机械专业毕业设计（论文）-简易XY数控绘图仪模型制作与控制.doc

四川理工学院毕业设计四川理工学院毕业设计 简易简易 xyxy 数控绘图仪模型制作与控制数控绘图仪模型制作与控制 学学 生：生： 学学 号：号： 专专 业：机械设计制造及其自动化业：机械设计制造及其自动化 班班 级：级： 指导教师：指导教师： 四川理工学院机械工程学院四川理工学院机械工程学院 二二 0 0 一一年六月一一年六月 第一章 绪论 2 四四 川川 理理 工工 学学 院院 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目： 简易 xy 数控绘图仪模型制作与控制 学院： 机械工程学院 专业： 机械设计制造及其自动化 班级： 学号： 学生： 指导教师： 接受任务时间 2011-3-2 教研室主任 （签名） 院长 （签名） 1毕业设计（论文）的主要内容及基本要求 主要参数及设计目标： 利用实验室现有的模型散件搭建 xy 方向数控绘图仪，行程以及速度控制根据模型 本身确定。 要求：结构合理，制作三维装配过程动画，并由模型提供的软件编写出圆弧的进 给控制算法，编写算法设计说明书。 2指定查阅的主要参考文献及说明 陆全龙. 数控机床. 华中科技大学出版社，2008 张永相. 机电控制理论及应用. 重庆大学出版社，2002 熊军. 数控机床原理与结构. 人民邮电出版社，2007 3进度安排 设计（论文）各阶段名称起 止 日 期 1 收集、准备参考资料，查阅文献，开题报 告 3.2-3.22 2 程序结构设计，框图 3.23-4.19 3 图纸、程序调试和相关毕业论文的撰写 4.20-5.12 4 设计说明书的撰写 5.13-5.25 5 毕业设计的修改、答辩的准备及答辩 5.26-5.31 摘要摘要 数控技术是现代制造技术的基础。它的广泛应用，使普通机械被数控机械所代替， 全球制造业发生了根本性变化。数控技术将传统的机械制造与微电子、计算机、信息 处理、现代控制理论、检测技术等多种学科技术融为一体，它是适应科技进步，满足 市场需求的生产方式。 逐点比较法的每个插补循环由偏差判别、进给、偏差函数计算和终点判别四个步 骤组成，其算法简单、运算直观，插补误差小，脉冲输出均匀，调节方便。本设计利 用慧鱼模型散件搭建数控绘图仪，实现绘图仪的 xy 方向的二维运动，并根据圆弧的插 补原理编写了 robopro 程序。 关键词：关键词：数控技术；逐点比较法；慧鱼模型；robopro 软件 第一章 绪论 ii abstract numerical control technology is the basis of modern manufacture technology. its wide application makes ordinary machinery replaced by cnc machinery, and great change taken place in global manufacturing. cnc technology combines traditional machinery manufacturing with various technologies together, including microelectronics and computer, information processing, modern control theory, detection technology etc. it is adapted to the scientific and technological progress, and meets the demand of market mode of production. the each interpolation cycle is made up of discriminating deviation, feed, deviation function calculation and end discrimination four steps. which have simple algorithm, intuitive operation, small interpolation error, uniform pulse output, and easy adjustment. this design uses fischer model parts for setting up cnc plotter. it realizes the two-dimensional sports of plotter, and writes the robopro program based on the principle of circular interpolation. keywords: numerical control technique；point-by-point comparison；fischer model；robopro software 目目 