（控制理论与控制工程专业论文）基于pmac切割机器人交流伺服控制系统.pdf

哈尔滨工程大学硕十学位论文 摘要 本文以实际的工程项目为背景，针对船舶建造工业中经常遇到的空间曲 线切割问题，设计的五自由度切割机器人，可用于在船体分段上开孔和短圆 管端头切割。理论上，该开孔切割机器人能够在任意曲面上开任意形状的孔 并能够完成任意形状的圆管端头的切割。分析当今世界上流行的数控系统的 基础上，确定了切割机数控系统的硬件设计上采用了i p c + p m a c 运动控制卡 的开放式结构，充分协调利用p c 机的丰富资源和p m a c 卡强大的实时处理 功能。该数控系统硬件上采用了并行双c p u 的开放式结构，这种双c p u 结 构，大大降低了开发人员的工作负担，系统的可靠性和可维护性得到了有力 保证。上位机应用软件设计上利用模块化的设计思想，这样便可以大大增加 加工程序编制的灵活性，实现真正意义上的全开放。控制方案采用的是闭环 控制方式。从而保证切割机器人在切割状态时，对机器人末端的精确控制。 本文完成了机器人控制系统的交流伺服电机、伺服控制器、运动控制卡 的计算选型和控制系统的搭建。详细介绍了软件设计中碰到的几种空间曲线 的计算方法，并对切割机器人的机械结构、硬件平台进行了介绍，并结合实 际情况对该设备进行了p i d 参数调节。 关键词：p m a c ；切割；交流伺服；机器人；p i d 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h eb a c k g r o u n do fp r a c t i c a lp r o j e c t s ，a i m i n ga tc u t t i n gp r o b l e m o fs p a c ec u r v ei ns h i p b u i l d i n gi n d u s t r y ，o n et y p eo fc u t t i n gr o b o t si sd e s i g n e d a n dt h e ya r eu s e dt oc u th o l e so ns h e l la n dc u tt h ee n d so ft h e s t e e lt u b e s i nt h e o r y ，t h es m a l lh o l e c u t t i n gm a c h i n ec a nc u ta r b i t r a r y h o l eo na r b i t r a r yc u r v e ds u r f a c e ，a n dt h et u b e e n di n c i s o r yr o b o tc a ni n c i s er o u n dt u b e s e n d so fa n yf o r mi na n a l y s i so ft h ep o p u l a rn u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e mn o wi nt h ew o r l d ，w ed e t e r m i n e dt h ec u t t e rn u m e r i c a lc o n - t r o ls y s t e mh a r d w a r ed e s i g nh a st h eo p e ns t y l es t r u c t u r eo fi p c + p m a c m o v e m e n tc o n t r o lc a r d ，a n df u l lu s eo ft h ep c sr i c hr e s o u r c e sa n dt h e p m a cc a r df o r m i d a b l er e a l t i m ep r o c e s s i n gf u n c t i o n t h en u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e mh a r d w a r eh a su s e dt h ep a r a l l e ld o u b l ec p us t y l es t r u c t u r e ， t h i sk i n do fd o u b l ec p us t r u c t u r e ，r e d u c e dp e r s o n n e l sw o r kg r e a t l y ，t h e s y s t e mh a sg r e a tr e l i a b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t y i nd e t a i lt h ed e s i g no ft h e s o f t w a r es y s t e ms h o u l db em a d eu po fs o m ef u n c t i o nm o d u l e ，l i k et h i s t h e nm a yi n c r e a s et h ef l e x i b i l i t yo fp r o c e s s i n gp r o g r a m m i