CN104575195B - 一种基于TwinCAT的三轴控制实验装置 - Google Patents

一种基于TwinCAT的三轴控制实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于TwinCAT的三轴控制实验装置，包括工作台，工作台的竖向部的前表面上安装有空气开关、熔断器、EtherCAT端子模块、开关电源、若干继电器和三个光纤放大器，工作台的横向部的上端面的左边安装一指示灯安装台，工作台的横向部的上端面的右边安装一电机安装架，电机安装架上安装有第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机，所述第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机一一对应地连接一第一转盘、一第二转盘和一第三转盘。本发明的基于TwinCAT的三轴控制实验装置，以TwinCAT控制系统为开发平台，可实现三轴角度精确控制。

Description

一种基于TwinCAT的三轴控制实验装置
技术领域
本发明涉及一种三轴控制实验装置，具体涉及一种基于TwinCAT的三轴控制实验装置。
背景技术
随着自动化控制与计算机技术的不断进步，利用普通计算机作为控制核心的PC（Personal Computer，个人计算机）控制技术也得到了充足的发展。由德国倍福自动化有限公司所提出的EtherCAT（Ethernet Control Automation Technology，以太网控制自动化技术）协议，为PC控制技术注入了新鲜血液，提供了极快的运行速度与极佳的控制性能。支持EtherCAT协议的TwinCAT（The Windows Control and Automation Technology，基于Windows的控制和自动化技术）系统由实时环境和在开发环境中执行控制程序的实时系统组成，用于编程、诊断和系统配置，可将一台兼容PC转变成一个具有多PLC(ProgrammableLogic Controller，可编程逻辑控制器)系统和NC(Numerical Control，数字控制)/CNC（Computer numerical control，计算机数字控制）轴控制功能的实时控制器。
TwinCAT技术是可用于实际工控现场且安全可靠高速的工业控制技术，具有极快的运行速度与极佳的控制性能，是自动控制行业的前沿领域技术，但是目前国内没有基于此技术的集培训、实验于一体的三轴控制实验装置。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种基于TwinCAT的三轴控制实验装置，集培训、实验于一体，以TwinCAT控制系统为开发平台，结合计算机控制技术、可编程控制技术，可实现三轴角度精确控制。
实现上述目的的技术方案是：一种基于TwinCAT的三轴控制实验装置，包括工作台，所述工作台包括竖向部和横向部，所述工作台的竖向部的底部安装在所述工作台的横向部的上端面的后部，所述工作台的竖向部和工作台的横向部围成L形结构；
所述工作台的竖向部的前表面的上部从左至右依次安装空气开关、熔断器、EtherCAT端子模块和开关电源；
所述工作台的竖向部的前表面的下部安装若干继电器和三个光纤放大器；
所述工作台的横向部的上端面的左边安装一指示灯安装台，所述指示灯安装台的前侧面上安装有若干状态指示灯和若干输入按钮，所述状态指示灯的个数与所述继电器的个数相同；
所述工作台的横向部的上端面的右边安装一电机安装架，所述电机安装架包括横向部和竖向部，所述电机安装架的横向部和电机安装架的竖向部围成与所述工作台同向的L形结构，所述电机安装架的竖向部上安装一第一步进电机，所述电机安装架的横向部的两边分别安装一第二步进电机和一第三步进电机，；
