机械制造及其自动化硕士论文-微小切削设备的精密进给单元伺服控制设计.pdf

长春理工大学 硕士学位论文 微小切削设备的精密进给单元伺服控制设计 姓名：赵平 申请学位级别：硕士 专业：机械制造及其自动化 指导教师：于化东 20090301 摘要 针对国内国外市场对微小机床实用化的需求，本文设计并制作了一套精密进给伺服 系统，能够满足微小机床对工作台小尺寸、高精度、大推力的要求，保证了微小机床 可以切削钢材等难以切削的材料。 本设计采用了超短导程的滚珠丝杠结构驱动微型工作台，保证有足够的推力输出； 采用了装备有高分辨率编码器的交流伺服电机，保证了低速工作时的稳定性；采用了 开放式结构的多轴运动控制卡，保证了系统的灵活性和程序的可移植性。建立了交流 伺服电机的物理和数学模型、求解了系统的传递函数、应用M A T L A B 软件分析了系统 的特性。根据理论分析，在系统调试中找到了一组合适的参数，使伺服系统达到了理 想的工作状态。 经过调整的精密进给伺服系统的技术指标为：整体尺寸2 0 0n L r n ，行程l O O m m ，持 续推力2 0 0 N ，速度5 r p m - - 2 0 0 0 r p m ，分辨率0 5 1 t m ，位置误差1 1 t m 。 关键词：伺服控制多轴运动控制器伺服电机微小机床 A B S T R A C T A p r e c i s i o np o s i t i o n i n gs e r v os y s t e mf o rm i c r om a c h i n i n gt o o l si sd e s i g n e dt of i tt h e n e e d so fm M T sp r a c t i c a la p p l i c a t i o ni nd o m e s t i ca n da b r o a dm a r k e r T h es e r v os y s t e m e n s u r e st h em M T sh a sah a r d - m a t e r i a lm a c h i n i n gc a p a b i l i t yb yc h a r a c t e r i s t i c so fc o m p a c t s i z e ，h i g hp r e c i s i o n ，a m p l ef o r c eo u t p u t T h ec o m p a c ts i z ea n da m p l ef o r c eo u t p u ta r ea c h i e v e du s i n gs h o r t l e a db a l ls c r e wt o d r i v et h em o t i o np l a t f o r m ；t h es t a b l em o t i o ni nl o wv e l o c i t yc i r c u m s t a n c ei sa c h i e v e du s i n g A Cs e r v om o t o r 诵t hh i g l lr e s o l u t i o ne n c o d e r ；t h ef l e x i b l ea n dt h ep r o g r a mt r a n s p l a n t a b l eo f t h es y s t e ma r ea c h i e v e du s i n gp r o g r a m m a b l em u l t i - a x e sc o n t r o lc a r dw i t hao p e n i n g s t r u c t u r e T h ep h y s i c a la n dm a t h e m a t i cm o d e l so ft h eA Cm o t o ra r ee s t a b l i s h e d ，t h et r a n s f e r f u n c t i o n so ft h es y s t e ma r ec a l c u l a t e da n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h es y s t e mi sa n a l y z e du s i n g M A T L A B A c c o r d i n gt ot h e t h e o r e t i ca n a l y s e sa n dp r a c t i c a le x p e r i e n c e s ，as e r i e so f p a r a m e d i c sa r eo b t a i n e dw h i c hC a nk e e pt h es y s t e mr u n n i n gi na ni d e a ls t a t e A f t e ra na b o r a t i v ea d j u s t m e n t ，t h ep r e c i s i o np o s i t i o n i n gs