機(jī)電一體化教學(xué)設(shè)備電氣控制部分設(shè)計0001

1、華北科技學(xué)院（畢業(yè)設(shè)計）目錄目錄 1摘要 3摘要： 錯誤! 未定義書簽。1. 緒論 51.1 課題研究的意義 51.2 課題研究的目的 61.3 機(jī)電一體化系統(tǒng)概述 72 系統(tǒng)設(shè)計 92.1 機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備總體結(jié)構(gòu) 92.2 控制系統(tǒng)的總體方案確定 103 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 133.1 控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及分類 133.1.1 控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu) 133.1.2 控制系統(tǒng)的分類 143.3 PMAC硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計 163.3.1 運(yùn)動控制卡 163.3.2 硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 19第 1頁共 37 頁機(jī)電一體化教學(xué)設(shè)備電氣控制部分設(shè)計3.3.3 軟件控制特點(diǎn) 203.3.4 系統(tǒng)控制環(huán)調(diào)

2、整 . 213.3.5 PID 調(diào)整原理簡介. 243.3.6 差補(bǔ)原理 253.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)檢測元件選擇 263.4.1 數(shù)控機(jī)床測量系統(tǒng)的分類與特點(diǎn) 263.4.2 常用的測量元件 273.4.2 碼盤、光柵尺的選擇 293.4.2 編碼器測速原理及保證回零精度的工作原理 293.5 伺服電動機(jī)設(shè)計 . 313.5.1 交流伺服電機(jī)的分類和特點(diǎn) 313.5.2 交流伺服電機(jī)的控制方式 323.6 系統(tǒng)電氣電路的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) . 333.7 控制系統(tǒng)的具體配置 344. 結(jié)論 355. 參考文獻(xiàn) 366致謝 37華北科技學(xué)院（畢業(yè)設(shè)計）摘要本設(shè)計的主要工作是對機(jī)電一體化教學(xué)設(shè)備的控制系統(tǒng)

3、的設(shè)計，由于教學(xué)設(shè)備 屬立式加工中心范疇， 故此次設(shè)計以對加工中心的設(shè)計方法及步驟為主線展開設(shè)計， 包括控制系統(tǒng)總體設(shè)計，系統(tǒng)軟、硬件的選擇，系統(tǒng)的調(diào)試等內(nèi)容。設(shè)計配置如下： 信息處理和控制由美國 Deltatau 公司的 PMAC （可編程多軸運(yùn)動控制器，型號為 PMAC2A-PC104 ，）完成；驅(qū)動元件為日本富士伺服驅(qū)動器（ 200W），執(zhí)行機(jī)構(gòu)是 它的配套電機(jī)；機(jī)械本體為一個兩維的 X-Y 工作平臺，是工業(yè)應(yīng)用中最典型的控制 對象之一；反饋用檢測元件為光柵尺。關(guān)鍵詞： PMAC 運(yùn)動控制卡 ；系統(tǒng)控制環(huán)；檢測元件；光柵尺第 3頁共 37 頁機(jī)電一體化教學(xué)設(shè)備電氣控制部分設(shè)計Abstra

4、ctThe design of the main work is the integration of teaching equipment, electromechanical control systems design, As teaching equipment is the vertical machining center areas, herefore, the current design of the processing center, the design method and steps to design the main line, including the co

5、ntrol system design, System software and hardware choices, the system debugging content. Design configuration is as follows : Information management and control of the company by the United States Deltatau the PMAC (programmable multi-axis motion controller, Model for PMAC2A - PC104), completed; Dri

6、ver components for Japans Fuji servo actuator (200W), the executing agency is supporting its motor; Ontology machinery for a two-dimensional X-Y platforms, Industrial Application is the most typical one of the control object; Feedback detection components for grating feet.Keyword: PMAC sport control

7、s card; The system controls wreath; Examine a component; Light grid Chinese foot華北科技學(xué)院（畢業(yè)設(shè)計）1. 緒論1.1 課題研究的意義機(jī)電一體化技術(shù)是一項(xiàng)將機(jī)械、電子等技術(shù)有機(jī)結(jié)合綜合運(yùn)用的新興技術(shù)。該技術(shù) 主要涉及精密機(jī)械、自動控制、檢測傳感、信息處理、伺服傳動、計算機(jī)等相關(guān)領(lǐng)域， 是高等學(xué)校教育和職業(yè)學(xué)校培訓(xùn)的重要內(nèi)容。機(jī)電一體化技術(shù)的日新月異使高等學(xué)校和職業(yè)學(xué)校在教學(xué)實(shí)踐上面臨著新的挑戰(zhàn)。 傳統(tǒng)的機(jī)電一體化教學(xué)理論教學(xué)內(nèi)容很多，而學(xué)生實(shí)驗(yàn)很少甚至沒有，即使有也是針對 于使用和操作機(jī)電設(shè)備，學(xué)生缺少在實(shí)踐動手

8、中聯(lián)系理論知識的機(jī)會。比如講到伺服控 制中的三環(huán)：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的理論知識，老師講了很多，但學(xué)生卻缺少相應(yīng) 實(shí)驗(yàn)自己去操作從感性上認(rèn)識加深這些理論知識， 這樣就使得畢業(yè)生走上社會以后面臨 重重困難，難以適應(yīng)工作崗位的具體要求。很多學(xué)校傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用的模式是購買一些數(shù)控及機(jī)電一體化的機(jī)床， 然后讓 學(xué)生參觀或在上面進(jìn)行簡單的零件加工實(shí)驗(yàn)。 這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式當(dāng)然可以在一定程度上 培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和動手操作能力， 但這些實(shí)驗(yàn)很難讓學(xué)生深入的掌握到機(jī)電一體化 技術(shù)的核心內(nèi)容，理論聯(lián)系實(shí)際遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因?yàn)闆]有一所學(xué)校開實(shí)驗(yàn)課會讓學(xué)生把成套 的數(shù)控設(shè)備拆散然后在分成各個環(huán)節(jié)刨析其中的重要技術(shù)細(xì)

9、節(jié)。第 5頁共 37 頁機(jī)電一體化教學(xué)設(shè)備電氣控制部分設(shè)計為了達(dá)到在機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中充分實(shí)現(xiàn)理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)目標(biāo)， 讓培養(yǎng)出來 的學(xué)生不僅僅只是一個會開數(shù)控設(shè)備的操作工， 而成為一個在機(jī)電一體化技術(shù)方面有所 特長的人才，設(shè)計機(jī)電一體化教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺尤為重要，本次設(shè)計的課題就是機(jī)電一體化教 學(xué)用實(shí)驗(yàn)臺的電氣控制設(shè)計。該機(jī)電一體化教學(xué)設(shè)備的特點(diǎn)是：1、去除真實(shí)機(jī)電一體化設(shè)備中的一些輔助器件和輔助功能，但機(jī)電一體化技術(shù)中 各環(huán)節(jié)的核心仍然采用真實(shí)的工業(yè)器件和先進(jìn)的技術(shù)， 比如運(yùn)動部件仍然采用真實(shí)數(shù)控 設(shè)備采用的直線導(dǎo)軌和絲杠，但去掉了潤滑等輔助設(shè)施；用一只筆代替了加工工件的刀 具；使用工業(yè)場合真實(shí)

