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基于Panasonic伺服与Galil控制器的计算机数控系统设计基于Panasonic伺服与Galil控制器的计算机数控系统设计学校 ：东北大学秦皇岛分校团队名称：精确定位小组 指导老师：齐世清、陈艳军申报人 ：杨常乐- 26 -基于Panasonic伺服与Galil控制器的计算机数控系统设计摘要计算机数控（Computerized numerical control，简称CNC）系统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置，用于控制自动化加工设备的专用计算机系统。通过利用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和开关量。伺服控制技术是数控系统及运动控制的核心技术之一，同时也是装备制造业的重要组成部分。我团队基于运动控制的基础，研究了数控系统在非标自动化设备的应用，深入分析了交流伺服控制系统的各个组成部分，对伺服控制系统的电气设计和软件设计进行了深入的研究，并且与北京俫卡斯光电技术有限公司合作，以Galil控制器为运动控制模块、Panasonic伺服电机为动作执行模块，实现了新型AOI(Auto Optical Inspection)设备的运动系统设计。本文将以该设计为依托，介绍基于Panasonic伺服与Galil控制器的数控系统设计，其主要内容如下：机械结构、电气控制结构、运动控制模块与软件设计。 本文所介绍的速度匹配算法、多线程的程序设计方法，以及基于套接字数据传输的多软件交互的方法是本系统的核心技术所在。经过长期试验，该系统定位精确，误差范围满足柔性电路板检测要求。关键词：计算机数控系统，伺服控制，运动控制CNC System Design Based on the Panasonic Servo System and Galil Controller Summary CNC is short for Computer Numerical Control,which is according to a control program stored in the computer memory, performing some or all numerical control functions, also equipped with the interface circuit and a dedicated computer system for servo drive. By using digital command of numbers, words or symbols,it can achieve the motion control to one or more mechanical equipments,and the position, angle, speed,the amount of mechanical and switch is the variable quantity usually to be controlled. The servo control technology is one of the core technology of numerical control systems and motion control, also an important part of the equipment manufacturing industry. The team has researched CNC system in the application of non-standard automation equipment based on the basis of motion control,analyzed the various components of the AC servo control system,conducted in-depth research on the electrical design and software design of the servo control system.In cooperation with the Lecas Beijing