讲义运动控制

1、Drive Technology 22.04.2021 1基于基于PLC OPEN的运动控制的运动控制 现场总线及现场总线及I/OI/O3Digital Compact Servo Drive AX20 xxDigital Compact Servo Drive AX25xx驱动组件驱动组件4MSSSSSSSStPrecise Synchronisation ( 1 s!) by exact adjustment of Precise Synchronisation ( 1 s!) by exact adjustment of distributed clocksdistributed clo

2、cksDVIIPC.基于基于EtherCAT EtherCAT 总线的伺服驱动总线的伺服驱动AX5000AX5000和和AX8000AX80005Windows NT, 2000, XP现场总线接口卡驱动程序现场总线接口卡驱动程序ADS 路由器路由器I/O服务器服务器I/O 映射映射PLC服务器服务器I/ONC服务器服务器其它其它例如，凸轮等例如，凸轮等系统管理器系统管理器ADSPLC控制控制诊断功能诊断功能如示波器如示波器用户用户HMI用户用户HMIADSADSTCP/IP内核模式内核模式用户模式用户模式ADSADSOCX/DllOPCADSADSADSADSI/OI/OTwinCAT 系统

3、系统实时服务器实时服务器控制软件控制软件-TwinCAT6逻辑运算与逻辑运算与处理处理路径规划路径规划闭环控制闭环控制位置，速度位置，速度加速度控制加速度控制通用插补，机通用插补，机器人器人同步，凸轮同步，凸轮飞剪等飞剪等PLCPLCNC INC INC PTPCNCTWINCAT PC ControlPLC/NC PTP/NCI/CNCNC PTPNC PTPBeckhoff 运动控制实现方式运动控制实现方式 NC PTP，NCI，CNC78TwinCAT NC PTP 功能功能普通定位运动普通定位运动(Point to Point)电子齿轮同步电子齿轮同步数字凸轮开关数字凸轮开关凸轮轴凸轮

4、轴运动叠加（合成）运动叠加（合成）飞剪飞剪 TwinCAT NC PTP-PLCopen 功能块概览功能块概览AdministrativeMotionSingleAxesMultipleAxesSingleAxesMultipleAxesNon-InterpolatedMoveAbsoluteInterpolatedMoveAdditiveMoveSuperImposedMoveContinuousMoveVelocityHomeStopPowerResetReadStatusReadAxisErrorReadParameterWriteParameterReadActualPositionP

5、ositionProfileVelocityProfileAccelerationProfileCamTableSelectCamInCamOutGearInGearOutMoveRelativePhasing9TwinCAT NC PTP- -PLCopen 功能块概功能块概览览MC_MoveSuperimposed MC_MoveVelocityMC_VelocityProfileMC_AccelerationProfileDiscrete MotionContinuous MotionStandstillMC_Move AbsoluteMC_Move RelativeMC_MoveAdd

6、itiveMC_MoveSuperimposedMC_PositionProfileDoneMC_MoveAbsoluteMC_MoveRelativeMC_MoveSuperimposedMC_MoveAdditiveMC_PositionProfileMC_StopMC-StopMC_MoveVelocityMC_VelocityProfileMC_AccelerationProfileMC_MoveVelocityMC_VelocityProfileMC_AccelerationProfileMC_PowerMC_StopNote 1StoppingMC_MoveAbsolute; MC

7、_ MoveRelativeMC_MoveAdditive; MC_PositionProfileDoneHomingDoneMC_HomeMC-StopNote 1:All FBs can be called, althoughthey will not be executed, except MC_Reset and Error will generate the transition to StandStill or ErrorStop resp. Root: Task Force Motion Control presentation Version Febr2002. ( )10Dr

8、ive Technology 22.04.2021 11直线运动方式直线运动方式旋转运动方式旋转运动方式伺服点到点的定位指令分为两类：伺服点到点的定位指令分为两类：绝对值定位绝对值定位相对指定位相对指定位绝对值定位：执行机构移动到设定的坐绝对值定位：执行机构移动到设定的坐标位置标位置,实现绝对值定位。实现绝对值定位。相对值定位：执行机构移动设定的位置相对值定位：执行机构移动设定的位置值值,是一种增量的定位方式是一种增量的定位方式.TwinCAT NC PTP- -点到点运动点到点运动Drive Technology 22.04.2021 12绝对值运行绝对值运行:A 到到 B: 2B 到到 C