n gg r e a t l y ，a n d r e a l i z et r u es i g n i f i c a n c eo p e n i n g w ea d o p tc l o s e d l o o pc o n t r o ls c h e m e t h u si ti sg u a r a n t e e dt oc o n t r o lt h er o b o ta c c u r a t e l ye n di nt h ec u t t i n g s t a t e i nt h i sp a p e r ，w eh a v ef i n i s h e dt h ec o m p u t a t i o na b o u tt h ea cs e r v o m o t o r ，a cs e r v om o t o rd r i v e ra n dt h em o v e m e n tc o n t r o lc a r do fn u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e ma n dc o n t r o ls y s t e mb u i l d i n gt h ep a p e rh a sr e c o m m e n d e d t h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so fv a r i o u ss p a c ec u r v e si nt h es o f t w a r ed e s i g n t h ep a p e rh a si n t r o d u c e dt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，h a r d w a r ep l a t f o r mo f t h ei n c i s o r yr o b o t ，a n db a s eo nt h ea c t u a ls i t u a t i o nh a sc a r r i e do nt h ep i d p a r a m e t e ra d j u s t m e n tt ot h ee q u i p m e n t k e y w or d ：p m a c ；a cs e r v o ；i n c i s e ；r o b o t ；p i d 哈尔滨 一程大学硕十学位论文 第1 章绪论 随着计算机技术的高速发展，传统的制造业发生了根本性变革， 各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究丌发，提出了全 新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，具有高精 度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、 智能化起着举足轻重的作用。由于数控技术是关系到国家战略地位和 体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其水平高低是衡量一个国 家制造业现代化程度的核心标志，因此，实现加工机床及生产过程数 控化，已经成为当今制造业的发展方向。机械制造的竞争，其实质是 数控的竞争。 随着计算机性能的提高并且其功能已发展到相互兼容、统一操作 系统，为用户提供丌发平台、推出丌放性体系结构的阶段，人们对于 通用p c 熟悉程度的深化，基于通用p c 机的数控系统很快就发展了起 来。它可以充分利用p c 机的软硬件资源，使设计任务减轻：可充分 利用计算机工业所提供的先进技术，方便的实现产品的更新换代：息 好的人机界面便于操作；丌放性体系结构便于在工厂环境内集成；由 于有更多的硬件供选择，c n c 的成本对于用户来说非常灵活。 目前，国内外已有相当数量的数控火焰切割机在各种制造中使用， 它们编程简单，操作方便，加工质量稳定，精度高，大大地减轻了工 人的劳动强度，降低了加工周期，增加了经济效益和社会效益，发展 前景广阔。 数控机械在生产中的应用，将是我国机械工业改造旧设备，研制 新设备的一个经济而有效的途径。 1 1 课题背景 在现代船舶建造工程中，_ | 3 f 上的水管，气管，电缆都是通过管道 铺设的，因此在很多地方都需要丌大小不同，方向各异的圆孔、方孔 或者其它不规则孔。由于船舶建造行业的特殊性，为了保证更高的安 哈尔滨| 。烈人学硕士学位论义 全性并提供市场竞争力，因此对切割、焊接的精度要求比较高，人工 手动切割显然就满足不了技术要求。因此有必要设计个多自由度的 数控开孔机器人米代替人工切割。而且在现在的数控技术水平下完全 是可能的。 本文针对上述情况，设计了多自由度数控切割机器人，可用于圆 柱或者其它壳体的丌孔问题，也可用于适当长度圆管的端头切割。在 总体上采取机械部分与数控装置相分离的结构，机械部分用五个伺服 电机分别控制五个执行机构，能够完全实现切割所需的空i h j 运动，数 控装置部分采用p m a c 运动控制卡和工业计算机负责对运动的控制 和协调。 1 2 课题的意义 当前发达国家f 在紧锣密鼓地进行着丌放式数控系统的研究，也 为我国数控产业的发展提供了良好的契机，开发我国自主版权的开放 式数控系统平台是赶超发达国家的历史机遇。