（测试计量技术及仪器专业论文）多功能动态精度实验系统的运动控制及数据采集.pdf

多功能动态精度实验系统的运动控制及数据采集 摘要 随着科技水平和测量技术的发展，测试系统和仪器设备对精度的要求越来越高， 传统的静态测量难以满足现代测量的要求，因此需要应用动态测量方法，对动态 误差理论进行深入的研究。在各种精密仪器中，电机、减速机、滚珠丝杆等部件 是传动系统中重要的误差来源，关于它们之间误差的分析和评定影响到整个测 量系统的精度。利用这些部件设计了一套动态精度研究实验系统，为研究动态 系统的精度特性提供实验平台。论文主要内容如下： ( 1 ) 完善动态精度实验系统的结构设计，在原有系统的基础上，添加一维位移 平台和光栅尺等部件，完成伺服电机带动减速机做旋转运动，减速机带动滚珠丝杆在 直线导轨上作直线运动，并利用光栅尺进行测量。 ( 2 ) 利用采集卡a c 6 6 5 l 和p c i 2 3 9 4 ，并设计硬件电路，在l a b v i e w 环境下编程 实现伺服电机转速控制，正反转自动控制、死锁控制等运动控制功能。 ( 3 ) 利用采集卡p c i 2 3 9 4 对系统三路输出信号同步采集，在l a b v i e w 环境下通 过动态链接库调用功能函数编程完成编码器计数、采集、显示等，并将数据保存在 m i c r o s o f ta c c e s s 数据库中。 ( 4 ) 进行动态误差实验，并将实验数据导入到m a t l a b 中，进行三组信号比对， 并对系统误差进行频谱分析，初步分析系统误差源。 关键词：动态精度：伺服控制；软件设计；数据采集 m o t i o nc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o no fam u i t i f u n c t i o n a l e x p e r i m e n ts y s t e mf o rd y n a m i cp r e c i s i o ns t u d y a b s t r a c t n o w ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y a n dd y n a m i cm e a s u r e m e n t , t h e r e q u e s tf o rp r e c i s i o nb e c o m e sh i g h e rf o rt e s ts y s t e ma n di n s t r u m e n t ，t h et r a d i t i o n a l s t a t i cm e a s u r e m e n tc a n ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fm o d e r nt e s t ，a sar e s u l t , w e h a v et oa p p l yd y n a m i ct e s tt or e s e a r c hd e e p l yo fd y n a m i ce r r o rt h e o r y f o rm o s to f p r e c i s i o ni n s t r u m e n t s ，m o t o r ，r e d u c e r , b a l ls c r e w ，e t ca r ei m p o r t a n ts o u r c eo f e r r o r a n a l y z i n ga n dv a l u i n gt h ee r r o ro ft h e s ee f f e c tp r e c i s i o no f t h ew h o l et e s ts y s t e m w eh a v ed e s i g n e dam u l t i f u n c t i o n a le x p e r i m e n t a ls y s t e mf o rd y n a m i cp r e c i s i o n s t u d yw i t h t h e s ep a r t s ，t op r o v i d eal a b o r a t o r yp l a t f o r mf o rr e s e a r c h i n gt h e p r e c i s i o no ft h ed y n a m i cs y s t e m ( 1 ) p r o m o t i n gt h es t r u c t u r a ld e s i g no fe x p e r i m e n t a ls y s t e m f o rd y n a m i c p r e c i s i o n ，b a s e do nt h eo r i g i n a ls y s t e m ，w eh a v