e r v os y s t e mC a l la c h i e v e ： o v e r a l ls i z e2 0 0 m m ，t r a v e l ：10 0 m m ，c o n s t a n tf o r c e ：2 0 0 N ，s p e e d ：5 r p m 2 0 0 0 r p m ， r e s o l u t i o n ：0 5 1 x m ，p o s i t i o n i n ge r r o r ：1 m K e yw o r d s ：S E R V OC O N T R O LP M A C S E R V OM O T O Rm M T $ I I I 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，微小切削设备的精密进给单元伺 服控制设计是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者繇兰埠叫年1 月粤日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和C N K I 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 年三月4 日 指导导师签名：- 二主么垦q 年上月4 同 第一章绪论 减小能源消耗、减小工厂占地、提高生产柔性等需求促使学界提出了桌面微型T 厂的设想，试罔通过减小制造系统的体积，有效地降低生产成本、能源消耗、占地面 ! ，同时也减小温度、湿度、洁净度等环境状况对零件加工的影响。桌匝l 微型T 厂或 称为微型制造系统是微小型零件制造系统一个创新的概念，它不是传统系统或工厂单 纯地在尺、J 上的缩小，而是基于现代科学技术，在创新的思维方式和技术路线指导下 的产物州。制造系统的微型化会大大地加快微机械走向实用化的进程，同时会给制造 业的发展带来革命性的变化。由于微型化，原来在宏观尺度下起主要作用的因素在微型 化以后可能不再重要，而在宏观尺度下可以忽略的现象在微型化以后可能是关键的影 响凶索，因此微型化的制造设备与系统在尺度、结构、工作原理，以及设计和工艺方法 等方面都与传统的机床不尽相同H “。 S l1 微机床的发展现状 1 9 9 0 年，日本通产省机械技术研究所( M E L ) 首先提出了桌面微工厂( D e s k t o p M i c r o f a c t o r y ) 的概念，并于1 9 9 9 年制成了世界上第一套桌面微工厂( 图l1 ) ，由车 床、铣床、冲压床、搬运机械手和装配用机械手组成，车削单元及其生产的零件见图 l2 I s l 。桌面微工厂的概念强调体积小巧并可以应用先进的制造技术加工微小零件的能 力，特别具有节能、环保等优势，是绿色制造的发展方向之。 图11 日本通产省机械技术研究所的桌面微上厂 M E L 于1 9 9 6 年开发了世界上第一台微型化的机床一微型车床，长3 2 m m 、宽 2 5 m m 、高3 0 m m ，重量为1 0 0 9 ”。图l2 为该车床与硬币的比较。主轴电机额定功率 1 5 W ，转速1 0 0 0 0 r m i n 。用该机床切削黄铜，沿进给方向的表面糖糙度值为R 21 5 1 a m ， 加工工件的圆度为25 p a n ，最小外圆直径为6 0 u m 。切削试验中的功率消耗仅为普通机 床的1 5 0 0 。 瞄12 微小车削单元及其生产的零件 日本金洋大学的Z i n a n L u 和T a k e s h i Y o n e y a m a 研究了一套微细车削系统，由微细 车床，控制单元、光学显微装置和监视器组成，机床长约2 0 0 r a m f B 。在该系统中，采 用了光学显微装置来观察切削状态，还配备了专用的工件装卸装置。主轴用两个微型 滚动轴承支撑。主轴沿z 方向进给刀架固定不动车刀与工件的接触位置是固定的， 以便于用光学显微装置观察。因为工件的直径很小，车削时沿x Y 方向移动的幅度 不大，所以令刀架沿X - - Y 移动。车刀的刀尖材料为金刚石。驱动主轴的微电机通过 弹性联轴器与主轴联接。机床的主要性能参数如下：主轴功率05 W ：转速3 0 0 0 - - 15 0 0 0 r n f i n ；连续变速径向跳动1 岫以内；装夹工件直径03 m m ；X 、Y 、Z 轴的进给 分辨率为4 r i m 。用03 n u n 的黄铜丝为毛坯，在这台机床上加工出了直径1 0 岫的外圆 柱面，还加工出了直径1 2 0 m 、螺距1 25 阻的丝杠。该机床的明显不足是切削速度低， 园此得不到满意的表面质量，表面粗糙度值为R zl I | m 以下。它的开发成功证实了利 用切削加工技术也能加工出微米尺度的零件。 我国台湾省早在上个世纪9 0 年代就开始微小型零件加工技术的研究工作，经过不 懈的努力，已取得了一定的成绩。台湾大学研制微小加工系统可加工最小直径3 0 p m 的 零件，最大进给速度2 0 彻n m i n ，主轴转速达8 0 0 0 r r a i n l 9 。我国清华大学，上海交通 大学、哈尔滨工业大学也已开展了微小型制造系统的研究工作。