(論文)力矩電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能實(shí)驗(yàn)論文最新優(yōu)秀畢業(yè)論文資料搜集嘔血奉獻(xiàn)

機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 力矩電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能實(shí)驗(yàn)力矩電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能實(shí)驗(yàn) 摘要摘要 現(xiàn)代高檔數(shù)控機(jī)床的發(fā)展對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給伺服性能提出了越來(lái)越高的 要求，在各種數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)中，傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式難以實(shí)現(xiàn)高精度加工。本文采 用 KOLLMIRGEN 力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)，消除了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，具響 應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)剛度和定位精度高等特點(diǎn)。 本文依據(jù)“零傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)”的具體要求，采用了“NC 嵌入 PC”的開(kāi) 放式數(shù)控系統(tǒng)，采用工控機(jī)作為上位機(jī)，來(lái)處理數(shù)控系統(tǒng)中的弱實(shí)時(shí)性任 務(wù)，用 PMAC 運(yùn)動(dòng)控制卡作為數(shù)控系統(tǒng)的控制器，完成數(shù)控系統(tǒng)中的強(qiáng)實(shí) 時(shí)性任務(wù)；安裝了 PMAC 運(yùn)動(dòng)控制卡的 IPC 與 Danaher Motion 伺服驅(qū)動(dòng)器、 力矩電機(jī)組成了三環(huán)閉環(huán)的控制系統(tǒng)；利用 PMAC 提供的 PID 執(zhí)行程序在 線調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)的 PID 參數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；利用 RENISHAW 激光 干涉儀測(cè)定電機(jī)的定位誤差并編寫(xiě)誤差補(bǔ)償程序，實(shí)施誤差的在線補(bǔ)償。 通過(guò)對(duì)電機(jī)的調(diào)試和檢測(cè)，電機(jī)的性能達(dá)到各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求。 關(guān)鍵詞：力矩電機(jī)，PMAC, RENISHAW 激光干涉儀 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 Design of Torque Motor Control System and Performance Test ABSTRACT The performance of the rotative feed servo is more and more important with the development of modern advanced numerical control machine ,in various NC rotary tables, the traditional drive mode is very difficult to implement high precise processing. The text taking kollmorgen direct drive NC rotary table, in this drive mode, all mechanical transmission elements are eliminated, and it has quick response ,high dynamic stiffness and position precision. According to requirement of zero mechanical transmission experimental table, this text taking “NC+PC” openning architecture, IPC was used as its supervisory to process weak real-time tasks in CNC, and PMAC motion control card was used as the control of CNC to process strong real-time tasks. stageThe whole system PID parameters had been adjusted online using the PID executive program provided by PMAC，optimized the dynamic performance of the system. The setting accuracy and the resetting accuracy of the Torque Motor had been determined by RENISHAW laser interferometer. system，and then the setting error compensation on-line had been realized by compiling the error compensation program Through the debug and detection of the motor, the performance index of it has fulfilled the designing requirement. Key words: Torque Motor, PMAC, RENISHAW laser interferometer 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 目目 錄錄 第第 1 章章.緒論緒論.1 1.1.課題研究的目的及意義.1 1.2.力矩電機(jī)的研究狀況及發(fā)展趨勢(shì).2 1.3.國(guó)內(nèi)外超精密數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用 PMAC 概況 .4 1.4.開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng).6 1.5.論文的主要內(nèi)容與任務(wù).7 第第 2 章章.伺服驅(qū)動(dòng)單元伺服驅(qū)動(dòng)單元.9 2.1.力矩電機(jī).9 2.1.1.力矩電機(jī)的主要特點(diǎn)及應(yīng)用9 2.1.2.KOLLMORGEN 力矩電機(jī) D063M .10 2.2.伺服驅(qū)動(dòng)器.11 2.2.1.驅(qū)動(dòng)器的主要端口12 2.2.2.編碼器的引腳及意義13 2.2.3.正弦編碼器的反饋15 2.3.本章總結(jié).15 第第 3 章章.PMAC 運(yùn)動(dòng)控制卡運(yùn)動(dòng)控制卡16 3.1.PMAC 運(yùn)動(dòng)控制卡的概述 16 3.2.PMAC 運(yùn)動(dòng)控制卡的功能簡(jiǎn)介 16 3.3.PMAC 運(yùn)動(dòng)控制卡的開(kāi)放性 18 3.4.PMAC 運(yùn)動(dòng)控制卡的應(yīng)用 19 3.5.本章總結(jié).19 第第 4 章章.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).20 4.1.控制系統(tǒng)的組成與分類.20 4.1.1.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成20 4.1.2.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的分類21 4.2.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì).22 4.2.1.系統(tǒng)連線24 4.2.2.系統(tǒng)的電氣控制29 4.3.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)試.29 4.3.1.I 變量的設(shè)置 .29 4.3.2.驅(qū)動(dòng)器參數(shù)的設(shè)置32 4.3.3.電機(jī) PID 參數(shù)的設(shè)定及調(diào)節(jié) .33 4.4.系統(tǒng)安全.37 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 4.4.1.