Optoelectronics Technology Co.,Ltd,we used Galil controller for motion control module,Panasonic servo motor as action execution module,improved the design for AOI (Auto Optical Inspection) equipment motion system.This article will be designed to be relying on numerical control system design based on the the Panasonic servo and Galil controller.The main contents are as follows:mechanical structure, the structure of electrical control, motion control module, PID parameter adjustment and software design. In this paper,the introduction for Speed matching algorithm, multi-threaded programming,and multi-software interaction based on the socket data transmission is the core technology of the system.After the long-term text and adjustment,the position of the system is accurate, the error range can meet the requirements for detecting the flexible circuit board .Keywords: CNC system, servo control, motion control目录第1章 绪 论 11.1课题的研究背景11.2非标数控系统的现状及发展趋势21.3文章的主要研究问题及结构安排2第2章 新型AOI运动控制系统结构4 2.1机械结构42.2电气控制结构42.2.1电气控制总模块42.2.2运动控制模块52.2.3伺服电机模块62.3 PBC自动光学检测工艺简介7第3章 基于Galil控制器的运动控制模块83.1 Galil运动控制器简介83.2 GalilTools简介 93.3 加减速平滑处理 10第4章 基于.NET的上位机软件模块164.1系统所实现的基本功能164.2应用程序的开发环境及编程语言184.3系统一些基本问题的实现184.4应用程序的性能分析19第5章 实验数据展示 20第6章 结论与展望 216.1 结 论 21 6.2 展望 22参考文献 25第1章 绪 论1.1课题的研究背景中国的制造业发展速度迅猛，现在已经成为国民经济的支柱型产业，在制造业中，中小型民营企业已经成为主力军，他们所生产的产品五花八门，加工所需的设备种类繁多，形式各异。其中，数控设备因为其良好的精密性、灵活的人机交互性以及高度的自动化性而被广泛的应用于各种加工制造业以及产品检测等领域。数控设备的主要作用就是提高生产效率和产品质量,节约劳动成本,使企业的发展从粗犷型转向集约型,由于各种因素,一些生产部门无法使用标准型自动化设备来实现生产.非标数控设备应用广泛,能够满足企业生产的不同需求,是实现工业自动化不可缺少的一股力量。早期的数控系统多以PLC做为终端控制器，这种类型的设备动作单一，且编程复杂，其人机交互能力差，只能完成一些简单的加工，在工作过程中需要大量的人为干预。在诸如刺绣、玻璃花样切割、雕刻、工艺品加工等运动轨迹十分复杂且程序多变的加工领域，以PLC为终端控制的数控设备只能望尘莫及。而且，现阶段的许多加工及产品检测领域都需要运动控制与其他计算机软件实时配合完成，这就需要运动控制系统的程序与其他计算机软件有可靠的接口和频繁的数据交互。基于以上要求，运动控制卡（或运动控制器）应运而生。与之产生的是以PC机为终端控制设备，PC机与运动控制卡（或运动控制器）通过PC/104、ISA、PCI、VME 总线以及RS232、USB 或Ethernet 建立通信，使用VB、C+、C#等语言作为运动控制程序开发语言的计算机数控时代。