（机械工程专业论文）无轴传动控制实验平台的开发研究.pdf

， 性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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了谢意。 签名：日期：叫踊 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：隈觊导师签名：日期： -， 摘要 摘要 m 1 1 1 1 i n 帅m m l l l l i y 17 8 7 9 3 3 在印刷业领域，无轴传动技术已经不再陌生，逐渐成为国际认同的新概念。 无轴传动技术提高了印刷的灵活性，改善了印刷的质量，简化了机械部件，提供 了较大的机械灵活性，降低了预处理时间，使得印刷机在高速运转时更加平稳， 消除了传统机械轴和齿轮箱传动的限制和缺陷从而改进了印刷质量，降低了制造 成本。人们从有轴技术的概念中走出来后，以极快的速度接受了无轴技术，并成 为了当前数控技术研究的热点。 由于现有的无轴传动技术基本上用于印刷或纺织机械，印刷机就作为了研究 无轴传动技术的必要设备，但现有条件下，无轴传动研究机构中昂贵的印刷机械 配备并不能得到普及，于是需要开发一套无轴传动控制实验平台，用于无轴传动 印刷设备中的功能测试，以相互独立的伺服电机组模拟印刷机上的胶印和柔印机 组，进行模拟印刷机离线实验：即测试无轴传动系统的运动和逻辑控制算法，在 工控机上运行控制程序控制伺服电机的启动、停止、加速、减速等运动功能；测 试无轴传动控制算法的可行性和可靠性；测试s e r c o s 从站的硬件和控制算法， p r o 劢u si o 从站数字量输入输出功能等。将研究出的无轴传动技术成果投入到 实际的生产中，进一步完善无轴传动技术在印刷业上的应用。 本课题的具体工作先使用3 d 绘图软件s 0 1 i d w b r k s 设计出控制实验台规格， 在工厂制作完成该实验台后再以软p l c 技术为平台，基于s e r c o s 接口技术， 设计无轴传动控制实验平台的软硬件部分，采用以工控机和现场总线通讯卡为主 的开放式控制平台，其中用s e r c o s 总线实现运动控制，p r o 舳u s 总线实现逻辑 控制，并采用符合i e c 6 1 1 3 1 3 国际标准的软p l c 软件c o d e s v s 为开发和调试工 具，完成无轴控制系统平台的软件开发，最终实现无轴伺服电机组高速，高精度 的运动和逻辑控制。 关键词无轴传动；软p l c ；p r o f i b u s 总线；s e r c o s 总线 目录 目录 摘要：j i a b s t j ? a c t i i 第1 章绪论：1 1 1 课题研究背景1 1 1 1课题来源。1 1 1 2 无轴传动技术研究现状与发展趋势：1 1 1 3 研究目的及意义3 1 2 无轴传动技术概述4 1 2 1 印刷机的共轴传动技术4 1 2 2 印刷机的无轴传动技术。5 1 3论文结构及主要内容。6 第2 章无轴传动控制实验平台的硬件结构7 2 1实验平台的构建7 2 2 本试验平台所用交流伺服电机简介9 2 3交流伺服驱动器的使用12 2 3 1系统基本配置连接1 2 2 3 2 驱动器面板示意图及各接口信号定义1 4 2 3 3 连接与配线1 5 2 3 4 接线和屏蔽1 7 2 3 5 驱动器和电动机接线1 7 2 3 6 试运转的安全规范1 7 2 4 本章小结1 8 第3 章无轴控制实验平台的现场总线控制。1 9 3 1实验平台的运动控制现场总线1 9 3 2 实验平台的逻辑控制2 1 3 3开发控制系统现场总线硬件平台2 3 3 4 本章小节2 5 第4 章c o d e s v s 软件体系介绍2 6 4 1 软件体系结构2 6 4 2c o d e s v s 的五种语言2 7 4 3软件中的功能组件及模块3 0 4 3 1 运动控制及其组件3 0 4 3 2h m i ( h u m a i lm a c l l i n eh t e r f a c e ) 人机界面3 0 4 3 3p l c 配置( p l cc o n 丘g u r a t i o n ) 一31 4 3 4 库文件管理3 1 4 3 5t a s k 任务调度3 2 4 4 本章小节3 3 第5 章c o d e s y s 设计平台的关键技术3 4 5 1运动、逻辑控制流程3 4 5 2同步运动控制：3 5 5 3 单轴运动控制模块3 9 5 4 逻辑控制程序的编写4 2 北京工业大学工学硕士学位论文 5 4 1 上使能逻辑控制- 4 2 5 4 2 准备控制4 3 5 4 3 运行控制4 4 5 4 4 低速控制4 5 5 4 5点动控制4 5 5 4 6 停止控制4 6 5 5 程序运行中的监控方法4 6 5 5 1i ，o 模块的状态监控：4 6 5 5 2 全局变量状态监控4 7 5 6 本章小节4 8 第6 章无轴传动控制实验平台的人机界面设计4 9 6 1可视化界面的编程环境4 9 6 1 1c o d e s v s 的可视化编辑器5 0 6 1 2 可视化界面的组成5 0 6 2 人机界面的设计。