硬件超程限位開(kāi)關(guān)38 4.4.2.軟件超程限位38 4.4.3.跟隨誤差限制38 4.4.4.屏蔽技術(shù)38 4.4.5.光電隔離39 4.5.本章總結(jié).39 第第 5 章章.系統(tǒng)精度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)精度檢測(cè)實(shí)驗(yàn).40 5.1.RENISHAW 激光干涉儀的測(cè)量原理.40 5.2.精度測(cè)量結(jié)果分析.41 5.2.1.基于 PMAC 的誤差補(bǔ)償功能 41 5.2.2.測(cè)量結(jié)果分析42 5.3.本章小結(jié).44 第第 6 章章.結(jié)論及展望結(jié)論及展望.45 6.1.結(jié)論.45 6.2.展望.45 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).47 致致 謝謝.50 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 1 章.緒論 1.1.課題研究的目的及意義 目前多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展水平已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家制造裝備業(yè) 水平的重要標(biāo)志，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已把數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)直接驅(qū)動(dòng)多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床 作為新一代產(chǎn)品的主流發(fā)展方向之一，并正在積極研制和開(kāi)發(fā)。作為這種 高檔次數(shù)控產(chǎn)品的核心問(wèn)題之一直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)及其控制系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn) 高速高精度加工的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。在各種數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)中，傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方 式通常是旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)加蝸輪蝸桿副和齒輪副機(jī)構(gòu)，由于存在著傳動(dòng)鏈， 雖有較好的靜態(tài)剛度，但這種驅(qū)動(dòng)方式要完成啟動(dòng)、加速、減速、反轉(zhuǎn)及 停車等運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的彈性變形摩擦和反向間隙等將造成機(jī)械振動(dòng)、運(yùn)動(dòng) 響應(yīng)慢、動(dòng)態(tài)剛度差及其它非線性誤差，因而難以實(shí)現(xiàn)高精度加工1。解 決上述問(wèn)題的途徑之一就是采取直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)“零傳動(dòng)” 。兩種傳動(dòng) 方式的最大區(qū)別就是取消了從電動(dòng)機(jī)到工作臺(tái)之間的一切機(jī)械中間傳動(dòng)環(huán) 節(jié)，如圖 1.1 所示，伺服系統(tǒng)省掉了機(jī)械速度變換機(jī)構(gòu)，將負(fù)載 圖 1.1 旋轉(zhuǎn)進(jìn)給中的直接驅(qū)動(dòng) 與電機(jī)的轉(zhuǎn)子直接相連，把控制對(duì)象同電機(jī)做成一體化結(jié)構(gòu)。直接驅(qū)動(dòng)消 除了中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)引起的消耗及產(chǎn)生的限制，直接提供推力給執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 具有推力大、損耗小、電氣時(shí)間常數(shù)小、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，可以獲得很 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和加速度，較高的剛度和定位精度，可實(shí)現(xiàn)平滑的無(wú)差 運(yùn)動(dòng)。 正是由于直接驅(qū)動(dòng)方式，電機(jī)的諧波轉(zhuǎn)矩以及電機(jī)的電磁振動(dòng)等因素 都將直接影響到轉(zhuǎn)臺(tái)的伺服精度和工件的加工質(zhì)量。另外，由于回轉(zhuǎn)送進(jìn) 的外形尺寸小，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜而緊湊，且要求中空孔徑較大，因此，在如 此受限的空間內(nèi)又要產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩以滿足切削強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求， 就必須設(shè)計(jì)出高轉(zhuǎn)矩密度的伺服電機(jī)。同時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)亦在向快速、大扭矩方 向發(fā)展，亦需要上述的高轉(zhuǎn)矩密度的環(huán)形力矩電機(jī)。如日本津田駒工業(yè)株 式會(huì)社的中 320 機(jī)械雙轉(zhuǎn)臺(tái)允許切削扭矩為 780Nm。而解決以上這些問(wèn)題， 不僅要求有一個(gè)較好的電磁設(shè)計(jì)方案，而且對(duì)電機(jī)加工工藝也提出了很高 的要求。 對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)日益苛刻的高速、高精度的技術(shù)要求，給其制造水平提出了新 的課題，同時(shí)也給轉(zhuǎn)臺(tái)力矩電機(jī)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求與實(shí)現(xiàn)提出了更高 的要求，高性能的電機(jī)和伺服控制系統(tǒng)是保證轉(zhuǎn)臺(tái)高性能的前提之一。 因此，本課題以教育部數(shù)控機(jī)床與機(jī)械制造裝備集成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的建 設(shè)項(xiàng)目“零傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)”為背景，主要通過(guò)力矩電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性 能實(shí)驗(yàn)來(lái)完善“零傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)”的設(shè)計(jì)和提高其各項(xiàng)性能指標(biāo)。 1.2.力矩電機(jī)的研究狀況及發(fā)展趨勢(shì) 力矩電機(jī)的成功應(yīng)用轟動(dòng)了國(guó)際機(jī)床界。許多發(fā)達(dá)國(guó)家及大公司都投 入了大量的精力從事研究此項(xiàng)技術(shù)，瑞士 ETEL 公司和美國(guó) KOLLMORGEN 公 司均推出了“無(wú)刷環(huán)形電機(jī)扭矩電機(jī)” 。ETEL 公司曾為一臺(tái)天文望遠(yuǎn)鏡提 供一臺(tái)直徑達(dá) 2.5m，而厚度僅為 40mm，扭矩達(dá) 10000Nm 的環(huán)形扭矩伺服 電機(jī)。該公司還在宇航工業(yè)用的多軸聯(lián)動(dòng)銑床上應(yīng)用了直徑分別為 0.5m 和 1m 環(huán)形力矩伺服電機(jī)來(lái)代替蝸輪蝸桿副，加工精度和表面粗 糙度均大 有改善。目前除這兩家公司外還有 MACCON、FANUC 等公司可提供一系列 尺寸和規(guī)格的環(huán)形力矩伺服電機(jī)。以 ETEL 為例，可提供電機(jī)外徑尺寸范 圍從 120mm 至 1260mm，扭矩從 1Nm 到 18000Nm 定位精度可達(dá) 0.5，重復(fù) 精度達(dá) 0.01，最低轉(zhuǎn)速可達(dá) 0.01r/min。今年來(lái)該項(xiàng)技術(shù)獲得迅速發(fā)展， 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 根據(jù)資料整理出如下數(shù)據(jù)(1)轉(zhuǎn)矩范圍：10Nm-10KNm；(2)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速范圍： 0-300rpm；(3)控制精度：0.1。