CN107437347B - 一种伺服控制实训系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种伺服控制实训系统及方法，涉及伺服控制技术领域，用以解决现有技术中存在功能简单、不能满足伺服控制实训要求的问题。该系统包括：机械装置和电气控制装置；该机械装置包括：工作台、第一型材支架、第二型材支架、第一伺服电机、第二伺服电机、横向导轨、纵向导轨、编码器、交流电动机、探头和圆盘；该电气控制装置包括：CPU、PLC、触摸屏、运动控制模块和变频器；该触摸屏连接该PLC，该PLC通过CC‑Link总线方式控制该与CPU连接，CPU通过RS‑485通信方式控制该变频器，该变频器连接该交流电动机，该PLC连接该运动控制模块，运动控制模块分别与该第一伺服放大器和该第二伺服放大器连接，运动控制模块还与该编码器连接。

Description

一种伺服控制实训系统及方法

技术领域

本发明涉及伺服控制技术领域，更具体的涉及一种伺服控制实训系统及方法。

背景技术

伺服控制是以伺服电机为控制对象，以微电子装置为核心、以电力电子装置为执行机构，用来精确地跟随或复现某个控制过程。伺服控制广泛应用于火炮控制、自动驾驶、数控加工设备、工业机器人、柔性生产线、无线跟踪控制等方面。纵观各国近代工业发展史，放眼现代工业发展的新潮流，伺服控制技术水平可以反映出其现代化水平。如果把工业自动化看作现代工业发展的基础和主导，那么就可以把伺服控制看作工业自动化的重要技术支撑。因此，以伺服放大器为代表的伺服控制技术是高校电气自动化类专业学生必须要掌握的知识。针对这方面的教学需要，近些年来很多学校都相继组建了伺服控制实训室，也相应配备了伺服放大器和伺服电机等电器。

现有的伺服控制实训系统主要包括PLC、伺服放大器和伺服电机，但是该实训系统存在自动化控制程度低，只能完成一些简单的控制，例如单台伺服电机控制、直线运动控制。在技术性能方面的缺陷表现在：不能实现多轴插补运动控制、不能实现人机交互控制、不能实现系统网络化集成等。而目前在工业生产中，伺服控制所使用的技术早已实现了信号通信传输和多轴合成运动，如果还让学生们继续使用这种功能简单的实训设备，那么就不能培养真正适应社会需要的技术人才。

综上所述，现有技术中的伺服控制实训系统存在功能简单、不能满足伺服控制实训要求的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种伺服控制实训系统及方法，用以解决现有技术中存在功能简单、不能满足伺服控制实训要求的问题。

本发明实施例提供一种伺服控制实训系统，包括：机械装置和电气控制装置；

所述机械装置包括：工作台、第一型材支架、第二型材支架、第一伺服电机、第二伺服电机、横向导轨、纵向导轨、编码器、交流电动机、探头和圆盘；

所述第一型材支架固定在所述工作台上，所述交流电机设置在所述第一型材支架的底部，所述编码器设置在所述第一型材支架侧部，所述圆盘设置在所述第一型材支架的顶部，所述交流电动机与所述圆盘连接，所述圆盘上设置有磁钢；

所述圆盘的上方架设有所述第二型材支架，所述第二型材支架上固定有两个平行设置的纵向导轨，所述横向导轨垂直设置在所述纵向导轨上，且所述横向导轨沿所述纵向导轨滑动，所述纵向导轨的一端设有第一伺服电机，所述横向导轨的一端设有第二伺服电机，所述第二伺服电机驱动主轴箱沿所述横向导轨滑动，且所述主轴箱的底部固定连接所述探头，所述第一伺服电机驱动所述横向导轨沿所述纵向导轨滑动；

所述电气控制装置包括：CPU、PLC、触摸屏、运动控制模块和变频器；

所述触摸屏连接所述PLC，所述CPU通过CC-Link总线方式控制所述PLC，所述PLC通过RS-485通信方式控制所述变频器，所述变频器连接所述交流电动机，所述PLC连接所述运动控制模块，所述运动控制模块通过所述第一伺服放大器与所述第一伺服电机连接，所述运动控制模块通过所述第二伺服放大器与所述第二伺服电机连接，所述运动控制模块还与所述编码器连接，且所述第一伺服放大器连接所述第二伺服放大器。