10、應(yīng)用的伺服驅(qū)動和電機(jī)，但卻不將這些全部封閉而讓學(xué)生可以直 接操作連接等等。這樣做既減小了設(shè)備體積，增加了安全性和靈活性，又不象一些塑料 教具（類似玩具）不能給學(xué)生以工業(yè)應(yīng)用的真實(shí)感覺。2、整個設(shè)備采用開放式的數(shù)控結(jié)構(gòu)，這也是當(dāng)今數(shù)控的流行趨勢，學(xué)生使用后可 以舉一反三，一勞永逸，深入理解機(jī)電一體化技術(shù)的各個關(guān)鍵部分。3、設(shè)備的硬件核心均采用世界上領(lǐng)先成熟的技術(shù)，比如控制器采用在運(yùn)動控制界 享有很高聲譽(yù)的美國 Deltatau 公司的 PMA（C可編程多軸運(yùn)動控制器） ，交流伺服采用日 本松下的伺服驅(qū)動器和電機(jī)等等。4、該設(shè)備體積小功能全，可以開展多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)課程，而且可以作為項(xiàng)目開發(fā)的實(shí)驗(yàn) 平臺，

11、解決既不能靠純軟件仿真解決又不能在（或沒有）真實(shí)設(shè)備上直接操作的棘手問 題，一機(jī)多用。5、設(shè)備本身安全方便，經(jīng)濟(jì)可靠，除了做為學(xué)生實(shí)驗(yàn)的教具還可以用做為工業(yè)企 業(yè)員工的培訓(xùn)設(shè)備。1.2 課題研究的目的本課題研究的目的就是為了方便學(xué)生進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)：1伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制實(shí)驗(yàn)2全閉環(huán)調(diào)整實(shí)驗(yàn)3PVT（厄米特樣條）插補(bǔ)實(shí)驗(yàn)4半閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的精度比較華北科技學(xué)院（畢業(yè)設(shè)計）5垂直度測量及軟件修正安裝誤差實(shí)驗(yàn)1.3 機(jī)電一體化系統(tǒng)概述機(jī)電一體化技術(shù)涉及到傳感器技術(shù)、 信息處理技術(shù)、 自動控制技術(shù)、 伺服驅(qū)動技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)包含以下幾個部分：圖 1-1 機(jī)電

12、一體化系統(tǒng)組成（1）信息處理與控制系統(tǒng)： 信息處理及控制系統(tǒng)接收傳感與檢測系統(tǒng)反饋的信息， 并對其進(jìn)行相應(yīng)的處理 / 運(yùn)算和決策，實(shí)現(xiàn)要求的控制功能。本課題研究的機(jī)電一體化 實(shí)驗(yàn)臺中，信息處理及控制系統(tǒng)主要是由計算機(jī)的軟件和硬件以及相應(yīng)的接口所組成。 硬件包括輸入輸出設(shè)備、顯示器、可編程控制器（ PLC）和數(shù)控裝置等。本機(jī)電一體化 實(shí)驗(yàn)臺要求信息處理速度高， A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換及分時處理時的輸入輸出可靠，抗干擾能 力強(qiáng)。（2）驅(qū)動元件系統(tǒng)：按照系統(tǒng)的要求，為機(jī)電一體化產(chǎn)品提供能量和動力功能， 去驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，以完成預(yù)定的主功能。本機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)臺采用的是富士公司的 伺服電動機(jī)作為動力

13、驅(qū)動元件。第 7頁共 37 頁機(jī)電一體化教學(xué)設(shè)備電氣控制部分設(shè)計（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)： 在控制信息的作用下完成要求的動作， 實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn) 設(shè)備的主功能。執(zhí)行部件為運(yùn)動部件，本機(jī)電一體化設(shè)備采用的是機(jī)械機(jī)構(gòu)，即電動機(jī) 帶動滾珠絲杠作 X、Y 方向的位移，以完成設(shè)備的主功能。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品目的功 能的直接執(zhí)行者，其性能好壞直接決定著整個產(chǎn)品的性能，因而是機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)設(shè)備 中重要的組成部分。（4）機(jī)械本題系統(tǒng)： 機(jī)械本體是機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)， 用于支撐和連接其 他要素，并把這些要素合理的結(jié)合起來，形成有機(jī)的整體。（5）檢測元件系統(tǒng)： 在系統(tǒng)運(yùn)行過程中將自身和外界環(huán)境的各種參數(shù)轉(zhuǎn)換成可

14、以 測定的物理量進(jìn)行測定，為系統(tǒng)提供運(yùn)行控制所需的各種信息。本試驗(yàn)臺的傳感與檢測 系統(tǒng)的功能由是由傳感器（即光柵尺）實(shí)現(xiàn)，對其要求是體積小、便于安裝與連接、檢 測精度高、抗干擾能力強(qiáng)等。由上述 5 個組成部分在工作時的相互協(xié)調(diào)， 共同完成所規(guī)定的目的功能。綜上所述，本課題所面臨的關(guān)鍵技術(shù)有：傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)、伺服驅(qū)動技 術(shù)、自動控制技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)等。其中，信息處理技術(shù)是否能及時、 準(zhǔn)確的處理工作過程中各種參數(shù)和狀態(tài)以及自動 控制有關(guān)的信息輸入、識別、變換、運(yùn)算、存儲、輸出和決策分析等，直接影響到系統(tǒng) 工作的質(zhì)量和效率。在機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)臺中，實(shí)現(xiàn)信息處理技術(shù)的主要裝置是控制信息 處理

15、器（即控制計算機(jī)） 它能控制和指揮整個產(chǎn)品的運(yùn)行， 是本機(jī)電一體化設(shè)備的核心。驅(qū)動器主要是執(zhí)行元件和驅(qū)動裝置驅(qū)動器一方面通過接口電路與控制單元相連， 接 受控制系統(tǒng)的指令；另一方面，通過機(jī)械接口與機(jī)械傳動與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連，以實(shí)現(xiàn)規(guī)定 的動作，因而驅(qū)動器直接影響著本機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的執(zhí)行和操作，對產(chǎn)品的動態(tài)性 能、穩(wěn)定性能、操作精度和控制質(zhì)量等產(chǎn)生決定性的影響。因此控制信息處理器和驅(qū)動器是本機(jī)電一體化設(shè)備組成要素中緊密相連的兩大核 心部分。華北科技學(xué)院（畢業(yè)設(shè)計）2 系統(tǒng)設(shè)計2.1 機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備總體結(jié)構(gòu)本課題設(shè)計的 AC-200 型交流伺服教學(xué)設(shè)備是一款多功能機(jī)電一體化教學(xué)設(shè)備。如 圖

