2.1認(rèn)知實(shí)驗(yàn)(一)

2.2基本器件簡(jiǎn)介

2.3認(rèn)知實(shí)驗(yàn)(二)

2.4演示實(shí)驗(yàn)

2.5運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)初步調(diào)試實(shí)驗(yàn)

2.12西門子MM420變頻器的初步使用實(shí)驗(yàn)

2.13雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)2.6單軸PID控制實(shí)驗(yàn)

2.7單軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)——速度規(guī)劃

2.8二維插補(bǔ)原理及其實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)

2.9數(shù)控代碼編程實(shí)驗(yàn)

2.10反向間隙實(shí)驗(yàn)

2.11電子齒輪實(shí)驗(yàn)

2.1認(rèn)知實(shí)驗(yàn)(一)教師對(duì)照實(shí)物講解,學(xué)生觀察、記錄。重點(diǎn)注意設(shè)備組成、名稱、型號(hào)、主要參數(shù)、電氣連接及其規(guī)范性,課后網(wǎng)上查資料完成認(rèn)知報(bào)告。2.1.1實(shí)驗(yàn)室通用二維XY平臺(tái)的組織結(jié)構(gòu)如圖2.11所示,GXY系列XY平臺(tái)機(jī)械本體采用模塊化拼裝,其主體由兩個(gè)GX系列通用線性模塊組成,部件全采用工業(yè)級(jí)元件,驅(qū)動(dòng)電機(jī)可選。XY平臺(tái)有交流伺服、直流伺服和步進(jìn)三種類型。GX系列線性模塊主要包括工作臺(tái)、絲桿、導(dǎo)軌、電機(jī)、底座等部分。2.1.2控制箱控制箱是平臺(tái)控制部分的核心,與機(jī)械本體驅(qū)動(dòng)電機(jī)配套,可分為三種類型:交流伺服型、直流伺服型和步進(jìn)型。(1)交流伺服型:內(nèi)置交流伺服驅(qū)動(dòng)器、開關(guān)電源、斷路器、接觸器、運(yùn)動(dòng)控制器端子板、按鈕開關(guān)等,如圖2.13所示。（2）直流伺服型:內(nèi)置直流伺服驅(qū)動(dòng)器、開關(guān)電源、斷路器、接觸器、運(yùn)動(dòng)控制器端子板、按鈕開關(guān)等,如圖2.13所示。（3）步進(jìn)型:內(nèi)置步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、開關(guān)電源、運(yùn)動(dòng)控制器端子板、開關(guān)等,如圖2.14所示。2.1.3計(jì)算機(jī)為保證系統(tǒng)良好運(yùn)行,建議計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置不低于以下標(biāo)準(zhǔn):(1)CPU:推薦主頻1.5GHz以上。(2)硬盤:軟件安裝預(yù)留空間約12MB。(3)內(nèi)存:256MB以上。(4)顯卡:兼容Windows系統(tǒng),顯示內(nèi)存在16MB以上,可工作于1024×768分辨率下。(5)PCI插槽:兩條空閑插槽(必須)。(6)操作環(huán)境:WindowsXP/Windows7專業(yè)版。產(chǎn)品可能更新?lián)Q代,根據(jù)廠家要求,不排除使用更高版本軟/硬件的可能。2.1.4附件自動(dòng)筆架用于繪制XY平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡,如圖2.15所示。自動(dòng)筆架主要由磁性固定底座、筆架體、電磁鐵和畫筆組成。畫筆可抬起或下降,其升降運(yùn)動(dòng)由電磁鐵通、斷電實(shí)現(xiàn),電磁鐵的通、斷電信號(hào)則由運(yùn)動(dòng)控制卡通過I/O口給出。2.1.5PCI型運(yùn)動(dòng)控制器PCI型運(yùn)動(dòng)控制器俗稱運(yùn)動(dòng)控制板卡,簡(jiǎn)稱板卡,其常見內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外形如圖2.16所示。PCI運(yùn)動(dòng)控制器與電腦內(nèi)部連接部位如圖2.1-7所示2.1.6電氣連線及軟件安裝(1)電氣連接使用的線纜如圖2.1-8和圖2.1-9所示。（2）如圖2.1-10為電控箱及XY平臺(tái)本體的電氣接口（3）圖2.111為系統(tǒng)連線示意圖。系統(tǒng)連線注意事項(xiàng):當(dāng)所用電纜用于強(qiáng)電時(shí),若有破損則可能導(dǎo)致嚴(yán)重人身事故;在進(jìn)行系統(tǒng)連線、安裝與拆卸前,務(wù)必關(guān)閉系統(tǒng)所有電源。(4)安裝控制器驅(qū)動(dòng)程序(Windows98/2000/XP環(huán)境)。(5)安裝運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)實(shí)驗(yàn)軟件。安裝完成后,Windows操作系統(tǒng)的桌面上添加圖標(biāo),Windows開始菜單中也添加了相應(yīng)的固高運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)實(shí)驗(yàn)軟件程序組,如圖2.1-12所示。程序組中包括兩項(xiàng):Googol_MCE(實(shí)驗(yàn)軟件)和軟件說明書。2.1.7系統(tǒng)初始狀態(tài)在正式使用前,需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始狀態(tài)調(diào)試,其目的:一是為了消除搬運(yùn)等因素對(duì)系統(tǒng)硬件的影響,二是為后面的實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。調(diào)試系統(tǒng)時(shí),按照如圖2.1-13所示的流程進(jìn)行。2.1.8系統(tǒng)維護(hù)及故障處理XY工作臺(tái)為精密實(shí)驗(yàn)設(shè)備,在使用中應(yīng)注意定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查和保養(yǎng),用戶可參考表2.1-2中的內(nèi)容對(duì)設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)。如在檢查中發(fā)現(xiàn)任何異常,可對(duì)照表2.13中常見故障對(duì)策進(jìn)行處理。2.2基本器件簡(jiǎn)介2.2.1聯(lián)軸器聯(lián)軸器通常是用來連接不同機(jī)構(gòu)中的兩根軸(主動(dòng)軸和從動(dòng)軸),使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機(jī)械零件。在高速重載的動(dòng)力傳動(dòng)中,有些聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動(dòng)態(tài)性能的作用。聯(lián)軸器由兩部分組成,分別與主動(dòng)軸和從動(dòng)軸連接。圖2.2-1為常見的聯(lián)軸器。聯(lián)軸器屬于機(jī)械通用零部件范疇。一般動(dòng)力機(jī)大都借助聯(lián)軸器與工作機(jī)相連接,聯(lián)軸器是機(jī)械產(chǎn)品軸系傳動(dòng)最常用的連接部件。常用聯(lián)軸器有膜片聯(lián)軸器、齒式聯(lián)軸器、梅花聯(lián)軸器、滑塊聯(lián)軸器、鼓形齒式聯(lián)軸器、萬向聯(lián)軸器、安全聯(lián)軸器、彈性聯(lián)軸器及蛇形彈簧聯(lián)軸器。圖2.2-2為萬向聯(lián)軸器和單節(jié)膜片聯(lián)軸器。動(dòng)控制系統(tǒng)中的聯(lián)軸器通常要求圓周方向剛性大,而同軸性上要有一定彈性,才能減小振動(dòng)、沖擊和控制中的非線性因素,從而延長(zhǎng)使用壽命,提高運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制性能。2.2.2絲杠絲杠是具有螺紋滾道的軸,常見的有滾珠絲杠及梯形絲杠。絲杠結(jié)構(gòu)圖及實(shí)物圖如圖2.2-3和圖2.2-4所示。滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng),或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想產(chǎn)品。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成,它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng),這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展,這項(xiàng)發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動(dòng)動(dòng)作變成滑動(dòng)動(dòng)作。由于具有很小的摩擦阻力,滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器中。滾珠絲杠按常用的循環(huán)方式分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種類型。滾珠在循環(huán)過程中有時(shí)與絲杠脫離接觸的稱為外循環(huán);始終與絲杠保持接觸的稱為內(nèi)循環(huán)。滾珠絲杠和梯形絲杠在很多情況下不能互換,應(yīng)用時(shí)需要在精度、剛度和負(fù)載容量之間進(jìn)行權(quán)衡,規(guī)格和性能之間不一定完全對(duì)應(yīng)。滾珠絲杠和梯形絲杠的應(yīng)用有一些區(qū)別。原始設(shè)備制造商的應(yīng)用系統(tǒng)很多時(shí)候需要“正合適”的產(chǎn)品,而梯形絲杠往往是一個(gè)正確的選擇。梯形絲杠產(chǎn)品很容易結(jié)合具體的應(yīng)用來進(jìn)行調(diào)整,以達(dá)到預(yù)期性能,同時(shí)可將成本控制在最低限度。在某些情況下,需要在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行壽命測(cè)試,不過對(duì)于原始設(shè)備制造商來說,在前期進(jìn)行此類的額外工作有助于降低產(chǎn)品成本。滾珠絲杠可以連續(xù)運(yùn)行,承受高強(qiáng)度負(fù)載,運(yùn)動(dòng)效率高,為此而增加成本是值得的。對(duì)于最終用戶來說,滾珠絲杠具有良好的可預(yù)測(cè)性,因而是確?？焖偌珊涂煽啃缘淖罴堰x擇。比如,工廠自動(dòng)化系統(tǒng)在很大程度上就依賴于滾珠絲杠技術(shù)。當(dāng)然,有很多原始設(shè)備制造商應(yīng)用系統(tǒng)也需要用到滾珠絲杠,比如機(jī)床行業(yè)。對(duì)于原始設(shè)備制造商來說,決定技術(shù)的是性能和成本,而不是可預(yù)測(cè)性。2.2.3導(dǎo)軌導(dǎo)軌是由金屬或其他材料制成槽或脊,可承受、固定、引導(dǎo)移動(dòng)裝置或設(shè)備并減少其摩擦的一種裝置。導(dǎo)軌表面上的縱向槽或脊用于引導(dǎo)、固定機(jī)器部件、專用設(shè)備、儀器等。導(dǎo)軌又稱滑軌、線性導(dǎo)軌、線性滑軌,用于直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合,擁有比直線軸承更高的額定負(fù)載,同時(shí)可以承擔(dān)一定的扭矩,可在高負(fù)載情況下實(shí)現(xiàn)高精度的直線運(yùn)動(dòng)。圖2.2-5為常見的直線導(dǎo)軌2.2.4步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載情況下,電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù),而不受負(fù)載變化的影響。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí),將驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度,這個(gè)角度稱為步距角。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的。圖2.2-6為常見的步進(jìn)電機(jī)2.2.5交流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的一種機(jī)器,其結(jié)構(gòu)主要可分為定子部分和轉(zhuǎn)子部分。目前市面上交流伺服電機(jī)多為三相永磁同步電機(jī)。圖2.2-7為常見的交流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器2.2.6驅(qū)動(dòng)器電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一般是指步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直流伺服驅(qū)動(dòng)器和交流伺服驅(qū)動(dòng)器。使用驅(qū)動(dòng)器是因?yàn)檫@些電機(jī)的運(yùn)動(dòng)需要換相、換向、變流等。不是所有電機(jī)都需要用到驅(qū)動(dòng)器,例如部分水泵、風(fēng)扇等,這取決于電機(jī)本身結(jié)構(gòu)及其使用場(chǎng)合。圖2.2-8為常見的驅(qū)動(dòng)器。2.2.7光柵尺光柵尺位移傳感器(簡(jiǎn)稱光柵尺)是利用光柵的光學(xué)原理工作的測(cè)量反饋裝置。光柵尺經(jīng)常應(yīng)用于機(jī)床與加工中心以及測(cè)量?jī)x器等方面,可用作直線位移或者角位移的檢測(cè)。光柵尺測(cè)量輸出的信號(hào)為數(shù)字脈沖,具有檢測(cè)范圍大、檢測(cè)精度高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。例如,光柵尺在數(shù)控機(jī)床中常用于對(duì)刀具和工件的坐標(biāo)進(jìn)行檢測(cè),來觀察和跟蹤走刀誤差,以起到補(bǔ)償?shù)毒哌\(yùn)動(dòng)誤差的作用。圖2.29為常見的光柵尺。2.2.8編碼器編碼器(Encoder)是將信號(hào)(如比特流)或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制,轉(zhuǎn)換為可用以通信、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)的設(shè)備。市面上用得最多的編碼器全稱為“光電式增量式正交旋轉(zhuǎn)編碼器”。圖2.2-10為常見的編碼器2.3認(rèn)知實(shí)驗(yàn)(二)本節(jié)主要介紹實(shí)驗(yàn)室組成及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展史,認(rèn)識(shí)主要零部件。1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私饽壳肮I(yè)上常用的幾種電機(jī)與驅(qū)動(dòng)裝置的構(gòu)造和使用方法,掌握它們的特點(diǎn)、性能和選用方法。2.實(shí)驗(yàn)原理對(duì)照?qǐng)D1.2-1中的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu),認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備各部分的組成、功能。3.實(shí)驗(yàn)設(shè)備平臺(tái)配套設(shè)備:XY平臺(tái)、電控箱、計(jì)算機(jī)。4.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(1)觀察平臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成,對(duì)照?qǐng)D1.21了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備各部分所屬結(jié)構(gòu)類型和接口關(guān)系。(2)查找并觀察聯(lián)軸器、滾珠絲杠、光柵尺、電磁閥、限位開關(guān)、原點(diǎn)開關(guān)、緩沖器、同步帶的位置、形狀等。(3)對(duì)步進(jìn)電機(jī)參數(shù)(銘牌步距角、功率等)進(jìn)行記錄。(4)對(duì)交流伺服電機(jī)參數(shù)(品牌、功率、電流、電壓、轉(zhuǎn)速、編碼器分辨率等)進(jìn)行記錄。(5)觀察電機(jī)對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器,并根據(jù)型號(hào)查找相關(guān)參數(shù)。(6)查找并了解GT400SGPCI、GT400SVPCI運(yùn)動(dòng)控制卡的參數(shù)、性能。5.實(shí)驗(yàn)結(jié)論自行依據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上網(wǎng)查找資料,寫一份認(rèn)識(shí)報(bào)告,以表格形式列出所觀察的運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、編碼器、光柵尺、機(jī)械部件的主要參數(shù)2.4演