较佳地，所述电气控制装置设置在电气控制柜内。

较佳地，所述第一伺服放大器通过通信光纤与所述第二伺服放大器连接。

本发明实施例提供一种伺服控制实训方法，包括：

CPU通过运动控制模块、第一伺服放大器和第一伺服电机控制横向导轨做原点回归，再依次通过运动控制模块、第二伺服放大器和第二伺服电机控制探头做原点回归；

当探头回归到原点后，CPU依次通过PLC、变频器和交流电动机驱动圆盘做旋转运动，圆盘转速稳定后，启动磁钢搜索；

CPU控制探头从原点出发，沿横向导轨做直线运动，当探头检测到磁钢时，获取磁钢在横轴上的数值；

CPU控制探头沿横向导轨快速移动到指定位置，当磁钢运动到指定位置后，控制探头与磁钢对接，并迅速启动两轴圆弧插补运动，探头与磁钢一同做圆周运动。

本发明实施例中，提供一种伺服控制实训系统及方法，与现有技术相比，其有益效果为：本发明能有效地提升伺服运动控制实训技术水平，极大地改善伺服运动控制实训硬件条件。从技术层面上来说，它不仅可以完成单轴运动控制，还可以完成两轴定位控制、插补控制和同步控制等，总体技术水平达到国内先进水平。从教学层面上来说，它采用人机交互方式和灵活的现场组态，给学生提供了一个良好的实训情境，既便于教师组织教学活动，又便于学生自主学习。从结构层面上来说，它整体结构采用全开放式，既方便学生实际动手操作，又方便日后维修与维护。发明的伺服运动控制实训系统，具有技术先进、实用性强、整合度高和组态灵活等特点，能充分满足伺服控制实训教学要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种伺服控制实训系统的机械装置立体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种伺服控制实训系统的机械装置侧视图；

图3为本发明实施例提供的一种伺服控制实训系统的电气控制装置的连接示意图；

图4为本发明实施例提供的一种伺服控制实训系统中的圆盘电气控制框图；

图5为本发明实施例提供的一种伺服控制实训系统中的两轴运动控制框图；

图6为本发明实施例提供的一种伺服控制实训系统中的圆盘控制的实现流程图；

图7为本发明实施例提供的一种伺服控制实训系统中磁钢定位和探头同步跟随实现流程图；

图8为本发明实施例提供的一种伺服控制实训系统中触摸屏的组态界面。

附图标记说明：101、工作台；102、第一型材支架；103、第二型材支架；104、第一伺服电机；105、第二伺服电机；106、横向导轨；107、纵向导轨；108、编码器；109、交流电动机；110、探头；111、圆盘；201、CPU；202、PLC；203、触摸屏；204、运动控制模块；205、第一伺服放大器；206、第二伺服放大器；207、变频器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的一种伺服控制实训系统，该系统包括：机械装置和电气控制装置。

图1为本发明实施例提供的一种伺服控制实训系统的机械装置立体结构示意图，如图1所示，该机械装置包括：工作台101、第一型材支架102、第二型材支架103、第一伺服电机104、第二伺服电机105、横向导轨106、纵向导轨107、编码器108、交流电动机109、探头110和圆盘111。

具体地，该第一型材支架102固定在该工作台101上，该交流电机109设置在该第一型材支架102的底部，该编码器108设置在该第一型材支架102侧部，该圆盘111设置在该第一型材支架102的顶部，该交流电动机109与该圆盘111连接，该圆盘111上设置有磁钢。