環(huán)形力矩電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛，可應(yīng) 用于轉(zhuǎn)臺(tái)上(如圖 1.2 所示)，也可應(yīng)用于擺頭上3(如圖 1.3所示)。 圖 1.2 轉(zhuǎn)臺(tái)力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng) 圖 1.3 復(fù)合主軸擺頭力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng) 下表為國(guó)際上幾家知名公司的力矩電機(jī)參數(shù)： The torque motor Parameter of several famous company in the world. 表 1.1 幾家知名公司的力矩電機(jī)參數(shù) 其中，CYTEC 公司所采用的是永磁外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，電機(jī)體積小、轉(zhuǎn)距密 公司型號(hào)電機(jī)外 徑(mm) 內(nèi)孔 徑 (mm) 電機(jī)厚 度(mm) 連續(xù)工 作力矩 (Nm) 峰值力 矩(Nm) 最高轉(zhuǎn) 速(rpm) CYTEC410/75456250128.58001300100 MACCON410-1004302901234404403_ FANUCD2100/150is5654001308402100150 SIEMENS190-xxA10-1J5023421601300198070 ALXION400STK4M404258183935_200 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 度大，其余公司都是內(nèi)轉(zhuǎn)子，各家公司都采用水冷封裝。 力矩電動(dòng)機(jī)在國(guó)外已是成熟產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)尚處于萌芽狀態(tài)。采用力矩電 動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用還不是很多，價(jià)格是最大的制約因素，其次受 制于某些系統(tǒng)參數(shù)不開(kāi)放。降低價(jià)格最好的辦法是提高產(chǎn)量；目前國(guó)內(nèi)已 有幾家公司在致力于力矩電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)，例如北京勇光高特微電機(jī)有限公 司，北京伊貝格技術(shù)有限公司。 國(guó)內(nèi)對(duì)應(yīng)用于機(jī)床進(jìn)給伺服的力矩電機(jī)未見(jiàn)報(bào)道，有相關(guān)低速大扭矩 電機(jī)，特別是商用于電梯的電機(jī)產(chǎn)品己有相當(dāng)規(guī)模的發(fā)展，沈陽(yáng)藍(lán)光公司、 寧波欣達(dá)公司、北京華濱自動(dòng)控制技術(shù)公司、山東百斯特電梯有限公司、 常熟曳引機(jī)廠、北京名正維元公司都在進(jìn)行永磁同步無(wú)齒輪曳引機(jī)的研制， 一些樣機(jī)已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)4。 在 2005 年 4 月北京國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上北京鈞義志成公司展出了一臺(tái) 自制力矩電機(jī)；中捷機(jī)床廠展出了帶回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的加工中心，轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)扭 矩達(dá)到 190Nm，但該轉(zhuǎn)臺(tái)只能作分度使用，在金屬加工時(shí)須處于抱閘狀態(tài)， 無(wú)法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)邊轉(zhuǎn)動(dòng)邊加工，因而，機(jī)床無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)曲面零件的加工。 力矩電機(jī)展品的出現(xiàn)打破了國(guó)外產(chǎn)品壟斷機(jī)床市場(chǎng)的局面，反映出我 國(guó)機(jī)床工業(yè)整體水平的進(jìn)一步提高，對(duì)我國(guó)機(jī)械工業(yè)的發(fā)展具有非常重要 的意義。但無(wú)論是理論研究還是實(shí)用技術(shù)和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)都與國(guó)外水平有很 大差距。傳統(tǒng)的間接機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由于日益增長(zhǎng)的對(duì)高速、高精度、高效 制造設(shè)備的需求與要求，已難以適應(yīng)航空、航天、造船、機(jī)械、電子、模 具等諸多領(lǐng)域?qū)庸ぴO(shè)備提出的高新要求，有被環(huán)形伺服力矩電機(jī)直接驅(qū) 動(dòng)逐漸取代的趨勢(shì)6。 1.3.國(guó)內(nèi)外超精密數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用 PMAC 概況 英國(guó) Rank Pneum 公司在八十年代末開(kāi)發(fā)了 Nanoform300 機(jī)床。該機(jī) 床不僅能夠進(jìn)行切削加工，還可以用金剛石砂輪進(jìn)行磨削，能加工直徑為 300 mm 的非球面金屬反射鏡，可用 PC XT /AT,VME,STD32 或 PCI 總線形 式。16/18 位的 DAC 輸出分辨率，10/15MHz 編碼計(jì)數(shù)率，高達(dá) 320MHz 的 有效輸入帶寬如圖 1.4 所示。 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 圖 1.4 Nanoform 300 數(shù)控系統(tǒng) 圖 1.5 Nanoform 200 數(shù)控系統(tǒng) 機(jī)床的控制系統(tǒng)采用的是美國(guó)的 DELTA TAU 公司的可編程多軸運(yùn)動(dòng)控 制器（PMAC） 。該控制器采用了先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。每個(gè)卡可控制 多達(dá) 8 個(gè)伺服軸，實(shí)現(xiàn) 5 軸聯(lián)動(dòng)加工。開(kāi)發(fā)式的結(jié)構(gòu)可控制任何型號(hào)的電 機(jī)，具有極強(qiáng)的處理能力和高度的靈活性，適于現(xiàn)今實(shí)際應(yīng)用中的各種總 線結(jié)構(gòu)、電機(jī)類型，反饋元件和指令數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，屬于早期的 NC 嵌入 PC 式 的開(kāi)發(fā)式數(shù)控系統(tǒng)，是開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)在精密加工中的一個(gè)較早的成功應(yīng) 用。 美國(guó)摩爾公司目前最新的三臺(tái)機(jī)床 Nanotech-500FG、Nanotech- 350UPL、Nanotechl50AG 當(dāng)中，Nanotech-350UPL、Nanotechl50AG 采用的 都是開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)。 圖 1.6 Nanotech 350UPL 數(shù)控系統(tǒng) 圖 1.7 Nanotech 500FG 數(shù)控系統(tǒng) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 與 Nanoform 300，Nanoform 250 相同，Nanotech350UPL 和 Nanotech500FG 采用的都是美國(guó) DELTA TAU 公司的 PMAC 控制器，該控制 器可控制多達(dá) 16 個(gè)伺服軸，可執(zhí)行高速位置鎖存?？刂破魃纤玫氖歉?達(dá) 33/66MHZ 的 RISC 處理器，其上的 i960 芯片能在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行 數(shù)條指令，控制器上集成了高達(dá) 32MB 的 DRAM，提供了強(qiáng)大的處理能力， 同其他開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)一樣，也具有很強(qiáng)的靈活性，提供了豐富的支持軟 件。 