梅宏院士在他的《步入軟件定義的時(shí)代》一文中精辟地闡述了軟件技術(shù)的基礎(chǔ)支撐：“從使能技術(shù)的視角看，軟件技術(shù)在信息技術(shù)中則始終處于‘靈魂’地位，所有新的信息技術(shù)應(yīng)用、平臺(tái)和服務(wù)模式，均離不開軟件技術(shù)作為基礎(chǔ)支撐；更為重要的是，在數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，軟件技術(shù)已經(jīng)成為企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，不僅引領(lǐng)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的變革，在很多傳統(tǒng)領(lǐng)域（如汽車、能源、制造、零售等）中的存在比重和重要性也在不斷加大，在支持這些傳統(tǒng)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)換代甚至顛覆式創(chuàng)新的過(guò)程中起到核心關(guān)鍵作用，并進(jìn)一步加速重構(gòu)了全球分工體系和競(jìng)爭(zhēng)格局。”
 

       當(dāng)前，軟件正在向“基礎(chǔ)設(shè)施化”的趨勢(shì)發(fā)展。也就是說(shuō)，軟件正在對(duì)傳統(tǒng)物理世界基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行重塑和重構(gòu)，通過(guò)軟件定義的方式賦予其新的能力(尤其是靈活性)，成為促進(jìn)生產(chǎn)方式升級(jí)、產(chǎn)業(yè)升級(jí)、新興產(chǎn)業(yè)和價(jià)值鏈的誕生與發(fā)展的重要引擎。軟件“賦能、賦值、賦智”的作用正在被加速和加倍放大，對(duì)制造過(guò)程的數(shù)字化轉(zhuǎn)型起到重要支撐作用。
 

       實(shí)現(xiàn)軟件定義一切（SDX）的技術(shù)途徑，就是把過(guò)去的一體化硬件設(shè)施打破，實(shí)現(xiàn)硬件資源的虛擬化和管理任務(wù)的可編程，也就是將傳統(tǒng)的一體式的硬件設(shè)施分解為基礎(chǔ)硬件虛擬化及其API和管控軟件兩部分。
 

       軟件定義運(yùn)動(dòng)控制，不是宣揚(yáng)軟件無(wú)所不能，而是告訴大家，我們可以運(yùn)用軟件作為工具和載體，高效、準(zhǔn)確地將運(yùn)動(dòng)控制多年來(lái)積累的工程原理、經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐，通過(guò)模塊化、結(jié)構(gòu)化的軟件工程方法表達(dá)出來(lái)，為運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用賦能、賦值和賦智，提供更多的新的能力,包括靈活性、復(fù)用性。毫無(wú)疑問(wèn)，軟件定義運(yùn)動(dòng)控制，需要遵循一定的可行方法，結(jié)合其應(yīng)用場(chǎng)景（如通用的運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床CNC等）進(jìn)行合理的抽象和概括。PLCopen制定的運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范是軟件定義運(yùn)動(dòng)控制的成功典范，獲得廣泛支持和實(shí)踐檢驗(yàn)。盡管在啟動(dòng)開發(fā)運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范的當(dāng)初，軟件定義一切的概念還沒有形成，但這并不妨礙規(guī)范沿著軟件技術(shù)和軟件工程的正確方向發(fā)展。
 

       可是一篇在業(yè)界流傳很廣的微博指出：“PLCopen國(guó)際組織通過(guò)軟件定義運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范在中國(guó)推廣，進(jìn)展緩慢，許多中國(guó)用戶似乎聽不懂，反應(yīng)不積極，其實(shí)很重要的一個(gè)原因是許多概念都是軟件工程的概念。聽眾往往是來(lái)自機(jī)電行業(yè)，不熟悉軟件工程，所以很難理解。但在歐洲就沒有問(wèn)題。”其實(shí)懂軟件工程的人也未必弄得懂運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范，只有懂得機(jī)械的基本知識(shí)又受過(guò)軟件工程訓(xùn)練的人，才會(huì)理解運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范。問(wèn)題的癥結(jié)在于我們的知識(shí)需要更新，讓搞機(jī)械的人具有軟件和軟件工程的基礎(chǔ)。
 

