三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)(答辯)

三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)的研究

答辯人：袁順娟專業(yè)：控制工程導(dǎo)師：劉明

日期:2013-06-081緒論近年來(lái),工業(yè)在不斷的發(fā)展，生產(chǎn)工藝的要求越來(lái)越高，一臺(tái)電機(jī)的簡(jiǎn)單控制已經(jīng)不能滿足要求。生產(chǎn)工藝不斷復(fù)雜化，人們開(kāi)始開(kāi)發(fā)研究多軸控制系統(tǒng)。在電氣控制中，多軸控制系統(tǒng)有著很高的的地位，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域是備受關(guān)注的研究課題。數(shù)控機(jī)床在從原來(lái)的手動(dòng)發(fā)展到了自動(dòng)，功能也從簡(jiǎn)單變得越來(lái)越復(fù)雜，在操作上由原來(lái)的笨重，變得越來(lái)越輕巧。電力電子技術(shù)在不斷進(jìn)步，微機(jī)技術(shù)也在不斷被應(yīng)用，越來(lái)越新型的控制策略層出不窮，電氣控制技術(shù)的發(fā)展途徑變得越來(lái)越多。課題背景與研究意義2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能有：

◆系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

◆上位機(jī)與下位機(jī)多級(jí)通信的實(shí)現(xiàn)。

◆

DDA空間直線插補(bǔ)算法。

◆電機(jī)的加減速控制。

◆系統(tǒng)單軸調(diào)試系統(tǒng)總體框圖如圖下圖所示：上位機(jī)把信號(hào)通過(guò)總線傳達(dá)給單片機(jī)，單片機(jī)把轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)化成脈沖信號(hào)傳給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)收到的脈沖信號(hào)來(lái)控制伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，驅(qū)動(dòng)器接收編碼器傳送的信號(hào)，將反饋值和目標(biāo)值進(jìn)行比較，然后調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)交流伺服電機(jī)的閉環(huán)控制。3系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)◆單片機(jī)系統(tǒng)◆伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器◆高頻ADUM磁耦數(shù)字隔離◆低頻光電隔離◆信號(hào)放大◆通信電平轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要如下圖所示：硬件系統(tǒng)框圖單片機(jī)系統(tǒng)該系統(tǒng)選用STC12C5A60S2單片機(jī)，新一代51單片機(jī)，與以前的51單片機(jī)兼容。速度相對(duì)于以前的8051快出8-12倍。單片機(jī)工作電壓：3.5V-5.5V。主要用到單片機(jī)的外部中斷、定時(shí)器、串口中斷、I/O口等。伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器

伺服電機(jī)型號(hào)為MSMD012G1U，驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為MADHT1505。20位增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，分辨率達(dá)到1048576。額定轉(zhuǎn)速為3000r/min。為避免資源的浪費(fèi)同時(shí)又能滿足系統(tǒng)的要求選用低慣量100W，能夠使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。交流伺服電機(jī)的控制方式有三種：位置控制模式、速度控制模式和轉(zhuǎn)矩控制模式。該設(shè)計(jì)選擇的是位置控制模式。松下伺服電機(jī)的指令脈沖輸入形式：集電極開(kāi)路I/F。外部控制信號(hào)用+12V電源，同時(shí)需要使用與相對(duì)應(yīng)的限流電阻R=1K。驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置Pr0.05=1，脈沖輸入旋轉(zhuǎn)設(shè)置為集電極開(kāi)路輸入。

Pr0.06=0，Pr0.07=3，指令脈沖形式設(shè)置為脈沖序列+符號(hào)，方向信號(hào)為0時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，方向信號(hào)為1時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。Pr0.08=10000，設(shè)定電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一圈的指令脈沖數(shù)。信號(hào)的隔離及其放大高頻信號(hào)隔離：ADUM1401；光電隔離：選用了東芝的TLP521-4；采用高速小功率NPN硅開(kāi)關(guān)三極管3DK10F對(duì)信號(hào)放大伺服電機(jī)信號(hào)圖4系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