录录 摘要摘要.i abstractii 第一章第一章 绪论绪论.2 1.1 数控原理数控原理2 1.2 数控机床特点数控机床特点 .2 1.3 数控系统的组成数控系统的组成 .3 1.4 数控的发展趋势数控的发展趋势 .3 1.4.1 性能发展方面4 1.4.2 功能发展方面5 第二章第二章 插补原理插补原理.7 2.1 插补的基本概念插补的基本概念 .7 2.1.1 数控加工的“分解与合成”原理7 2.1.2 刀具运动路径分解7 2.1.3 数控轨迹插补7 2.1.4 轨迹插补方法8 2.2 逐点比较法逆圆插补逐点比较法逆圆插补 .8 2.2.1 偏差函数构造8 2.2.2 偏差函数的递推计算9 2.2.3 终点判别10 2.2.4 逐点比较法圆弧插补10 2.2.5 插补过程10 2.2.6 象限处理11 第三章第三章 robopro 控制软件控制软件.13 3.13.1 robopro介绍介绍.13 3.23.2 基本模块介绍基本模块介绍.13 3.2.1 程序开始、结束13 3.2.2 数字分支14 第一章 绪论 ii 3.2.3 判断 (带数据输入) .14 3.2.4 数字量输入15 3.2.5 全局变量.15 3.2.6 指令15 第四章第四章 绘图仪的模型制作绘图仪的模型制作.17 4.14.1 慧鱼模型的来历慧鱼模型的来历 17 4.24.2 慧鱼模型的组成部分慧鱼模型的组成部分.17 4.34.3 设计思路设计思路.17 图图 4-14-1 工作台实物模型工作台实物模型 .17 4.44.4 数控工作台数控工作台.18 4.54.5 编程的准备编程的准备 20 第五章第五章 robo 程序程序22 5.1 程序流程图程序流程图 .22 5.2 绘图仪绘图仪 robo 控制程序控制程序22 5.2.1 程序开始22 5.2.2 程序分支23 5.2.3 第一象限程序23 5.2.4 第二象限程序26 5.2.5 第三象限程序.28 5.2.6 第四象限程序30 5.35.3 绘图过程绘图过程 32 5.3.1 绘制前的准备过程32 5.3.2 调整画笔的位置34 5.3.3 绘制图形34 第六章第六章 结论结论.35 参参 考考 文文 献献.36 致致 谢谢.37 附录附录 a：逐点比较法圆弧插补：逐点比较法圆弧插补 robopro 程序总图程序总图 38 附录附录 b：经插补后绘制的圆弧：经插补后绘制的圆弧.39 第一章 绪论 2 第一章 绪论 1.1 数控原理 数控技术是综合了计算机技术、微电子技术、自动化技术、电力电子技术及现代 机械制造技术等的柔性制造自动化技术。 1）采用了先进微处理器的计算机数字控制装置（computerized numerical controlcnc） 。 2）运用于机床的可编程控制器（programmable logic controllerplc） 。 3）应用于机床的、采用了电力电子器件及先进的控制理论的交流及直流伺服系统， 其中包括机床进给驱动装置、主轴驱动装置、交流及直流进给电机和主轴电机以及相 应的反馈元件。 4）数控机床的程序编制，主要是指加工元件的程序编制，而不包括数控系统的系 统程序编制及可编程控制器的编程技术。 1.2 数控机床特点 在数控机床发展的初级阶段，人们通常认为任何设计优良的传统机床只要装备了 数控装置就能成为一台完善的数控机床。当时采取的主要方法是在传统的机床上进行 改装，或者以通用机床为基础进行局部的改进设计，这些方法在当时还是很有必要的。 但随着数控技术的发展，考虑到它的控制方式和使用特点，对机床的生产率、加工精 度和寿命提出了更高的要求。因此，传统机床的一些弱点(例如结构刚性不足、抗振性 差、滑动面的摩擦阻力较大及传动元件中的间隙等)就越来越明显地暴露出来，它的某 些基本结构限制着数控机床技术性能的发挥。现以机床的精度为例，数控机床通过数 字信息来控制刀具与工件的相对运动，它要求在相当大的进给速度范围内能达到较高 的精度。当进给速度范围在 515000mm/min，最大加速度为 1500mm/s2 时，定位通常 精度为0.050.015mm；进行轮廓加工时，在 52000mm/min 的进给范围内，精度 为 0.020.05mm。如此高的加工要求就不难理解远在二十多年前已逐步由改装现有机 床转变为针对数控的要求设计新机床的原因。 用数控机床加工中、小批量工件时，要 求在保证质量的前提下比传统加工方法有更好的经济性。数控机床价格较贵，因此每 小时的加工费用比传统机床的要高。如果不采取措施大幅度地压缩单件加工工时，就 不可能获得较好的经济效果。刀具材料的发展使切削速度成倍地提高，它为缩短切削 四川理工学院毕业设计 3 时间提供了可能；加快换刀及变速等操作，又为减少辅助时间创造了条件。然而这些 要求将会明显地增加机床的负载和负载状态下的运转时间，因而对机床的刚度及寿命 都提出了新的要求。此外，为了缩短装夹与运送工件的时间，以及减少工件在多次装 夹中所引起的定位误差，要求工件在一台数控机床上的一次装夹中能先后进行粗加工 和精加工，要求机床既能承受粗加工时的最大切削功率，又能保证精加工时的高精度， 所以机床的结构必须具有很高的强度、刚度和抗振性。