       （二）運(yùn)動(dòng)控制是智能制造裝備控制的重要基礎(chǔ)

       運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是裝備領(lǐng)域和制造行業(yè)的核心技術(shù)。這是因?yàn)闄C(jī)械裝備的制造加工功能一般是通過(guò)其相關(guān)部件的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。盡管制造加工的原理常常有很大的差異，但是都離不開機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)。從這個(gè)意義上說(shuō)，運(yùn)動(dòng)是機(jī)械裝備的本質(zhì)特征。
 

       運(yùn)動(dòng)控制泛指通過(guò)某種驅(qū)動(dòng)部件（諸如液壓泵、直線驅(qū)動(dòng)器，或電動(dòng)機(jī)，通常是伺服電機(jī)）對(duì)機(jī)械設(shè)備或其部件的力或力矩、位置、速度、加速度和加速度變化率進(jìn)行控制，從而達(dá)到預(yù)設(shè)的結(jié)果。由此可見，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是確保數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人及各種先進(jìn)裝備高效運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制要求更高，其運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)形態(tài)不同于其他行業(yè)專用的機(jī)械裝置（如包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、紡織機(jī)械、裝配線、半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備）。而定位的精度、在確保運(yùn)動(dòng)軌跡的同時(shí)合理地選擇運(yùn)動(dòng)的速度和加速度以及過(guò)渡參數(shù)，不同機(jī)械部件運(yùn)動(dòng)的同步或配合，都使得運(yùn)動(dòng)控制的過(guò)程相當(dāng)?shù)膹?fù)雜。
 

圖1 運(yùn)動(dòng)控制各基本要素間的關(guān)系
 

       運(yùn)動(dòng)控制的基本要素之間的關(guān)系如圖1所示。不過(guò)由于運(yùn)動(dòng)部件都有一定質(zhì)量，運(yùn)動(dòng)要素顯然會(huì)受到一定約束，加之滿足機(jī)械裝置的功能要求要考慮其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的限制，因此運(yùn)動(dòng)控制就不可能是僅僅滿足各種基本要素及其關(guān)系那么簡(jiǎn)單，還要考慮許多復(fù)雜的邊界條件和約束，例如坐標(biāo)系的變換和逆變換、運(yùn)動(dòng)的混成和緩沖等等。
 

       長(zhǎng)期以來(lái)，用戶可在很大范圍內(nèi)選擇實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的硬件。不過(guò)，每種硬件都要求獨(dú)自而無(wú)法兼容的開發(fā)軟件。即使所要求的功能完全相同，在更換另一種硬件時(shí)，也需要重新編寫軟件。這一困擾運(yùn)動(dòng)控制用戶的問(wèn)題，其實(shí)質(zhì)就是如何實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制軟件的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題。PLCopen組織考慮到用戶存在運(yùn)動(dòng)控制軟件標(biāo)準(zhǔn)化的需求，從1996年就建立了運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范工作組，歷時(shí)十多年完成了這一具有挑戰(zhàn)性的工作。
 

       PLCopen開發(fā)運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范目的在于: 在IEC 61131-3為基礎(chǔ)的編程環(huán)境下， 在開發(fā)、安裝和維護(hù)運(yùn)動(dòng)控制軟件的各個(gè)階段，協(xié)調(diào)不同的編程開發(fā)平臺(tái),使它們都能滿足運(yùn)動(dòng)控制功能塊的標(biāo)準(zhǔn)化要求。換句話說(shuō)， PLCopen在運(yùn)動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)化方面所采取的技術(shù)路線是，在IEC 61131-3為基礎(chǔ)的編程環(huán)境下，建立標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用功能塊庫(kù)。這樣較容易讓運(yùn)動(dòng)控制軟件做到：開發(fā)平臺(tái)獨(dú)立于運(yùn)動(dòng)控制的硬件，具有良好的可復(fù)用性，以及在開發(fā)、安裝和維護(hù)等各個(gè)階段都能滿足運(yùn)動(dòng)控制功能塊的標(biāo)準(zhǔn)化要求。總而言之，IEC 61131-3為機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)控制提供一種良好的架構(gòu)。
 