5 0 6 2 1 主界面的设计与运行方法5 1 6 2 2固定加速度监控界面5 3 6 3 本章小节5 3 结论5 4 参考文献5 5 攻读硕士学位期间发表的学术论文5 7 致j 射。5 8 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1课题来源 第1 章绪论 本课题来源于北京市科委项目印刷设备的无轴传动系统研究的一部分， 得到北京市先进制造技术重点实验室开放基金的资助。无轴印刷机的研制在我国 起步较晚，传统的依靠机械传动的共轴印刷设备同步性差、噪音高、体积庞大， 而发达国家已经广泛采用无轴印刷机技术，在各个方面都已经超越了传统的印刷 机设备。要用当前比较成熟的技术制造一台高标准，高精度的国产化无轴印刷机， 必然先要将这些基本的性能进行测试并实现，才能成功运用于印刷机上，那么该 测试平台就是本课题要开发的无轴传动控制实验平台。 1 1 2 无轴传动技术研究现状与发展趋势 近年来，国外几乎所有重要的印刷机制造商都己接受了无轴传动技术，印刷 企业用户和生产商都将目光聚集在无轴传动技术的发展上，因为这一技术与各类 印刷方式的结合将带来印刷业的巨大变革，也是对付目前日益增长的短版活市场 的最佳解决方案，并由此开发出了许多新型印刷机。由文献 1 5 可知，r e ) m 1 1 1 d r 锄a t 已经完成了无轴驱动的7 色机组式柔印机和卫星式柔印机的驱动和控制 解决方案。1 9 9 8 年1 1 月，w 协d n 0 1 1 e nh o l s c h e r 公司提出了个任意印量的卫星式印 刷机的概念，这个概念下的n o v o n e xc i 印刷机适合于中等宽度的( 8 5 0 1 1 1 i t l ， 1 1 2 0 n u n ，1 3 2 0 n 姗，1 6 2 0 m m ) 尺寸的卷筒纸印刷，其最大的特点是采用了数字 式无轴传动技术直接驱动版滚筒及网纹辊，能够无限变化印刷的重复长度( 从 3 0 0 7 6 01 1 1 i n ) 。卫星式无轴传动柔印机的每个印刷机组由7 个无轴传动的伺服电 机带动。其中4 个电机带动印版滚筒、网纹辊的前后移动，1 个控制印版滚筒的纵 向套准和转动，1 个控制印版滚筒的横向套准和印版滚筒的横行移动，1 个带动网 纹辊的转动。这套系统要考虑版滚筒圆周、承印材料厚度等所有的印刷过程参数， 省略了常规的齿轮调节方法来改变印刷尺寸。该系统使得印刷的网点轮廓更加精 确，减小了网点扩大和网点变形。装版后输入印版滚筒的印版滚筒周长，通过pl c 控制，使印版滚筒和网纹辊达到预印刷、预套准位置。大大缩短了印刷压力 和印刷套准时间，同时也节省了原材料。由于采用无轴独立传动技术，因此在更 换不同周长的印刷产品时，不需要更换齿轮。卫星式柔印机更换一个机组上的柔 性版滚筒和网纹辊仅需1 分钟，大大缩短了更换产品时换版滚筒和网纹辊所花费 国e r o m a c 公司推出的自动套准系统采用一个套准探头，控制卫星式柔性版柔 印机全部印刷机组的套准，而不像凹印机七色印刷需6 套套准探头和辅助电机。 当印刷产品出现套印不准时，套准探头通过p l c 直接驱动伺服电机调整印版滚筒 的纵向、横向套印位置，而无须通过辅助电机调整凹版印版滚筒的纵向套准。调 整所需时间短，消耗的印刷材料少。该系统可根据套准十字线自动套准，亦可根 据人工设定进行套准，以便解决在制版和贴版时产生的印刷图案与套印十字线之 间的误差问题。w & h 公司新开发的a s t r a f l e x c c i 卫星式8 色包装用柔印机， 主驱动装置、放卷收卷部件的驱动装置和牵引装置均采用了独立电机驱动技术， 最高印速为4 7 0m m i n 。赛鲁迪公司所开发的无轴传动软包装凹印机，最高印刷 速度可达5 0 0m m j n 。b h s 公司所开发的f 1 e x l i n ev a 商。机组式柔印机采用无轴直接 驱动的印版滚筒，消除了齿轮齿数所带来的限制。各印刷机组上分别带有各自独 立的伺服驱动机构和快速换辊系统，最高印速达5 0 0m m i n 。v a l h e n tr o t o m e c 公司所研制的p o t o p a k4 0 0 0 1 无轴传动凹印机，采用了e s ( 电子轴) 系统，不使 用套准补偿辊，在机器的加速和减速阶段，都可进行快速套准设定，可使机器的 稳定性增加。