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四川大学本科毕业论文 独立式运动控制器三维造型及框架结构设计本科毕业论文（设计）题 目 学 院 制造科学与工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 xxxxxx 学 号 0443021xxx 年级 04级 指导教师 张春雷 副教授 二00八 年 月 日29 xxxxxxxxxxxxxxxx三维造型及框架结构设计 （机械设计制造及其自动化专业）学生：xxxxxx 指导教师：yyyy摘要：运动控制，是一种自动控制技术，是当代数字控制技术的一个重要分支，它是用数字化信号对控制对象的位置、速度、加速度、转矩等进行精确控制的方法。运动控制技术的发展是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术。近年来，随着运动控制技术的不断进步，运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类产品，已被广泛应用于越来越多的产业领域，并形成引人瞩目的市场规模。目前，以 DSP 为核心的独立式运动控制器已成为运动控制器的发展主流，它不仅能够脱离PC机独立运行，而且具有信息处理能力强、开放程度高、运动控制方便、通用性好的特点。论文阐述了运动控制器的涵义，详细介绍了国内外运动控制器的发展状况。通过利用PRO/E软件对基于DSP的独立式运动控制器MPC05进行三维造型设计并对其框架结构进行了设计。最后完成了独立式运动控制器及其框架结构的虚拟装配。关键词：独立式运动控制器；三维造型；框架结The three-dimensional sculpt Design and frametructure design of freestanding motion controller(Mechanical Design & Manufacturing and Their Automation)Undergraduate:xxxxx Tutor: yyyyAbstract：Motion control, a kind of Automatic Control technique, is an important component of Numerical Control (NC) technique. Its a precise method to control the position, velocity, acceleration and torque of the objects by digital. Motion control development is a key technology in promoting new product innovation and industrial revolution. With the progress of motion control technology, it has been widely used in many industrial automation products in recent years, and forms a remarkable market. Now, freestanding motion controller with DSP as the core are becoming the main trend of motion control. They cant only operate absolutely instead of being plugged-in PC, but also have the advantages of powerful information processing capability, strong motion control ability and good openness.The paper expatiates the meaning of motion controller and precisely introduces the development of domestic and overseas motion controller. By