       PLCopen為運(yùn)動(dòng)控制提供功能塊庫(kù)，最顯著的特點(diǎn)是：極大增強(qiáng)了運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用軟件的可復(fù)用性，從而減少了開發(fā)、培訓(xùn)和技術(shù)支持的成本；只要采用不同的控制解決方案，就可按照實(shí)際要求實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的可擴(kuò)可縮；功能塊庫(kù)的方式保證了數(shù)據(jù)的封裝和隱藏，進(jìn)而使之能適應(yīng)不同的系統(tǒng)架構(gòu)，譬如說(shuō)集中的運(yùn)動(dòng)控制架構(gòu)、分布式的運(yùn)動(dòng)控制架構(gòu)，或者既有集中又有分散的集成運(yùn)動(dòng)控制架構(gòu)；更值得注意的是，它不但服務(wù)于當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，而且也能適應(yīng)正在開發(fā)的或今后的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。
 

       所以我們說(shuō)，IEC 61131-3與 PLCopen運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范的緊密結(jié)合,提供了理想的機(jī)電一體化的解決方案。
 

（三）PLCopen運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范概述

       PLCopen國(guó)際組織制定的運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范，現(xiàn)已成為國(guó)際公認(rèn)的事實(shí)上的運(yùn)動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)。表1給出規(guī)范的組成，經(jīng)過(guò)歷次的修訂，現(xiàn)在第1和第2部分已合并。
 

       基本上，每個(gè)規(guī)范都包含了3個(gè)內(nèi)容：定義狀態(tài)機(jī)，定義單軸和多軸運(yùn)動(dòng)控制功能塊的基本集合，規(guī)定符合規(guī)則和語(yǔ)句。
 

       （1）運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范的核心技術(shù)及其詮釋
 

       從技術(shù)上講，我們可以按其協(xié)調(diào)控制的結(jié)構(gòu)把運(yùn)動(dòng)控制劃分為兩類：①主軸/從軸運(yùn)動(dòng)控制。即根據(jù)主軸的定位生成一個(gè)或多個(gè)從軸的定位命令。②多軸運(yùn)動(dòng)控制協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)，其中沒有主軸從軸之分，只有由多個(gè)軸構(gòu)成的集合，稱之為軸組（或軸集合）。只有這樣才可能進(jìn)行更好的軌跡和路徑規(guī)劃，解決CNC、機(jī)器人等的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題。
 

       PLCopen運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范針對(duì)形式各異的運(yùn)動(dòng)控制形態(tài)進(jìn)行抽象，分別制定單軸和軸組的狀態(tài)圖，并闡明了他們之間的關(guān)系（見圖2和圖3）。該規(guī)范制定了一系列的基本功能塊，便于按運(yùn)動(dòng)控制的要求在各個(gè)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移。通過(guò)定義一組具有相關(guān)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)功能性的功能塊，以及定義一個(gè)高層級(jí)的狀態(tài)圖來(lái)鏈接該軸組內(nèi)的多個(gè)單軸的狀態(tài)圖，達(dá)到多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制。圖4給出在主/從結(jié)構(gòu)下單軸和軸組的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制示意圖。
 

圖2 主軸/從軸結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范的狀態(tài)圖
 

圖3 多軸（軸組）協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制狀態(tài)圖與單軸狀態(tài)圖的關(guān)系
 