ea d d e d1 - d w o r kt a b l e ，l i n e a rr a s t e r a n do t h e rp a r t s ，d r o v e db ys e r v om o t o r ，r e d u c e rr o t a t e s ，a n dt h eb a l ls c r e wd r o v e d b yr e d u c e rm o v e sl i n e a r l yo nl i n e a rg u i d e w a y ，w h i c h i sm e a s u r e db yl i n e a rr a s t e r ( 2 ) u s i n gd a q c a r da c 6 6 51a n dp c i 2 3 9 4 ，a sw e l la se l e c t r o c i r c u i td e s i g n e d ， w eh a v ef i n i s h e dt h ea u t oc o n t r o lo fs p e e da n da u t o m a t i cr e v e r s eo fs e r v om o t o r ， l o c k i n gc o n t r o la n do t h e rc o n t r o lf u n c t i o n ( 3 ) u s i n gd a q c a r dp c i 2 39 4t of i n i s hs y n c h r o n o u sd a t aa c q u i s i t i o no ft h r e e g r o u p ss i g n a lo fs y s t e m f i n i s h i n gc o u n t i n g ，a c q u i s i t i o na n dd i s p l a y a n ds oo ni n l a b v i e wb yc a l l i n gt h ef u n c t i o n so fd y n a m i cl i n kl i b r a r y ，t h e n ，s a v i n gd a t ei nt h e d a t a b a s eo fm i c r o s o f ta c c e s s ( 4 ) ca r r y i n go u td y n a m i ce r r o re x p e r i m e n t ，a n di m p o r t i n gd a t ai nm a t l a bt o c o m p a r i n gt h r e eg r o u p ss i g n a l ，a n a l y z i n g t h es p e c t r u mo fs y s t e m e r r o ra n d p r e l i m i n a r ya n a l y z i n gt h es o u r c eo f e r r o ri nt h es y s t e m k e yw o r d s ：d y n a m i cp r e c i s i o n ；s e r v om o t o rc o n t r o l ；s o f t w a r e d e s i g n ；d a t a a c q u i s i t i o n 插图清单 图2 1 系统总体结构框图4 图2 2 系统原理框图5 图2 3 多功能动态精度试验系统结构示意图5 图2 4 一维位移平台示意图。6 图2 5 系统结构实物图7 图3 1 伺服驱动器控制面板1 0 图3 2 计数器8 2 5 4 脉冲产生程序流程图1 2 图3 3 计数器8 2 5 4 脉冲产生部分程序图1 2 图3 4 开关量输入输出原理1 3 图3 5 限位开关内部连线1 3 图3 - 6 伺服电机方向控制信号电路1 4 图3 7 伺服电机死锁控制电路1 5 图3 8 一维位移平台零位信号电路1 5 图3 - 9 槽式光电开关t p 8 5 0 1 6 图4 1 圆光栅编码器原理结构图1 8 图4 2 圆光栅编码器输出信号1 8 图4 3 光栅读数头示意图1 9 图4 4 光栅实际输出波形图1 9 图4 5 长光栅输出信号2 0 图4 - 6 虚拟仪器构建方案2 1 图4 7n i 和非n i 采集卡的调用2 2 图4 8p c i 2 3 9 4 的基本框图2 4 图4 - 9p c i 2 3 9 4 的d b 3 7 插头管脚定义2 5 图4 1 0 系统信号输入方式示意图2 6 图4 1 1 软件系统四个功能模块2 8 图4 1 2 数据采集总程序流程图2 8 图4 1 3 计数采集模块程序流程图2 9 图4 1 4 分析处理模块部分程序3 0 图4 1 5 动态精度实验系统采集程序前面板3 0 图4 1 6 动态精度实验系统采集程序后面板部分程序3 1 