西北工业大学与香港 城市大学合作也开展了微型工厂的建模研究。其中哈尔滨工业大学在2 0 0 7 年中国国际 机床展览会上展出了他们晟新研制的微小型超精密三轴数控铣床。该铣床主要用于微 小型高精度部件的铣削加工，进口刀具的最小直径可达01 5 m m ，其主轴精度达到了1 微米，已具有微型加工单元雏形。 12 精密进给伺服系统的性能要求 精密进给伺服系统的控制精度是保证数控系统加工精度的关键。进给伺服系统是 数控装置和机床机械传动部件问的联系环节，是数控机床的重要组成部分。它包括机 械、电子、电动机等各种部件，并涉及到强电与弱电的控制，是一个复杂的控制系统。 而伺服系统的动态和静态性能决定了数控机床的最高运动速度、跟踪及定位精度、加 工表面质量、生产率及工作可靠性等技术指标。伺服系统控制电动机的转矩、转速和 转角，将电能转换为机械能，完成机构的定位运动I l l J 。在微机床中，伺服系统接收上 位控制系统发出的位移、速度指令，经变换、放大与调整后，由电动机和机械传动机 构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具在工件的表面 形成所需的曲面，从而加工出复杂形状的工件。 作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一 体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进 步，高性能交流电动机伺服系统代表了当前伺服驱动系统的发展方向【1 2 J 。为实现复杂 加工，提高加工精度，稳定产品质量，要求伺服系统能适应快速定位、切削，实现高 速度、高精度连续) J n T _ 。作为数控系统进给用的伺服驱动系统应满足以下要求【1 3 j ： 1 ) 应具有足够宽的调速范围，满足低速加工和高速返回的要求。 2 ) 应具有足够的加( 减) 速力矩。为了快速移动机床导板或重切削的需要，要求 伺服电动机能产生出足够大的力矩。 3 ) 伺服驱动系统的动态响应要快，以使系统具有良好的动态跟随性能，尽快消除 负载扰动对电动机速度的影响。 4 ) 伺服电动机的转子惯量要小，以提高伺服系统的加( 减) 速性能。整个电动机 的重量和体积应尽可能小些，为机械设计与安装创造方便条件。 5 ) 在从低速到高速的整个速度范围内，应该保持运行平滑，电动机的转矩脉动尽 可能要小，在运动中不产生脉动和过大的噪声；在停止时不产生爬行现象和高 频振动。 6 ) 伺服电动机应安全可靠，希望电动机本身无需维护或容易维护。伺服电动机应 是无火花运行。 7 ) 与C N C 系统的接口应当简便。整个伺服驱动装置必须能方便地接收来自上级控 制器的指令，同时也必须将自身的运行状态送到上一级控制器。这样，在伺服 电动机和伺服驱动器、计算机数字控制系统之间，就存在着信号形式与强弱的 显著差别，必须通过接口联系起来，这就要求接口应该是简便易行的。 数控系统是典型的机电一体化产品，进给装置的负载在相当宽的范围内具有恒转 矩的性质，而且负载惯量变化很小。另一方面，由于数控系统用于精密机械零件的加 工，所以对动态和静态控制精度提出了很高的要求，要求伺服驱动系统具有非常宽阔 的调速范围和定位精度。 1 3 微小机床伺服系统的特殊结构与性能要求 微小机床设备的体积缩小后，整体上强度与刚度是趋于减小的，但是各个部位的 强度与刚度的变化不成比例。有时候由于某种零件的体积无法制作得很小，造成某些 部位的强度与刚度相对于其他部位是增大的。微小机床的体积缩小后，其固有频率、 振动模态、控制特性都将发生变化，所以微小机床上的伺服系统要经过重新设计。微 机床的运动伺服系统包括旋转伺服系统和直线伺服系统，均是由小体积、小行程、高 精度的零部件构成的。本文的主要目标是设计并制作出套直线伺服系统，能够准确 运行到指定位置并能输出足够的推力用于切削钢材等难于加工的金属。 1 3 1 滑台的结构与性能要求 微机床上的直线运动大多由滑台完成，其结构基本一致，只是驱动方式和驱动元 件有所不同，主要有电机驱动丝杠、气动、液动等方式。传统的运动机构由旋转电机 驱动滚珠丝杠完成直线运动；现代的运动机构采用直线电机、音圈电机、压电陶瓷电 机等特种电机直接驱动滑台完成直线运动，省略了中间的传动机构，提高了定位精度 但同时加大了控制难度；对位置精度要求不高的系统采用气动的方式，对输出力矩要 求较高的系统采用液动。不论采用哪种驱动方式，其基座和导轨两个方面大致相同， 其特点和要求为： 1 ) 基座部分。对滑台基座的基本要求是具有足够的刚度和对温度变化不敏感，主 要使用的材料有大理石、殷钢、石英玻璃等特种材料，很短的滑台也可采用不锈钢、 高强度铝合金等。 2 ) 导轨。导轨承载着全部运动构件，两条导轨之间的高低差和平行度、导轨的刚 度影响工件的加工精度；导轨的摩擦系数影响伺服系统的控制精度。在精密位置伺服 中，一对质量优良、装配精密的导轨是获得理想的伺服系统的基础。高精度的机床使 用气浮或液浮导轨，但是由于体积的限制，无法用于微小机床。目前适用于微小机床 的导轨形式为直线导轨，其滚动体一般为交叉滚柱或滚珠。 微小机床上的滑台短小轻盈，环境温度发生变化时，滑台的总变形量很小，可以 保证加工的精度；运动部件质量小、动量小、摩擦小，使得伺服系统容易对其控制。 