CN111026029B - 一种校准数控设备电机轴的装置、方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种快速校准数控设备电机轴的装置、方法及系统，该装置包括显示屏，线性输出电压传感器、机械按键、通信模块和控制器。本发明的有益效果是：本发明通过将用户输入的将电机轴的移动速度变化成以指数函数或抛物线的函数，可以使电机快速移动到目标位置，相对于以匀速移动的方式效率更高；并且，快速运动模式和增量运动模式结合的方式移动电机轴，使电机轴能进行高精度的校准操作和高效率的校准作业。

Description

一种校准数控设备电机轴的装置、方法及系统

技术领域

本发明涉及校准技术领域，尤其涉及一种校准数控设备电机轴的装置、方法及系统。

背景技术

在数控加工领域，通常需要对加工工件进行现场编程，现场编程要求加工作用的设备快速精准的到达加工位置，加工作用的设备如电批头、出胶口、电烙铁头、气缸喷头、触头、机械手等，对加工作用设备的位置编程实质上是将加工作用设备与加工工件的加工点位置进行校准。当前操作数控设备进行校准的方式有，电子手轮、机械按键、手动拖拽等方式。

在数控加工设备中，通常手动编程时，需要将加工作用设备的端点移动到加工位置进行校准，现在采用的移动方式有电子手轮、按键、手动拖拽等，在使用中存在着如下缺点，电子手轮驱动电机轴移动时，需要反复旋转手轮，耗时多，移动速度慢。

按键驱动电机轴移动时，速度恒定，移动相同的路程需要较多时间，效率低，易出现超程不容易校准点位置。

手动拖拽移动电机轴时，需要额外添加编码器单元，或则需要闭环控制的电机，价格较高。

电子手轮通过摇动手轮，发出差分脉冲，控制器根据接收的差分脉冲进行解码，根据解码后的脉冲处理成相应的控制信号输出到驱动器，使电机轴移动，电子手轮通常有X1、X10、X100三档脉冲控制，通过档位控制可以调整输出差分脉冲数既脉冲速度，进而调整电机轴的移动速度，采用电子手轮进行校准位置存在如下缺点：①成本高，具有档位控制功能的电子手轮价格较高，不具有档位控制功能的电子手轮需要添加额外的控制电路②速度慢，虽然档位控制可以调整电机轴移动速度，但是电机轴的移动任然是一个匀速运动的操作③效率低，当要移动时需要不停的摇动手轮，如果需要校准的点较多，移动距离较长时，完成一次校准，需要摇动手轮的次数非常多，一次编程校准操作，工作量较大。

机械按键进行校准操作时，根据选择的速度档位，当机械按键被按下时，电机轴从零速度开始加速到选择的速度档位对应的速度值，当速度到指定的值后继续匀速移动，直到机械按键被松开，则电机轴以较大的加速度反向左右使电机轴快速停止。采用机械按键进行校准操作存在如下缺点：①精度低，电机轴的移动根据机械按键的按下和释放决定启停，如果释放得不及时，总会出现超过校准点位置或不及校准点位置的情况，需要根据使用经验多次校准才能准确的实现校准操作。②效率低，移动距离长时，需要长时间按下按键，电机轴匀速移动，耗时较长。

手动拖拽进行校准操作时，存在如下缺点：①成本高，为实现拖拽后坐标位置不丢失，需要增加编码器模块，使设备形成闭环控制，编码器模块价格较为昂贵②结构复杂，闭环控制设备的设计和维护较为复杂。

发明内容

本发明提供了一种校准数控设备电机轴的装置，包括壳体、以及安装在壳体上的显示屏，线性输出电压传感器、机械按键、通信模块和控制器，所述控制器分别与所述显示屏，所述线性输出电压传感器、所述机械按键、所述通信模块相连；所述控制器首先获取用户的输入，然后所述控制器对线性输出电压传感器和机械按键电平进行采样，所述控制器判断用户所选择的电机轴运动模式；如是快速运动模式，那么将线性输出电压传感器的线性电压值处理成指数函数或抛物线函数的电机轴速度变化曲线，该电机轴速度变化曲线形成电机轴速度参数，将电机轴速度参数和电机轴控制号组合成数控设备控制器识别的指令，将该指令发送给数控设备控制器；如是增量运动模式，那么根据用户选择的方向和移动的增量，计算需要的移动速度和位置数据，将计算得到的移动速度和位置数据形成电机轴增量参数，将电机轴增量参数和电机轴控制号组合成数控设备控制器识别的指令，将该指令发送给数控设备控制器。