示

實(shí)

驗(yàn)直線一級(jí)倒立擺、磁懸浮、SCARA機(jī)器人(平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人)及示教功能演示。1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)了解目前工業(yè)上常用機(jī)器人的電機(jī)與驅(qū)動(dòng)裝置的構(gòu)造,掌握各自的特點(diǎn)、性能和選用方法;(2)了解倒立擺的控制方法以及磁力懸浮裝置的應(yīng)用,培養(yǎng)學(xué)生對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的興趣。2.實(shí)驗(yàn)原理倒立擺、磁懸浮的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定;SCARA機(jī)器人的組成、示教功能。3.實(shí)驗(yàn)設(shè)備配套設(shè)備:電控箱、計(jì)算機(jī)、四自由度機(jī)器人、倒立擺裝置、磁懸浮裝置。4.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(1)對(duì)SCARA機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成、關(guān)節(jié)運(yùn)行、接口及其控制電機(jī)的方法進(jìn)行記錄。(2)仔細(xì)觀察機(jī)器人示教功能的動(dòng)作過程,了解并掌握機(jī)器人動(dòng)作是如何執(zhí)行的。(3)對(duì)倒立擺的運(yùn)行情況進(jìn)行記錄,待系統(tǒng)平衡后手動(dòng)增加少許干擾,觀察現(xiàn)象,并能完成一定的操作。(4)對(duì)磁懸浮裝置的動(dòng)作過程進(jìn)行觀察和記錄,待系統(tǒng)平衡后可在懸浮鋼球下增加幾枚硬幣,觀測(cè)現(xiàn)象;在電腦上設(shè)定球的高度,并觀察現(xiàn)象。(5)觀察各裝置對(duì)應(yīng)的控制器,并根據(jù)動(dòng)作的方式方法加以判斷解釋。5.實(shí)驗(yàn)結(jié)論自行依據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄內(nèi)容寫一份演示實(shí)驗(yàn)的觀后報(bào)告,上網(wǎng)查找資料驗(yàn)證自己的判斷。2.5運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)初步調(diào)試實(shí)驗(yàn)1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私釾Y平臺(tái)實(shí)驗(yàn)軟件的啟動(dòng)與關(guān)閉,熟悉實(shí)驗(yàn)界面,了解“系統(tǒng)測(cè)試”部分的卡初始化、軸開啟、軸關(guān)閉、選擇軸、回零、點(diǎn)動(dòng)(寸動(dòng))、卡復(fù)位等功能,了解“參數(shù)設(shè)置”選項(xiàng)。2.實(shí)驗(yàn)設(shè)備(1)XY平臺(tái)一套。(2)GT400SV或GT400SG運(yùn)動(dòng)控制卡一塊。(3)PC機(jī)一臺(tái)。3.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)實(shí)驗(yàn)軟件中完成實(shí)驗(yàn),步驟如下:(1)雙擊鼠標(biāo)左鍵打開“固高運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)實(shí)驗(yàn)軟件”。(2)選擇卡類型:SG———步進(jìn)系統(tǒng),SV———伺服系統(tǒng)。(3)打開伺服驅(qū)動(dòng)器電控箱電源。(4)依次選擇卡初始化