所述第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机一一对应地连接一第一转盘、一第二转盘和一第三转盘，所述第二转盘和第三转盘水平设置，所述第一转盘垂直于所述第二转盘和第三转盘，所述第一转盘的外周边、第二转盘的外周边和第三转盘的外周边分别均布若干凹槽，且所述第一转盘的凹槽与所述第二转盘的凹槽相互啮合，所述第一转盘的凹槽与所述第三转盘的凹槽相互啮合；
所述第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机上分别安装一传感器。
上述的基于TwinCAT的三轴控制实验装置，其中，所述第一转盘的直径、第二转盘的直径和第三转盘的直径相同，且第一转盘的厚度、第二转盘的厚度和第三转盘的厚度相同；
所述第一转盘的凹槽、第二转盘的凹槽和第三转盘的凹槽均为矩形槽，且各凹槽的宽度与第一转盘的厚度相同。
上述的基于TwinCAT的三轴控制实验装置，其中，所述第一转盘的凹槽的数量、第二转盘的凹槽的数量和第三转盘的凹槽的数量均为八个。
上述的基于TwinCAT的三轴控制实验装置，其中，所述第一转盘的凹槽的数量和和第二转盘的凹槽的数量均为八个，所述第三转盘的凹槽的数量为四个。
上述的基于TwinCAT的三轴控制实验装置，其中，所述三轴控制实验装置还包括第一布线通道、第二布线通道、第三布线通道和第四布线通道；
所述第一布线通道竖向设于所述工作台的竖向部的前表面的左边；
所述第二布线通道横向设于所述工作台的竖向部的前表面的上部，且第二布线通道的左端与所述第一布线通道的上端连通；
所述第三布线通道横向设于所述工作台的竖向部的前表面的中部，且第三布线通道的左端与所述第一布线通道的中部连通；
所述第四布线通道横向设于所述工作台的竖向部的前表面的下部，且第四布线通道的左端与所述第一布线通道的下端连通；
所述工作台的竖向部的位于所述第二布线通道和第三布线通道之间的前表面上横向安装一第一搁架，所述空气开关、熔断器、EtherCAT端子模块和开关电源均通过第一搁架安装在所述工作台的竖向部的前表面上；
所述工作台的竖向部的位于所述第三布线通道和第四布线通道之间的前表面上横向安装一第二搁架，所述若干继电器和三个光纤放大器均通过第二搁架安装在所述工作台的竖向部的前表面上。
上述的基于TwinCAT的三轴控制实验装置，其中，第一布线通道、第二布线通道、第三布线通道和第四布线通道上设有若干出线孔。
上述的基于TwinCAT的三轴控制实验装置，其中，所述指示灯安装台的前表面为倾斜面，所述指示灯安装台的后表面上设有布线缺口。
本发明的基于TwinCAT的三轴控制实验装置与现有技术相比的有益效果是：针对EtherCAT通信协议下的TwinCAT控制软件搭建一种可供初学者学习或从业人员进行系统实验或方案论证的实验平台。它的输入输出含义可根据实验要求自行定义，其结果将在装置上直观显现。以TwinCAT为开发平台，通过机械设计上第一转盘、第二转盘和第三转盘各凹槽宽度等于第一转盘厚度这一点决定了各转盘要转动必须达到凹槽所在的角度，以此直观体现三轴角度的控制精度，集培训、实验于一体。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员能更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图1，本发明的实施例，一种基于TwinCAT的三轴控制实验装置，包括工作台，工作台包括竖向部101和横向部102，工作台的竖向部101的底部安装在工作台的横向部102的上端面的后部，工作台的竖向部101和工作台的横向部102围成L形结构。
工作台的竖向部101的前表面的上部从左至右依次安装空气开关1、熔断器2、EtherCAT端子模块3和开关电源4，空气开关1、熔断器2、开关电源4和EtherCAT端子模块3通过电线依次相连，开关电源4提供24V直流电。