國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了基于 PMAC 卡的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)研究，其中浙江大學(xué)開(kāi) 展的數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，大連理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的大型銑床數(shù)控系統(tǒng)， 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的六軸開(kāi)放式纖維纏繞機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，都是利用 PMAC 多軸控制器實(shí)現(xiàn)的多軸聯(lián)動(dòng)加工，性能可靠。哈爾濱大學(xué)研制的超精密車 床型號(hào)為 HCM-1，主軸回轉(zhuǎn)精度0.05m，徑向剛度 220N/m,軸向剛度 160N/m，導(dǎo)軌 Z 向的直線的0.2m/mm，X 向直線度 0.2m/mm，X,Z 向垂直度1，加工工件精度0.01m。是國(guó)內(nèi)基 于 PMAC 的數(shù)控系統(tǒng)在精密加工中的較早的成功應(yīng)用。 1.4.開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng) 由于傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)采用專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，軟硬件對(duì)用戶都是封閉的， 主要存在各數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品軟硬件不兼容、系統(tǒng)功能固定、人機(jī) 界面不靈活等缺點(diǎn)，使其發(fā)展受到了限制，為克服傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的缺點(diǎn)， 數(shù)控系統(tǒng)正朝著開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的方向發(fā)展。 對(duì)于開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，IEEE(國(guó)際電氣電子工程師協(xié)會(huì))是這樣定義的： “一個(gè)開(kāi)放式系統(tǒng)應(yīng)能使得各種應(yīng)用系統(tǒng)可以有效地運(yùn)行于不同供應(yīng)商提 供的不同平臺(tái)之上；可以與其它應(yīng)用系統(tǒng)相互操作，并具有風(fēng)格一致的用 戶交互界面” 。8。根據(jù)這一定義，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)必須是一個(gè)全模塊化 的軟件體系結(jié)構(gòu)。它具備互操作性、可移植性、可縮放性和可互換性的特 點(diǎn)，具有定義了標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的通訊系統(tǒng)，使得各個(gè)功能模塊能通過(guò)應(yīng)用程序 接口 API(Application Program Interface)來(lái)相互交換信息并相互操作； 同時(shí)，系統(tǒng)還應(yīng)具備一個(gè)實(shí)時(shí)的配置系統(tǒng)，使得各個(gè)功能模塊無(wú)論在系統(tǒng) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 運(yùn)行之初還是之間都能夠被靈活地配置。 關(guān)于開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的特征通常認(rèn)為包括硬件系統(tǒng)的開(kāi)放性和軟件系 統(tǒng)的開(kāi)放性，開(kāi)放的硬件系統(tǒng)由模塊化的速度控制單元、位置控制單元和 內(nèi)置的 PLC 構(gòu)成；開(kāi)放的軟件系統(tǒng)是指數(shù)控軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模塊化及模塊 間的接口標(biāo)準(zhǔn)化。目前，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)有 3 種實(shí)現(xiàn)途徑。1)PC 機(jī)+數(shù)控 專用模板。2)IPC+可編程運(yùn)動(dòng)控制器。3)純 PC 機(jī)型。 根據(jù)開(kāi)放方式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展、成本及其他因素，通常采用“IPC+可 編程運(yùn)動(dòng)控制器”的形式。這種基于開(kāi)放式可編程運(yùn)動(dòng)控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 以通用工業(yè)控制機(jī)為平臺(tái)，以 PC 標(biāo)準(zhǔn)插件形式的開(kāi)放式可編程運(yùn)動(dòng)控制 器為核心。IPC 負(fù)責(zé)如數(shù)控程序編輯、人機(jī)界面管理等功能，運(yùn)動(dòng)控制器 負(fù)責(zé)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制。這種運(yùn)動(dòng)控制器以運(yùn)動(dòng)子程序的方式解 釋執(zhí)行數(shù)控程序，以 PLC 子程序方式實(shí)現(xiàn)機(jī)床邏輯控制，支持用戶的開(kāi)發(fā) 和擴(kuò)展，具有上、下兩級(jí)的開(kāi)放性。代表產(chǎn)品有 WizdomControls 公司的 Paradym-31，此產(chǎn)品采用 Delta Tau 公司的 PMAC(Programmable MultiAxis Controller)可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制卡嵌入 IPC 實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。 優(yōu)點(diǎn)是：(1)成本低(采用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī))。(2)可運(yùn)行用戶自定義的軟件。(3)界 面比傳統(tǒng)的 CNC 友好。 1.5.論文的主要內(nèi)容與任務(wù) 本文根據(jù)開(kāi)放式控制系統(tǒng)要求，以教育部數(shù)控機(jī)床與機(jī)械制造裝備集 成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)項(xiàng)目“零傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)”為背景，主要完成力矩電機(jī)的 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其硬件連線和系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)節(jié)，以及電機(jī)定位精度及重復(fù) 定位精度的測(cè)量。本論文將著重完成以下任務(wù): 1. 闡明直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展前景，說(shuō)明利用力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái) 的現(xiàn)實(shí)意義。 2. 分析力矩電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)。 3. 分析 PMAC 運(yùn)動(dòng)控制卡的特點(diǎn)及使用。 4. 設(shè)計(jì)力矩電機(jī)的控制系統(tǒng)，完成其硬件連接。 5. 完成控制系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)試。 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 6. 對(duì)控制系統(tǒng)精度進(jìn)行檢測(cè)分析并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)基于 PMAC 的誤差補(bǔ)償。 7. 對(duì)課題進(jìn)行總結(jié)和展望。 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第 2 章.伺服驅(qū)動(dòng)單元 2.1.力矩電機(jī) 力矩電機(jī)是一種具有軟機(jī)械特性和寬調(diào)速范圍的特種電機(jī)。這種電機(jī) 軸不是以恒功率輸出動(dòng)力而是以恒力矩輸出動(dòng)力。力矩電機(jī)包括：直流力 矩電機(jī)、交 流力矩電機(jī)、 和無(wú)刷直流 力矩電機(jī)。 本次采用的 是 KOLLMORGEN 公司的力矩 電機(jī)，型號(hào) 為 D063M 如 圖 2.1 所示。 