除了排除操作者的技术熟练程 度对产品质量的影响，以避免人为造成的废品和返修品，数控系统不但要对刀具的位 置或轨迹进行控制，而且还要具备自动换刀和补偿等其他功能，因而机床的结构必须 有很高的可靠性，以保证这些功能的正确执行。 1.3 数控系统的组成 是由系统程序、输入输出设备、通信设备、数控装置、可编程控制器、伺服驱动 装置和测量装置等组成。数控装置是数控系统的核心，数控装置有两种类型：一是完 全由硬件逻辑电路的专用硬件组成的数控装置即 nc 装置；二是由计算机硬件和软件组 成的计算机数控装置即 cnc 装置。由于计算机技术的不断发展，尤其是微处理器和微 型计算机应用于数控装置后，现在 nc 装置已逐步被 cnc 装置所取代。 数控系统的硬件除了一般计算机具有的 cpu、eprom、ram 接口外，还具有数控位 置控制器、手动数据输入(mda)接口、视频显示(crt 或 lcd)接口和 plc 接口等。所以 cnc 装置是一种专用计算机。目前 cnc 系统大都采用体积小，成本低，功能强的微处理 机。系统主要由微机及其相应的 io 设备、外部设备、机床控制及其 io 通道组成。 数控系统的软件分为管理软件和控制软件两种。管理软件用来管理零件程序的输 入、输出、刀具位置、系统参数、零件程序显示、机床状态及报警，故障诊断等。控 制软件由译码、插补运算、刀具补偿、速度控制、位置控制等软件组成。 系统程序存于计算机内存储器。所有的数控功能基本上都依靠该程序来实现。硬 件是软件活动的物理基础。而软件则是整个系统的灵魂，整个 cnc 装置的活动均依靠 系统软件来指挥。 1.4 数控的发展趋势 近几年来，机械加工业大量采用数控机床取代传统的普通机床进行机械加工，普 通机械逐渐被数控机械所代替。数控机床综合了微电子、计算机、信息处理、自动检 第一章 绪论 4 测、自动控制、电机与拖动，电子和电力、精密测量、气液压及现代机械制造技术等 多种先进技术的机电一体化产品，是数控机床的心脏。具有高精度，高效率，柔性自 动化等特点决定了今后发展数控机床是我国机械制造业技术改造的必由之路，是工厂 自动化的基础。数控机床在各个机械制造企业已成为大、中型企业的主要技术装备。 机床数控系统，即计算机数字控制(cnc)系统是在传统的硬件数控(nc)的基础上发 展起来的。它主要由硬件和软件两大部分组成。通过系统控制软件与硬件的配合，完 成对进给坐标控制、主轴控制、刀具控制、辅助功能控制等。cnc 系统利用计算机来实 现零件程序编辑、坐标系偏移、刀具补偿、插补运算、公英制变换、图形显示和固定 循环等。使数控机床按照操作设计要求，加工出需要的零件。 从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，数控系统正在向电气化、电子 化、高速化、精密化等方面高速发展，其主要研究热点有以下几个方面： 1.4.11.4.1 性能性能发发展方面展方面 1）高精高速高效化速度 效率、质量是先进制造技术关键的性能指标，是先进制造技术的主体。若采用高 速 cpu 芯片、risc 芯片、多 cpu 控制系统、高分辨率检测元件、交流数字伺服系统、 配套电主轴、直线电机等技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产 周期和提高市场竞争能力。在今后的几年，超精密数控机床正在向精密化、高速化、 智能化和纳米化发展，汇合而成的新一代数控机床。 2） 柔性化 数控系统采用新一代模块化设计，功能覆盖面更宽，可靠性更强，可满足不同用 户的需求。同一群控系统能根据不同生产流程，自动进行信息流动态调整，发挥群控 系统的功能。 3） 多轴化 多轴联动加工，零件在一台数控机床上一次装夹后，可进行自动换刀、旋转主轴 头、旋转工作台等操作，完成多工序、多表面的复合加工，不仅光洁度高，而且效率 也大幅度提高。 4） 软硬件开放化 用户可根据自己的需要，对数控系统软件进行二次开发，用户的使用范围不再受 生产商的制约。 5） 实时智能化 四川理工学院毕业设计 5 在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着：自适应控制、模糊控制、 神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等方面发展。如编程专家系统故障诊 断专家系统，当系统出了故障时，诊断、维修等实现智能化。 1.4.21.4.2 功能功能发发展方面展方面 （1）用户界面图形化 用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口，图形用户界面要适合各种用户包 括非专业用户的使用，通过窗口和莱单进行操作，可实现图形模拟、图形动态跟踪、 仿真和快速编程等功能。 （2）科学计算可视化 信息交流已不再局限于用文字和语言表达，可以直接使用图形、图像、动画等可 视信息。可视化技术可用于 cadcam、参数自动设定、刀具补偿、显示及加工过程的 可视化仿真等。