1 3 2 驱动系统的结构与性能要求 驱动系统是为滑台提供动力的装置，主要有液压、气压和电力驱动。由于液压驱 动响应慢，定位精度低，在微小机床上使用液压驱动的方法目前尚未见报导。但是从 另一方面看，液压驱动是小体积、大推力的最佳解决方案，在非精密定位系统中，如 微小冲床，液压驱动的应用会有广阔的前景。 气动滑台动作敏捷、体积纤巧，适用于进料、取工件、夹持等辅助工作，目前广 泛用于电子元器件的安装、焊接等工位。但是由于其控制刚度过低，不适用于精密定 4 位的伺服系统。气动滑台的应用灵活方便且体积小巧，在微小机床的发展中，非关键 部位上应尽量考虑使用。 电力驱动是目前定位精度最高的驱动方式，驱动源可以是电动机、压电陶瓷、记 忆合金等。压电陶瓷和记忆合金驱动主要应用于纳米和亚微米级的微操作，此类驱动 方式可以输出较大的推力，但是其动作机理导致了动态响应慢，输出位移小等缺点， 只能应用于M E M S 之类的微位移系统中。超声波陶瓷驱动是在压电陶瓷的基础上发展起 来，定位精度能保持在纳米级，行程可以扩展至数十厘米，驱动力一般在数牛顿至数 十牛顿之间。音圈电机可以达到亚微米级精度，而且是各种驱动方式中响应速度最快 的一种，目前广泛用于类似于硬盘磁头运动驱动等需要快速响应的场合。音圈电机不 仅精度高、响应快而且能够输出强大的推力，大型音圈电机的持续推力可达数干牛顿， 美国的研究机构已开展音圈电机用于微机床伺服系统的试验。直线电机的定位精度一 般为数微米，动态响应好、持续推力大、驱动简单、安装方便，因此高精度机床设备 伺服系统均采用直线电机驱动。上述各种驱动方式都是直接驱动的方式，没有中间的 传动机构而直接驱动滑台运动，而传统的电动机是转动的，需要使用丝杠将转动转换 成平动来驱动滑台运动，由于丝杠的各种误差的存在，必定降低了系统的定位精度。 伺服电机加丝杠的驱动方式在性能上显然是落后于各种新兴的特种电机，但有时候考 虑到各种因素的限制，该方法依然是微小机床伺服系统的最佳解决方案。 微小机床驱动系统的选择，要考虑到机床的用途和被加工的零件的材料等因素， 确定驱动系统的定位精度、持续推力、峰值功率等参数，再决定选用何种驱动方式并 选择驱动元器件。对大量文献总结后可以得出结论I 。1 4 - 2 2 】，目前在研的各种微小机床的 定位精度在微米级，加工铝、铜等软材料的切削力在2 4 0 N ，切削不锈钢、陶瓷等硬质 材料需要的切削力未见报导，但依据一些资料推测，如果使用锋利的刀具，切削力可 能会在2 0 0 N 以下，具体数据将在本研究的后续试验中测得。 1 3 3 运动控制系统的结构与性能要求 常用的运动控制系统有单片机系统、专业运动控制P L C 、专用数控系统、P C + 运 动控制卡等形式，主要完成机床的点位运动控制、连续轨迹运动控制和同步运动控制， 其中，连续轨迹运动控制在某种程度上包含有另两种运动控制，对控制系统的要求也 更高。单片机系统和专业运动P L C 常用于运动控制比较简单的机床，专用数控系统和 P C + 运动控制卡主要用于运动路径复杂的设备。专用数控系统自成体系，控制方式各不 相同，常用的专用数控系统有M I T S U B I S H I 、F A N U C 、S I E M E N S 等。P C + 运动控制卡的 控制方式是一种面向对象的开放式体系，控制灵活且代码移植方便，目前中小企业研 发的数控系统大多采用这种控制方式【2 3 | 。 微小机床缩小了传统机床的体积，但并没有弱化其控制能力，控制系统的结构非 但没有简化，甚至更加复杂。由于加工的零件微小、使用特种刀具，微小机床需要添 加视频监控系统、对刀辅助系统和在线检测系统等。目前较为成熟的运动控制卡有英 国T r i o ，美国的D E T L A T A U 等公司的产品。 由运动控制器、伺服驱动器、伺服电机和滑台、编码器等设备构成的伺服系统简 图见图1 3 。 图1 3 伺服系统构成简图 1 4 微小机床伺服系统发展中面临的主要问题 通过阅读国内外相关文献1 1 4 - 2 s J 和对生产厂家的实地调查走访，发现在微机床伺服 系统的研发中还存在着一些问题有待改进，主要的几个问题是： 1 ) 追求单项性能指标的先进性，整体性能存在缺陷。为了减小体积而使用功率很 小的电机，只能加工软性材料，限制了机床的加工能力；为了追求超高的精度，只能 在特殊的恒温、净化、隔振实验室内使用，限制了机床的使用环境等问题。 2 ) 对使用环境的要求过于严格。严格要求温度，以减小床身和各传动机构的热变 形；严格要求湿度，以减小电容类传感器的测量误差；严格要求洁净度，以减小光栅 传感器的误差和传动机构的磨损。 3 ) 缺乏控制成本的意识。已发展的各种微小机床为实现超精密进给，均不惜成本， 应用各种最新的技术，但忽视平台应用的经济因素。 过于严格的环境要求和过高的造价制约着这类机床的工业化应用。国内目前的研 究还都停留于理论探讨阶段，所以，开展小型精密零件用高功效、实用性微小型制造 系统及其相关测试、测量、检验设备的研制与开发迫在眉睫。 另外，没有必要极端地缩小机床的体积，并非机床的尺寸越小，加工出的工件尺 度就越小、精度就越高。微小机床的发展方向一方面是微型化和智能化，另一方面是 提高系统的刚度和强度，以便于加工硬度比较大、强度比较高的材料。 