《中國制造2025》是國務(wù)院于2015年12月發(fā)布的制造業(yè)升級戰(zhàn)略，目標(biāo)是在未來三十年內(nèi)分三個階段將中國建設(shè)成為世界制造強國。該戰(zhàn)略的核心在于推動制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，以創(chuàng)新為驅(qū)動力，注重質(zhì)量、綠色發(fā)展和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，同時強調(diào)人才培養(yǎng)。其行動綱領(lǐng)著重于市場主導(dǎo)與政府引導(dǎo)相結(jié)合，著眼于長遠(yuǎn)發(fā)展，強調(diào)整體推進與重點突破，倡導(dǎo)自主發(fā)展與開放合作。
智能制造是《中國制造2025》的重點之一，旨在通過新一代信息技術(shù)與制造技術(shù)的融合，發(fā)展智能裝備和產(chǎn)品，提升企業(yè)在研發(fā)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)等方面的智能化水平，實現(xiàn)信息化與工業(yè)化的深度融合。
在運動控制領(lǐng)域，插補運動技術(shù)至關(guān)重要，它使得設(shè)備能夠按照預(yù)定軌跡精確移動。這種技術(shù)在多個行業(yè)中得到應(yīng)用，如鋰電設(shè)備、汽車制造、罐裝機械、物流設(shè)備、機加工、橡膠行業(yè)、3C產(chǎn)品和數(shù)控機床等。特別是在橡膠行業(yè)，利用G代碼和插補器的軌跡跟蹤功能可以高效完成點膠等精細(xì)作業(yè)。
機械裝備的制造加工功能通常通過部件的運動來實現(xiàn)，無論是金屬切削、焊接、鍛造還是3D打印等工藝，都依賴于精確的運動控制。不同的工藝對運動控制有特定的需求，如機器人和數(shù)控機床側(cè)重于路徑規(guī)劃和運動參數(shù)的協(xié)調(diào)，而印刷和包裝機械則更關(guān)注主軸與從軸的同步及工藝節(jié)拍。
運動控制系統(tǒng)是確保數(shù)控機床、機器人及其他先進裝備高效運行的關(guān)鍵。它不僅要求對設(shè)備的運動軌跡和形態(tài)有深入理解，還需解決復(fù)雜的機械運動學(xué)和動力學(xué)問題。
運動控制技術(shù)泛指在加工過程中，通過驅(qū)動部件（如液壓泵、直線驅(qū)動器或電動機）對機械設(shè)備或加工刀具的位置、速度、加速度、加速度變化率和轉(zhuǎn)矩等基本運動要素進行控制。這一技術(shù)在國民經(jīng)濟的多個領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，并帶來了顯著的經(jīng)濟效益。運動控制技術(shù)是控制理論在機械和電力工程中的實際應(yīng)用，它綜合了微電子技術(shù)、電子電力技術(shù)、計算機信息技術(shù)、傳感檢測技術(shù)和電機學(xué)等多個領(lǐng)域的技術(shù)，是一門高度綜合的技術(shù)學(xué)科。
以下為LicOS PLC/PAC基于G代碼、插補器的插補運動功能詳細(xì)介紹與實現(xiàn)方法：
圖1 MC500系列PAC
圖2 MC600系列PAC
圖3 DIN66025 G代碼編程語言標(biāo)準(zhǔn)
圖4 G代碼實例
圖5 G代碼功能
圖6 通過G代碼實現(xiàn)飛機模型搭建
圖7 通過G代碼實現(xiàn)圓弧插補
圖8 通過G代碼實現(xiàn)直線插補
圖9 輔助軸
聯(lián)誠PLC的CNC運動控制部分除了支持3軸插補運動外，另外還支持A/B/C/P/O/U/V/W 等8個輔助軸的定位控制，以便在機械設(shè)備的插補運動軸在運動過程中，讓輔助軸可以配合運行，這些輔助軸的運行起止時間可以由用戶G-Code代碼程序決定，但與XYZ軸運動并沒有完全同步關(guān)系。
圖10 輔助軸
用戶程序中，輔助軸運動的編程寫法與XYZ 軸寫法相同：其中跟隨A/B/C/P/Q/U/V/W等變量后邊的數(shù)值，就是對應(yīng)輔助軸的目標(biāo)位置。軌跡插補運行時，各輔助軸按定位運行方式運行，其執(zhí)行完成時間則與XYZ完成時間相同，如圖所示。
G代碼路徑可以實現(xiàn)直線路徑、圓弧路徑、曲線路徑、橢圓路徑。除了路徑規(guī)劃以外，可以通過G代碼是賦值，包括運行速度、運行加速度、運行減速度等。實際上，G代碼是基于點的描述，插補器將G代碼描述的點混合成相應(yīng)路徑線段，并將這些混合而成的路徑線段存放在路徑規(guī)劃緩存區(qū)，并按路徑堆載輸出路徑線段驅(qū)動伺服系統(tǒng)運行。
圖11 G代碼存儲的三種格式
