運動控制技術(shù)在國民經(jīng)濟和國防建設(shè)中所起的作用及其應(yīng)用的范圍越來越大。在工業(yè)生產(chǎn)中，運動控制系統(tǒng)既用于提高產(chǎn)品質(zhì)量，也用于提高產(chǎn)品的產(chǎn)量。運動控制技術(shù)正在不斷地深入到各個領(lǐng)域并迅速地向前推進，其應(yīng)用范圍已經(jīng)涵蓋了幾乎所有的工業(yè)領(lǐng)域。隨著近年來工業(yè)的發(fā)展，對各種機械性能和產(chǎn)品質(zhì)量要求的逐漸提高，針對一臺電機的控制已經(jīng)不能完成一些復(fù)雜軌跡的生成，這就需要人們協(xié)調(diào)控制多臺電機，由此產(chǎn)生了多軸運動控制系統(tǒng)。

　　LabVIEW是美國NI公司開發(fā)的一種圖形化編程語言，其功能強大，具有編程直觀、簡便、快捷的特點，正受到越來越多編程人士的青睞，尤其是非軟件專業(yè)人員。本文采用“PC+運動控制卡”的設(shè)計方案，設(shè)計了基于LabVIEW的多軸運動控制系統(tǒng)，并提出了通過LabVIEW與外部代碼進行連接的ActiveX技術(shù)，調(diào)用運動控制卡所提供的函數(shù)，開發(fā)了實時多軸運動控制系統(tǒng)軟件，滿足了實際工作的需求。

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　　系統(tǒng)硬件的設(shè)計

　　本文釆用“PC+運動控制卡”模式對多軸運動控制系統(tǒng)進行設(shè)計。這樣構(gòu)造的多軸運動控制系統(tǒng)只需根據(jù)對被控制對象的控制要求，在Windows環(huán)境下設(shè)計符合用戶操作的人機界面和功能程序，就可達到多軸運動控制的目的。整個多軸運動控制系統(tǒng)的硬件由PC機、運動控制卡、電動機、驅(qū)動器、執(zhí)行機構(gòu)等部分組成，PC機和運動控制卡通過PCI總線進行通信，且在PC機上利用LabVIEW軟件開發(fā)平臺進行上層控制軟件的設(shè)計開發(fā)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理示意如圖1。

　　此多軸運動控制系統(tǒng)是典型的上、下位機結(jié)構(gòu)，便于對多軸運動控制的協(xié)調(diào)和管理提高控制的實時性PC機作為上位機，可完成對多軸運動的位置、加速度、速度等參數(shù)進行設(shè)定，完成對人機界面管理、信息顯示和預(yù)處理等非實時處理任務(wù)。運動控制卡為下位機，接收來自PC機的控制信號并進行實時處理，實現(xiàn)運動控制算法，并根據(jù)作業(yè)的要求和傳感器件的信號進行必要的邏輯微數(shù)學(xué)運算，為各電機提供正確的控制信號以完成所要求的多軸運動，且可向PC機實時返回當前運動的位置、速度等參數(shù)，以便在PC機上可經(jīng)過軟件編程實現(xiàn)運動軌跡圖像的顯示。

　　圖片1

　　此多軸運動控制系統(tǒng)以專用的運動控制卡為獨立的標準部件，運動控制卡采用的是美國Parkerhan-nifin公司生產(chǎn)的最新系列運動控制卡ACR1505，與同類產(chǎn)品相比其具有較高的性能，尤其在控制精度速度和易操作性方面表現(xiàn)優(yōu)異，多用于較高性能的運動控制。它采用32字節(jié)浮點DSP，具有120MFOPS的處理能力，有4個30MHz編碼器的輸入，使用PCI總線和上位機通信能夠?qū)λ妮S伺服或步進電機進行控制。電機和驅(qū)動器均采用上海鳴志公司生產(chǎn)的高性能產(chǎn)品。傳感器采用增量式脈沖編碼器，用于閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置檢測這樣可以明顯縮短設(shè)計和開發(fā)周期提高系統(tǒng)的性能。

