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3.PLCopen的运动控制规范
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（1）运动控制是智能机械控制的重要基础
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机械装备的制造加工功能一般是通过其相关部件的运动来实现的，尽管制造加工的原理常常有很大的差异（如冷加工的金属切削、热加工的焊接、锻造等），但都离不开机械部件的运动。从这个意义上说，运动是机械装备的本质特征。尽管不同的工艺对运动控制的关注点有很大差异，但运动控制都是通过驱动部件（诸如液压泵、直线驱动器，电动机，通常是伺服电动机）对机械设备或其部件的位置、速度、加速度和加速度变化率（跃度）进行控制。
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由此可见，运动控制系统是确保数控机床、机器人及各种先进装备（如包装机械、印刷机械、纺织机械、装配线、半导体生产设备）高效运行的关键环节，而运动控制技术是装备领域和制造行业的核心技术。
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（2）PLCopen开发运动控制规范的目的和意义
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根据用户即市场的推动，PLCopen在1996年就建立了运动控制规范工作组，历时十多年，目的在于：在IEC 61131-3为基础的编程环境下，在开发、安装和维护运动控制软件等各个阶段协调不同的编程开发平台，使之都能满足运动控制功能块的标准化要求。
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PLCopen针对运动控制标准化的技术路线是，在IEC 61131-3为基础的编程环境下，建立标准的运动控制应用功能块库。这样做的目的是：让运动控制软件的开发平台独立于运动控制的硬件，让运动控制的软件具有良好的可复用性，让运动控制软件在开发、安装和维护等各个阶段，都能满足运动控制功能块的标准化要求。特别是该规范的第四部分，创造性地规范了多轴协调运动控制的理论基础和功能性，并详尽规定了各种相关的功能块。经过多年的努力，现在已经有了很好的实现，既有集合机器人、CNC（数控机床）和通用运动控制的工程软件平台，也有硬软件一体化的PLC系列产品，还有许多实际应用运动控制规范的智能装备。
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显而易见，IEC 61131-3为机械部件的运动控制提供一种良好的架构。PLCopen为运动控制提供功能块库，最显著的特点是：极大增强了运动控制应用软件的可复用性，从而减少了开发、培训和技术支持的成本；只要采用不同的控制解决方案，就可按照实际要求实现运动控制应用的可扩可缩；功能块库的方式保证了数据的封装和隐藏，进而使之能适应不同的控制系统架构，譬如说集中的运动控制架构、分布式的运动控制架构，或者既集中又分散的集成运动控制架构；它不但服务于当前的运动控制技术，而且也能适应今后的或正在开发的运动控制技术。因此说，IEC 6113-1-3与PLCopen的运动控制规范的紧密结合提供了理想的机电一体化的解决方案。
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（3）PLCopen的运动控制规范
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PLCopen国际组织专门制定了应用于智能制造的运动控制规范，历时十余年。现已成为国际公认的事实上的运动控制规范（见表3-2）。
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表3-2 PLCopen运动控制规范
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基本上，每个规范都包含3个内容：定义状态机，定义单轴和多轴运动控制功能块的基本集合，规定符合规则和语句。
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（4）运动控制规范的核心技术及其诠释
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从技术上讲，我们可以按其协调控制的结构把运动控制划分为两类：①主轴/从轴运动控制，即主轴的定位生成一个或多个从轴的定位命令；②多维的运动控制协调结构，其中没有主轴、从轴之分，而是由多个轴构成集合，称之为轴组（或轴集合）。只有这样才可能进行更好的轨迹和路径规划，解决CNC、机器人等的复杂运动控制问题。
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PLCopen运动控制规范针对形式各异的运动控制形态进行抽象，分别制定单轴和轴组的状态图，还制定了一系列的基本功能块，便于按运动控制的要求在各个状态之间转移。通过定义一组具有相关协调运动的功能性的功能块，以及定义一个高层级的状态图来链接该轴组内的多个单轴的状态图，达到多维运动控制的协调控制。图3-6给出在主/从结构下单轴和轴组的协调运动控制。
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图3-6 主/从结构下单轴和轴组的协调运动控制
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运动控制中最重要的是运动轨迹的控制，而轨迹控制的本质在于协调两个或多个轴的运动，令其以指定速度从某个起点沿着所规定的路径到达某个目标点。所谓路径可以是直线运动、圆周运动，或者是仿形运动。在三维空间中要规定一种路径（或者任意位置信息）需要一种坐标系。
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在PLCopen运动控制规范的第四部分，将坐标系定义为：与轴相关的坐标系ACS，与机械相关的坐标系MCS，与产品或工件相关的坐标系PCS。
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为了解决数控机床和机器人实际应用中必须妥善处理的一些关键技术问题，PLCopen的运动控制规范第四部分给出了关键技术的描述：坐标系变换和逆变换、运动学变换和逆变换、运动轨迹规划、运动混成（blending）、速度和加速度平滑（buffering）。
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为什么需要样条路径插补和加速度平滑？以五轴联动数控机床为例。五轴线性刀具的路径由一系列的指令定义，每一个离散指令包含位置和方向信息，其中位置向量描述刀尖点的轨迹，方向矢量描述刀轴的方向。对这些离散指令进行线性插值，就获得了刀具的连续运动。将数控指令发给数控系统后，数控系统将在机床动力学特性的约束下，实时规划出每一个轴的位置、速度和加速度。因此，刀具路径将影响机床进给的动态特性。如果刀具路径是线性的，刀具运动被定义为相邻轨迹之间的直线段运动。在线段连接点处，刀具估计的切向和曲率都是不连续的。考虑到数控机床的最大加速度和加速度变化率（跃度）都是有限值，所以这种不连续往往会使进给速度产生波动。这种波动将造成机床的真实进给速度一般要低于数控代码中指定的进给速度。因此，用光滑的参数样条曲线来取代线性刀具路径，显然是提高加工效率和加工表面质量的重要方法。综上所述，五轴样条轨迹插补和加速度平滑是五轴联动高速高精度轨迹跟踪的关键技术。
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插补型运动控制的基本部分是对轴组实施一连串连续且具有缓冲（buffered）的运动命令的混成。如果没有混成，轴组的TCP会向前运动至命令所要求的位置，然后减速并精准地停在该位置不动，接下去的缓冲减速运动命令不会被激活。显然，轴组必须再加速。在许多应用中，会要求TCP具有不同的行为特性，要求不停顿的连续运动。这是因为这样可以减少加工处理的循环时间（例如抓取和放置），或者是为了减少机械应力，生成平滑的运动。另外，有些应用要求TCP进行恒速运动（如喷涂、焊接、胶合等）。诸如此类的要求都可以用不同类型的运动混成加以满足，其共同点是通过修正原始的路径，得到平滑而没有拐角的轨迹。
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在多轴协调运动控制中，插补的运动命令的混成不同于单轴上运动的混成。对单轴而言，命令所指定的位置总是达到的。在多轴协调运动中，在到达（或经过）命令所指定位置的时刻，可以按照缓冲模式（BufferMode）的输入参数改变速度。插补运动控制中的几类运动混成可考虑为与应用和过程相关，因此，还必须在插补运动控制中导入多种新的运动混成类型。不同的插补方法使用不同混成的输入参数，因此，要按所采用的插补方法改变混成的输入参数。运动控制产品供应商可根据自己的诀窍和经验来规定混成功能块的输入参数。