e s 概念使用全自动更换装置，不需要操作者的任何手动干预，最 高印刷速度可达6 5 0m m i n 。意大利c m r 公司的柔版印刷机包括模块式无齿传动 u v 型，速度为3 0 0m ，m i n 。由于这种新型的无齿轮无轴传动柔版印刷机展现出巨 大的潜能，在几乎每一道印刷环节中都将逐步扩大c t p 产品的使用率。u v 油墨 以及e b ( 电子束) 固化油墨已经在标签和折叠纸盒的印刷方面形成了比较稳定 的应用。今后还会在卫星式印刷机上应用，主要是用来印刷软包装材料。更高线 数的网纹辊的应用能够进一步提高精细印刷品的质量，尤其是高光和暗调区域的 渐变和阶调再现都会有所提耐6 7 1 。 我国在无轴传动技术的应用还处于实制阶段。目前，仅北人集团、上海高斯、 江苏宝南推出了样机。陕西北人和广东中山松德在卷筒纸凹版印刷机上也进行了 初步应用。国内无轴传动技术涉及的数控系统主要采用德国力士乐、伦茨的产品。 与印刷机结合的应用软件采用联合设计的方式解决。 最近，柔性版印刷机设计和技术发展的方向是，减少印刷准备时间，增加印 品质量，并且使印刷机达到最高生产效率和用户友好界面的目的。要达到该目的， 无疑要在新一代c i 柔印机上集成各种自动化和信息控制系统。这种要求可以各种 形式达到，从电动的印刷机自动定位到更高级的包括像计算机数控的印刷机系 统。后者还可以提供预套准功能，来控制印版滚筒传动装置在色版套准时完整啮 合到中心印压的过程。柔性版压印调节是控制柔印图像质量的关键因素。印刷人 第1 章绪论 员对印刷过程控制越精确，调节得越好，越容易控制印刷图像的质量。采用同步 电机( 步进电机或a c 电机) 和无轴驱动技术获得的先进的定位系统，能够省去 操作上的许多机械组件，并增加了其它的操作方式的配件。数字化控制电机可以 通过开放的计算机交互控制系统，进行远程或自动化控制。操作人员可以通过远 程操作平台，自动、动态地对各地区的柔印机的印刷过程进行精确设置。而数字 化的控制会增加集成系统的精确性。计算机将存储最后一次输入的印刷压力调节 设置，以确保印刷活件的重复性效果。最先进的计算机控制系统，像f n c3 0 0 0 ， 包括与“管理信息系统相联接的可能性，而所有的数据可以通过印刷机的计算 机传到任何办公地点。就尺寸来说，八色的柔印机，如果用于大幅面的印刷，或 是宽卷筒纸的印刷，尺寸会很大。因此，如果不考虑为这种印刷机安装自动化的 系统，在活件印刷转换时，油墨的变更、对网纹辊、刮刀夹和油墨输送管道的清 理工作，都会增加印刷准备的时间和人力资源的应用。随着直接控制技术与c i 设计的结合以及印刷长度的可改变性和机器调试时间的减少，改变了柔印过去难 以在大而变化的幅面上进行印刷的状况。我国山东泉林纸业有限公司就从德国 f & k 公司引进了一条采用无轴传动技术、幅宽1 3 0 0m m 的八色高速卫星式柔印生 线。车速可达每分钟3 5 0 米，较机组式柔印机快三四倍陋1 0 】。 1 1 3 研究目的及意义 现代科技的迅速发展，对工业自动化领域也提出了更高的要求，印刷行业靠 传统的机械长轴传动已无法满足高速、高精度、高效率的生产要求。采用伺服电 机的无轴印刷控制系统机械结构简单、精度控制更高，可以实现快速套准，且使 印刷过程实现了高度的自动化，是未来印刷技术的发展方向。由于国内基础零部 件研发基础薄弱，科研单位对无轴传动技术给与的关注不够，所以到目前为止， 国内开发的无轴传动印刷设备都是采用国外的系统和零部件，甚至连应用技术也 完全依赖国外开发。由于国外配套产品的高昂价格，使国产采用无轴传动技术的 印刷设备的成本大幅增加，损害了国产设备的廉价优势，对保持国产装备在国际 市场上的地位非常不利。因此，开发具有国内自主知识产权，高质量、低价格的 新型无轴传动系统是非常紧迫的任务。 对于无轴传动技术的开发研究，目前只能以实际的印刷机作为研究对象，而 以模仿无轴印刷机工作原理的离线测试平台，目前国内还没有研发记录， 本课题来源于北京市科委项目印刷设备的无轴传动系统研究的一部分， 其目的是利用国外硬件设备开发出具有自主知识产权的开放式无轴印刷控制系 统，为无轴传动印刷机实现完全国产化奠定理论和实践的基础，研究成果对我国 无轴印刷机的发展和应用推广具有重要意义。为了更进一步对无轴传动技术进行 研究，本课题研制和开发一套无轴传动电机离线测试平台，这是研究无轴传动关 北京工业大学工学硕士学位论文 键技术的实验平台，它为没有条件购置一整套印刷机设备的研 较低的成本进行离线的无轴传动实验，使得无轴传动研究脱离依赖于昂贵的印刷 机的现状，并将离线实验的结果广泛运用于生产当中，减小无轴传动技术产品研 发和生产周期，从根本上改变我国印刷设备技术落后的局面起到关键性作用。 