→

軸開啟(伺服驅(qū)動(dòng)器使能)→IN0~15→OUT0~15,測(cè)試OUT1,觀測(cè)電磁閥是否動(dòng)作。（5）X軸、Y軸回零。（6）X軸、Y軸點(diǎn)動(dòng),觀看X、Y坐標(biāo)以及X+、X-、Y+、Y-運(yùn)轉(zhuǎn)方向,觀察屏幕界面的位置數(shù)值顯示。（7）軸關(guān)閉、卡復(fù)位。（8）解讀脈沖當(dāng)量參數(shù)設(shè)置:2000PULSE/mm。（9）熟悉實(shí)驗(yàn)軟件2.6單軸PID控制實(shí)驗(yàn)1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私鈹?shù)字PID調(diào)節(jié)器的基本控制作用,掌握調(diào)整PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的一般步驟和方法,調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制器的PID調(diào)節(jié)器參數(shù),使電機(jī)運(yùn)動(dòng)達(dá)到要求的性能。需要注意的是,本節(jié)實(shí)際進(jìn)行的是位置環(huán)PID實(shí)驗(yàn),速度環(huán)與電流環(huán)已由伺服驅(qū)動(dòng)器完成。2.實(shí)驗(yàn)設(shè)備(1)交流伺服XY平臺(tái)一套。(2)GT400SV運(yùn)動(dòng)控制卡一塊。(3)PC機(jī)一臺(tái)。(4)實(shí)驗(yàn)用工具一套。（5）X軸、Y軸回零。（6）X軸、Y軸點(diǎn)動(dòng),觀看X、Y坐標(biāo)以及X+、X-、Y+、Y-運(yùn)轉(zhuǎn)方向,觀察屏幕界面的位置數(shù)值顯示。（7）軸關(guān)閉、卡復(fù)位。（8）解讀脈沖當(dāng)量參數(shù)設(shè)置:2000PULSE/mm。（9）熟悉實(shí)驗(yàn)軟件3.實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)過程中要特別小心,遇到意外須立即按下“急?！卑粹o。注意兩軸可能有不同的極限參數(shù)。在運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)實(shí)驗(yàn)軟件中完成實(shí)驗(yàn),步驟如下:(1)松開XY平臺(tái)各電機(jī)軸與絲杠間的聯(lián)軸器,使XY平臺(tái)處于不加負(fù)載的工作狀態(tài)。(2)檢查系統(tǒng)電氣連線是否正確,確認(rèn)后,給實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上電。(3)雙擊桌面上的“MotorControlBench.exe”按鈕,進(jìn)入運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)實(shí)驗(yàn)軟件,點(diǎn)擊界面下方“單軸電機(jī)實(shí)驗(yàn)”選項(xiàng)按鈕,進(jìn)入如圖2.6-1所示界面。(4)選取實(shí)驗(yàn)電機(jī),例如選取“1軸”即實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的X軸為當(dāng)前軸。(5)“電機(jī)控制模式”欄將根據(jù)實(shí)際電機(jī)的配置情況自動(dòng)設(shè)置,“脈沖量”表示控制信號(hào)為脈沖信號(hào),“模擬電壓”表示控制信號(hào)為模擬電壓。(6)設(shè)置位置環(huán)PID參數(shù),PID參數(shù)在“電機(jī)控制模式”為“模擬電壓”下有效,“脈沖量”下無效。為了防止電機(jī)振動(dòng),調(diào)節(jié)參數(shù)Kp時(shí)應(yīng)在教師指導(dǎo)下逐步增大;先設(shè)置Ki=0進(jìn)行實(shí)驗(yàn),做完再試Ki逐步增加的情況。(注意:對(duì)于GXY2020平臺(tái),Kp參數(shù)不得大于20,15以上就要逐步增加,點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕前請(qǐng)確認(rèn)。)(7)選擇速度規(guī)劃模式為“T曲線模式”。(8)在“T曲線模式”參數(shù)輸入頁(yè)面中設(shè)置各運(yùn)動(dòng)參數(shù),加速度、速度參數(shù)建議采用默認(rèn)數(shù)值,為使平臺(tái)運(yùn)動(dòng)不至于超限,“目標(biāo)位置”設(shè)置值可正負(fù)交替使用,如本次“目標(biāo)位置”為20000,下次改為-20000,再下次改為20000,如此交替進(jìn)行。參考設(shè)置如圖2.6-2所示。(9)在教師指導(dǎo)下,設(shè)置PID參數(shù)值,參考設(shè)置如圖2.6-3所示。(10)將“數(shù)據(jù)采集設(shè)置”設(shè)置為全部。(11)點(diǎn)擊“開啟軸”按鈕,將PID參數(shù)載入運(yùn)動(dòng)控制器中,點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕,電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)程序讀取板卡對(duì)編碼器采樣得到的數(shù)據(jù),位于程序界面左側(cè)的繪圖區(qū)域中的三個(gè)坐標(biāo)軸分別顯示采集到的位移、速度、加速度。(12)單軸運(yùn)動(dòng)停止。用戶設(shè)置運(yùn)動(dòng)停止后,程序停止讀取采樣數(shù)據(jù),顯示曲線不再更新。(13)運(yùn)動(dòng)完成后,可將采集數(shù)據(jù)或圖形保存(具體操作方法見軟件使用說明書)。(14)逐步增大Kp參數(shù)值,重復(fù)執(zhí)行第(11)步,直到電機(jī)發(fā)生震顫,觀察平臺(tái)的響應(yīng)情況及繪圖區(qū)域中的顯示圖形。(15)電機(jī)若發(fā)生震顫,則立即點(diǎn)擊“關(guān)閉軸”按鈕使伺服關(guān)閉,將Kp參數(shù)稍微調(diào)小,再點(diǎn)擊“開啟軸”按鈕使伺服開啟,直到電機(jī)不發(fā)生震顫(16)分析并理解Kp參數(shù)對(duì)電機(jī)運(yùn)行的影響。(17)在教師指導(dǎo)下,改變Kd的值,觀察平臺(tái)的響應(yīng)情況。(18)分析理解Kd參數(shù)對(duì)電機(jī)運(yùn)行的影響。(19)設(shè)置PID參數(shù)為:Kp=1(小),Kd=0;Kp=19(大),Kd=0,控制電機(jī)分別得如圖2.6-4和圖2.6-5所示的運(yùn)行結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析:由圖2.6-4和圖2.6-5的對(duì)比實(shí)驗(yàn)來看,可以明顯地發(fā)現(xiàn)隨著Kp值的增大,系統(tǒng)的超調(diào)量加大,系統(tǒng)響應(yīng)速度加快。（20）設(shè)置PID參數(shù)為:Kp=19(大),Kd=200(大),控制電機(jī)得到如圖2.66所示的運(yùn)行結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析:由圖2.6-5和圖2.6-6的對(duì)比來看,在Kd范圍內(nèi),隨著Kd值的增大,系統(tǒng)的超調(diào)量變小。（21）設(shè)置PID參數(shù)為:Kp=1(小),Kd=10(小);Kp=1(小),Kd=200(大),控制電機(jī)分別得到如圖2.6-7和圖2.6-8所示的運(yùn)行結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析:由圖2.67和圖2.68的對(duì)比來看,在Kd范圍內(nèi),隨著Kd值的增大,系統(tǒng)的超調(diào)量變小,抗干擾性能降低。4.實(shí)驗(yàn)總結(jié)PID參數(shù)的整定就是合理地選擇Kp、Ki、Kd三個(gè)參數(shù)。從系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面考慮問題，參數(shù)的作用如下:(1)比例參數(shù)Kp的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。隨著Kp的增大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但是系統(tǒng)易產(chǎn)生超調(diào)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。Kp取值過小，調(diào)節(jié)精度降低，響應(yīng)速度變慢，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)，使系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能變差。(2)微分作用參數(shù)Kd的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,其主要作用是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化,對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。但Kd不能過大,否則會(huì)使響應(yīng)過程提前制動(dòng),延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間,并且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。(3)Ki參數(shù)的使用本實(shí)驗(yàn)未有體現(xiàn),原因是本節(jié)位置環(huán)PID實(shí)時(shí)性強(qiáng),更改Ki參數(shù)看不出其對(duì)控制系統(tǒng)的影響。讀者可以參照本書第3.7節(jié)(具體見圖3.7~圖3.14及其對(duì)應(yīng)文字部分),更改PID的積分時(shí)間常數(shù)TI加以體會(huì),TI的變化與Ki成反比關(guān)系。2.7單軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)———速度規(guī)1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康睦斫膺\(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)加、減速控制的基本原理及其常見的實(shí)現(xiàn)方式(T曲線模式、S曲線模式),掌握實(shí)現(xiàn)單軸運(yùn)動(dòng)各種運(yùn)動(dòng)模式的方法和設(shè)置參數(shù)的含義。2.實(shí)驗(yàn)設(shè)備(1)XY平臺(tái)一套。(2)由實(shí)驗(yàn)平臺(tái)類型決定的GT400SV(伺服)卡或GT400SG(步進(jìn))卡一塊。(3)PC一臺(tái)。3.實(shí)驗(yàn)步驟(1)檢查實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電氣是否正常。(2)確認(rèn)正常后,按下電控箱上的電源按鈕,使實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上電。(3)雙擊桌面“MotorControlBench.exe”圖標(biāo),打開運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)實(shí)驗(yàn)軟件,點(diǎn)擊界面下方的“單軸電機(jī)實(shí)驗(yàn)”按鈕,進(jìn)入單軸運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)界面。(4)在“電機(jī)選擇”欄中,選擇“2軸”為當(dāng)

前軸,“電機(jī)控制模式”欄將根據(jù)實(shí)際電機(jī)的配置情況自動(dòng)設(shè)置。“脈沖量”表示控制信號(hào)為脈沖信號(hào),“模擬電壓”表示控制信號(hào)為模擬電壓。(5)在控制模式選項(xiàng)卡中點(diǎn)擊“S曲線模式”,設(shè)置S曲

線

模

式

的

參

數(shù),參

考

設(shè)

置

如

圖2.7-1所示。(6)將“數(shù)據(jù)采集設(shè)置”設(shè)置為全部。(7)點(diǎn)擊“開啟軸”按鈕,使電機(jī)伺服上電。(8)確認(rèn)參數(shù)設(shè)置無誤后,點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕,此時(shí)將觀察到運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)上電機(jī)開始運(yùn)動(dòng)。(9)單軸運(yùn)動(dòng)停止后,觀察界面左側(cè)顯示區(qū)中電機(jī)運(yùn)行速度、加速度及位移曲線(見圖2.7-2),結(jié)合基礎(chǔ)知識(shí)中的內(nèi)容理解并分析S曲線運(yùn)動(dòng)模式的特點(diǎn)。(10)運(yùn)動(dòng)完成后,將圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。(11)在教師指導(dǎo)下,合理改變加加速度和加速度參數(shù)值,運(yùn)行電機(jī)。觀察并分析不同參數(shù)設(shè)置對(duì)S曲線運(yùn)動(dòng)模式的影響。(12)比較并分析在S曲線模式和T曲線模式下,速度和加速度曲線的異同,理解S曲線和T曲線加減速的應(yīng)用范圍。實(shí)驗(yàn)分析:由S曲線模式圖2.7-2和T曲線模式圖2.6-5對(duì)比可以明顯地看出S形加減速相對(duì)于T曲線加減速時(shí),在任何一點(diǎn)的加速度都是連續(xù)變化的,從而避免了柔性沖擊,速度的平滑性很好,運(yùn)動(dòng)精度高;而T曲線加減速時(shí)加速度有突變,運(yùn)動(dòng)存在柔性沖擊,速度的過渡不夠平滑,運(yùn)動(dòng)精度低。4.實(shí)驗(yàn)總結(jié)加、減速控制是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)插補(bǔ)器的重要組成部分,是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。常見的加、減速控制方式有直線加減速(T曲線加減速)、三角函數(shù)加減速、指數(shù)加減速、S曲線加減速等。其中,在運(yùn)動(dòng)控制器中應(yīng)用最廣泛的為直線加減速和S曲線加減速算法。1)直線加減速(T曲線加減速)算法如圖2.7-3所示,當(dāng)前指令進(jìn)給速度vi+1大于前一指令進(jìn)給速度vi

時(shí),處于加速階段。瞬時(shí)速度計(jì)算如下:式中:a為加速度;T為插補(bǔ)周期。此時(shí)系統(tǒng)以新的瞬時(shí)速度vi+1進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算,得到該周期的進(jìn)給量,對(duì)各坐標(biāo)軸進(jìn)行分配。這是一個(gè)迭代過程,該過程一直進(jìn)行到vi為穩(wěn)定速度為止。同理,處于減速階段時(shí),vi+1=vi-aT。此時(shí)系統(tǒng)以新的瞬時(shí)速度進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算,這個(gè)過程一直進(jìn)行到新的穩(wěn)定速度為零為止。直線加減速算法的優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單、占用機(jī)時(shí)少、響應(yīng)快、效率高。但其缺點(diǎn)也很明顯,從圖2.7-3中可以看出,在加減速階段的起點(diǎn)A、C,終點(diǎn)B、D處加速度有突變,運(yùn)動(dòng)存在柔性沖擊。另外,速度的過渡不夠平滑,運(yùn)動(dòng)精度低。因此,直線加減速方法一般用于起停、進(jìn)退刀等輔助運(yùn)動(dòng)中。2)S曲線加減速算法S曲線加減速的稱謂是由系統(tǒng)在加減速階段的速度曲線形狀呈S形而得的,采用減速與加速對(duì)稱的曲線來實(shí)現(xiàn)加減速控制。正常情況下的S曲線加減速如圖2.7-4所示。以下給出S曲線加減速的插補(bǔ)遞推公式,在此處設(shè)插補(bǔ)周期為T,則在第i個(gè)插補(bǔ)周期結(jié)束時(shí),位移