圖 2.1 KOLLMORGEN 力矩電機(jī) 2.1.1.力矩電機(jī)的主要特點(diǎn)及應(yīng)用 當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能自動(dòng)的隨之降低，而輸出力矩增加， 保持與負(fù)載平衡。力矩電機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩高，堵轉(zhuǎn)電流小，能承受一定時(shí)間 的堵轉(zhuǎn)運(yùn)行。 力矩電機(jī)的特點(diǎn)是具有軟的機(jī)械特性,可以堵轉(zhuǎn)。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大時(shí) 能自動(dòng)降低轉(zhuǎn)速,同時(shí)加大輸出轉(zhuǎn)矩。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為一定值時(shí)改變電機(jī)端 電壓便可調(diào)速。伺服力矩電機(jī)采用全新電機(jī)設(shè)計(jì)理念和專利結(jié)構(gòu)，使得它 的峰值力矩值可以提供 10 倍連續(xù)力矩，能量轉(zhuǎn)換效率可以高達(dá) 98%。高 精度、大力矩直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以用在不適合加減速機(jī)構(gòu)的場(chǎng)合，從而部分 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 代替電機(jī)+減速機(jī)的搭配應(yīng)用，減小了體積，提高了效率，沒(méi)有背隙，高 精度高剛性。響應(yīng)快，定位精度可達(dá) 1arc-second 以內(nèi)。 本系列電機(jī)的特性使其適用于卷繞，開(kāi)卷、堵轉(zhuǎn)和調(diào)速等場(chǎng)合及其他 用途，被廣泛應(yīng)用于紡織、電線電纜、金屬加工、造紙、橡膠、塑料以及 印刷機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域。 2.1.2.KOLLMORGEN 力矩電機(jī) D063M KOLLMORGEN 力矩電機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)： (1)連續(xù)轉(zhuǎn)矩 5.3-339 N-m，應(yīng)用廣泛。 (2)轉(zhuǎn)速高達(dá) 500RPM，符合大多數(shù)的高扭矩、低轉(zhuǎn)速應(yīng)用要求。 (3)功率高達(dá) 2040W，符合大多數(shù)應(yīng)用的大功率要求。 (4)可靠的多速旋轉(zhuǎn)變壓器反饋，運(yùn)行精密可靠。 (5)高分辨率正弦編碼器反饋裝置可提供極高的精度和可重復(fù)性。 (6)直接與負(fù)載連接，避免了減速箱、皮帶或皮帶輪的維護(hù)。 (7)零背隙和負(fù)載順從性，提高了系統(tǒng)性能。 (8)單軸承和雙軸承設(shè)計(jì)降低了靜態(tài)摩擦 (9)防護(hù)等級(jí) IP65 和 IP67 密封，防塵，無(wú)低壓水錘現(xiàn)象。 (10)內(nèi)置溫控器，過(guò)熱保護(hù)。 (11)消除了耦合部件，減小了機(jī)器尺寸。 表 2.1 D063M 的主要參數(shù) 系統(tǒng)性能符號(hào)單位數(shù)值 最大轉(zhuǎn)矩 TpIb-ft N-m 38.0 51.5 連續(xù)轉(zhuǎn)矩 正弦編碼器 40 TcIb-ft N-m 13.1 17.7 最大工作速度 230V 單相電 N maxrpm rps 500 8.3 正弦編碼器 分辨率 重復(fù)精度 精確度 counts/rev arc/sec arc/sec 2,097,152 0.62 26 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 機(jī)械性能符號(hào)單位數(shù)值 重量 WtIb kg 30.5 13.8 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 JmIb-ft-sec2 Kg-m2 0.0064 0.0086 最大軸壓力 Ibf kg 4,500 2,040 D063M 的工作特性曲線如圖 2.2 所示 圖 2.2D063M 的工作特性曲線 2.2.伺服驅(qū)動(dòng)器 本次采用 Danaher Motion 公司的 CD5 系列驅(qū)動(dòng)器，型號(hào) CB06550。 （如圖 2.3 所示） 。其基本功能如表 2.2 所示。 表 2.2 Danaher 驅(qū)動(dòng)器功能 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 功能說(shuō)明 正弦編碼器主控制板支持正弦編碼器反饋。插補(bǔ) 點(diǎn)數(shù)最高可設(shè)置為 4096（MSININT） 。 正弦編碼器校準(zhǔn)正弦編碼器信號(hào)被校準(zhǔn)，以便提高插 補(bǔ)精度（SININIT） 。 Stegmann Hiperface 接口支持 Hiperface(Stegmann)接口。 SERCOS 實(shí)現(xiàn) SEERCOSA 級(jí)柔性接口。SERCOSA 支持所有串行命令。 編碼器仿真輸出通過(guò) ENCOUTMOD 增加用于編碼器仿真 輸出的脈沖上升/下降模式。 編碼器初始化對(duì)于沒(méi)有絕對(duì)位置指示的反饋裝置， 支持零運(yùn)動(dòng)的編碼器初始化方法 （Wake-no-shake 編碼器初始化過(guò)程） 。 軟旋轉(zhuǎn)變壓器在系列 5 產(chǎn)品中，旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字 量（RDC）轉(zhuǎn)換是使用軟件完成的。 擴(kuò)展 I/O附加 I/O 2.2.1.驅(qū)動(dòng)器的主要端口 (1) C1：RS232，如圖 2.4 所示。 圖 2.4 C1 端口 (2) C2：編碼器反饋，如圖 2.5 所示。 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 圖 2.5 C2 端口 (3) C3：用戶 I/O，如圖 2.6 所示。 圖 2.6 C3 端口 (4) C4：編碼器等效輸出，如圖 2.7 所示。 圖 2.7 C4 端口 2.2.2.編碼器的引腳及意義 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 表 2.3a 編碼器各引腳含義 圖 2.3 Danaher 驅(qū)動(dòng)器 表 2.3b 編碼器各引腳含義 C1:通訊連接器C2:反饋連接器 引 腳 號(hào) 功能引 腳 號(hào) 旋轉(zhuǎn)變壓器編碼器正弦編碼器 1 屏蔽 1Sine HighAA 2REC(RXD)(RS232)2Sine Low/A/A 3XMIT(TXD)(RS232)3 屏蔽屏蔽屏蔽 4 保留，不要連接 4Cosine HighBB 5 公共 5Cosine Low/B/B 6TxD+(RS485)6 屏蔽屏蔽屏蔽 7TxD-(RS485)7 E5V 返回E5V 返回 8RxD+(RS485)8 E5V 返回E5V 返回 9RxD-(RS485)9H1B H1B(/C)(數(shù) 據(jù)) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 10H2B H2B(/D)(時(shí) 鐘) C3:用戶 I/O 連接器 11H3BH3B 引 腳 號(hào) 功能 12 屏蔽屏蔽屏蔽 1 模擬信號(hào)輸出屏蔽 13 熱傳感器高熱傳感 器高 熱傳感器高 2 模擬量差分輸入+（高） 14 屏蔽屏蔽屏蔽 3 模擬量差分輸入低-（低） 15 Ref.High(輸 出) IndexIndex 4 驅(qū)動(dòng)器邏輯地 16 Ref.Low(輸出) /Index/Index 5 故障輸出繼電器觸點(diǎn) 17 屏蔽屏蔽屏蔽 6 故障輸出繼電器觸點(diǎn) 18 E5V 電源E5V 電源 7 +24V 輸入（8，9，10，11 的返回端） 19 E5V 電源E5V 電源 8 遠(yuǎn)程使能使能輸入 20 E5V 電源E5V 電源 9 可配置輸入(參見(jiàn)“IN1”) 21 屏蔽屏蔽屏蔽 10 可配置輸入(參見(jiàn)“IN2”) 22H1A H1A(數(shù)據(jù)) 11 可配置輸入(參見(jiàn)“IN3”) 23H2A H2A(時(shí)鐘) 12 可配置輸入(參見(jiàn)“O1”) 24H3AH3A 13 可配置模擬量輸出(參見(jiàn) “ANOUT”) 25 熱傳感器低熱傳感 器低 熱傳感器低 2.2.3.正弦編碼器的反饋 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 圖 2.8 正弦編碼器反饋 2.3.本章總結(jié) 本章主要介紹了 KOLLMORGEN 力矩電機(jī)的主要參數(shù)，及其驅(qū)動(dòng)器的功 能、主要端口和針腳的含義。為后續(xù)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其硬件連線作準(zhǔn)備。 