（机械电子工程专业论文）专用机床运动控制系统开发研究.pdf

坠尘堡三些叁兰三兰丝! ：兰竺丝兰 摘要 本文主要任务是设计金傅材料冲击试样一体化自动加工机床的运动控制 系统。在分析了国内外多种类型的运动控制系统的基础上，结合专用机床的 具体情况，设计了一种包含两个功能模块的运动控制系统。一个为p l c 模 块，负责各个工序之间动作的协调一致，及工件的搬运、翻转等。一个为伺 服控制模块，将n i 的虚拟仪器技术应用到伺服控制系统中，控制各个丁：序 的刀具进给运动，结合机器视觉技术来保证加工成品的质量。两个模块相互 通讯、相互触发，从而构建适用于多工位零件加工的专用机床自动控制系 统。 p l c 模块的设计主要包括硬件和软件两个方面。根据实际情况，对硬 件做出选择。设计了模块的控制流程图，在此基础上，编制梯形图程序实现 所期望的运动。在设计流程图的同时，考虑到与伺服模块的通讯。在p l c 的主控制单元上，留有相应的i o 触发口。 本论文对运动控制系统的伺服模块做了重点研究。体现了虚拟仪器技术 在运动控制方面的应用。在硬件上，选择n i 公司的n i 7 3 4 4 四轴运动控制 卡作为控制器，对四个负责切削进给的伺服电机进行控制。根据不同的控制 要求，分别用速度环模式和位置环模式控制伺服电机。硬件系统搭建完毕 后，对伺服电机进行了调试，通过对p i d 参数和速度环增益等参数的调 节，使系统达到较好的运动性能。在软件上，用n i 的l a b v i e w 软件来编 制伺服系统的控制程序，使控制对象按照所期望的轨迹运行。此外，程序中 还留有机器视觉模块的接口，可以方便地与机器视觉技术相结合。最后，对 结合机器视觉实现具体的加工过程进行了研究，这对于专用机床运动 卒制系 统的进一步开发有重要的参考价值。 本系统操作简单方便，运行安全可靠，并配备了详细的软硬件说明书， 为下一步现场调试奠定了峰实的基础。 关键词运动控制；虚拟仪器；伺服控制 堕尘鎏三些奎兰三兰竺兰丝篁三 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，as e to fm o t i o nc o n t r o ls y s t e mf o rac u s t o m i z e dm a c h i n e t 0 0 1h a sb e e nd e v e l o p e dw h o s em a i nf u n c t i o ni st om a n u f a c t u r em e t a lp u n c h s a m p l e s a f t e rr e f e r r i n gt oo t h e rs u c c e s s f u ic a s e si nt h i sf i e l dh o m ea n da b r o a d ， t h i sm o t i o nc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e do nt h eb a s eo ft h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h e m a c h i n et 0 0 1 t h ew h o l es y s t e mc o n s i s t so ft w ob l o c k s o n ej sp l cc o n t r o l b l o c k ，w h i c hh a n d l e st h ec o n n e c t i o no fd i f f e r e n tw o r k i n gp r o c e d u r e sa n dt h e a u t o m a t i o no ft h ew h o l e p r o d u c t i o nl i n e i ti sa l s oi nc h a r g eo f t h et r a n s p o r t a t i o n a n dt h er o t a t i o no ft h ep a r t st ob eg r i n d e d t h eo t h e ri s s e r v oc o n t r o lb l o c k c o m b i n e dw i t hi m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e m ，t h i sb l o c ki sr e s p o n s i b l ef o rt h eq u a l i t y c o n t r o lo ft h ep r o d u c e s t h et w ob l o c k sa r ec r o s s - c o m m u n i c a t e di nt h i sw o r kt o r e a l i z et h ea u t o m a t i o no f t h e s y s t e m t h ed e s i g no ft h ep l cc o n t r o ib l o c ki s c o m p o s e do ft w or e s p e c t s ：t h e h a r d