三轴联动数控系统(答辩)

三轴联动数控系统的研究

答辩人：袁顺娟专业：控制工程导师：刘明

日期:2013-06-081绪论近年来,工业在不断的发展，生产工艺的要求越来越高，一台电机的简单控制已经不能满足要求。生产工艺不断复杂化，人们开始开发研究多轴控制系统。在电气控制中，多轴控制系统有着很高的的地位，在工业生产领域是备受关注的研究课题。数控机床在从原来的手动发展到了自动，功能也从简单变得越来越复杂，在操作上由原来的笨重，变得越来越轻巧。电力电子技术在不断进步，微机技术也在不断被应用，越来越新型的控制策略层出不穷，电气控制技术的发展途径变得越来越多。课题背景与研究意义2系统总体结构设计

系统主要实现的功能有：

◆系统硬件设计

◆上位机与下位机多级通信的实现。

◆

DDA空间直线插补算法。

◆电机的加减速控制。

◆系统单轴调试系统总体框图如图下图所示：上位机把信号通过总线传达给单片机，单片机把转速信号转化成脉冲信号传给驱动器，驱动器根据收到的脉冲信号来控制伺服电机的运转。与此同时，驱动器接收编码器传送的信号，将反馈值和目标值进行比较，然后调整电机的转动速度，从而实现了对交流伺服电机的闭环控制。3系统硬件部分设计◆单片机系统◆伺服电机及其驱动器◆高频ADUM磁耦数字隔离◆低频光电隔离◆信号放大◆通信电平转换系统的硬件设计主要如下图所示：硬件系统框图单片机系统该系统选用STC12C5A60S2单片机，新一代51单片机，与以前的51单片机兼容。速度相对于以前的8051快出8-12倍。单片机工作电压：3.5V-5.5V。主要用到单片机的外部中断、定时器、串口中断、I/O口等。伺服电机及其驱动器

伺服电机型号为MSMD012G1U，驱动器型号为MADHT1505。20位增量式旋转编码器，分辨率达到1048576。额定转速为3000r/min。为避免资源的浪费同时又能满足系统的要求选用低惯量100W，能够使系统稳定运行。交流伺服电机的控制方式有三种：位置控制模式、速度控制模式和转矩控制模式。该设计选择的是位置控制模式。松下伺服电机的指令脉冲输入形式：集电极开路I/F。外部控制信号用+12V电源，同时需要使用与相对应的限流电阻R=1K。驱动器参数设置Pr0.05=1，脉冲输入旋转设置为集电极开路输入。

Pr0.06=0，Pr0.07=3，指令脉冲形式设置为脉冲序列+符号，方向信号为0时，电机正转，方向信号为1时，电机反转。Pr0.08=10000，设定电机每旋转一圈的指令脉冲数。信号的隔离及其放大高频信号隔离：ADUM1401；光电隔离：选用了东芝的TLP521-4；采用高速小功率NPN硅开关三极管3DK10F对信号放大伺服电机信号图4系统软件部分设计

◆数控系统坐标系的建立◆动态查表法加减速◆数字积分法直线插补◆多机通信数控系统坐标系的建立数控机床坐标系的建立右手笛卡尔坐标系：⑴确定Z轴：与主轴轴线平行或重合的坐标轴为Z轴，以刀具远离工件的方向为正向。⑵确定X轴：平行于工件装夹面,与Z轴垂直的水平方向的坐标轴为X轴，以刀具远离工件的方向为正向。⑶确定Y轴：当X轴和Z轴确定以后，利用右手法则确定Y轴及其正方向。工件坐标系的建立工件坐标系是由编程者制定的,以工件上某一个固定点为原点的右手直角坐标系,又称为编程坐标系.机床类型工件原点位置：数控车床一般设在工件右端面的中心；数控铣床一般设在工件上表面的几何中心或者四个基准角上数字积分插补法及加减速控制算法

动态查表法原理我们可以由加工速度求出插补运算中会用到的变量：n，dn。n代表过n个定时周期进给一步；dn代表每次累加器的累加数。设定速度档位因子为：1/16,1/8,1/4,2/5,1/2,2/3,4/5,8/9,共八个档位。速度档位因子确定后，分别计算出Vp/q相对应的n和dn。