其中，第一型材支架102包括四个支撑腿和一个支撑板，四个支撑腿支撑该支撑板，具体地，交流电机109设置在支撑板的底部。

另外，该圆盘111的转轴设置在支撑板的通孔中，以实现圆盘111设置在该第一型材支架102的顶部。

再者，该圆盘111的转轴通过传动链条与该交流电动机109连接，以实现交流电动机109与该圆盘111连接。

具体地，该圆盘111的上方架设有该第二型材支架103，该第二型材支架103上固定有两个平行设置的纵向导轨107，该横向导轨106垂直设置在该纵向导轨107上，且该横向导轨106沿该纵向导轨107滑动，该纵向导轨107的一端设有第一伺服电机104，该横向导轨106的一端设有第二伺服电机105， 该第二伺服电机105驱动主轴箱沿该横向导轨106滑动，且该主轴箱的底部固定连接该探头110，该第一伺服电机104驱动该横向导轨106沿该纵向导轨107滑动。

图2为本发明实施例提供的一种伺服控制实训系统的机械装置侧视图，如图2所示，该电气控制装置包括：CPU201、PLC202、触摸屏203、运动控制模块204和变频器207。

具体地，该触摸屏203连接该PLC202，该CPU201通过CC-Link总线方式控制该PLC202，该PLC202通过RS-485通信方式控制该变频器207，该变频器207连接该交流电动机109，该PLC202连接该运动控制模块204，该运动控制模块204通过该第一伺服放大器205与该第一伺服电机104连接，该运动控制模块204通过该第二伺服放大器206与该第二伺服电机105连接，且第二伺服放大器206与第一伺服放大器205连接，该运动控制模块204还与该编码器108连接。

其中，第一伺服放大器205通过通信光纤与第二伺服放大器206连接，便于实现第一伺服放大器205与第二伺服放大器206之间的数据交换，且本发明的伺服控制实训系统运行时，第一伺服放大器205与第二伺服放大器206之间需要协同运行，需要大量数据交换，为了更快速更可靠地进行数据交换，采用了通信光纤将通信第一伺服放大器205与第二伺服放大器206连接起来。

本发明的工作原理为，触摸屏203负责发出控制指令，CPU201接收到控制指令后，依次通过运动控制模块、第一伺服放大器和第一伺服电机控制横向导轨106做原点回归，再依次通过运动控制模块、第二伺服放大器和第二伺服电机控制探头做原点回归，当探头回归到原点后，确定横轴和纵轴的坐标起点，并将磁钢固定在圆盘上，然后启动变频器，交流电动机驱动圆盘做旋转运动，圆盘上的磁钢也随同做旋转运动。当圆盘转速稳定后，启动磁钢搜索，CPU控制探头从原点出发，沿横轴(横向导轨(106))做直线运动。当探头检测到磁钢时，CPU记录磁钢在横轴上的数值，即完成了磁钢在横轴上的定位。当磁 钢定位结束后，CPU通过程序控制探头沿横轴方向快速移动到指定位置，并等待磁钢的到来。当磁钢运动到指定位置，CPU控制探头与磁钢对接，并迅速启动两轴圆弧插补横轴为基准轴、纵轴为插补轴运动，使探头能与磁钢一同做圆周运动。

本发明实施例中的运动控制主要包括圆盘控制和两轴运动控制；

1圆盘控制

圆盘的转动采用交流变频传动控制方式，其控制框图如图4所示。从图4中可见，PLC202以RS-485通信方式控制变频器207，圆盘11的启动、停止和转速等均受PLC202控制。为了突出网络控制技术，系统还建立了一个CC-Link总线控制网络。在这个网络中，CPU201被设置为主站，PLC202被设置为从站，主站CPU201通过CC-Link总线控制从站PLC202，进而达到控制变频器207的目的。从控制角度来说，圆盘111的转动不仅直接受控于从站PLC202，还间接受控于主站CPU201，使实训控制系统实现了信息化、智能化和网络化。

其中，根据圆盘111变频传动控制要求，本发明对圆盘的控制流程主要按照图6提供的圆盘111电气控制流程图。

另外，CC-Link总线控制网络的内容是三菱CC-Link系统中主站和从站之间的通讯，主要用到了CPU、CC-Link主站模块、CC-Link从站模块和PLC等。通过安装在CPU底板上的主站单元(CC-Link主站模块)和安装在现场设备的CC-Link从站模块、PLC202，可完成简单的、高速的通讯；并可节省大量的电缆、还极大地提高缚线效率。