w a r ea n dt h ep r o g r a m h a r d w a r eh a sb e e np r o p e r l yc h o s e na c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n t so f t h es y s t e m s o f t w a r ec o d e sh a v eb e e nw r i t t e na c c o r d i n gt ot h e f l o wc h a r to f e v e r yp r o c e d u r et oc o n t r o lt h em o t i o n t h ee m p h a s i so ft h i sd i s s e r t a t i o nh a sb e e np l a c e do nt h ed e s i g no ft h es e r v o c o n t r o ib l o c k i nt h eb l o c k f o u r a x i sn i 7 3 4 4 c o n t r o lb o a r di sm a i nc o n t r o l l e r a n di nc h a r g eo fc o n t r o l l i n gf o u rs e r v om o t o r s i na c c o r d a n c ew i t ht h es y s t e m s r e q u i r e m e n t s ，t h ef o u ra x e so p e r a t er e s p e c t i v e l yu n d e rp o s i t i o nc o n t r o lm o d e a n d v e l o c i t y c o n t r o lm o d e s e r v ot u n eh a sb e e n d o n et od e t e r m i n et h ep i d - p a r a m e t e r sa n dv e l o c i t yg a i n s ，s ot h a tt h es y s t e m c a nr e a c ht h eb e s tp e r f o r m a n c e l a b v i e w - b a s e dp r o g r a mc o n t r o l st h em o t i o no ft h ea x e s i na d d i t i o n s o m e a d j u s t m e n t s h a v e b e e nm a d ei nt h e p r o g r a m t o p r o v i d e ai n t e r f a c et o a c c o m m o d a t e i m a g ea c q u i s i t i o n b l o c kw h i c hi sn o tt h ec o n t e n to ft h i s d i s s e r t a t i o n i ti se s p e c i a l l ym e a n i n g f u lf o rf u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h es y s t e m t h es y s t e mi sc o n v e n i e n t ，s i m p l ea n ds a f ei na p p l i c a t i o n ，a n de q u i p p e dw i t h m a n u a l i to f f e r sac o n v e n i e n tb a s ef o rf u r t h e ra d j u s t m e n to ft h ep r o d u c t i o nl i n e k e y w o r d s ： m o t i o nc o n t r o l ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，s e r v oc o n t r 0 1 i i 哈尔滨工业人学t 学埘l 学位论殳 1 1 引言 第1 章绪论 在各钢铁企业及有关科研部门的日常生产和新产品研制过程中。进行冲击 试验是产品质量控制必不可少的基本任务之一，尤其在产品质量管理f = _ 趋制度 化的今天，原材料的质量控制越来越显得重要，而材料性能测试是金属材料质 量控制的根本保证。所以，试验方法和相关的保障手段足冶会行业和有关科研 部门的重要研究方向。 各冶金企业所有的产品，都必须进行冲击性能的试验研究。特别是许多钢 厂的产品主要为各种规格的钢板，国家标准要求6 m m 以上钢板均须做冲击试 验。据了解，仅一个钢厂的技术中心就需要完成3 0 0 件同以上的冲击试验， 生产一线车间的试验量更大，任务相当繁重，而冲击试样加工的工作量又是实 际试验工作量的两倍以上。因此，钢铁冶金行业对冲击试件加工的工艺改革和 简化要求迫切，为提高试件加工效率而发计金属材料冲击试样一体化自动加工 机床有着非常重要的实际意义。 