9、: 3C 到到 D: -4相对值运行相对值运行:A 到到 B: +2B 到到 C: +1C 到到 D: -7TwinCAT NC PTP- -点到点运动点到点运动Drive Technology 22.04.2021 13TwinCAT NC PTP- -回原点运动回原点运动一些运动机构常常要用到回原点的方式一些运动机构常常要用到回原点的方式.原因是一些机构必须要找到一个基准点原因是一些机构必须要找到一个基准点,从基准点开始走绝对值运动或相对值运从基准点开始走绝对值运动或相对值运动动.这个基准点就是原点这个基准点就是原点.回原点的方式很多回原点的方式很多,可以根据工艺的需求可以根据工艺的需求进

10、行选择进行选择.Drive Technology 22.04.2021 14叠加运动指令叠加运动指令该指令主要用于伺服轴运动过程中进行一个点到点位置的叠加该指令主要用于伺服轴运动过程中进行一个点到点位置的叠加.该指令运行模式该指令运行模式E_SuperpositionMode有有4种类型种类型:1.叠加区域内叠加区域内,走完长度走完长度Length后后,叠加位置叠加位置Distance刚好走完刚好走完.区域行程为区域行程为Length+ Distance.2.叠加区域内叠加区域内,走完长度走完长度Length后后,叠加位置叠加位置Distance刚好走完刚好走完,包含在包含在Length内内.

11、区域行程为区域行程为Length.3.叠加区域内叠加区域内,在区域行程在区域行程Length+ Distance内内,走完叠加位置走完叠加位置Distance.3.叠加区域内叠加区域内,在区域行程在区域行程Length,走完叠加位置走完叠加位置Distance.TwinCAT NC PTP- -点到点叠加运动点到点叠加运动Drive Technology 22.04.2021 15该系统指令的组合该系统指令的组合,可达到可达到曲线叠加的效果曲线叠加的效果.在在system manager中配一中配一个电机轴个电机轴,和一个虚拟轴和一个虚拟轴.通通过指令可以将右图的两条曲过指令可以将右图的两条曲

12、线叠加到一起线叠加到一起,大大提高了大大提高了电子凸轮控制的灵活性电子凸轮控制的灵活性.同样你仍然可以将多个虚拟同样你仍然可以将多个虚拟轴和一个电机轴叠加在一起，轴和一个电机轴叠加在一起，实现两个以上曲线的叠加。实现两个以上曲线的叠加。电机轴电机轴虚拟轴虚拟轴TwinCAT NC PTP- -多个曲线的叠加运动多个曲线的叠加运动16TwinCAT NC PTP- -电子齿轮同步电子齿轮同步 线性同步线性同步 耦合之后耦合之后: 从轴从轴 set position = coupling factor*主轴主轴 set position 使用标准的功能块，简单方便使用标准的功能块，简单方便MC_G

13、earInDyn是是MC_GearIn的升级版的升级版,可以可以动态的修改电子齿轮比动态的修改电子齿轮比.电子齿轮是从机械齿轮转换过来的思路电子齿轮是从机械齿轮转换过来的思路,而且更而且更加灵活加灵活,电子齿轮是一种特殊的电子凸轮电子齿轮是一种特殊的电子凸轮.ABRatioB : A2:1FeedProcessedTwinCAT电子齿轮同步龙门钻床1718Camming 主从轴之间非线性耦合主从轴之间非线性耦合 凸轮设计遵循凸轮设计遵循 VDI guideline 2143 凸轮设计工具凸轮设计工具 TwinCAT cam design editor TwinCAT NC PTP电子凸轮指令电

14、子凸轮指令 19PositionVelocity AccelerationTwinCAT NC PTP电子凸轮指令电子凸轮指令 20TwinCAT NC PTP电子凸轮指令电子凸轮指令 该类凸轮曲线类型该类凸轮曲线类型完成一个周期完成一个周期. 21TwinCAT NC PTP电子凸轮指令电子凸轮指令 应用案例应用案例:膜包机膜包机,卸箱机卸箱机22TwinCAT NC PTP-WriteFunction 建立凸轮数据表的数组建立凸轮数据表的数组,该数组内数据的数量根据客户工艺曲线的需要该数组内数据的数量根据客户工艺曲线的需要.如如512,1024,4096个个.通过自己进行数学建模通过自己进