1 5 本研究的目的和意义 在对工厂的走访调研和国际机床博览会中发现，工厂对微小机床确有需求而机床 厂商却无成型的产品供应。图1 4 a 是吉林市某厂生产的微小零件，直径只有数毫米， 图1 4 b 是专为生产这类小直径零件而引进的西铁城精密纵切车床，该设备长达数米， 重数吨。 6 目前机电产品市场上尚无加工O5 m m - - 6 r a m 硬质小零件的精密微切削机床，这类 硬质小零件需要使用高精度的数控机床加工，存在着体积太大、价格昂贵且耗电量过 高的问题。本研究室的全体成员正致力于研发一种实用的桌N 槐t T U ，满足市场的需 求。定型后的产品能够输出足够的大力矩，可应用于背吃刀量和进给速率较大的切削 条件，也可以加工不锈钢、钛、陶瓷等难加工材料。 = _ 一lr 枷i 。 图14 a 典型的擞十零件 I t f l14 b 西铁城精密纵切车床 本设计并不刻意追求某种极限指标，在保证接近大型加工中心精度的前提下尽量 降低造价、提高生产效率、最终实现商品化。改变现有机床设备加工微小型精密零部 件存在的能量资源消耗高、基础投资过大、综合能量转换效率低下、加工品种单一等 缺点，为微小型精密零部件的加工和检测探索出一条节能、环保、柔性化高的绿色制 造新途径。 16 本研究的内容 微小切削单元是桌面微工厂的重要组成部分，主要用于直径0 5 - - 6 m m 轴类零件 的车削、铣削、钻削等加工。本文完成微小切削单元的伺服控制系统设计，依据微小 机床的特点。主要设计内容有： 1 ) 选择满足要求的运动控制卡、伺服电机、工作台等零部件； 2 ) 构建工作台，机械系统与电气系统结合调试； 3 ) 对工作台及伺服系统数学建模分析i 4 ) 依据理论分析结果调试工作台的实际工作状况； 5 ) 按照实际工作状况运步改进伺服系统，提高伺服系统的响应能力和工作台的定 位性能。 墨 詈 第二章上位控制系统设计 在一个运动控制系统中“上位控制和“执行机构”是系统中举足轻重的两个组 成部分。上位控制是整个机电一体化系统的大脑，用于完成自动化设备中各种运动机 构的位置控制、速度控制、力矩控制、轨迹控制等。运动控制技术包括：计算机技术、 电子及微处理器技术、自动控制技术、电力半导体技术、电动机技术、机械设计等。 执行机构相当于系统的四肢，完成系统的物理运动，常用的执行结构包括各种类型的 电机、气动元件、液动元件、压电元件等 2 6 - 2 9 J 。 运动控制器的特点和应用领域如下： 1 ) 点位运动控制器主要应用在那些仅对终点位置有要求而与运动轨迹无关的系 统。这种运动控制器要求具有快速的定位速度，在运动的加速段和减速段采用不同的 加减速控制策略。在加速运动时为了使系统能够快速加速到设定速度往往提高系统增 益和加大加速度，在减速的末段采用S 曲线减速的控制策略。为了防止系统到位后震 动，规划到位后又会适当减小系统的增益。所以点位运动控制器往往具有在线可变控 制参数和可变加减速曲线的能力。 2 ) 连续轨迹运动控制器主要应用在传统的数控系统切割系统的轮廓控制，要解决 的问题是如何使系统在高速运动的情况下，既要保证系统加工的轮廓精度还要保证刀 具沿轮廓运动时的切向速度的恒定，对小线段加工时有多段程序预处理功能。 3 ) 同步运动控制器主要应用在需要有电子齿轮箱和电子凸轮功能的系统控制中。 工业上有印染、印刷、造纸、轧钢同步剪切等行业，主要解决多轴之间的同步控制问 题。控制算法常采用自适应前馈控制，通过自动调节控制量的幅值和相位来保证在输 入端加一个与干扰幅值相等相位相反的控制作用，以抑制周期干扰保证系统的同步控 制。 2 1 上位机对执行结构的主要控制形式： 1 ) 采用单片机系统实现运动控制 系统由单片机芯片、外围扩展芯片以及通过搭建外围电路组成。在“位置控制“ 方式时，通过单片机的I O 口发数字脉冲信号来控制执行机构行走；“速度控制”方 式时，需加D A 转换模块输出模拟量信号达到控制。此方案优点在于成本低，但由于 一般单片机F O 口产生脉冲频率不高，对于分辨率高的执行机构尤其是对于控制伺服 电机来说，存在速度达不到，控制精度受限等缺点。对于运动控制复杂的场合，例如 升降速的处理，多轴联动，直线、圆弧插补等功能的实都需要自己编写算法，这必将 带来开发难度大、研发周期长、调试过程烦琐、柔性不强等问题，系统一旦定型不太容 易扩充、升级。因此这种方案一般只适用于产品批量较大、运动控制系统功能简单、 且有丰富的单片机系统开发经验的用户。 2 ) 采用专业运动控制P L C 实现运动控制 8 目前，许多品牌的P L C 都可选配定位控制模块，有些P L C 的C P U 单元本身就具 有运动控制功能( 如松下N A I S 的F P E 系列) 、脉冲输出功能、模拟量输出等等。使用 这种P L C 来做运动控制系统的上位控制时，可以同时利用P L C 的I O 口功能，可谓一 举两得。P L C 通常都采用梯形图编程，对开发人员来说简单易学，省时省力。另外， 它可以与H M I ( 人机界面) 进行通讯，在线修改运动参数，如轴号、速度、位移等。 由于P L C 的循环扫描工作方式决定了它作为上位控制时的实时性能不是很高，受到每 步扫描时间的限制，而且控制执行机构进行复杂轨迹的动作难以实现。