如最近厦门创壹软件有限公司开发的数控机床虚拟实现技术，用可视 化 3d 技术展示了对数控机床的故障诊断与维修等功能。 插补和补偿多样化 插补方式有直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极 坐标插补、多项式插补等。补偿功能有垂直度补偿、间隙补偿、圆弧插补时过象限的 误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、刀具半径补偿、温度补偿等。 （3）高性能的内置 plc 数控系统内装高性能的 plc，可直接用梯形图或高级语言编程，可在线调试和在线 编辑修改，建立自己的应用程序。 （4）多媒体技术应用 计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控系统，应用多 媒体技术对各种信息可进行综合化，智能化处理。 体系结构的发展方面 （5） 集成化 采用高度集成化 cpu、risc 芯片和大规模可编程集成电路，及专用集成电路芯片， 提高数控系统的集成电路密度和软硬件运行速度及系统的可靠性。 （6）模块化 实现数控系统的集成化和标准化，将 cpu、存储器、位置伺服、plc、输入输出接 口、通讯等模块，作成标准的系列化产品，构成不同档次的数控系统。 第一章 绪论 6 智能化、开放式新一代数控系统 （7）智能化 自动编程、加工过程智能监控、在线检测等。今后的数控系统将计算机智能技 术，网络技术、多媒体技术、cadcam、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及 动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，形成严密的制造过程，即称为智能 闭环控制体系，这种技术是利用传感器获得适时的信息，以增强制造者取得最佳产 品的能力；智能数控系统通过对影响加工精度和效率的物理量进行检测、建模、提 取特征、自动感知加工系统的内部状态及外部环境，快速做出实现最佳目标的智能 决策，对进给速度、切削深度、坐标移动、主轴转速等工艺参数进行实时控制，使 机床的加工过程处于最佳状态。 （8）开放式 开放式体系结构使数控系统有更好的柔性、适应性、通用性、扩展性，并向网 络化、智能化方向发展。目前开放式数控系统主要有三种形式：1)全升、下降十个 动作组成。 四川理工学院毕业设计 7 第二章 插补原理 2.1 插补的基本概念 数控系统根据零件轮廓线型的有限信息，计算出刀具的一系列加工点、完成所谓 的数据“密化”工作。 插补有二层意思： 一是用小线段逼近产生基本线型（如直线、圆弧等） ； 二是用基本线型拟和其它轮廓曲线。 插补运算具有实时性，直接影响刀具的运动。插补运算的速度和精度是数控装置 的重要指标。插补原理也叫轨迹控制原理。五坐标插补加工仍是国外对我国封锁的技 术。 2.1.12.1.1 数控加工的数控加工的“分解与合成分解与合成”原理原理 分解：将零件设计信息细化为控制机床坐标运动的细微指令。 合成：通过驱动装置实现微小运动，通过机床结构及工艺过程将各坐标轴的微小 运动进行合成形成刀具运动轨迹及加工轨迹，通过加工轨迹合成形成工件表面。 2.1.22.1.2 刀具运刀具运动动路径分解路径分解 刀具运动路径分解: 将刀具运动路径分解成数控系统所能接受和执行的最基本的数控曲线。 分解方法： (1)直接分解法 (2)函数逼近法 (3)曲线拟合法 2.1.32.1.3 数控数控轨轨迹插迹插补补 路径、轨迹与轨迹插补： 路径表示刀具将要走过的道路，只具有几何形状的概念，没有时间上的概念。 轨迹表示刀具不仅要沿给定的路径运动，而且还规定了完成这一运动所需的时间， 即轨迹不但具有几何形状的概念,而且还包含速度和加速度等物理概念。 第二章 插补原理 8 插补是根据给定的基本数控曲线、刀具路径或零件表面等几何元素描述信息，在 这些元素上的已知点之间，按要求的精度和速度进行坐标点密化的过程。 2.1.42.1.4 轨轨迹插迹插补补方法方法 (1)脉冲增量插补，图 3-1 中（1）所示： (2)数据采样插补，图 3-1 中（2）所示： (3)混合插补 ，图 3-1 中（3）所示： 图 3-1 插补 2.2 逐点比较法逆圆插补 2.2.12.2.1 偏差函数构造偏差函数构造 如图 2-1 所示，设加工半径为 r 的第一象限逆时针圆弧 ab，坐标原点定在圆心上， a(xo,yo)为圆弧起点，b(xe,ye)为圆弧终点，pi(xi,yi)为加工动点，其偏差函数可表 i f 示为： =+- （2-1） i f 2 i xiy 22 r y x o xs,ys xe,ye 插补轨迹 被插补曲线 插补点 y x o xs,ys xe,ye 粗插补直线段 被插补曲线 粗插补点 精插补点 x y y x 被插补曲线 插补轨迹 xs,ys xe,ye （1） （2） 四川理工学院毕业设计 9 显然，若=0，表示加工店位于圆上；若0，表示加工店位于圆外；若 i f i f 0 4 