1.2非标数控系统的现状及发展趋势数控技术是制造业现代化的基础，是一个国家综合国力的重要体现。我国在从制造大国向制造强国转变的过程中，大力发展数控技术具有重要意义。中小型加工制造企业的发展，带动了对非标数控设备的需求，中小型加工制造企业的产品紧跟市场需求，转变灵活，且操作人员编程能力较弱，所以他们所需求的数控设备需要更好的人机交互性和灵活性。非标数控设备多应用于特殊加工，国家尚无相应定型标准 ，各设备生产厂不可能在工艺过程中采用批量生产、按一次定货要求，并根据专有设计图样制造的专用设备。是针对于客户的需求而定做的，每种型号的非标数控设备数量都很少，怎样才能使非标的数控系统稍加改造就可以重复使用？这就需要在程序设计的时候采用模块化，并且使运动控制部分独立化，与其他软件通过数据交互来完成整体工作。1.3文章的主要研究问题及结构安排文章主要研究依托于AOI运动控制的基于Panasonic伺服与Galil控制器的计算机数控系统设计方法及设计过程中遇到的主要问题。第一章绪论从课题的研究背景、研究意义以及当前的非标数控设备发展现状等等,分析了该课题研究的必要性。 第二章从AOI运动控制系统的机械结构、电气结构、软件设计结构这三个方面来剖析整个系统的结构，从原理上证明课题研究方法的可行性以及最后可以达到的效果，另外简要介电路板的自动光学检测工艺。 第三章研究的是系统的运动控制模块，从与 Galil 卡交互,到系统坐标系的建立,到加减速过程,速度前瞻和平滑处理方法来分析了运动控制模块的原理、关键技术的实现方法。第四章深入到该系统的软件设计，从程序的功能、开发环境、程序接口、数据交互以及类库的封装等方面介绍软件模块，证明软件设计的合理性和创新性。第五章展示实验数据，证明系统的精确性和稳定性。第六章总结了系统的优点和不足之处,并提出了解决这些不足之处的方法,展望未来的发展趋势。第2章 新型AOI运动控制系统结构2.1机械结构AOI运动控制的机械结构分为入板出板和相机移动两个部分，检测过程中先由步进电机驱动皮带，将载有PCB板的制具送入设备，到达检测位之后触发光电开关后停止，顶端由丝杠组成的X、Y轴带动相机在平面内移动，寻找待检测点拍照。2.2电气控制结构2.2.1电气控制总模块 图1 AOI运动控制结构示意图运动控制系统X、Y轴采用闭环控制，反馈信号为伺服电机自带编码器，反馈信号用作待检测点坐标获取和运动控制定位。Z轴采用开环控制，电机启停取决于外接光电开关触发，运动轨迹的精度由结构自身精度决定。工业PC拥有丰富的软件和强大的数据存储与计算能力,可以实现运动控制程序与UI及图像处理底层库的数据交互。电气控制主要分为信号输入模块、计算机控制核心模块和运动控制三个模块组成，计算机需要接收来自于限位开关、原点开关、急停开关等信号，由要控制X、Y、Z轴的运动控制模块以及将制具固定的锁销。2.2.2运动控制模块图2 运动控制模块示意图运动系统X、Y轴硬件限位采用接触式硬件限位开关安装于导轨丝杠，这种接近开关通过 I /O接口板的光电隔离数字输入接口将位置检测开关量送至运动控制器, 实现极限位置控制的正向限位、反向限位和回零检测。接近开关体积小、灵敏度高、可靠性高。软件限位开关通过对控制器编程设置，当导轨丝杠负载模块超出设定的运动范围，立即停止电机运动。运动系统Z轴采用光电开关的硬件限位，当皮带负载的制具接触到光电开关后，触发信号通过I/O接口板输入控制器，控制器控制步进电机以设定好的减速度停止。限位信号和原点分别提供以下两个功能: (1) 防止软件或人工的误操作导致相机越过边界,防止相机撞击机械边缘导致机械损坏；(2) 提供运动控制系统的机械坐标系原点，当相机运动过程中碰到X、Y轴正限位或负限位时,就停止这个轴向正或负向发脉冲，起到了保护机械的作用。2.2.3伺服电机模块运动控制系统X、Y轴采用松下A5E系列小功率伺服电机，该伺服电机编码器反馈为20Bit（1048576分辨率）5个串行增量式编码器，电机功率为100W，单相200230V供电。在本系统中，采用位置控制模式，与运动控制器采用长线驱动输入，脉冲加方向的连接方式。