图4 1 7l a b s q l 与数据库连接框图：3 2 图4 1 8o d b c 数据源管理器配置3 3 图4 1 9 数据存储模块部分程序3 3 图5 1 电机一减速机拟合前后转角误差图3 5 图5 - 2 减速机工作台拟合前后误差图3 5 图5 - 3 电机工作台拟合前后误差图3 5 图5 - 4 电机减速机转角误差频谱图3 6 图5 - 5 减速机工作台误差频谱图3 7 图5 - 6 电机工作台误差频谱图3 7 表格清单 表3 1 伺服电机驱动器面板按钮说明1 0 表3 2 位置控制模式下的指令脉冲输入形式1 1 表3 3c d 4 0 4 3 功能表1 4 表4 1p c i 2 3 9 4 的d b 3 7 插头管脚说明2 5 表4 2 设备驱动接口函数列表2 6 表5 1 伺服电机在转速为6 0 m i n 时部分实验数据3 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 佥目垦王些盔堂 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 唾玩签字日期：阿7 年l f 月声日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金蟹王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金胆王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 穆承 签字日期：加伊年p 月；矿日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：弘少年y - 月夕。日 电话： 邮编： 致谢 本人在三年的硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始至终得 到了我的导师陈晓怀教授的悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还是到收 集资料、论文成稿，都倾注了陈晓怀老师的心血，由衷感谢陈晓怀老师在学业 指导及各方面所给予我的关心以及从言传身教中学到的为人品质和道德情操。 另外感谢党学明老师，他广博的学识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀 和对事业的忠诚，必将使我终身受益，并激励我勇往直前。 研究生期间，胡茂留硕士、刘庆冬硕士、王祥硕士等，在学习和生活中给 予了我很大的帮助，在此表示深深的感谢。 同时，真诚感谢仪器科学与光电工程的全体老师，他们的教诲为本文的研 究提供了理论基础，并创造了许多必要条件和学习机会。 感谢我的家人对我的支持和理解，并感谢所有曾经帮助我、支持我的人， 衷心的感谢大家。 作者：贾振 2 0 10 年4 月8 日 第一章绪论 随着科学技术的发展，对测量仪器的要求越来越高，测试测量技术作为信 息技术的源头，具有非常重要的作用。传统测试方法主要是静态测量，它运用 的是静态测量技术，在长期的测量中取得了很大的作用，然而静态测量技术由 于其自身的缺点，难以满足现代仪器测试的要求，动态测试技术应运而生，它 符合现代测量的动态要求，相比传统的静态测量，具有不可比拟的优点，因此， 动态测量的应用范围越来越广，然而，各国包括我国在内对于动态测量的研究 仅仅出于初级阶段，还有许多问题需要探索，因此，对于动态测量技术的研究 是一个漫长的过程。 1 1 动态测量理论发展现状 动态测量理论自诞生以来，其自身的优越性使它受到各方面的重视。从2 0 世纪7 0 年代开始，英美发达国家就对动态测量理论进行了多项研究活动，国际 权威组织国际计量技术联会( i m e k o ) 在l9 7 6 年以后召开的多届大会上，均 将动态测量和动态误差理论作为会议的重点研究议题。2 0 0 4 年8 月在北京召开 i s p m m 国际讨论会及2 0 0 5 年9 月在英国召开i s m t i i 研讨会，都将测量误差分 析与精度评定问题列为专题报告，2 0 0 3 年lo 月，合肥工业大学费业泰教授主 持召开第八次全国误差与精度理论及应用方面的学术研讨会，会议将动态测量 误差与精度理论问题列为热点研讨问题。国内外一系列相关学术研讨会议，极 大的推动了动态误差理论的研究和发展，同时国内外的许多专家也投入到动态 测量理论的研究工作中，其中具有代表性的有合肥工业大学费业泰教授出版的 误差理论与数据处理教材，北航黄俊钦教授出版的静、动态数学模型的实 用建模方法教材等，这对动态测量理论的发展起着巨大的推动作用【4 】。同时，高校 也开展了许多有关动态测量的课程理论教学，越来越多的人员的投入到动态测 量理论的研究工作中，很大程度上推动了动态测量理论的发展。但是动态误差 理论自身的复杂性，需要进一步解决很多问题。 随着国内外对动态测量的重视，关于动态测量理论及方法的研究越来越多。 