我国控制器硬件由于受 制造业水平的影响可靠性差，成为制约我因数控产业发展的瓶颈，借 用p c 机硬件和建立丌放式控制系统软件平台就完全可以绕开这个问 题，这样与国外基于p c 机的数控系统处于同一起跑线上，可以打破 国外对我国的技术垄断。 1 3 课题的难点所在 对于在船体分段上丌孔切割，由于船体分段体积较大，因而要求 各个焊接部件要有很严格的误差要求才能保证整个船体分段达到焊接 要求。因此在尽量控制成本的情况下实现较高精度的控制目的，并保 证设备在进行各种切割时的平稳性，另外还要考虑到切割前的误差处 理以及切割过程中的变形误差补偿，而变形误差补偿并非常量的有规 律的误差它具有很强的随机性和时变性。这些无疑将是设计中需要重 点加以考虑的。 哈尔滨： 程大学硕士学位论文 1 4 数控技术的发展 随着科学技术的发展，数控技术和微型计算机技术也迅猛发展起 来，数控机床、数控切割机等已被人熟悉和利用。19 5 2 年之后，数字 控制技术已经作为生产自动化的强有力手段得到了迅速推广，并且也 融入到庞大而繁杂的造船工业之中了。1 9 58 年，英国氧气公司酋先试 制成功了世界上第一台数控切割机，并于19 6 1 年正式投入挪威斯托德 造船厂的造船生产使用中，随厉小少造船工业发达国家相继丌展了数 控切割机的研制热潮。到了六十年代中、后期，已有相当数量的数控 切割机投产使用。它们编程简单、操作方便、加工质量稳定，大大减 轻了劳动强度，降低加工周期，增加经济效益和社会效益，发展前景 广阔。 许多高科技应用于数控切割机，如高档微型计算机、可编程控 制器、计算机图象处理技术、c a d 、高精度数字伺服驱动技术、等离 子弧技术、激光技术、水射流技术及配套技术等等，使数控切割机的 技术性能、可靠性、有效利用率、维修性、方便性及适用范围得到馒 著提高，几乎可以切割所有金属材判和各种非会属材料。 数控切割机在造船工业中的应用是造船工艺的一项重大改革，是 实现船厂现代化改造的一个重要内容。国外船厂铜板下料中数控切割 所占比例一般达5 0 10 0 。我国江南船厂等单位全船构件的5 0 以上也是采用自动切割下料。 1 4 1 数控系统的发展 1 9 4 6 年在美国诞生了世界上第一台电子计算机。19 5 2 年，计算机 技术应用到了机床上，在麻省理工学院诞生了第一台试验性数控系统。 从此，数控系统的发展日新月异，到今天已经历经了两个阶段共六代： 1 9 5 2 19 7 0 年为数控( n c ) 阶段，这一阶段划分为三代，即第一代 电子管( 19 5 2 年) ；第- - 2 代晶体管( 1 9 5 9 年) i 第三代小规模集成电路 ( 1 9 6 5 年) 。自1 9 7 0 年起，小型计算机用于数控，数控技术进入计算 机数控( c n c ) 阶段，这是第四代数控；1 9 7 4 年进入第五代数控，其 哈尔滨r 科人学硕十号位论文 特征为微处理器用于数控；2 0 世纪9 0 年代丌始后基于p c 的数控( p c n c ) 丌始得到迅速发展。广泛采用3 2 位c p u 组成多微处理器系统； 提高系统的集成度，缩小体积，采用模块化结构，便于裁剪、扩展和 功能升级，满足不同类型数控机床的需要；驱动装置向交流、数字化 方向发展；c n c 装置向人工智能化方向发展：采用新型的自动编程系 统；增强通信功能；数控系统可靠性不断提高。总之，数控机床技术 不断发展，功能越来越完善，使用越来越方便，可靠性越来越高，性 能价格比也越来越高。到1 9 9 0 年，全世界数控系统专业生产厂家年产 数控系统约13 万台套。 141 1 国外开放式数控系统技术发展趋势 进入9 0 年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控机床技 术更快的更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用p c 机丰富的软 硬件资源丌发丌放式体系结构的新一代数控系统。丌放式体系结构使 数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网 络化方向大大发展。近几年许多国家纷纷研究丌发这种系统，如美国 科学制造中一1 3 , ( n c m s ) 与空军共同领导的“f 一代工作站机床控制器 体系结构”一n g c ，欧共体的“自动化系统中开放式体系结构”一 0 s a c a ，f f 本的0 s e c 计划等。c i n c in n a t i m a c r o n 公司从19 9 5 年开 始在其生产的加工中心、数控铣床、数控车床等产品中采用了丌放式 体系结构的a 2 lo o 系统。丌放式体系结构可以大量采用通用微机的先 进技术，如多媒体技术，实现声控自动编程、图形扫描自动编程等。 数控系统继续向高集成度方向发展，每个j 笛片上可以集成更多的晶体 管，使系统体积更小，更加小型化、微型化。叫靠陛也大大提高。利 用多c p u 的优势，实现故障自动排除：增强通信功能，提高联网能力。 基于开放式体系结构的新一代数控系统，其硬件、软件和总线规范都 是对外丌放的，由于有充足的软、硬件资源可供利用，不仅使数控系 统制造商和用户进行的系统集成得到有力的支持，而且也为用户的二 次丌发带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛 应用，既可通过升档或剪裁构成各种档次的数控系统，又可通过扩展 哈尔滨l 程大学硕士学位论文 构成不同类型数控机床的数控系统，开发生产周期大大缩短。