圖4 主/從結(jié)構(gòu)下單軸和軸組的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制
 

       運(yùn)動(dòng)控制最重要的是控制運(yùn)動(dòng)的軌跡，而軌跡控制的本質(zhì)在于協(xié)調(diào)兩個(gè)或多個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)，以指定的速度從某個(gè)起點(diǎn)沿著所規(guī)定的路徑到達(dá)某個(gè)目標(biāo)點(diǎn)。所謂路徑可以是直線運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)，或者是三維仿形運(yùn)動(dòng)。在三維空間中要規(guī)定一種路徑（或者任意位置信息）需要一種坐標(biāo)系。
 

       在PLCopen運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范的第四部分，將坐標(biāo)系定義為：軸坐標(biāo)系A(chǔ)CS、機(jī)械坐標(biāo)系MCS、和產(chǎn)品（或工件）坐標(biāo)系PCS，詳見圖5。軸坐標(biāo)系A(chǔ)CS是指相對(duì)于單電機(jī)和單驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成的單軸系統(tǒng)所形成的坐標(biāo)系。機(jī)械坐標(biāo)系MCS是指相對(duì)于機(jī)械裝置的坐標(biāo)系，這是一個(gè)原點(diǎn)為固定位置的直角坐標(biāo)系，而原點(diǎn)則在機(jī)械裝置啟動(dòng)時(shí)予以定義。通過(guò)前向和后向的運(yùn)動(dòng)學(xué)變換，可將多個(gè)單軸坐標(biāo)系A(chǔ)CS與機(jī)械坐標(biāo)系MCS連接起來(lái)。產(chǎn)品坐標(biāo)系PCS在CNC中常稱為程序坐標(biāo)系（或程序員坐標(biāo)系）。通常情況下，PCS建立在MCS的基礎(chǔ)上，即通過(guò)MCS移位（也可旋轉(zhuǎn)）來(lái)建立PCS。PCS的零點(diǎn)與產(chǎn)品相關(guān)，在運(yùn)行期間可用程序來(lái)改變零點(diǎn)。通過(guò)在PCS中指定一個(gè)軌跡就能準(zhǔn)確描述該軌跡，而與機(jī)械裝置無(wú)關(guān)。通常進(jìn)行直角或柱面變換，就可以將PCS映射為MCS，或者將MCS映射為PCS。
 

圖5 運(yùn)動(dòng)控制中的三個(gè)坐標(biāo)系
 

       為了解決數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用中必須妥善處理的一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題， PLCopen的運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范第四部分給出了以下關(guān)鍵技術(shù)的描述，以及實(shí)施這些技術(shù)的功能塊和相應(yīng)規(guī)則。它們是：坐標(biāo)系變換和逆變換、運(yùn)動(dòng)學(xué)變換和逆變換、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)混成（blending）、速度和加速度平滑（buffering）。
 

       以五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床為例來(lái)說(shuō)明為什么需要樣條路徑插補(bǔ)和加速度平滑。五軸線性刀具路徑由一系列的指令定義，每一個(gè)離散指令包含位置和方向信息，其中位置矢量描述刀尖點(diǎn)（TCP，Tool Central Point）的軌跡，方向矢量描述刀軸的方向。對(duì)這些離散指令進(jìn)行線性插值，就獲得了刀具的連續(xù)運(yùn)動(dòng)。將數(shù)控指令發(fā)給數(shù)控系統(tǒng)后，數(shù)控系統(tǒng)將在機(jī)床動(dòng)力學(xué)特性的約束下，實(shí)時(shí)規(guī)劃出每一個(gè)軸的位置、速度和加速度�？梢钥闯龅毒呗窂綄⒂绊憴C(jī)床進(jìn)給的動(dòng)態(tài)特性，如果刀具路徑是線性的，刀具運(yùn)動(dòng)被定義為相鄰軌跡之間的直線段運(yùn)動(dòng)。而在線段連接點(diǎn)處，刀具估計(jì)的切向和曲率都是不連續(xù)的�？紤]數(shù)控機(jī)床的最大加速度和加速度變化率（躍度）都是有限值，這種不連續(xù)往往導(dǎo)致進(jìn)給速度產(chǎn)生波動(dòng)，而這種波動(dòng)將造成機(jī)床的真實(shí)進(jìn)給速度要低于數(shù)控代碼中指定的進(jìn)給速度。因此，用光滑的參數(shù)樣條曲線來(lái)取代線性刀具路徑，顯然是提高加工效率和加工表面質(zhì)量的重要方法。由上分析可見，五軸樣條軌跡插補(bǔ)和加速度平滑是五軸聯(lián)動(dòng)高速高精度軌跡跟蹤的關(guān)鍵技術(shù)。
 