using PRO/E software the three-dimensional sculpt design and the frame structure design of freestanding motion controller with DSP will be present. Eventually it will achieve the whole virtual assemblage of freestanding motion controller and its frame structure.Key words :freestanding motion controller, three-dimensional scuipt, frame structure目录第一章 概述11.1. 运动控制器的简介11.2. 国内外的研究现状与发展11.2.1. 国外的研究现状与发展11.2.2. 国内的研究现状与发展21.2.3. 国内外运动控制器比较31.3. 课题的研究意义及论文的主要内容3第二章PRO/E软件造型设计的概述52.1PRO/E Wildfire三维实体造型软件介绍52.2PRO/E Wildfire钣金件设计概述62.2.1. 钣金件设计介绍62.2.2. 钣金件设计方法62.2.3. 钣金件设计流程72.3. 本章小节7第三章 利用PRO/E建立运动控制器的零件实体模型93.1. MPC05的简介及基本组成93.2. 接线端子的三维造型方法介绍93.3. USB接口的三维造型方法103.4. DB接口的三维造型方法113.5. 上下两块PCB板及上面零件的三维造型113.6. 本章小节12第四章 独立式运动控制器框架结构设计234.1. 独立式运动控制器上部框架结构的设计234.2. 独立式运动控制器下部框架结构的设计254.3.本章小节25第五章 运动控制器总体装配285.1. 独立式运动控制器的装配285.2. 独立式运动控制器框架结构的装配295.3. 本章小节29第六章 总结与展望306.1 总结306.2 展望30参考文献32致 谢33第一章 概述1.1. 运动控制器的简介 运动控制器是在以高速数字信号处理器DSP 为代表的高性能高速微处理器及大规模可编程逻辑器件FPGA 的基础上发展而来的。基于PC 总线的开放式运动控制器已成为当今自动化领域应用最广、功能最强的运动控制器，并且在全球范围内得到了广泛的应用1。 简单地说，运动控制器主要用于对机械传动装置的位置、速度进行实时的控制管理，使运动部件按照预期的轨迹和规定的运动参数完成相应的动作。根据运动控制的特点和应用可将运动控制器分为以下三种2：点位控制运动控制器、连续轨迹控制运动控制器和同步控制运动控制器。 运动控制技术的发展是制造自动化前进的旋律，是推动新的产业革命的关键技术。运动控制器已经从以单片机或微处理器作为核心的运动控制器和以专用芯片（ASIC）作为核心处理器的运动控制器，发展到了基于PC 总线的以DSP 和FPGA 作为核心处理器的开放式运动控制器。运动控制技术也由面向传统的数控加工行业专用运动控制技术而发展为具有开放结构、能结合具体应用要求而快速重组的先进运动控制技术3。基于网络的开放式结构和嵌入式结构的通用运动控制器逐步成为自动化控制领域里的主导产品之一。高速、高精度始终是运动控制技术追求的目标。充分利用DSP 的计算能力，进行复杂的运动规划、高速实时多轴插补、误差补偿和更复杂的运动学、动力学计算，使得运动控制精度更高、速度更快、运动更加平稳；充分利用DSP 和FPGA 技术，使系统的结构更加开放，根据用户的应用要求进行客制化的重组，设计出个性化的运动控制器将成为市场应用的两大方向4。1.2. 国内外的研究现状与发展1.2.1. 国外的研究现状与发展传统的运动控制系统经过几十年的市场竞争,其技术被少数几家专业制造商所垄断,并且随着现代科学技术的进步,传统的运动控制系统由于其自身的特性限制,如封闭式结构、控制软件的兼容性差、容错性和可靠性不高、缺少网络功能等,已不能满足现代工业和社会发展的要求。为此,美国在1981年制订了下一代控制器NGC(Next Generation Workstation/Machine Controller)的研究计划,目的就是要建立一种开放式的控制系统标准,使不同的设计人员可依据规范开发具有互换性和互操作性的控制器部件,打破少数制造商的技术垄断,加快控制系统的发展步伐5。