◆數(shù)控系統(tǒng)坐標(biāo)系的建立◆動(dòng)態(tài)查表法加減速◆數(shù)字積分法直線插補(bǔ)◆多機(jī)通信數(shù)控系統(tǒng)坐標(biāo)系的建立數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系的建立右手笛卡爾坐標(biāo)系：⑴確定Z軸：與主軸軸線平行或重合的坐標(biāo)軸為Z軸，以刀具遠(yuǎn)離工件的方向?yàn)檎?。⑵確定X軸：平行于工件裝夾面,與Z軸垂直的水平方向的坐標(biāo)軸為X軸，以刀具遠(yuǎn)離工件的方向?yàn)檎?。⑶確定Y軸：當(dāng)X軸和Z軸確定以后，利用右手法則確定Y軸及其正方向。工件坐標(biāo)系的建立工件坐標(biāo)系是由編程者制定的,以工件上某一個(gè)固定點(diǎn)為原點(diǎn)的右手直角坐標(biāo)系,又稱為編程坐標(biāo)系.機(jī)床類型工件原點(diǎn)位置：數(shù)控車床一般設(shè)在工件右端面的中心；數(shù)控銑床一般設(shè)在工件上表面的幾何中心或者四個(gè)基準(zhǔn)角上數(shù)字積分插補(bǔ)法及加減速控制算法

動(dòng)態(tài)查表法原理我們可以由加工速度求出插補(bǔ)運(yùn)算中會(huì)用到的變量：n，dn。n代表過(guò)n個(gè)定時(shí)周期進(jìn)給一步；dn代表每次累加器的累加數(shù)。設(shè)定速度檔位因子為：1/16,1/8,1/4,2/5,1/2,2/3,4/5,8/9,共八個(gè)檔位。速度檔位因子確定后，分別計(jì)算出Vp/q相對(duì)應(yīng)的n和dn。

如果加速段的速度檔位設(shè)為：假設(shè)物體相對(duì)X軸位移量為L(zhǎng)x，電機(jī)需要走X步。電機(jī)加速段為（1/4*Lx）,電機(jī)需要走的步數(shù)為(1/4*X）。由此可知，電機(jī)加速段各個(gè)速度檔位對(duì)應(yīng)的步數(shù)pulses為：對(duì)應(yīng)不同速度段，需要n個(gè)定時(shí)周期Tp[i],x軸電機(jī)進(jìn)給一步。所以，在加速段每個(gè)速度段對(duì)應(yīng)所走的時(shí)間t[i]為：系統(tǒng)加速需要的時(shí)間：同理可得系統(tǒng)減速所需時(shí)間：

系統(tǒng)勻速所需的時(shí)間：

系統(tǒng)走完整個(gè)路程所需要的總時(shí)間為：

所以：

系統(tǒng)所用的總時(shí)間為：動(dòng)態(tài)查表算法描述（1）VC算法。分別計(jì)算各檔位對(duì)應(yīng)的n和dn

。（2）算法rtvc用于實(shí)時(shí)加減速控制，根據(jù)發(fā)出脈沖計(jì)數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的加減速控制。

數(shù)字積分插補(bǔ)法

所謂插補(bǔ)，就是坐標(biāo)點(diǎn)的“數(shù)據(jù)密化”。脈沖當(dāng)量是插補(bǔ)計(jì)算的基本單位，也就是指每進(jìn)給一個(gè)脈沖，產(chǎn)生一個(gè)脈沖當(dāng)量的位移。數(shù)字脈沖乘法器是相對(duì)比較早的插補(bǔ)運(yùn)法方法，現(xiàn)在最常用的插補(bǔ)方法是逐點(diǎn)比較法、數(shù)字積分法等。該系統(tǒng)使用的是數(shù)字積分法。平面直線插補(bǔ)每個(gè)坐標(biāo)的積分器由累加器和被積函數(shù)寄存器組成。被積函數(shù)寄存器存放終點(diǎn)坐標(biāo)值。每隔一個(gè)時(shí)間間隔，將被積函數(shù)的值向各自的累加器中累加。X軸的累加器溢出的脈沖驅(qū)動(dòng)X軸走一步，Y軸累加器溢出脈沖驅(qū)動(dòng)Y軸走一步[12]?？臻g直線插補(bǔ)根據(jù)線性插補(bǔ)原理，各插補(bǔ)軸的位移與速度比相等。假設(shè)已知空間直線兩點(diǎn)M(X1，Y1，Z1)，N(X2，Y2，Z2)。那么，X、Y、Z三軸的方向余弦：

