运动系统的挑战
        很多工程师的职业生涯都始于工控环境中的设备运动概念控制工程网版权所有，时刻牢记运动是带有负载的。设备建造商或者工厂工程师与其使用标准的产品设计蓝本，不如仔细研究产品的具体应用场合，这会为运动系统集成给出很大帮助。战略性设计方法能够实现更有效率、使用更直观的设备。
        运动控制工程中所使用的传统方法大体上基于一种很简单的运动控制器模型、伺服模型和电机控制模型。工业的发展趋势是高度同步的交流伺服系统和机器人www.cechina.cn，可自定义能力更强的运动控制应用正在后勤、物料夹持、塑料设备、金属制品和其他会对运动控制带来不小挑战的领域内大放异彩。
        标准的线性运动应用——加工、挤压机、夹具和定位应用中比较常见——趋向服务于单纯的目的，对于速率和灵活性要求不高。相反的，一些高级应用场合，例如制药行业中的起泡包装，有可能包含多种包装尺寸和剂量、小规模生产、设备清洗等变化，还需要从胶囊切换到片剂或者液体药剂产品。设计问题不仅仅包括高可靠性CONTROL ENGINEERING China版权所有，还要包括精确的速度、灵活性以及便于编程以实现产品变动。
        设备设计总是或多或少地有些复杂。过去，典型的系统仅使用一台设备解决简单的问题，例如机械纸板箱包装设备，使用一台电机驱动，产品产出率就是1:1。如果要切换到另外一种产品或者包装尺寸有变动，通常意味着需要停机，更换零件，经验丰富的工人花费数小时才能完成。虽然速度不高，灵活性也不强，但是机械过程毫不复杂，只需合理设置，就能实现较好的可操作性和一致的性能。

设计统一的功能强大的集中自动化控制系统的关键在于精确地获取信息。图片来源：Lenze 美国公司。

        虽然设备从本质上没有什么变化，但是应用需求却变了。以高度复杂的动态包装工业为例，特别是在生活消费品包装中，运动控制集成的挑战显而易见。今天的纸板包装作业可能包含20台交流伺服电机。生活消费品包装速率更高。例如糖果打包机每分钟打包3000袋，且打包过程包含多个步骤——从滚轴获取打包材料、切割、取得产品、定位、打包扭转和转动。问题的复杂度不仅仅在于量，还在于编程。生活消费品包装设备通常需要应对不同种类的产品。设备环境必须具备涡轮机的速度，还具有足够的灵活性，转换新型SKU并引入市场。
        通用语言，标准代码
        过去，为了实现一个复杂的工作，从零开始开发一种专用的工具很是平常。今天，复杂的设备设计并不一定要求复杂的编程。关键在于找到一种方法，使软件能够简化作业和维护。简单代码和模块代码是OMAC PackMLS（设备自动化和控制组织——包装设备语言）组织和ISA88（美国自动化学会）发展的主要成果。值得一提的是，ISA88提供了针对于模块化设备和控制模块的标准。ISA88第五部分确保业界领先位置的供应商都能够为客户提供标准模块www.cechina.cn，这是一种用于伺服电机的可以互换的标准模块。
        这些国际代码提供同一种框架，在这种框架下工作，可以降低复杂度，只要编写一种功能模块的代码，就可以应用于上述的19个例子中，无需为每一台电机开发独立的代码。基于ISA88和PLC Open运动标准，一台指定的电机就获得了一套或者一系列运动属性，设备工程师获得了极大地作业可互换性，而这在十年前是无法实现的。随后通用的技术方法和统一的包装机语言诞生，正是这些成果促成了近期运动控制的创新，更好的设备集成和离散设备加工领域中更好的加工一致性才得以实现。
        代码编写过程标准化了，代码模块就能够实现运动控制器到PLC和HMI的通讯。信息的流畅交互处于核心地位，简化了一度很复杂的设备和过程，例如机器人和捆包系统。市场最近的控制产品具有相当的智能型，例如可以判断主要包装产品和次要包装产品的包装尺寸，自动调整设备配置，无需使用复杂的计时、计数和其他变量。
        模块化多轴机器人
        机器人技术不再受限于高度定制的应用。最近的运动控制技术能够将机器人集成到任何应用中，只要能够定义机械自由度即可。
        例如，过去的连续装箱机使用机械载荷撞锤将产品推到待包装的盒子中，这要求连续提供产品和纸盒箱，使用间歇性的停止-启动运动。一种在三个维度上作业，要求采用ISA88标准的设计方法诞生了，它使用一种包含所有三个维度的机器人模块。这种三维动作能够编程到一个模块中，统一编写复位、珩磨和作业动作的代码，还可以复制以实现并行作业。由于使用了具有三个维度运动能力的连续包装机——前后运动、左右运动、上下运动，传输设备的动作更加精确，可以实现产品的连续包装，避免了无谓的能耗以及时常停机开机所产生的机械摩擦和磨损。
        因此，一度需要使用12个独立轴才能完成的装箱机如今只需要使用机器人软件模块进行编程即可，仅仅需要为输入和输出传送带分配辅助轴，因此获得了更高的作业速率和更长的寿命。依照标准“模板”进行编程，仅作略微调整即可适用于任何应用或者不同种类的产品。这种方法带来的不仅仅是更高的速度、更好的性能和跟简便的编程，还带来了更好的稳定性以及更长的设备寿命。