如果加速段的速度档位设为：假设物体相对X轴位移量为Lx，电机需要走X步。电机加速段为（1/4*Lx）,电机需要走的步数为(1/4*X）。由此可知，电机加速段各个速度档位对应的步数pulses为：对应不同速度段，需要n个定时周期Tp[i],x轴电机进给一步。所以，在加速段每个速度段对应所走的时间t[i]为：系统加速需要的时间：同理可得系统减速所需时间：

系统匀速所需的时间：

系统走完整个路程所需要的总时间为：

所以：

系统所用的总时间为：动态查表算法描述（1）VC算法。分别计算各档位对应的n和dn

。（2）算法rtvc用于实时加减速控制，根据发出脉冲计数进行相应的加减速控制。

数字积分插补法

所谓插补，就是坐标点的“数据密化”。脉冲当量是插补计算的基本单位，也就是指每进给一个脉冲，产生一个脉冲当量的位移。数字脉冲乘法器是相对比较早的插补运法方法，现在最常用的插补方法是逐点比较法、数字积分法等。该系统使用的是数字积分法。平面直线插补每个坐标的积分器由累加器和被积函数寄存器组成。被积函数寄存器存放终点坐标值。每隔一个时间间隔，将被积函数的值向各自的累加器中累加。X轴的累加器溢出的脉冲驱动X轴走一步，Y轴累加器溢出脉冲驱动Y轴走一步[12]。空间直线插补根据线性插补原理，各插补轴的位移与速度比相等。假设已知空间直线两点M(X1，Y1，Z1)，N(X2，Y2，Z2)。那么，X、Y、Z三轴的方向余弦：

假设物体运动的速度为V，则对应X、Y、Z轴的速度为：则在计算插补算法的参数是n、dn时，只要知道物体运动的合速度V，就可以分别知道X、Y、Z三轴的速度，就可以求出对应轴的插补参数。

X、Y、Z每个轴各设一个终点判别计算器.因为各轴可能不同时到终点，先到终点的轴可能多走出一个脉冲来，使终点坐标产生误差，在增量系统中此误差可能积累下来。各轴分设终点判断计算器可克服这个缺点。系统通信部分1.多机通信协议起始位DATA.0DATA.1DATA.2DATA.3DATA.4DATA.5DATA.6DATA.7Address/Data停止位⑴所有从机的SM2=1，REN=1;以便接收主机发来的地址。⑵主机给从机发送地址时，第9数据上发送1，以指示从机接收这个地址。⑶有从机在SM2=1、RB8=1和RI=0时，接收主机发来的从机地址，进入相应中断服务程序，并和本机地址比较以确认是否为被寻从机。⑷被寻址从机通过指令清除SM2，以正常接收数据，并向主机发回接收到的从机地址，供主机核对，未被寻址从机保持SM2=1，并退出各自中断服务程序。⑸完成主机和被寻址从机之间的数据通信，被寻址从机在通信完成后，重新使SM2=1，并退出中断服务程序，等待下次通信。上位机程序流程图

单片机通信软件流程图

5调试计算机用Vc++控件实现通信：（1）建立项目，插入控件MSComm

（2）初始化串口（3）添加串口事件消息处理函数OnComm（）（4）数据的发送单片机通信部分用定时器1设置波特率，定时器设置工作方式为方式2，即：TMOD=0X20。在11.0592MHZ频率下，设置定时器初值为0XFD,则波特率为9600,串口工作方式为方式1。

1.通信调试2原点回零调试

在原点附近加一个原点近位开关来产生原点近位信号ORG，并将该信号作为外部中断信号。电机转动时碰触到ORG信号上升沿时进入中断，电机停止运转并立刻以爬行速度启动反方向运动，当接收到Z脉冲上升沿时停转，此时的位置即为原点。3对电机调试

电机转速为Vr/min，则电机转一圈需要s,设定电机转一圈需要10000个脉冲，那么，一个脉冲周期为：

每产生一个脉冲两次进入中断，所以定时器定时时间t应为半个脉冲周期，即

单片机的一个机器周期为Tcy，单片机的晶振为f1

单片机默认为1T模式，所以一个时钟周期Tcy=1/11059200。在这里使用定时器模式1，定时时间t、定时器应装入的初值N。