f-x=-2+1=-3 5 f 4 f 4 x=2,=3 5 x 5 y3 60 6 f-x=-2+1=1 7 f 6 f 6 x=1,=4 7 x 7 y1 80 7 f+y=+2+1=0 8 f 7 f 7 y=0,=4 8 x 8 y0 2.2.62.2.6 象限象限处处理理 （1）分别处理法 四个象限的直线插补，会有 4 组计算公式，对于 4 个象限的逆时针圆弧插补和 4 个象限的顺时针圆弧插补，会有 8 组计算公式，逆时针圆弧插补计算公式如下表 2-4： 表 2-4 四个象限的偏差函数计算公式 象限偏差函数计算公式进给 1=-2+1，=+2+1 1i f i f i x 1i f i f i y0 x, 0 +y i f i f 2=-2+1，=-2+1 1i f i f i x 1i f i f i y0 x, 0 -y i f i f 3=+2+1，=-2+1 1i f i f i x 1i f i f i y0 +x, 0 -y i f i f 4=+2+1，=+2+1 1i f i f i x 1i f i f i y0 +x, 0 +y i f i f 第二章 插补原理 12 （2）坐标变换法 用第一象限逆圆插补的偏差函数进行第三象限逆圆和第二、四象限顺圆插补的偏 差计算，用第一象限顺圆插补的偏差函数进行第三象限顺圆和第二、四象限逆圆插补 的偏差计算。 四川理工学院毕业设计 13 第三章 robopro 控制软件 3.1 robopro 介绍 1964 年，慧鱼创意组合模型（fischertechnik）诞生于德国，是技术含量很高的工 程技术类智趣拼装模型，是展示科学原理和技术过程的理想教具，也是体现世界最先 进教育理念的学具，为创新教育和创新实验提供了最佳的载体。 慧鱼创意组合模型的主要部件采用优质尼龙塑胶制造，尺寸精确，不易磨损，可 以保证反复拆装的同时不影响模型结合的精确度；构件的工业燕尾槽专利设计使六面 都可拼接，独特的设计可实现随心所欲的组合和扩充。 慧鱼创意组合模型主要有组合包、培训模型、工业模型三大系列，涵盖了机械、 电子、控制、气动、汽车技术、能源技术和机器人技术等领域和高新学科，利用工业 标准的基本构件（机械元件/电气元件/气动元件），辅以传感器、控制器、执行器和 软件的配合，运用设计构思和实验分析，可以实现任何技术过程的还原，更可以实现 工业生产和大型机械设备操作的模拟，从而为实验教学、科研创新和生产流水线可行 性论证提供了可能，世界知名的德国西门子、德国宝马、美国 ibm 等一大批著名公司 都采用慧鱼模型来论证生产流水线。 慧鱼创意组合模型体现不同学科知识点的各种组合包，不仅可以应用于中小学各 个年级学科教学、还可以用于大学不同专业以及研究生工程实验和技术创新活动，现 在以清华大学、上海交通大学为代表的一批高校建立的慧鱼创新实验室就是利用慧鱼 模型组合包系列建立的工程技术实验室，是创新教育的一个全新平台。通过慧鱼模型 的使用，不仅可以让学生将多学科多领域的综合知识融会贯通于实践过程中，更重要 的是培养了他们的创新意识和创新能力。 3.2 基本模块介绍 3.2.1 程序开始、程序开始、结结束束 每一个程序都有程序段开始标志和结束标志，robopro 也是如此，程序开始、结束 标志的图形符号及其作用如下表 3-1 所示： 第三章 robopro 控制软件 14 表 3-1 程序开始、结束 名称图形符号作用 开始程序流程都是由“开始”模块作为开头的。如果程序不是由 此模块开头，流程就无法执行。 结束如果一个流程结束，最后一个模块的出口应该连到“结束” 模块。流程也可以在各个不同的地方用此模块终结。也可以 将各个不同模块的出口连接到同一个“结束” 模块。但是， 也很有可能流程是也个没有结束的循环，不含“结束” 模块 3.2.23.2.2 数字分支数字分支 根据某一个数字量输入 i1-i8 的状态，在一个或者两个方向上你可以直接用此分 支编程控制。比如，数字量输入的某个传感器闭合（=1），则程序分支走“1”出口。 反之，如果输入断开，则程序分支走“0”出口。程序图形符号如图 3-1。 图 3-1 数字分支 3.2.33.2.3 判断判断 ( (带带数据数据输输入入) ) 这个程序判断模块的左边有一个橙色的数据输入端“a”。通过这个端子，可以读 入一个经常来自输入模块的 数值。数据输入端“a ”可以和变量、定时器变量或运算 器的输出相关联。模块将来自数据输入端“a”的数值和一个固定但可自由定义的值比 较。根据比较是否保持，决定模块的分支以“y”或者“n”为出口。见图 3-2。 图 3-2 判断 四川理工学院毕业设计 15 3.2.43.2.4 数字量数字量输输入入 数字量输入 i1 到 i8 的值。如果接口板上输入端口电气上是闭合的，则数字量输 入模块的橙色连接上会返回一个数值“1”，否则就会返回一个数值“0”。 图形符号 见图 3-3。 图 3-3 数字量输入 3.2.53.2.5 全局全局变变量量 每个变量可以存储一个-32767 到 32767 之间的数值。变量的值可由连接一个 “= =”模块到指令模块的左边来设定。