1 2 无轴传动技术概述 第1 章绪论 1 2 2 印刷机的无轴传动技术 无轴传动技术( s h 棚e s s ) 又称为伺服传动技术，是印刷装备领域中最新， 发展最快的技术之一，它以相互独立的伺服电机驱动系统取代了传统印刷机中各 个机组由主电机、传动轴及齿轮等机械传动，通过网络，程序软件形成了内部虚 拟的电子轴，各电子轴通过现场总线进行高速的数据交换传输，各个版辊随虚拟 的电子轴运转，保证版辊相位严格同步。对印刷机结构、特别是对多色印刷机而 言，无疑是一个技术性突破，是传统印刷向数字化印刷发展的必然结果。如图卜2 所示。 图l - 2 无轴传动的机械结构 f i g 1 2 m e c h 蕊c a l 盯出t e c 哳e0 fs h a m e s s “v e 其优点主要有以下几个方面： 。 ( 1 ) 符合高速数字化印刷的要求。传统印刷机的机械传动系统在高速运转 时必然存在累计传动误差，需要复杂套准补偿机械装置，不能满足高速印刷的要 求。而无轴传动采用独立传动和数字化定位控制，各电机之间通过变频新技术， 使之保持相对同步，能达到所要求的传动比，且不会产生各机组之间因速差引起 的印刷故障，满足了高速印刷的要求。 ( 2 ) 容易进行故障诊断和处理。由于各无轴传动各传动部件之间的构件保 持相对独立，可以避免机组因磨损或其它方面因素造成的印刷故障等对相邻机组 的波及。也就是说可以避免产生多个机件、各种故障交织在一起的复杂状态。这 对故障的分析、判断和排除以及对印刷产品质量的提高是相当有利的。 ( 3 ) 省时。传统印刷机的换版和校准需要花费大量的时间，通常需要反复 尝试数次才能达到满意的结果，需要耗费数十张过版纸才能完成，费时又费材。 由于无轴传动技术实现了对每个滚筒的独立操作，这样换版、套准等工作可以独 立进行，从而大大缩短了印前准备时间，也大大方便了印刷中的调节工作。 ( 4 ) 降低能耗，减少噪音。无轴传动动力拖动路线短，自然降低了能量损 耗，而且滚动之间没有机械传动，减少了噪音。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 5 ) 具有很好的开放性。目前最流行的无轴伺服控制系统是采 的国际标准数字驱动接口s e r c o s ，然后通过一根无干扰光纤控制各部件之间的 同步。建立在开放平台上的系统能够自动协调和适应不同印刷机厂家所生产的印 刷机。 ( 6 ) 便于实现印刷流程的管理的数字化。印前、印中、印后流程的数字化 管理是印刷业发展的必然趋势。国外的印刷机已经大都采用了无轴驱动、自动换 版、自动传纸、联机色彩控制、中央控制系统等多种装置，实现了印刷流程控制 的一体化和自动化，采用无轴传动技术使印刷机集成到c i p 3 数字化工作流程中， 为客户的数字化印刷生产提供可能( 1 2 川】。 1 3 论文结构及主要内容 全文共分六章，采用“总一分总 布局结构进行论述。 第1 章介绍了课题来源和现状；简单介绍了共轴传动技术和无轴传动技术及 其区别；阐明了本课题的研究目的和意义； 第2 章介绍了无轴传动控制实验平台的硬件结构，包括实验台的设计制作， 伺服电机和伺服驱动器的使用方法与参数描述； 第3 章介绍了实现无轴传动控制实验平台运动控制和逻辑控制的两种总线设 计；给出了无轴传动控制系统的层次结构；给出了p r o f i b u s 和s e r c o s 无轴传 动印刷控制系统的框架组成。 第4 章简要介绍控制系统的软件平台所采用的软p l c 控制方案，叙述了软p l c 的编程环境c o d e s y s ，重点对软件的运行原理以及提供的组件功能、运动软件库 和t a s k 工作调度等重要功能进行了描述。 第5 章介绍了无轴传动控制实验平台的关键技术，主要有c o d e s y s 程序整体设 计的模块化理念，同步控制模块，单轴控制模块以及速度和逻辑控制，分别对各 个模块的设计和输入输出变量以及运用举例进行了详细的描述 第6 章介绍了无轴传动控制实验平台中的人机界面，并对控制过程中如何进 行操作进行了说明。 最后，对全文进行了归纳总结。、 第2 章无轴传动控制实验平台的硬件结构 第2 章无轴传动控制实验平台的硬件结构 本课题研制一套无轴传动电机测试平台，和实际的无轴印刷机类似，这套 实验平台上设置有五台伺服电机，模仿五个印刷机组运行，能够实现普通无轴印 刷机的各个基本功能，其中采用虚拟轴控制方式实现多轴间的相位同步运动，用 电子凸轮表实现较复杂的运动，如变速、变加速、往复等运动，还有单轴基本运 动控制的一些基本操作如上使能、回零、停止、报警，各种状态检测，根据需要 设计用户操作界面，可以显示电机的各种状态、相关参数如转速，加速度等，还 可以保存读取关键参数。见图2 1 。 