其后有许多相关的研究计划在世界各国相继启动,其中影响较大的有美国的开放式模块化结构控制器OMAC(Open Modular Architecture Controller)、欧洲的自动控制结构的开放式系统OSACA(Open System Architecture for Control within Automation)和日本的控制器结构开放系统环境OSEC(Open System Environment for Controller Architecture)等计划6。美、德等发达国家的公司一直致力于研究开放式运动控制器,并已开始在机器人控制、半导体加工、电子装配系统、飞行模拟器等新兴行业得到应用,其在传统的机床控制领域所占的市场份额也在不断扩大。1.2.2. 国内的研究现状与发展我国在运动控制器产品开发方面相对落后,其中以华中型较具代表性,它采用工业PC机上插接口卡的结构,运行在DOS平台上,具有较好的模块化、层次化特征,有一定扩展性和伸缩性7。但从整体来说这些系统是数控系统,不是独立的开放式运动控制器产品。目前国内中高档数控系统基本上被国外产品所垄断,固高科技公司与德国PA公司合作,开始进入Soft型开放式运动控制领域,开发了两款高档数控产品8。上市后,在这样的形势下,我国可以抓住这一机遇,研制出具有自主知识产权的高水平、高质量、高可靠性的开放式运动控制器9。自20世纪80年代初期,通用运动控制器已经开始在国外多个行业应用,尤其是在微电子行业的应用更加广泛。而当时运动控制器在我国的应用规模和行业面很小,国内也没有厂商开发出通用的运动控制器产品。1.2.3. 国内外运动控制器比较 运动控制器技术的水平主要体现在三个层面11:硬件方案、核心控制算法以及应用软件功能。国内运动控制器所采用的硬件平台和国外产品相比没有太大的差距，有的甚至更加先进。与欧美发达国家相比，国内运动控制器的差距主要体现在控制算法和二次开发平台的易用性方面。 欧美运动控制器提供许多先进的控制算法12，如伺服调节、PVT算法、样条插补、反向运动学算法、龙门双驱动算法、空间圆弧插补、速度前瞻和轨迹拟合，以及电子齿轮、电子凸轮、虚拟轴、高速位置锁存、位置比较输出等。国内运动控制器在这方面还存在较大的差距，有的甚至还处于起步阶段。 国外很多先进. 目前许多国外先进运动控制制造商都提供了基于ARM或DSP技术的独立式运动控制器，可大大提高运动控制系统的控制实时性和可靠性。同时这些控制器提供了丰富的通讯接口(如Modbus、USB、Ethernet、CANopen、Profibus等)可方便地与其他设备交换数据13。1.3. 课题的研究意义及论文的主要内容目前国内外运动控制器一般都是通过改变其自身的结构和控制部件的精度来提高它的控制精度和运行稳定性，但是运动控制器也很容易受到外界的干扰，灰尘等不断的进入控制器也会影响它的控制精度和运行的稳定性，甚至会对其造成损坏，这就需要一个好的外壳对其进行保护。但是目前国内外对运动控制器框架结构的研究少之又少，一个好的框架不仅可使运动控制器免受外界干扰和损坏，也可保证其控制精度和运行稳定性，还会增加控制器的美观，提高控制器的使用寿命。设计出完美的运动控制器的外壳已是今后运动控制器发展的很重要的一个方面。第二章PRO/E软件造型设计的概述2.1PRO/E Wildfire三维实体造型软件介绍Pro/e是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation，简称PTC）的一款极其优秀的CAD/CAE/CAM软件，作为PTC公司的旗舰产品，从其诞生之日就引起业界的极大震动。1988年问世以来，短短几十年的时间它就成了全世界最普及的CAD/CAM软件，基本上成为三维CAD的一个标准平台。PRO/E广泛应用于电子、机械，汽车，航空航天，家电，玩具，模具，工业设计等行业。PRO/E博大精深、功能强大，是一个全方位的3D开发软件，它集零件设计、产品装配、模具开发、NC加工、钣金件设计、造型设计、自动测量、机构模拟、压力分析、产品数据管理等功能于一体。PRO/E具有如下几方面的特征14：（1）实体造型PRO/E将使用者的设计概念以最真实的模型在计算机上呈现出来。.（2）单一数据库，全相关性 在PRO/E中，由3D模型可随时产生2D工程图，而自动标注工程图的尺寸，工程的同步性可确保工程数据的完整与设计修正的高效。