16、 21 所示。其實(shí)質(zhì)為數(shù)控銑床，有 X ，Y 兩個直線運(yùn)動坐標(biāo)，即工作臺承擔(dān)運(yùn)動功 能為縱向（ X 軸）和橫向（ Y 軸）兩個方向的移動，由兩個伺服電機(jī)分別控制。它能夠 使工件在一次裝夾后完成安裝面和頂面以外的其余四個面的加工， 最適合箱體類工件的 加工。第 9頁共 37 頁機(jī)電一體化教學(xué)設(shè)備電氣控制部分設(shè)計圖 2 1 系統(tǒng)實(shí)物圖2.2 控制系統(tǒng)的總體方案確定根據(jù)一般數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)組成以及教學(xué)設(shè)備的特點(diǎn)， 本機(jī)電一體化教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺的控 制系統(tǒng)組成應(yīng)包含運(yùn)動控制器、實(shí)驗(yàn)機(jī)柜、操作平臺及相關(guān)軟件、資料和電纜等元件。 由計算機(jī)編制程序，控制器對伺服驅(qū)動器發(fā)出指令進(jìn)行控制，同時檢測元件對精密平臺 進(jìn)行監(jiān)

17、測，從而實(shí)現(xiàn)零件的加工。控制系統(tǒng)如圖 22 所示。10華北科技學(xué)院（畢業(yè)設(shè)計）串口計算機(jī)指令（脈沖 或模擬量）伺服動力輸出驅(qū)動碼盤反饋器碼盤反饋伺服電機(jī)精密平臺控制器（ PMAC-10）4操作面板（ I/0 點(diǎn)）光柵反饋光柵尺由上圖可知， PMAC-104控制器是本套系統(tǒng)的核心部件，它包含有伺服運(yùn)動控制及 I/O 點(diǎn)的過程控制功能。在運(yùn)動控制功能中，由它發(fā)送控制指令，接受編碼器或光柵的 反饋構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，并且通過串口通計算機(jī)通訊（可選 USB接口）。本次設(shè)計的 AC200型數(shù)控系統(tǒng)主要由 PC機(jī)、運(yùn)動控制卡、伺服驅(qū)動裝置、檢測裝 置等元件組成。下面就主要部件的作用作介紹：PC 機(jī) ：通過總線與

18、運(yùn)動控制卡通信，傳輸程序以及顯示進(jìn)程等。運(yùn)動控制卡：運(yùn)算控制功能，即向伺服系統(tǒng)發(fā)出指令并接受檢測裝置的反饋，根據(jù) 反饋向驅(qū)動裝置不斷更新指令， 以盡量減少機(jī)械誤差； 過程控制功能， 即 PLC 邏輯運(yùn)動控制；可與 PC 機(jī)通信；通過選用不同的附件和選項(xiàng) 來發(fā)送不同的控制信號，控制不同的電機(jī)；通過選用不同的附件和選 項(xiàng)來接受不同類型傳感器的不同反饋信號； 選用不同的附件和選項(xiàng)來 提升系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，滿足一些特殊要求。伺服驅(qū)動裝置：接受運(yùn)動控制卡發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號，由伺服驅(qū)動電路 作轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服驅(qū)動裝置（電動機(jī)）和機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，驅(qū)動 實(shí)驗(yàn)臺的工作臺等執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)工作臺的進(jìn)給。 實(shí)

19、驗(yàn)臺的伺服進(jìn)給系 統(tǒng)與一般車床的進(jìn)給系統(tǒng)有本質(zhì)差別， 它能根據(jù)指令信號精確的控制第11頁共 37頁機(jī)電一體化教學(xué)設(shè)備電氣控制部分設(shè)計部件的運(yùn)動速度與位置， 以及幾個執(zhí)行部件按一定規(guī)律運(yùn)動所合成的 運(yùn)動軌跡。檢測裝置：實(shí)驗(yàn)臺的檢測裝置是是對實(shí)驗(yàn)臺執(zhí)行元件的實(shí)際位置進(jìn)行測量，不斷 的將工作臺的位移量檢測出來并反饋給運(yùn)動控制卡的裝置。控制卡利 用其本身的差補(bǔ)計算的理論值與實(shí)際反饋的位置進(jìn)行比較，以判斷進(jìn) 給定位正確與否，同時輔助伺服系統(tǒng)達(dá)到更精確的進(jìn)給定位，以彌補(bǔ) 機(jī)械精度的不足。12華北科技學(xué)院（畢業(yè)設(shè)計）3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及分類3.1.1 控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)由

20、輸入 /輸出裝置、數(shù)控裝置（ CNC 裝置）、伺服系統(tǒng)（驅(qū)動控制裝置）和機(jī)床電器控 制裝置四部分組成，機(jī)床本體則為被控對象，如圖 3-1 所示。機(jī)床床數(shù)控系統(tǒng)輸入輸出裝置伺服系統(tǒng)數(shù)控裝置機(jī)床電氣控制裝置圖 3-1 數(shù)控系統(tǒng)的組成框圖數(shù)控系統(tǒng)按照外部輸入的數(shù)控加工程序?qū)ぜM(jìn)行自動加工。 數(shù)控加工程序記載著 數(shù)控加工所需的各種信息，主要包括零件加工的軌跡信息（如幾何形狀與尺寸） 、工藝 信息（如進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速）和開關(guān)命令（如換刀和切削液開關(guān)等） 。輸入裝置將數(shù)控加工程序及其它信息輸入給數(shù)控裝置， 輸出裝置則負(fù)責(zé)將輸出的內(nèi) 容和機(jī)床的工作狀態(tài)顯示出來。數(shù)控裝置（ CNC）是數(shù)控系統(tǒng)的核心。他的

21、主要功能是解釋數(shù)控加工程序并對揭示 的結(jié)果進(jìn)行各種數(shù)字計算和邏輯判斷處理，最終將數(shù)控加工程序按兩類控制信息輸出： 一類是高速軌跡信息（連續(xù)控制量） ,送給伺服驅(qū)動裝置。伺服系統(tǒng)位于數(shù)控裝置華人機(jī)床本體之間， 包括進(jìn)給軸伺服驅(qū)動裝置和主軸伺服驅(qū) 動裝置。前者主要對各進(jìn)給軸的位置進(jìn)行控制，后者主要對主軸的進(jìn)給速度進(jìn)行控制。第13頁共 37頁機(jī)電一體化教學(xué)設(shè)備電氣控制部分設(shè)計機(jī)床電氣控制裝置也位于數(shù)控裝置和機(jī)床本體之間， 它接受數(shù)控裝置發(fā)出的開關(guān)命 令，主要完成主軸的起停和方向控制、工件的夾緊和放松、切削液的開關(guān)等輔助工作， 又可編程控制器和繼電器、接觸器組成。3.1.2 控制系統(tǒng)的分類按伺服系統(tǒng)分

22、類數(shù)控系統(tǒng)可分為開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)、全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)和半閉環(huán)數(shù)控系 統(tǒng)。 開環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 這類數(shù)控系統(tǒng)無檢測裝置和反饋回路一般以步進(jìn)電動機(jī)為執(zhí)行元件，其框圖如圖3-2 所示。數(shù)控裝置輸出的指令脈沖經(jīng)驅(qū)動電路進(jìn)行功率放大，轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電動機(jī)各定 子繞組的電流脈沖信號控制步進(jìn)電動機(jī)的角位移、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向，再經(jīng)機(jī)床傳動機(jī)構(gòu) 帶動工作臺移動。開環(huán)控制系統(tǒng)控制簡單、穩(wěn)定性好、價格低，但精度和速度受限制目 前被廣泛用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)和普通機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)改造。 全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)這類數(shù)控系統(tǒng)帶有位置檢測裝置直接檢測工作臺的位移， 以直流或交流伺服電動機(jī) 作為執(zhí)行元件。數(shù)控系統(tǒng)將工作臺的實(shí)際位移與插補(bǔ)計算出的理論位移相比較