各钢铁企业的工程技术人员普遍认为，实现冲击试样一体化自动加【技术 上难度较大，但无论如何，丌发自动化高效率冲击试样加 _ 殴备也是材料试验 研究相关技术发展的必然趋势。他们认为，冲击试件的方便加工设备具有相当 大的市场需求，般一个实验室或生产车问都应各两台这类设备，估计仅冶金 行业就需要百台以上。同时，在冶会、铁道、造船、重型件锻造企业也都有很 强的需求。 广泛的市场分析、深入的技术可行性研讨证明，丌发研制金属材料冲击试 样一体化自动加工机床，不仅是必要的，而且是可行的。现代科技的发展，特 别是计算机技术、检测技术和自动控制技术以及相关软件的发展为高水平的自 动化加工装置的研制奠定了坚实的基础，科学的运用传统的 艺技术手段，结 合现代的测控技术，就可以实现这目标。 在传统机械加工技术方面，我们有成熟的技术加以利用，而美国n i 公司 坠! ：堡三些全兰三兰竺! ：兰竺尘兰 推出的以计算机应用为背景的代表全新测试与控制技术的虚拟仪器技术，以及 成熟的日本松下可编程序控制技术为这种专用自动化机床运动系统的搭建和开 发提供了很好的工具，使得快速、高质量的产品丌发成为可能。因此，本研究 方向的前景十分乐观。 1 2 课题来源 本课题来自齐齐哈尔华工机床制造有限公司。为提高金属材科冲击试样的 加工效率，齐齐哈尔华工机床制造有限公司与哈尔滨工业大学测试中心联合丌 发金属材料冲击试样体化自动加工机床。本课题为其中的子项目，负责机床 的运动控制系统设计。 1 3 课题研究的意义 完成本课题的意义有三个方面：一方面，各冶金企业所有的产品，都必须 进行冲击性能的试验研究。钢铁冶金行业对冲击试件加工的工艺改革和简化要 求迫切，为提高试件加工效率而没汁金属材料冲击试样体化自动加工机床有 着非常重要的实际意义。 另一方面，虚拟仪器技术虽在国内逐渐受到工程界的重视，但主要是在数 据采集和测试方面的应用较多，而在运动控制方面比较少。所以本项目拟运用 n i 公司的l a b v i e w 软件与n i 7 3 4 4 智能运动控制卡等硬件相结合，构成功能 强大的适时检测与运动控制系统，这些丌发工作不仅可以解决冲击式样一体化 加工的实际问题，而且对于更广泛的应用l a b v i e w 软件及n i 公司的各种硬件 产品，在国内多种行业开发现代的、适用的测控系统更具有实际意义。 最后，一般的运动控制系统只包含个控制器，根据系统的实际需求，本 课题利用n i 一7 3 4 4 智能运动控制卡所提供的数字i o 口与p l c 运动控制模块十r 互通讯，从而实现整个运动控制系统的集成。在系统实际需求的慕础上，进行 了一些新的尝试，有一定的创新意义。 喻尔滨工业大学丁学硕士学位论义 1 4 运动控制系统的组成和发展 运动控制系统是以机械运动的驰动设备一电动机为控制对象，以控制器为 核一t l , ，以电力电子功率变换装置为执行机构，以自动控制理论为指导的电气传 动系统【”。运动控制的实质是根据预定方案，将上位控制系统做出的决策命 令，变成期望的机械运动，以得到确定的位置、速度、加速度或特定的运动形 式【2 1 。 1 4 1 运动控制系统概述 一个完整的运动控制系统通常由上位控制器、执行电机、机械传动机构和 位置检测元件等组成口j ，其结构如图卜1 所示。 上位控制器将分析、计算所得和决策命令以数字脉冲信号或模拟电压信号 的形式送到电机驱动器中，驱动器进行功率变换，并驱动电动机按上位控制器 的指令转动。上位控制器通常是运动控制卡、具有运动控制功能的p l c 、数控 系统( c n c ) 或单片机系统等。位置检测装置有脉冲编码器、旋转变压器、感 应同步器、光栅、磁尺及激光干涉仪等。 图1 1 运动控制系统的基本结构 f i g1 1 t h eb a s i cs t r u c t u r eo f t h em o t i o nc o n t r o ls y s t e m 1 4 2 运动控制技术国内外发展现状 在国外，运动控制已成为一个专门的产业，一大批厂家正在不断丌发这方 面的新技术。从上位控制单元来说，有美国d e l t at a u 数字系统公司的基于 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 技术的p m a c 运动控制器，其特点在于功能强 大，适用于要求进行复杂运动控制的场合；奥地利的b & r 工业自动化公司的 新一代可编程计算机控制器p c c ( p r o g r a m m a b l ec o m p u t e rc o n t r o l l e r ) ，它采用 哈尔滨丁业火学i 。学坝l 学位论文 分时多任务机制构筑其运行软件的运行平台，这样应用程序的运行周期与程序 的长短无关，而是由操作系统的循环周期决定 4 】。从执行机构来说，有n 本松 下公司的m i n a sa 系列交流倒服系统，以其性能卓越，体积小巧而著称；德 固伦茨公司的9 3 0 0 系列交流伺服系统，其特点在于其伺服系统对不同行业， 配有具体应用的软件包，可柔性实现自动化方案；美固科尔摩根的 p l a t i n u md d l 系列直线电机，其特点在于直接提供推力给负载，能提供很 高的动态响应速度和加速度p 。j 。 国内在这方面的技术和产品相对落后，但各种品牌的运动控制产品正在各 个行业越来越广泛地得到应用。