根据学术界对动态测量技术的认识，可以对动态测量作出如下定义：第一种普 遍认为动态测量是对被测对象的瞬时值的测量，第二种观点认为动态测量是指 测试仪器在运动的状态下对被测对象进行的测量。在运用动态测量理论进行动 态测量时，应与传统的静态测量区别开来，传统的静态测量分析方法虽然有其 自身的优点，但是不能反映系统的实时性、性能变化、精度损失等动态误差特 性，而动态误差理论则从根本上解决了这一问题，它从动态系统的特性入手， 着重分析系统动态系统的组成单元对系统总误差的影响，分析系统的精度损失， 研究动态误差中误差的分离，将系统进行“白化”，并运用贝叶斯原理进行动态 误差建模及小波神经理论等对动态系统进行研究，因此能够更深入的研究动态 系统的误差特性心h 们。 由于国内外对动态误差和测量理论的研究尚且处于初级阶段，仍有许多问 题需要进行更深入的研究，因此应该建立动态测量系统，通过研究动态系统的 误差分解和溯源，研究系统的精度损失，分析引起系统误差的个各部分因素， 建立动态系统数学模型，对动态系统的误差特性进行更深入的研究；通过研究 动态系统误差和动态测量理论，分析动态系统的精度特性，对于提高测试仪器 设备的设计和制造水平具有很大的理论价值，对于实现仪器的最优化设计具有 重要的指导意义。 1 2 数据采集控制系统的发展 数据采集系统是把从传感器及其它方式得到的相关信号( 一般是模拟信 号) ，经过相关的信号处理之后，转换成数字信号，传输到p c 机或其他处理器 中，以供存储、处理、传输显示之用。几乎任何一个测量系统都包括数据采集 系统，在众多的仪器设备中，特别是精密仪器中，数据的采集和控制是必须的 步骤，区别仅是数据量的多少，复杂程度的高低，自动化能力的强弱及采集速 率的快慢。因此数据采集控制系统是精密仪器的重要组成部分，是动态精度研 究的数据来源，对于动态精度的研究具有非常重要的作用。 早期的数据采集控制系统是通过纯硬件来实现的，随着微电子器件和微处 理机技术的发展，在仪器和设备中普遍采用以单片微处理机为基础的数据采集 系统，精密测量系统由于其体积要求一般较小，在设计采集系统时要求更加严 格。由于单片微处理机的使用为数据的采集和处理带来极大方便，它不仅以单 片微处理机的硬件为基础，而且充分发挥单片微处理机灵活的软件特性，使数 据采集技术提高到一个新的水平。数据采集软件在数据采集系统中发挥了很大 的作用，软件功能的研究越来越被人们所重视，软件编程语言也从传统的汇编 语言，以及文本代码语言发展到图形化编程语言l a b v i e w 等。随着软件技术 的快速发展，软件的功能越来越强大，促使基于单片微处理技术的数据采集系 统进一步发展到p c 机数据采集系统嫡3 。 基于p c 技术的数据采集( d a q ) 系统的出现，从根本上改变了科学家和 工程师们测量的方式，使工业测量更加简单。基于p c 的数据采集与传统的测 量仪器有很大区别，它基于计算机的强大计算功能，协助工程师有效地开发测 量和控制软件，进行实时测量，而且可以利用强大的数据库功能，提供数据的 保存、修改和查询等功能。特别是近年迅速发展的虚拟仪器技术，实现了“软 件即仪器”的功能。利用虚拟仪器技术开发仪器设备的速度通常比利用其它方式快 3 8 倍，之所以会出现这样惊人的速度，是由于虚拟仪器本身的特性，它易学易用， 所提供的工具和开发环境使得测试和测量变得更加容易。随着在仪器设计中引进虚 2 拟仪器技术，测量仪器仪表技术也由传统仪器逐渐向虚拟仪器发展，即用少量 的硬件设备( 例如数据采集卡) 配合软件，构成虚拟仪器系统，即可完成复杂 的测量工作。利用虚拟仪器技术不仅可以设计小型的自动化测试测量系统，还 可以开发大型的数据采集与控制系统。在现阶段，虚拟仪器技术己经被广泛地 应用到了测量的许多领域，它代表着仪器发展的新方向和发展趋势1 。 1 3 课题来源及主要研究内容 1 3 1 课题来源 本论文研究内容来源于：国家自然科学基金项目“基于误差分解溯源理论 的动态测量系统最优设计原理及应用研究 ( 批准号：5 0 6 7 5 0 5 7 ) 。 1 3 。2 主要研究内容 在动态系统中研究误差特性和精度特性，对于分析和标定仪器的误差，设 计制造最佳寿命的产品，具有重要的现实意义。在各种精密仪器中，电机、减 速机、滚珠丝杆、直线导轨等部件是系统重要的误差来源，关于它们之间误差 的分析和评定影响到整个测量系统的精度。利用这些部件设计了一套动态精度 研究实验系统，完成系统的搭建、信号的采集和数据分析，为分析动态测量系 统所具有的动态精度特性提供实验平台阳 。 ( 1 ) 系统原理和机械结构设计。伺服电机带动减速机做旋转运动，减速机与 滚珠丝杆之间通过柔性联轴器连接，一维位移平台上的工作台在滚珠丝杆的带 动下做直线往复运动。以伺服电机内置l7 位增量式编码器输出信号作为的基 准信号，在采集伺服电机编码器的输出信号时，同步采集圆光栅编码器的输出 信号和长光栅的输出信号，三组测量信号可以进行相互比对，然后可以通过建 立数学模型，根据比对情况研究系统的误差特性。 ( 2 ) 伺服电机在空载和负载情况下的运行调试。伺服电机是本实验系统的运 动源头，要求伺服系统运动平稳、噪声较小，无自转现象。分别在空载和负载 两种情况下对伺服电机进行运行调试，采用位置控制方式，输入脉冲信号和方 向信号，观察伺服电机运行情况，根据具体运行情况设置参数，并调整脉冲频 率，使伺服电机运行满足系统要求。 ( 3 ) 系统的运动控制。伺服电机带动减速机做旋转运动，减速机与滚珠丝 杆之间通过柔性联轴器连接，一维位移平台上的工作台在滚珠丝杆的带动下做 直线往复运动，根据系统设计要求，完成伺服电机正反转自动控制、死锁控制、 一维位移平台的行程控制以及零位信号自动触发控制等设计。 ( 4 ) 计数采集和软件设计。测量系统一共有三路脉冲输出信号，三路脉冲 输出信号差分输入到数据采集卡中实现数据的同步采集。采用l a b v i e w 编程 语言完成采集卡配置、三路信号同步显示，并利用l a b s q l 数据库技术将数据 保存在数据库m i c r o s o f ta c c e s s 中，以便对实验数据进行分析和研究。 第二章系统原理和总体设计 2 1 系统总体结构 多功能动态精度试验系统，其特征是：伺服电机，减速机的输出轴通过金 属螺旋联轴器与滚珠丝杆副的丝杆连接，在滚珠丝杆的螺母上固联有可沿直线 导轨轴向移动的工作台，工作台由位于滚珠丝杆两侧的直线导轨支撑，滚珠丝 杆、直线导轨、工作台组成一个一维位移平台；测量机构包括：伺服电机内置 增量式编码器、用于测量减速机转角的圆光栅编码器，以及用于测量工作台的 位移量的长光栅。设置多路信号数据采集卡，各测量机构的检测信号通过多路 信号数据采集卡在p c 机中同步显示。系统总体结构框图如2 1 所示。 图2 1 系统总体结构框图 系统有三路输出信号：包括伺服电机在& 时间内的转角。、减速机在& 时 间内的转角，以及工作台在出时间内的位移l 。通过比对电机编码器输出信号 和圆光栅编码器输出信号可以研究伺服电机和减速机之间的传动误差；通过比 对圆光栅编码器输出信号和长光栅输出信号可以研究减速机、滚珠丝杠和直线 导轨之间的传动误差，也可以通过比对电机编码器输出信号与光栅尺输出信号 来研究系统总的误差特性。系统的原理框图如2 2 所示，系统的总体结构示意 图如图2 3 所示，一维位移平台示意图如图2 4 所示。 4 圈2 - 2 系统原理框崮 埘2 - 3 多功能动态精度试验系统结构示意图 1 伺服电机2 底扳3l 型支撑板4 例光栅编码器5 金属螺旋联轴器6 减速机7 金 属螺旋联轴器8 金屈螺旋联轴器9 一维位移平台1 0k 光栅1 1 支撵板 图2 - 4 一维位移平台示意图 丝杠2 椭式光电开关3 直线幽导轨4 遮光铁片5 工作台 2 2 系统的工作原理 设计系统的运动机构包括：由伺服驱动器控制的伺服电机，减速机的输出 轴通过金属螺旋联轴器与滚珠丝杆连接，在滚珠丝杆的螺母上固联有可沿直线 导轨轴向移动的工作台，工作台由位于滚珠丝杆两侧的直线导轨支撑。 设置各测量机构包括：伺服电机中的内胃增量式编码器，以测量伺服电机 在f 时b j 内的反馈脉冲数：用于测量减速机的转角的圊光栅编码器；以及用于 测量工作台的位移量的蚝光栅传感器。 设置多路信号数据采集卡，各测量机构的检测信号通过多路信号数据采集 卡在p c 机l 卜同步显示。 在f 内，电机旋转角度为o ，减速机的减速比为i ，减速机在血内旋转角 度为中，滚珠丝杠的导程为s ，则直线圆导轨在f 内的位移为l ，理论上应该 有： 中一旦：c( c 为常数) ( 2 - 1 ) f ：世 ( 2 - 2 ) 但是由于电机和减速机之间以及减速机和滚珠丝杠之间存在传动误差，而 且它们的传动精度也会随着时间慢慢降低，造成精度损失，导致它们的实际值 和理论值之间存在较大偏差。利用光电传感器测量，然后通过数据采集卡采集 可以得到它们实际值，从而可以对系统的动态误差特性进行研究。 例如，将伺服电机在f 时间内旋转的角度中作为比对的标准值，减速机的 实际旋转角度中，作为比较值，在，时间内，电机内置增量式编码器的输出脉冲 数为n 1 ，圆光栅编码器输出脉冲数为n 2 将两路脉冲信号同步输入到采集卡 中进行计数，然后在p c 中同步显示出母和中，的大小，转角误差为 m = 中一冲，。理论上中为一个常数c ，但是随着使用时间的增加，造成减速 机齿轮的磨损、失效等因素而导致精度损失，影响正常使用。那么a 中成为一 个随t 变化的量，即a 中= f c t ) ，它反映了减速机在长时间运行过程中的耩度损失 问题通过长期的实验和观察m 与t 的关系可阻分析减速机在长期工作过程中 造成精度损失的原因，找出引起减速机精度损失的误差来源，从而对动态系统 的精度特性进行更深入的研究n ，。 将伺服电机的旋转角度巾，作为标准值，减速机的旋转角度m ，作为比较值， 通过两者之间的关系研究伺服电机和减速机之间的误差特性及其精度损失。 将减速机的旋转角度中，作为标准值，直线圆导轨位移l 作为比较值，从而 研究滚珠丝杆和直线圆导轨的传动误差特性及精度特性。 