1、三軸聯動數控系統的研究 答辯人：袁順娟 專業：控制工程 導師：劉明 日期:2013-06-081 1 緒論緒論n近年來,工業在不斷的發展，生產工藝的要求越來越高，一臺電機的簡單控制已經不能滿足要求。生產工藝不斷復雜化，人們開始開發研究多軸控制系統。在電氣控制中，多軸控制系統有著很高的的地位，在工業生產領域是備受關注的研究課題。n數控機床在從原來的手動發展到了自動，功能也從簡單變得越來越復雜，在操作上由原來的笨重，變得越來越輕巧。電力電子技術在不斷進步，微機技術也在不斷被應用，越來越新型的控制策略層出不窮，電氣控制技術的發展途徑變得越來越多。課題背景與研究意義課題背景與研究意義2 2 系統總體結

2、構設計系統總體結構設計n系統主要實現的功能有： 系統硬件設計 上位機與下位機多級通信的實現。 DDA空間直線插補算法。 電機的加減速控制。 系統單軸調試 系統總體框圖如圖下圖所示： 上位機把信號通過總線傳達給單片機，單片機把轉速信號轉化成脈沖信號傳給驅動器，驅動器根據收到的脈沖信號來控制伺服電機的運轉。與此同時，驅動器接收編碼器傳送的信號，將反饋值和目標值進行比較，然后調整電機的轉動速度，從而實現了對交流伺服電機的閉環控制。 3 3 系統硬件部分設計系統硬件部分設計 單片機系統 伺服電機及其驅動器 高頻ADUM磁耦數字隔離 低頻光電隔離 信號放大 通信電平轉換系統的硬件設計主要如下圖所示：硬件

3、系統框圖單片機系統單片機系統 該系統選用STC12C5A60S2單片機，新一代51單片機，與以前的51單片機兼容。速度相對于以前的8051快出8-12倍。單片機工作電壓：3.5V-5.5V。 主要用到單片機的外部中斷、定時器、串口中斷、I/O口等。伺服電機及其驅動器伺服電機及其驅動器 伺服電機型號為MSMD012G1U，驅動器型號為MADHT1505。20位增量式旋轉編碼器，分辨率達到1048576。額定轉速為3000r/min。為避免資源的浪費同時又能滿足系統的要求選用低慣量100W，能夠使系統穩定運行。 交流伺服電機的控制方式有三種：位置控制模式、速度控制模式和轉矩控制模式。該設計選擇的是

4、位置控制模式。松下伺服電機的指令脈沖輸入形式：集電極開路I/F。外部控制信號用+12V電源，同時需要使用與相對應的限流電阻R=1K。驅動器參數設置驅動器參數設置Pr0.05=1，脈沖輸入旋轉設置為集電極開路輸入。 Pr0.06=0，Pr0.07=3，指令脈沖形式設置為脈沖序列+符號，方向信號為0時，電機正轉，方向信號為1時，電機反轉。Pr0.08=10000，設定電機每旋轉一圈的指令脈沖數。 信號的隔離及其放大信號的隔離及其放大 高頻信號隔離： ADUM1401；光電隔離：選用了東芝的TLP521-4；采用高速小功率NPN硅開關三極管3DK10F對信號放大伺服電機信號圖4 4 系統軟件部分設計

5、系統軟件部分設計 數控系統坐標系的建立 動態查表法加減速 數字積分法直線插補 多機通信數控系統坐標系的建立數控系統坐標系的建立數控機床坐標系的建立數控機床坐標系的建立右手笛卡爾坐標系：確定Z軸：與主軸軸線平行或重合的坐標軸為Z軸，以刀具遠離工件的方向為正向。確定X軸：平行于工件裝夾面,與Z軸垂直的水平方向的坐標軸為X軸，以刀具遠離工件的方向為正向。確定Y軸：當X軸和Z軸確定以后，利用右手法則確定Y軸及其正方向。工件坐標系的建立工件坐標系的建立n工件坐標系是由編程者制定的,以工件上某一個固定點為原點的右手直角坐標系,又稱為編程坐標系. n機床類型工件原點位置：數控車床一般設在工件右端面的中心；數

6、控銑床一般設在工件上表面的幾何中心或者四個基準角上數字積分插補法及加減速控制算法數字積分插補法及加減速控制算法動態查表法原理動態查表法原理n 我們可以由加工速度求出插補運算中會用到的變量：n，dn。n代表過n個定時周期進給一步；dn代表每次累加器的累加數。p*e*30000TVPK 設定速度檔位因子為：1/16, 1/8, 1/4, 2/5,1/2, 2/3, 4/5, 8/9, 共八個檔位。速度檔位因子確定后，分別計算出Vp/q相對應的n 和dn。 如果加速段的速度檔位設為：n假設物體相對X軸位移量為Lx，電機需要走X步。電機加速段為（1/4*Lx）,電機需要走的步數為(1/4*X）。n由此