些科研单位和高校，也桐继丌发出交流伺服 系统，如华中数控、广州数控、开通数控等。这些系统大多与各自的数控系统 配套，较少应用于其他运动控制场合。在工业生产中使用的电动机主要是交流 电动机中的三相异步电动机。随着功率半导体器件的发展和变频器与矢量控制 技术的应用，三相异步电机的应用已发展到一个崭新的阶段，在控制精度，凋 速范围，力性能指标等各项技术性能方面均不亚于电流电动机【7 1 。 1 5 本文的研究内容 本文的研究内容主要有以下几个方面。 在分析机床的总体结构及零件的加工流程的基础上，根据具体部分的控制 要求，设计运动控制方案。 设计p l c 控制模块，由机械手完成零件的搬运、翻转和三道工序问的连 接。其他的辅助机构实现零件加工的自动化。 运动控制系统伺服模块设计是重点研究内容，它体现虚拟仪器技术在运动 控制方面的应用。本文从硬件和软件两个方面对伺服模块进行研究。选择合适 的控制模式，与软件结合进行调试，直到调试的结果达到系统的要求。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2 章机床运动控制系统及其关键技术 2 1 自动加工机床结构布局及零件加工流程 对于一个机电一体化系统来说，其运动控制系统与机械结构部分是密不可 分的。机构布局决定控制方式的选择，而作为运动控制系统控制对象的机械结 构更是直接影响控制元件的选择。因此，在设计运动控制系统之前，弄清机电 一体化系统的结构布局是有必要的。自动加工机床结构布局如图2 - 1 所示： 1 - 铣床工作头2 - 打号机3 成品整理柔性推送器4 成品盒5 v 型槽检测镜头6 - 铣v 型槽工作台7 成品入盒柔性推送器8 磨头9 分料入存储区1 0 分料铣头1 1 - 铣削分料 工作台1 2 顶料上料机构1 3 送毛坯柔性推送器1 4 柔性推送器1 5 运料翻转机械手 1 6 电磁吸盘1 7 - 尺寸检测镜头1 8 分组推料机构1 9 v 型槽铣削定位器2 0 定位机构 柔性推送器 图2 - 1 机床总体结构 f i g 2 - 1 t h eo v e r a l lv i e wo f t h em a c h i n et o o l ss t r u c t u r e 整个机床由三道加工工序组成。第一道工序是铣削下料，在这里一个大的 零件毛坯料被铣成三个待加工的小坯料。此工序由以下机构组成：顶料上料机 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 构、推料柔性推送器l 、推料柔性推送器2 、整理柔性推送器3 、铣料工作台、 铣料工作头。此工序的具体工作过程如下所述：将坯料装入容量为l o 块的坯 料盒中，当坯料盒运动到恰当的位置时，顶料上料机构的电机驱动丝杠顶起一 块坯料，由柔性推送器l 送到铣料工作台，然后卡具将坯料夹紧。与此同时， 铣削电机开始启动，接着铣削工作台带着固定在上面的坯料向左运动以完成铣 削的进给运动。当铣削完成后，工作台向左移动到退料柔性推送器2 工作位置 时停止，并松开卡具，铣削电机停止运转，退料柔性推送器2 将坯料推入第一 储料区，随后整理推送器3 启动，整理工件位置。此时一块原料的铣削分料完 成。由柔性推送器2 将铣好的小坯料送至储料区，铣削工作台回到初始位置。 i - 1 8 0 度旋转电机座2 - 1 8 0 度旋转驱动钳口3 一翻转框后板4 三孔液压缸后板 5 - 三孔液压缸体6 - 1 8 0 度旋转框前板7 9 0 度旋转框左侧板8 9 0 度旋转框前板 9 1 8 0 度旋转轴1 0 旋转轴紧固螺母1 1 - 9 0 度旋转驱动轴1 2 同步带轮1 3 - 带 1 4 9 0 度旋转框1 5 三孔液压缸前端盖板1 6 抓取压头 图2 - 2 搬运翻转械手结构 f i g 2 - 2 t h es t r u c t u r eo f p a r t s t r a n s p o r t a t i o nm e c h a n i s m 第二道工序是磨削零件的表面。零件是个长方体，这道工序的目的是磨削 长方体的四个侧面以达到所需的尺寸、形位关系和表面光洁度。此工序由以下 机构协作完成：机械手、导轨、磨床工作台、磨床工作头、分组推料机构。机 械手不仅能实现搬运工件的目的，还能实现翻转工件使工件的四个侧面都能被 磨到的功能。机械手的结构如图2 2 所示。 具体的工作过程如f j ：当储料区料满时，给出机械手启动信号，机械手央 具枢f 降，将储料区内的零件套在榧内，j 孔液压缸动作，驰动抓取儿! 头央紧 零件。随后升降电机提升夹持零件的抓取框，然后移动电机启动，驱动丝杠将 零件搬运到预定的磨床工作台工位，升降电机反向启动，将抓取框下放至预定 的水平，液压缸泄压，抓取压头释放，零件落在电磁吸盘e 。定位装置油缸动 作，横向夹持工件，用于定位，保证面于而的垂直关系，然后电磁吸盘启动， 吸紧零件。举升电机启动，提起空必其框，行走电机反向启动，机械手向右退 至初始位置，同时，磨头启动，按控制参量磨削零件第一个平面( 伺服控制工 作) 。第一面完成信号给出后，机械手向左移至零件上方，火具框下降套住零 件，磨床电磁吸盘关断，松开零件，三孔液压缸动作，抓取压头兴紧零件，升 降电机提起零件。机械手1 8 0 度旋转电机将零件翻转1 8 0 度然后放下零件。机 械手重复以上动作直到磨削完第二个加工表面。