图2 1 无轴传动控制系统体系结构 f i g 2 1 n es 饥l c n 鹏o fs h a f n e s sc o n 仃0 ls ) ，s t 锄 上图是无轴传动控制实验平台系统的总体框图，由上位机、p r o f i b u s 系统 和s e r c o s 系统组成。其中上位机包含操作控制平台与人机界面；p r o 丘b u s 系统 主要完成接口的电气控制；s e r c o s 系统主要负责控制伺服驱动系统。开发控 制系统硬件平台采用s e r c o s 总线实现运动控制，p r o 舶u s 总线实现逻辑控制。 2 1 实验平台的构建 先用3 d 软件s o l i d w o i s 设计出平台的尺寸，总长1 7 0 0 i l m ，宽4 0 0 m m ， 平台上三条螺丝槽固定五个电机，为方便移动，设计四个轮子。设计如图2 2 ， 图2 2 全视图 f i g 2 2 t h es h a f n e s s 缸u 、，i e w 麓睦t u出u 群o ；f ”锄 髟。翟缓 !c ! 第2 章无轴传动控制实验平台的硬件结构 a ) 装配实物图a a ) t h et 1 1 r ef i g u r cao ft 1 1 es h a r l e s sc o n 缸0 1b 鹊e d b ) 装配实物图b b ) t h et u r ef i g i 】r ebo ft h es h a f n e s sc o n 缸0 lb 雒e d ， 图2 5 装配实物图 f i g 2 - 5 t h et l 盯ef i g u r eo fs h a f h e s sc o n 廿0 1b 勰e d 2 2 本试验平台所用交流伺服电机简介 由于国外的无轴传动印刷机普遍使用德国博世力士乐公司的驱动器和伺服 电机，为了加强国产化，现采用北京首科凯奇电气技术有限公司生产的c s d 数 字交流伺服驱动器和电机系列产品，c s d 系列数字伺服系统是集微电子技术、 电力电子技术及先进的控制理论等领域最新成果为一体的高新技术产品【1 4 】。 北京工业大学工学硕士学位论文 交流伺服电机选择北京首科凯奇1 4 0 n y s l 3 0 型5 台，参数：额定功率 5 3 k w ，额定转速3 0 0 蛐( 3 0 0 0 线) ，增加4 倍频，精度能达到0 0 1 度。配 1 0 0 0 0 线增量混合式编码器；驱动器：额定电流1 0 a ，额定功率6 k w ，配 s e r c o s i i 接口。 a ) y s 系列交流永磁电机外形尺寸图 a ) 1 1 l ed i m e i l s i o n so f n y sa cm e m 锄e n tm a g n e tm o t o r b ) n y s 系列交流永磁电机实物图 b ) t h ep h y s i c a l 、，i e wo f n y sa cp 髑【i l a i l 锄tm a 印e tm o t o r 图2 6n y s 系列交流永磁电机外形尺寸图和实物图 f i g 2 6n ed i l l l 髓s i o i l s 锄dp h y s i c a lv i e wo f n y sa cp e m a n e i l tm a g n e tm o t o r - l o 第2 章无轴传动控制实验平台的硬件结构 外形尺寸如表2 1 。 表2 1n y s 系列交流永磁电机外形尺寸表 t a b l e2 1n es i t a b l eo f n y sa cp 锄龃tm a g n e tm o t o r 电机型号 5 6 s5 6 s z7 1 s7 1 s z9 0 s9 0 s z 5 6 m5 6 m z7 1 m7 1 m z 9 0 m9 0 m z 尺寸名称 9 0 l 19 0 l 1 z 5 6 l5 6 l z7 1 l7 1 l z 9 0 l 29 0 l 2 z 基本尺寸 1 91 92 42 43 23 2 d 极限偏差 + 0 0 1 5+ 0 0 1 5 + 0 0 1 5 + 0 0 1 5+ o 0 1 8+ 0 0 1 8 + 0 0 0 2 + o 0 0 2 + o 0 0 2 + 0 0 0 2 + o 0 0 2 + 0 0 0 2 基本尺寸 4 04 05 05 05 85 8 e 极限偏差 + o 3 1+ o 3 1+ 0 3 1+ o 3 1+ o 3 7+ o 3 7 一o 3 1一o 3 10 3 l一o 3 l一o 3 7一o 3 7 基本尺寸 6 6 8 8 1 01 0 f 极限偏差 oo0ooo 一0 0 3 0o 0 3 00 0 3 6o 0 3 6一0 0 3 6o 0 3 6 基本尺寸 1 5 51 5 52 02 02 72 7 g 