作为本发明的进一步改进，在快速运动模式中，以线性输出电压传感器输出的线性电压值进行模数转换的数据作自变量，输入指数函数或抛物线函数中，计算出函数值，以函数值作为电机轴速度参数，该电机轴速度参数表示电机轴移动的速度。

作为本发明的进一步改进，所述线性输出电压传感器为摇杆电位器，所述摇杆电位器包括第一摇杆电位器和第二摇杆电位器。

作为本发明的进一步改进，所述机械按键包括第一机械按键、第二机械按键、第三机械按键、第四机械按键，通信模块包括有线通信模块和无线通信模块，有线通信模块包括有线通信端口，该有线通信端口同时也是电池充电端口。

作为本发明的进一步改进，所述显示屏为液晶显示屏，所述液晶显示屏、所述摇杆电位器、所述第一机械按键、所述第二机械按键均位于所述壳体上端面，所述第三机械按键、所述第四机械按键、所述有线通信端口均位于所述壳体顶面。

作为本发明的进一步改进，所述有线通信模块采用RS-232协议和RS-485协议，所述无线通信模块采用2.4GHz无线通信技术。

本发明还提供了一种校准数控设备电机轴的方法，控制器执行如下步骤：

步骤1，获取步骤：获取用户的输入；

步骤2，采样步骤：对线性输出电压传感器和机械按键电平进行采样；

步骤3，判断步骤：判断用户所选择的电机轴运动模式，如是快速运动模式，那么执行速度运算步骤，如是增量运动模式，那么执行增量运算步骤；

速度运算步骤：将线性输出电压传感器的线性电压值处理成指数函数或抛物线函数的电机轴速度变化曲线，该电机轴速度变化曲线形成电机轴速度参数，将电机轴速度参数和电机轴控制号组合成数控设备控制器识别的指令，将该指令发送给数控设备控制器，然后，返回执行步骤1获取步骤；

增量运算步骤：根据用户选择的方向和移动的增量，计算需要的移动速度和位置数据，将计算得到的移动速度和位置数据形成电机轴增量参数，将电机轴增量参数和电机轴控制号组合成数控设备控制器识别的指令，将该指令发送给数控设备控制器，然后，返回执行步骤1获取步骤。

作为本发明的进一步改进，在所述速度运算步骤中，以线性输出电压传感器输出的线性电压值进行模数转换的数据作自变量，输入指数函数或抛物线函数中，计算出函数值，以函数值作为电机轴速度参数，该电机轴速度参数表示电机轴移动的速度。

本发明还提供了一种校准数控设备电机轴的系统，控制器包括：

获取模块：用于获取用户的输入；

采样模块：用于对线性输出电压传感器和机械按键电平进行采样；

判断模块：用于判断用户所选择的电机轴运动模式，如是快速运动模式，那么运行速度运算模块，如是增量运动模式，那么运行增量运算模块；

速度运算模块：用于将线性输出电压传感器的线性电压值处理成指数函数或抛物线函数的电机轴速度变化曲线，该电机轴速度变化曲线形成电机轴速度参数，将电机轴速度参数和电机轴控制号组合成数控设备控制器识别的指令，将该指令发送给数控设备控制器，然后，返回运行获取模块；

增量运算模块：用于根据用户选择的方向和移动的增量，计算需要的移动速度和位置数据，将计算得到的移动速度和位置数据形成电机轴增量参数，将电机轴增量参数和电机轴控制号组合成数控设备控制器识别的指令，将该指令发送给数控设备控制器，然后，返回运行获取模块。

作为本发明的进一步改进，在所述速度运算模块中，以线性输出电压传感器输出的线性电压值进行模数转换的数据作自变量，输入指数函数或抛物线函数中，计算出函数值，以函数值作为电机轴速度参数，该电机轴速度参数表示电机轴移动的速度。