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 第 3 章.PMAC 運(yùn)動(dòng)控制卡 3.1.PMAC 運(yùn)動(dòng)控制卡的概述 PMAC(Programmable MultiAxis Controller)運(yùn)動(dòng)控制卡是美國(guó) Delta Tau Data System 公司開(kāi)發(fā)的當(dāng)今世界上最先進(jìn)的、功能最強(qiáng)、計(jì) 算速度最快、質(zhì)量可靠的運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品，是開(kāi)放式基于 PC 的運(yùn)動(dòng)控制器 之一1516。 PMAC 是一臺(tái)具有獨(dú)立內(nèi)存、獨(dú)立運(yùn)算操作能力的計(jì)算機(jī)，它采用 Motorola 的 DSP56001 作為 CPU，它可以通過(guò)存儲(chǔ)在自己內(nèi)部的程序進(jìn)行 單獨(dú)的操作；它還是一臺(tái)實(shí)時(shí)的、多任務(wù)的計(jì)算機(jī)，能自動(dòng)對(duì)任務(wù)進(jìn)行優(yōu) 先等級(jí)判別，先執(zhí)行優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)。PMAC 既可以獨(dú)立工作亦可按主機(jī) 的命令進(jìn)行工作，它和主機(jī)的通訊可以通過(guò)串行口也可以通過(guò)總線進(jìn)行， 通過(guò)總線通訊時(shí)，還可以將中斷信號(hào)引入主機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)非常靈活有效的 控制系統(tǒng)。 PMAC 最多可以同時(shí)控制 8 個(gè)軸，允許每一個(gè)軸都是完全獨(dú)立的，最 多可以有 16 片 PMAC 板同步的聯(lián)系到一起使用，控制總共 128 根軸的聯(lián)動(dòng) 和獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。其具有四種硬件形式：PMAC PCI、PAMC LITE、PMAC VME、PMAC STD。 PMAC PCI 是 PMAC 板卡級(jí)系列產(chǎn)品中的一員，采用單信號(hào)模擬量作為 電機(jī)的控制輸入，主要體現(xiàn)在控制電機(jī)的速度和力矩。他可以支持 8 軸控 制。他在板提供 4 個(gè)或 8 個(gè)軸的接口電路。 PMAC PCI 是一塊全長(zhǎng)尺寸的 PCI 總線板卡，它的 CPU 板卡是一塊半 長(zhǎng)的擴(kuò)展板卡。它可以通過(guò) PCI 總線與上位機(jī)通訊，也可以使用雙端口 RAM 擴(kuò)展總線的通訊速度，當(dāng)它脫機(jī)使用時(shí)，還可以使用 RS-232 或者 RS- 422 串口。 3.2.PMAC 運(yùn)動(dòng)控制卡的功能簡(jiǎn)介 其基本功能如下所示： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 (1)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)程序 當(dāng)被告知執(zhí)行一個(gè)運(yùn)動(dòng)程序時(shí)，PMAC 一次執(zhí)行程序的一個(gè)指令，進(jìn) 行該移動(dòng)(包括非移動(dòng)的任務(wù))的所有計(jì)算，從而為該運(yùn)動(dòng)的實(shí)際執(zhí)行做好 準(zhǔn)備。PMAC 總是工作在實(shí)際移動(dòng)之前，如果需要，它總能正確地與即將 執(zhí)行的動(dòng)作相調(diào)和。 (2)執(zhí)行 PLC 程序 運(yùn)動(dòng)程序的順序特性使得它能很好地適應(yīng)一系列的運(yùn)動(dòng)并相互協(xié)調(diào)其 它坐標(biāo)系的動(dòng)作;然而，當(dāng)在執(zhí)行那些不是用運(yùn)動(dòng)的順序來(lái)直接協(xié)調(diào)的動(dòng) 作時(shí)，這些程序就不適于做坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng).對(duì)于這些類型的任務(wù)，PMAC 提 供給用戶編寫(xiě)“PLC 程序”的能力。這些程序?qū)τ谠谶\(yùn)動(dòng)順序上不同步的 任務(wù)是非常有用的。 (3)伺服環(huán)更新 對(duì)于每一個(gè)電機(jī)，PMAC 都以一個(gè)固定頻率(通常為 2KHz 左右)對(duì)其進(jìn) 行伺服更新。伺服更新工作進(jìn)程是:先根據(jù)運(yùn)動(dòng)程序或別的運(yùn)動(dòng)命令得到 的等式求得要求的位置增量，然后將此與由反饋傳感器讀回的實(shí)際位置相 比較，最后在兩者之差的基礎(chǔ)上，發(fā)出一個(gè)輸出命令使此差值變小，如此 反復(fù)，直到此差值在允許的范圍內(nèi)為止。 (4)換相更新 對(duì)于一臺(tái)多相電機(jī)，PMAC 自動(dòng)地以一個(gè)固定的頻率(通常 9KHz 左右) 進(jìn)行換相更新。換相更新，就是測(cè)量并估算轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向，然后再分配通 過(guò)分布在電機(jī)的不同相位的伺服更新算出的命令。 (5)資源管理 PMAC 會(huì)定期自動(dòng)地執(zhí)行資源管理的功能，以確定整個(gè)系統(tǒng)是否處于 正常工作狀況。這些功能包括安全檢查，看門(mén)狗計(jì)時(shí)器的更新等。如果任 何的硬件或軟件的問(wèn)題使這些功能不能得到執(zhí)行，則看門(mén)狗計(jì)時(shí)器將會(huì)觸 發(fā)，從而使卡關(guān)閉。 (6)與主機(jī)通信 PMAC 可以在任何時(shí)間與主機(jī)通信，甚至在一個(gè)運(yùn)動(dòng)序列中間。PMAC 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 接受一個(gè)命令，然后采取相應(yīng)的動(dòng)作，將命令放入一個(gè)程序緩沖區(qū)以便以 后執(zhí)行，提供數(shù)據(jù)以響應(yīng)主機(jī)，開(kāi)始電機(jī)的移動(dòng)等。如果命令是非法的， 它將會(huì)向主機(jī)報(bào)錯(cuò)。 (7)任務(wù)優(yōu)先級(jí) 任務(wù)是按照優(yōu)先級(jí)電路組織起來(lái)的，這樣可以使它們能夠得以最優(yōu)化， 從而讓程序能有效、安全地運(yùn)行。當(dāng)優(yōu)先級(jí)確定以后，不同任務(wù)的執(zhí)行頻 率可由程序員自己控制。 3.3.PMAC 運(yùn)動(dòng)控制卡的開(kāi)放性 除了以上功能，PMAC 還提供給用戶優(yōu)越的開(kāi)放性能: (1)與各種伺服系統(tǒng)的匹配 通過(guò)適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置和使用不同的接口卡，PMAC 可與各種模擬或數(shù) 字的交、直流有刷、直流無(wú)刷伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等相連， 構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分。 (2)與各種檢測(cè)元件的匹配 PMAC 可與各種檢測(cè)元件進(jìn)行匹配，包括測(cè)速發(fā)電機(jī)、光電編碼器、 光柵、旋轉(zhuǎn)編碼器等。 (3)與 PC 機(jī)的通信方式 PMAC 有三種可選的與上位 PC 機(jī)的通信手段:串口方式、并口方式、 雙端口 RAM (DPRAM)方式。 (4)與硬件平臺(tái)的匹配 PMAC 有三種類型分別工作在三種不同的總線(PC-XT 和 AT,VME,STD) 上運(yùn)行，由此提供了多平臺(tái)的支持特性，同時(shí)也使同一控制軟件可以在不 同的硬件平臺(tái)上運(yùn)行。 (5)人機(jī)界面的對(duì)外開(kāi)放 PMAC 提供了 Windows 平臺(tái)下的驅(qū)動(dòng)程序PCOMM，可以在高級(jí)編程語(yǔ) 言如 VC+, VB, Delphi 等編程環(huán)境下調(diào)用這些動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，實(shí)現(xiàn) Windows 環(huán)境下的人機(jī)界面。 (6)數(shù)控功能的對(duì)外開(kāi)放 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 PMAC 提供了一套基本功能指令集合，如直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、樣條 插補(bǔ)、量方式或絕對(duì)方式運(yùn)行等，可在這些基本指令集合的基礎(chǔ)上定制出 用戶自己的 G 代碼、M 代碼數(shù)控功能。 (7)PLC 功能的對(duì)外開(kāi)放 PMAC 內(nèi)含了可編程邏輯控制器(PLC)。PMAC 的 I/0 點(diǎn)可以擴(kuò)展至 2018 位，但所有的 UO 點(diǎn)都以軟件來(lái)控制的，只要使用一個(gè)類似高級(jí)程序 中的指針變量 指向某一 v0 地址，就可以在 NC 和 PLC 程序中通過(guò)該指針 變量來(lái)方便地對(duì)該 FO 點(diǎn)進(jìn)行輸入或輸出控制。 (8)控制系統(tǒng)定制的對(duì)外開(kāi)放 PMAC 通過(guò)各種方式，如 I 變量和 Encoder Conversion Table 等來(lái)實(shí) 現(xiàn)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的定制，使其方便的與實(shí)際機(jī)床進(jìn)行匹配。因此 ， 應(yīng) 用 PMAC 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活自如，不受局限，可將各種先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念融入 系統(tǒng)，而且同一系統(tǒng)可以選擇不同的電機(jī)，接收不同的反饋信息17。 3.4.PMAC 運(yùn)動(dòng)控制卡的應(yīng)用 隨著中國(guó)汽車、機(jī)械、電子、軍工等產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，PMAC 多軸運(yùn) 動(dòng)控制卡在中國(guó)的制造業(yè)和自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。它的多種用 途包括：在半導(dǎo)體制造業(yè)中，用作晶片處理、分割以及引線接合法；航空 宇宙方面，用于飛行仿真、航空宇航制造等：加工制造業(yè)中用于各類數(shù)控 裝備(包括金切機(jī)床、研磨、電火花、水切割、激光切割等)、裝配線、自 動(dòng)纏繞設(shè)備等；醫(yī)學(xué)設(shè)備中可用于 MRI 機(jī)械、激光眼科手術(shù)、光學(xué)表 面研磨等；原材料處理過(guò)程中用于混合、分離、包裝、同步運(yùn)輸?shù)龋蛔詣?dòng) 控制領(lǐng)域用于分布生產(chǎn)、精確位置控制、機(jī)器人技術(shù)、遙控、飛剪、自動(dòng) 化車問(wèn)、網(wǎng)絡(luò)控制等19。 3.5.本章總結(jié) 本章主要介紹了 PMAC 多軸運(yùn)動(dòng)控制卡的主要功能及應(yīng)用，為后續(xù)控 制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作準(zhǔn)備。 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 第 4 章.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1.控制系統(tǒng)的組成與分類 運(yùn)動(dòng)控制通常是指在復(fù)雜條件下，將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變 成期望的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)精確的位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制 等。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，運(yùn)動(dòng)控制己從電力拖動(dòng) 發(fā)展成為一個(gè)以自動(dòng)控制理論和現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)并包括許多學(xué)科的技 術(shù)領(lǐng)域。現(xiàn)代的運(yùn)動(dòng)控制是計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、電力電子技術(shù)和機(jī)械 工程技術(shù)等集成的綜合應(yīng)用軟硬件系統(tǒng)20，其與相關(guān)學(xué)科間的關(guān)系如圖 4 表示。 4.1.1.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)多種多樣，但從基本結(jié)構(gòu)上看，一個(gè)典型的運(yùn)動(dòng)控制系 統(tǒng)主要由運(yùn)動(dòng)控制器、驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和反饋裝置構(gòu)成，如圖 4所示。 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備-電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，以控制 器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo) 圖 4.1 數(shù)控技術(shù)與相關(guān)學(xué)科在關(guān)系 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 下組成的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn) 角，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)要求21。 圖 4.2 典型運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成 運(yùn)動(dòng)控制器響應(yīng)閉環(huán)信號(hào)和接收控制系統(tǒng)的定位請(qǐng)求信號(hào)，將分析、 計(jì)算所得出的運(yùn)動(dòng)命令以數(shù)字脈沖信號(hào)或模擬量的形式送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中。 驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行功率變換，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)根據(jù)上位控制指令轉(zhuǎn)動(dòng)。反饋裝置將檢 測(cè)到的速度或位置反饋到驅(qū)動(dòng)器或控制器中，構(gòu)成半閉環(huán)或全閉環(huán)控制， 其檢測(cè)元件有脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵尺、磁尺及激 光干涉儀等。 4.1.2.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 (1)按位置控制原理分類 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)位置控制原理，即有無(wú)檢測(cè)反饋傳感器以及檢測(cè)部 位，可分為開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)和全閉環(huán)三種基本控制方案。 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)無(wú)檢測(cè)反饋裝置。優(yōu)點(diǎn)是控制方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便 宜。缺點(diǎn)是機(jī)械傳動(dòng)誤差不經(jīng)過(guò)反饋校正，控制精度不高。 半閉環(huán)控制系統(tǒng)的位置反饋采用轉(zhuǎn)角檢測(cè)元件，直接安裝在伺服電機(jī) 或絲杠端部。由于具有位置反饋比較控制，可獲得較大的定位精度。 全閉環(huán)控制系統(tǒng)是采用光柵等檢測(cè)元件對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行位置檢測(cè)，可 以消除從電機(jī)到被控單元之間整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)鏈中的傳動(dòng)誤差，得到很高的 靜態(tài)定位精度。缺點(diǎn)是穩(wěn)定性不高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)整也相當(dāng)復(fù)雜。 (2)按控制方式分類 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)按被控對(duì)象的性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)控制方式可分為位置控制、速 度控制和力矩控制三種類型。 圖 4.2 控制系統(tǒng)的組成 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 位置控制:轉(zhuǎn)角位置或直線移動(dòng)位置的控制。