极限偏差 0 o 0oo o 一o 1 0 0o 1 0 0一o 2 0 0一0 2 0 0o 2 0 0一0 2 0 0 m 基本尺寸 1 3 01 3 01 6 51 6 52 1 52 1 5 基本尺寸 1 1 01 1 01 3 01 3 01 8 01 8 0 n 极限偏差 + 0 0 1 3 + o 0 1 3 + 0 0 1 4+ 0 0 1 4+ o 0 1 4 + o 0 1 4 0 0 0 90 0 0 9一o 0 1 10 0 1 10 0 1 10 0 1 1 p 基本尺寸 1 1 61 1 61 4 01 4 01 8 61 8 6 s 基本尺寸 991 11 11 41 4 基本尺寸 3 5 3 5 3 53 54 4 t 极限偏差 oo00o0 一0 1 2o 1 20 1 20 1 2一0 1 2一o 1 2 2 0 82 5 32 3 82 9 3 82 6 63 4 2 4 l 基本尺寸3 1 l3 8 7 4 2 3 82 8 32 7 43 2 9 8 3 5 64 3 2 4 2 6 83 1 33 1 03 6 5 8 4 0 14 7 7 4 l 2 基本尺寸 1 21 2 1 5 1 52 02 0 h 基本尺寸 1 5 81 5 81 7 01 7 01 9 31 9 3 北京工业大学工学硕士学位论文 2 3 交流伺服驱动器的使用 2 3 1系统基本配置连接 交流伺服驱动器的系统配置连接如图2 7 所示。 图2 7 上位机与伺服系统连接示意图 f i g 2 - 7 n ec o 衄e c t i o nd i a g r a mp ca n ds e r v os ) r s t e m 1 2 - 第2 章无轴传动控制实验平台的硬件结构 标准连接如图2 8 所示。 增量编 弼器 。嬲滋r q 时n i 呱3 r 1 s 器磺曾垒嗽群锻宅 缀麓您囊i 2 5 m 。 绎勉数狂1 0 忡) _ _ 电媛肆= = ： 南卜_ 二、z 1 j ，5 1 澎爷二_ 。j 、一一，一，。 甏鸳盔嚣勉缀 1 一 耋：礁鉴： - - _ - _ _ _ _ - - - _ _ _ _ - _ 龟澎 畿孰籀 饲溅飘动嚣 雹执段缓终 v 8 p “噱堪 嚣数 籀 2 魄 翻丸舔 审屏藏笈滋绶插矢连接 p r s t 涵嘏 r s ，2 3 2 鼍囊冲彩 纷纷糖冬 钐零缝 敷狰獭 使麓厦该 移髻恐 该缀软辫夸聿 羧琢挎夸 韶旄缝 爨影毖雅浇 日敬勉磊轻+ 缀佟 飘零钇 嬲零侈镌令 蚴黢锐貔 好魏毒孔v 静赫黟嘭鳓 鬻零宅嫒壤 勉疆络弼 冉8 礅翔一露瑰，。 聃龟毒l 冲 一a 囊农窘- 2 扩 易鸟电气艇糨体连接 c o m 漩彩 黢铡巍 繇摔率搿令 办志j 2 i ， 滋甏a 取魃 狰矗翔疋 眩踟锯躲冲 ：骥整纷 唆缀蠕i 塞分 教纛警畿缆力 轨舀曩，2 罐￥ + 熬y 轮譬蟹 l 。整毫 l o 篱震缝 鲶磊澎艘院力貔焉是2 4 铲 户l e 上豫致霉 器旋巾阚绺礓互嚣 图2 8 标准连接图 f i g 2 8n es t a i l d 枷c 0 1 1 n e c t i o nd i a g r a m - 1 3 锯护天地伊) 旌援 北京工业大学工学硕士学位论文 2 3 2 驱动器面板示意图及各接口信号定义 c s d 系列数字伺服驱动器的机械尺 l 1 ：2 4 4 唧 l 2 ：1 3 2 唧 l 3 ：2 7 5 姗 l 4 ：1 2 9 砌 f i g 2 9 1 1 1 es c h e i n a t i cd i a 鲫lo ft h e “v ep 锄e l 数码管显示信息及定义如图2 1 0 所示： 嚣承鹞 国 l 盔彖薅 固 擞幂鹞 圆荔 标准字体h l 檬准掌体 c檬准事体d 笈绪信息龟瓤恐笼 冀被薅缆惠 荛翰踢泣热敏黪德惠餐以鹈敬赫 曩示鹚 口 l 置幂璃 固 燕豢谒 目荔 标准字体l l 缘灌宰镕 撂覆雩霉i 敌麓德急l 可垅凌 l 敌落信息 囊蝴熬滋蕊 故昝继基电叛效热 嚣示弱 固 曩示秘 圆 麓示鹞 囵| 。掾准宇体括准宰体 标准字德 c 簸雅缓意生翰纺灾疆 敏簿绲患功窭软纪功数戳坟簿值g 疆瓣奶始纯敛誊争 露承强 国 嚣器璐 圈 曼承秘 囵 椽灌字体 檬翟字体 f 掾准字律 l 畿昝德急 浮鬻电磁艘珞 敷簿绥毫 _ 耋= 秘终跫琵笈陵织孽 虎馨款豁弦裙 盛承礴 圜 墨象舀 团 麓承璃 囵 缘灌宇体 3 檬准字体 j 振琏字体 l 敛麓德患忿蹬缝缀鼗 敬臻留雾 魄滋恐致敬跨氆巷餐弼嚣故簿 图2 一1 0 数码管显示信息及定义 f 培2 - 1on ed i 西t a ld i s p l a yo fi n f 0 咖撕o na n dl h ed e 缸i t i o n - 1 4 第2 章无轴传动控制实验平台的硬件结构 2 3 3 连接与配线 伺服系统工作时，在输入、输出的功率驱动电缆中流过的高频大电流信号将 对外界产生较强的电磁辐射，不仅会影响其它设备，甚至会使自身受到干扰。 