先进运动控制技术支持将机器人集成至任何应用中，只要能够定义机械自由度即可；3-D运动可以编写成模块代码，包含复位、珩磨和执行运动等功能，还能够复制进行并行作业。图片来源：Lenze 美国公司。

        集中控制、逻辑、运动
        运动控制自动化通常都包含多台设备，要求功能强大并且相同的集中自动化控制系统。设备建造商正致力于开发更简单的无需维护的技术，可以实现高性能的动态功率用度。
        更简便的作业、功耗和性能之间不一定要相互制约。
        一种紧凑型的、地功耗的专门用于包装和过程自动化领域的控制器将可编程逻辑控制器（PLC）、运动控制器和可视化组件集成在一个紧凑的设备中，简化了工程复杂度，实现了成本节省。以高动态的多轴应用实现精确的运动控制，这台设备适用于架桥机系统、机器人、传送带、给料系统和其他线性加工设备。
        这种架构安装于一个小巧的控制机柜之中，无需风扇或者电池或者集成不间断电源（UPS）。控制器可以控制驱动和电机，对动作顺序进行编程、计划每一个轨道坐标，控制驱动器进而控制电机逐渐接近定位点和目标速度。板载的集成以太网交换机和EtherCAT，控制器与从2个（1ms循环时间）到64个（6ms循环时间）的多个轴之间进行流畅的通讯。
        基于EtherCAT的控制器平台将逻辑控制和运动控制接合在一起。通过USB驱动器可以自动实现标准安装，此单元将试运行时间压缩，其插拔式内存卡和通过集成Web服务器实现的诊断功能使设备更换十分方便。不止EtherCAT，此控制器还符合IEC61131-3标准、PLCopen和CoDeSys3工业标准。
        基于控制器的系统
        有了控制器，再加上伺服变频器就构成了具有集中运动控制功能的基于控制器的自动化系统。这种设计最小化了运动控制的复杂度，集成单元简化了设备的设计、建造和试运行。此驱动系统外观小巧、灵活易用、便于安装。很短的循环时间、32位信号解析度和超过200%的过载能力使这个单元成为简单定位作业的理想之选，还适用于一些高动态性、高精度、多轴应用场合，例如物料夹持和包装设备，或者机器人应用。
        6轴伺服变频器和2轴伺服变频器模块具有0.37kW到15kW等诸多功率区间，有相应电源模块可选。插拔连接器保证了快速布线。常规作业条件下电源模块无需外配滤波器或者直流熔丝，因为它内嵌有动态制动器。驱动器之间的电气连接无需使用电缆，采用了新型的导轨系统，通过调整连接器可以实现快捷安装。驱动器采用了多种制冷技术，包括制冷盘、穿越技术和面板式安装单元。
        它支持所有种类的电机技术，从标准三相电机到同步伺服电机，动态电机控制功能使用单一接口CONTROL ENGINEERING China版权所有，简化了工程实现。直观的软件工具和集中的工程界面简化了通过EtherCAT将此单元集成到自动化架构中的过程。自动下载参数和固件，加上自动调整功能，试运行可以迅速完成。它还具有集成安全功能，简化了设备设计。“安全扭力切断”（STO）功能是标准配置，如果要想实现扩展安全网络，此设备的不同版本可以通过EtherCAT实现最高的安全等级（SIL 3，PLe）。