宋華振（1976-）
男，畢業(yè)于武漢化工學(xué)院檢測技術(shù)及儀器儀表專(zhuān)業(yè)，現任貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（上海）有限公司行業(yè)銷(xiāo)售主管。

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

1 未來(lái)的機器設計

模塊化設計

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

設備互聯(lián)

    今天，在一個(gè)飲料、礦泉水或者液體奶生產(chǎn)廠(chǎng)，我們可以看到整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)的過(guò)程：由吹瓶機生產(chǎn)的PET瓶被機械手輸送到灌裝線(xiàn)上，而灌裝頭為其提供精確的灌裝，然后壓蓋、貼標，再按照預先設計的包裝方案進(jìn)行熱膜包裝，最后由機器人碼垛后裝箱。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)現壁厚控制，然后直線(xiàn)機械手抓取的定位控制，灌裝涉及閥島和快速的質(zhì)量流量計信號采集，熱膜包含了送瓶、上膜、分瓶等運動(dòng)控制，而機器人則需要多維度的空間坐標轉換，裝箱的定位，輸送單元的變頻，一些簡(jiǎn)單機械位置調整可能會(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(kāi)放簡(jiǎn)單呢？

    克朗斯、立樂(lè )或者SIG這些國際知名的廠(chǎng)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(chǎng)提供建立在整廠(chǎng)架構下的商業(yè)印刷解決方案，簡(jiǎn)單的機器控制已經(jīng)不再是時(shí)代的潮流，而提供基于集成架構的設計則能滿(mǎn)足這種迫切的需求。

軟件時(shí)代的到來(lái)

    對于機械制造商而言，他們更加清醒的意識到，軟件扮演著(zhù)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(xiě)，但是C則提供了更合適于復雜算法和軟件封裝滿(mǎn)足知識產(chǎn)權保護以及多種機型共享通用模塊的需求。IEC和PLCopen提供了開(kāi)放的功能塊來(lái)供調用，這就使得軟件變得更加方便和開(kāi)放，不但易于獲得，并且可以實(shí)現復雜的應用，而又無(wú)需支付高昂的費用。

2 什么是GMC

    GMC是一個(gè)大的框架，它由以下幾個(gè)層面構成，組成了一個(gè)完整的面向整廠(chǎng)解決方案的系統設計。

2.1 執行機構

    GMC的對象不僅僅是伺服電機了，它把運動(dòng)控制進(jìn)行了廣泛的外延，使得它具備適應各種現場(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，不同的性能應用所需的對象均在包含之中，使得客戶(hù)可以任意選擇和組織，獲得最優(yōu)的配置選擇，以發(fā)揮各執行機構所具有的優(yōu)勢和特點(diǎn)，而無(wú)需增加成本去獲得昂貴的伺服來(lái)控制。

2.2 應用層

2.2.1運動(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

    色標控制

    鼓序列發(fā)生器

    套印控制

    這些功能塊被封裝好，客戶(hù)只需為其提供簡(jiǎn)單的參數入口，即可應用到系統中。

2.2.2 CNC

    CNC與普通的運動(dòng)控制有所不同，例如CNC所需的G代碼，以及3D擴展應用、3D CNC 加工，可提供多種運動(dòng)模型設計算法，并且能夠對工作空間監控，而與Logic PLC的任務(wù)高速同步來(lái)確保整機的完美運行，例如直線(xiàn)、圓弧、拋物線(xiàn)、螺旋線(xiàn)的插補等。

2.2.3機器人技術(shù)

    機器人則包含了機器人本身所需要的專(zhuān)業(yè)庫，例如SCARA、Articulated arm robot、Parallel SCARA機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)系統中，運行于實(shí)時(shí)操作系統Automation Runtime之上提供了其實(shí)時(shí)操作的保證。

    人形機器人運動(dòng)學(xué)

    SCARA運動(dòng)學(xué)

    Steward平臺運動(dòng)學(xué)

    工作空間監測

    視校功能設計

2.3 軟件接口

    GMC提供了對PLCopen的標準模塊調用支持，這包含了PLCopen Logic、Motion、Hydraulic和Safety技術(shù)的各個(gè)標準應用包，并且IEC61131所支持的編程工具和功能庫也可以被調用，開(kāi)放的軟件調用獲得了通用性，而不受制于某項私有技術(shù)的制約，能夠獲得開(kāi)放組織所提供的長(cháng)期創(chuàng )新集成，獲得持續的可用性，保證了自身技術(shù)的獨立性的同時(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用中對于伺服對應參數的實(shí)時(shí)顯示以獲得機械工藝改善的參考以及調試方向的改善，通過(guò)與Mathworks的合作，在系統里也可以完成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)到運動(dòng)控制中，通常來(lái)說(shuō)，各種控制對象里運動(dòng)控制對于總線(xiàn)的速度和實(shí)時(shí)性要求是最高的，基于總線(xiàn)型設計的運動(dòng)控制需要借助于高速的通信技術(shù)來(lái)提供數據的交換以確保軸與軸之間的同步關(guān)系。在印刷機械無(wú)軸傳動(dòng)、細紗超長(cháng)車(chē)、高速經(jīng)編，以及高速CNC加工和機器人應用中，采用高速數據總線(xiàn)來(lái)提供各個(gè)軸之間的速度、位置及坐標信號（X,Y,Z,Roll,Pitch,Yaw）至關(guān)重要，通過(guò)不斷的數據交換各個(gè)軸之間進(jìn)行著(zhù)高速的同步來(lái)確?？刂颇康牡膶?shí)現。