按數(shù)控原理分為點(diǎn)位運(yùn) 動(dòng)控制，連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)控制和同步運(yùn)動(dòng)控制。 速度控制:速度控制既可單獨(dú)使用，如傳輸機(jī)、工作臺(tái)等機(jī)械速度控 制，也可以與位置控制聯(lián)合成為雙回路控制，如各種數(shù)控機(jī)械的雙回路伺 服系統(tǒng)。 力矩控制:塑料薄膜、鋼帶、布品和紙張等卷取機(jī)都是恒張力控制； 自動(dòng)組裝機(jī)的擰緊螺母以及自動(dòng)鉆孔等場(chǎng)合，應(yīng)采用力矩與位置同步控制。 4.2.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì) 通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)功能的分析，并考慮到系統(tǒng)的先進(jìn)性，成本等因素， 本文以多軸運(yùn)動(dòng)控制器為核心，采用“NC 嵌入 PC”結(jié)構(gòu)組成的開(kāi)發(fā)式數(shù) 控系統(tǒng)。近年來(lái)，代表了數(shù)控技術(shù)發(fā)展方向的、具有良好柔性和較低成本 的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)正逐漸成為數(shù)控技術(shù)研究的熱點(diǎn)。開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研 究目的是要建立一種模塊化、可重構(gòu)、可擴(kuò)充的軟硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng) 數(shù)控系統(tǒng)的功能柔性，在體系結(jié)構(gòu)上給用戶留有進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的更多余地， 能夠快速而經(jīng)濟(jì)地響應(yīng)新的加工需求。 本文中，PC 部分采用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制機(jī)，NC 部分采用美國(guó) Delta Tau 公司的可編程運(yùn)動(dòng)控制器 PMAC，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)軸的控制。從系統(tǒng)的開(kāi)放 性，功能和開(kāi)發(fā)成本綜合考慮，本課題選用 PMAC PCI 運(yùn)動(dòng)控制卡，附件 ACC-8P 作為轉(zhuǎn)接板。 PMAC PCI 是 PMAC 系列產(chǎn)品中結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格適中的一款。適合簡(jiǎn)單 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，它能夠控制四個(gè)通道。由于 PMAC 與 IPC 之間的實(shí)時(shí) 通訊要求并不高，所以采用了總線的通訊方式。PMAC2 PCI 屬于即插即用 設(shè)備，在安裝該硬件時(shí)，可以直接將 PMAC 卡插到 IPC 的插槽上，MS Windows 系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)到它，而不需要用戶手動(dòng)添加安裝。 本系統(tǒng)是在工業(yè)控制機(jī)平臺(tái)基礎(chǔ)之上，采用 PMAC 多軸運(yùn)動(dòng)控制卡構(gòu) 成的控制系統(tǒng)，IPC 上的 CPU 與 PMAC 卡上的 CPU 構(gòu)成了主從雙微處理器 結(jié)構(gòu)，兩個(gè) CPU 各自實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。其中 PMAC 主要完成試實(shí)驗(yàn)臺(tái)各電 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 機(jī)軸運(yùn)動(dòng)的控制，工控機(jī)則主要負(fù)責(zé)故障診斷，系統(tǒng)的管理與人機(jī)交互等 任務(wù)。這樣就保證了系統(tǒng)控制的安全性，可靠性與實(shí)時(shí)性。 整個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)單元與安裝了 PMAC 運(yùn)動(dòng)控制卡的 IPC 組成了一個(gè)三環(huán) 閉環(huán)控制系統(tǒng)。在驅(qū)動(dòng)器中完成電流環(huán)的閉環(huán)；由編碼器連接驅(qū)動(dòng)器完成 速度環(huán)的閉環(huán)；再由驅(qū)動(dòng)器的反饋等效輸出連接 IPC 完成位置環(huán)的閉環(huán)。 驅(qū)動(dòng)器與 PMAC 通過(guò)附件 ACC-8P 連接。ACC-8P 的針腳如表 4.1 所示。 表 4.1 ACC-8P 的針腳意義 ACC-8P #1 Pin#2 Pin#3 Pin#4 Pin#SY MBOL 5343940-LIMn 55564142HMFLn 51523733+LIMn 58585858AGND 1212+5V 3434GND 171856CHCn 192078CHCn/ 2122910CHBn 23241112CHBn/ 25261314CHAn 27281516CHAn/ 43442930DACn 45463132DACn/ 47483334AENAn/DIRn 49503536FAULIn 58585858AGND 58AGND 59A+15V/OPT+V 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 60A-15V 4.2.1.系統(tǒng)連線 伺服驅(qū)動(dòng)單元的控制一般有三種方式，即速度控制、扭矩控制和位置 控制。這三種控制方式的不同點(diǎn)在于輸入的參考量不同，分別是速度參考 (模擬電壓)、扭矩參考(模擬電壓)、位置參考(數(shù)字脈沖)，同時(shí)它們與 PMAC 的接線方法也不同。本次選擇了串行速度控制方式。 (1)驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)力接線如圖 4.3 所示。 (2) 驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)的接線如圖 4.4 所示。 驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)的動(dòng)力連線方式如表 4.2 所示。 表 4.2 驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)的動(dòng)力連線 SERVOSTARDDR MA引腳 3藍(lán)色 MB引腳 4紅色 MC引腳 1綠色 圖 4.3 驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)力接線 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 GND引腳 2黃綠色 驅(qū)動(dòng)器的 C2 端口與電機(jī)的連線方式如表 4.3 所示。 表 4.3 驅(qū)動(dòng)器 C2 端口與電機(jī)的連線 SEVOSTARDDR C2 引腳編碼器插座導(dǎo)線顏色 引腳 1 A引腳 3藍(lán)色 引腳 2 /A引腳 6藍(lán)色、黑色 引腳 3(屏蔽) 引腳 4 B引腳 4綠色 引腳 5 /B引腳 7綠色、黑色 引腳 6(屏蔽) 引腳 7 和 8 E5V 返回引腳 10紅色 引腳 9 H1B引腳 12棕色 引腳 10 H2B引腳 13灰色 引腳 11 H3B引腳 14白色 引腳 12(屏蔽) 引腳 13(熱傳感器高)引腳 1黃色 引腳 14(屏蔽) 引腳 15 Index引腳 5紫色 引腳 16 /Index引腳 8紫色、黑色 引腳 18、19、20 E5V引腳 9黑色 引腳 22參見(jiàn)注 1參見(jiàn)注 1 引腳 23參見(jiàn)注 1參見(jiàn)注 1 引腳 24參見(jiàn)注 1參見(jiàn)注 1 引腳 25(熱傳感器低)引腳 2黃色 注 1：必須與 C2 的引腳 18 連接以正常工作 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 圖 4.4 驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)連線 (3)系統(tǒng)電源如圖 4.5 所示。 圖 4.5 系統(tǒng)電源 (4)PMAC 與工控機(jī)的連接如圖 4.6 所示。 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 圖 4.6 PMAC 與工控機(jī)的連接 (6) PMAC 擴(kuò)展板的連接如圖 4.7 所示。 圖 4.7 PMAC 擴(kuò)展板的連接 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專