23、，用兩者 的差值進(jìn)行控制，驅(qū)動工作臺向減少誤差的方向移動其框圖如圖 3-3 所示。由自動控制 原理可知，凡是被反饋通道所包圍的前向通道中的所有誤差均能被反饋所補(bǔ)償，因此這 種系統(tǒng)可獲得很高的定位精度和移動速度。但前向通道中包括絲杠螺母夫、機(jī)床工作臺 等大慣性環(huán)節(jié)和帶有機(jī)械傳動間隙的非線性環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試?yán)щy，穩(wěn)定性難 以保證。全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)一般用于高精度或超高精度的數(shù)控機(jī)床中。14華北科技學(xué)院（畢業(yè)設(shè)計）軸承 軸承圖 3-2 開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)框圖位置檢測元件 機(jī)床工作速度檢測元件 滾珠絲杠 臺軸承圖 3-3 全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)框圖 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)這類數(shù)控系統(tǒng)也帶有位置檢測及反饋裝置， 但安裝在

24、伺服電動機(jī)或滾珠絲杠軸端的 編碼器，只能檢測到其角位移或轉(zhuǎn)速，工作臺的位移要經(jīng)過計算間接得到，數(shù)控系統(tǒng)也 用實(shí)際位移與理論位移的差值進(jìn)行控制，如圖 3-4 所示。半閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)：一是測量 角位移的編碼器要比測量直線位移的光柵尺便宜； 二是控制閉環(huán)中不包括機(jī)床工作臺等 大慣性環(huán)節(jié)，使控制系統(tǒng)的環(huán)路短、 剛性好、調(diào)試方便， 容易獲得比較穩(wěn)定的控制特性。 缺點(diǎn)是不能補(bǔ)償閉環(huán)外的機(jī)械傳動間隙、絲杠螺距誤差等，使其綜合控制精度不如全閉第15頁共 37頁機(jī)電一體化教學(xué)設(shè)備電氣控制部分設(shè)計環(huán)控制系統(tǒng)。目前半閉環(huán)控制在普及性數(shù)控系統(tǒng)中被廣泛采用。本系統(tǒng)采用的是全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)， 通過光柵尺、 碼盤等檢測元件對

25、控制卡進(jìn)行位置 反饋，從而使用運(yùn)動控制卡對電動機(jī)的速度等參數(shù)實(shí)時的進(jìn)行調(diào)節(jié)， 將誤差減少到最?。≥S承機(jī)床工作速度檢測元件 滾珠絲杠 臺圖 3-4 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)框圖3.3 PMAC硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計3.3.1 運(yùn)動控制卡隨著機(jī)電一體化技術(shù)的飛速發(fā)展， 開放式的機(jī)電控制技術(shù)越來越多的受到業(yè)界的關(guān) 注。開放式機(jī)電控制技術(shù)源于 1987 年，美國空軍發(fā)表了著名的“ NGC（下一代控制器）” 計劃，首次提出了開放式體系結(jié)構(gòu)控制器的概念。 該計劃的重要內(nèi)容之一就是提出了 “開 放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)（ SOSA）S”。該體系結(jié)構(gòu)的定義為：在競爭的環(huán)境中允許多個制造 商銷售可相互交換和相互操作的模塊。 機(jī)床制

26、造商可以在開放系統(tǒng)的平臺上增加一定的 硬件和軟件構(gòu)成自己的系統(tǒng)。這種開放體系的結(jié)構(gòu)有兩種： 1、CNC+PC主板，將 PC主板 插入傳統(tǒng)的 CNC機(jī)器中， PC主板主要運(yùn)行非實(shí)時控制， CNC主要用來做以運(yùn)動控制為主 的實(shí)時控制； 2、PC+運(yùn)動控制板，在 PC 機(jī)中標(biāo)準(zhǔn)總線槽中插入運(yùn)動控制卡用來做實(shí)時 控制。 AC-200教學(xué)設(shè)備是基于后一種結(jié)構(gòu)制作的。PMAC即 Program Multiple Axis Controller（可編程多軸運(yùn)動控制器）是由美國DELTA TAU公司生產(chǎn)的運(yùn)動控制卡。該系列產(chǎn)品功能強(qiáng)大、穩(wěn)定可靠、配置靈活，通過16華北科技學(xué)院（畢業(yè)設(shè)計）不同配置可以控制任何形

27、式的電機(jī)以及接收市場上大多數(shù)位置及速度反饋元件的反饋 信號，支持各種總線結(jié)構(gòu)如 ISA、PCI、VME、STD等等，并且提供了通過 RS232或 RS422 串口同主機(jī)進(jìn)行通訊的功能。 PMAC實(shí)際上就是一臺性能優(yōu)良的專業(yè)用計算機(jī)，以 Motorola 56300 系列 DSPC PU為主要元器件加上外圍電路和豐富優(yōu)化的專業(yè)控制軟件構(gòu) 成。該卡優(yōu)秀的控制功能和良好的開放性特點(diǎn)包括以下幾個方面： 運(yùn)動控制功能：運(yùn)算速度快 - 每軸 55s 的伺服更新速度數(shù)據(jù)精度高 - 位置可到 32 位的數(shù)據(jù)精度、輸出數(shù)據(jù)精度為 16/18 位內(nèi)置豐富優(yōu)秀的插補(bǔ)算法 - 直線、圓弧、 PVT（位置速度時間） 、

28、三次樣條插補(bǔ)算 法，用以產(chǎn)生各種類型的運(yùn)動軌跡良好的通用性 - 支持標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)床加工代碼 G代碼編程靈活、簡練的運(yùn)動程序語言 - 簡便易學(xué)優(yōu)良的伺服控制算法 -PID+NOTCH濾波+速度/ 加速度前饋，并且支持用戶自己的伺 服控制算法過程控制功能（ PLC邏輯順序控制）：運(yùn)算速度快 - 典型程序運(yùn)行時間在 59ms，較普通 PLC 快一個數(shù)量級可容納程序量大 -216K 字節(jié)存儲容量（包含運(yùn)動程序）程序語言簡單易操作 - 類似高級語言，方便編輯存儲和運(yùn)行模塊化管理 - 可分成 32 個 PLC程序模塊，并且可編譯為 PLCC，運(yùn)行速度可提高 2030倍，方便程序調(diào)用和管理數(shù)據(jù)交換功能及開放的接

29、口：功能完善的動態(tài)鏈接庫 - 提供 200 多個庫函數(shù)， 利用高級語言編程調(diào)用這些函數(shù)， 使得同上位機(jī)交換數(shù)據(jù)非常方便簡單易用的專用控件 - 同上位機(jī)交換數(shù)據(jù)更加簡單，容易學(xué)習(xí)和掌握允許用戶訪問和使用卡上內(nèi)存和寄存器地址空間 硬件擴(kuò)展功能、適用性及靈活性：第17頁共 37頁機(jī)電一體化教學(xué)設(shè)備電氣控制部分設(shè)計通過多卡鏈接的方式可以控制多達(dá) 128 軸同時運(yùn)動 通過選用不同的附件和選項(xiàng)來發(fā)送不同的控制信號，控制不同的電機(jī)通過選用不同的附件和選項(xiàng)來接收不同類型傳感器的不同反饋信號通過選用不同的附件和選項(xiàng)來提升系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，滿足一些特殊要求CNC 運(yùn)動控制卡是實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)速度和位置控制的關(guān)鍵硬件。