本发明的有益效果是：本发明通过将用户输入的将电机轴的移动速度变化成以指数函数或抛物线的函数，可以使电机快速移动到目标位置，相对于以匀速移动的方式效率更高；并且，快速运动模式和增量运动模式结合的方式移动电机轴，使电机轴能进行高精度的校准操作和高效率的校准作业。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的顶面的示意图；

图3是本发明的分解结构示意图；

图4是本发明的方法流程图。

实施方式

如图1-3所示，本发明公开了一种校准数控设备电机轴的装置，包括壳体、以及安装在壳体上的显示屏5，线性输出电压传感器、机械按键、通信模块和控制器及其外围电路，显示屏5优选采用液晶显示屏，壳体由下壳1和上壳2组装而成，机械按键包括第一机械按键4、第二机械按键7、第三机械按键8、第四机械按键10，通信模块包括有线通信模块和无线通信模块，有线通信模块包括有线通信端口9，该有线通信端口9同时也是电池充电端口。线性输出电压传感器包括摇杆电位器、旋转变压器、线性霍尔传感器等，本发明的线性输出电压传感器优选采用摇杆电位器，摇杆电位器包括第一摇杆电位器3和第二摇杆电位器6。

通信模块和数控设备控制器进行通信，获取数控设备的机械坐标，并将用户的操作指令发送到数控设备控制器上。显示屏5用于显示机械坐标，和与人机交互相关的图形界面。摇杆电位器是传感器单元，用户可以推动摇杆，使内部电阻值发生改变，控制器通过采样电路进行采样，根据内部算法转换成电机轴运动的控制参数。机械按键用于和用户进行人机交互，参数录入，电机轴移动模式选择，电机轴移动等。

所述控制器分别与所述显示屏5，所述线性输出电压传感器、所述机械按键、所述通信模块相连；所述控制器首先获取用户的输入，然后所述控制器对线性输出电压传感器和机械按键电平进行采样，所述控制器判断用户所选择的电机轴运动模式；如是快速运动模式，那么将线性输出电压传感器的线性电压值处理成指数函数或抛物线函数的电机轴速度变化曲线，该电机轴速度变化曲线形成电机轴速度参数，将电机轴速度参数和电机轴控制号组合成数控设备控制器识别的指令，将该指令发送给数控设备控制器；如是增量运动模式，那么根据用户选择的方向和移动的增量，计算需要的移动速度和位置数据，将计算得到的移动速度和位置数据形成电机轴增量参数，将电机轴增量参数和电机轴控制号组合成数控设备控制器识别的指令，将该指令发送给数控设备控制器。

在快速运动模式中，以线性输出电压传感器输出的线性电压值进行模数转换的数据作自变量，输入指数函数或抛物线函数中，计算出函数值，以函数值作为电机轴速度参数，该电机轴速度参数表示电机轴移动的速度。

所述液晶显示屏、所述摇杆电位器、所述第一机械按键4、所述第二机械按键7均位于所述壳体上端面，所述第三机械按键8、所述第四机械按键10、所述有线通信端口9均位于所述壳体顶面。

校准过程：通过机械按键将电机轴运动模式切换到快速移动模式，根据需要移动的电机轴选择需要移动的摇杆和移动摇杆的方向，推动摇杆，控制器实时对摇杆电位器进行采样，将摇杆电位器的线性电压值通过软件算法处理成呈类似指数函数或抛物线函数的电机轴速度变化曲线，根据用户的选择将当前处理得到的电机轴速度参数和电机轴控制号组合成数控设备控制器识别的指令，将该指令进行编码后，通过通信模块发送给数控设备控制器，使电机轴根据接收的运动参数进行运动。用户可根据需要移动的长度和方向，可以同时移动多个电机轴和以较大的速度移动电机轴，当用户需要快速移动电机轴时，则推动摇杆到最大摆动角度，当用户需要缓慢移动电机轴时，只需要轻微推动摇杆即可。当电机轴移动到需要的目标位置点附近时，通过机械按键将电机轴运动模式切换到增量运动模式，根据机械按键和人机界面交互，根据需要对电机轴在各个方向上进行以0.001mm、0.01mm、0.1mm、1.0mm、0.5mm、5mm等距离的微调，实现准确高速的校准操作。