这种数 控系统可随c p u 升级而升级，结构上不必变动。 现在，实际用于工业现场的数控系统主要有以下四种类型，分别 代表了数控技术的不同发展阶段，对不同类型的数控系统进行分析后 发现，数控系统不但从封闭体系结构向开放体系结构发展，而且正在 有从硬数控向软数控方向发展的趋势。 传统数控系统，如f a n u c0 系统、m i t s u 3 i s h im 5 0 系统、 s i n u m e r i k8 lo m t g 系统等。这是一种专用的封闭体系结构的数控系 统。目前，这类系统还是占领了制造业的大部分市场。但由于丌放体 系结构数控系统的发展，传统数控系统的市场f 在受到挑战，已逐渐 减小。 “p c 嵌入n c ”结构的开放式数控系统，如f a n u c1 8 i 、1 6 i 系统、 s i n u m e r i k8 4 0 d 系统、n u m l 0 6 0 系统、a b9 3 6 0 等数控系统。这是一 些数控系统制造商将多年来积累的数控软件技术和当今计算机丰富的 软件资源相结合开发的产品。它具有一定的丌放性，但由于它的n c 部分仍然是传统的数控系统，用户无法介入数控系统的核心。这类系 统结构复杂、功能强大，价格昂贵。 “n c 嵌入p c ”结构的7 r 放式数控系统，它由丌放体系结构运动控 制卡和p c 机共同构成。这种运动控制卡通常选用高速d s p 作为c p u ， 具有很强的运动控制和p l c 控制能力。它本身就是一个数控系统，可 以单独使用。它丌放的函数库供用户在w ln i ) o w s 平台下自行丌发构造 所需的控制系统。因而这种丌放结构运动控制卡被广泛应用于制造业 自动化控制各个领域。如美国d e l t at a u 公司用p m a c 多轴运动控制卡 构造的p m a c n c 数控系统、日本m a z a k 公司用三菱电机的 m e l d a s m a g i c6 4 构造的m a z a t r o l6 4 0c n c 等。 s o f t 型开放式数控系统，这是一种最新丌放体系结构的数控系 统。它提供给用户最大的选择和灵活性，它的c n c 软件全部装在计 算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部i o 之间的标准化 通用接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声卡和相应的驱动程序 一样。用户。可以在w i n d o w s 平台上，利用丌放的c n c 内核，丌发 哈尔滨工程大学硕士学位论文 所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，与前几种数控系 统相比，s o f t 型开放式数控系统具有最高的性能价格比，因而最有 生命力。通过软件智能替代复杂的硬件，正在成为当代数控系统发展 的重要趋势。其典型产品有美国m d s i 公司的o p e nc n c 、德国 p o w e ra u t o m a t i o n 公司的p a 8 0 0 0n t 等。 14 12 国内开放式数控系统的发展及现状 我国的数控技术经过六五、七五、八五、九五到十五的2 0 多年的 发展，基本上掌握了关键技术，初步形成了自己的数控产业。我国的 数控技术在八五攻关中，不失时机地提出了以自主版权为目标，以平 台为基础的发展战略，而且在攻关过程中瞄准或调整到以p c 机为基 础的发展路线上，并以此形成了两种平台，四个基本系统。其中华中i 型和中华i i 型是将数控专用模板嵌入通用p c 机构成的单机数控系统。 航天i 型和蓝天i 型是将p c 机嵌入到数控之中构成的多机数控系统， 形成典型的前后台型结构。其中华中数控系统有限公司的华中2 0 0 0 型高性能数控系统是面向2 1 世纪的新代数控系统。华中一2 0 0 0 型 数控系统( h n c 一2 0 0 0 ) 是在华中i 型( h n c i ) 高性能数控系统的 基础上开发的开放式数控系统，该系统采用通用工业p c 机，具有多轴多 通道控制能力和内装式p l c ，可与多种伺服驱动单元配套使用。具有 开放性好、结构紧凑、集成度高、可靠性好、性能价格比高、操作维 护方便的优点。然而就e 2 , 体而论，虽然各个系统都向p c 平台方向发 展，但在具体的实施丌发中仍然存在一些问题，最大的问题即是丌放 性不够，开发环境和支持手段不足，要作为用户方便地进行二二次丌发 的丌放程度还远未达到，只是具有相当技术力量的川：发单位爿能使用， 而作为能够普及到一般用户的程度则还远远彳i 够。丌放性数控是数控 技术发展的必然趋势，丌放性的体系结构给c n c 生产厂家、机床制 造厂和用户都带来了许多益处。我国在2 0 0 0 年也丌始进行中圈的 o n c s ( o p e n n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ) 丌放式数控系统的规范框架 的研究和制定。 哈尔滨工程人学硕士学位论文 第2 章切割机器人整体设计 伺服切割系统从某种意义上来说就是一台机器人。