robo pro 只能为所有的变量模块建立一个同名而 且变量类型为全局的变量。所有的同名全局变量都是一样的，而且有相同的值，即使 它们出现在不同的子程序中。当其中一个变量模块通过指令改变了，所有其它的同名 变量也被改变了。这一条对与局部变量并不适用。全局变量图形符号见图 3-4。 图 3-4 全局变量 3.2.63.2.6 指令指令 指令不仅包括赋值“=”指令、赋值“+”、赋值“-”指令，同时也包括电动机正 反转及停止指令。既可实现赋给固定值，也可将由变量输入的数赋给需要的模块。具 体的指令见下表 3-2： 表 3-2 指令 指令符号指令作用 赋值“=”赋值指令“= = ”将一个数值分配给接收者。但是赋值指令“ = = ”不仅可以由指令模块传递，也可由所有带数据输出的程 序模块来传递。 指令“+” 指令“ + ”可以传递到变量或者定时器变量来增加变量的值。 指令“ + ”可以附带任何一个想要的值，并加到变量上。因 第三章 robopro 控制软件 16 为指令附带的值也可以为负，变量的值也可以用此指令来减 少 指令“-”指令“ ”和上述的指令“+ ”比较相似，唯一的区别在 于，指令所附带的值会从变量的值里面减去 向右 “right”指令传递到一个马达输出模块来切换马达到顺时针 方向。 速度值从 1 到 8 向左 “left”指令传递到一个马达输出模块来切换马达到逆时针 方向。 速度值从 1 到 8 停止 “stop”指令传递到一个马达输出模块来停止马达 四川理工学院毕业设计 17 第四章 绘图仪的模型制作 4.1 慧鱼模型的来历 1946 年发明诞生了电子计算机，这是电子技术高速发展的结果。传统机械引入计 算机技术，逐渐改革成“机电一体化系统”，电子计算机成为控制核心，航天飞船、 机器人、数控机床成为当代光机电一体化系统的典型代表。某些高温、高辐射、高危 险行业、人手臂无法达到的地方，需要无生命的物体代替人类完成工作，因此，慧鱼 模型应运而生。德国科学家 afischer 于 1964 年发明了“慧鱼创意组合模型”。 4.2 慧鱼模型的组成部分 慧鱼模型由三部分组成： （1） 机械结构部分 （2） 电气结构部分 （3） 计算机控制部分（硬件+robo 控制软件） 4.3 设计思路 根据设计的基 本要求，要达到 用 robo 软件设计 的程序控制数控 工作台模型，所 以，设计的第一 步是要把需要的 数控工作台模型 搭建好。对此， 我们首先在实验 室找到了数控工 作台的事物，如 图 4-1 所示。 图 4-1 工作台实物模型 第四章 绘图仪的模型制作 18 根据图 4-1，我们有了数控工作台搭建的思路，首先是电机的驱动，其次是螺杆 两旁的支架。其只是本设计中的其中一个环节，搭建好数控工作台模型后，我们就需 要用 robo 软件进行编程。该程序的目的是要控制数控工作台的运行，所以程序中药 用到驱动数控工作台模型在 xy 方向运动的驱动电机。同时，我们还需要控制电机的 脉冲输出量，以及电机的运行速度等参量。 本设计还有个要求是能由模型提供的软件编写出圆弧的进给控制算法，因为这个 是数控工作台模型，所以看到算法，我们相应的应该想到数控技术中的圆弧插补的算 法。跟据以上设想，我们要做好本设计需要相应的查阅一些书籍，首先我们搭建模型 需要的材料，这个小模块是我们没用过的，所以我们为了了解小模块的用法，依照书 本搭建了一个机械手，这样一来，我们就知道各个模块之间的连接时怎么样的。其次 所用到的编程软件 robo 也是以前没用过的，我们同样也要学习。最后，我们才是编 程，把我们已知的数控控制算法翻译成 robo 语言，当然，我们做的是控制，相应的 会用到一些控制知识，所以我们还得去学习一些控制的知识。 以上就是设计思路，总体上说可以分三大步： 第一、数控工作台模型的搭建 第二、robo 软件的学习 第三、程序的编写及调试 4.4 数控工作台 数控工作台是数控机床工作的平台，车刀或铣刀在数控工作台上运动，从而制造 出各种机械产品或零件。如右图是数控工作台内部结构图，从图上可以看出数控工作 台是由 x 方向的螺杆和 y 方向的螺杆做运动构成的，从这个模型中，我们还能得到我 们将要搭建的数控工作台模型的思路，图 4-2 所示的工作台在 x 方向和 y 方向都由一 个电机来驱动工作台在一个方向上运动。 四川理工学院毕业设计 19 图 4-2 电机驱动的工作台模型 根据以上思路，我们用实验室组建机械手的材料来搭建我们的数控工作台模型。 经过一段时间的努力，最终我们自己搭建的数控工作台模型如图 4-2 所示，在这个模 型中，我们同样用了 x 和 y 方向上的螺杆，在两个方向上我们同样用电机来驱动，由 于，我们设计的要求是要用这个数控工作台再利用 robo 程序编写一个能运行出简单圆 弧的目的，所以我们再模型上的工作平台上引出了实现效果图的构架，如图 4-3 黄色 支架再接一支笔，可以绘出所需要的图形。 图 4-3 所示的模型中还没有控制部分，光有软件的程序和模型是不够的，我们还 需要在这中间加入一个单片机，这样才能把 robo 编写的程序反应到模型上是否能实现 画圆弧的功能。 