9 0 度旋转驰动电机将零件旋转 9 0 度，处于竖立的位置状态。托板电机动作使托板伸出。摇臂电机启动驱动i 马 轮将零件一个个顶下分别平铺在托板上。升降电机将零件放下然后收回托板。 机械手重复以上动作直到磨削完第三个加工表面。第四个面的加工过程与第- 个表面完全相同。 四个面磨削完成后，进入第三道加工工序。机械手行进至电磁平台，执行 抓取、提升： 件过程，并行走至第二储料区，将试件放入储料槽中。分组推t - 器电机启动，将工件分三排拨开，执行分组送料的柔性推送器启动，将第一排 工件推入v 形槽d n 2 ；的铣床工作台上。定位机构启动，完成工件的整理与定 位，v 形槽加工夹具油缸启动，夹牢工件，v 型槽加工铣头运转，工作台启 动，完成v 形槽加工。v 形槽加工完成并检测合格后，给出信号，释放v 形 槽加工央具，成品收料推进器启动，将工件送入成品储料盒。打号机完成打号 工作，成品整理柔性推进器整理成品，整个零件加工过程结束。 完成送料进第二储料区后，机械手就退回初始位置等待，当储料区早的零 4 牛达到六批时，机械手开始取料，重复完成6 口述工作程序，周而复始，连续：【i 作，完成批量加工任务。 2 2 运动控制系统功能需求及功能模块划分 由上一节的分析可以看出，整个运动控制系统主要是顺序控制结构，上一 个环节完成后，才进行下一个环节的运作。一方面，在多数的子系统中，运动 精度要求不高，通过常规的手段就可以实现。比如机械手的搬运和翻转，顶料 哈尔滨t 业人学t 学坝卜学位论文 机构的顶料，柔性推送器的推料等，控制普通减速交流电机的起停就可以实 现。另一方面，零件的表而半h 糙度与尺i 十有一定的精度要求，而决定表面粗糙 度与尺寸大小的，正是砂轮和铣刀的进给量。所以要想达到零件的表面粗糙度 与尺寸要求，砂轮和铣刀在进给方向上的运动精度必须要达到要求。 从上面两个方面考虑，将自动加工机床运动控制系统划分为两个功能模 块。一部分为p l c f p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ) l l n ) 芋控制模块，用p l c 结合 接近开关来实现加工流程的顺序控制。p l c 的输入输出均为玎关量，以接近丌 关输出高低点平作为输入量，负责每个动作起停的触发。p l c 输出也为丌关 量，用以控制电机正向起停和反向起停。另一部分为伺服控制模块，主要负责 解决砂轮在进给方向上的位置精度问题以及在铣削时工作台驱动电机的变速问 题。前者采用伺服系统的位置模式，用脉冲作为电机的控制信号。用速度模式 来实现后者在性能上的要求，此时控制器发出模拟电压控制电机转速和位移。 作为同一个运动控制系统的有机组成部分，两个功能模块能够相互通讯相 互联系，以实现系统的集成。伺服系统选用美困n i 公司的n i 一7 3 4 4 运动控制 卡作为控制器，n i 7 3 4 4 控制卡除了提供6 8 针的运动控制接口以外，还提供 6 8 针数亨1 1 0 接口，数字i o 端子可以用l a b v i e w 软件进行用户自定义以及 读写等操作。因此，将数字端子与p l c 的输入输出端子相连，就可以实现相 互触发以至两个模块的互动通讯。 图2 3 是机床运动控制系统的模块划分图，在图中我们呵以明确地看到l 运动控制卡作为控制器的伺服模块，机器视觉模块与p l c 运动控制模块之削 的关系以及三个模块与机床的三个加工工序彼此的联系。作为另一个子课题， 视觉技术开发由其他同学负责，最终与本文的工作融合。本论文主要负责p l c 模块与伺服模块的设计。 关于两个模块具体的组成结构，实现过程，以及之间的动态触发问题，将 在下面的章节详细讨论。 堕查鋈二些尘耋三兰圣圭兰篁兰圣 图2 - 3 机床运动控制系统模块划分 f i g 2 - 3 f u n c t i o n a lp a r t i t i o no f t h em o t i o nc o n t r o ls y s t e m q 哈尔滨丁业人学t 学坝l 。学位论义 2 3 本运动控制系统相关重要技术背景 2 3 1 伺服控制技术 伺服系统办称随动系统，它用束控制被控划象的转角( 或位移) ，使其能自 动地、连续地、精确地复现输入指令的变化规律。它通常是具有负反馈的闭环 控制系统，有的场合也t u 以用丌环控制来实现其功能j 。 伺服系统应成为所服务对象的有机组成部分，尽管各对象的机械结构、传 动形式多种多样，对伺服系统的要求也有差别，但共同的一点是带动对象按需 要的规律作机械运动。伺服系统是由多种元部件联接组成的，木课题将从系统 总体出发，讨论各部分的设计、选择、相互问的联接弓匹配并构成系统的问 题。就实际伺服系统而言，除构成伺服系统最摹本的各部分外，还应该有为备 部分提供能源的电源设备，以及系统的控制、检测、显示等装置。 厂 厂 一 一叫g i r 1g 2 1g 3 ( a ) 、f 弋州! t 一2 厂一j 竺 叫g 2 叫g 3h ( c ) 【 l 幽2 - 4 伺服系统的控制力式 f i g 2 4 t h eb a s i cc o n t r o lm o d eo fs e r v os y s t e m 从伺服系统组成元件的性质看，有全部由电气元件组成的电气伺服系统， 有电气元件与液压元件组合成的电气一液坻伺服系统，有电气元件与。