将伺服电机的旋转角度中作为标准值，直线圆导轨位移l 作为比较值，可 以研究整个动态系统的误差分解和溯源以及精度损失等理论。 2 3 机械结构设计 圉2 - 5 系统结构实物图 系统的所有功能部件均放置在设计的底座上底座两端加工两条u 形槽， 底座通过四个m 6 的内六角螺纹固定在工作台上。伺服电机的轴与减速机的轴 通过紧固螺钉直接连接，伺服电机的外壳通过四周的四个m 3 的螺钉与减速机 的固连，以防止电机运转过程中产生的晃动。底座上有两条u 型槽，减速机通 过底部螺纹孔与底板u 型稽连接，实验过程中可根据要求适当调整减速机位置。 减速机的输出轴为两端输出，一端通过金属螺旋联轴器与圆光栅编码器连 接，圆光栅编码器固定在l 型支撑板上，l 板通过四个m 6 螺钉与底座固定； 减速机的输出轴的另一端通过金属螺旋联轴器与一维位移平台的输入轴连接， 由于一维位移平台的输入轴较短，而且轴颈较小( 痧5 ) ，与减速机的输出轴颈矽2 0 相差较大，因此加工一个中间轴( 长4 0 m m ，轴颈为矽1 0 ) ，然后通过两个金属 螺旋联轴器实现减速机输出轴和维位移平台输入轴的的连接。 由于一维位移平台输出轴与减速机输出轴高度不等，因此加工一个支撑板， 将一维位移平台固定在支撑板上，一维位移平台底端有四个u 型槽，通过四个 m 6 的螺纹与支撑板连接，并可在支撑板上移动以调整与减速机之间的间距。 支撑板的侧面有两个m 5 的螺纹孔，用来固定长光栅的光栅尺，一维位移平台 上部有四个m 4 的螺纹孔，加工一个带两条u 型槽的l 板，l 板的一面通过四 个m 4 螺钉与一维位移平台连接，另外一面通过两个m 5 的螺钉与长光栅的读 数头连接，实现当一维位移平台的工作台运动时，可以带动读数头同步直线运 动，从而可以测量工作台的位移。 2 4 实验设备的选择 本实验系统选用的是松下公司生产的松下a 4 系列的伺服电机，输出功率 为10 0 w ，它由两个部分组成：伺服电机和伺服驱动器，其中伺服电机内置有 1 7 位的增量式光电编码器，安装在电机后侧，用于进行电机信号的输出及反馈， 组成一个闭环控制系统，使系统运行平稳，信号可测n 0 1 。 减速机选用两级斜齿轮减速机，传动比i = 2 0 ，额定功率为18 0 w ，减速机 输出轴为两端输出，底部有四个m 1 0 的螺纹孔，通过螺钉固定在底座上 在选择圆光栅编码器时，主要考虑它的分辨率和外形。由于在本系统设计 之前，实验室有一个圆光栅编码器，型号为y g m 6 10 ，它是由南京中科天文公 司生产的，但是由于输出信号较差，而且为正弦信号输出，不方便计数，从经 济性和实用性各方面考虑，对该圆光栅编码器进行了返厂维修，使信号输出为 三组差分方波信号，经过示波器测量发现，a 、b 、z 三组信号脉冲输出稳定， 幅值近似为5 v ，满足采集卡的输入要求n 副。 一维电控位移平台的主要部件为直线圆导轨、滚珠丝杆副及工作台，选择 的主要指标是它的导程和丝杆的螺距。选用北京光学仪器厂生产的m t s lo o 系 列普及型电控平移台( 圆导轨+ 滚珠丝杆) ，型号为m t s l0 3 ，丝杆导程4 m m ， 行程为1 5 0 m m u 引。 长光栅用于测量直线运动的距离，它的选择主要考虑分辨率和行程两个指标，其 中分辨率只有高于圆光栅的分辨率，才能进行后续的误差分解和溯源，行程需要与一 维电控位移平台的行程相配合。综合以上因素，长光栅选用贵阳新天公司生产的j c x e 型封闭式光栅尺，又称为滚动式光栅线位移传感器。分辨率0 2 u m ，有效行程 1 5 0 r a m e 1 6 1 。 8 第三章系统的运动控制 在本实验系统中，伺服电机带动减速机做旋转运动，减速机与滚珠丝杆之间通过 柔性轴器连接，一维位移平台上的工作台在滚珠丝杆的带动下做直线往复运动，根据 系统设计要求，完成伺服电机转速控制，正反转自动控制、死锁控制、一维位移平台 的行程控制以及零位信号自动触发控制等要求。 3 1 交流伺服电机简介 3 1 1 交流伺服电机原理 交流伺服电机和伺服驱动器构成一个伺服系统，伺服电机通过驱动器控制 u v w 三相电形成电磁场，转子转动，然后通过电机内置的增量式光电编码器 将电机的信号反馈给伺服驱动器，伺服驱动器根据反馈值与设定的值来进行比 较，进而对伺服电机速度或者其他运行特性进行调整，完成闭环控制功能。 3 。1 2 交流伺服电机的运行特点n 幻 ( 1 ) 运行特性良好。交流伺服驱动运行平稳、噪声小。电机采用闭环控制， 驱动器可以直接对电机编码器反馈信号进行采样并反馈到驱动器，内部构成位 置环，一般情况下，不会出现步进电机的丢步或过冲现象，控制性能更为可靠。 ( 2 ) 起步转矩大。当定子有一定的控制电压时，转子立即转动，因此启动 快而且灵敏度高。 ( 3 ) 速度响应快。从静止加速到其额定转速1 0 0 0 r p m 仅需几毫秒，可以用 于要求快速启停的控制场合。 ( 4 ) 无自转现象。正常运转情况下的伺服电机，当失去控制电压时，即使 有电源电压，电机也立即停止运转。 ( 5 ) 全密封设计，嗓音低、振动小。 ( 6 ) 惯量较小，易于提高系统的快速性 ( 7 ) 相同功率下具有较小的体积和质量，安装方便。 3 2 交流伺服电机运行调试n 们 伺服系统是一个比较复杂的闭环控制系统，它运行的情况对于后续的实验 尤为重要，因此在运行之前，必须进行调试，确保电机运行状况的稳定性。调 试主要通过伺服驱动器上的控制面板来完成，其中主要是参数的设定。面板如 图3 1 所示，其中面板上各按钮的功能如表3 1 所示。 9 p a n a s o n i c 口o 图3 1 伺服驱动器控制面板 表3 1 伺服电机驱动器面板按钮说明 按键激活条件功能 在显示模式下有效在以下5 种模式下切换 ( 1 ) 监视器模式； lm o de i ( 2 ) 参数设置模式； ( 3 ) e e p r o m 写入模式 ( 4 ) 自动调整模式； ( 5 ) 辅助功能模式。 ls e t l 一直有效用来在模式显示和执行显示 之间切换 改变各模式里的显示内容、 斟囤 仅对有闪烁小数点的那一更改参数、选择参数或执行 位数据选中的操作 有效 把可移动的小数点移动到更 高位数 3 2 1 电机空载运行调试 在进行空载调试时，首选需要将电机的输出轴与减速机输入轴断开连接，然后主 电源输入采用单相交流2 2 0 v 电压，从l 1 和l 3 接入，控制电源输入l 1 ，电机连线和 编码器连线按照伺服电机说明书依次连接，c o m + 接+ 1 2 v d c ，c o m 接直流电源地， s r v - o n 接c o m 一，p l u s l 和s i g n l 接脉冲元的电源正极( + 5 v ) ，p l u s 2 接脉冲信 号，s i g n 2 接方向信号，参数n o 0 2 设置为0 ，n 0 0 4 设置为3 ，n 0 4 3 设置为l ，p l u s 2 接入脉冲信号，即可使电机转动，改变s i g n 2 即可改变电机转向。 3 2 2 电机负载运行调试 电机负载运行时，首先将伺服电机输出轴与减速机输入轴通过柔性联轴器连接， 将减速机的输出轴与一维直线导轨的输入轴通过柔性联轴器连接，然后连接好伺服电 机和驱动器的电源连线及编码器连线，将a c 6 6 5 1 卡的脉冲输出信号接入s i g n 2 端， 设置计数器8 2 5 4 的的初值m 为1 2 0 ，然后将电机方向控制信号接入p l u s 2 端，通过 8 2 5 4 计数器的计数初值设置和电机方向控制信号分别控制伺服电机的转速和旋转方 向。观察整个系统运行是否平稳，噪声大小及振动情况，如果运行效果不理想，则通 1 0 过l e d 面板调整参数使电机运行更加平稳n 叫。 3 3 伺服电机运动控制 3 3 1 利用a c 6 6 5 1 卡编程控制伺服电机运动 由于在本实验系统中，需要根据一维位移平台的限位开关来控制伺服电机 的正反转，而且电机的转速也需要很方便的进行调整，因此，选择伺服电机的 位置控制模式，其指令脉冲输入形式如表3 2 所示，选择指令脉冲+ 指令方向输 入方式，p l u s 为指令脉冲信号，由驱动器的p l u s 2 脚输入，s i g n 为指令方 向信号，由驱动器的s i g n 2 脚输入，当s i g n 信号为高电平时，电机正转；反 之，电机反转。 表3 2 位置控制模式下的指令脉冲输入形式 p r 4 lp r 4 2指令脉冲信号类c c w 指令c w 指令 类型型 指令脉冲 p l u s 门门门l 门门门 o3 。一篙电章 i 低曼平 r + 指令方向 s i g n 为实现伺服电机的指令脉冲输入、自动换向、死锁等控制，需要若干开关 量控制信号和方波脉冲信号。选用北京双诺公司的a c 6 6 5 l 采集卡，在l a b v i e w 环境下编程来实现伺服电机的运动控制，a c 6 6 5 l 板卡具有3 2 路可编程开关量 和3 路脉冲、计数器( 一片8 2 5 4 ) 。 采集卡内置的计数器8 2 5 4 - 1 - 作于工作方式3 ：方波频率发生器模式，由于伺 服电机工作于位置控制模式，需要可调频率的方波脉冲，因此可以利用8 2 5 4 的 这一功能提供伺服电机的指令脉冲信号，通过改变计数器的初值来设置伺服电 机的转速，通常情况下，指令脉冲频率较小，因此需要对指令脉冲进行倍频， 如公式3 1 所示 ，：厂坐譬黑鍪坐 ( 3 - 1 ) r te - 4 b 式( 3 1 ) 中f 为编码器分辨率2 ，f 为指令脉冲频率，在本系统中f 即计数 器8 2 5 4 产生的方波脉冲频率，通过设置p r 4 8 = l ，p r 4 9 = 1 ，p r 4 a = 1 7 ，p r 4 b = 5 0 0 0 ， 经过上式计算可以得出指令脉冲频率为5 k h z ，也就是说8 2 5 4 计数器产生的脉冲 频率需要是5 k h z 。