編寫的G-Code軌跡程序，是以文本字符串的形式存在的，其中有些軌跡信息是需要進行上下文分析后才能準(zhǔn)確還原用戶所需的控制特性，為了提高軌跡插補的運算效率，實現(xiàn)運行軌跡的平穩(wěn)控制，需要將之編譯成適合處理器執(zhí)行的代碼序列，典型格式如OutOueue格式。
OutQueue格式是將G-Code源文件編譯成方便插補器執(zhí)行的數(shù)據(jù)表格，如軌跡的起止坐標(biāo)與線型、加減速參數(shù)、模式指令參數(shù)、輔助軸運動參數(shù)、M與H指令參數(shù)，以及其他輔助信息等等，解析成有序的、無需前后文分析的正則表格數(shù)組。
插補器在執(zhí)行時，按表格數(shù)據(jù)與線型直接插補輸出即可；根據(jù)這個表格數(shù)組，可以實現(xiàn)軌跡的雙向運動、多個連續(xù)線段的速度連續(xù)緩沖（Buffer））處理等。因此，OutQueue格式可以理解為正則的G代碼文件。正因OutQueue格式具有更完整的軌跡線段坐標(biāo)與線型信息，方便作軌跡的圓滑倒角處理（Smooth），運行速度分析調(diào)整（CheckVelocity）、甚至是CNC加工軌跡控制所需的刀具補償（ToolCorrect），因而軌跡控制的預(yù)處理，一般都是基于軌跡的OutQueue格式進行的。上述幾種預(yù)處理，在Smart Control系統(tǒng)中已提供對應(yīng)的FB功能塊，可以根據(jù)控制需要進行實例化調(diào)用。
圖12 三種格式G代碼編譯過程
M指令（暫停功能）:
聯(lián)誠PLC支持G-Code程序的M輔助功能，可以在插補運行中，按M指令要求暫停插補軌跡的運行，待接到對應(yīng)的確認(rèn)信號，才繼續(xù)執(zhí)行。
H指令（邏輯開關(guān)功能）:
支持G-Code程序的H輔助功能，可以在連續(xù)軌跡的插補運行中，經(jīng)過H指令指定的軌跡點，輸出指定的邏輯控制信號，用于邏輯控制。H指令與M指令不同，經(jīng)過監(jiān)控點位置時，輸出邏輯信號，并不出現(xiàn)軌跡運行的減速或暫停。借助這個功能，可以讓系統(tǒng)知悉軌跡運行已到達特定位置，或用于觸發(fā)相應(yīng)的控制邏輯，如點膠機噴嘴的控制等。
軌跡的圓滑與倒角處理:
在實際應(yīng)用中，對于軌跡轉(zhuǎn)折處可能需要有倒角和圓滑處理，用G51/G52指令就可以啟動圓滑路徑處理，將拐角處位置改為連續(xù)即可實現(xiàn)連續(xù)插補。
軌跡的刀具補償處理:
用戶一般設(shè)計所需工件外形或希望加工的圖案形狀，而設(shè)備控制的卻是加工工具的運動軌跡，加工工具一般都會有其外形尺寸，如鏜床、銑床、磨床的工具，因此加工工具的行走軌跡需要在工具軌跡的基礎(chǔ)上，考慮工具的尺寸，預(yù)留一個刀具半徑的偏移量，這就是刀具補償。G-Code指令集中的G41、G42、G40就分別是刀具半徑左補償、右補償和取消半徑補償.
圖13 G代碼的M功能
圖14 G代碼的M功能
圖15 G代碼的H功能
圖16 G代碼的H功能
運動系統(tǒng)的輪廓控制是根據(jù)已知運動軌跡的起點坐標(biāo)、終點坐標(biāo)、曲線類型和走向，由運動控制系統(tǒng)實時計算各中間點的坐標(biāo)。這個中間點坐標(biāo)的插入和補充的技術(shù)稱為插補技術(shù)。插補技術(shù)是運動控制器中的一種算法。它是在一條已知起點和終點的曲線之間進行數(shù)據(jù)密集化的算法。按數(shù)學(xué)模型，可分為一次(直線)插補、二次(圓弧、拋物線、圓、雙曲線、二次樣條)插補和高次(樣條)插補等。按插補方法，可分為脈沖增量插補和數(shù)字增量插補。
脈沖增量插補是控制單個脈沖輸出規(guī)律的插補方法。每輸出一個脈沖，移動部件相應(yīng)移動一定距離(稱為脈沖當(dāng)量)。因此，它也稱為行程標(biāo)量插補。常用的有逐點比較法、數(shù)字積分法等。
數(shù)字增量插補是在規(guī)定時間(稱為插補時間)內(nèi)，計算各坐標(biāo)方向的增量等數(shù)據(jù)，同服
系統(tǒng)在下一插補時間內(nèi)走完插補計算給出的行程。它也稱為時間標(biāo)量插補。直線插補的原理簡單，控制誤差容易，通常用曲率圓弧近似估計誤差，以計算符合精度要求的插補直線段參數(shù)變量。但直線插補生成的逼近曲線不是一階連續(xù)的，在期望精度高的場合生成的插補點數(shù)過多，造成數(shù)據(jù)存儲和傳輸?shù)睦щy。