而伺服系统传输的模拟命令信号和光电编码器信号的精确性和稳定性则是保证 自身良好运行的基础。对这些信号必须加强抗干扰措施，正确的信号连接和配线 方案是重要的基本措施之一。 配线中遵循以下基本原则： 注意辅助设备的正确布局；严格按照手册中的规范要求选择电缆、接插件和 线鼻子等的规格、型号；强弱电缆必须( 左、右或上、下) 严格分开布放；在信 号连接时，不仅要确认信号定义的对应关系，还要注意信号电气特性( 如电流和 电压) 的匹配；正确连接屏蔽点；正确连接各类信号的参考地线，将信号间的串 扰减到最小；良好的连接保护大地；将不仅提高设备使用的安全性，而且能够大 大改善装置运行的性能； 伺服驱动装置的供电回路需要与低压电器等外围辅助设备( 部件) 连接。 下面扼要说明这些外围辅助设备的应用，如图2 1 1 所示。 1 供电输入： c s d 系列交流伺服驱动装置的供电输入为电网三相交流电压3 8 0 ( 或2 2 0 ) v a c ： 检查确认输入电压等级符合订货产品规格。交流电压输入侧r 、s 、t 没有相序要 求、无需引入电网零线。 2 空气开关： 使用与订货产品电压、电流等级匹配的空气开关。用于伺服系统控制回路上 电断电( o n 0 f f ) 。勿用空气开关作伺服系统的运转停止切换功能。 北京工业大学工学硕士学位论文 a l 一 乡 横电输入a c 3 钓v 袭囊c 2 v 。 或使用机械制 性。不能用交 第2 章无轴传动控制实验平台的硬件结构 对使用大容量供电的情况下，需要使用电抗器以改善供电电源的功率因数。 电抗器可以吸收电网对伺服系统的干扰。当伺服系统总功率小于1 5 k w ，而供电 电源容量大于6 0 0 k v a 时，建议接入电抗器。 5 带防浪涌输入滤波器： 可以提高系统的e m c 能力，降低电网对伺服系统的干扰。为了保证伺服驱 动器免于电网和雷电干扰而可靠的工作，您应在伺服驱动器前装浪涌抑制电源滤 波器。 2 3 4 接线和屏蔽 与伺服驱动器相连接的线有两类：电源线和信号线在控制箱内，电源线和 信号线至少应隔开5 0 m m ，线路的走向只能以直角相交叉。 控制柜内引到伺服驱动器的信号线( 逻辑或模拟信号) 。应布于金属屏蔽层 中。该金属层必须与交流电源、电动机电源导线、或其它电源设备线路相隔离。 所有连接到伺服放大器的控制信号都必须用双绞线电缆传输。这种电缆每 2 0 i m 至少有一个扭曲，以减小耦合感应噪声。光电编码器的连接线和模拟信号 输入线，也必须采用带屏蔽的双绞电缆线。 2 3 5 驱动器和电动机接线 伺服驱动器配线共四条电缆：编码器信号反馈电缆、伺服电动机驱动电缆、 电网供电电缆和制动电阻连接电缆。其中，编码器信号反馈电缆为1 5 芯多股双绞 双屏蔽缆，伺服驱动器侧采用1 5 芯d 形插头( 针) 。电机驱动电缆为3 + 1 芯y z w 缆， 伺服驱动器侧采用三脚插头伺服电动机侧采用四芯航空插头。制动电阻连接电缆 为2 芯y q w 缆，伺服电动机侧采用五芯航空插头( 孔) ，为主回路供电的动力( 输 入) 电缆为3 + 1 芯y z w 缆，伺服驱动器侧采用螺钉锁紧端子头，电网侧采用三相 三线制供电并带保护大地线。 2 3 6 试运转的安全规范 1 确认供电电源电压等级：3 8 0 v a c 或2 0 0 v a c 2 确认伺服系统及辅助设备各个电缆已经正确连接； 3 确认保护接地状态良好； 2 4 本章小结 本章详细介绍了无轴 硬件基础，包括实验平台 伺服电机和驱动器的使用 器是代替传统共轴印刷机 第3 章无轴传动控制实验平台的现场总线控制 第3 章无轴传动控制实验平台的现场总线控制 世界上现有的无轴传动系统都采用高速现场总线作为整个系统的通信平台。 现场总线是应用在生产现场，在微机测量控制设备之间实现双向串行多结点数字 通信的系统，被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络【1 5 】。它把控制彻 底下放到现场，现场的智能仪表就能完成诸如数据采集、数据处理、控制运算和 数据输出大部分现场功能，只有一些现场仪表无法完成的高级控制功能才由上位 机来完成。而且现场节点之间可以相互通信实现互操作，现场节点也可以把自己 的诊断数据传送给上位机，有益于设备的监控和管理。 本章分析无轴传动系统的现场总线特点，给出了无轴传动系统的总线层次控 制结构。 3 1 实验平台的运动控制现场总线 无轴传动系统需要实现多个运动轴的同步运行，运动控制系统和各伺服系统 之间要传递大量的信息。