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宋華振（1976-）
男，畢業(yè)于武漢化工學(xué)院檢測(cè)技術(shù)及儀器儀表專業(yè)，現(xiàn)任貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（上海）有限公司行業(yè)銷售主管。

    2008年，B&R提出了GMC（Generic Motion Control）這一前瞻性概念，它著眼于建立面向整廠級(jí)的運(yùn)動(dòng)控制方案，力圖使得這個(gè)架構(gòu)能夠適應(yīng)未來(lái)市場(chǎng)不斷變化的需求和對(duì)成本不斷增加的壓力。

1 未來(lái)的機(jī)器設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)

    對(duì)于印刷、包裝、塑料、紡織機(jī)械等行業(yè)的OEM制造商而言，大批量生產(chǎn)可以顯著降低成本，而小批量、多品種的需求則要求機(jī)器的變化能力，這似乎是一個(gè)矛盾？而模塊化的機(jī)械設(shè)計(jì)能夠解決這一矛盾，與此同時(shí)，它也對(duì)電氣系統(tǒng)提出了要求，必須是硬件模塊化，而且，軟件也是模塊化設(shè)計(jì)的。

設(shè)備互聯(lián)

    今天，在一個(gè)飲料、礦泉水或者液體奶生產(chǎn)廠，我們可以看到整個(gè)生產(chǎn)線的過(guò)程：由吹瓶機(jī)生產(chǎn)的PET瓶被機(jī)械手輸送到灌裝線上，而灌裝頭為其提供精確的灌裝，然后壓蓋、貼標(biāo)，再按照預(yù)先設(shè)計(jì)的包裝方案進(jìn)行熱膜包裝，最后由機(jī)器人碼垛后裝箱。在整個(gè)過(guò)程中，我們會(huì)看到：吹瓶涉及液壓技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)壁厚控制，然后直線機(jī)械手抓取的定位控制，灌裝涉及閥島和快速的質(zhì)量流量計(jì)信號(hào)采集，熱膜包含了送瓶、上膜、分瓶等運(yùn)動(dòng)控制，而機(jī)器人則需要多維度的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，裝箱的定位，輸送單元的變頻，一些簡(jiǎn)單機(jī)械位置調(diào)整可能會(huì)使用小型的直流伺服，這些融合了定位、CAM、CNC、液壓、Robotics技術(shù)的整個(gè)過(guò)程需要一個(gè)完整的解決方案來(lái)實(shí)施，誰(shuí)能提供如此卓越的技術(shù)而又開放簡(jiǎn)單呢？

    克朗斯、立樂(lè)或者SIG這些國(guó)際知名的廠商均在提供一個(gè)完整的包裝解決方案，海德堡、Man Roland則不斷創(chuàng)新的來(lái)為印刷廠提供建立在整廠架構(gòu)下的商業(yè)印刷解決方案，簡(jiǎn)單的機(jī)器控制已經(jīng)不再是時(shí)代的潮流，而提供基于集成架構(gòu)的設(shè)計(jì)則能滿足這種迫切的需求。

軟件時(shí)代的到來(lái)

    對(duì)于機(jī)械制造商而言，他們更加清醒的意識(shí)到，軟件扮演著越來(lái)越重要的角色，如何在語(yǔ)言之間選擇？其實(shí)并非如此，Ladder適合Logic部分的編寫，但是C則提供了更合適于復(fù)雜算法和軟件封裝滿足知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)以及多種機(jī)型共享通用模塊的需求。IEC和PLCopen提供了開放的功能塊來(lái)供調(diào)用，這就使得軟件變得更加方便和開放，不但易于獲得，并且可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)用，而又無(wú)需支付高昂的費(fèi)用。

2 什么是GMC

    GMC是一個(gè)大的框架，它由以下幾個(gè)層面構(gòu)成，組成了一個(gè)完整的面向整廠解決方案的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

    GMC的對(duì)象不僅僅是伺服電機(jī)了，它把運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行了廣泛的外延，使得它具備適應(yīng)各種現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求的能力。步進(jìn)、直流、電液伺服、變頻和安全技術(shù)，這樣，不同的性能應(yīng)用所需的對(duì)象均在包含之中，使得客戶可以任意選擇和組織，獲得最優(yōu)的配置選擇，以發(fā)揮各執(zhí)行機(jī)構(gòu)所具有的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，而無(wú)需增加成本去獲得昂貴的伺服來(lái)控制。

2.2 應(yīng)用層

2.2.1運(yùn)動(dòng)控制

    點(diǎn)到點(diǎn)移動(dòng)

    電子齒輪

    電子凸輪仿形

    橫切

    飛鋸

    色標(biāo)控制

    鼓序列發(fā)生器

    套印控制

    這些功能塊被封裝好，客戶只需為其提供簡(jiǎn)單的參數(shù)入口，即可應(yīng)用到系統(tǒng)中。

2.2.2 CNC

    CNC與普通的運(yùn)動(dòng)控制有所不同，例如CNC所需的G代碼，以及3D擴(kuò)展應(yīng)用、3D CNC 加工，可提供多種運(yùn)動(dòng)模型設(shè)計(jì)算法，并且能夠?qū)ぷ骺臻g監(jiān)控，而與Logic PLC的任務(wù)高速同步來(lái)確保整機(jī)的完美運(yùn)行，例如直線、圓弧、拋物線、螺旋線的插補(bǔ)等。