　　將運動控制卡以插卡形式嵌入PC機，即構(gòu)成“PC+運動控制卡”模式多軸運動控制系統(tǒng)。這樣將PC的信息處理能力和開放式的特點與運動控制卡的運動軌跡控制能力有機結(jié)合在一起，使得該多軸運動控制系統(tǒng)具有信息處理能力強、開放程度高、運動軌跡控制準確、通用性好的特點。

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　　系統(tǒng)軟件的開發(fā)

　　在系統(tǒng)的控制軟件方面，通過在PC機上用LabVIEW軟件來設(shè)計開發(fā)了多軸運動控制系統(tǒng)的控制界面和控制程序。在系統(tǒng)控制界面中輸入多軸運動的目標位置加速度、速度等運動控制參數(shù)，ACR1505運動控制卡就會根據(jù)此信息控制電機的運動，完成對運動軌跡的規(guī)劃和對實時運動位置坐標的讀取。

　　本文采用LabVIEW作為上位PC機軟件系統(tǒng)的開發(fā)平臺，編程方便，人機交互界面直觀友好，摒棄了傳統(tǒng)開發(fā)工具的復(fù)雜性，在提供強大功能的同時保證了系統(tǒng)靈活性。LabVIEW提供了ActiveX外部程序接口能力，通過ActiveX能夠方便地調(diào)用運動控制卡中的程序、控件等。通過ActiveX自動化LabVIEW既可以作為客戶端，也可以作為服務(wù)器作為客戶端，LabVIEW可以調(diào)用ActiveX自動化服務(wù)器中的ActiveX對象，獲得其屬性和方法，用戶可以應(yīng)用這些屬性和方法進行編程。本文就是在LabVIEW平臺上通過ActiveX技術(shù)調(diào)用運動控制卡所提供的ActiveX自動化服務(wù)器程序中的ActiveX對象，進行進一步的編程處理，從而實現(xiàn)對多軸運動的位置速度、加速度等的控制以及插補等運動控制算法的實現(xiàn)，完成對多軸運動控制系統(tǒng)的控制功能的快速開發(fā)，大大縮短了開發(fā)周期。

　　運動控制卡ACR1505提供一個名為“Co-mACRsrvr”的ActiveX自動化服務(wù)器，這個ActiveX自動化服務(wù)器包含了4個可供調(diào)用的ActiveX對象，分別為status(狀態(tài))、control(控制)、terminal(終端)和utility(效用)，這些ActiveX對象提供了對運動控制卡操作的多種屬性和方法。例如status提供了可以獲取運動控制狀態(tài)信息和相關(guān)數(shù)據(jù)的屬性和方法；control提供了可以實現(xiàn)對運動控制參數(shù)如速度、位置等數(shù)據(jù)進行設(shè)置等用于控制功能實現(xiàn)的屬性和方法。LabVIEW可以通過調(diào)用這些ActiveX對象，并對它的屬性和方法進行訪問，實現(xiàn)對運動控制卡的多種控制和操作功能。其主要實現(xiàn)過程如圖2所示。

　　圖片2

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　　控制程序的實現(xiàn)

　　要實現(xiàn)多軸運動控制程序，就要通過ActiveX自動化，將LabVIEW作為自動化客戶端，將運動控制卡提供的函數(shù)作為自動化服務(wù)器，實現(xiàn)LabVIEW對運動控制卡提供的ActiveX對象的調(diào)用，并訪問它的屬性和方法。LabVIEW中提供了豐富的有關(guān)ActiveX操作的函數(shù)，這些函數(shù)位于其程序框圖的功能模板上的Connectvity--ActiveX面板上。其中主要函數(shù)有：AutomationOpen用于打開ActiveX對象，獲得對象的Reference；PropertyNode用于讀取或設(shè)置ActiveX對象的屬性；InvokeNode用于調(diào)用ActiveX對象提供的方法。

　　LabVIEW作為自動化客戶端操作ActiveX對象，首先要將運動控制卡提供的軟件包中名為ComACRSrvt。tlb的文件拷貝到LabVIEW軟件的文件目錄下。然后將AutomationOpen函數(shù)放置到LabVIEW程序框圖中，打開對ActiveX自動化功能的引用，并在此函數(shù)左上角的AutomationRefnum端子處創(chuàng)建一個與其相連的AutomationRefnum控件，由此控件進行ActiveX對象的選擇和調(diào)用。將一個或多個方法(或?qū)傩?節(jié)點函數(shù)InvokeNode(或PropertyNodes)放置到程序框圖中，并將AutomationOpen函數(shù)右端的AutomationRefnum輸出與方法(或?qū)傩?節(jié)點的Referenceinput端連接就可以完成對該對象的方法(或?qū)傩?的訪問了。訪向一個ActiveX對象的多個屬性和方法，要將各節(jié)點順次首尾連接。