加速度

速度上述遞推公式中J是分區(qū)適應(yīng)的,即插補(bǔ)時(shí)只需判斷當(dāng)前插補(bǔ)周期所在區(qū)間,即可按插補(bǔ)迭代公式計(jì)算出與速度規(guī)劃適應(yīng)的位移增量,從而實(shí)現(xiàn)其加減速。S形加減速在任何一點(diǎn)的加速度都是連續(xù)變化的,從而避免了柔性沖擊,速度的平滑性很好,運(yùn)動(dòng)精度高,但是其算法較復(fù)雜,一般用于高速、高精度加工中。2.8二維插補(bǔ)原理及其實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆罩瘘c(diǎn)比較法、數(shù)字積分法、數(shù)據(jù)采樣法等常見直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)原理和實(shí)現(xiàn)方法;通過利用運(yùn)動(dòng)控制器的基本控制指令實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ),掌握基本數(shù)控插補(bǔ)算法的軟件實(shí)現(xiàn)原理。2.實(shí)驗(yàn)原理數(shù)控系統(tǒng)加工的零件輪廓或運(yùn)動(dòng)軌跡一般由直線、圓弧組成,對(duì)于一些非圓曲線輪廓?jiǎng)t用直線或圓弧去逼近。插補(bǔ)計(jì)算就是數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)輸入的基本數(shù)據(jù),通過計(jì)算,將工件的輪廓或運(yùn)動(dòng)軌跡描述出來,邊計(jì)算邊根據(jù)計(jì)算結(jié)果向各坐標(biāo)發(fā)出進(jìn)給指令。數(shù)控系統(tǒng)常用的插補(bǔ)計(jì)算方法有:逐點(diǎn)比較法、數(shù)字積分法、時(shí)間分割法、樣條插補(bǔ)法等。下面介紹逐點(diǎn)比較法。1)逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)逐點(diǎn)比較法是使用階梯折線來逼近被插補(bǔ)直線或圓弧輪廓的方法,一般是按偏差判別、進(jìn)給控制、偏差計(jì)算和終點(diǎn)判別四個(gè)節(jié)拍來實(shí)現(xiàn)一次插補(bǔ)過程。(1)偏差函數(shù)構(gòu)造。以第一象限為例,取直線起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),如圖2.81所示,對(duì)于第一象限直線OA,其方程可表示為若刀具加工點(diǎn)為Pi(Xi,Yi),則該點(diǎn)的偏差函數(shù)Fi可表示為若Fi=0,則加工點(diǎn)位于直線上;若Fi>0,則加工點(diǎn)位于直線上方;若Fi<0,則加工點(diǎn)位于直線下方。2)偏差函數(shù)字的遞推計(jì)算。為了簡(jiǎn)化式(2.8-1)的計(jì)算,通常采用偏差函數(shù)的遞推式(迭代式)。若Fi≥0,規(guī)定向+X方向走一步,若坐標(biāo)單位用脈沖當(dāng)量表示,則有若Fi<0,規(guī)定向+Y方向走一步,則有因此插補(bǔ)過程中用式(2.8-2)和式(2.8-3)代替式(2.8-1)進(jìn)行偏差計(jì)算,可使計(jì)算大為簡(jiǎn)化。(3)終點(diǎn)判別。直線插補(bǔ)的終點(diǎn)判別可采用三種方法:①

判斷插補(bǔ)或進(jìn)給的總步數(shù):N=Xe+Ye;②

分別判斷各坐標(biāo)軸的進(jìn)給步數(shù);③

僅判斷進(jìn)給步數(shù)較多的坐標(biāo)軸的進(jìn)給步數(shù)。直線插補(bǔ)計(jì)算過程分四個(gè)節(jié)拍:偏差判別、坐標(biāo)進(jìn)給、偏差計(jì)算和終點(diǎn)判別。其他三個(gè)象限的計(jì)算方法可以通過相同的原理獲得,表2.8-1為四個(gè)象限插補(bǔ)時(shí),其偏差計(jì)算公式和進(jìn)給脈沖方向。第一象限內(nèi)逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)的流程圖如圖2.8-2所示。2)逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)(1)偏差函數(shù)的構(gòu)造。以第一象限逆圓為例,若加工半徑為R的圓弧AB,將坐標(biāo)原點(diǎn)定在圓心上,如圖2.8-3所示。對(duì)于任意加工點(diǎn)Pi(Xi,Yi),其偏差函數(shù)Fi可表示為顯然,若Fi=0,則加工點(diǎn)位于圓上;若Fi>0,則加工點(diǎn)位于圓外;若Fi<0,則加工點(diǎn)位于圓內(nèi)。（2）偏差函數(shù)的遞推計(jì)算。為了簡(jiǎn)化式(2.8-4)的計(jì)算,需采用其遞推式或迭代式。圓弧加工可分為順時(shí)針加工或逆時(shí)針加工,與此相對(duì)應(yīng)的便有逆圓插補(bǔ)和順圓插補(bǔ)兩種方式,下面就第一象限圓弧,對(duì)其遞圓插補(bǔ)公式加以推導(dǎo)。若Fi≥0,規(guī)定向-X方向走一步,則有若Fi≥0,規(guī)定向+Y方向走一步,則有（3）終點(diǎn)判別。終點(diǎn)判別可采用與直線插補(bǔ)相同的方法。①

判斷插補(bǔ)或進(jìn)給的總步數(shù):②

分別判斷各坐標(biāo)軸的進(jìn)給步數(shù):逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)軌跡示意圖如圖2.8-4所示,各象限偏差計(jì)算公式和進(jìn)給脈沖方向見表2.8-2第一象限內(nèi)逐點(diǎn)比較法逆圓插補(bǔ)的流程圖如圖2.8-5所示。采用基本點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制指令進(jìn)行直線和圓弧插補(bǔ)存在很大的局限性,為了滿足工業(yè)應(yīng)用的需求,需要開發(fā)高速插補(bǔ)算法。3.實(shí)驗(yàn)設(shè)備(1)XY平臺(tái)設(shè)備一套。(2)GT400SV卡一塊。(3)PC一臺(tái)。(4)配套筆架。(5)繪圖紙若干。(6)VC軟件開發(fā)平臺(tái)。4.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)如下:(1)在進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)時(shí),應(yīng)注意XY平臺(tái)的行程范圍。實(shí)驗(yàn)前,先將X軸、Y軸回零或手動(dòng)調(diào)整至合適位置,以避免運(yùn)動(dòng)中觸發(fā)限位信號(hào)。XY平臺(tái)X軸、Y軸回零操作以及位置手動(dòng)調(diào)整的具體方法請(qǐng)參閱運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)軟件使用說明書。(2)當(dāng)采用步進(jìn)平臺(tái)進(jìn)行下列實(shí)驗(yàn)時(shí),應(yīng)注意合成速度和加速度值不宜設(shè)置過大,否則有可能由于步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)頻率過高,導(dǎo)致失步。1)二維直線插補(bǔ)實(shí)驗(yàn)二維直線插補(bǔ)實(shí)驗(yàn)的步驟如下:(1)檢查實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是否正常,打開電控箱面板上的電源開關(guān),使系統(tǒng)上電。(2)雙擊桌面“MotorControlBench.exe”圖標(biāo),打開運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)實(shí)驗(yàn)軟件,點(diǎn)擊界面下方“二維插補(bǔ)實(shí)驗(yàn)”按鈕,進(jìn)入如圖2.8-6所示的二維插補(bǔ)實(shí)驗(yàn)界面。（3）輸

入“合

成

速

度”和“加

速

度”;參

考

設(shè)

置

合

成

速

度

為1m/min,加

速

度

為15m/min2。(4)在“插補(bǔ)方式”的下拉列表中選擇“XY直線插補(bǔ)(逐點(diǎn)比較法)”,輸入“終點(diǎn)(X)”和“終點(diǎn)(Y)”的數(shù)

值;參

考

示

例

如

圖2.86所

示,設(shè)

置

終

點(diǎn)(X)為30mm,終

點(diǎn)(Y)為40mm。(5)點(diǎn)擊“開啟軸”使伺服上電。(6)將平臺(tái)X軸和Y軸回零。回零方法如下:點(diǎn)擊“X軸回零”按鈕,X軸將開始回零動(dòng)作,待X軸回零完成,點(diǎn)擊“Y軸回零”按鈕,使Y軸回零。（7）在XY平臺(tái)的工作臺(tái)面上,固定實(shí)驗(yàn)用繪圖紙張,點(diǎn)擊“筆架落下”按鈕,使筆架上的繪圖筆尖下降至紙面。(8)確認(rèn)參數(shù)設(shè)置無誤且XY平臺(tái)各軸回零后,點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕。（9）觀察XY平臺(tái)上對(duì)應(yīng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程及界面中圖形顯示區(qū)域?qū)崟r(shí)顯示的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)軌跡。在“坐標(biāo)系設(shè)置”中選擇X軸和Y軸的坐標(biāo)系刻度單位,以使圖形顯示處于合適大小。注意:坐標(biāo)系刻度單位應(yīng)與設(shè)置的X、Y終點(diǎn)值保持相同的數(shù)量級(jí),以便觀察。(10)點(diǎn)擊“筆架抬起”按鈕,將筆架上的繪圖筆抬起,根據(jù)需要調(diào)整XY平臺(tái)上的繪圖紙位置或更換繪圖紙。(11)在教師指導(dǎo)下,改變運(yùn)動(dòng)參數(shù)或設(shè)置(合成速度、加速度、終點(diǎn)坐標(biāo)、步長(zhǎng)5mm和0.5mm比較、插補(bǔ)方法等),重復(fù)執(zhí)行(2)~(8)步,觀察不同運(yùn)動(dòng)參數(shù)下XY平臺(tái)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)過程,筆架的繪圖和界面中的顯示圖形及位置值,記錄各實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。(12)在“坐標(biāo)映射”欄中,改變坐標(biāo)映射關(guān)系,將X軸映射為2軸,Y軸映射為1軸,點(diǎn)擊“坐標(biāo)映射生效”按鈕。重新執(zhí)行(2)~(9)步,觀察平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)情況,記錄并比較不同設(shè)置時(shí)筆架在繪圖紙上繪制的圖形、界面中的顯示圖形及

位

置

值

與

映

射

關(guān)

