1.1安全概述

1.2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念和典型結(jié)構(gòu)

1.3運(yùn)動(dòng)控制實(shí)踐的形式及特點(diǎn)

1.4基本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成

1.5實(shí)驗(yàn)室規(guī)劃體系1.1安全概述在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)踐時(shí),有觸電的危險(xiǎn),運(yùn)動(dòng)部件也可能傷人,因此要特別注意人身安全!操作前要告知同組實(shí)踐者,并認(rèn)真閱讀設(shè)備說明書,嚴(yán)格按說明書進(jìn)行操作;注意設(shè)備急停開關(guān)的位置以及在操作中的相互配合,注意設(shè)備安全并保持絲杠、導(dǎo)軌等運(yùn)動(dòng)部件的清潔,按說明書對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期保養(yǎng)維護(hù)。1.2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念和典型結(jié)單地說,運(yùn)動(dòng)控制就是對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的位置、速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制管理,使其按照預(yù)期的軌跡和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)完成相應(yīng)的動(dòng)作。運(yùn)動(dòng)控制至今沒有統(tǒng)一的定義,本書使用如下定義:所謂運(yùn)動(dòng)控制,是綜合運(yùn)用力學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、通信和自動(dòng)化等有關(guān)技術(shù),采用適當(dāng)?shù)目刂圃?、方?在硬件或軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)滿足精度、響應(yīng)速度和其他要求的執(zhí)行裝置的位置/角位移、速度/角速度、加速度/角加速度、力矩/力的控制。伺服系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)輸出變量精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)輸入變量的控制系統(tǒng),通常是一個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)。在很多情況下,伺服系統(tǒng)專指被控制量是機(jī)械位移、速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)。通常認(rèn)為,運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包含了單軸速度和位置伺服控制系統(tǒng)并以之為基礎(chǔ),而伺服系統(tǒng)通常被認(rèn)為是位移、速度、加速度的閉環(huán)控制,速度伺服系統(tǒng)又是位置伺服系統(tǒng)的基礎(chǔ)。典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以用如圖1.21所示的方框圖表示。（1）主控制器通常負(fù)責(zé)調(diào)度、運(yùn)動(dòng)狀況顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通信協(xié)調(diào)等工作,可由PC、PLC等承擔(dān)。（2）運(yùn)動(dòng)控制器是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心,它向驅(qū)動(dòng)/放大器發(fā)出能使系統(tǒng)產(chǎn)生期望輸出的信號(hào),進(jìn)行各種插補(bǔ)運(yùn)算、軌跡路徑規(guī)劃、復(fù)雜控制策略等任務(wù),并根據(jù)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)情況,實(shí)時(shí)調(diào)整信號(hào)輸出。運(yùn)動(dòng)控制器可由基于PC的運(yùn)動(dòng)控制板卡、PLC或定位模塊、以DSP或ARM等為核心的控制器來承擔(dān)。3)驅(qū)動(dòng)/放大器為弱電信號(hào)到強(qiáng)電驅(qū)動(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換裝置,通常為由電力電子器件及其控制電路、保護(hù)電路組成的伺服驅(qū)動(dòng)/放大器,它接收控制系統(tǒng)指令信號(hào),經(jīng)過轉(zhuǎn)換變成能直接驅(qū)動(dòng)各種執(zhí)行元件的大電壓/大電流信號(hào)。驅(qū)動(dòng)/放大器與執(zhí)行元件可以合稱為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行器。(4)執(zhí)行元件是各種由電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的元件,多為各種功率電機(jī)或控制電機(jī)比如直流伺服電機(jī)、三相異步電機(jī)、無刷直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、超聲波電機(jī)、直線電機(jī)等,或液壓油缸、液壓馬達(dá)、汽缸等。(5)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通常是指進(jìn)行增減速、輸出力矩的放大或減小、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換等而采用的齒輪箱、絲杠、皮帶輪、齒形同步帶等。6)機(jī)械系統(tǒng)通常是控制的最終對(duì)象,可以是一維或多維機(jī)械平臺(tái)、機(jī)械手臂、機(jī)床等。(7)反饋傳感器(Sensor)可以將機(jī)械末端的運(yùn)動(dòng)情況反饋給控制器從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,也可以將執(zhí)行元件輸出反饋給控制器以實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)控制;沒有反饋環(huán)節(jié)的系統(tǒng)即為開環(huán)系統(tǒng)。以上驅(qū)動(dòng)/放大器、運(yùn)動(dòng)控制器、主控制器有時(shí)未必能嚴(yán)格區(qū)分,在某些系統(tǒng)中可以僅有驅(qū)動(dòng)/放大器,或?qū)⑦\(yùn)動(dòng)控制器與主控制器功能合為一體,需要具體情況具體分析。單軸運(yùn)動(dòng)控制可分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。