（3）以设计特征作为数据库存取单位PRO/E以常规的工作模式从事设计操作，如钻孔、挖槽、倒角、圆角等。充分体现设计概念，可随时对特征做合理、不违反几何顺序的调整、插入、删除、重定义等修正动作。（4）参数化设计 2.2PRO/E Wildfire钣金件设计概述2.2.1. 钣金件设计介绍 由于运动控制器的外壳是一个钣金件，因此，利用PRO/E钣金件设计方法来设计独立式运动控制器的框架结构更加合理。 钣金是 在市场上，钣金零件占全部金属零件的90%以上，在国民经济.。在轻工十大产品中，金属件基本都是钣金冲压产品。 如下图2-1所示就是一个钣金件产品。图2-1. 钣金件产品 由于钣金件与实际零件不同，因此钣金设计与零件设计之间也存在一定的区别。从PRO/ENGINEER的特征建模方法来说，2.2.2. 钣金件设计方法 钣金件的制造通常是通过模具来完成，钣金件设计主要是设计模具。. 钣金件设计的基本步骤如下16：（1） 启动PRO/E Wildfire，进入钣金件设计模式，并输入钣金件名称。（2） 从菜单管理器执行壁钣金特征命令，生成第一面壁特征。（3） 随后，在第一面壁特征的基础上作一些钣金处理，如折弯、冲孔和印贴等，完善钣金件设计。（4） 如果对设计满意，则存盘退出；如果不满意，则继续修改或添加特征。2.2.3. 钣金件设计流程 钣金件设计开始时与实体零件设计相同，即首先以壁特征建立钣金的主体外形，也叫做第一面壁特征，就是钣金加工时所需要的毛坯；然后对该壁特征进行冲孔、折弯、扭转、区域变形、展开等操作，来完成钣金件设计。 如下图2-2所示的流程图为钣金件设计的基本流程17。开始：启动Pro/ENGINEER进入钣金件设计模式建立第一面壁特征添加特征和修改特征添加特征和修改特征重绘钣金件满意否 满 意存盘退出，完成设计图2-2. 钣金件设计流程2.3. 本章小节本章第一节主要是对PRO/E三维造型软件的发展历史、应用及其特征、PRO/E Wildfire的优点做了简单介绍；第二节主要讲述了PRO/E Wildfire 钣金件设计的特点、方法和设计流程。第三章 利用PRO/E建立运动控制器的零件实体模型3.1. MPC05的简介及基本组成 MPC05运动控制器是步进机电有限公司基于DSP、FPGA技术自主开发的能脱机运行的独立式运动控制器，可与多种品牌的触摸屏、文本显示器或 LCD 通讯，通过RS232进行人机交互，支持主流工业触屏（Modbus）标准协议。它极具MPC05的基本结构是由两块PCB板以及焊接在上面的各种零件组成（如接线端子、USB接口、DB接口、二极管等）。其实物图如下图3-1所示。本节主要是应用PRO/E三维造型软件对MPC05进行实体造型，以建立其三维实体模型，使人们能够更加清晰、更加直接的了解MPC05的基本结构及其组成。下面简要的介绍MPC05上面的接线端子、USB接口、DB接口以及两块PCB板的三维实体造型方法。图3-1. MPC05的实物图3.2. 接线端子的三维造型方法介绍 接线端子的效果图如下图3-2所示。图3-2 接线端子绘制下图3-3所示的剖面。 3.3. USB接口的三维造型方法 USB接口的效果图如下图3-14所示。3-14 A类型的USB（左）、B类型的USB（右） A类型USB接口的三维造型方法：3.4. DB接口的三维造型方法 DB接口的基本尺寸和效果图如下图3-24和3-25所示。3-24 DB接口尺寸图3-25 DB接口效果图 3.5. 上下两块PCB板及上面零件的三维造型 通过前面的讲解，利用拉伸特征很容易完成两块板及其上面零件的造型。如下图3-34所示。3-34 PCB板及零件3.6. 本章小节本章主要介绍了独立式运动控制器MPC05的特点及其基本结构，并应用PRO/E三维造型软件建立了MPC05组成零件（如接线端子、USB接口、DB接口等）的三维实体模型。第四章 独立式运动控制器框架结构设计 框架结构构成了运动控制器很重要的一部分，它可以防止外界系统或设备对它的干扰和损坏，从而对控制器起到了保护作用，保证了运动控制器的控制精度和运行的平稳性，提高运动控制器的可靠性和使用寿命。4.1. 独立式运动控制器上部框架结构的设计 上部基本框架结构的效果图如下图4-1所示。