       插補(bǔ)型運(yùn)動(dòng)控制的基本部分是對(duì)軸組實(shí)施一連串連續(xù)、且具有緩沖的運(yùn)動(dòng)命令的混成。如果沒有混成，軸組的TCP會(huì)向前運(yùn)動(dòng)至命令所要求的位置附近，減速并精準(zhǔn)地停在該位置不動(dòng)，接下去的緩沖減速運(yùn)動(dòng)命令不會(huì)被激活。顯然，要運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)點(diǎn)軸組必須再加速。在許多應(yīng)用中，會(huì)要求TCP具有不同的行為特性，比如不停頓的連續(xù)運(yùn)動(dòng)，這樣可以減少加工處理的循環(huán)時(shí)間（例如抓取和放置）；或者是為了減少機(jī)械應(yīng)力，要生成平滑的運(yùn)動(dòng)；另外，有些應(yīng)用要求TCP進(jìn)行恒速運(yùn)動(dòng)（如噴涂、焊接、膠合等）。諸如此類的這些要求都可以用不同類型的運(yùn)動(dòng)混成加以滿足，其共同點(diǎn)是通過(guò)修正原始的路徑，從而得到平滑而沒有拐角的軌跡。
 

       在多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制中對(duì)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)命令的混成不同于單軸運(yùn)動(dòng)中的混成。對(duì)單軸而言，命令所指定的位置總是可以達(dá)到的。在多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)中，到達(dá)（或經(jīng)過(guò)）命令所指定位置的時(shí)刻，可以按照緩沖模式（BufferMode）的輸入?yún)��?shù)來(lái)改變。插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制中的運(yùn)動(dòng)混成類型與應(yīng)用和過(guò)程相關(guān)，因此必須在插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制中導(dǎo)入多種新的運(yùn)動(dòng)混成類型。不同的插補(bǔ)方法會(huì)使用不同的混成輸入?yún)��?shù)，所以要按所采用的插補(bǔ)方法改變混成輸入?yún)��?shù)。當(dāng)然，運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品供應(yīng)商可根據(jù)自己的訣竅和經(jīng)驗(yàn)來(lái)規(guī)定混成功能塊的輸入?yún)��?shù)。
 

       （2）管理類功能塊和運(yùn)動(dòng)類功能塊
 

       PLCopen運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范的第1部分和第4部分都把功能塊劃分為管理和運(yùn)動(dòng)兩大類。所謂管理類功能塊只對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的程序執(zhí)行一定的管理功能，便于實(shí)現(xiàn)管理任務(wù)的可編程，但不會(huì)引起軸的運(yùn)動(dòng)。例如上電功能塊MC_Power專門管理供電電源的狀態(tài)，讀取軸狀態(tài)信息的功能塊MC_ReadStatus專門讀取軸的狀態(tài)信息等等。所謂運(yùn)動(dòng)類功能塊顧名思義都是能引發(fā)軸運(yùn)動(dòng)的功能塊，是對(duì)運(yùn)動(dòng)控制硬件資源進(jìn)行虛擬化的表達(dá)，如回原點(diǎn)功能塊MC_Home、停止功能塊MC_Stop、絕對(duì)運(yùn)動(dòng)功能塊MC_MoveAbsolute、相對(duì)運(yùn)動(dòng)功能塊MC_MoveRelative等等。盡管PLCopen運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范是在十幾年前開發(fā)的，但這樣的分類完全符合近年來(lái)正在發(fā)展的軟件定義一切的原則，將傳統(tǒng)的一體式硬件設(shè)施分解為基礎(chǔ)硬件虛擬化和管控軟件兩個(gè)部分。
 