圓弧插補可在一定程度上彌補直線插補的不足，可生成一階幾何連續(xù)的逼近曲線，生成的插補圓弧段數(shù)量較少。但插補圓弧控制誤差的計算復(fù)雜，難以解析求解出目標(biāo)曲線與逼近曲線之間距離，需用數(shù)值分析方法求解出滿足精度要求的插補圓弧參數(shù)。目前，插補一般用軟件實現(xiàn)。常用的插補是直線插補和圓弧插補。直線插補算法簡單，誤差容易控制，通常采用曲率圓弧近似估計誤差的方法計算符合精度要求的插補直線段參數(shù)變量。但直線插補生成的逼近曲線不連續(xù)，精度要求高時插補點數(shù)多，因此，數(shù)據(jù)存儲和傳輸負(fù)擔(dān)大。圓弧插補可生成一階幾何連續(xù)的逼近曲線，生成的插補圓弧段數(shù)少，但計算圓弧插補的。
圖17 插補器MC Interpolator
MC Interpolator是CNC軌跡控制中最核心的插補功能塊，其功能強大，但使用簡單。相比于以往脈沖控制方式的插值原理，基于EtherCAT控制方式的插值要簡單許多，因為控制器只需要將指定軌跡曲線中，插補得到有限個離散的中間點，用數(shù)學(xué)方法計算得到這些中間點的坐標(biāo)（dx，dz），讓合成軌跡能以設(shè)定的加速度、減速度、設(shè)定速度等運行，插補器支持DIN66025標(biāo)準(zhǔn)中的所有G、M、H指令的解析執(zhí)行。
將這些中間點坐標(biāo)經(jīng)過必要的坐標(biāo)變換處理后，以位置命令方式發(fā)送給驅(qū)動X、Y、Z軸的伺服，令三個軸同時運動，這三個軸運動的合成軌跡即為所需運動軌跡。
左圖為一個直線線段CNC插值的原理圖，因為在線段的軌跡運動中，存在加速和減速的過程，中間的插入的間距會有加速時間距逐漸加大、減速時間距逐漸減小的情況。
EtherCAT任務(wù)是按固定的周期執(zhí)行，如周期一般設(shè)為1ms/4ms等，插補周期與EtherCAT周期相同，開始插值運行后，每次EtherCAT中斷時執(zhí)行一次MC_Interpolator功能塊，該功能塊就以一個EtherCAT周期內(nèi)，按照用戶設(shè)定的軌跡速度、允許的加減速時間，計算每個軸在下一個周期內(nèi)，需要運行的距離，以G代碼坐標(biāo)系為參考，按照垂直坐標(biāo)系目標(biāo)絕對位置坐標(biāo)（dx，dy，dz），作為伺服運行的位置指令。在插補處理的同時，對 A B C P Q U V W 等輔助軸同時進行對應(yīng)的定位控制處理。
圖18 插補器MC Interpolator
圖19 線段插補
插補功能塊SMC_Interpolator，按照一定的時間間隔，計算給定路徑的位置，對路徑進行離散。通過piSetPosition輸出笛卡爾坐標(biāo)系的位置，單位為脈沖當(dāng)量。
常用的樣條曲線是三次B樣條曲線和三次非均勻有理B樣條曲線(NURBS曲線)。樣條曲線是用多項式曲線段連接而成的曲線。每段曲線邊界處滿足特定的連續(xù)條件，其形狀由一組控制點決定。
樣條曲線可精確地表示解析曲線和自由曲線，數(shù)控技術(shù)中，為加工復(fù)雜的流線型覆蓋件例如，飛機機翼和成形模具等需要高精度的數(shù)控加工。采用傳統(tǒng)曲面數(shù)控加工技術(shù)不僅處理數(shù)據(jù)量大，而且加工效率不高。因此，1991年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織規(guī)定數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)作為工業(yè)產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，成為定義工業(yè)產(chǎn)品幾何形狀的唯一數(shù)學(xué)方法。按數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO14649，樣條曲線插補是將符合三維幾何模型加工信息直接作為數(shù)控系統(tǒng)輸入，即直接對參數(shù)曲線進行插補。
圖20 G代碼解析
圖21 速度預(yù)處理
圖22 路徑預(yù)處理
圖23 預(yù)處理
圖24 樣條曲線路徑預(yù)處理
圖25 刀具預(yù)處理
圖26 預(yù)處理功能塊
圖27 管理功能塊
圖28 運動學(xué)轉(zhuǎn)換
圖29 支持的運動學(xué)模型
圖30 支持的運動學(xué)模型
圖31 五軸運動學(xué)模型
圖32 運動學(xué)模型對應(yīng)的算法功能塊
如前面所述，G-Code是以三維垂直坐標(biāo)系來描述空間位置和軌跡，下圖是簡單的3軸垂直坐標(biāo)系統(tǒng)（也稱龍門架結(jié)構(gòu)）的插補執(zhí)行程序，以CFC圖形化語言給出，用戶的軌跡數(shù)據(jù)已編譯成SMC OutQueue格式，則最簡化的插補控制程序如下圖：