伺服系统按调节理论分类可分为开环系统、半闭环系统和全闭环系统，一般的闭环系统分为三环结构:位置环、速度环、电流环、每个环都有相应的调节控制、检测和反馈模块，如下图所示：图3 伺服闭环控制系统示意图2.3 PBC自动光学检测工艺简介目前电子行业发展的趋势是元件越来越小、密度越来越高，客户端的品质要求也在不断的提高，人工检测产品的速度和质量已经满足不了工业化的要求，在这样的一个环境下，便相继出现了各式各样的机器检测设备，AOI(Auto Optical Inspection) 是利用可见光（像LED灯）进行检测。和其他检测设备比较， AOI更具有准确、快速、稳定、可靠的特点，正因为具备这些显著的特点才使得AOI目前在SMT生产线上得到的广泛应用。当自动检测时，机器通过摄像头自动扫描PCB，采集图像，测试的焊点与数据库中的合格的参数进行比较，经过图像处理，检查出PCB上缺陷，并通过显示器或自动标志把缺陷显示/标示出来，供维修人员修整。AOI包括了图像处理和自动化的图像采集两大部分，其中，图像采集的关键在于高精度、高效率的运动控制。对于获取图像来说，因为相机的FOV(Field Of Vision)有限，因此就必须通过XY平台来移动相机才能拍摄到整个FPC板上的元件；也就是说AOI必须协调软硬件同时工作，要考虑摄像机什么时候开始拍照，什么时候要移动，移动到什么地方，什么时候开始图像处理等等各方面的问题。AOI的运动控制系统其功能主要分为两个部分，一个是示教过程，就是建立工程；另一个是执行检测的过程。在示教的过程中，先由人手动移动相机X、Y轴，将相机移动到需要拍照的待检测位，通过编码器回读来获取当前位置的坐标，存储起来。在执行检测的过程中，控制器控制X、Y轴的伺服系统将相机依次移动到示教过程中回读的待检测点，并拍照。第3章 基于Galil控制器的运动控制模块3.1 Galil运动控制器简介美国GALIL 运动控制公司位于著名的加州硅谷中心，该公司成立于1983 年，专业提供基于微处理器精密运动控制器。应用领域十分广泛，包括医疗、半导体、纺织、物料搬运、食品加 、机床、产业机械、航天、测试测量等等。GALIL 运动控制产品迄今已发展到第5 代，采用32bit 最新微处理器技术，溶合最新控制理论及网络技术，产品涵盖PC/104、ISA、PCI、VME 总线板级产品及具有RS232C、USB 及 Ethernet 通信功能的独立型控制器，全部产品均可控制伺服电机或步进电机, 独特的2 字符命令及WSDK 开发调试、Active X 等软件工具使得系统设置、调试、应用开发简单而快捷。DMC-B140-M 是 GALIL公司根据新兴市场的产业需求而开发的具有极高性价比的四轴独立型运动控制器。该控制器提供有两个通讯接口：RS-232 和以太网接口，可控制1-4 轴步进电机或伺服电机的位置方式（输出脉冲+方向） 。其运动模式包括单轴或多轴点对点定位运动、多轴直线/圆弧插补、电子齿轮、轮廓运动等。除去每轴独立的正、反向限位及回零信号外，该控制器还提供了可自由定义的8 路输入和 4 路输出。 DMC-B140-M 提供有 Flash EEPROM, 方便用户程序、参数等数据的存储，除了可实现控制器的独立工作，也可通过通讯接口与其它控制器或人机界面配合使用。DMC-B140 采用 32-bit微处理器，板上的 RAM 和Flash EEPROM 为用户提供了450 行*40 字符的用户程序存储空间、126个变量存储区以及6 个数组 800 个元素的数组定义空间。控制器输出的脉冲/方向信号，可用于控制步进电机与伺服电机（位置模式）。脉冲信号频率最高为3MHz，可以满足绝大多数高速、高分辨率的应用需求。图4 DMC-B140-M运动控制器3.2 GalilTools简介GalilTools 软件是GALIL公司推出的新型的调试软件，整合了之前所有的调试软件，集成为一个软件，其功能齐全。用户利用GalilTools 软件可在Galil控制器上进行设置、配置、调试、测试和运动分析。完整版的 GalilTools 软件包括：具有自动重复输入、智能变色功能的命令终端（Terminal），具有高度语法辨析能力的程序编辑器（Editor），及具有用户可配置面板的数据记录监视窗口（Watch），8通道实时示波器（Scope）和一个轴自动调谐器（Tuner）（简化版的GalilTools 软件没有示波器和调谐器）。GalilTools 软件由跨平台库写成，可以在目前流行的各类操作系统中安装使用，例如Windows XP, XP x64，Vista, Vista x64, 及各种x86 和 x64 配置的Linux 系统。