动元件 组合成的乜气气动伺服系统。木系统将综合麻用电、液、气技术，佩伺服控 制主要是电气伺服系统 9 j 。伺胀系统常用的控制方式可见图2 - 4 其r f l 矧( a ) 为 哈尔滨r 业人学丁学f * ! f 。学何论文 开环控制，图( b ) 为闭环控制，图( c ) 为丌环与闭环的组合控制形式，简称复合 控制。在现代运动控制系统中，对精度要求较高的环境f 均采i 【_ j 闭环控制或复 合控制。 2 3 2 虚拟仪器技术 2 3 2 1 虚拟仪器概念在l a b v i e w 环境中开发的。个程序叫做v i r t u a l i n s t r u m e n t ( 简称v i ) ，即虚拟仪器。但是n i 公司对于虚拟仪器的完整定义包括 了两方面的含义：一是种通常运行在个人计算机上，具有传统的独立仪器功 能的硬件与软件的组合；二是一个l a b v i e w 软件模块，由一个用户接口的前 面板和一个框图程序组成。国内工程技术界一般所况的虚拟仪器指的就是前 者。l a b v i e w 是虚拟仪器概念的首创者，是美困n i 公司推出的一个图形化软 件开发环境【j 。 国内外的科学研究与工程技术的各个领域应用l a b v i e w 丌发了大量出色 的测控系统，取得了许多甄要成果。在运动控制方面，l a b v l e w 作为一个通 用软件的丌发平台，可以编制应用程序，此程序凋用n i m o t i o n 运动函数库 里的各种运动函数通过运动控制卡按一定的要求对电机进行各种控制，最终实 现所希望的控制要求及精度。虚拟仪器的概念在l a b v i e w 上得到了充分体 现，它提供了丰富的仪表图库，使我们能够方便快捷地编辑出设计新颖、功能 完善的程序前面板即人机交1 巧界面。就像设计一个控制柜的外观样。与封闭 式结构系统相比，基j 二计算机的运动解决方案所拥有的灵活性与低成本潜力住 这里得到了完美的体现。目阿，在l a b v i e w 编程的控制下，最多可实现同时 对八个轴进行控制。 2 3 2 2 虚拟仪器构成虚拟仪器中硬件的主要功能是获取被测信弓或发出控 制指令，而软件的作用是控制实现数据采集、分析、处理、冠示等功能，并将 其集成为仪器操作与运行的命令环境。卜面从硬件和软件两个方厕介绍虚拟仪 器的构成。 虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和接口硬件。计算机管理着 虚拟仪器的软、硬件资源，是虚拟仪器的硬件基础。 接口硬件根据不同的标准接【 总线转换输入或输卅信号，供其它系统使 用，在此基础上组成以虚拟仪器为核一心的虚拟仪器系统。按照接u 硬件的不 同，分为g p i b ，v x i 、p x i 和d a q 四种标准接厂 总线或接口标准。 g p i b 是计算机和仪器间的标淮通信比议g p i b 的硬件规格和软件协议己 吩匀i 摄7 - 、【e 人学一亨：彻i j 学位论义 纳入国际工业标准i e e e 4 8 8 】和i e e e4 8 8 2 中。g p i b 足最早的仪器总线，目 前多数仪器都配置了遵循i e e e4 8 8 标准的g p i b 接口。利用g p i b 技术，可以 通过计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，排除人为冈 素造成的测量、测试误差。同时，山于可以用预先编制好的测试程序，实现自 动测试，大大地提高了系统的可靠性和效率。g p t b 的数据传输速度一般低于 5 0 0 k b s ，不适合对系统速度要求较高的环境。 v x i 总线是一种高速计算机总线v m e 总线在仪器领域的扩展。由于 它的标准丌放、结构紧凑、具有数掘吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重 复利用、众多仪器厂商支持等优点，因此很快得到了广泛的应用。v x i 的价格 相对过高，适合于尖端的测试领域 p x i 是p c i 在仪器领域的扩展，是n i 公司于1 9 9 7 年发布的一种新的丌 放性、模块化仪器总线规范。p x i 是在p c t 内核技术上增加了成熟的技术规 范和要求形成的。p x i 产品增加了用_ f 精确定时的星形触发总线以及用于相邻 模块问高速通信的局部总线等，以满足试验和测量用户的要求。 d a q 指的是基于计算机标准总线的内置功能捅砖，它更加充分地利用计 算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。利用d a q ，可方便快 速地组建虚拟仪器，实现“- j l 多型”和“一机多用”。在性能卜，d a q 的采 样速率己达到l g b s ，精度高达2 4 位，通道数高达6 4 个，井能任意结合数字 l j o 、模拟i o 、计数器定列器等通道。 虚拟仪器最核心的思想，就是利用计算机的软件和硬件资源，使本来需要 硬件或电路实现的技术软件化和虚拟化，最低限度地降低系统成本，增强系统 的功能与灵活性。基于软件在虚拟仪器系统中的重要性，从低层到顶层，虚拟 仪器软件系统框架包括三个部分：v i s a 库、仪器驱动程序、应用软什。 v i s a 库实质就是标准i o 函数库及其相天规范的总称，般称这个i o 函数库为v i s a 库。