虽然有的P L C 已经有直线、圆弧插补功能，但由于其本身的脉冲输出频率也是有限的( 一般为 1 0 K 1 0 0 K ) ，对于高速、高精度多轴联动等动作，实现起来较为困难。这种方案主要 适用于运动过程比较简单、运动轨迹固定的设备，如送料设备、自动焊机等。 3 ) 采用专用数控系统作为上位控制 专用的数控系统一般都是针对专用设备或特殊行业而设计开发生产的，如专用车 床数控系统、铣床数控系统、切割机数控系统等等。它集成了计算机的核心部件、I O 外围设备以及专门开发的软件。使用者只需达到熟练操作的要求即可。在这方面，国 外知名品牌的产品早已占据我国制造行业，如S I E M E N S 、F A N U C 等。这种高成本的 专用数控系统，具有功能丰富，性能稳定可靠的优点，适用于控制要求较高且产品档 次较高的数控设备生产厂家。 4 ) 采用P C + 运动控制卡作为上位控制 采用P C + 运动控制卡作为上位控制是运动控制系统的一个主要发展趋势。这种方 案可充分利用计算机资源，用于控制运动过程、运动轨迹都比较复杂，且柔性比较强 的机器和设备。基于P C 机的运动控制卡主要差别在于硬件接口( 输入输出信号的种 类、性能) 和软件接口( 运动控制函数库的功能函数) 。大多数控制卡都有数字接口， 可直接驱动步进电机和部分伺服电机。基于计算机标准总线的通用运动控制器主要是 板卡结构采用的总线大都为P C I 。由于它们的应用依附于通用P C 计算机平台，从工业 控制的角度分析这种运动控制器的优缺点如下： 优点 ( 1 ) 硬件组成简单，把运动控制器插入P C 总线连接信号线就可组成系统； ( 2 ) 可以使用P C 机已经具有的丰富软件进行开发； ( 3 ) 运动控制软件的代码通用性和可移植性好； ( 4 ) 可以进行开发工作的工程人员较多不需要太多培训工作就可以进行开发； 缺点 ( 1 ) 采用板卡结构的运动控制器采用金手指连接，单边固定在P C 机中。多数工业 现场环境较差，振动、粉尘、油污严重，不适宜长期工作： ( 2 ) P C 资源浪费，由于P C 的捆绑方式销售，用户实际上仅使用少部分P C 资源。 未使用的P C 资源不但造成闲置和浪费，还带来维护上的麻烦： ( 3 ) 整体可靠性难以保证，由于P C 的选择可以是工控机也可以是商用机。系统集 9 成后可靠性差异很大，并不是由运动控制器能保证的。基于网络的嵌入式P C 的 运动控制器能够克服以上缺点，因而这种产品会有较好的市场前景。 2 2 可编程多轴运动控制卡的开放式体系结构 运动控制卡P M A C ( p r o g r a m m a b l em u l t i - - a x e sc o n t r o l l e r ) ，外形多为可插入计 算机的板卡结构，故称P M A C 卡，少数功能强大的P M A C 卡可脱离计算机独立工作，有 些具有输入输出设备、L C D 显示设备等外围辅助装置，可自成控制体系。可编程多轴运 动控制器是一种开放式结构体系，具有系统运行速度快、控制精度高、开发周期短的 特点，作为上位控制单元适合用于各种运动控制场合。这种运动控制模式在国外自动 化设备的控制系统中比较流行，运动控制卡也形成了一个独立的专门行业，具有代表 性的产品有英国T r i o 多轴运动控制器，美国的D E T L AT A U 等公司的运动控制卡。国内 厂商相应的产品也已大量出现，而且售价仅为国外产品的1 3 。 P M A C 卡迅速发展的促进动力在于： 1 ) 满足了新型数控系统的标准化、柔性、开放性等要求； 2 ) 在各种工业设备、国防装备、智能医疗装置等设备的自动化控制系统研制和改 造中，急需一个运动控制模块的硬件平台； 3 ) P C 机在各种工业现场的广泛应用，也促使配备的控制卡得以充分发挥强大功 能。 运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速D S P 作为运动控制核心，可以控制 各种类型的电机。一般地，运动控制卡与P C 机构成主从式控制结构：P C 机负责人机交 互界面的管理和控制，如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制 指令的发送、外部信号的监控等；控制卡完成运动控制的所有细节( 包括脉冲和方向 信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等) 。运动控制卡都配有 开放的函数库，供用户在W i n d o w s 系统平台下自行开发、构造所需的控制系统。因而 这种结构开放的运动控制卡能够广泛地应用于制造业中设备自动化的各个领域。 2 3多轴运动控制卡的选用与调试 C l i p p e r 是P C I 0 4 总线结构的控制卡，可以独立地安装在受控的设备内脱离P c 机 运行。C l i p p e r 卡是美国D E L T AT A U 公司于2 0 0 8 年初推出的最新产品，具有8 0 M 的 C P U 时钟，比旧型号2 0 M 的时钟频率有显著的提高1 3 0 , 3 1 j 。C l i p p e r 卡融合了最新的控 制理论及其网络控制技术，提供了运动控制、离散控制、内务处理、同主机的交互等 数控功能。