對(duì)于運(yùn)動(dòng)多軸控制,根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域的不同,可以分成點(diǎn)位控制、連續(xù)軌跡控制、同步控制等幾種形式。運(yùn)動(dòng)控制的典型應(yīng)用和水平體現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域1.3運(yùn)動(dòng)控制實(shí)踐的形式及特點(diǎn)1.系統(tǒng)集成1)基于PC的運(yùn)動(dòng)控制卡運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)PC具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力、豐富的圖形界面、方便的網(wǎng)絡(luò)通信、海量的存儲(chǔ)空間,可作為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的上位機(jī);加上PCI總線接口的運(yùn)動(dòng)控制卡可作為運(yùn)動(dòng)控制器的下位機(jī);可構(gòu)成基于PC的開放性運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,一般用VC/VB/Delphi等進(jìn)行編程開發(fā)。典型的運(yùn)動(dòng)控制器廠家有DeltaTau公司和國內(nèi)深圳固高公司等。2)基于PLC的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)很多PLC廠家比如西門子、三菱公司等,推出的運(yùn)動(dòng)控制模塊具有多軸伺服定位功能,配以專用軟件,可以構(gòu)成基于PLC的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。也可以由PLC集成的高速脈沖輸入和高速脈沖輸出模塊構(gòu)成簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),脈沖輸出可控制步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)?；赑LC的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng),軟件可用技術(shù)人員熟知的梯形圖等形式編寫,有一定的靈活性,但同比價(jià)格上稍高于基于PC的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),開放性稍差。3）由可編程運(yùn)動(dòng)控制器(PMC)組成的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可編程運(yùn)動(dòng)控制器是運(yùn)動(dòng)控制專用控制器,將人機(jī)界面、運(yùn)動(dòng)控制等功能集于一身,成本要低于PLC運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),但其開放性更差些。4)計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC)系統(tǒng)CNC系統(tǒng)基于數(shù)控系統(tǒng),也可以構(gòu)成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)可以采用數(shù)控代碼編程,開發(fā)周期短,但價(jià)格往往更高。它一般是封閉式系統(tǒng),很難進(jìn)行二次開發(fā),欠缺靈活性。以上幾種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)都屬于系統(tǒng)集成式,對(duì)于較大型系統(tǒng),開發(fā)周期不允許太長,項(xiàng)目需求往往變化多,選擇哪種方案需要根據(jù)具體情況而定。能用系統(tǒng)集成方法完成工程項(xiàng)目是應(yīng)用型本科工科學(xué)生未來一項(xiàng)基本的和主要的能力2.分立元件搭建硬件如果是小型運(yùn)動(dòng)控制項(xiàng)目,產(chǎn)銷量大,開發(fā)周期較長,則可以考慮自行設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件和軟件。經(jīng)過試驗(yàn)、小批試制到批量生產(chǎn),這樣開發(fā)周期較長,研發(fā)成本高,但由于量大,總體可以降低成本。這種系統(tǒng)一般以單片機(jī)為控制器、用C語言編程來開發(fā)產(chǎn)品。對(duì)于應(yīng)用型本科相關(guān)專業(yè)學(xué)生來說,學(xué)習(xí)系統(tǒng)集成固然很重要,也符合應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求,但是有必要具備以分立元件搭建硬件、嵌入式開發(fā)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的能力,這樣才有深切體會(huì),才能獲得本門技術(shù)的發(fā)展后勁1.4基本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成XY平臺(tái)是許多機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成部件,如車、銑、鉆、激光加工等各種數(shù)控設(shè)備。固高科技公司面向制造行業(yè)和高等院校開發(fā)的GXY系列XY工作臺(tái),采用模塊化設(shè)計(jì)思想和工業(yè)化制造標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造,可廣泛應(yīng)用于焊接、點(diǎn)膠、邦定(Bonding)、打孔、包裝、取料等各類數(shù)控及精密位置控制設(shè)備的研究開發(fā),同時(shí)也可應(yīng)用于高等院校機(jī)電傳動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、機(jī)械工程控制以及數(shù)控技術(shù)等專業(yè)領(lǐng)域的研究、教學(xué)實(shí)踐等。由于XY平臺(tái)的基本性、通用性和直觀性,本書第2章運(yùn)動(dòng)控制基本實(shí)驗(yàn)部分主要以固高科技的XY平臺(tái)為實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

一套完整的XY平臺(tái)系統(tǒng)主要由以下三部分組成:控制對(duì)象(XY平臺(tái)機(jī)械本體)、電控箱、計(jì)算機(jī),如圖1.4-1所示。XY平臺(tái)系統(tǒng)的工作過程是:用戶在計(jì)算機(jī)上發(fā)送的指令通過電控箱轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)傳達(dá)給機(jī)械本體的執(zhí)行部件;反饋元件采集的信號(hào)通過電控箱送回計(jì)算機(jī)并轉(zhuǎn)化為可視的數(shù)據(jù)、曲線、圖像等在顯示器上顯示出來。

控制部分采用基于PC和DSP運(yùn)動(dòng)控制器的開放式控制體系,主要由