng)方式盘另，即各軸以各自的速度惋探，加速度和減速度秃停，沿著圓弧軌跡向著確定的位置移動(dòng)；

Position：指定運(yùn)動(dòng)組各軸的坐標(biāo)抗海，操作數(shù)是三維坐標(biāo)系下一組序列丹伙，其下方顯示的即為剛建立的坐標(biāo)系的軸；

Circle Type：圓弧運(yùn)動(dòng)方式稽及，指令定義了四種圓類型操作數(shù)：“Via”選擇經(jīng)過始點(diǎn)和終點(diǎn)之間的一個(gè)點(diǎn)仿吞；“Center”定義在序列數(shù)組中包含圓心；“Radius”序列數(shù)組中第一個(gè)數(shù)組含半徑捡偏，“Centre Incremental”指via/center/radius數(shù)組定義了一個(gè)不斷增長變化的圓心坐標(biāo)唤冈，且這種變化與運(yùn)動(dòng)類行操作數(shù)無關(guān)。其操作數(shù)也是三維坐標(biāo)系下的一組序列银伟，本文采用第一種圓類型你虹；

Via/Center/Radius：定義由Circle Type指定的點(diǎn)坐標(biāo)或半徑；

Direction：定義了運(yùn)動(dòng)方向彤避，其具體參數(shù)值由具體的應(yīng)用而定傅物，在本例中其意義為在三維坐標(biāo)系下以最短距離移動(dòng)；

Speed：運(yùn)動(dòng)速度琉预，可直接賦值或由標(biāo)簽定義董饰，本例由立即數(shù)定義初值為3；

Speed Units：指定由Speed標(biāo)定的值的單位圆米，有在坐標(biāo)系下直接定義每秒運(yùn)動(dòng)的單位（Units per sec）和根據(jù)最大速度的百分比定義（% of Maximum）兩種選項(xiàng)卒暂，本例選擇第一種方式；

Accel Rate：加速度值娄帖，可直接賦值或由標(biāo)簽定義乏根；

Accel Units：設(shè)置Accel Rate標(biāo)定的值的單位；

Decel Rate：減速度值仔省，可直接復(fù)制或由標(biāo)簽定義俄躺；

Dccel Units：設(shè)置Decel Rate標(biāo)定的值的單位；

Profile：設(shè)置速度變化方式红集，有Trapezoidal和S Curve兩種選擇亲沃，本例選擇第一種。

Merge：定義是否將所有軸的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閱我蛔鴺?biāo)系下運(yùn)動(dòng)判懒，有Merge Disabled秋胚，Coordinated Motion，All Motion三種操作數(shù)刨德，由于本系統(tǒng)只建了一個(gè)坐標(biāo)系所以選取第一種操作數(shù)。

(2) 編寫控制程序

　　繪圖儀要實(shí)現(xiàn)對(duì)“Rockwell”字樣的繪制吁巫，首先要完成全局控制功能汰日，包括伺服驅(qū)動(dòng)器的使能與禁止鞋族、各軸電機(jī)的清錯(cuò)與復(fù)位等。畫筆的運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是按照人工分解的路徑關(guān)鍵點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的過程挂捅，是典型的順序運(yùn)動(dòng)芹助。本例為字母“R”選擇的關(guān)鍵點(diǎn)及這些關(guān)鍵點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)參見附表。

　　Logix55xx處理器支持自定義數(shù)據(jù)類型（或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體）闲先，在編程之前首先自定義一個(gè)命名為 MOTION_PATH的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)題状土，用于按順序保存各關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù), 每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)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(shù)的設(shè)置值。其中指令類型用于設(shè)置程序執(zhí)行圓弧指令還是直線指令伺糠。程序流程如圖3所示蒙谓，在上電初始化時(shí)將畫筆復(fù)位到起始點(diǎn)，并使能各運(yùn)動(dòng)軸训桶。在程序執(zhí)行時(shí)累驮，可以通過依次調(diào)出關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)，順序完成圖形的繪制舵揭。

圖3 系統(tǒng)程序流程圖

圖4 運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

5 結(jié)束語

　　基于Kinetix的三自由度運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)裝置及其所繪制“Rockwell”字樣如圖4所示谤专，它通過三個(gè)坐標(biāo)軸的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)直觀地展示運(yùn)動(dòng)控制的特點(diǎn)，學(xué)生只需編制簡(jiǎn)單的梯形圖程序就能實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)控制功能午绳，能夠在實(shí)驗(yàn)中對(duì)運(yùn)動(dòng)控制有更直觀和深刻的理解置侍。系統(tǒng)采用Kinetix集成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)集成和調(diào)試，模塊與驅(qū)動(dòng)器之間的通訊連接使用光纖介質(zhì)拦焚，確碧笨ィ可靠的具有良好抗干擾性的高速數(shù)據(jù)傳送，提高了通訊速度以及驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)模塊之間的互連性裹依。

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作者簡(jiǎn)介

李鳳閣 (1967-)女 碩士/高級(jí)工程師。

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