2.2.3機(jī)器人技術(shù)

    機(jī)器人則包含了機(jī)器人本身所需要的專業(yè)庫(kù)，例如SCARA、Articulated arm robot、Parallel SCARA機(jī)器人所需的控制策略與模塊均不相同，而這些可以由ARCN0功能包集成到整個(gè)系統(tǒng)中，運(yùn)行于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Automation Runtime之上提供了其實(shí)時(shí)操作的保證。

    人形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)

    SCARA運(yùn)動(dòng)學(xué)

    Steward平臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)

    工作空間監(jiān)測(cè)

    視校功能設(shè)計(jì)

2.3 軟件接口

    GMC提供了對(duì)PLCopen的標(biāo)準(zhǔn)模塊調(diào)用支持，這包含了PLCopen Logic、Motion、Hydraulic和Safety技術(shù)的各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用包，并且IEC61131所支持的編程工具和功能庫(kù)也可以被調(diào)用，開放的軟件調(diào)用獲得了通用性，而不受制于某項(xiàng)私有技術(shù)的制約，能夠獲得開放組織所提供的長(zhǎng)期創(chuàng)新集成，獲得持續(xù)的可用性，保證了自身技術(shù)的獨(dú)立性的同時(shí)，而無(wú)需支付昂貴的軟件成本。

2.4 GMC診斷技術(shù)

    智能型的伺服需要具備自整定功能，而示波器功能則提供了工程應(yīng)用中對(duì)于伺服對(duì)應(yīng)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示以獲得機(jī)械工藝改善的參考以及調(diào)試方向的改善，通過(guò)與Mathworks的合作，在系統(tǒng)里也可以完成Simulink仿真和代碼自動(dòng)生成功能。

2.5 Ethernet POWERLINK技術(shù)集成

    GMC融合了實(shí)時(shí)通信技術(shù)到運(yùn)動(dòng)控制中，通常來(lái)說(shuō)，各種控制對(duì)象里運(yùn)動(dòng)控制對(duì)于總線的速度和實(shí)時(shí)性要求是最高的，基于總線型設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制需要借助于高速的通信技術(shù)來(lái)提供數(shù)據(jù)的交換以確保軸與軸之間的同步關(guān)系。在印刷機(jī)械無(wú)軸傳動(dòng)、細(xì)紗超長(zhǎng)車、高速經(jīng)編，以及高速CNC加工和機(jī)器人應(yīng)用中，采用高速數(shù)據(jù)總線來(lái)提供各個(gè)軸之間的速度、位置及坐標(biāo)信號(hào)（X,Y,Z,Roll,Pitch,Yaw）至關(guān)重要，通過(guò)不斷的數(shù)據(jù)交換各個(gè)軸之間進(jìn)行著高速的同步來(lái)確保控制目的的實(shí)現(xiàn)。

3 為什么采用GMC

    什么是GMC理念設(shè)計(jì)的源動(dòng)力？顯然， OEM制造商的不斷變化的需求和對(duì)行業(yè)的精深理解使得B&R的設(shè)計(jì)師們通過(guò)集成原有的技術(shù)，使系統(tǒng)更加優(yōu)化組合，設(shè)計(jì)出放眼全局的通用運(yùn)動(dòng)控制解決方案。

變化的需求

    在超市里我們看到，那些洗衣粉的包裝可謂千奇百怪，飲料、啤酒、煙草的包裝也在不斷地變化，這給設(shè)備制造商造成很大的壓力，因?yàn)椋麄儽仨氃诖笈可a(chǎn)和非標(biāo)設(shè)計(jì)的靈活性間平衡，這似乎是矛盾的，但是，運(yùn)動(dòng)控制很好的解決了這些問(wèn)題。與傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)相比，運(yùn)動(dòng)控制使得靈活性得到了大幅度的提升：

    如果采用傳統(tǒng)的機(jī)械方式裁切一卷紙，那么刀輥會(huì)根據(jù)尺寸不同而隨時(shí)更換，刀輥的成本加上更換調(diào)校所需的時(shí)間成本加起來(lái)會(huì)使生產(chǎn)成本加大，但我們不難發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)控制的靈活性使得所支付的成本變得微不足道，如果在經(jīng)編機(jī)上采ELS電子橫移技術(shù)，那么重達(dá)2噸的鏈塊安裝和調(diào)校這項(xiàng)耗費(fèi)巨大的工作將會(huì)被觸摸屏上的設(shè)置代替，不同的紗線其成型工藝有所不同，可是通過(guò)凸輪，不僅會(huì)出現(xiàn)機(jī)械的磨損，而且，變化一次所需要的時(shí)間和成本則會(huì)被運(yùn)動(dòng)控制的數(shù)分鐘的參數(shù)設(shè)置所替代，這就是運(yùn)動(dòng)控制的魅力。