它借助于M o t o r o l a 的D S P 5 6 3 0 3T u r b oP M A CC P U 数字信号处理芯片，可 同时控制l 一1 2 个轴，它的速度、分辨率、带宽等指标远优于一般控制器，其伺服控 制包括P I D 加N O T C H 和速度、加速度等前馈控制，并且每轴可以配置成不同的伺服 类型和多种反馈类型，为用户提供了更大的柔性。每块基本配置的C l i p p e r 卡都配有网 络接口和串行通讯口，4 轴输出。每个输出通道既有数字输出也有模拟输出，仅需要用 户修改软件和对某些参数进行设定就可以与控制各种类型的驱动器、电动机和传感器 1 0 一起完成所需的功能。通过R J 4 5 标准网络接口( 1 0 0 M ) 与上位机通讯，理论上一台 P C 机可在子网内同时控制2 5 5 台设备。图2 l 是C l i p p e r 运动控制卡，比旧型号p M A C t u r b o 的体积增大了一倍。 图2 I C l i p l 皓r 运动| 空制卡 C l i p p e r 运动控制卡这种通用运动控制器产品采用以D S P 为核心结合F P G A 现场 逻辑可编程器件的灵活性完成运动控制的硬件架构。运动控制过程中由D S P 实现运动 规划、多轴插补、伺服控制、滤波等数据运算和实时控制管理；F P G A 逻辑可编程器 件和其他相关器件组成伺服控制和位置反馈硬件接口。为了满足市场需求，使运动控 制器具有真正面向对象的开放式控制结构和系统重构能力，C l i p p e r 运动控制卡允许用 户将自己设计的控制算法加载到运动控制器的内存中而无需改变控制系统的结构设 计，就可以重新构造一个特殊用途的运动控制器。根据不同的应用场合和对象C l i p p e r 运动控制器可以采用多种改进型的P I D 控制算法，例如综合了积分分离的P I D 控制算 法r 带死区的P I D 控制算法等。在运动控制领域中比例积分微分( P I D ) 调节器以其结构 简单、可靠性高等优点得到了广泛的应用，而且P I D 控制与其它控制算法结合形成了 许多有价值的控制策略，例如自适应P I D 控制、智能P D 控制等。 由于运动控制器的应用范围越来越广泛，为了适应新的情况、特定环境和对象， 不断会有新的运动规划、多轴插补和控制滤波算法出现。基于计算机标准总线的运动 控制器仍然是今后市场的主流，但是基于网络的嵌入式运动控制器会有较大的发展。 由于C l i p p e r 卡的接口形式特殊，且是本年度的新产品，工程应用人员和销售服务 人员对其应用不熟悉，网络上各工控论坛常常能见到求助的帖子。本文针对该卡在实 际应用中的基本设置和常见故障排除的方法做了必要的说明。 1 ) C l i p p e r 卡与上位机的连接 C l i p p e r 卡不像其他控制卡那样插入P c 机的插槽，而是独立与P c 之外通过网口与 P c 机通讯。C l i p p e r 卡本身被认为是一台计算机，在网络通讯中视为数据终端设备( D a t e T e r m i n a lE q u i p m e n t ) ，安装网络连接的规则，两个D T E 之间的连接需要使用交叉线， 即C l i p p e r 卡与P c 之间的网线要用交叉的“跳线”，而不是常用的直连线。网线的国际 标准接法B I A T I A 的布线标准中规定了两种双绞线的线序5 6 8 A 与5 6 8 B 。 5 6 8 A 标准j 绿白一1 ，绿2 ，橙白0 ，蓝一，蓝白5 ，橙6 ，棕白7 ，棕一8 5 6 8 B 标准： 橙白一1 ，橙一2 ，绿白3 ，蓝4 ，蓝白一5 ，绿6 棕白7 ，棕8 直连线就是两端均是5 6 8 A 线序或两端均是5 6 8 B 标准的接法：交叉线是一端为5 6 8 A ， 另一端为5 6 8 B 线序的接法。在C l i p p e r 卡与P c 机的通讯中如果误用直连线，一定会 产生传输错误。 C l i p p e r 卡使用的电源可采用通用的开关电源+ 5 v ( 3 A ) ，+ 1 2 V ( 03 A ) ，一1 2 V ( o2 5 A ) 共三种电压，在某些应用中如果不使用模拟量输出，只需为C l i p p e r 卡提供 + 5 V 电压。作为基本应用，卡上的E o - E 6 ，E 1 0 - E 1 7 多处跳线均可按出厂默认设定，不 需更改。C l i p p e r 卡使用方便，只要做好一条交叉网线，接好电源上电后绿色指示灯 亮起即可工作。 2 ) C l i p p e r 卡软件的安装 装好销售商提供的p e w i n p r o 应用软件后还需要近一步设置才能正常工作，首先运 行c o n f i g u r eE t h e r n e t 软件，界面如图2 2 。 h 。v + * E + o r 一“。一 目；j i i i r ! 掣! ! ! ! ! 坐! 竺 1 二兰纠始嚣：譬黜黜嚣1 ；。“ I r i T i _ Er M 1 1B p o m 。