图5 完整版的GalilTools 软件3.3 加减速平滑处理DMC-B140-M控制器支持多种运动控制模式，包括：独立定位、多轴直线插补、位置跟随、平面直线和圆弧插补、电子齿轮同步、电子凸轮等运动控制模式。在新型AOI运动控制系统中，使用到了独立轴定位、位置跟随、直线插补等运动模式。由于AOI设备对机械振动十分敏感，为了使运动更加平滑，我们对运动过程中的加减速均做了平滑处理，下面将介绍加减速平滑处理算法。常规的梯形速度曲线（即线性加减速）使加速度突然从 0变到设定的最大值，不连续的加速度往往会引起振荡，产生冲击。速度曲线平滑处理可以产生连续加速曲线并减小机械冲击和振荡。该系统使用的运动速度平滑处理，称之为 S 曲线加/减速，以此来减小系统机械在加/减速过程中的冲击。 （1）、梯形加速度：机械定位的过程中,需要经过加速-匀速-减速-停止的过程，如图 61 所示,为梯形加速度模式下运动过程中的速度变化过程。 图61 梯形加速度一开始的时候,电机以一个较低的速度起转，相机的矢量速度为 Vmin，从时间 0t1 的过程中,相机的矢量速度以恒定加速度加速到 Vmax，然后一直以该速度恒速运动。当快要接近目的地时,此时时间为t2，相机开始匀减速到 t3时刻,速度为 Vmin,电机突然停下。对于不同的电机,起转速度 Vmin 不一样，若 Vmin太大,可能导致电机无法起转；若 Vmin太小,加速过程会较长,从而降低了运动的效率。从 V-t 图中可以看出，运动的距离为梯形的面积:从 Acc-t 关系图中可以看出,虽然梯形加速的速度是连续的,但是加速度并不连续。因此,又有人提出一种更复杂,但是运动更平滑的加减速过程S 形加减速。2、S 形加减速 如图 62所示为 S 形加减速的 V-t,Acc-t关系，从图中可以看出,加速度和速度均为连续的。图中所示的加速度为一次的分段函数,速度为二次函数。S 形加速时,由于 V的一阶导数连续,使得加减速的过程更平滑。图62 S型加减速度加速度用分段函数表示如式(62),其中k=a/t1（62）速度用分段函数表示如式（63）：采用以上算法，就可以为每一次运动，根据相对位移的不同，去计算并匹配合适的加减速度，以上公式中的参数k需要通过大量的实验来获得，根据电机型号的不同、丝杠的不同、负载重量不同等因素，每种类型的AOI设备运动运动相同的距离的k值都不同。在调试过程中，可以通过软件监测的方法，记录并计算出适合每个相对位移范围的k值，进而综合检测速度等因素，计算出加速度，在程序中生成加速度匹配函数。程序流程如图63所示：图63 加速度匹配程序流程图第4章 基于.NET的上位机软件模块软件模块中，使用了.NET这种微软的新一代技术平台，基于这种框架来开发窗体应用程序，非常的快捷高效、方便。同时它也提供了一种将程序语言先编译产生一种中间语言开发环境，在运行时在被翻译成面向具体机器的可执行机器代码，增强了本产品的可移植性、健壮性。选用高效的C#作为程序实现的编程语言，由于C#这种高级编程语言具有以上的突出优点，使得本产品的软件模块具有很强的安全性、可移植性和高效性等突出特点。运动控制系统的软件设计采用了独立的开发，相较于整体性的开发，更加AOI设备的整体稳定性，以及调试的灵活性。运动控制程序与UI之间采用套接字方式来实现不同软件之间的通信，将套接字作为应用进程和运输层协议之间的接口。在使用套接字进行通信时，共经历连接建立、数据传送和连接释放三个阶段，来实现本项目中客户端与服务器端进行通信的要求。运动控制程序采用多线程开发，使用专门的线程对UI端口进行监听，保证了数据接收。运动控制程序自带专业人员调试界面，正常运行时见面隐藏，如需要打开调试时，可以通过设置的热键打开。4.1系统所实现的基本功能：用户可以通过系统的人机交互界面，并根据不同产品的具体技术要求设置相关的参数，来控制本套产品的具体运动姿态，并达到检验产品是否合格的要求。软件课实现以下功能：1、 单轴测试2、 多轴测试3、 回原点测试4、 通过监听专用线程连接至其他软件平台5、 单轴运动6、 多轴插补运动7、 获取机械坐标8、 出入板9、 传递数据至其他软件平台图7 系统软件结构图图8 运动控制软件界面4.2应用程序的开发环境及编程语言 C#是微软针对新一代.NET开发平台而开发一种高级编程语言，它以安全、高效、健壮等特性使其开发的软件也具有诸多优良特性。而且，C#还非常出色的支持分布式、多线程等技术，相对于java等语言更适合窗体应用程序的开发，因此C#是本项目软件开发的最佳的编程语言之一。 