系

改

變

前

的異同。(13)點(diǎn)擊“關(guān)閉軸”按鈕使伺服斷電。(14)實(shí)驗(yàn)結(jié)束。2)圓弧插補(bǔ)(圓心/角度型)實(shí)驗(yàn)圓弧插補(bǔ)實(shí)驗(yàn)的步驟如下:(1)重復(fù)直線插補(bǔ)實(shí)驗(yàn)第(1)~(2)步。(2)選擇插補(bǔ)方式,設(shè)置圓弧插補(bǔ)參數(shù);在“插補(bǔ)方式”的下拉列表中選擇“XY圓弧插補(bǔ)(圓心/角度)”,輸入圓心(X)和圓心(Y)的值以及圓弧角度。注意:軟件默認(rèn)圓弧起點(diǎn)為原點(diǎn);圓弧角度為負(fù)表示順時(shí)針方向,為正表示逆時(shí)針。進(jìn)入圓弧插補(bǔ)(圓心/角度型)實(shí)驗(yàn)時(shí)的缺省參數(shù)值為提供的參考設(shè)置。(3)點(diǎn)擊“開啟軸”按鈕使伺服上電。(4)將平臺(tái)X軸和Y軸回零。(5)在XY平臺(tái)的工作臺(tái)面上,固定實(shí)驗(yàn)用繪圖紙張,點(diǎn)擊“筆架落下”按鈕,使筆架上的繪圖筆尖下降至紙面。(6)確認(rèn)參數(shù)設(shè)置無誤且XY平臺(tái)各軸正確回零后,點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕。(7)觀察XY平臺(tái)上對(duì)應(yīng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程和界面中圖形顯示區(qū)域中實(shí)時(shí)顯示的圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)軌跡。（8）點(diǎn)擊“筆架抬起”按鈕,將筆架上的繪圖筆抬起,根據(jù)需要調(diào)整XY平臺(tái)上的繪圖紙位置或更換繪圖紙。(9)在教師指導(dǎo)下改變參數(shù)或設(shè)置(合成速度、加速度、圓心坐標(biāo)、步長(zhǎng)5mm和0.5mm比較、插補(bǔ)方法等),重復(fù)執(zhí)行(2)~(8)步,觀察不同運(yùn)動(dòng)參數(shù)下XY平臺(tái)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)過程、筆架的繪圖和界面中的顯示圖形及位置值,記錄各實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。（10）在“坐標(biāo)映射”欄中,改變坐標(biāo)映射關(guān)系,將X軸映射為2軸,Y軸映射為1軸,點(diǎn)擊“坐標(biāo)映射生效”按鈕。重新執(zhí)行(2)~(9)步,觀察XY平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)情況,記錄并比較不同設(shè)置時(shí)筆架在繪圖紙上繪制的圖形、界面中的顯示圖形及位置值與映射關(guān)系改變前的異同。(11)點(diǎn)擊“關(guān)閉軸”按鈕使伺服斷電。(12)實(shí)驗(yàn)結(jié)束5.實(shí)驗(yàn)思考與結(jié)論(1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告,實(shí)驗(yàn)報(bào)告中應(yīng)包含以下內(nèi)容:各實(shí)驗(yàn)中XY平臺(tái)繪制的插補(bǔ)軌跡圖,實(shí)驗(yàn)體會(huì),包括實(shí)驗(yàn)中碰到的問題、解決辦法和有關(guān)該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)建議和收獲;(2)簡(jiǎn)述常見的插補(bǔ)算法,根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,分析逐點(diǎn)比較法和數(shù)字積分法的精度和局限性;(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明寄存器位數(shù)對(duì)數(shù)字積分法插補(bǔ)精度和速度的影響并分析起因;(4)列出直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)所需參數(shù),結(jié)合實(shí)驗(yàn)記錄,分析不同映射設(shè)置對(duì)插補(bǔ)軌跡的影響,并理解其在實(shí)際應(yīng)用中的意義;(5)根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,分析數(shù)據(jù)采樣法中插補(bǔ)周期對(duì)加工輪廓誤差的影響;(6)給出數(shù)據(jù)采樣法中二階近似DDA法———割線法的算法流程;(7)指出圓心角度型和終點(diǎn)半徑型圓弧插補(bǔ)的異同及各自應(yīng)用場(chǎng)合。2.9數(shù)控代碼編程實(shí)驗(yàn)1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私鈹?shù)控代碼的基本指令和開放式運(yùn)動(dòng)控制器數(shù)控代碼庫(kù)的使用方法,理解基于PC數(shù)控編程的實(shí)現(xiàn)過程,掌握簡(jiǎn)單數(shù)控程序的編制方法。2.基礎(chǔ)知識(shí)在數(shù)控系統(tǒng)上加工零件時(shí),要把加工零件的全部工藝過程、工藝參數(shù)和位移數(shù)據(jù),以信息的形式記錄在控制介質(zhì)上,用控制介質(zhì)上的信息來控制機(jī)床,實(shí)現(xiàn)零件的全部加工過程,這就是數(shù)控編程。為了簡(jiǎn)化編制程序的方法和保證程序的通用性,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織在ISO841:2001中規(guī)定了數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),即以右手法則確定的笛卡兒直角坐標(biāo)系作為編程的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系,規(guī)定直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)軸用X、Y、Z表示,稱為基本坐標(biāo)軸,圍繞X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的圓周進(jìn)給坐標(biāo)軸分別用A、B、C表示。坐標(biāo)軸的正方向?yàn)榧俣üぜ粍?dòng)、刀具相對(duì)于工件作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的方向。編程坐標(biāo)用來指定刀具的移動(dòng)位置。運(yùn)動(dòng)軌跡的終點(diǎn)坐標(biāo)是相對(duì)于起點(diǎn)計(jì)量的坐標(biāo),稱為相對(duì)坐標(biāo)(增量坐標(biāo));所有坐標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)值均從編程原點(diǎn)計(jì)量的坐標(biāo),稱為絕對(duì)坐標(biāo)。相對(duì)坐標(biāo)和絕對(duì)坐標(biāo)分別應(yīng)用于數(shù)控編程的增量編程方式(G91)和絕對(duì)編程方式(G90)。控加工程序由一個(gè)個(gè)程序段組成,而一個(gè)程序段則由若干個(gè)指令字組成。每個(gè)指令字是控制系統(tǒng)的一個(gè)具體指令,由指令字符(地址符)和數(shù)值組成。例如:%1000N01G91G00X50Y60N02G01X1000Y5000F150S300T12M03程序段中不同的指令字符及其后續(xù)數(shù)值確定了每個(gè)指令字的含義,以下對(duì)準(zhǔn)備功能基本G指令做一簡(jiǎn)要介紹。準(zhǔn)備功能用字母G后面跟兩位數(shù)字來編程。表2.91是基本G指令的功能表。①

除00組外的指令為模態(tài)指令,即當(dāng)該G功能被編程后,就一直有效,直至被同一組其他不相容的G功能代替。②

在G功能后面標(biāo)有“*”號(hào)的指令,是指開機(jī)時(shí),CNC所具有的工作狀態(tài)。00組的指令為一次性指令,它只在其指令的程序段中有效。③

如果不相容的G功能被編在同一程序段中,則CNC認(rèn)為后寫入的那個(gè)G功能有效。1)G00快速定位指令格式:G00X(U)_Y(V)_。G00指令用于快速點(diǎn)定位,兩個(gè)軸同時(shí)進(jìn)給,合成速度為最大位移速度。指令中的X(U)和Y(V)值確定終點(diǎn)坐標(biāo),起點(diǎn)為當(dāng)前點(diǎn)。2)G01直線插補(bǔ)指令格式:G01X(U)_Y(V)_F_。G01為直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng),即兩個(gè)軸以當(dāng)前點(diǎn)為起點(diǎn),以F指令指定的速度同時(shí)進(jìn)給,終點(diǎn)位置由X(U)和Y(V)確定。速度字F具有模態(tài)性,即由F指令的進(jìn)給速度直到變?yōu)樾碌闹抵熬行?因此不必每個(gè)程序段均指定一次,其單位為mm/min。3)G02/G03圓弧插補(bǔ)使兩軸以當(dāng)前點(diǎn)為起點(diǎn),按照給定的參數(shù)走出一段圓弧,其指令格式可以有兩種形式。（1）G02/G03X(U)_Y(V)_I_J_F_。X(U)、Y(V):確定終點(diǎn)坐標(biāo);I、J:分別對(duì)應(yīng)X、Y方向上圓弧起點(diǎn)到圓心的距離(有符號(hào));F:插補(bǔ)速度。(2)G02/G03X(U)_Y(V)_R_F_。X(U)、Y(V):確定終點(diǎn)坐標(biāo);R:圓弧半徑;F:插補(bǔ)速度。G02:順時(shí)針圓弧;G03:逆時(shí)針圓弧。圓弧方向的規(guī)定如圖2.9-1所示3.實(shí)驗(yàn)設(shè)備(1)XY平臺(tái)一套。(2)GT400SV卡一塊。(3)PC一臺(tái)。4.實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)要點(diǎn):(1)在進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)時(shí),應(yīng)注意XY平臺(tái)行程范圍。實(shí)驗(yàn)前,先進(jìn)入二維插補(bǔ)實(shí)驗(yàn)界面將X軸、Y軸回零或手動(dòng)調(diào)整其位置,以避免運(yùn)動(dòng)中超出行程觸發(fā)限位信號(hào)。回零及位置手動(dòng)調(diào)整的具體方法請(qǐng)參閱運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)軟件說明書。(2)本實(shí)驗(yàn)軟件中,M03指令對(duì)應(yīng)“筆架下落”,M05指令對(duì)應(yīng)“筆架抬起”,可根據(jù)需要在G代碼文件中加入相應(yīng)的M指令。1)數(shù)控代碼認(rèn)知實(shí)驗(yàn)(1)檢查XY平臺(tái)電氣連接是否正常,打開電控箱面板上的電源開關(guān),使系統(tǒng)上電。(2)在XY平臺(tái)的工作臺(tái)面上,固定好實(shí)驗(yàn)用繪圖紙張?？上然亓悴僮?調(diào)整好筆架,使得回零后筆架所夾持筆在平臺(tái)中央位置附近。(3)雙擊桌面的“MotorControlBench.exe”圖標(biāo),打開運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)實(shí)驗(yàn)軟件,點(diǎn)擊界面下方的“G代碼實(shí)驗(yàn)”按鈕,進(jìn)入如圖2.92所示的界面。(4)點(diǎn)擊“打開文件”按鈕,在打開的對(duì)話框中選擇example目錄下的數(shù)控代碼GAO.txt文件,點(diǎn)擊對(duì)話框中“打開”按鈕。(5)觀察出現(xiàn)在界面右側(cè)G代碼編輯區(qū)中的G代碼文件,理解G代碼程序段的組成,如圖2.9-3所示。從圖2.9-3中可以看出該字軌跡均用G00快速行進(jìn)空行程、G01直線插補(bǔ)微小線段完成.(6)點(diǎn)擊“編譯”按鈕,界面左側(cè)將出現(xiàn)“GAO.txt”文件執(zhí)行的模擬軌跡,如圖2.9-4所示.(7)點(diǎn)擊“坐標(biāo)映射生效”按鈕,使各軸伺服上電?！白鴺?biāo)映射生效”功能為將數(shù)控代碼以mm為單位的數(shù)字轉(zhuǎn)換成數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部脈沖當(dāng)量。(8)在XY平臺(tái)的工作臺(tái)面上,固定實(shí)驗(yàn)用繪圖紙張,調(diào)整好筆架位置。(9)點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕,XY平臺(tái)電機(jī)開始運(yùn)動(dòng),筆架上的畫筆將在XY平臺(tái)上的白紙上繪制字,同時(shí)軟件界面顯示區(qū)內(nèi)將實(shí)時(shí)繪制紅色的G代碼運(yùn)行實(shí)際軌跡。(10)觀察實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與模擬軌跡是否一致,觀察平臺(tái)上電機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況;在運(yùn)動(dòng)過程中,可根據(jù)觀察需要對(duì)顯示圖形進(jìn)行縮放或平移操作(具體操作方法請(qǐng)參閱運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)軟件使用說明書)。(11)運(yùn)動(dòng)完成,點(diǎn)擊“關(guān)閉軸”按鈕。(12)實(shí)驗(yàn)結(jié)束。2)編寫數(shù)控代碼(G00/G01/G02/G03/G04指令)實(shí)驗(yàn)注意:由于廠家提供軟件的限制,本實(shí)驗(yàn)中編寫的數(shù)控代碼必須以M30或M02指令結(jié)束,且其后須加1個(gè)回車符,否則,系統(tǒng)將不會(huì)運(yùn)行程序并有可能導(dǎo)致異常錯(cuò)誤!以下代碼僅供參考。讀者可以自行設(shè)計(jì)難度適中、含有直線與圓弧元素的簡(jiǎn)化圖形,比如花鳥蟲魚、松樹、刀槍、房子、漢字、汽車、奧迪標(biāo)志、奧運(yùn)五環(huán)等圖形,編程并驗(yàn)證。圖形范圍最好控制在X、Y軸±80mm內(nèi)。(1)熟悉G代碼程序段。閱讀以下G代碼程序段,并在紙上繪制各自的運(yùn)行軌跡圖。⑦點(diǎn)擊“坐標(biāo)映射生效”按鈕,此時(shí)系統(tǒng)坐標(biāo)映射設(shè)置生效,同時(shí)各軸伺服上電。⑧