在应用中对机 器人驱动装置的一般要求如下： 1 驱动装置的效率要高，质量要轻； 2 反应迅速、动作平滑，无冲击： 3 控制灵活，控制精度高； 4 安全性好，操作维护方便。 根据上述要求，本数控系统采用二分式的结构：机械部分和数控 装置部分。控制方案则采用p c 机+ 运动控制器。 2 1 切割机的主要技术规格 1 切割管子壁厚( r a m ) ：2 0 8 0 2 。割孔直径( r a m ) ：1 0 0 一i8 0 0 3 x 轴最大数控行程( m m ) ：4 0 0 0 4 y 轴最大数控行程( m m ) ：2 0 0 0 5 z 轴最大数控行程( m m ) ：15 0 0 6 a 轴的旋转角度( 度) ：0 3 6 0 7 b 轴的极限摆动角度( 度) ：土6 0 8 切割速度( m m m i n ) ：5 0 5 0 0 9 切割精度( m m ) ：士2 1 0 切割坡口精度( 度) ：士1 2 2 机械结构设计 在机械设计过程中，各个运动机构的分配遵循以下原则：各个运 动的独立性强，运动之间的耦合性弱，各轴可以独立控制。根据上述 原则、伺服系统要求的性能指标和当今机器人的流行趋势，我们选择 德国r o b o w o r k e r 机器人公司的直角坐标机器人系统。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 1 机器人系统简介 德国r o b o w o r k e r 机器人公司是当今世界上最著名的直角坐标机 器人供应商之一，研发生产所有与机器人及应用有关的产品，如多种 规格的直线运动单元，各种手爪，伺服电机，控制系统和图象处理系 统。 十多年来，德困机器人公司的专家们与用户密切合作不断完善和 改建直线运动单元，使其有更高的承载能力，更高的长期运行的稳定 性和更高的定位精度。下面是直线运动单元的特点。 1 外置直线滑轨的直线运动单元对滑块的支承宽度大，带负载能 力增强很多，运行的平稳性和各种受力能力相对提高很多。 2 德国机器人公司采用其独有的专利技术把两根高硬度圆柱直线 滑轨用精密铝材拧到铝型材上，彻底派出了横向间隙，而且圆柱直线 滑轨和滑块轴承唰有更大的接触面，圆柱赢线滑轨长期运行不会产生 任何位置变化。 3 硬铝车铣加工出的滑块和连接件强度好。确保机器人的长期高 速，高精度地稳定运行。 2 2 2 机械结构 目前，丌孔切割机的机械结构形式主要有龙门式、机械手式和悬 臂式等几种。 机械手式的结构由于各个运动相关联性较强，容易产生不稳定， 不易采用。 悬臂式整体尺寸和体积小，适用于跨距和运动轨迹小的场合。如 果悬臂过长则在刚度方面很难满足要求，而且必须加配重，机械精度 对切割精度的影响很大，也不易采用。 龙门式具有高刚性、高稳定性的特点。特别在进行高速切割时， 不会产生切割炬抖动现象，不仅能提高切割速度，而且能提高切割质 量。 考虑到机械精度和切割质量问题，本切割机机械结构采用龙门式 加悬臂式结构。如图2 1 所示。机械主体部分安装在四条桩腿上的底 哈尔滨j 科大学硕十学位论文 座上，旋转机构，枪摆机构安装在升降杆上。该切割机工作时，横跨 于待开孔位置上方。 l 刳2l 龙式开孔切割机示意剀 2 3 控制系统设计 2 。3 1 典型的控制系统方案及特点 轴电机 方案一：i p c + 动控制卡 该方案的控制系统采用高性能工业计算机( i p c ) + 运动控制卡构 成开放式的平台。运动控制卡实现运动轴的实时控制，检测卡完成各 种工件测量信息的采集，i o 卡完成各种丌关量信号的输入输出。软 件基于w i n d o w s 系统，设计成通用性较高的可编程控制方式，使整套 控制系统软、硬件具有较强开放性。如图2 2 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 工控机( i p c ) i s a ，p c i 圆圈匪 幽22i p c + 运动控制卡 1 ) 该方案的特点： 该方案硬件结构简单，因而系统硬件可靠性高，由于控制和测量 信息在系统内部传递，系统数据传递实时性高，系统总体性能较好。 由于该系统所有资源共用一个i p c 平台，因而系统硬件扩充方便。软 件设计基于w i n d o w s 平台开发，可以充分利用各种软件资源和开发工 具，系统软件设计周期短，很容易实现模块化结构，功能扩充很方便。 该方案的一个重要优点是软、硬件具有开放性，数控核心与硬件 驱动程序留有标准的接口。当修改硬件时，只需修改硬件驱动程序， 而且许多硬件供应商在提供硬件的同时也提供相应的驱动程序，使得 系统升级和修改工作量大大减少，提高了系统开发效率。 方案二：i p c + 专用运动系统( c n c ) 该方案的控制系统采用i p c + 专用运动控制系统体系结构，如图 2 3 所示。专用运动控制系统根据加工工艺要求，每个程序编写相应 的专用控制函数，完成相应控制功能。i p c 完成工件位置的检测，并 进行相应的数据处理，处理完后的数据，通过串、并行方式实时传递 给运动控制系统，两套系统可以进行并行实时采集和控制。 图2 3i p c 4 - 运动控制系统 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 ) 该方案的优点： 两套系统分别完成运动控制与测量，每套系统可靠性、实时性较 高，检测系统与控制系统相互干扰小。专用运动控制系统技术成熟， 技术风险小。 