15、行数学建模,通过分段函数的方式通过分段函数的方式,实现各类复杂曲线实现各类复杂曲线.本质上复杂的工艺曲线如旋切本质上复杂的工艺曲线如旋切,追剪以及各类特殊工艺曲线都是由这种方法实现的追剪以及各类特殊工艺曲线都是由这种方法实现的.将分段函数通过离散的方法赋值给如上所述的将分段函数通过离散的方法赋值给如上所述的512,1024或或4096点点.该类凸轮曲线的优点是该类凸轮曲线的优点是:非常灵活非常灵活,可以满足一切工艺曲线的需求可以满足一切工艺曲线的需求.缺点缺点:要求客户有很强的数学建模能力要求客户有很强的数学建模能力,对高次函数和微积分有一定的造诣对高次函数和微积分有一定的造诣.23TwinC

16、AT NC PTP-WriteFunction 该凸轮表该凸轮表中定义了中定义了4096个点个点该凸轮曲该凸轮曲线是在程线是在程序中进行序中进行数学计算数学计算,然后生成然后生成到凸轮表到凸轮表中的中的24适用于凸轮编辑表中若干点连接所组适用于凸轮编辑表中若干点连接所组成的凸轮曲线成的凸轮曲线.该类凸轮曲线是通过凸轮表编辑所得该类凸轮曲线是通过凸轮表编辑所得到的到的.使用该指令可以改变这类凸轮表中的使用该指令可以改变这类凸轮表中的任何点的位置任何点的位置,从而达到改变曲线的从而达到改变曲线的效果效果.TwinCAT NC PTP-WriteFunctionPoint 优点优点:该方法曲线的实现

17、方法比较简单该方法曲线的实现方法比较简单,不需要编程者有数学建模能力不需要编程者有数学建模能力,在凸轮编辑中根据工艺描点即在凸轮编辑中根据工艺描点即可可缺点缺点:不能满足复杂工艺曲线的需求不能满足复杂工艺曲线的需求.25该凸轮表该凸轮表中定义了中定义了4个点个点该凸轮曲该凸轮曲线是通过线是通过凸轮工具凸轮工具描点法实描点法实现的现的,比较比较简单简单.该凸轮表该凸轮表的每个位的每个位置点都可置点都可以在程序以在程序中修改其中修改其位置位置,以满以满足曲线的足曲线的变化变化TwinCAT NC PTP-WriteFunctionPoint 26The position values of a s

18、lave depending on a master value are interpolatedin the NCOnly segment points needed. The intermediate points are calculateddepending on the actual function in the NC PositiontableMotion FunctionTwinCAT NC PTP凸轮设计工具凸轮设计工具 数据表数据表动态修改动态修改27 MC_CamScaling的指令的功能的指令的功能1.能够动态的拉伸或收缩能够动态的拉伸或收缩X轴和轴和Y轴大小轴大小.2

19、.能够灵活的修改能够灵活的修改X轴或轴或Y轴的轴的起始位置起始位置.3.可以灵活的选择何时生效变化可以灵活的选择何时生效变化结果结果. MC_ReadCamTableSlaveDynamics.1.通过输入主轴位置通过输入主轴位置,计算出相计算出相应应Cam Table表的从轴位置表的从轴位置.2.由以上得到从轴位置由以上得到从轴位置,可以在可以在凸轮表的任一位置去启动凸轮曲凸轮表的任一位置去启动凸轮曲线线. TwinCAT NC PTP电子凸轮指令电子凸轮指令 28TwinCAT NC PTPMC_CamScalingMC_CamScaling的指令的效果的指令的效果CamScaling可以

20、看成可以看成是动态修改曲线的指令是动态修改曲线的指令.不仅仅是使用不仅仅是使用offset,主主从轴从轴scaling的方式改变的方式改变凸轮曲线凸轮曲线. 还可以通过上述的还可以通过上述的WriteFunctionPoint或或WriteFunction改变曲改变曲线线.29TwinCAT NC PTPMC_CamScaling通过通过MC_CamActivationMode,可以让可以让camscaling更加灵活的动态改变曲线更加灵活的动态改变曲线.有以下一些动态改变曲线的有以下一些动态改变曲线的类型类型:立即修改曲线立即修改曲线.主轴在凸轮表的指定位置时主轴在凸轮表的指定位置时修改曲线