3 為什么采用GMC

    什么是GMC理念設計的源動(dòng)力？顯然， OEM制造商的不斷變化的需求和對行業(yè)的精深理解使得B&R的設計師們通過(guò)集成原有的技術(shù)，使系統更加優(yōu)化組合，設計出放眼全局的通用運動(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，這給設備制造商造成很大的壓力，因為，他們必須在大批量生產(chǎn)和非標設計的靈活性間平衡，這似乎是矛盾的，但是，運動(dòng)控制很好的解決了這些問(wèn)題。與傳統的機械設計相比，運動(dòng)控制使得靈活性得到了大幅度的提升：

    如果采用傳統的機械方式裁切一卷紙，那么刀輥會(huì )根據尺寸不同而隨時(shí)更換，刀輥的成本加上更換調校所需的時(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，運動(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)編機上采ELS電子橫移技術(shù)，那么重達2噸的鏈塊安裝和調校這項耗費巨大的工作將會(huì )被觸摸屏上的設置代替，不同的紗線(xiàn)其成型工藝有所不同，可是通過(guò)凸輪，不僅會(huì )出現機械的磨損，而且，變化一次所需要的時(shí)間和成本則會(huì )被運動(dòng)控制的數分鐘的參數設置所替代，這就是運動(dòng)控制的魅力。

    GMC不斷地響應這些需求，在其中集成了多種不同的功能。如上所述，CAM、色標、張力處理、CNC插補、機械手、定位等，GMC就是針對這些變化來(lái)設計的，因為，這是眾多OEM制造商所渴望的變化。

成本優(yōu)化的集成架構

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

    復雜多變的機器需求帶來(lái)了內在性能的不匹配的同時(shí)也帶來(lái)了成本的壓力，因為，為了實(shí)現一個(gè)不同的銜接可能需要額外的投資。例如：在互聯(lián)這些設備時(shí)，GMC提供了一個(gè)再也不需要拼湊各家的系統，而這些系統由于互聯(lián)增加了額外的硬件開(kāi)支，接口轉換器或者網(wǎng)關(guān)模塊，以及為了互聯(lián)而必須進(jìn)行的設備調試成本。將機器人或者CNC這類(lèi)專(zhuān)業(yè)而封閉的系統加入到系統中需要支付整個(gè)的成本，而事實(shí)上，對于很多應用而言，并非需要所有卻要為一部分支付所有的費用，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，潛在的浪費是可怕的，例如：對于不斷的加減速的應用，獨立的驅動(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架構下的ACOPOSmulti共直流母線(xiàn)驅動(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(xiàn)并被提供到其它電動(dòng)機狀態(tài)的軸，通過(guò)這一技術(shù)，成本被大量的節省，尤其是在工業(yè)領(lǐng)域，機器的運轉在一年里甚至幾乎不間斷，那是一個(gè)驚人的數字。

    持續的成本降低還在于系統提供了快速的數據分析和反饋能力，為整廠(chǎng)的質(zhì)量分析和生產(chǎn)工藝優(yōu)化提供了數據基礎，獲得持續改善的能力。

GMC-開(kāi)放平臺提供縮短面市時(shí)間

    IEC+PLCopen標準應用庫提供了快速調用，而自定義庫提供了差異化設計的能力。

    當很多個(gè)廠(chǎng)商服務(wù)于一個(gè)客戶(hù)的時(shí)候，他們經(jīng)常發(fā)現需要掌握很多方面的控制產(chǎn)品進(jìn)行系統的配置、應用學(xué)習和培訓，并且，為如何使得系統之間能夠優(yōu)化頗費腦筋。

    成本損耗總是那么容易被察覺(jué)，可是，市場(chǎng)的時(shí)機損耗卻并非那么直觀(guān)。如果采用模塊化的軟件設計+完整的通用控制平臺，那么，在貼標里的色標檢測就可以被應用到彩色膜包或者裁切單元，而CAM調用則使得裁切、熱封動(dòng)作、燙金、模切、送紙這些不同的應用能夠采用相同的功能塊，然后根據實(shí)際情況來(lái)設計數據入口和出口，示波器和仿真功能則縮短了調試周期，通過(guò)實(shí)時(shí)在線(xiàn)數據反饋來(lái)獲得整機的性能調整方向，這一切都是為了快速而高效的投放市場(chǎng)，縮短響應市場(chǎng)的周期，以獲得優(yōu)先的競爭力。

4 GMC-面向未來(lái)的機器設計

    GMC是一個(gè)面向未來(lái)的設計，它放眼全局、整體架構，在生產(chǎn)中扮演著(zhù)越來(lái)越重要的角色。GMC并非是一個(gè)設計為單純地運動(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)機器設計和整個(gè)工廠(chǎng)設計的一種柔性平衡，使得各個(gè)單元能夠具有獨立的性能評估和整線(xiàn)的性能匹配，并且使得他們完全不缺乏靈活性。