工作台的竖向部101的前表面的下部安装若干继电器5和三个光纤放大器6，若干继电器5和三个光纤放大器6分别通过电线与EtherCAT端子模块3相连。
工作台的横向部102的上端面的左边安装一指示灯安装台7，指示灯安装台7的前侧面上安装有若干状态指示灯71和若干输入按钮72，若干输入按钮72通过电线与EtherCAT端子模块3相连，状态指示灯71的个数与继电器5的个数相同，且若干状态指示灯71通过电线与若干继电器5一一对应地相连。
工作台的横向部102的上端面的右边安装一电机安装架8，电机安装架8包括横向部和竖向部，电机安装架8的横向部和电机安装架8的竖向部围成与工作台同向的L形结构，电机安装架8的竖向部上安装一第一步进电机81，电机安装架8的横向部两边分别安装一第二步进电机82和一第三步进电机83，第一步进电机81、第二步进电机82和第三步进电机83分别通过电线与EtherCAT端子模块3相连。
第一步进电机81、第二步进电机82和第三步进电机83一一对应地连接一第一转盘84、一第二转盘85和一第三转盘86，第二转盘85和第三转盘86水平设置，第一转盘84垂直于第二转盘85和第三转盘86，第一转盘84的外周边、第二转盘85的外周边和第三转盘86的外周边均布若干凹槽，且第一转盘84的凹槽与第二转盘85的凹槽相互啮合，第一转盘84的凹槽与第三转盘86的凹槽相互啮合，第二转盘85与第三转盘86分别与第一转盘84形成机械互锁结构。第一转盘84的直径、第二转盘85的直径和第三转盘86的直径相同，且第一转盘84的厚度、第二转盘85的厚度和第三转盘86的厚度相同；第一转盘84的凹槽、第二转盘85的凹槽和第三转盘86的凹槽均为矩形槽，且各凹槽的宽度与第一转盘84的厚度相同。第一转盘84的凹槽的数量和第二转盘85的凹槽的数量均为八个，第三转盘86的凹槽的数量为四个或八个。
第一步进电机81、第二步进电机82和第三步进电机83上分别安装一传感器（图中未显示），且各传感器一一对应地与相应的第一转盘84、第二转盘85和第三转盘86邻近，传感器分别通过电线一一对应地与三个光纤放大器6相连。
优选地，本实施例中的三轴控制实验装置还包括第一布线通道91、第二布线通道92、第三布线通道93和第四布线通道94，其中：第一布线通道91竖向设于工作台的竖向部101的前表面的左边；第二布线通道92横向设于工作台的竖向部101的前表面的上部，且第二布线通92道的左端与第一布线通道91的上端连通；第三布线通道93横向设于工作台的竖向部101的前表面的中部，且第三布线通道93的左端与第一布线通道91的中部连通；第四布线通道94横向设于工作台的竖向部101的前表面的下部，且第四布线通道94的左端与第一布线通道91的下端连通；工作台的竖向部101的位于第二布线通道92和第三布线通道93之间的前表面上横向安装一第一搁架95，空气开关1、熔断器2、EtherCAT端子模块3和开关电源4均通过第一搁架安装在工作台的竖向部101的前表面上；工作台的竖向部101的位于所述第三布线通道93和第四布线通道94之间的前表面上横向安装一第二搁架96，若干继电器5和三个光纤放大器6均通过第二搁架96安装在工作台的竖向部101的前表面上。
一种基于TwinCAT的三轴控制实验装置中所需要用到的电线安装在第一布线通道91、第二布线通道92、第三布线通道93或第四布线通道94中，第一布线通道91、第二布线通道92、第三布线通道93和第四布线通道94上设有若干出线孔（图中未显示），方便电线相互间的接头。这样可以使本发明的三轴控制实验装置外观简洁美观。
优选地，指示灯安装台7的前表面为倾斜面，指示灯安装台7的后表面上设有布线缺口（图中未显示）。