r 一 口 二! _ _ 1 I * 图2 2 I P 地址确认界面 c I i p p e l “ 卡的默认I P 地址为1 9 269 45 设置时不必更改，按S t o r eI P 保存，并选中 右侧的T C P 选项，按D o n e 按钮退出。这两项选择必须要完成，否则C l i p p e r 卡的软件 将无法与之通讯，报告无法找到P M A C 卡。 然后运行p e w i n p r o 软件，选G e n e r a lS e t u p 选项，如图23 ， 6 HS e t u p6 “。D c 】。n 5 O ! 暨m 口i 鲤i dD o w n l o a d m e wI r “k b0 “c e m t ho dP 洲h 3 0 P f 0 2 H n m d m F n n d o w oa _ eo n R n ￥0 u e a c h ! i _ | a e f ( w hc hd “【c e ou e m 阮n P r 0 2u ，o jd E f 刊l rP l “n He e ；c h I n d o o e n ” c h ea d o | a u l ld e v i c e _ 1 ：0c r = j L 竖。J 兰! _ 翻2 3P M A c 卡设置 按S e l e c t 后会弹出图2 4 的对话框， ! 竺坐I 兰型! L J 图2 AS e l e c t 对话框 蓝色条位于P M A C O O - N A 处，选I n s e r t 按钮，继续弹出图25 对话框 P M A Cd e v i c e sn o t f e g $ k ed = 图25 选择P m 卡 蓝色条移至P m a c E T H 0 处，按O k 保存后就会有对话框弹出报告成功找到P M A C 卡。 3 ) C l i p p e r 卡的接线 C l i p p e r 卡的基本应用只需接入两组线： J 3 一M a c h i n eC o n n e c t o rO M A C mP o 畸卡上最主要的接口是Y M A C H I ，标注为j 3 。它 包含有4 个通道的I 0 口：模拟量输出、增量编码器输入、放大器使能和故障信号、 5 v 电源输出。该接口需要使用5 0 线的扁平电缆插口，编号T & B A n s l e y P N6 0 9 5 0 4 1 ： 标准5 0 线扁平电缆，编号T & B A m l e y P I N l 7 1 5 0 ：5 0 线的插针，编号P N2 28 10 S9 。 J 4 - M a c h i n eC o n n e c t o r ( J M A C H 2P o 啦卡上标注为J 4 。它包含有4 个通道的I O 口： 行程限位标志位、零点标志位、脉冲和方向输出信号。该接口需要使用3 4 线的扁平电 。一一一一一 r 省一 缆插口，编号T & BA n s l e yP N6 0 9 3 4 4 1 ；标准3 4 线扁平电缆，编号T & BA n s l e yP N 1 7 1 3 4 ；3 4 线的插针，编号P N2 28 l0 63 。 J 3 连接线可使用S C S I 硬盘线，计算机商店有售。J 4 连接线可使用软驱线，在很 多旧机箱内可找到。自制的连接线完全可以正常工作，没必要购买供货商报价6 0 0 元 的原装线材。 4 ) 通讯故障排除 普通的P A M C 卡支持即插即用( P I l P ) ，插入计算机主板后操作系统会立即认出新 硬件，装入驱动程序后即完成硬件安装。而C l i p p e r 卡与计算机通过网线连接，在多个 环节上如有一处设置错误就会造成计算机无法识别运动控制卡，直接提示“U n a b l eT o C o m m u n i c a t et oD e v i c e # 0 “ 。故障分析及排除方法如下： ( 1 ) 检查C l i p p e r 卡上有一处微小的方形发光二极管是否点亮，正常工作状态为绿色。 供电电压过低或看门狗工作时，发光颜色为红色。 ( 2 ) 检查计算机到C l i p p e r 卡的网线是否为交叉线，如果暂时没有交叉线，可使用直 连线把计算机接到交换机上，同时把C l i p p e r 卡也接到交换机上。 ( 3 ) 检查计算机的I P 地址是否设为1 9 2 6 9 4 X ，X 可以取O 一2 5 5 之间，除了5 以 外的任何数。 ( 4 ) 调用c o n f i g u r eE t h e m e t 软件，检查右侧的T C P 是否被选中。如果未选T C P ，经 销商提供的p e w i n p r o 软件将无法找到C l i p p e r 卡，但是从美国D E L T AT A U 网 站上下载的p e w i n p r 0 2 新版软件不会产生通讯故障。 ( 5 ) 如果上述操作仍不能排除故障，在D O S 环境下运行p i n g1 9 2 6 9 4 5 命令，直接 检测计算机与C l i p p e r 卡之间的通讯，如果p i n g 不通说明网线与C l i p p e r 卡两者 之一有问题，与软件设置无关。 ( 6 ) 将另外一台计算机的I P 地址设置成1 9 2 6 9 4 5 ，插入正在使用的交叉网线，用 p i n g 命令检查，如果还p i