       （3）坐標(biāo)系及其變換
 

       為了在空間規(guī)定一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)方向，其所在位置總應(yīng)該參照一個(gè)坐標(biāo)系。通過(guò)變換，可將此坐標(biāo)系變換為另外的坐標(biāo)系。在PLCopen運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范中，通過(guò)將這些對(duì)于編程員來(lái)說(shuō)較復(fù)雜的變換封裝為功能塊，使他們?cè)谌粘９ぷ髦羞M(jìn)行這些變換時(shí)得心應(yīng)手。
 

圖6 ACS、MCS和PCS坐標(biāo)系變換舉例
 

       給出一個(gè)坐標(biāo)系變換的舉例。為表述處于一個(gè)2維工件（圖6中紅色的梯形）上的P點(diǎn)，可以等效的用PCS坐標(biāo)系（藍(lán)色）、MCS坐標(biāo)系（黑色）和ACS坐標(biāo)系（綠色）予以定義。在PCS中，PPCS=（XPCS,YPCS）；在MCS中， PMCS=（XMCS,YMCS）；在ACS中，如果是一個(gè)具有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的SCARA機(jī)器人，則PACS=（f1,f2）。
 

       如何簡(jiǎn)單理解運(yùn)動(dòng)學(xué)變換問(wèn)題呢？軸通過(guò)機(jī)械連接，使處在空間中的刀具中心點(diǎn)（即刀尖，或TCP）產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。TCP是機(jī)械裝置中一個(gè)很獨(dú)特的點(diǎn)，有時(shí)也稱它為操縱點(diǎn)（effector）。通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)變換將ACS與MCS之間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，可把ACS中的一個(gè)位置變換為MCS中的一個(gè)位置，這叫做正向變換；反過(guò)來(lái)也可運(yùn)用逆變換，把MCS中的一個(gè)位置轉(zhuǎn)換為ACS中的一個(gè)位置。圖7的左半邊是一個(gè)簡(jiǎn)單的直角型機(jī)械結(jié)構(gòu)，其軸正好對(duì)應(yīng)MCS的3個(gè)坐標(biāo)軸X、Y和Z，我們可以用X、Y和Z的坐標(biāo)來(lái)直接定義其上的TCP，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)變換很方便。在這種最簡(jiǎn)單的情形下ACS等同于MCS。但在工業(yè)實(shí)際中，有許多非直角的結(jié)構(gòu)，如SCARA機(jī)器人和三腳架，這時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)變換就變得復(fù)雜了。
 

圖7 簡(jiǎn)單直角機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)變換舉例
 

       在TCP必須跟隨一個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，完成這種運(yùn)動(dòng)就要進(jìn)行動(dòng)態(tài)坐標(biāo)變換，使PCS相對(duì)于MCS運(yùn)動(dòng)。先要激活坐標(biāo)系變換功能塊MC_SetDynCoordTransform，這樣該軸會(huì)跟隨該動(dòng)態(tài)變換，或者停在靜態(tài)的ACS（或MCS）內(nèi)。下面舉例：工件隨傳送帶運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，用機(jī)器人從一個(gè)固定位置抓取一個(gè)螺釘，然后把螺釘固定在工件上，并擰緊。為了完成這個(gè)任務(wù)，我們可以將整個(gè)過(guò)程拆分為9步。列出每一步的運(yùn)動(dòng)命令以及軸（傳送帶）和軸組（機(jī)器人）的行為。圖8示出這9步動(dòng)作及相應(yīng)的說(shuō)明。接著選擇合適的功能塊，定義輸入和輸出參數(shù)，便可完成可以執(zhí)行的編程。
 

圖8 坐標(biāo)系動(dòng)態(tài)變換應(yīng)用舉例
 

       （四）PLC運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)和CNC技術(shù)的融合發(fā)展