30、本數(shù)控銑床系統(tǒng)為三 軸進(jìn)給運(yùn)動控制系統(tǒng)，擬用脈沖、方向的方式控制，只要控制卡技術(shù)指標(biāo)能達(dá)到系統(tǒng)技 術(shù)指標(biāo)，價格合理均可采用。本課題采用的通用運(yùn)動控制卡為PMAC2A-104開放式運(yùn)動控制器。 PMAC2A-104是一塊四軸卡，總線形式為 PC104，可以同時控制四個伺服電機(jī)或 者步進(jìn)電機(jī)聯(lián)動。其配置及所具備的功能如下：40MHz Motorola 563000 DSP CPU4路 D/A通道，用以發(fā)送模擬速度或轉(zhuǎn)矩指令4 路編碼器反饋通道，可直接接收 4 路增量碼盤的反饋4路 PWM信號輸出，可輸出脈寬調(diào)制信號和脈沖信號 強(qiáng)大的運(yùn)動控制功能、過程控制功能、數(shù)據(jù)交換功能18華北科技學(xué)院（畢業(yè)設(shè)計

31、）3.3.2 硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)圖 3-6 PMA 卡原理框圖圖 3-6 畫出了一塊 8 軸 PMAC卡的原理框圖，由上圖可以看到該控制卡實(shí)際上是一 個非常專業(yè)的計算機(jī)，有自己的數(shù)字處理 CPU，有大容量的存儲介質(zhì)包括 EPRO，MSRAM 以及閃存等，數(shù)據(jù)地址總線為 48 位線寬，通訊方式有總線、串口、雙端口 RAM以及光 纜等，由專用的伺服控制芯片（門陣列芯片）控制各種伺服電機(jī)的運(yùn)動及接受編碼器的 反饋。上位機(jī)通過動態(tài)鏈接庫及虛擬設(shè)備驅(qū)動程序同PMAC卡進(jìn)行通訊。由于 PMAC卡是以 Motorola 56300 系列 DSP CPU為主要芯片的，而該芯片是 24 位 寬的雙數(shù)據(jù)總線形式（這不同

32、于現(xiàn)在個人計算機(jī)上的 32/64 位寬單數(shù)據(jù)總線），每一路 的最大訪問地址是 16 位，即從 0000H-FFFFH，所以該卡的內(nèi)存布局和訪問方式有獨(dú)特 的地方，它分為兩列 X 和 Y列，其布局如下圖 3-7 所示。第19頁共 37頁機(jī)電一體化教學(xué)設(shè)備電氣控制部分設(shè)計3.3.3 軟件控制特點(diǎn)PMAC的軟件功能強(qiáng)大，分別包含以下幾部分：參數(shù)、變量設(shè)置PMAC卡包含有一種控制參數(shù) I 參數(shù)、三種用戶變量 M、P、Q。其中通過對 I 參數(shù)的 設(shè)置來配置系統(tǒng)的功能， 是系統(tǒng)中非常重要的部分； M變量是用戶自己定義的， 指向 PMAC 卡中的某一內(nèi)存或寄存器地址，用戶通過它來間接訪問PMAC卡上的幾乎所

33、有資源； P變量、Q變量由用戶隨意使用， 為 48 位浮點(diǎn)變量，兩種變量的區(qū)別在于 P變量是全局變 量， Q變量是坐標(biāo)系內(nèi)部變量（該卡支持多達(dá) 16 個坐標(biāo)系）。以上參數(shù)和變量每一種都 有 1024 個可供使用。I 參數(shù)：分兩類，系統(tǒng)級別和通道級別（所謂通道即卡中的每個電機(jī)控制通道）系統(tǒng)級別：設(shè)置卡的工作運(yùn)行方式， 100號以內(nèi)，如參數(shù) I5 用來控制 PMAC中的 PLC 程序是否運(yùn)行，等于 2 時開機(jī) PLC自動運(yùn)行，等于 0 時開機(jī)后 PLC不運(yùn)行，需要手動指 令使 PLC運(yùn)行。其它參數(shù)可以控制諸如卡的報錯方式、伺服中斷周期、串行通訊方式、緩沖區(qū)的開關(guān)及工作方式等。20華北科技學(xué)院（畢業(yè)

34、設(shè)計）圖 3-7 PMAC 卡內(nèi)存地址分布圖3.3.4 系統(tǒng)控制環(huán)調(diào)整在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，為了獲得良好的穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性，需要對系統(tǒng)的控制環(huán) 進(jìn)行校正和調(diào)整。在整個機(jī)電一體化系統(tǒng)中，它對系統(tǒng)的影響是巨大的，所以當(dāng)系統(tǒng)的 基本特性（包括機(jī)械傳動、電機(jī)選型等）確立以后，系統(tǒng)的特性（模型）就確定下來， 為了獲得良好的控制效果，就需要對系統(tǒng)的控制環(huán)進(jìn)行調(diào)整了。在以PMAC為核心控制器的系統(tǒng)中， PMAC卡為用戶提供了 PID+速度/加速度前饋 +NOTCH濾波的控制環(huán)算法， 能 夠滿足大部分應(yīng)用場合的要求，用戶可以根據(jù)自己系統(tǒng)的要求來調(diào)整其中的相關(guān)參數(shù)。 除此外，PMAC也為用戶的特殊要求提供擴(kuò)展的

35、伺服控制算法， 并且支持用戶自己編寫的 伺服算法（需要用戶熟悉 Motorola 56300 系列 DSPC PU的匯編語言）。以下兩圖是 PMAC 控制算法的原理。第21頁共 37頁機(jī)電一體化教學(xué)設(shè)備電氣控制部分設(shè)計在 PMAC卡中，用戶可以通過修改 I 變量對電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，與此相關(guān)的 I 變量 有以下主要幾個： IX00、02、03、04、11、12、25、30、31、32、33、35 以及 I9X0-I9X5 （其中 X 代表幾號電機(jī)），其描述參見本章前面對 PMAC卡軟件的講解。22華北科技學(xué)院（畢業(yè)設(shè)計）要利用 PMAC構(gòu)成一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)， 其原理圖參見 3-10 。在上

36、圖中涉及到的 參數(shù)有 IX02 、IX03、IX04 等幾個參數(shù)。其中 IX03 存放的是安裝在負(fù)載上位置反饋元件 檢測值；IX04 存放的是安裝在電機(jī)后反饋元件檢測值， 由卡經(jīng)過運(yùn)算轉(zhuǎn)換為速度值； IX02 存放的是 DAC（模擬量指令） 輸出值。 這樣 PMAC通過編碼器轉(zhuǎn)換表將位置及速度反饋給 控制卡，然后與指令值比較經(jīng)過 PID 運(yùn)算后變?yōu)槟M量指令存放到 DAC輸出表中，由該 值來控制電機(jī)的運(yùn)動。在 PMAC卡中每一路閉環(huán)通道都有默認(rèn)值，但用戶也可以根據(jù)自 己的需要改動這些值構(gòu)成閉環(huán)。以下以第一通道為例講述一個閉環(huán)系統(tǒng)的構(gòu)成。 首先將參數(shù) I100 設(shè)置為 1，這樣激 活該電機(jī)。第二