    GMC不斷地響應(yīng)這些需求，在其中集成了多種不同的功能。如上所述，CAM、色標(biāo)、張力處理、CNC插補(bǔ)、機(jī)械手、定位等，GMC就是針對(duì)這些變化來(lái)設(shè)計(jì)的，因?yàn)椋@是眾多OEM制造商所渴望的變化。

成本優(yōu)化的集成架構(gòu)

    什么是真正意義上的成本優(yōu)化？集成架構(gòu)對(duì)于成本的優(yōu)化絕非空談，而是事實(shí)，那些應(yīng)用各種技術(shù)的工程師最有貼身體會(huì)。

    復(fù)雜多變的機(jī)器需求帶來(lái)了內(nèi)在性能的不匹配的同時(shí)也帶來(lái)了成本的壓力，因?yàn)椋瑸榱藢?shí)現(xiàn)一個(gè)不同的銜接可能需要額外的投資。例如：在互聯(lián)這些設(shè)備時(shí)，GMC提供了一個(gè)再也不需要拼湊各家的系統(tǒng)，而這些系統(tǒng)由于互聯(lián)增加了額外的硬件開支，接口轉(zhuǎn)換器或者網(wǎng)關(guān)模塊，以及為了互聯(lián)而必須進(jìn)行的設(shè)備調(diào)試成本。將機(jī)器人或者CNC這類專業(yè)而封閉的系統(tǒng)加入到系統(tǒng)中需要支付整個(gè)的成本，而事實(shí)上，對(duì)于很多應(yīng)用而言，并非需要所有卻要為一部分支付所有的費(fèi)用，顯然，GMC可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題。

    事實(shí)上，成本并非是一個(gè)靜止的參考值，潛在的浪費(fèi)是可怕的，例如：對(duì)于不斷的加減速的應(yīng)用，獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)技術(shù)使得那些制動(dòng)的能量被以熱量的形式通過(guò)制動(dòng)電阻消耗掉了，而GMC架構(gòu)下的ACOPOSmulti共直流母線驅(qū)動(dòng)技術(shù)則提供了一個(gè)DC-BUS的解決方式使得制動(dòng)的能量回饋到直流母線并被提供到其它電動(dòng)機(jī)狀態(tài)的軸，通過(guò)這一技術(shù)，成本被大量的節(jié)省，尤其是在工業(yè)領(lǐng)域，機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)在一年里甚至幾乎不間斷，那是一個(gè)驚人的數(shù)字。

    持續(xù)的成本降低還在于系統(tǒng)提供了快速的數(shù)據(jù)分析和反饋能力，為整廠的質(zhì)量分析和生產(chǎn)工藝優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，獲得持續(xù)改善的能力。

GMC-開放平臺(tái)提供縮短面市時(shí)間

    IEC+PLCopen標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用庫(kù)提供了快速調(diào)用，而自定義庫(kù)提供了差異化設(shè)計(jì)的能力。

    當(dāng)很多個(gè)廠商服務(wù)于一個(gè)客戶的時(shí)候，他們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)需要掌握很多方面的控制產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)的配置、應(yīng)用學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，并且，為如何使得系統(tǒng)之間能夠優(yōu)化頗費(fèi)腦筋。

    成本損耗總是那么容易被察覺(jué)，可是，市場(chǎng)的時(shí)機(jī)損耗卻并非那么直觀。如果采用模塊化的軟件設(shè)計(jì)+完整的通用控制平臺(tái)，那么，在貼標(biāo)里的色標(biāo)檢測(cè)就可以被應(yīng)用到彩色膜包或者裁切單元，而CAM調(diào)用則使得裁切、熱封動(dòng)作、燙金、模切、送紙這些不同的應(yīng)用能夠采用相同的功能塊，然后根據(jù)實(shí)際情況來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)入口和出口，示波器和仿真功能則縮短了調(diào)試周期，通過(guò)實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)反饋來(lái)獲得整機(jī)的性能調(diào)整方向，這一切都是為了快速而高效的投放市場(chǎng)，縮短響應(yīng)市場(chǎng)的周期，以獲得優(yōu)先的競(jìng)爭(zhēng)力。

4 GMC-面向未來(lái)的機(jī)器設(shè)計(jì)

    GMC是一個(gè)面向未來(lái)的設(shè)計(jì)，它放眼全局、整體架構(gòu)，在生產(chǎn)中扮演著越來(lái)越重要的角色。GMC并非是一個(gè)設(shè)計(jì)為單純地運(yùn)動(dòng)控制，它包含了與PLC、HMI的融合。它不斷的改善，以獲得在整個(gè)機(jī)器設(shè)計(jì)和整個(gè)工廠設(shè)計(jì)的一種柔性平衡，使得各個(gè)單元能夠具有獨(dú)立的性能評(píng)估和整線的性能匹配，并且使得他們完全不缺乏靈活性。