21、修改曲线.在主轴绝对值的指定位置时在主轴绝对值的指定位置时修改曲线修改曲线.在下一个周期的开始修改曲在下一个周期的开始修改曲线线.凸轮表在一个安全的状态时凸轮表在一个安全的状态时修改曲线修改曲线.取消修改的曲线的计划取消修改的曲线的计划.30MC_ReadCamTableSlaveDynamics的指令的效果的指令的效果TwinCAT NC PTPMC_ReadCamTableSlaveDynamics31TwinCAT NC PTP : 追锯追锯追剪功能块追剪功能块:该功能块常用于物料剪切该功能块常用于物料剪切.(通常用在一些比较厚通常用在一些比较厚的中长物料的场合的中长物料的场合,如钢板剪

22、切等如钢板剪切等)该工艺的特点是该工艺的特点是:剪切从轴追上物料以后剪切从轴追上物料以后,和物料保持速度同步后和物料保持速度同步后,剪切物料剪切物料,并保持同步一段时间并保持同步一段时间.(可以充分的对物可以充分的对物料进行剪切料进行剪切).同步区结束以后同步区结束以后,剪切从轴反向剪切从轴反向,回到当初的起始回到当初的起始点点,准备下一次的追锯准备下一次的追锯.TwinCAT NC PTP :追锯功能块追锯功能块32TwinCAT NC PTP : 旋切功能块旋切功能块33旋切功能块旋切功能块:一种应用非常广泛的物料剪切案例一种应用非常广泛的物料剪切案例.如钢板剪切如钢板剪切,瓦楞纸剪切瓦楞

23、纸剪切,连续式包装机的薄膜剪切连续式包装机的薄膜剪切.通常和通常和收放卷配合使用收放卷配合使用.特点是特点是:旋刀在运行过程中不停止旋刀在运行过程中不停止(长料剪切除长料剪切除外外),比停剪的速度快很多比停剪的速度快很多.曲线特点主要为在剪曲线特点主要为在剪切的同步区速度保持一致切的同步区速度保持一致,其他区域为补偿区其他区域为补偿区,用来解决不同长度物料的位置补偿用来解决不同长度物料的位置补偿.TwinCAT NC PTP : 旋切功能块旋切功能块34TwinCAT NC PTP : 旋切功能块旋切功能块35TwinCAT NC PTP : 旋切功能块旋切功能块36TwinCAT NC PT

24、P : 动态捕捉功能块动态捕捉功能块37动态捕捉功能块动态捕捉功能块:该功能块的特点该功能块的特点:当通过旋切功能块去剪切薄膜当通过旋切功能块去剪切薄膜或纸张时或纸张时,如果材料上有色标如果材料上有色标,而旋刀必须剪在而旋刀必须剪在旋刀上时旋刀上时,就必须用就必须用TouchProbe功能功能.此时此时TouchProbe的作用是色标传感器检测到的作用是色标传感器检测到材上的色标后材上的色标后,将此时电机轴的位置记录下来将此时电机轴的位置记录下来.该位置记录是不受嵌入式该位置记录是不受嵌入式PC扫描周期的影响扫描周期的影响,是微秒级别的是微秒级别的.该数据走的是该数据走的是Ethercat p

25、rocess data的通道的通道,是是real time的数据的数据,动态记录的位置非常精确动态记录的位置非常精确.将前后两个色标的位置记录下来将前后两个色标的位置记录下来,相相减减,就可以得到下次剪切所需要的长就可以得到下次剪切所需要的长度度.TwinCAT运动控制: 自动收放卷38收放卷功能收放卷功能(TcPackAL库库 ):应用非常广泛应用非常广泛.该库适用于该库适用于NC对伺服或变频器的控对伺服或变频器的控制制.在收放卷的过程中在收放卷的过程中,随着卷径的不断随着卷径的不断变化变化,根据指令算法根据指令算法,通过修改电机角通过修改电机角速度的方法速度的方法,来达到收放卷材料线速来达