37、步是設(shè)置 I102 、103、104號參數(shù) - 這些可以按照缺省值設(shè)置，但在雙 閉環(huán)系統(tǒng)（有位置環(huán)）中， I103 （位置環(huán)地址）的值應(yīng)該和 I104（速度環(huán)地址）的值不 同，應(yīng)該設(shè)置為相應(yīng)的編碼器通道的值。第三步設(shè)置 I910 號參數(shù)的值，用來選擇反饋 元件的譯碼方式和方向，一般選擇 4倍頻正交譯碼，即 3或 7，譯碼方向一定要注意， 否則電機(jī)可能會閉不上環(huán)，如果選錯了方向可以改成另外一個方向即可，具體可參見 PMAC軟件手冊或光盤資料（以上所描述內(nèi)容在 AC-200 系統(tǒng)均已經(jīng)設(shè)置好，用戶只需要 在 PEWIN終端窗口查看其內(nèi)容即可，不要隨意修改） 。下表是 PMAC控制器的 PID+速度

38、/ 加速度前饋控制環(huán)算法所涉及到參數(shù)的含義、 作用 及調(diào)整范圍第23頁共 37頁機(jī)電一體化教學(xué)設(shè)備電氣控制部分設(shè)計變量參數(shù)作用調(diào)整值域數(shù)值影響IX30P 參數(shù)，比 例增益提供系統(tǒng)所需的剛性(快速性)-83886088388607缺省為 2000數(shù)值越大， 系統(tǒng)剛性越好， 但太大 會產(chǎn)生振蕩。太小系統(tǒng)會反應(yīng)遲 緩。IX33I 參數(shù)， 積 分增益用于消除穩(wěn)態(tài)誤差(準(zhǔn)確性)08388607 缺省為 1280與 IX63 時間積分誤差有關(guān)；如果 輸出飽滿， IX33 無效。IX34積分模式?jīng)Q定積分增益是全程 有效還是只在速度為 0 時才有效0 缺省為 1IX34=0 積分增益全程有效IX34=1 積分

39、增益只在速度為 0 時 有效IX31D 參數(shù)， 微分增益用于提供足夠的阻尼 以保證系統(tǒng)穩(wěn)定 (穩(wěn)定性)-83886088388607缺省為 1280數(shù)值越大， 阻尼越大， 系統(tǒng)越穩(wěn)定表 3-1 PID 參數(shù)變量參數(shù)作用調(diào)整值域數(shù)值影響IX32速度前饋減小由于微分增益 的引入所引起的跟 隨誤差08388607 缺省為 1280對電流環(huán)， IX32 應(yīng)等于或略大于 IX31 。對速度環(huán)， IX32 應(yīng)遠(yuǎn)大于 IX31 。IX35加速度前 饋減小由于系統(tǒng)慣性 所帶來的跟隨誤差08388607缺省為 0反應(yīng)滯后特別明顯時，增加 IX35IX68摩擦增益減小由于摩擦產(chǎn)生 的跟隨誤差，帶負(fù) 載調(diào)整時有效-

40、3276732768缺省為 0該變量正比于要求速度的符號， 速 度為正， IX68 被加進(jìn)輸出，速度 為負(fù)， IX68 從輸出中減去表 3-2 前饋參數(shù)變量參數(shù)作用調(diào)整值域數(shù)值影響IX29模擬量輸出偏差校正 PMAC 的模擬 量輸出與放大器模 擬輸入之間的誤差-3276832767缺省為 0數(shù)值上應(yīng)與修正電壓計的模擬輸出相等IX69模擬量輸出極限用于限制 PMAC 中 模擬量輸出的大小032767缺省為 20480如果控制環(huán)送出的模擬量大于該 值，則模擬量輸出大小將被它限 制表 3-3 相關(guān)參數(shù)為了方便的調(diào)整系統(tǒng)特性，執(zhí)行軟件 PEWIN 為用戶提供了功能齊全的工具。在調(diào) 整 PID+速度 /

41、加速度前饋參數(shù)時，該軟件都提供響應(yīng)曲線，可以存盤打印 ，3.3.5 PID 調(diào)整原理簡介PID 全稱比例( proportion )- 積分( integral )- 微分( derivative )控制器，是 自動控制系統(tǒng)設(shè)計中最經(jīng)典應(yīng)用最廣泛的一種控制器，實(shí)際上是一種算法。24華北科技學(xué)院（畢業(yè)設(shè)計）任何閉環(huán)的控制系統(tǒng)都有它固有的特性，可以有很多種數(shù)學(xué)形式來描述它，如微分 方程、傳遞函數(shù)、狀態(tài)空間方程等。但這樣的系統(tǒng)如果不做任何的系統(tǒng)改造很難達(dá)到最 佳的控制效果，比如快速性穩(wěn)定性準(zhǔn)確性等。為了達(dá)到最佳的控制效果，我們在閉環(huán)系 統(tǒng)的中間加入 PID控制器，改造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性，并且調(diào)整 PID

42、 參數(shù)來實(shí)現(xiàn)（雖然算法 有很多種，但最經(jīng)典的還是 PID）。PID 算法本身就有很多種結(jié)構(gòu)，但歸根到底離不了 P、I 、D 三個參數(shù)。我們在這里 不討論具體的算法怎么實(shí)現(xiàn)、怎么編寫，我們只想以最通俗的說法讓大家知道按照什么 樣的原則去調(diào)整這三個參數(shù)達(dá)到最佳控制效果。任何閉環(huán)控制系統(tǒng)的首要任務(wù)是要穩(wěn) （穩(wěn)定）、快（快速）、準(zhǔn)（準(zhǔn)確）的響應(yīng)命令。 PID調(diào)整的主要工作就是如何實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)。 以下是個人對 PID 調(diào)整的一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)和想法。增大比例系數(shù) P 將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，它的作用于輸出值較快，但不能很好穩(wěn)定在一 個理想的數(shù)值，不良的結(jié)果是雖較能有效的克服擾動的影響，但有余差出現(xiàn)，過大的比 例系數(shù)會使

43、系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。積分能在比例的基礎(chǔ)上 消除余差，它能對穩(wěn)定后有累積誤差的系統(tǒng)進(jìn)行誤差修整，減小穩(wěn)態(tài)誤差。微分具有超 前作用，對于具有容量滯后的控制通道，引入微分參與控制，在微分項(xiàng)設(shè)置得當(dāng)?shù)那闆r 下，對于提高系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)，有著顯著效果，它可以使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性 增加，動態(tài)誤差減小。在調(diào)整的時候，你所要做的任務(wù)就是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)允許的情況下，在這三個參數(shù)之間 權(quán)衡調(diào)整，達(dá)到最佳控制效果，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)快準(zhǔn)的控制特點(diǎn)。3.3.6 差補(bǔ)原理實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)大都是加工輪廓為直線和圓弧這兩種簡單、 基本的曲線的零件， 若 加工其他非圓輪廓曲線，可采用一小段直線或圓弧來擬合。一般