实验平台的运动控制系统采用工控机+ s e r c o s 主卡， 伺服驱动器+ s e r c o s 从卡的基本控制模式，以s e r c o s 接口作为通讯总线以光缆 环进行联接u 引。 s e r c o s ( s e r i a lr e a 卜t i m ec o 咖u n i c a t i o ns y s t e m ) 接口是数字控制系统 中连接数字控制器、驱动器、执行机构以及输入输出部件，在彼此间进行串行实 时通讯的国际标准( i e c 6 1 4 9 1 ) 【1 7 】。传统的数控系统采用模拟接口，由于模拟接 口对噪声敏感，分辨率有限，信号漂移不可避免，每次只能在一个方向上传送一 个命令，接线复杂导致干扰量大及安装难度高等弱点，严重限制了数控系统的性 能。在数字驱动器问世后，模拟接口越来越不能满足人们对数控系统开放性、模 块化、高速化、多轴分布控制的需求。s e r c o s 总线是专门为开放式数控系统设计 的现场总线。虽然它的通信速度并不高( 1 6 m ) ，但特别的同步机制可以保证将同 步误差控制在1 微秒以内，所以特别适合于控制多台伺服驱动器的高度同步运动。 1 9 9 5 年国际电工委员会( i e c ) 正式接纳s e r c o s 接口为运动控制总线的国际标准 i e c 6 1 4 9 1 。从2 0 0 2 年4 月起，我国也将s e r c o s 接口纳入国家标准g b t 1 8 4 7 3 2 0 0 1 。 尽管国际上有些无轴传动系统供应商采用其它现场总线( 如p o w e r l i n k 等) 作为 同步通信平台，但绝大部分无轴传动的印刷机都采用s e r c o s 总线结构。大量的应 用实例证明，s e r c o s 接口是最适用于无轴传动系统的现场总线。 s e r c o s 选择光纤作为通讯介质，因为它具有固有的噪音免疫能力，尤其是 对于大电流驱动系统特别重要。在通讯结构上，s e r c o s 设计了一个环形结构， 采用主站从站通讯模式，在该模式下控制器扮演主控者，驱动器只允许对控制 北京工业大学工学硕士学位论文 器的请求做出响应，控制器与光缆之间的连接件称为主站。主站指挥和控制在一 个环上的所有通讯。一个或多个驱动器和光缆环之间的连接件称为从站。一组驱 动器可以被群集在一起，通过一个从站连入环中。通过光缆和标准化的连接件构 成的传送段，使各个从站( 驱动器) 彼此连接。在环内交换的信息完全取决于控 制器和驱动器间的任务分配。信息的直接交换仅仅发生在控制器和驱动器间，而 不是在驱动器之间。 s e r c o s 接口周期时间以下列方式灵活地选择：6 2 5 微秒( ps ) ，1 2 5us ， 5 0 0us ，1 毫秒( m s ) 的整数倍。s e r c o s 接口控制器s e r c o n 8 1 6 是一个s e r c o s 接口通讯系统的大规模集成电路，支持8 m i t s 和1 6 m b i t s 的数据通讯速率。对在 1 6 m b i t s 下的s e r c o s 接口实际数据通讯速度已接近于1 0 0 i t s 的以太网。 s e r c o s 接口采用3 2 位的数据值，所以它有很高的分辨率。s e r c o s 从站通信单元 的内部结构如图3 1 所示。它由五个部分电路所组成，s e r c o s 接口电路实现与标 准s e r c o s 总线的通信功能，它主要由s e r c o s 接口通信专用芯片、接收器件组成。 s e r i 从机m -相位环高分辨 ) s as e r c o s ，uy 一 调节器率d a 总线接口 输出线 吖 高分辨率角度 j l 编码器接口 砭辑l u 按l j 图3 1s e r c o s 从站通信单元结构 f i g 3 1 s e n ：o ss l a v es t a t i o nc o i n m u n i c a t i o nu n i ts 仃u c t l l r | e 由于运动控制系统中，运动控制器与伺服驱动之间数据交换的实时性和同步 性至关重要。为了保证数据的实时性和同步性，必须根据交换的数据量大小规定 s e r c o s 通讯的时序图，保证在一个周期内实现对所有周期数据的访问，并严格 测试在实时进程内用户处理数据所需时间，将结果输入到时序图中以便调整命令 值和反馈值送到共享内存的时间，避免出现在一个通讯周期内的访问冲突。在计 算机p c i 板卡上插入s e r c o si i 卡后，其内嵌的软件即完成以上工作，虽然各个 驱动器接受和发送数据的时刻不同，但它们的有效时刻是一致的，即在控制系统 发出中断、送出m s t 信号( m a s t e rs y l l c h r o i l i z a t i o nt e l e 酉a 加：主