它驻留于计算机系统之中，执行仪器总线的特殊功能，是 计算机与仪器之问的软件层连接，用来实现埘仪器的控制。对于仪器驱动程序 开发者来说，v i s a 库是一个可调用的操作函数库的集合。 仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序集合，是、 用程序实现仪器控制的桥梁。每个仪器模块都有自己的仪器驸动程序，仪器， 商将其以源码的形式提供给用户，用户在应用程序中凋用仪器驱动程序。 本课题中的伺服控制模块即为一个虚拟仪器系统，在硬件方面选用n i 一 7 3 4 4 运动控制卡作为伺服模块的主控制单元，通过p c i 接口与计算机相连。 n 尔滨t 业人学t 学硼l 。学位论文 在软件上，用图形化编程语吉l a b v l e w 来编写运动控制程序代码和虚拟仪器 的前面板。运动控制卡带有驱动程序，程序中带有人量的运动函数。存 w i n d o w s 操作系统中，l a b v i e w 先调用运动函数，再通过对最卜层v i s a 库 的调用就可以对运动控制号进行各种操作。 2 3 3p l c 控制技术 进入2 0 世纪8 0 年代，由于计算机技术和微电予技术的迅猛发展，极人地 推动了p l c 的发展，使得p l c 的功能同益增强。p l c 可进行模拟量控制、位 置控制和p i d 控制等，易于实现柔性制造系统( f m s ) 。远程通信功能的实现 更使得p l c 如虎添翼。无怪乎有人将p l c 称为现代化控制的三人支柱( 即 p l c 、机器人和计算机辅助设讨制造c a d c a m ) 之。由于p l c 的功能已 远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，故称为“可编程控制器”，简称 p c ( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ) 。因为p c 容易和“个人计算机”( p e r s o n a l c o m p u t e r ) 混淆，故人们仍习惯地用p l c 作为可编稃控制器的缩写。 运行稳定可靠是p l c 的一大特点，为保证p l c 能在工、搬环境下可靠工 作，在设计和生产过程l + 采取了一系列硬件和软件的抗i 扰措施，如隔离、滤 波、对内部电源采取保护措施。此外内部还没置了连锁、环境检测与诊断、 w a t c h d o g ( “看门狗”) 等电路，一目发现故障或程序循环执行时间超过了警戒 时钟w d t 规定时间f 预示程序进入了死循环) ，立即报警，以保证c p u 可靠l ： 作。 p l c 可实现三电一。体化，它可以将f 乜控( 逻辑控制) 、f u 仪( 过程控制) 和电 结( 运动控制) 这三电集于一体，方便灵活地组合成各种不同规模和要求的控制 系统，以适应各种工业控制的需要。 用可编程序控制器完成一项控制工程时，由于其硬、软件齐全、设计和施 工可同时进行，而且用软件编程取代了继电器硬接线实现控制功能，所以控制 柜的设计安装及接线工作量大量减少，缩短了施工蒯期。同时，【小于用，o 程序 大都可以在实验室模拟调试，模拟调试好后再将p l c 控制系统z l ! 生产现场进 行联机统调，使得调试快速、安余，囡此大大缩短了设计和调试周期。 随着p l c 技术的不断发展，目前已能完成以下控制功能。 丌关量的逻辑控制功能。逻辑控制或顺序控制( 也称条件控制) 功能是指用 p l c 的与或非指令取代断电器触点的串联并联及其它各种逻辑连接，进行丌荚 控制。 n 尔滨j t 人学r 学帧i 。学位论奠 定时计数控制功能。定时计数控制功能是指用p l c 提供的定时器计 数控制，以取代时问继电器和计数继电器。 数据处理功能。数据处理功能是指p l c 能进行数据传送、计算及编码和 译码等操作。 运动控制功能。运动控制功能是指通过高速计数模块向位置控制模块等进 行单轴或多轴运动控制。 过程控制功能。过程控制功能是指通过p l c 的p i d 摔制指令或模块实现 对温度物理参数的闭环控制。 扩展功能。扩展功能是指通过连接输入输“ 扩展学元( 【2 | ji o 扩展单元) 模块来增加输入点数，也可通过附加各种智能单元及特殊功能单元米提高p l c 的控制能力。 在系统的实现过程中，为了实现整个系统的自动化，对些运动精度要求 不高的子系统采用可编程控制器进行控制。 2 4 本章小结 本章具体分析了机床的总体结构和零件的加工流程。根据实际控制精度要 求，对机床运动控制系统进行了较合理的功能模块划分。对运动精度要求较高 的部分用伺服技术进行进给量的控制，机器视觉检测被加工零件是甭合格。对 一般精度要求，且控制对象较多的部分，采用p l c 控制技术。作为另个子 课题，视觉技术开发山其他同学负责，最终与本文的工作融合。本章对各个模 块中用到的关键技术也作了详细的介绍。 m d i e t 业人学丁学倾j j 学化论支 第3 章运动控制系统p l c 控制模块设计 3 1p l c 基本结构及工作原理 目前p l c 生产厂家很多，产品结构也各1 i 相同，但其基本组成部分大致 如图3 一l 所示。由图可以看出，p l c 采用了典型的计算机结构，主要包括 c p u 、r a m 、r o m 和输入、输出接口电路等。