44、已知工件輪廓的運(yùn)動軌 跡的起點(diǎn)坐標(biāo)、 終點(diǎn)坐標(biāo)和輪廓軌跡的曲線方程由控制卡計算出各個中間點(diǎn)的坐標(biāo)， “插 入”、“補(bǔ)上”運(yùn)動軌跡中間點(diǎn)的坐標(biāo)值，通常把這個過程稱為“差補(bǔ)” 。 脈沖增量插補(bǔ)法：在插補(bǔ)的過程中不斷的向各個坐標(biāo)發(fā)出進(jìn)給脈沖，驅(qū)動各坐 標(biāo)軸的伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)動。每發(fā)出一個脈沖，工作臺就移動一個基本長度，即脈沖當(dāng)量。第25頁共 37頁機(jī)電一體化教學(xué)設(shè)備電氣控制部分設(shè)計脈沖當(dāng)量的大小決定了加工精度，發(fā)給各坐標(biāo)軸的脈沖數(shù)目決定了相對運(yùn)動的距離，而 脈沖的頻率代表了坐標(biāo)軸的速度。脈沖增量插補(bǔ)的實(shí)現(xiàn)方法比較簡單，既可以用硬件來 實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件來實(shí)現(xiàn)。脈沖增量的插補(bǔ)方法有多種，最常用的是逐點(diǎn)比較

45、插補(bǔ)法 和數(shù)字積分插補(bǔ)法。逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法的原理是： 計算機(jī)在控制加工過程中， 每進(jìn)給一步都要將加工點(diǎn)的 瞬時坐標(biāo)與規(guī)定的軌跡相比較，判斷加工偏差，然后決定下一步的進(jìn)給方向，進(jìn)給方向 總是向著逼近給定軌跡的方向，如果實(shí)際加工點(diǎn)在給定軌跡的上方，下一步就向給定軌 跡的下方進(jìn)給；如果實(shí)際加工點(diǎn)在給定軌跡的里面，下一步就向給定軌跡的外面進(jìn)給， 如此每進(jìn)給一步算一次偏差，比較一次，決定下一步的進(jìn)給方向，以逼近給定的軌跡， 直至加工結(jié)束。逐點(diǎn)比較法是以折線來逼近直線或圓弧曲線的， 插補(bǔ)誤差小于脈沖當(dāng)量， 因而只需要將脈沖當(dāng)量取得足夠小就可達(dá)到加工精度的要求。 逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法既可做直 線插補(bǔ)，又可作圓弧插補(bǔ)

46、。數(shù)字積分插補(bǔ)法又稱數(shù)字積分分析法 （ DDA），是利用數(shù)字積分的方法， 計算刀具沿 各坐標(biāo)軸的位移，使刀具沿著所加工的軌跡運(yùn)動。它具有運(yùn)算速度快 /脈沖分配均勻 / 易 實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動等優(yōu)點(diǎn)，不僅能方便的實(shí)現(xiàn)一次 / 二次曲線的插補(bǔ)，還可以用于各種函數(shù) 運(yùn)算，因此在數(shù)控系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法是軟件插補(bǔ)法， 用于閉環(huán)伺服系統(tǒng)中， 其輸出的結(jié)果不是脈沖。 而是數(shù)據(jù)，計算機(jī)定時地對反饋回路采樣，得到的采樣數(shù)據(jù)與插補(bǔ)產(chǎn)生的指令數(shù)據(jù)相比 較，用誤差信號驅(qū)動伺服電動機(jī)。各系統(tǒng)采樣周期不盡相同，一般取 10 s 左右，采樣 周期太短則計算機(jī)來不及處理，太長會損失信息影響伺服精度。這種方法所產(chǎn)生

47、的最大 速度不受計算機(jī)最大運(yùn)算速度的限制，但插補(bǔ)程序比較復(fù)雜。3.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)檢測元件選擇3.4.1 數(shù)控機(jī)床測量系統(tǒng)的分類與特點(diǎn)數(shù)控機(jī)床測量系統(tǒng)是對數(shù)控機(jī)床執(zhí)行元件的實(shí)際位置進(jìn)行測量， 不斷的將工作臺的 位移量檢測出來并反饋給數(shù)控系統(tǒng)裝置。 數(shù)控系統(tǒng)利用其本身的差補(bǔ)計算的理論值與實(shí) 際反饋的位置進(jìn)行比較， 以判斷進(jìn)給定位的正確與否同時輔助伺服系統(tǒng)達(dá)到最精確的進(jìn) 給定位，以彌補(bǔ)機(jī)械精度的不足，實(shí)際反饋位置的采集是由位置檢測裝置來實(shí)現(xiàn)的。常 用的位置檢測裝置有感應(yīng)同步器、光柵位置檢測裝置、光電脈沖編碼器、磁尺位置檢測26華北科技學(xué)院（畢業(yè)設(shè)計）裝置等。對于高精度的數(shù)控機(jī)床而言，它的加工精度

48、和定位精度將主要取決于檢測裝置，因 此檢測裝置的精度及性能是高精度數(shù)控機(jī)床的保證。數(shù)控機(jī)床的檢測裝置應(yīng)滿足以下要求： 工作可靠，抗干擾性強(qiáng) 滿足速度和精度的要求 使用維護(hù)方便，適合機(jī)床的工作環(huán)境 成本低通常，檢測裝置的檢測精度為 （ 0.001 0.02 ）mm/m分, 辨率為 0.001 0.01mm/m, 運(yùn)動速度應(yīng)滿足 020m/min。數(shù)控系統(tǒng)中的檢測裝置分為位移、速度和電流三種類型。根據(jù)安裝的位置和耦合方 式，分為直接測量和間接測量兩種；按測量方法分為增量式和絕對式兩種；按檢測信號 的類型分為模擬式和數(shù)字式兩大類；按運(yùn)動形式分為回轉(zhuǎn)型和直線型檢測裝置；按信號 轉(zhuǎn)換原理可分為光電效應(yīng)、

49、光柵效應(yīng)、電磁感應(yīng)原理、壓電效應(yīng)、壓阻效應(yīng)和磁阻效應(yīng) 等檢測裝置數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)中采用的位置檢測裝置基本分為直線型和旋轉(zhuǎn)型兩大類。 直線型位置檢測裝置用來檢測運(yùn)動部件的直線位移量； 旋轉(zhuǎn)型位置檢測裝置用來檢測回轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動位移量。常用的位置檢測裝置如表 3 1 所示類型數(shù)字式模擬式增量式編碼式增量式絕對式回轉(zhuǎn)形圓光柵編碼盤旋轉(zhuǎn)編碼器 圓感應(yīng)同步器 圓形磁柵多極旋轉(zhuǎn)變壓器直線型計量光柵 激光干涉儀編碼尺直線感應(yīng)同步 器、磁柵、容柵絕對值式磁柵3 1 位置檢測裝置分類3.4.2 常用的測量元件旋轉(zhuǎn)變壓器：旋轉(zhuǎn)變壓器是一種間接測量裝置，由于它具有結(jié)構(gòu)簡單、動作靈敏、工作可靠、對環(huán)境條件要求低、輸出信