软件的开发环境，使用了较为成熟Visual Studio 2010的开发平台。4.3系统一些基本问题的实现 通信：本项目中要实现用户前端与服务器后台的信息交换，而现有的应用层通信协议不能满足本软件程序的要求，因此采用套接字技术实现前端与后台的信息交互。套接字接口技术，是目前应用最为广泛的一种允许使用TCP/IP协议的应用编程接口API，具有很好的稳定性、安全性、高效性等特性，以此来保证本应用程序中实现信息的有效传输。 多任务并发执行：本软件必须同时完成对监听与服务器的通信端口、也能完成新参数的设置等其他操作，本软件通过类库中的Thread类实现程序的并发执行。4.4应用程序的性能分析：（1）.健壮性：.NET平台，将C#代码先编译成一种中间代码IL，提供类型安全检查机制，并能够很好的检查程序错误和编译与运行时错误，很好的保证程序的健壮性。同时在编程过程中，充分考虑到因用户操作不当而可能造成的多种异常情况（如服务器连接不成功等），通过try-catch异常机制为其提供容错处理，也极大的提高了软件的健壮性。健壮性，是本产品将来得以应用的重要基础。（2）.可重用性：本软件在编写过程中，就注重提高方法内聚、减小方法的规模、保持方法一致性、将策略与实现分开等准则，为以后程序功能扩展时，实现代码的可重用性，减少代码的编写量和开发成本。（3）.可扩展性：本软件在编写过程中，就注重封装实现策略、避免使用多分支语句和不要用一个方法遍历多条关联链等准则，为以后程序功能的扩展，实现程序的以扩展性，是软件具有更长久的生命周期。（4）.高效性：本项目的产品非常注重高效性，因此在程序处理模块使用简洁的代码对数据进行快速的处理和传送，来满足产品整体的高效性。（5）可移植性：.NET平台，将C#代码先编译成一种中间代码IL，在具体运行程序时才将程序翻译成针对具体机器可执行的机器语言，具有平台无关性，使程序不受平台的限制，是产品使用更具有普遍性。（6）.用户友好性：本软件提供简洁人机交互界面、提供清晰舒适的用户体验。同时，程序在运行过程中通过按钮可视性的不断变化，来提示用户有效的使用用户界面实现对机器产品的操作。第5章 实验数据展示在实验的过程中，我们为了验证产品的定位精度，让同一台设备，在同样的外界环境下，以同样的负载，在伺服电机机运动控制器参数相同的情况下，规定以相同的速度移动不同的距离，待运动结束后，测量其实际的移动距离，并计算其误差值。实验数据如下：表51 运动控制系统定位误差分析编号单位预设速度（脉冲/秒）预设距 离毫米实际距离毫米电机转动一圈脉冲误差12000010001000.18100000.0001822000011001100.35100000.00031832000012001200.32100000.00026742000013001300.30100000.00023152000014001400.20100000.00014362000015001500.43100000.00028772000016001600.66100000.00041382000017001700.84100000.00049492000018001800.93100000.000517102000019001900.96100000.000505综合以上数据，设备在运行1000-1900mm，定位误差为0.0143%-0.0517%，误差可以满足AOI设备采集图像的需求。第6章 结论与展望6.1 结论 计算机数控系统在加工制造业中发挥着巨大的作用，本文介绍的基于Panasonic伺服与Galil控制器的计算机数控系统的设计,完全可以满足各类AOI设备的运动控制要求，本文设计的系统在测试环境下与其对比,在定位精度、运动平滑处理、路径算法的速度几个方面已经达到了国内先进水平水平。在电气和控制系统的设计方面接近了国外系统的水平。本文所取得的主要成果和所作的工作如下: (1) 提出了一套以计算机为核心AOI运动控制系统； (2) 结合自动光学检测工艺，提出了适合于该类设备的加减速平滑算法；(3) 完成了具有创新性的整体软件设计；(4) 完成运动控制软件与其他软件通信的接口设计。该计算机数控系统的优点如下: (1) 定位准确、精度高,完全达到了自动光学检测需求的水平；(2) 加减速度平滑处理，机械振动小； (3) 独立型软件设计；(4) 运动控制软件与可与其他多种软件连接，灵活多变； 总之,该系统在多方面实