其内部采用总线结构进行数据 和指令的传输。如果把p l c 看作一个系统，该系统山输入变量、p l c 、输出变 量组成。外部的各种开关信号、模拟信号以及传感器检测的各利，信号均作为 p l c 的输入变量，它们经p l c 外部输入端子输入到内部寄存器中，经过内部 逻辑运算或其它各种运算处理后送到输出端子，它们是p l c 的输出变量。由 这些输出变量对外围设备进行各种控制。这罩可以把p l c 看作一个中间处理 器或变换器，它将输入变景转换为输m 变量。 _ 斧 外部i o 拶 l上位目l一一一设备三 一一j 一2 爿爿展接 ：= 接口，、 i l 储存器 口 i l 厂 l i 【 一 i 输入设需一一 输入 输出 接口 c p u _ _ _ _ ： 接口 1 幽3 1p l c 的典j 鸭结构 f i g 3 - 1 t h e t y p i c a ls t r u c t u r eo fp l c p l c 虽具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机 喻尔滨t 业人学1 ：学顺i 。学位论文 一般采用等待命令的工作方式，而p l c 则采用循环扫拙的工作方式。在p l c 中用户程序按先后顾序存放，如图3 - 2 所示。 e n d 圈3 2p l c 循环扫描1 ：作不惹幽 f i g 3 2 t h ew o r kp a t t e r nd i a g r a mo fp l c 对每个程序，c p u 从第一条指令丌始执行，直至遇到结束符后又返回第一 条，如此周而复始不断循环。每一个循环称为一个扫描周期，扫描周期的长短 主要取决于以下几个因素：一是c p u 执行指令的速度，二是执行每条指令占 用的时间；三是程序中指令条数的多少。一个扫描周期大致可分为i o 刷新和 执行指令两个阶段，即 li o 刷新执行指令i o 刷新执行指令 第一个扫描周期第二个扫描周期 所谓i o 刷新是指p l c 先将卜。次扫描的执行绵果送到输出端，再读取当 前输入的状态，也就是将存放输入、输出状态的寄存器内容进行一次更新，故 称为“i o 刷新”。由于每一个扫描周划只进行次i o 刷新，即每一个扫拙周 期p l c 只对输入、输出状态寄存器更新一次，故使系统存在输入、输出滞后 现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。由此可见，若输入变量在i o 刷新期问状态发生变化，则本次扫描期间输出会相应地发生变化。反之，若在 本次刷新之后输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变而要到下一次扫描 的i o 刷新期间输出才会发生变化。由于p l c 采用循环扫描的工作方式，所以 它的输出对输入的响应速度要受扫描周期的影响。p l c 的这特点，一方而使 它的响应速度变慢，但另一方面也使它的抗干扰能力增强，对一些短时的瞬蒯 干扰，可能会冈n 向应滞后而躲避丌。 ， 2 3 9 m 一 一 晴尔滨i 业人学r 学坝t 。学位论迎 3 2p l c 控制模块硬件综述 纵观零件的加工流程，一批零件从下料到成品入库，艿有二十二个电机， 四个液压阀，一个电磁开关，组成了机床的运动控制硬件系统。其中有四个电 机为保证加工零件的表面半h 糙度要求和尺j 。要求，运动精度要求较高，用伺服 控制技术来实现运转，具体情况见下章。其它的运动控制对象运动精度要求不 高，而且彼此之间只有简单的顺序控制关系，用p l c 的开关量功能结合相应 的硬件即可满足控制要求。 p l c 功能强大，在本课题中只用到其中的部分功能，如丌关量的逻辑控制 功能和定时计数控制功能等。p l c 运动控制系统的硬件结构如下图所示。 削3 - 3p l c 运动控制系统的崾仲结构 f i g 3 3 t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo fp l cc o n t r o lb l o c k 在顺序控制过程中，接近丌关是控制各个电机顺次动作的主要传感器，当 工件到位时，接近开关的状态就会改变，状念改变量传到p l c 里，经过程序 逻辑关系的计算处理，发出相应的输出命令，命令以丌关量的形式传到接触 器，控制电机的起停和转向。伺服控制模块罩的网个电机动作的起停与p l c 控制的电机运行状态密切相关，所以在p l c 模块甲，专门留下了四个输入口 和四个输出口来实现与伺服控制模块的相互触发。 3 2 1p l c 选型及功能介绍 对系统的执行机构进行统计，有1 8 个电机，5 个电磁阀，加上触发伺服模 块的信号，共有4 5 个输出点。输入，气大部分足接近丌关，此外还有四个输入 点专门用于等待运动控制卡的触发信号。山于p l c 在系统中应用的大部分功 坠! ：堡三些垒兰三兰些! ：兰竺丝兰 能都是逻辑控制和定时计数，所以选用功能较为简单的松下f p i 系列可编程 控制器。从输出输入点数结合经济性考虑，控制单元选择f p l 一c 5 6 ( 继电器输 出型) ，此控制单元有3 2 个输入点，2 4 个输出点：同时选择初级扩展币元 e 1 6 和次级扩展单元e 8 ，一个有1 6 个输出点，一个有8 个输出点。这样整个 p l c 控制系统就有4 8 点输出点，3 2