2 ) 该方案的缺点： 专用的控制系统采用封闭式结构，软件和硬件一一对应，往往控 制程序直接与硬件相关，不具备灵活性。其体系结构还是不开放的， p c 的开放程度受到限制。因此这种结构尽管也具有一定的开放性，但 其开放性只在p c 部分，其专业的数控部分仍处于瓶颈结构，用户无 法介入数控系统的核心。对控制系统的改动的变更，往往需要重新修 改控制程序。工作量大、开发周期长。 2 3 2 方案比较及采用的控制系统方案 方案一与方案二比较起来，方案一具有如下优点： 1 ) 系统硬件结构简单，可靠性高。 方案一运动控制器完成实时控制，工业计算机完成系统管理等非 实时性任务，实现系统资源的有效合理分配，信息传递快。方案二采 用专用运动系统，解决了系统实时性问题，但系统任务不能动态分配， 容易造成系统任务不均和资源浪费，影响系统总体性能。 2 ) 有良好的适应性和扩展性。 方案一系统采用开放式的体系结构，不但能够根据用户的需要进 行系统配置，而且用户在自身需求发生变化时，利用丌放的应用程序 接口可方便进行功能扩展。方案二所采用的软件结构决定了功能扩展 很不方便，不适应丌放式数控的发展。 3 ) 系统控制灵活性好。 方案一在不修改任何控制程序的情况下，通过选择不同的控制模 式可以控制不同类型的电机。 基于以上分析，采用方案一，利用工业控制计算机+ 运动控制卡 构建开放式数控系统平台。 2 3 3 控制硬件选择 该系统是以i p c + 运动控制器为控制系统核心并具有开放式数控 系统特征的机电一体化装置。在这个系统中计算机( p c ) 的主要功能是 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ；i j i i i i i j ii i i ；i i i ；i i ；i i i i i i ；i i i ； 根据具体装置的运动控制类型，优化指令形式，属于上层控制，其软 件是通用的。而伺服电机是主要的执行部件，具体完成运动控制。运 动控制器就是根据上层计算机给出的指令，结合具体的伺服系统类型， 将其指令转化为伺服电机的运动。运动控制器是工控机与伺服电机的 连接桥梁。因此系统性能的好坏首先取决于p c 机和运动控制器性能 的优劣。 2 3 3 1 运动控制器选型 运动控制器，就是利用高性能微处理器( 如d s p ) 5 2 大规模可编程 器件实现多个伺服电机的多轴协调控制，具体就是将实现运动控制的 底层软件和硬件集成在一起，使其具有伺服电机控制所需的各种速度、 位置控制功能。这些功能能通过计算机方便地调用。 目前开放式运动控制器主要有美国d e l t at a u 公司生产的p m a c 系列运动控制器、美国d a l i l 公司的d n k 系列运动控制器等。与同类 其它控制器相比，p m a c 运动控制器具有如下优点： 1 伺服控制精度高，并且其独特的大带宽输入特性也通常是大多 数控制器的l0 到15 倍。 2 内置插补程序模块及p l c 程序模块，通过硬件设置( 包括附件 和备件) 、参数设置、运动程序和p l c 程序的编程，p m a c 可以实现 对某一特定应用场合的特定构型。 3 p m a c 的c p u 通过特定设计的门电路阵列c s ( 集成电路) 与 轴进行通讯，实时性强、可靠性高。 基于以上分析，选用p m a c 多轴运动控制器作为控制系统的运动 控制器。 23 3 2i p c 机选型 工业控制计算机简称工控机，是计算机技术与自动控制技术结合 的产物。是指能在工业环境中可靠运行，能和工业对象的传感器、执 行机构直接接口、完成测控( 包括管理) 任务的微型计算机系统。它可 以用于生产现场，完成生产过程的实时数掘采集、实时处理及实时控 制任务。也可以作为机械设计的一个有机组成部分，完成机械设计的 控制任务。与信息处理计算机相比，不仅具有p c 机性能稳定，运算 速度快等优点，工控机具还具有以下主要特点： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 ) 高可靠性 对机械设备、生产过程的控制，要求有经济效益和社会效益，控 制必须可靠。它涉及到电器部件、机械部件、连接器以及配套的外围 设备的可靠性。 2 ) 环境适应性强 工业环境恶劣，存在如振动、冲击、噪声、高频信号、电磁波、 高湿度、高温度、油、水、粉尘等各种不利条件，要求工控机有极强 的抗干扰能力和环境适应能力。 由于机电一体化装置主要是应用于工业环境，因此机电一体化装 置的p c 机选用研华的工业控制计算机( c p up i v2 0 g 、5 1 2 m 内存、 8 0 g 硬盘) 。 2 3 4 伺服控制系统组成结构 根据以往项目的工程经验和本系统的实际情况，本系统采用半闭 环控制系统。伺服控制系统组成结构原理图如图24 所示。 图2 41 可服控制系统细成结构原理 整个伺服控制系统采用了基于p m a c 可编程多轴运动控制器、安川 交流伺服电动机和伺服驱动器、上位工业控制计算机组成的硬件平台， 通过上下位软件实现各种运动控制功能。本运动系统是以主频为2 g h z 的工控机( i p c ) 为上位基础，p m a c 多轴可编程运动控制器为运动控制 核心。p m a c 直接插在工控机的p c i 插槽中，并由动态链接库驱动。该 控制系统实质上是一种以p m a c 为核心组成的开放式数控系统。