       智能制造和智慧工廠正在全球蓬勃發(fā)展，一個(gè)首當(dāng)其沖的關(guān)鍵就是CNC和機(jī)器人這些制造單元的開放架構(gòu)問(wèn)題。MES、ERP、CAM等管理和設(shè)計(jì)軟件都要求制造設(shè)備層能提供基于IT技術(shù)的軟硬件接口，而且智能制造技術(shù)的實(shí)現(xiàn)也要求CNC、機(jī)器人和其它制造單元和設(shè)備之間建立開放性的網(wǎng)絡(luò)和軟件接口。與此同時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，使得用機(jī)器人來(lái)控制CNC加工單元成為可能。以上這些都說(shuō)明了智能制造最前沿的一個(gè)值得關(guān)注的動(dòng)向，這就是PLC及運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)和CNC技術(shù)正在呈現(xiàn)融合發(fā)展的趨勢(shì)。
 

       不過(guò)，對(duì)于傳統(tǒng)的CNC和機(jī)器人廠商來(lái)說(shuō)，至今為止對(duì)于開放架構(gòu)并沒有非常方便和高效率的方案，他們要迅速適應(yīng)變化也非駕輕就熟，因?yàn)檫@些傳統(tǒng)廠商的硬件絕大多數(shù)是基于RISC芯片。顯而易見，要實(shí)現(xiàn)更為開放的IT集成，采用Intel的CISC芯片會(huì)輕而易舉得多。
 

       沿用傳統(tǒng)的概念，PLC承擔(dān)邏輯控制和順序控制的任務(wù)（完成通用運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)的能力也在不斷加強(qiáng)），機(jī)器人控制器完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的任務(wù)，而CNC控制器負(fù)責(zé)數(shù)控機(jī)床的控制，要將這三個(gè)系統(tǒng)集成在一起，將面臨較高成本、難以達(dá)到同步運(yùn)行、開發(fā)時(shí)間長(zhǎng)等一系列的問(wèn)題。為此，突破傳統(tǒng)思維，充分發(fā)揮PLCopen運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范的作用，讓PLC及運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器人、CNC技術(shù)融合在一個(gè)系統(tǒng)中成為現(xiàn)實(shí)可用的解決方案，其范例就是由斯圖加特大學(xué)的ISG研究所開發(fā)的ISG Kernel。ISG-Kernel是一種涵蓋幾乎所有的CNC、機(jī)器人和運(yùn)動(dòng)控制的機(jī)械裝置控制軟件解決方案，它可以嵌入到基于IEC 61131-3的PLC編程平臺(tái)中，也可以作為一種獨(dú)立的具有高端功能性的控制軟件包。
 

       （五）結(jié)束語(yǔ)

       在PLCopen運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范的語(yǔ)境中，軟件定義運(yùn)動(dòng)控制就是運(yùn)用一系列預(yù)先定義好的功能塊對(duì)運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)進(jìn)行編程。然后在具有運(yùn)動(dòng)控制功能的PLC系統(tǒng)執(zhí)行控制任務(wù)的過(guò)程中，按PLC運(yùn)行的規(guī)則串行地調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制功能塊的命令。由于PLC的編程符合IEC 61131-3編程語(yǔ)言國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，熟練掌握PLC編程的技術(shù)人員較多，特別是機(jī)械工程及其自動(dòng)化專業(yè)的人由于有較好的機(jī)械工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)，他們更容易理解PLCopen運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范中所定義的功能塊的特性和行為，更容易接受軟件定義機(jī)器這一概念。
 

       綜上所述，自動(dòng)化領(lǐng)域十余年前就完成開發(fā)的PLCopen運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范，就是對(duì)當(dāng)今如日中天的軟件定義一切（SDX）概念在機(jī)械裝備運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的完美詮釋。對(duì)該規(guī)范的推廣，必將極大促進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)和先進(jìn)IT技術(shù)的融合，促進(jìn)智能制造的落地實(shí)現(xiàn)。

作者：上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院，PLCopen中國(guó)組織 彭瑜