更換實(shí)驗(yàn)繪圖紙張,調(diào)整好筆架位置。⑨

先后點(diǎn)擊“X回零”和“Y回零”按鈕,使各軸回到編程原點(diǎn)。⑩

點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕,運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)上電機(jī)將開始運(yùn)動(dòng),同時(shí)界面顯示區(qū)將實(shí)時(shí)繪制紅色的G代碼運(yùn)行軌跡,并對(duì)照比較步驟(1)中繪制的圖形是否正確。運(yùn)動(dòng)完成,點(diǎn)擊“關(guān)閉軸”按鈕。

重復(fù)執(zhí)行

步,依次編寫并運(yùn)行Test2.txt~Test4.txt的G代碼文件,觀察實(shí)際運(yùn)行情況,并檢查步驟(1)中繪制的圖形是否正確。待各軸完成運(yùn)動(dòng),實(shí)驗(yàn)完成,點(diǎn)擊“退出系統(tǒng)”按鈕,退出實(shí)驗(yàn)軟件,關(guān)閉XY平臺(tái)電源,實(shí)驗(yàn)結(jié)束。圖2.9-5為四個(gè)G代碼文件執(zhí)行時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡。5.學(xué)生作業(yè)展示1)忙趁東風(fēng)放紙鳶忙趁東風(fēng)放紙鳶的仿真圖和實(shí)物圖如圖2.9-6所示。2)驚鴻一瞥驚鴻一瞥的仿真圖和實(shí)物圖如圖2.9-7所示。3)一箭雙心一箭雙心的仿真圖和實(shí)物圖如圖2.9-8所示。4)勇敢者的運(yùn)動(dòng)勇敢者的運(yùn)動(dòng)的仿真圖和實(shí)物圖如圖2.9-9所示。5)電池電池的仿真圖和實(shí)物圖如圖2.9-10所示.6)智能手機(jī)智能手機(jī)的仿真圖和實(shí)物圖如圖2.9-11所示7)寺廟寺廟的仿真圖和實(shí)物圖如圖2.9-12所示。8)相機(jī)相機(jī)的仿真圖和實(shí)物圖如圖2.9-13所示9)斯是陋室,惟吾德馨“斯是陋室,惟吾德馨”的仿真圖和實(shí)物圖如圖2.9-14所示。10)明月照窗前明月照窗前的仿真圖和實(shí)物圖如圖2.9-15所示。11)大禹鍬大禹鍬的仿真圖和實(shí)物圖如圖2.9-16所示.12)葫蘆里賣的啥藥“葫蘆里賣的啥藥”仿真圖和實(shí)物圖如圖2.9-17所示。6.實(shí)驗(yàn)報(bào)告與總結(jié)(1)認(rèn)真完成以上實(shí)驗(yàn),記錄實(shí)驗(yàn)步驟和結(jié)果,包括:設(shè)計(jì)草圖、屏幕截圖、繪制的實(shí)物圖、代碼及注釋、繪圖名稱和標(biāo)志寓意等。(2)分析說明G00、G01、G02、G03、G04、G17、G18、G19、G90、G91和G92等基本G指令的功能和含義。(3)分析比較基于PC的數(shù)控編程與專用數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控編程的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)。2.10反向間隙實(shí)驗(yàn)1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆諑追N位置檢測(cè)裝置(碼盤、光柵尺)的使用方法及信號(hào)處理方法。理解半閉環(huán)控系統(tǒng)誤差的測(cè)量;理解絲杠反向間隙的概念及其測(cè)量和補(bǔ)償?shù)姆椒ā?.實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)絲杠向其相反方向運(yùn)動(dòng)時(shí),由于絲杠反向間隙的存在會(huì)造成一段空運(yùn)轉(zhuǎn),這時(shí)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng),由于各坐標(biāo)軸進(jìn)給傳動(dòng)鏈上驅(qū)動(dòng)部件(如伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等)的反向死區(qū)、各機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)軸的反向間隙等誤差的存在,各坐標(biāo)軸在由正向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為反向運(yùn)動(dòng)時(shí)形成反向偏差,通常也稱為反向間隙或失動(dòng)量。圖2.10-1為滾珠絲杠傳動(dòng)間隙示意圖。對(duì)于采用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床,反向偏差的存在就會(huì)影響機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度,從而影響產(chǎn)品的加工精度。同時(shí),隨著設(shè)備投入運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng),反向偏差還會(huì)隨磨損造成運(yùn)動(dòng)副間隙的逐漸增大而增加,因此,反向間隙的測(cè)量和補(bǔ)償非常重要,需要定期對(duì)機(jī)床各坐標(biāo)軸的反向偏差進(jìn)行測(cè)定和補(bǔ)償。反向間隙的測(cè)定方法如下:在所測(cè)量坐標(biāo)軸的行程內(nèi),預(yù)先向正向或反向移動(dòng)一個(gè)距離并以此停止位置為基準(zhǔn),再在同一方向給予一定移動(dòng)指令值,使之移動(dòng)一段距離,然后再往相反方向移動(dòng)相同的距離,測(cè)量此時(shí)停止位置與先前基準(zhǔn)位置之差。在靠近行程的中點(diǎn)及兩端的三個(gè)位置

分

別

進(jìn)

行

多

次

測(cè)

定(一

般

為

七

次),求

出

各

個(gè)