7、可知，電機加速段各個速度檔位對應的步數pulses為：)8.3 , 2 , 1 (98,54,32,2,52,4,8,16iVVVVVVVViV)8.3 , 2 , 1 (41,41,41,41,41,41,41,4181iXXXXXXXXipulsesn對應不同速度段，需要n個定時周期Tpi,x軸電機進給一步。所以，在加速段每個速度段對應所走的時間ti為：*ipulsesiTpinit系統加速需要的時間：811iitt同理可得系統減速所需時間：8113iittt 系統勻速所需的時間： 系統走完整個路程所需要的總時間為： 所以： VcLxt212 VcLxittttti21232181*30i

8、pulsesiVPeitVcLxipulsesiVPet21*30281i系統所用的總時間為：動態查表算法描述動態查表算法描述（1）VC算法。分別計算各檔位對應的n 和dn 。（2）算法rtvc用于實時加減速控制，根據發出脈沖計數進行相應的加減速控制。 數字積分插補法數字積分插補法 n 所謂插補，就是坐標點的“數據密化”。 脈沖當量是插補計算的基本單位，也就是指每進給一個脈沖，產生一個脈沖當量的位移。數字脈沖乘法器是相對比較早的插補運法方法，現在最常用的插補方法是逐點比較法、數字積分法等。該系統使用的是數字積分法。平面直線插補平面直線插補n每個坐標的積分器由累加器和被積函數寄存器組成。被積函數

9、寄存器存放終點坐標值。每隔一個時間間隔，將被積函數的值向各自的累加器中累加。X軸的累加器溢出的脈沖驅動X軸走一步，Y軸累加器溢出脈沖驅動Y軸走一步12。空間直線插補空間直線插補n根據線性插補原理，各插補軸的位移與速度比相等。n假設已知空間直線兩點M(X1，Y1，Z1)，N(X2，Y2，Z2)。n那么，X、Y、Z三軸的方向余弦：n n假設物體運動的速度為V，則對應X、Y、Z軸的速度為：n則在計算插補算法的參數是n、dn時，只要知道物體運動的合速度V，就可以分別知道X、Y、Z三軸的速度，就可以求出對應軸的插補參數。LZZLYYLXX/ ) 12(cos/ ) 12(cos/ ) 12(cos co

10、s V=Vz cos V=Vy cos V=Vx X、Y、Z每個軸各設一個終點判別計算器.因為各軸可能不同時到終點，先到終點的軸可能多走出一個脈沖來，使終點坐標產生誤差，在增量系統中此誤差可能積累下來。各軸分設終點判斷計算器可克服這個缺點。系統通信部分系統通信部分1.1.多機通信協議多機通信協議起始位DATA.0 DATA.1DATA.2 DATA.3DATA.4DATA.5DATA.6DATA.7Address/ Data 停止位所有從機的SM2=1，REN=1;以便接收主機發來的地址。主機給從機發送地址時，第9數據上發送1，以指示從機接收這個地址。有從機在SM2=1、RB8=1和RI=0時

11、，接收主機發來的從機地址，進入相 應中斷服務程序，并和本機地址比較以確認是否為被尋從機。被尋址從機通過指令清除SM2，以正常接收數據，并向主機發回接收到的從機地址，供主機核對，未被尋址從機保持SM2=1，并退出各自中斷服務程序。完成主機和被尋址從機之間的數據通信，被尋址從機在通信完成后，重新使SM2=1，并退出中斷服務程序，等待下次通信。上位機程序流程圖 單片機通信軟件流程圖 5 調試n計算機用Vc+控件實現通信： （1）建立項目，插入控件MSComm （2）初始化串口 （3）添加串口事件消息處理函數OnComm（） （4）數據的發送n單片機通信部分 用定時器1設置波特率，定時器設置工作方式為

12、方式2，即：TMOD=0X20。在11.0592MHZ頻率下，設置定時器初值為0XFD,則波特率為9600,串口工作方式為方式1。 1.1.通信調試通信調試2 原點回零調試原點回零調試 在原點附近加一個原點近位開關來產生原點近位信號ORG，并將該信號作為外部中斷信號。電機轉動時碰觸到ORG信號上升沿時進入中斷，電機停止運轉并立刻以爬行速度啟動反方向運動，當接收到Z脈沖上升沿時停轉，此時的位置即為原點。 3 對電機調試對電機調試 電機轉速為V r/min，則電機轉一圈需要s,設定電機轉一圈需要10000個脈沖，那么，一個脈沖周期為： 每產生一個脈沖兩次進入中斷，所以定時器定時時間t應為半個脈沖周期，即 單片機的一個機器周期為Tcy，單片機的晶振為f1 單片機默認為1T 模式，所以一個時鐘周期Tcy = 1/11059200。在這里使用定時器模式1，定時時間t、定時器應裝入的初值N。 定時器定時初值設定公式如下： V1000030t s1000060VT 11fTcy