2两轴运动控制分析

两轴运动控制系统主要由CPU201、运动控制模块204、第一伺服放大器205、第二伺服放大器206，第一伺服电机104和第二伺服电机105、触摸屏203和编码器108构成，其控制框图如图5所示。

具体地，触摸屏203负责发出控制指令，CPU201负责逻辑运算，控制系 统运行；运动控制模块204负责控制第一伺服放大器205和第二伺服放大器206，实现两轴插补运动；第一伺服放大器205负责驱动第一伺服电机104，第二伺服放大器206负责驱动第二伺服电机105，最终使探头完成平面运动；编码器108负责采样圆盘111转速，并将采样信号反馈至运动控制模块204。

本系统通过GX Works2和GX Configurator软件编写CPU运行程序、设置伺服系统参数，控制第一伺服电机104和第二伺服电机105运动，使探头能对磁钢进行精确定位和同步随动。

进一步地，根据圆盘控制和两轴运动控制的分析，磁钢定位和探头同步跟随实现流程图如图7所示，实现过程主要包括：

当伺服实训系统上电以后，控制横向导轨做原点回归，再控制探头做原点回归，然后以此来确定横轴和纵轴的坐标起点。

当原点回归结束以后，先将磁钢固定在圆盘上，然后启动变频器，交流电动机驱动圆盘做旋转运动，圆盘上的磁钢也随同做旋转运动。

当圆盘转速稳定后，启动磁钢搜索，CPU控制探头从原点出发，沿横轴做直线运动。当探头检测到磁钢时，CPU记录磁钢在横轴上的数值，即完成了磁钢在横轴上的定位。

其中，探头检测到磁钢时，CPU记录磁钢在横轴上的数值，包括：

当探头第一次检测到磁钢时，就把当前位置值存放在指定存储单元中，然后再将该位置值与磁钢半径值求和，并把求和值作为一个比较值。当探头每一次检测到磁钢时，如果磁钢的当前位置值小于比较值，则此次当前位置值视为无效；如果磁钢的当前位置值大于比较值，则把此次当前位置值视为有效，该位置值与第一次检测值求和后取平均，该平均值就是磁钢在横轴上的数值。

当磁钢定位结束后，CPU通过程序控制探头沿横轴方向快速移动到指定位置，并等待磁钢的到来。

当磁钢运动到指定位置，CPU控制探头与磁钢对接，并迅速启动两轴圆弧插补横轴为基准轴、纵轴为插补轴运动，使探头能与磁钢一同做圆周运动。在 圆弧插补过程中，CPU通过编码器实时采集圆盘转速，并以此作为反馈信号，对圆弧插补的指令速度做实时修正，使探头与磁钢的圆周运行速度能够保持同步，从而保证了探头与磁钢在运行中始终不脱离。

本发明伺服实训系统的软件设计：根据圆盘变频传动控制要求，编写程序流程图，如图7所示。

图8为本发明实施例提供的一种伺服控制实训系统中触摸屏的组态界面。

利用GT Designers3软件制作控制系统的触摸屏组态界面，如图8所示。通过这个界面可以对系统各部分的运行状态和数据进行实时监控，实现人机交互控制，且图8中X为横轴，Y为纵轴。

本发明的伺服实训系统涉及的具体元器件的名称、数量和型号如表1所示。

表1伺服实训系统元器件表

名称	数量	型号
			基板	1	Q35B
PLC电源	1	Q61P
			CPU	1	Q02U CPU
CC-Link主站模块	1	QJ61BT11N
			运动控制模块	1	QD77MS4
485通信板	1	FX3U485-BD
			伺服放大器	2	MR-J4-40B
伺服电机	2	HG-KR43J
			触摸屏	1	GS2107-WTBD
PLC	1	FX3U-32M
			CC-Link从站模块	1	FX3U-64CCL
变频器	1	FR-A740-0.75K-CHT
			编码器	1	E62B-CW26C
交流电动机	1	ZD 51K40GN-S3