　　本文設(shè)計出一個能完成多軸運動功能的程序。此程序分兩個部分，分別為運動控制部分和運動顯示部分。其中完成兩軸運動控制的程序前面板如圖3所示。

　　圖片3

　　運動控制部分程序通過對control對象中的屬性和方法的訪問編程，并通過前面板對多軸運動的速度、加速度運動目標位置和運動模式的設(shè)置，完成對多軸運動的控制。通過運動模式選擇按鈕可對多軸運動控制系統(tǒng)的運動模式進行選擇，可實現(xiàn)絕對運動和相對運動兩種運動模式。絕對運動是將輸人的目標位置參數(shù)作為新運動的絕對運動距離；相對運動是將此參數(shù)值作為新運動相對當前位置的運動距離。運動顯示部分通過調(diào)用status對象中的屬性和方法進行編程，實現(xiàn)對多軸運動的實時位置坐標讀取和運動軌跡顯示功能。此外本程序還增加了通信連接測試和錯誤報告顯示的功能，可通過連接測試指示燈的亮滅來顯示相應(yīng)的ActiveX對象是否被LabVIEW程序正確調(diào)用。若控制過程中出現(xiàn)錯誤，可在錯誤報告欄中查看錯誤報告，以便作出相應(yīng)處理。下面將對這兩部分程序進行進一步說明：

　　圖片4

　　運動控制部分的程序框圖如圖4所示。其中fMoveACC、fMoveVE、bMoveAbsolute屬性分別用來設(shè)置運動的加速度、速度和模式。connect方法用來設(shè)置控制卡與PC機的通信方式，將其設(shè)定為PCI總線方式。Move方法用來對運動位置和參加運動的軸數(shù)進行設(shè)置。

　　圖片5

　　運動顯示部分的程序框圖如圖5所示。其中主要通過status對象的GetACRCustom方法對控制卡返回的運動位置坐標等參數(shù)進行讀取。設(shè)定對位置坐標每10ms記錄一下此多軸運動控制系統(tǒng)當前的運動位置坐標，并生成運動軌跡圖。

　　本文采用“PC+運動控制卡”的多軸運動控制系統(tǒng)方案設(shè)計了基于LabVIEW的多軸運動控制系統(tǒng)，并在LabVIEW軟件平臺上對多軸運動控制系統(tǒng)的控制程序進行了開發(fā)。目前，很多運動控制程序的開發(fā)多采用VB、VC++等軟件編寫，有時編寫界面就占了程序編寫工作的很大一部分，不利于效率的提高。本文利用LabVIEW界面易操作性以及LabVIEW可以調(diào)用ActiveX等功能，實現(xiàn)了在LabVIEW軟件平臺下系統(tǒng)運動控制程序的快速開發(fā)。這種方法能夠避免繁瑣的界面編程，縮短周期，提高效率。此系統(tǒng)已經(jīng)在水浸C掃描成像超聲無損檢測運動系統(tǒng)中得到應(yīng)用,經(jīng)試驗測定,此系統(tǒng)的定位精度為±0.065mm/300mm，重復(fù)精度為±0.05mm,分辨率為0.01mm，具有較高的控制精度和性能。

　　隨著自動化技術(shù)的飛速發(fā)展，機器視覺檢測和控制系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用在工況監(jiān)視、產(chǎn)品檢驗和自動控制等領(lǐng)域，以提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)自動化程度。其中最重要體現(xiàn)就是工業(yè)自動化流水線的多軸控制，如何實現(xiàn)整條流水線的監(jiān)視、自動控制，具體的循環(huán)設(shè)計思路是怎樣實現(xiàn)的，特別是遇到20、50軸甚至更多軸時，如何使用通用軟件做好LabVIEW聯(lián)動控制，統(tǒng)一系統(tǒng)軟件管理。

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