位

置

上

的

平

均值,以所得平均值中的最大值為反向間隙測(cè)量值。在測(cè)量時(shí)一定要先移動(dòng)一段距離,否則不能得到正確的反向間隙值。測(cè)量直線運(yùn)動(dòng)軸的反向偏差時(shí),測(cè)量工具通常采有千分表或百分表,若條件允許,則可使用雙頻激光干涉儀進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)采用千分表或百分表進(jìn)行測(cè)量時(shí),表座和表?xiàng)U不要伸出過高過長(zhǎng),因?yàn)闇y(cè)量時(shí)由于懸臂較長(zhǎng),表座易受力移動(dòng),造成計(jì)數(shù)不準(zhǔn),使補(bǔ)償值出現(xiàn)偏差。需要注意的是,在工作臺(tái)不同的運(yùn)行速度下測(cè)出的結(jié)果會(huì)有所不同。一般情況下,低速的測(cè)出值要比高速的大,特別是在機(jī)床軸負(fù)荷和運(yùn)動(dòng)阻力較大時(shí)。低速運(yùn)動(dòng)時(shí)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度較低,不易發(fā)生過沖超程(相對(duì)“反向間隙”),因此測(cè)出值較大;在高速時(shí),由于工作臺(tái)速度較高,容易發(fā)生過沖超程,使測(cè)得值偏小。3.實(shí)驗(yàn)設(shè)備(1)XY平臺(tái)設(shè)備一套。(2)GT400SV卡一塊。(3)PC一臺(tái)。4.實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)過程中要注意以下幾點(diǎn):(1)給定起點(diǎn)+行程模式和當(dāng)前點(diǎn)+行程模式中,給定起點(diǎn)/當(dāng)前點(diǎn)和行程的符號(hào)都要相同,即同正同負(fù)。(2)給定起點(diǎn)+終點(diǎn)模式中,終點(diǎn)坐標(biāo)值的絕對(duì)值要大于起點(diǎn)坐標(biāo)值。實(shí)驗(yàn)步驟如下:(1)按下電控箱上的電源按鈕,使實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上電。(2)打開運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)實(shí)驗(yàn)軟件,點(diǎn)擊界面下方的“反向間隙實(shí)驗(yàn)”按鈕,進(jìn)入反向間隙實(shí)驗(yàn)窗口,如圖2.10-2所示。（3）檢查基本參數(shù)框中設(shè)置的參數(shù)是否與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)一致,如不一致,點(diǎn)擊“修改參數(shù)”按鈕,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)際情況,進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,設(shè)置“顯示單位”為脈沖數(shù)。(4)分別選擇測(cè)試方案為“當(dāng)前點(diǎn)+行程”“給定起點(diǎn)+行程”“給定起點(diǎn)+終點(diǎn)”。(5)在“測(cè)試參數(shù)”欄中輸入測(cè)試起點(diǎn)和測(cè)試行程等參數(shù),比如:設(shè)置測(cè)試起點(diǎn)為10000PULSE,測(cè)試終點(diǎn)為18000PULSE,進(jìn)給速度為2PULSE/ST,將測(cè)試參數(shù)中的間隙補(bǔ)償值設(shè)置為0PULSE。(6)點(diǎn)擊“開啟伺服”按鈕,使軸伺服上電,此時(shí)反向間隙實(shí)驗(yàn)窗口如圖2.10-3所示。(7)點(diǎn)擊“回零點(diǎn)”按鈕,使軸回零。(8)點(diǎn)擊“到測(cè)試起點(diǎn)”按鈕,使軸運(yùn)行到測(cè)試起點(diǎn)位置。(9)點(diǎn)擊“反向間隙測(cè)試及補(bǔ)償”按鈕,進(jìn)行給定測(cè)試區(qū)域內(nèi)的絲杠反向間隙測(cè)試,軸將自動(dòng)從測(cè)試起點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到測(cè)試終點(diǎn),再?gòu)臏y(cè)試終點(diǎn)返回測(cè)試起點(diǎn)。(10)測(cè)試完成后,將出現(xiàn)信息框,給出測(cè)試中的各種數(shù)據(jù),并計(jì)算反向間隙值。(11)記錄測(cè)試的反向間隙值n。(12)按照要求重復(fù)(4)~(11)步,并記錄n值,重復(fù)執(zhí)行7次實(shí)驗(yàn),將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表格中,取其平均值5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果1)反向間隙實(shí)驗(yàn):當(dāng)前點(diǎn)+行程反向間隙實(shí)驗(yàn)(當(dāng)前點(diǎn)+行程)的窗口如圖2.10-4所示,實(shí)驗(yàn)結(jié)果窗口如圖2.10-5所示。本測(cè)試方案選用的是當(dāng)前點(diǎn)+行程,采用了7個(gè)不同的測(cè)試起點(diǎn)但是測(cè)試行程都保持為15000個(gè)脈沖(PULSE),具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2.10-1。2)反向間隙實(shí)驗(yàn):給定起點(diǎn)+行程反向間隙實(shí)驗(yàn)(給定起點(diǎn)+行程)窗口如圖2.10-6所示,實(shí)驗(yàn)結(jié)果窗口如圖2.10-7所示。本測(cè)試方案選用的是給定起點(diǎn)+行程,測(cè)試起點(diǎn)為10000PULSE,測(cè)試行程為15000PULSE,測(cè)試終點(diǎn)為25000PULSE,進(jìn)給速度為2PULSE/ST,間隙補(bǔ)償值為0PULSE。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2.10-2。3)反向間隙實(shí)驗(yàn):給定起點(diǎn)+終點(diǎn)反向間隙實(shí)驗(yàn)(給定起點(diǎn)+終點(diǎn))窗口如圖2.10-8所示本測(cè)試方案選用的是給定起點(diǎn)+終點(diǎn),測(cè)試起點(diǎn)為10000PULSE,測(cè)試行程為15000PULSE,測(cè)試終點(diǎn)為25000PULSE,進(jìn)給速度為2PULSE/ST,間隙補(bǔ)償值為0PULSE。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2.10-3。6.實(shí)驗(yàn)分析反向間隙形成是因?yàn)榻z杠和絲母之間存在一定的間隙,所以在正轉(zhuǎn)后變換成反轉(zhuǎn)的時(shí)候,在一定的角度內(nèi),盡管絲杠轉(zhuǎn)動(dòng),但是絲母還要等間隙消除(受力一側(cè)的)以后才能帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng),這個(gè)間隙就是反向間隙。本實(shí)驗(yàn)所選的圓光柵(即編碼器)每一圈設(shè)定分辨率為10000個(gè)脈沖,螺距為5mm,所以每一個(gè)脈沖的長(zhǎng)度為0.0005mm。1)反向間隙實(shí)驗(yàn)(當(dāng)前點(diǎn)+行程)的結(jié)果分析根據(jù)測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析:測(cè)得反向間隙為30個(gè)脈沖,由于一個(gè)脈沖長(zhǎng)度為0.0005mm,所以30個(gè)脈沖長(zhǎng)度為30×0.0005=0.015mm。測(cè)得反向間隙為49個(gè)脈沖,由于一個(gè)脈沖長(zhǎng)度為0.0005mm,所以49個(gè)脈沖長(zhǎng)度為49×0.0005=0.0245mm。測(cè)得反向間隙為41個(gè)脈沖,由于一個(gè)脈沖長(zhǎng)度為0.0005mm,所以41個(gè)脈沖長(zhǎng)度為41×0.0005=0.0205mm。測(cè)得反向間隙為47個(gè)脈沖,由于一個(gè)脈沖長(zhǎng)度為0.0005mm,所以47個(gè)脈沖長(zhǎng)度為47×0.0005=0.0235mm。測(cè)得反向間隙為66個(gè)脈沖,由于一個(gè)脈沖長(zhǎng)度為0.0005mm,所以66個(gè)脈沖長(zhǎng)度為66×0.0005=0.033mm。測(cè)得反向間隙為111個(gè)脈沖,由于一個(gè)脈沖長(zhǎng)度為0.0005mm,所以111個(gè)脈沖長(zhǎng)111×0.0005=0.0555mm。測(cè)得反向間隙為113個(gè)脈沖,由于一個(gè)脈沖長(zhǎng)度為0.0005mm,所以113個(gè)脈沖長(zhǎng)113×0.0005=0.0565mm。求7個(gè)反向間隙值的平均值:=(0.015+0.0245+0.0205+0.0235+0.033+0.0555+0.0565)÷7=0.0326mm所以,以當(dāng)前點(diǎn)+行程測(cè)試方案測(cè)得的反向間隙為0.0326mm。2)反向間隙實(shí)驗(yàn)(給定起點(diǎn)+行程)的結(jié)果分析根據(jù)測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析:測(cè)得反向間隙為13個(gè)脈沖,由于一個(gè)脈沖長(zhǎng)度為0.0005mm,所以13個(gè)脈沖長(zhǎng)度為13×0.0005=0.0065mm。測(cè)得反向間隙為7個(gè)脈沖,由于一個(gè)脈沖長(zhǎng)度為0.0005mm,所以7個(gè)脈沖長(zhǎng)度為7×0.0005=0.0035mm。測(cè)得反向間隙為17個(gè)脈沖,由于一個(gè)脈沖長(zhǎng)度為0.0005mm,所以17個(gè)脈沖長(zhǎng)度為17×0.0005=0.0085mm。測(cè)得反向間隙為27個(gè)脈沖,由于一個(gè)脈沖長(zhǎng)度為0.0005mm,所以27個(gè)脈沖長(zhǎng)度為27×0.0005=0.0135mm。測(cè)得反向間隙為10個(gè)脈沖,由于一個(gè)脈沖長(zhǎng)度為0.0005mm,所以10個(gè)脈沖長(zhǎng)度為10×0.0005=0.005mm。測(cè)得反向間隙為15個(gè)脈沖,由于一個(gè)脈沖長(zhǎng)度為0.0005mm,所以15個(gè)脈沖長(zhǎng)度為15×0.0005=0.0075mm。測(cè)得反向間隙為20個(gè)脈沖,由于一個(gè)脈沖長(zhǎng)度為0.0005mm,所以20個(gè)脈沖長(zhǎng)度為20×0.0005=0.01mm。求7個(gè)反向間隙值的平均值:=(0.0065+0.0035+0.0085+0.0135+0.005+0.0075+0.01)÷7=0.0078mm所以,以給定起點(diǎn)+行程測(cè)試方案測(cè)得的反向間隙為0.0078mm。3)反向間隙實(shí)驗(yàn)(給定起點(diǎn)+終點(diǎn))的結(jié)果分析根據(jù)測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析:測(cè)得反向間隙為7個(gè)脈沖,由于一個(gè)脈沖長(zhǎng)度為0.0005mm,所以7個(gè)脈沖長(zhǎng)度為7×0.0005=0.0035mm。測(cè)得反向間隙為6個(gè)脈沖,由于一個(gè)脈沖長(zhǎng)度為0.0005mm,所以6個(gè)脈沖長(zhǎng)度為6×0.0005=0.003mm。測(cè)得反向間隙為14個(gè)脈沖,由于一個(gè)脈沖長(zhǎng)度為0.0005mm,所以14個(gè)脈沖長(zhǎng)度為14×0.0005=0.007mm。測(cè)得反向間隙為19個(gè)脈沖,由于一個(gè)脈沖長(zhǎng)度為0.0005mm,所以19個(gè)脈沖長(zhǎng)度為19×0.0005=0.0095mm。測(cè)得反向間隙為11個(gè)脈沖,由于一個(gè)脈沖長(zhǎng)度為0.0005mm,所以11個(gè)脈沖長(zhǎng)度為11×0.0005=0.0055mm。測(cè)得反向間隙為7個(gè)脈沖,由于一個(gè)脈沖長(zhǎng)度為0.0005mm,所以7個(gè)脈沖長(zhǎng)度為7×0.0005=0.0035mm。測(cè)得反向間隙為18個(gè)脈沖,由于一個(gè)脈沖長(zhǎng)度為0.0005mm,所以18個(gè)脈沖長(zhǎng)度為18×0.0005=0.009mm。求7個(gè)反向間隙值的平均值:=(0.0035+0.003+0.007+0.0095+0.0055+0.0035+0.009)÷7=0.0059mm所以,以給定起點(diǎn)+終點(diǎn)測(cè)試方案測(cè)得的反向間隙為0.0059mm。2.11電子齒輪實(shí)驗(yàn)1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)中采用的運(yùn)動(dòng)控制器允許一個(gè)主動(dòng)軸帶多個(gè)從動(dòng)軸,或者從動(dòng)軸作為主動(dòng)軸再帶動(dòng)從動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)的情況。但是由于本實(shí)驗(yàn)的控制對(duì)象XY平臺(tái)只有兩個(gè)軸,所以,本實(shí)驗(yàn)中只進(jìn)行兩個(gè)軸(本實(shí)驗(yàn)中分別稱之為1軸和2軸)的電子齒輪設(shè)置。本實(shí)驗(yàn)主要對(duì)在S曲線模式下的電子齒輪的速度進(jìn)行研究。2.實(shí)驗(yàn)原理電子齒輪實(shí)際上是一個(gè)多軸聯(lián)動(dòng)模式,其運(yùn)動(dòng)效果與兩個(gè)機(jī)械齒輪的嚙合運(yùn)動(dòng)類似。電子齒輪可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)運(yùn)動(dòng)軸按設(shè)定的齒輪比同步運(yùn)動(dòng)。3.實(shí)驗(yàn)設(shè)備(1)XY平臺(tái)設(shè)備一套。(2)GT400SV卡一塊。(3)PC一臺(tái)。4.實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟如下:(1)在打開的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)演示軟件中,點(diǎn)擊界面下方的“單軸電機(jī)實(shí)驗(yàn)”按鈕,進(jìn)入實(shí)驗(yàn)界面。(2)在“電機(jī)選擇”欄中,選擇“1軸”為當(dāng)前軸,此軸將自動(dòng)設(shè)置為電子齒輪中的從動(dòng)軸。(3)在控制模式選項(xiàng)卡中點(diǎn)擊“電子齒輪模式”,設(shè)置電子齒輪模式參數(shù),如主軸為2,從軸為1,電子齒輪比為-1。(4)在控制模式選項(xiàng)卡中點(diǎn)擊“S曲線模式”,設(shè)置主動(dòng)軸“2軸”的S曲線模式的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。(5)設(shè)置參數(shù)加加速度為0.0001PULSE/ST3,加速度為0.2PULSE/ST2,速度為5PULSE/ST,目標(biāo)位置為30000PULSE。(6)點(diǎn)擊“開啟軸”按鈕,使伺服電機(jī)上電。(7)確認(rèn)參數(shù)設(shè)置無誤后,點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕。(8)觀察并記錄運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)上各軸的運(yùn)動(dòng)。①