本实施例中第二转盘85与第三转盘86分别与第一转盘84形成机械互锁结构。第二转盘85与第三转盘86分别在第二步进电机82和第三步进电机83的驱动下在水平方向上顺时针（或逆时针）旋转，第一转盘84在第一步进电机81的驱动下垂直于第二转盘85与第三转盘86旋转运动。第一转盘84运动时第二转盘85与第三转盘86不可运动，第一转盘84不动时第二转盘85与第三转盘86才可以选择同时运动或单个运动，从而实现三轴角度交叉运行、在一定范围内调节运行速度以及角度控制偏差在预设范围内等控制。第一转盘84运动时，第二转盘85与第三转盘86静止，第一转盘84的外周边的位置限于在第二转盘85的相应的凹槽以及第三转盘86的相应的凹槽内；第二转盘85和第三转盘86运动时，第一转盘84静止，第二转盘85的外周边的位置限于在第一转盘84的相应的凹槽内，第三转盘86的外周边的位置限于在第一转盘84的相应的凹槽内。
在本实施例中，EtherCAT端子模块3选用的是BECKHOFF公司的EtherCAT步进电机端子模块EL7051，是基于EtherCAT通讯方式的控制模块，EtherCAT端子模块包括通讯模块、电源模块、输入模块、输出模块和步进电机控制模块。本发明的三轴控制实验装置在接线时，开关电源4通过电线连接到EtherCAT端子模块3的电源模块；三个光纤放大器6和若干输入按钮72分别通过电线连接到EtherCAT端子模块3的输入模块；第一步进电机81、第二步进电机82和第三步进电机83分别通过电线连接到EtherCAT端子模块3的步进电机控制模块。
本发明的基于TwinCAT的三轴控制实验装置在使用时，通过EtherCAT端子模块3的通讯模块连接外部计算机，计算机支持TwinCAT控制系统，计算机发出控制命令给EtherCAT端子模块3，EtherCAT端子模块3根据接收的控制命令以及若干输入按钮72的控制指令，发出脉冲信号给第一步进电机81、第二步进电机82或者第三步进电机83，第一步进电机81、第二步进电机82或者第三步进电机83分别根据对应的脉冲信号驱动相应的转盘旋转。
当第一转盘84的凹槽的数量、第二转盘85的凹槽的数量和第三转盘86的凹槽的数量均为八个时，第一转盘84、第二转盘85和第三转盘86每45°开一凹槽，第一转盘84静止时，第二转盘85和第三转盘86的转速可以按倍率同时转动，即第二转盘85转45°（或90°或135°或180°或225°或270°或315°或360°），第三转盘86转45°（或90°或135°或180°或225°或270°或315°或360°）90°（或180°或270°或360°），第二转盘85和第三转盘86的旋转角度可以随意组合。
当第一转盘84的凹槽的数量和第二转盘85的凹槽的数量均为八个，第三转盘86的凹槽的数量为四个时，第一转盘84和第二转盘85每45°开一凹槽，第三转盘86每90°开一凹槽。第一转盘84静止时，第二转盘85和第三转盘86的转速可以按倍率同时转动，即第二转盘85转45°（或90°或135°或180°或225°或270°或315°或360°），第三转盘转90°（或180°或270°或360°），第二转盘85和第三转盘86的旋转角度可以随意组合。
第一转盘84的厚度、第二转盘85的厚度和第三转盘86的厚度相同，第一转盘84的凹槽、第二转盘85的凹槽和第三转盘86的凹槽均为矩形槽，且各凹槽的宽度与各转盘的厚度相同。这一点决定了各转盘要转动必须达到凹槽所在的角度，以此直观体现三轴角度的控制精度。从而使本发明的基于TwinCAT的三轴控制实验装置能够实现三轴角度交叉运行、在一定范围内调节运行速度以及角度控制偏差在预设范围内等控制。能从最基本的控制操作开始培训学生了解及掌握TwinCAT控制系统，诸如：如何在外部信号到来时打开指定输出控制通道；如何在外部输入一个电压或温度信在计算机屏幕上显示同步变化；如何让状态指示灯按一定规律点亮；如何让电动机运行到某个指定的位置而没有偏差；如何让转盘旋转指定的角度；如何让一台计算机控制多个站点等。也可在掌握基本控制技巧后，激发学生的自主创新意识，引导学生自行设计一套包含多种动作模式的类似实际工业现场的控制系统，诸如：仓储、装配机械手、智能机器人等
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (7)