上位工 控机和下位p m a c 多轴控制器各有自己c p u 、存储器和外设，分别构成 一套独立的计算机系统。工控机的c p u 与p m a c 的c p u 构成上下位机的 哈尔滨1 群人学硕十学位论文 结构，两个c p u 各自完成相应的任务。工控机( i p c ) 作为p m a c 的上位 机，提供人机操作界面，进行系统初始化、传送设定的轨迹参数、实 时显示运动信息等。p m a c 多轴运动控制器处理所有轴的有关实时运动 参数的计算，完成负载轴的运动控制，包括插补运算、伺服驱动、程 序解释以及高速数据采集等实时性任务。 2 3 5p m a c 运动控制器简介 p m a c 卡是美国著名的d e l t at a u 公司推出的采用基于先进的数字 信号处理技术的第四代传动控制装置。它具有响应速度快，精度高， 丌发周期短，编程和操作简单的特点，在发达国家己j 。泛应用于机器 人，数控机床等需要多轴控制的高精度伺戤装置上。 2 ，3 5 1p m a c 运动控制器的特征 1 ) 具有单独的c p u 使用m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 2 数字信号处理器作为c p u ，主频 4 0 m h z 。利用d s p 的强大运算功能实现多轴实时伺服控制，既可以安 装在p c 机p c i i s a 插槽中，p m a c 的c p u 与主机的c p u 构成了双微 处理器结构，也可以完全脱机运行，单独执行存储于控制器内部的运 动程序和p l c 程序。 2 ) 具有丌放式结构 ( 1 ) p m a c 是基于工业p c 和w i n d o w s 操作系统，它提供全新的 高性能技术和w i n d o w s 平台。 ( 2 ) 可控制各类电机：步进电机、交直流伺服电机、直线电机、 液压伺服电机。 ( 3 ) 可接受各类反馈：增量绝对码盘、光栅尺、激光干涉仪、 电位计、磁滞伸缩传感器、旋转变压器等。 ( 4 ) 支持多种总线结构：f c 、v m s 、s t i r 、p c i 、1 0 4 、m a c k ， 还可独立运行r s 一2 3 3 2 、r s 4 2 2 。 ( 5 ) 可同时控制4 个轴，经扩展可控制1 2 8 个轴。 3 ) 自动对任务进行优先等级判别 p m a c 卡把任务按照优先级电路组织起来，可以自动对任务进行 优先等级判别，从而进行实时的多任务处理，这使得它存处理时问和 哈尔滨工程大学硕士学位论文 任务切换这两方可大大减轻主机和编程器的负担，提高了整个控制系 统的运行速度和控制精度。 4 ) 执行运动程序和p l c 程序 ( 1 ) p m a c 有6 4 个非同步执行的p l c 程序( 3 2 个已编译3 2 个未 编译) ，主要用于执行与运动不同步的操作，它们可以以很快的速度重 复执行。 ( 2 ) 执行运动程序开始就进行对移动( 包括非移动的任务) 的所有 计算。 ( 3 ) p m a c 总是工作在实际移动之前，它总能f 确地与即将执 行的动作相调和。 ( 4 ) 在处理器时间允许的情况下尽可能地连续扫描p l c 程序的 操作。 5 ) 伺服环更新 对每一个电机，p m a c 都以一个固定频率( 2 0 k h z 左右) 对其进行 伺服更新。 6 ) 支持g 代码编程 23 5 2p m a c 多轴运动控制卡软件组成 p m a c 多轴运动控制卡的软件大体上可分为三个部分：变量、命令 和程序。 1 ) 变量 在p m a c 中，用户不可以自定义变量名，p m a c 定义了i 、p 、q 和m 四种变量，一个变量由字母后跟0 1 0 2 3 的数字组成，每一种变量都 有10 2 4 个。i 、p 、q 这三种变量在内存中有固定的位置，m 变量则需 要在定义时指定它的内存起始地址以及数据类型等。 i 变量从0 1 0 2 3 共1 0 2 4 个，它们分别对整个板，每个轴，每个 坐标系统及编码器通道进行初始化，包括对模式、地址、增益、限制 和时间等p m a c 卡的功能特性进行设置。 p 、q 变量为通用的用户变量，它们各有l0 2 4 个，均为4 8 位的浮 点数，不需要事先设定，p 变量可以在整个系统中使用，q 变量只可以 在坐标系中使用。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 m 变量也有1 0 2 4 个，类似于指针变量，通过m 变量用户可以方便 地访问存储器、寄存器、i o 口，主要用于输入、输出、计数、a d 和d a 操作。 2 ) 命令 p m a c 的指令系统丰富，总体分为在线指令和缓冲区指令两大类， 相当一部分指令可以被p m a c 以函数形式调用。在线指令可以在主机与 p m a c 建立基本通讯之后即可以直接予以执行，也可以在缓冲区内执 行：而缓冲区指令必须首先以指令方式打丌一定容量的p m a c 内存区 域，为即将执行的系统指令分配缓冲区，然后才能加以执行，运动程 序和p l c 程序指令等就属于此类指令。 在线指令主要用于系统的初始化和调试，而缓冲区指令则主要是 实现编写运动程序和p l c 程序。p m a c 的命令大多数是在线命令，p m a c 接到后立即执行，产生指定的动作，改变变量值或显示需要的信息等。 在线指令分为三种： 轴命令：由# n 命令给轴编号，如# 1 表示定义为1 号轴。