26、到收放卷材料线速度不变度不变.计算卷径的方法有计算卷径的方法有1.通过计算伺服或变频器实际走通过计算伺服或变频器实际走过的距离进行累加过的距离进行累加,再根据材料的再根据材料的厚度厚度,进行卷径的计算进行卷径的计算.2.根据外部传感器根据外部传感器,进行实际卷径进行实际卷径的测算的测算,并反馈给上位并反馈给上位.TwinCAT运动控制: Dancer39Dancer功能功能(TcPackAL库库 ):是张力控制的一个典型应用是张力控制的一个典型应用.通过修改主轴电机和从轴电机的速度通过修改主轴电机和从轴电机的速度齿轮比的方法齿轮比的方法,根据能够反应张力变根据能够反应张力变化的模拟量输入反馈化

27、的模拟量输入反馈,通过通过PID调节来调节来修改电子齿轮比修改电子齿轮比,从而达到张力控制从而达到张力控制的效果的效果.TwinCAT运动控制:MC_DigitalCamSwitch40CamSwitch功能功能(XFC库库 ):凸轮开关功能凸轮开关功能.所谓凸轮开关所谓凸轮开关,就是当伺服轴达到一个初始位置时就是当伺服轴达到一个初始位置时,数字量输出数字量输出打开打开.就是当伺服轴达到一个终点位置时就是当伺服轴达到一个终点位置时,数字量输出关闭数字量输出关闭.配合配合XFC使用使用,可以让系统的数字开关量输出的场合在最精确的可以让系统的数字开关量输出的场合在最精确的伺服轴位置打开伺服轴位置打

28、开,关闭关闭,满足对时间极其苛刻场合的应用满足对时间极其苛刻场合的应用.可以考虑使用该功能来提高包装机械的运行速度可以考虑使用该功能来提高包装机械的运行速度.Axis PositionOutput BitTwinCAT运动控制:FIFO41FIFO的特点的特点:可以将它理解可以将它理解成一个电子凸轮成一个电子凸轮.将需要走的点存在一个文将需要走的点存在一个文件里件里,也就是说一个特殊的也就是说一个特殊的File.这点和凸轮表的存储这点和凸轮表的存储方式比较类似方式比较类似.和凸轮不同之处它可以更和凸轮不同之处它可以更加灵活的修改所要走的位加灵活的修改所要走的位置点置点.例如例如:只需修改存储文

29、只需修改存储文件中的数据就可以改变下件中的数据就可以改变下一个一个PC扫描周期的位置扫描周期的位置.适用范围适用范围:一些随时都有可一些随时都有可能改变位置目标的应用能改变位置目标的应用.一一些无规则的曲线些无规则的曲线.TwinCAT运动控制:FIFO42Instantaneous override PT-2 Override 下列的两个图表下列的两个图表,非常形象的将图表中相邻两个点的变化类型表示了出来非常形象的将图表中相邻两个点的变化类型表示了出来.Instantaneous override:立即修改，以最快的速度从一个点切换到其相邻位置点立即修改，以最快的速度从一个点切换到其相邻位置

30、点. PT-2 Override override:PT-2的修改类型的修改类型,该类方式更加柔滑该类方式更加柔滑,减少了机械系统的冲击减少了机械系统的冲击.Beckhoff 张力控制解决方案张力控制解决方案张力的形成原理：张力的形成原理：运动物体中的张力是由于运动物体中的张力是由于物料长度方向存在着速度物料长度方向存在着速度差，使得物料的不同部分差，使得物料的不同部分产生相对位移（或形变），产生相对位移（或形变），而产生存在于物料内部的而产生存在于物料内部的一种内应力。一种内应力。根据虎克定律有：根据虎克定律有：由此可见，恒张力控制问题实质上就是恒速度控由此可见，恒张力控制问题实质上就是恒速