从图 4-4 可以看出次模型上接入了很多线，这些线都有自己特点的链接，在程序 编写中都起到各自的作用，此处不做过多介绍，各部分的作用将在后面结合程序一起 讲到。此处用到的单片机通过 usb 接口连接到电脑上，来控制实现程序与控制部分的 连接，此处单片机有 usb 接口，还有串口两种接入。 第四章 绘图仪的模型制作 20 图 4-3 绘图仪模型 图 4-4 有控制部分的绘图仪模型 4.5 编程的准备 本节将对程序编写前的一些准备工作做的一些准备工作进行说明。 首先，在程序中我们需要用到脉冲当量，所以做本 设计的时候我们首先用了一个小程序来测试脉冲，程序图 4-5 所示。用一个开关 i1 来控制程序开始运行，开关闭合， 电机 m1 顺时针转动，脉冲计数器计数 100 个脉冲，然后 电机停止转动，程序结束。绘图仪绘制出一条直线，根据 直线的长度和脉冲数，可以计算出脉冲当量。 四川理工学院毕业设计 21 图 4-5 脉冲测试程序 程序是我们为了测试脉冲而编写的，本程序通过一个开关来让程序开始执行，当 开光 i1 被按下时，电机 m1 开始正向转动，用开关 i2 进行脉冲计数，当 i2 开关有开 到关或者关到开，经过 100 次后，电机 m1 停止转动，然后程序结束。这是程序上要做 的，再另一边，我们用直尺来测量电机转动这 100 个脉冲，数控工作台运行了多少距 离，这样经过几次测试，我们会得到一组数据，如下表 4-1 所示： 表 4-1 脉冲计算数据记录 正向距离反向距离 113mm115mm 212mm212mm 312mm313mm 通过以上数据我们能得到脉冲当量，取距离的平均值： l=(13+12+12+15+12+13)/6 （4-1） 我们需要的脉冲当量为： l/100=0.13 由于模型绘制圆弧的最大半径为 40mm，所需的进给步数为：40/0.13=307 测量这个脉冲当量是为了在程序的编写过程中能加入脉冲当量，以便控制我们所画圆 弧的大小。 第四章 绘图仪的模型制作 22 四川理工学院毕业设计 23 第五章 robo 程序 5.1 程序流程图 图 5-1 程序流程图 5.2 绘图仪 robo 控制程序 5.2.15.2.1 程序开始程序开始 程序开始，由开关 i7 控制程序继续运行下面的程序，若按下开关 i7，程序从 第五章 robo 程序 24 “1”出来，若为按下开关，则从“0”出来，程序如图 5-2。 图 5-2 程序开始 5.2.25.2.2 程序分支程序分支 根据从开始到各个象限运行的步数不同，需以步数控制程序到底该在哪个象限运 行。程序每循环一次，步数加 1，根据每个象限特定的步数，就可以使程序运行于相应 的象限，如图 5-3。 图 5-3 程序分支 5.2.35.2.3 第一象限程序第一象限程序 5.2.3.1 偏差判别 程序由俩个变量、一个分支构成，第一个变量确定偏差的初始值，第二个变量储 存偏差值，再送给分支进行判断变量 a，a0 从“y”出口出来，a0 从“n”出口出 来，程序如下图 5-4。 图 5-4 偏差判别 四川理工学院毕业设计 25 5.2.3.2 偏差函数的计算 x f 偏差函数计算公式为：=-2+1，变量将初值赋给变量 x1,x1 再赋给俩个 x f 1i f i f i x 赋值“-” ，使 fx1 减去 2x1，再使 fx1 的值加 1，便实现了偏差函数的计算，程序如图 5-5。 图 5-5 偏差函数计算 5.2.3.3 x 方向电动机的转动。 由控制电机正转、电动机、脉冲计数器和停止电机转动等控制构成，使电机 m1 转动 1 个脉冲后停止转动，如图 5-6。 图 5-6 x 方向电机转动 5.2.3.4 进给。 x f 进给由三个赋值变量组成，一个步数进给，其余俩个返回计算所得的偏差值。赋 值“+1”使步数加 1，俩个赋值“=”中，一个返回计算所得的偏差值，一个将偏差值 赋给 y 方向的偏差函数，程序见图 5-7 所示。 第五章 robo 程序 26 图 5-7 进给 5.2.3.5 偏差函数的计算 y f 偏差函数的计算：=+2+1，将第一个变量的值的初始值赋给 y1，前俩个 y f 1i f i f i y “+”使得 fy1 加上 y1 的 2 倍，赋值“+1”再使 fy1 的值加 1，程序如下图 5-8。 图 5-8 偏差函数的计算 y f 5.2.3.6 进给 y f 偏差函数计算后的进给由俩个赋值组成，第一个赋值“+1”使总的步数加 1，第二 个赋值“+1”使 y 的坐标值加 1，如下图 5-9。 图 5-9 进给 y f 5.2.3.7 y 方向电动机的转动。 与 x 方向的控制原理相同，只是电机为 m2，脉冲计数器为 i2，程序见图 5-10。 四川理工学院毕业设计 27 图 5-10 y 方向电动机的转动 5.2.3.8 返回偏差值 每一次偏差函数计算后都得到一个偏差值，在下一次循环前需将计算所得的偏差返 回，用于下一次循环前的偏差判别，程序如图 5-11. 图 5-11 返回偏差值 5.2.3.9 第一象限的程序 第一象限的程序如图 5-12，程序实现绘图仪模型在第一象限中绘制出四分之一圆弧。 