再次執(zhí)行(2)~(8)步,將第(3)步中的電子齒輪比更改為2。②

觀察并記錄運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)上各軸的運(yùn)動(dòng)情況。(10)改變主動(dòng)軸將主動(dòng)軸設(shè)置為“1軸”,步驟如下:①

在電子齒輪模式頁(yè)面中點(diǎn)擊“取消設(shè)定”按鈕,將原有的電子齒輪設(shè)置取消。②

再次執(zhí)行(2)~(9)步,其中第(2)、(4)步中將主動(dòng)軸設(shè)置為“1軸”,第(3)步中電子齒輪參數(shù)設(shè)置主動(dòng)軸為“1軸”,從軸為“2軸”,電子齒輪比為-1。(11)觀察并記錄運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)上各軸的運(yùn)動(dòng)情況;將以上步驟中觀察到的電機(jī)運(yùn)動(dòng)情況記錄在表2.111中,比較不同設(shè)置時(shí)的運(yùn)行情況,進(jìn)一步理解電子齒輪的含義5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果本次試驗(yàn)分別做了四個(gè)不同參數(shù)下的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄在表2.11-1中6.實(shí)驗(yàn)分析通過四個(gè)實(shí)驗(yàn)表明:在主軸號(hào)相同從軸號(hào)相同的情況下,不同的電子齒輪比、主軸和從軸的運(yùn)動(dòng)速度和方向都會(huì)不同。如果電子齒輪比為負(fù)數(shù),兩個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)方向相反;電子齒輪比為正數(shù),兩個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)方向相同。如果電子齒輪比越大,主軸的運(yùn)動(dòng)速度就會(huì)越大。在本實(shí)驗(yàn)中,電子齒輪比就是主軸的速度與從軸的速度之比。7.常用數(shù)控系統(tǒng)的位置測(cè)量裝置常用旋轉(zhuǎn)編碼器作為常用數(shù)控系統(tǒng)的位置測(cè)量裝置。旋轉(zhuǎn)編碼器是一種角位移傳感器,分為光電式、接觸式和電磁式三種,光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是閉環(huán)控制系統(tǒng)中最常用的位置傳感器。旋轉(zhuǎn)編碼器也可分為增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器兩種。8.反向間隙與電子齒輪的應(yīng)用反向間隙實(shí)驗(yàn)可以在全閉環(huán)平臺(tái)上進(jìn)行檢測(cè),而檢測(cè)的間隙值用于半閉環(huán)的控制系統(tǒng)中進(jìn)行間隙補(bǔ)償,能節(jié)約成本、提高精度。電子齒輪實(shí)驗(yàn)是無級(jí)調(diào)速,而傳統(tǒng)的齒輪調(diào)速是有級(jí)調(diào)速,電子齒輪實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積較小,設(shè)置比傳統(tǒng)的齒輪調(diào)速方便,理論上可以設(shè)置任意的電子齒輪比。電子齒輪功能也可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)運(yùn)動(dòng)軸按設(shè)定的電子齒輪比同步運(yùn)動(dòng)。另外,電子齒輪功能還可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸以一定速比跟隨其他幾個(gè)運(yùn)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng),而這個(gè)速比是其他幾個(gè)運(yùn)動(dòng)軸速度的函數(shù);一個(gè)軸也可以按設(shè)定的比例跟隨其他幾個(gè)軸矢量合成速度的大小運(yùn)動(dòng),這就是電子凸輪,也就是說電子齒輪是電子凸輪的特例。電子凸輪廣泛應(yīng)用在諸如汽車制造、冶金、機(jī)械加工、紡織、印刷、造紙、食品包裝和水利水電等各個(gè)領(lǐng)域。例如:在印刷行業(yè),其控制大致是將旋變安裝在傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸上,旋變將電動(dòng)機(jī)的位置和速度信息反饋給電子凸輪,電子凸輪輸出傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)的速度和凸輪信號(hào)給送紙電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器,實(shí)現(xiàn)送紙和傳動(dòng)之間的同步,此外,由于電子凸輪有速度感應(yīng)的功能,所以它可以像伺服電機(jī)一樣實(shí)現(xiàn)恒速送紙。另外,控制器可以和電腦通信,從而使得控制更加智能化。2.12西門子MM420變頻器的初步使用實(shí)驗(yàn)1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私庾冾l器原理;掌握變頻器的初步設(shè)置和操作;能進(jìn)行變頻器控制電機(jī)調(diào)速的初步應(yīng)用,掌握西門子MM420變頻器的BOP控

制、端

子

排

控

制

和PROFIBUS(現(xiàn)

場(chǎng)

總

線)控制。2.實(shí)驗(yàn)設(shè)備西門子MM420變頻器(含基本操作面板BOP、PROFIBUS模板等)、三相異步電動(dòng)機(jī)、導(dǎo)線、0~10V直流電源(帶數(shù)字電壓顯示)、0~20mA數(shù)字電流表、S7300PLC、SM334模擬量輸入/輸出模塊等。3.預(yù)備知識(shí)1)關(guān)于變頻器理解兩個(gè)公式:式中:n為異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;n0

為電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速;s為轉(zhuǎn)差率;p為定子極對(duì)數(shù);f1

為電源頻率;U1

為電源電壓;E1

為定子反電動(dòng)勢(shì);N1

為定子每相繞組的匝數(shù);K1

為定子的繞組系數(shù);Φ為氣隙磁通。變頻器組成框圖如圖2.12-1所示。變頻器的基礎(chǔ)知識(shí)如下:(1)變頻是“變壓變頻”的簡(jiǎn)稱,供電機(jī)的動(dòng)力電壓與頻率必須聯(lián)調(diào)。(2)控制原理上,常見的有恒壓頻比(U/f)變頻和矢量變頻。(3)變頻器只會(huì)降壓,不能升壓。(4)通常在基頻以下調(diào)速,即減速;在基頻以上調(diào)速,即弱磁升速,但功率降低。(5)變頻器本

身

不

是

節(jié)

能

器,其

節(jié)

能

是

建

立

在

原

來

不

能

調(diào)

速

造

成

浪

費(fèi)

電

能

的

基

礎(chǔ)上的。(6)變頻器是強(qiáng)電及弱電的結(jié)合體,是一部電磁干擾器,應(yīng)用時(shí)注意遠(yuǎn)離易受干擾儀器等電子設(shè)備,可采取屏蔽等措施。(7)變頻器IGBT模塊、主控板無法大規(guī)模國(guó)產(chǎn)化,價(jià)格居高不下。(8)變頻技術(shù)是伺服技術(shù)的基礎(chǔ)。2)變頻器參數(shù)變頻器參數(shù)通常有只讀參數(shù)、可編程參數(shù)等,各品牌變頻器參數(shù)設(shè)置大同小異,變頻器的參數(shù)設(shè)置與伺服驅(qū)動(dòng)器的設(shè)置也類似。西門子MM420變頻器參數(shù)由1位參數(shù)種類(r、P分別對(duì)應(yīng)只讀、可編程參數(shù))和4位數(shù)字(0000~9999,r和P參數(shù)統(tǒng)一編碼)組成,實(shí)際使用參數(shù)約為350個(gè),而最常用的“快速調(diào)試”參數(shù)僅14個(gè)。報(bào)警和故障信息由1位參數(shù)種類(A或F)加4位數(shù)字組成,A和F信息代號(hào)統(tǒng)一編碼可進(jìn)行對(duì)照查詢。4.注意事項(xiàng)使用變頻器時(shí)的注意事項(xiàng)如下:(1)發(fā)生故障須立即關(guān)閉電源總開關(guān)。(2)防止觸電,防止電機(jī)等運(yùn)動(dòng)部件傷人。(3)輸入接2相或3相市電交流電,輸出為3相交流電與電機(jī)相連,不可在變頻器輸出端接入交流電源。(4)注意保持變頻器散熱良好,接線可靠。(5)電機(jī)參數(shù)按銘牌設(shè)置,特別注意電機(jī)的接線方式是三角形還是星形;對(duì)應(yīng)輸入電壓、電流、功率和轉(zhuǎn)速等,否則會(huì)出現(xiàn)變頻器控制運(yùn)行不正常,甚至出現(xiàn)燒壞故障等。注意:以下為三個(gè)基本實(shí)驗(yàn),詳細(xì)應(yīng)用可參考《西門子PLC高級(jí)培訓(xùn)教程》第12章和MM420變頻器使用大全(用戶手冊(cè))5.實(shí)驗(yàn)一:BOP控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行采用基本操作面板(BOP)控制變頻器雖然比較簡(jiǎn)單,但該示例可以訓(xùn)練BOP的基本操作,使學(xué)生對(duì)變頻器的操作有一大致了解。實(shí)驗(yàn)步驟如下:(1)BOP的使用。BOP的操作并不難,正如新買一部手機(jī)后,經(jīng)過半天操作,自然就熟悉了。表2.121~表2.12-3是BOP操作的相關(guān)表格和說明,可供參考。說明:忙碌信息修改參數(shù)的數(shù)值時(shí),BOP有時(shí)會(huì)顯示:busy或P