以后则可 使用其它的轴命令对该轴进行在线控制。如慢速运动、回零位、开环、 闭环和点动等。 坐标系统命令：由n 给坐标系编号，如1 表示该坐标系为1 号坐 标系。通过定义坐标系，用户可以对8 个轴进行灵活控制。 全局命令：这类命令不针对某个特定的轴或坐标系统，主要完成定 义变量的操作。 系统初始化、参数下载等没有实时性要求的操作都是通过在线命 令完成的。 缓冲区命令，包括运动程序命令和p l ，c 程序命令。 3 ) 程序 p m a c 中可存储多达2 5 6 段程序，主要分为运动程序和p l c 程序两 种，任一段程序都可以被一个或多个坐标系统同时执行。可存3 2 段内 嵌式p 【j c 程序，系统的操作面板命令是通过p l c 程序来执行的。p m a c 的运动程序较p l c 程序优先级高，实时性也要强一些，可以用来编写 用户的特殊功能程序。 哈尔滨工程人学硕士学位论文 2 4 伺服驱动装置选择 2 4 1 驱动电机的选择 2 4 1 1 交流伺服电机和直流伺服电机性能比较 伺服电机和步进电机不仅用来实现电能和机械能之间的转换，而 且还用作机电信号的转换、检测、执行、控制、反馈等，在机电一体 化设备中得到广泛的使用。长期以来，在要求调速性能较高的场合一 直采用直流伺服电机；而步进电机由于其价格较低，且不需要进行闭 环控制，因此也常被用在控制系统中。在多数情况下直流伺服电机驱 动都能满足有关的动态性能和定位精度的要求，有优异的自动控制性 能，但由于直流驱动的能量传递和电枢电流换向都要通过滑环接触， 所以具有换向器和碳刷磨损快、体积大、维修困难等缺点。与同容量 的交流伺服电机相比，直流伺服电机体积大、转子惯量大、动态质量 差。直流伺服电机、交流伺服电机的速度一扭矩关系特性如图2 5 所 丌io 幽25 交、百流伺月电机速度一扭矩关系特陛 从图25 中可以看出直流电机由于整流的限制，在高速情况下扭 矩明显下降。而交流伺服电机的扭矩在各种速度f 几乎是恒定的。而 且由于先进的控制电路和电子技术的出现使得交流伺服电机与其它类 型电机相比具有以下优点： 1 快速响应性。电动机的转子采用高性能的永磁体，体积小，惯 量低，因而具有高的功率比特性； 2 优良的速度控制特性。利用先进的控制技术，可输出更大的扭 哈尔滨t 程人学硕士学位论文 矩和速度带宽； 3 小型，轻量化。由于采用了高性能的稀土永磁和内装传感器技 术，因而实现了电机的小型化，体积为同规格直流电动机6 5 9 0 ， 重量为同规格直流电动机的7 5 一8 5 ； 4 取消了电刷而使得寿命更长； 5 基本上不存在电磁干扰。 2 4 1 2 交流伺服电机性能指标的选择 各种类型的鼠笼型转子交流伺服电机的性能指标是不相同的，有 的甚至相差很大，用户应根据自己的实际需求和对各项指标的侧重程 度来选择合适的电机。以下仅从机械的角度考虑选择交流伺服电机时 应满足的几项指标。 1 ) 电机的最高转速 电机的最高转速首先要依掘受控机构系统中主动件所要求的最高 转速来选择，若直接驱动，则主动件的最高转速应严格控制在电机的 额定转速之内；若中间通过减速器连接，则应把减速器的传动比也要 考虑进去，否则达不到最高转速的要求。 2 ) 传动比 电机的额定转速一般都很高，因此常在电机和负载之问加减速器。 电机和负载之间减速器的传动比通常会改变电机提供的动力载荷参 数。比如一个大的传动比会减小外部扭矩对电机运转的影响，而为输 出同样的运动，电机就得以较高的速度运转，产生较大的加速度，因 此电机需要较大的惯量扭矩。如果选择一个合适的传动比就能平衡这 相反的两个方面。 3 ) 负载的计算与匹配 伺服电机的选用过程是伺服电机的特性与负载特性匹配的过程。 若直接驱动，则电机的额定扭矩应大于主动件最高转速时所需的扭矩； 若采用减速器，电机的额定扭矩必须大于主动件最高转速时所需扭矩 的t i ，其中丁为主动件所需的最大扭矩，f 为减速器的传动比。 4 ) 惯量匹配与计算负载惯量 哈尔滨j _ 程大学硕士学位论文 根据负载的特性确定机械部分和驱动部分惯量是机电一体化设计 中必须考虑的问题。实验证明，当机械部分的折算惯量大于驱动部分 惯量时，会出现驱动设备被负载摇摆的现象。因此，应严格按照负载 的惯量来选择驱动装置所能承受的惯量。为了保证系统反应灵敏和满 足系统的稳定性要求，负载惯量t ，应限制在2 5 倍电机惯量，之内。 5 ) 机电时间常数 所谓机电时间常数是指在额定激磁电压和空载情况下，加以阶跃 的额定控制电压，电机由静止状态加速到空载转速6 3 2 时所需的时 间。它是用来衡量电机的反应速度的，该值越小，说明反映越快越灵 敏。通常交流伺服电机的机电时削常数应小于0 0 3 秒。 241 3 驱动电机和驱动器选择 通过以上分析，现选用日本安川的一i i 系列的s g m g t t 交流伺服 电机，标配伺服驱动器型号为s g d m a d a 。一i i 系列交流伺服电动机 由定子、转子、高精度反馈元件( 光电编码器) 组成。采用高性能稀土 永磁材料形成气隙磁场，由脉宽调制变频器控制运行，具有良好的力 矩性能和宽广的调速范围。该电机主要优点有：结构紧凑，功率密度 高；转子惯量小，响应速度快；超性能稀土永磁；抗去磁能力强；几 乎在整个转速范围内可恒转矩输出；低速转矩脉动小；平衡精度高 高速运行平稳；噪音低、振动小：全密封设计等。 经过计算，电机具体选型如表2 1 所示。 表2l 电机选型表 额定 额定转额定转转子惯量适川编 i