1.一种基于TwinCAT的三轴控制实验装置，包括工作台，所述工作台包括竖向部和横向部，所述工作台的竖向部的底部安装在所述工作台的横向部的上端面的后部，所述工作台的竖向部和工作台的横向部围成L形结构，其特征在于：
所述工作台的竖向部的前表面的上部从左至右依次安装空气开关、熔断器、EtherCAT端子模块和开关电源；
所述工作台的竖向部的前表面的下部安装若干继电器和三个光纤放大器；
所述工作台的横向部的上端面的左边安装一指示灯安装台，所述指示灯安装台的前侧面上安装有若干状态指示灯和若干输入按钮，所述状态指示灯的个数与所述继电器的个数相同；
所述工作台的横向部的上端面的右边安装一电机安装架，所述电机安装架包括横向部和竖向部，所述电机安装架的横向部和电机安装架的竖向部围成与所述工作台同向的L形结构，所述电机安装架的竖向部上安装一第一步进电机，所述电机安装架的横向部的两边分别安装一第二步进电机和一第三步进电机；
所述第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机一一对应地连接一第一转盘、一第二转盘和一第三转盘，所述第二转盘和第三转盘水平设置，所述第一转盘垂直于所述第二转盘和第三转盘，所述第一转盘的外周边、第二转盘的外周边和第三转盘的外周边分别均布若干凹槽，且所述第一转盘的凹槽与所述第二转盘的凹槽相互啮合，所述第一转盘的凹槽与所述第三转盘的凹槽相互啮合；
所述第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机上分别安装一传感器。
2.根据权利要求1所述的基于TwinCAT的三轴控制实验装置，其特征在于，所述第一转盘的直径、第二转盘的直径和第三转盘的直径相同，且第一转盘的厚度、第二转盘的厚度和第三转盘的厚度相同；
所述第一转盘的凹槽、第二转盘的凹槽和第三转盘的凹槽均为矩形槽，且各凹槽的宽度与第一转盘的厚度相同。
3.根据权利要求2所述的基于TwinCAT的三轴控制实验装置，其特征在于，所述第一转盘的凹槽的数量、第二转盘的凹槽的数量和第三转盘的凹槽的数量均为八个。
4.根据权利要求2所述的基于TwinCAT的三轴控制实验装置，其特征在于，所述第一转盘的凹槽的数量和第二转盘的凹槽的数量均为八个，所述第三转盘的凹槽的数量为四个。
5.根据权利要求3或4所述的基于TwinCAT的三轴控制实验装置，其特征在于，所述三轴控制实验装置还包括第一布线通道、第二布线通道、第三布线通道和第四布线通道，其中：
所述第一布线通道竖向设于所述工作台的竖向部的前表面的左边；
所述第二布线通道横向设于所述工作台的竖向部的前表面的上部，且第二布线通道的左端与所述第一布线通道的上端连通；
所述第三布线通道横向设于所述工作台的竖向部的前表面的中部，且第三布线通道的左端与所述第一布线通道的中部连通；
所述第四布线通道横向设于所述工作台的竖向部的前表面的下部，且第四布线通道的左端与所述第一布线通道的下端连通；
所述工作台的竖向部的位于所述第二布线通道和第三布线通道之间的前表面上横向安装一第一搁架，所述空气开关、熔断器、EtherCAT端子模块和开关电源均通过第一搁架安装在所述工作台的竖向部的前表面上；
所述工作台的竖向部的位于所述第三布线通道和第四布线通道之间的前表面上横向安装一第二搁架，所述若干继电器和三个光纤放大器均通过第二搁架安装在所述工作台的竖向部的前表面上。
6.根据权利要求5所述的基于TwinCAT的三轴控制实验装置，其特征在于，第一布线通道、第二布线通道、第三布线通道和第四布线通道上设有若干出线孔。
7.根据权利要求6所述的基于TwinCAT的三轴控制实验装置，其特征在于，所述指示灯安装台的前表面为倾斜面，所述指示灯安装台的后表面上设有布线缺口。
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