可以通过改变计数器的初值来设置伺服电机的转速，选择系 统时钟频率为1 m h z ，则伺服电机转速n 与计数器8 2 5 4 初值1 t i 的相互关系为： n = 6 0 x10 6 ( 5 0 0 0 xm ) ( 3 2 ) 例如电机速度采用n = 10 0 r m i n 时，可以设置初值m 为12 0 。8 2 8 4 脉冲程序流程图 如图3 - 2 所示，部分程序如图3 - 3 所示。 n 图3 2 计数器8 2 5 4 脉冲产生程序流程图 j a c 6 6 5 1s e t t m o d e 羹 i a c 6 6 5 1s e t t d a t aj i a c 6 6 51o p e n d e v i c e v ib 盥弛l ! 组强 a c 6 651 s e t t m o d e j i 曲i h 豳- 蚓羹 1 ! 凸a 强i ili j z a c 6 65 1 d o s e d e v i c e v i f 刚 峙i 。1 2 h i r 。l l l i 驴广犁 r 幽 i 勘穰嬲獗嘲 h a ，c 6 6 5 1 。s e 号 l u 3 2 i 隰 矧j 严 幽 r 曾掣画。 闭 l i i i - 1 l z i 目删 a c 6 6 5 l 还有3 2 路可编程d i o ， p o 5 ，由于p 0 3 口的高电平不稳定， 输出原理图m 3 。 系统中使用的是p 0 0 、p 0 1 、p 0 2 、p 0 4 、 因此没有使用。图3 4 为开关量的输入、 图3 4 开关量输入输出原理 上图中： 1 d o 是数据线的第0 位 2 d 1 0 0 ：开关量i o 通道0 3 d o c s 0 ：第1 组输出选通信号 4 d i c s 0 ：第1 组输入选通信号 5 o u t e b 0 ：i o 通道0 的输出允许信号 3 3 2 伺服电机的自动换向控制 伺服电机运动采用位置控制模式，在运动中必须实现自动换向，才能保证 一维位移平台的直线循环往复运动。一维位移平台的两端各安装有一个限位开 关，其内部连线图如图3 5 所示，其中，当工作台没有触到限位开关时，c o m 端与n c 端短路，与n o 端断路；相反，当工作台触到限位开关时，c o m 端与 n o 端短路，与n c 端断路。利用r s 触发器c d 4 0 4 3 的保持功能，设计电路来 控制伺服电机的自动换向。电路图如图3 - 6 所示，c d 4 0 4 3 的功能表如表3 3 所 示。 图3 - 5 限位开关内部连线 1 3 表3 3c d 4 0 4 3 功能表 输入输出 sre q xx o z llh q n lhhl hlhh hhhh 电机方向控制信号电路如图3 - 6 所示，图中的电机方向控制信号输入到驱 动器x 5 插头的s i g n 2 脚作为电机方向控制信号，当p 0 4 输出为高电平，p 0 0 输出低电平时，电机工作在自动换向状态下。工作台在直线导轨上做直线运动， 当工作台位置在两个限位开关之间时，也就是没有触到任何一个开关时，两个 限位开关的n c 端输出均为低电平，输入到c d 4 0 4 3 后，输出保持不变，所以 电机方向也保持不变，当工作台触到低位限位开关时，低位限位开关n c 端输 出为高电平，高位限位开关n c 端输出为低电平，根据c d 4 0 4 3 的功能表，触 发器输出为低电平，电机换向，工作台向高位运动；同样的，当工作台运动到 高位限位开关位置时，触发器输出为高电平，电机换向，工作台向低位运动， 从而实现了电机的自动换向。 图3 - 6 伺服电机方向控制信号电路 3 3 3 伺服电机的死锁控制 为了保证一维位移平台的运行安全，需要设计死锁电路，在死锁模式下， 工作台运动到极限位置时，伺服电机能够死锁，以确保一维位移平台的安全运 行。电机死锁控制电路如图3 7 所示。 1 4 使能 图3 - 7 伺服电机死锁控制电路 如图3 7 所示，伺服电机使能信号输入到伺服电机驱动器x 5 控制端子的 p l u s l 和s i g n l 端，当p l u s l 和s i g n l 均为高电平时，伺服电机使能；反之， 其中任何一个信号输入为低电平，伺服电机死锁。当p 0 1 为1 ，p 0 2 为1 ，工 作台在没有触到限位开关时，经过逻辑门电路后，伺服使能信号为1 ，伺服正 常运转；工作台运动到低位或高位限位开关时，伺服使能信号输出为低电平， 实现伺服电机的死锁，从而起到对一维位移平台的保护作用。 3 3 4 一维位移平台的零位信号电路 一维位移平台的低位限位开关旁安装有一个槽式光电开关t p 8 5 0 ，利用它 来确定工作台的零位。电路图如3 8 所示。 号 图3 - 8 一维位移平台零位信号电路 t p 8 5 0 的工作原理：t p 8 5 0 外形如图3 8 所示，槽式两端分别内置一个红 外发光二极管和一个光敏三极管，在槽的中间没有阻碍物时，发光二极管的光 可以顺利进入光敏三极管中，使光敏三极管导通；当槽的中间存在阻碍物，使 发光二极管的红外光无法被光敏三极管接收，从而使光敏三极管截止。一维位 移平台的工作台上安装有一个遮光铁片，当工作