本发明实施例中，提供一种伺服运动控制实训系统，与现有技术相比，其 有益效果为：本实训控制系统能有效地提升伺服运动控制实训技术水平，极大地改善伺服运动控制实训硬件条件。从技术层面上来说，它不仅可以完成单轴运动控制，还可以完成两轴定位控制、插补控制和同步控制等，总体技术水平达到国内先进水平。从教学层面上来说，它采用人机交互方式和灵活的现场组态，给学生提供了一个良好的实训情境，既便于教师组织教学活动，又便于学生自主学习。从结构层面上来说，它整体结构采用全开放式，既方便学生实际动手操作，又方便日后维修与维护。发明的伺服运动控制实训系统，具有技术先进、实用性强、整合度高和组态灵活等特点，能充分满足伺服控制实训教学要求。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种伺服控制实训方法，其特征在于，所述实训方法基于实训系统实施，所述实训系统包括：机械装置和电气控制装置；

所述机械装置包括：工作台（101）、第一型材支架（102）、第二型材支架（103）、第一伺服电机（104）、第二伺服电机（105）、横向导轨（106）、纵向导轨（107）、编码器（108）、交流电动机（109）、探头（110）和圆盘（111）；

所述第一型材支架（102）固定在所述工作台（101）上，所述交流电动机（109）设置在所述第一型材支架（102）的底部，所述编码器（108）设置在所述第一型材支架（102）侧部，所述圆盘（111）设置在所述第一型材支架（102）的顶部，所述交流电动机（109）与所述圆盘（111）连接，所述圆盘（111）上设置有磁钢；

所述圆盘（111）的上方架设有所述第二型材支架（103），所述第二型材支架（103）上固定有两个平行设置的纵向导轨（107），所述横向导轨（106）垂直设置在所述纵向导轨（107）上，且所述横向导轨（106）沿所述纵向导轨（107）滑动，所述纵向导轨（107）的一端设有第一伺服电机（104），所述横向导轨（106）的一端设有第二伺服电机（105），所述第二伺服电机（105）驱动主轴箱沿所述横向导轨（106）滑动，且所述主轴箱的底部固定连接所述探头（110），所述第一伺服电机（104）驱动所述横向导轨（106）沿所述纵向导轨（107）滑动；

所述电气控制装置包括：CPU（201）、PLC（202）、触摸屏（203）、运动控制模块（204）、第一伺服放大器（205）、第二伺服放大器（206）和变频器（207）；

所述触摸屏（203）连接所述PLC（202），所述CPU（201）通过CC-Link总线方式控制所述PLC（202），所述PLC（202）通过RS-485通信方式控制所述变频器（207），所述变频器（207）连接所述交流电动机（109），所述PLC（202）连接所述运动控制模块（204），所述运动控制模块（204）通过所述第一伺服放大器（205）与所述第一伺服电机（104）连接，所述运动控制模块（204）通过所述第二伺服放大器（206）与所述第二伺服电机（105）连接，所述运动控制模块（204）还与所述编码器（108）连接，且所述第一伺服放大器（205）连接所述第二伺服放大器（206）；

所述实训方法包括：

CPU通过运动控制模块、第一伺服放大器和第一伺服电机控制横向导轨做原点回归，再依次通过运动控制模块、第二伺服放大器和第二伺服电机控制探头做原点回归；

当探头回归到原点后，CPU依次通过PLC、变频器和交流电动机驱动圆盘做旋转运动，圆盘转速稳定后，启动磁钢搜索；

CPU控制探头从原点出发，沿横向导轨做直线运动，当探头检测到磁钢时，获取磁钢在横轴上的数值；

CPU控制探头沿横向导轨快速移动到指定位置，当磁钢运动到指定位置后，控制探头与磁钢对接，并迅速启动两轴圆弧插补运动，探头与磁钢一同做圆周运动。

2.如权利要求1所述的伺服控制实训方法，其特征在于，所述电气控制装置设置在电气控制柜内。

3.如权利要求1所述的伺服控制实训方法，其特征在于，所述第一伺服放大器（205）通过通信光纤与所述第二伺服放大器（206）连接。

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