31、度控制问题，因而张力控制系统也可以理解为速度同制问题，因而张力控制系统也可以理解为速度同步及跟踪系统步及跟踪系统 有有 F=V/L 即速度的波动是张力波动产生的最根本原因。即速度的波动是张力波动产生的最根本原因。张力的控制方式张力的控制方式根据不同的应用要求，有基于力矩的开环和闭环张力控制，也有基于速根据不同的应用要求，有基于力矩的开环和闭环张力控制，也有基于速度的开环及闭环张力控制度的开环及闭环张力控制基于力矩的开环控制基于力矩的开环控制基于力矩的闭环环控制基于力矩的闭环环控制基于速度的闭环控制基于速度的闭环控制(Dancer) Beckhoff 科技自动化控制系统是纯软件的解决方案科技自动

32、化控制系统是纯软件的解决方案(无需硬件扩展无需硬件扩展)，几乎运行于任何一个，几乎运行于任何一个PC，但由于，但由于TwinCAT拥有比拥有比Windows高的资源调度优先权，通过高的资源调度优先权，通过 Beckhoff 专利技术的专利技术的调节，控制系统具有超强的硬实时能力，最短控制周期为调节，控制系统具有超强的硬实时能力，最短控制周期为50微秒，并可在微秒，并可在100微秒内刷新微秒内刷新100个伺服轴的数据。个伺服轴的数据。Motion 和和 PLC 在一个系统内，几乎没有通讯延时，消除了由此导致在一个系统内，几乎没有通讯延时，消除了由此导致的相位延迟和张力波动，可以完全取代传统的张力

33、控制器等一些快速的专用控制器，为客户的相位延迟和张力波动，可以完全取代传统的张力控制器等一些快速的专用控制器，为客户节省了成本，后期维护和改动便捷容易。节省了成本，后期维护和改动便捷容易。 在硅晶片的切割设备上，有多轴参与切割，切割区由于不允许安装控制设备，必须完全依靠在硅晶片的切割设备上，有多轴参与切割，切割区由于不允许安装控制设备，必须完全依靠电机的同步来保证张力的恒定。因此多丝切割机的张力控制有其自身的特点，切割区的张力电机的同步来保证张力的恒定。因此多丝切割机的张力控制有其自身的特点，切割区的张力必须通过多电机的协调控制实现。张力控制的目标为：系统输出的张力基本恒定必须通过多电机的协调

34、控制实现。张力控制的目标为：系统输出的张力基本恒定(波动范围波动范围小，静态误差小小，静态误差小)、对阶跃干扰响应迅速、并且调节控制方便，鲁棒性强。、对阶跃干扰响应迅速、并且调节控制方便，鲁棒性强。 以切方机为例，其硬件组成及平台如图示：以切方机为例，其硬件组成及平台如图示：Beckhoff 的张力控制软件及算法的张力控制软件及算法基于基于Load Cell-负载测量型的软件结构负载测量型的软件结构 在测量过程中，测量辊固定不动，在测量过程中，测量辊固定不动，Load Cell直接直接测量被控对象张力大小，并将传感器所测得数值反馈测量被控对象张力大小，并将传感器所测得数值反馈到控制器进行实时控

35、制。负载测量型张力测量辊适合到控制器进行实时控制。负载测量型张力测量辊适合应用于被控对象，材料比较重和有限的活动空间。此应用于被控对象，材料比较重和有限的活动空间。此种类型的测量机构，测量辊安装精度，种类型的测量机构，测量辊安装精度，Load Cell分分辨率，辨率，A/D转换时间是影响控制精度的关键因素。由转换时间是影响控制精度的关键因素。由于负载测量型的张力辊固定，不能吸收张力峰值波动，于负载测量型的张力辊固定，不能吸收张力峰值波动，其通常应用于运行速度较慢的生产线设备中。其通常应用于运行速度较慢的生产线设备中。 Beckhoff张力控制解决方案的软件架构如下：张力控制解决方案的软件架构如

36、下：Master AxisSlaveAxisPIDControl?gScalingAlgorithmg(t)TargetTensionActualTensionTension+-PID Output?g * PIDout+ GearOffset 本解决方案中主要运用了功能块本解决方案中主要运用了功能块FB_TensionControl.该功能块支持多主轴该功能块支持多主轴(Master1,Master2,Master3)耦合：耦合： TensionIput1: 实测张力值；实测张力值；LoadCell_CTL1: LoadCell_CTL 的结构体，包括一些的结构体，包括一些Kp等参数的赋值；等参数的赋值；AxisEX1：参与同步的主轴结构体；：参与同步的主轴结构体；AxisEX2