图 5-12 第一象限程序总图 第五章 robo 程序 28 5.2.45.2.4 第二象限程序第二象限程序 5.2.4.1 偏差函数计算 y f 的算法与第一象限的不同，此时的算法为：=-2+1，进给方向为-y 方向， y f 1i f i f i y 第一个变量将值赋给变量 y2，使 fy2 减去 2 倍 y2，再加上 1，控制程序如图 5-13。 图 5-13 fy2 偏差函数计算 5.2.4.2m2 电机的转动方向控制 在第二象限中，m2 电机反转，控制方式都相同，见图 5-14. 图 5-14 m2 电机的转动方向控制 5.2.4.3 进给 x 坐标的进给减 1，步数的进给加 1，偏差值的反馈由俩个赋值“=”构成，程序如 下图 5-15。 四川理工学院毕业设计 29 图 5-15 进给 5.2.4.4 第二象限程序 第二象限程序在第二象限绘制出四分之一圆弧，如图 5-16. 5-16 第二象限程序总图 5.2.55.2.5 第三象限程序第三象限程序 5.2.5.1 偏差判别 偏差判别的变量名为“3”，初值为 0，变量“3”将值传递给数字分支 a，再根据 a 的值判断分支出口，程序如图 5-17。 图 5-17 偏差判别 第五章 robo 程序 30 5.2.5.2 的偏差函数计算 x f 的偏差函数计算方法有所不同，偏差函数计算公式为：=+2+1，程序开始 x f 1i f i f i x 时，还需要给 x 赋给初始值，x 方向的坐标为-307，因此控制程序见图 5-18。 图 5-18 的偏差函数计算 x f 5.2.5.3 m1 电机的转动方向为逆时针转动，控制程序如图 5-19。 图 5-19 m1 电机的转动 5.2.5.4 第三象限程序见图 5-20. 四川理工学院毕业设计 31 图 5-20 第三象限程序总图 5.2.65.2.6 第四象限程序第四象限程序 5.2.6.1 fy4 偏差计算 的偏差函数计算需要赋初值-307，此时的偏差函数计算公式：=+2+1，俩 x f 1i f i f i y 个赋值“+”使 fy4 减去 2 倍 y4，赋值“+1”使 fy4 加 1，算法程序如图 5-21。 图 5-21 fy4 偏差计算 第五章 robo 程序 32 5.2.6.2 进给。 赋值“+1”使进给步数加 1，y 坐标加 1，俩个“=”返回偏差值，程序如图 5-22。 图 5-22 进给 5.2.6.3 电机的转动方向为正转，控制程序为下图 5-23。 图 5-23 m2 电机正转 5.2.6.4 fy4 偏差函数计算 赋给 x 初值 0，偏差函数计算公式为：=+2+1，算法程序为图 5-24。 1i f i f i x 图 5-24 fy4 偏差函数计算 5.2.6.5 第四象限程序总图见图 5-25 四川理工学院毕业设计 33 图 5-25 第四象限程序总图 5.3 绘图过程 5.3.15.3.1 绘绘制前的准制前的准备过备过程程 5.3.1.1 将 robo pro 控制软件安装到计算机 首先，启动计算机登陆操作系统。robo 接口板只有在软件正确安装后才能电脑 相连。将安装光盘插入光驱，安装程序就自动启动了。 5.3.1.2 将接口板和电脑相连。 一个空闲的 usb 接口和一个空闲的 rs232 接口（com1-com4） ，用以和 robo 接口板（货号 93293）相连。或者一个空闲的 rs232 接口（com1-com4）用来和早 先的智能接口板相连。 5.3.1.3 接口板的正确设置。 为了使接口板和电脑间的连接工作正常，robo pro 必须对当前使用的接口板进 行设置。这里你可以选择端口和接口板的类型。智能接口板只支持串口 com1 com4.。正确设置见下图 5-26。 第五章 robo 程序 34 图 5-26 接口板设置 5.3.1.4 硬件测试。 为了检测是否模型中电动机、开关和脉冲计数器与接口板之间连接正确，可以用 robo 控制软件工具栏中的“test”检测。打开测试版“test 测试窗口。如图 5-27 其 中显示了接口板有效的输入和输出。窗口下方的绿条显示了电脑和接口板的连接状态。 四川理工学院毕业设计 35 图 5-27 “test 测试窗口 5.3.25.3.2 调调整画笔的位置整画笔的位置 模型、接口板与计算机连接好后，调整绘图仪画笔的位置，使画笔在程序运行过 程中有充分的运行行程，不碰及俩端的限位开关，以便于程序能够运行完整。 5.3.35.3.3 绘绘制制图图形形 点击工具栏中程序开始按钮，按下开关 i7，程序开始运行，绘图仪绘制所需要的 图形。 第六章 结论 36 第六章 结论 毕业设计是高校机电一体化专业教学中的一个必不可少的教学环节，是对学校应 届毕业生在毕业前接受的一次综合性实践训练，是对学生所学知识进行整理和系统的 必要环节。毕业设计的知识面基本上涵盖了大学四年所学的全部学科知识，尤其是本 专业知识。它是我们毕业生接受设计任务，在教师指导下独立进行工程实践，获得基 本训练并取得成果的过程，它是评估我们大学四年学业成绩的一个重要方式，也是提 高我们的综合素质与创新能力。 本次毕