50、號幅度大以及抗干擾能力強(qiáng)能特點(diǎn)，在連續(xù)控制第27頁共 37頁機(jī)電一體化教學(xué)設(shè)備電氣控制部分設(shè)計系統(tǒng)中得到了普遍應(yīng)用感應(yīng)同步器：感應(yīng)同步器的工作原理與旋轉(zhuǎn)變壓器相似，也是一種電磁式位移測量 裝置，按結(jié)構(gòu)可分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種。直線感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成，用以測 量工作機(jī)構(gòu)的直線位移；旋轉(zhuǎn)式由定子和轉(zhuǎn)子組成，用于角位移的測量。光柵：光柵是利用光的透射、衍射現(xiàn)象形成莫爾條紋而制成的光電檢測裝置，與旋 轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器不同，它是將機(jī)械位移或模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖，因此又稱為光 電脈沖發(fā)射器。常見的有常光柵和圓光柵兩大類，分別用于直線位移轉(zhuǎn)角位移測量。光 柵的檢測精度較高，一般可達(dá) 1m 以上。

51、光柵測量是一種非接觸式測量。磁柵：磁柵又稱磁尺，是一種計算磁波數(shù)目的位置檢測元件。它是錄磁磁頭將具有 周期性變化的一定波長的方波或正弦波電信號記錄在磁性標(biāo)尺上， 用它作為測量位移的 基準(zhǔn)尺。測量時，用拾磁磁頭讀取記錄在磁性標(biāo)尺上的方波或正弦波電磁信號，通過檢 測電路將其轉(zhuǎn)化為電信號，根據(jù)此電信號，將位移量用數(shù)字顯示出來或者送到位置控制 系統(tǒng)。磁柵檢測裝置由磁性標(biāo)尺、拾磁磁頭及檢測電路三部分組成。磁柵按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 可分為直線式和角位移式，分別用于長度和角度的檢測。脈沖編碼器：編碼器是一種光電式轉(zhuǎn)角測量裝置。它是通過直接編碼進(jìn)行測量的元 件，它將輸入給軸的角度量，利用光電轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖

52、或數(shù)字量，指示其 絕對值，沒有累積誤差。具有體積小，精度高，工作可靠，接口數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)。它廣泛 應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、 回轉(zhuǎn)臺、伺服傳動、 機(jī)器人等需要檢測角度的裝置和設(shè)備中。綜上所述，直線感應(yīng)同步器、長光柵、長磁柵和編碼尺用于直線位移的測量，旋轉(zhuǎn) 變壓器、圓感應(yīng)同步器、圓光柵、圓形磁柵和編碼器用于角度位移測量。由于旋轉(zhuǎn)變壓 器具有抗干擾性強(qiáng)、 結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，一般精度的數(shù)控機(jī)床上常采用它們作為測量元件。 光柵的測量精度比較高，一般用于高精度的數(shù)控機(jī)床上。編碼盤和編碼尺目前也常用于 高精度的數(shù)控機(jī)床上，這主要是因?yàn)樗姆直媛氏鄬σ托?。磁柵的檢測精度很高，目 前很少用于數(shù)控機(jī)床上，但這種裝置是很有發(fā)

53、展前途的。容柵是一種根據(jù)電容變化來進(jìn) 行位移檢測的測量元件，有些國家在數(shù)控機(jī)床上已經(jīng)開始應(yīng)用容柵作為測量元件。除光 柵、磁柵和編碼器輸出的是數(shù)字量外，其他幾種檢測裝置的輸出都是模擬量。28華北科技學(xué)院（畢業(yè)設(shè)計）本實(shí)驗(yàn)臺因?yàn)闉閷?shí)驗(yàn)所用，主要在室內(nèi)，環(huán)境條件比較好，且要求精度較高，因此 選用光柵尺作為位置檢測元件，光柵尺具有以下特點(diǎn)： 測量精度高，一般長光柵的測量精度可達(dá) 1 m以上。 精度保持性好，由于兩光柵尺之間不直接接觸，無磨損。 光柵的制作要求高，調(diào)試較困難。 對環(huán)境要求高，光柵容易受到外界氣溫的影響，使用中須防止灰塵、水氣等污染 物的侵入。3.4.2 碼盤、光柵尺的選擇位置速度精度要求

54、不高的機(jī)電一體化數(shù)控設(shè)備，開環(huán)系統(tǒng)就可以滿足要求。位置速 度精度要求高的，一般均采用閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)就是用一個或多個位置檢測元件檢測 出工作機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，檢測元件在閉環(huán)系統(tǒng)中起著非常重要的作用，閉環(huán)系統(tǒng)的精度 以其檢測元件的精度為極限。檢測元件的精度通常用分辨率和系統(tǒng)精度來表示。分辨率 指測量元件所能正確檢測的最小數(shù)量單位，由傳感器本身的品質(zhì)所決定。系統(tǒng)精度指在 測量范圍內(nèi)，傳感器輸出所代表的速度或位移的數(shù)值與實(shí)際的速度或位移的數(shù)值之間最 大的誤差值。在選擇檢測元件時，一定要使所選檢測元件的分辨率和系統(tǒng)精度比要求保 證的精度高一個數(shù)量級。3.4.2 編碼器測速原理及保證回零精度的工作原理一

55、、編碼器測速原理：在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，根據(jù)脈沖計數(shù)來測量轉(zhuǎn)速的方法有以下三種： （1）在規(guī)定時間 內(nèi)測量所產(chǎn)生的脈沖個數(shù)來獲得被測速度，稱為 M法測速；（2）測量相鄰兩個脈沖的時 間來測量速度，稱為 T 法測速；（3）同時測量檢測時間和在此時間內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)出的 脈沖個數(shù)來測量速度，稱為 M/T 法測速。以上三中測速方法中， M法適合于測量較高的 速度，能獲得較高分辨率； T 法適合于測量較低的速度，這時能獲得較高的分辨率；而 M/T法則無論高速低速都適合測量。 由于 PMAC控制器采用的是 T 法測速，所以以下只對 T 法測速進(jìn)行介紹。T 法測速的原理是用一已知頻率 f c （此頻率一般都比較

56、高）的時鐘脈沖向一計數(shù)器 發(fā)送脈沖， 計數(shù)器的起停由碼盤反饋的相鄰兩個脈沖來控制， 原理圖見圖 3-11。若計數(shù)第29頁共 37頁機(jī)電一體化教學(xué)設(shè)備電氣控制部分設(shè)計器讀數(shù)為 m1，則電機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)速為nM =60f c/Pm1(r/min)(3-1)圖 3-11 T 法測速原理其中 P為碼盤一圈發(fā)出的脈沖個數(shù)即碼盤線數(shù)。 m1= M106-Y:$C000,0,24,U 為脈沖 個數(shù) f c=10MHz測速分辨率：當(dāng)對應(yīng)轉(zhuǎn)速由 n1變?yōu)?n2時則分辨率 Q的定義為 Q=n2-n 1，Q值越小說明 測量裝置對轉(zhuǎn)速變化越敏感即分辨率越高。因此可以得到 T 法測速的分辨率為2Q=60fc/Pm1-60f c/P（m1+1）= n2M P/ （60fc+ nMP）（3-2）由上式可見隨著轉(zhuǎn)速