4-1 上部框架结构 4-7 放置参考实体模型选择钣金件的FRONT面与实体参考模型的FRONT面对齐，然后选择钣金件的RIGHT面与实体参考模型的RIGHT面对齐，最后选择实体参考模型的底面与钣金件的底面对齐。在“形状放置”对话框中，单击“确定”按钮。在弹出的“方向”菜单中，单击“正向”，表示接受红色箭头所指方向作为冲孔方向。至此就定义了创建印贴特征所必须的全部元素。在特征的创建对话框内，单击“确定”按钮，生成印贴特征。如下图4-8所示。4.2. 独立式运动控制器下部框架结构的设计 利用前面的介绍的PRO/E拉伸特征和去除材料方法很容易建立下部框架结构，其效果图如下图4-9所示。4-9 下部框架结构4.3.本章小节 本章主要介绍了独立式运动控制器MPC05上下部框架结构的钣金件设计方法。第五章 运动控制器总体装配5.1. 独立式运动控制器的装配（1）.建立新文件，5-1 新建组件模型文件（2）.单击按钮，5-2 组装好的运动控制器的效果图5.2. 独立式运动控制器框架结构的装配（1）. （2）. ，其效果图如下图5-3所示。5-3 带框架的运动控制器的效果图5.3. 本章小节 本章主要介绍了独立式运动控制器MPC05及其框架结构的总体装配。第六章 总结与展望6.1 总结 本文阐述了运动控制器的涵义，综合介绍了国内外运动控制器的发展状况，并应用PRO/E三维造型软件建立了独立式运动控制器MPC05的三维实体模型及其框架结构，使人们能够更加清晰、更加直接的了解独立式运动控制器的基本结构及其组成。 本论文主要做了以下几方面的工作： 1对当前国内外运动器的发展状况做了比较全面的调研，从硬件方案、核心控制算法以及应用软件功能等三个方面国内外运动控制器进行了比较。 2对PRO/E Wildfire三维造型软件及其钣金件的设计进行了比较详细的介绍。 3对独立式运动控制器MPC05的组成及基本结构进行了研究，在此基础上应用PRO/E软件建立它的三维实体模型。 4对独立式运动控制器MPC05的基本框架结构进行了研究，在此基础上利用PRO/E软件的钣金件设计知识完成了其设计。 5对独立式运动控制器及其基本框架进行了虚拟装配。6.2 展望 运动控制技术能够快速发展有两大主因:其一是得益于计算机、高速数字处理器(DSP)、自动控制、网络技术的发展;其二是有庞大的市场需求。运动控制器产品今后的发展基本上沿着上述两个方向走,但是专业化、个性化的运动控制器将是一个新的发展方向。 运动控制器在运行过程中要求高速、高精度，而且运行要平稳，但它很容易受到外界干扰，从而影响了其控制精度和运行可靠性、稳定性，减少了其使用寿命。因此设计一个能够保护运动控制器，防止其受到外界物体或系统干扰的外部框架已经急不可待。目前国内外对运动控制器框架结构的研究还很少，本文主要是从防止控制器受到干扰或损坏等方面对其框架结构进行了设计，对运动控制器框架结构设计的发展起了导向作用。笔者在做课题期间，由于现有试验条件的限制和时间比较仓促以及笔者本身能力有限，本论文的研究内容还比较肤浅，实际探索还有待深入，还有很多地方需要进一步的改善，基于当前的研究和对此行业的了解，笔者认为运动控制器框架结构的设计将朝着以下几个方面发展：1由于运动控制器的控制精度很容易受到外部系统或震动的干扰和外界气体、液体等的腐蚀，影响了它的可靠性，减少了其使用寿命。因此，具有抗震性、抗干扰能力、防腐蚀功能的运动控制器外部框架将是今后运动控制器框架结构设计很重要的一个发展方向。2从提高生产率、降低成本等方面考虑，在大批量生产时，框架结构的设计要满足互换性和可扩展性，此外将它逐渐标准化和系列化也是一个可能的发展方向。3从虚拟装配的方面来讲，本文是通过螺栓连接将运动控制器的框架固定在运动控制器上面的，这种固定方式拆卸不是很方便，因此将它的装配部分用弹性件制造，这样就可设计成将外部框架直接扣在控制器上，像手机的外壳一样拆卸方便。33参考文献1 韩安太、刘峙飞、黄海，DSP控制器原理及其在运动控制系统中的应用M，北京：清华大学出版社，20032 冷增祥，运动控制系统概述J，江苏机电工程，1995(3)：35-443 闫砺锋，运动控制技术研究及运动控制板开发D， 四川大学硕士学位论文，20014 徐小增、廖庆华、秦忆，智能控制方法的现状及发展J，佛山科学技术学院学报(自然科学版)，2002(4)：14-175 Altugs, Chow M Y. Fuzzy inference systems implemente