假設(shè)物體運(yùn)動(dòng)的速度為V，則對(duì)應(yīng)X、Y、Z軸的速度為：則在計(jì)算插補(bǔ)算法的參數(shù)是n、dn時(shí)，只要知道物體運(yùn)動(dòng)的合速度V，就可以分別知道X、Y、Z三軸的速度，就可以求出對(duì)應(yīng)軸的插補(bǔ)參數(shù)。

X、Y、Z每個(gè)軸各設(shè)一個(gè)終點(diǎn)判別計(jì)算器.因?yàn)楦鬏S可能不同時(shí)到終點(diǎn)，先到終點(diǎn)的軸可能多走出一個(gè)脈沖來(lái)，使終點(diǎn)坐標(biāo)產(chǎn)生誤差，在增量系統(tǒng)中此誤差可能積累下來(lái)。各軸分設(shè)終點(diǎn)判斷計(jì)算器可克服這個(gè)缺點(diǎn)。系統(tǒng)通信部分1.多機(jī)通信協(xié)議起始位DATA.0DATA.1DATA.2DATA.3DATA.4DATA.5DATA.6DATA.7Address/Data停止位⑴所有從機(jī)的SM2=1，REN=1;以便接收主機(jī)發(fā)來(lái)的地址。⑵主機(jī)給從機(jī)發(fā)送地址時(shí)，第9數(shù)據(jù)上發(fā)送1，以指示從機(jī)接收這個(gè)地址。⑶有從機(jī)在SM2=1、RB8=1和RI=0時(shí)，接收主機(jī)發(fā)來(lái)的從機(jī)地址，進(jìn)入相應(yīng)中斷服務(wù)程序，并和本機(jī)地址比較以確認(rèn)是否為被尋從機(jī)。⑷被尋址從機(jī)通過(guò)指令清除SM2，以正常接收數(shù)據(jù)，并向主機(jī)發(fā)回接收到的從機(jī)地址，供主機(jī)核對(duì)，未被尋址從機(jī)保持SM2=1，并退出各自中斷服務(wù)程序。⑸完成主機(jī)和被尋址從機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，被尋址從機(jī)在通信完成后，重新使SM2=1，并退出中斷服務(wù)程序，等待下次通信。上位機(jī)程序流程圖

單片機(jī)通信軟件流程圖

5調(diào)試計(jì)算機(jī)用Vc++控件實(shí)現(xiàn)通信：（1）建立項(xiàng)目，插入控件MSComm

（2）初始化串口（3）添加串口事件消息處理函數(shù)OnComm（）（4）數(shù)據(jù)的發(fā)送單片機(jī)通信部分用定時(shí)器1設(shè)置波特率，定時(shí)器設(shè)置工作方式為方式2，即：TMOD=0X20。在11.0592MHZ頻率下，設(shè)置定時(shí)器初值為0XFD,則波特率為9600,串口工作方式為方式1。

1.通信調(diào)試2原點(diǎn)回零調(diào)試

在原點(diǎn)附近加一個(gè)原點(diǎn)近位開(kāi)關(guān)來(lái)產(chǎn)生原點(diǎn)近位信號(hào)ORG，并將該信號(hào)作為外部中斷信號(hào)。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)碰觸到ORG信號(hào)上升沿時(shí)進(jìn)入中斷，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)并立刻以爬行速度啟動(dòng)反方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)接收到Z脈沖上升沿時(shí)停轉(zhuǎn)，此時(shí)的位置即為原點(diǎn)。3對(duì)電機(jī)調(diào)試

電機(jī)轉(zhuǎn)速為Vr/min，則電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要s,設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要10000個(gè)脈沖，那么，一個(gè)脈沖周期為：

每產(chǎn)生一個(gè)脈沖兩次進(jìn)入中斷，所以定時(shí)器定時(shí)時(shí)間t應(yīng)為半個(gè)脈沖周期，即

單片機(jī)的一個(gè)機(jī)器周期為Tcy，單片機(jī)的晶振為f1

單片機(jī)默認(rèn)為1T模式，所以一個(gè)時(shí)鐘周期Tcy=1/11059200。在這里使用定時(shí)器模式1，定時(shí)時(shí)間t、定時(shí)器應(yīng)裝入的初值N。