也就是说，进行校准操作时，快速运动模式时，可以控制数控设备电机轴快速移动，增量运动模式时，可以控制数控设备电机轴进行增量移动。

在本发明中，以控制器为计算单元构成计算机单元，具有存储器及其外围电路，其上存储有计算机程序，所述计算机程序具有如下功能：①控制液晶显示屏和显示人机交互图形②对线性输出电压传感器和机械按键电平进行采样③对线性输出电压传感器的采样电平进行模数转换④对抛物线函数进行运算⑤实现RS-232通信、RS-485通信和2.4GHz无线通信⑥计算增量运动的速度参数和位置参数。

工作时，本发明通过液晶显示屏显示图形界面，通知用户当前所处的电机轴运动模式，通过机械按键可在快速运动模式和增量运动模式之间进行切换。本发明的线性输出电压传感器是具有线性电压输出的传感器，可供用户施加外部作用力，使传感器的输出端电压呈线性变换的传感器，如摇杆电位器、旋转变压器、线性霍尔传感器等。设置多个机械按键，对机械按键进行编号，对多个机械按键引脚进行采样，根据被触发的机械按键执行对应的功能。在快速运动模式中，以线性输出电压传感器输出的线性电压值进行模数转换的数据作自变量，输入抛物线函数中，计算出因变量既函数值，以函数值作为电机轴移动的速度。在增量运动模式中，根据用户选择的方向和移动的增量，计算需要的移动速度和位置数据。所述通信模块包含有线通信和无线通信，有线通信通过以RS-232协议或RS-485协议与数控设备控制器进行数据交互，无线通信通过2.4GHz无线通信技术实现收发端的数据转换，实现与数控设备控制的数据交互。

为了实现快速移动数控设备电机轴，本发明采用抛物线函数的速度变化规律。需要移动的距离较短时，只需要输入较小的自变量，对应的抛物线函数值小；需要移动的距离较大时，则输入较大的自变量，对应的抛物线函数值大，速度变化曲线在抛物线函数之间进行规律变化，相较于一次函数的匀速变化效率更高。

为了实现数控设备电机轴高精度的校准，本发明结合了增量移动的电机轴方法，在左右上下四个方向上设置机械按键，每触发一次，则在该方向上移动一个固定的移动长度，所述固定长度可选，内容包含0.001mm、0.01mm、0.1mm、1.0mm、0.5mm、5mm等，通过肉眼观察，根据实际需要进行微调，达到高精度的校准。

为了和数控设备控制器进行通信需要设置通信模块，包括有线通信模块实现RS-232协议和RS-485协议，和无线通信模块2.4GHz无线通信技术，接收端将数据重新转换成符合RS-232协议或RS-485协议的数据与数控设备控制器连接。

如图4所示，本发明还公开了一种校准数控设备电机轴的方法，控制器执行如下步骤：

步骤1，获取步骤：获取用户的输入；

步骤2，采样步骤：对线性输出电压传感器和机械按键电平进行采样；

步骤3，判断步骤：判断用户所选择的电机轴运动模式，如是快速运动模式，那么执行速度运算步骤，如是增量运动模式，那么执行增量运算步骤；

速度运算步骤：将线性输出电压传感器的线性电压值处理成指数函数或抛物线函数的电机轴速度变化曲线，该电机轴速度变化曲线形成电机轴速度参数，将电机轴速度参数和电机轴控制号组合成数控设备控制器识别的指令，将该指令发送给数控设备控制器，然后，返回执行步骤1获取步骤；

增量运算步骤：根据用户选择的方向和移动的增量，计算需要的移动速度和位置数据，将计算得到的移动速度和位置数据形成电机轴增量参数，将电机轴增量参数和电机轴控制号组合成数控设备控制器识别的指令，将该指令发送给数控设备控制器，然后，返回执行步骤1获取步骤。

在所述速度运算步骤中，以线性输出电压传感器输出的线性电压值进行模数转换的数据作自变量，输入指数函数或抛物线函数中，计算出函数值，以函数值作为电机轴速度参数，该电机轴速度参数表示电机轴移动的速度。

本发明还公开了一种校准数控设备电机轴的系统，控制器包括：

获取模块：用于获取用户的输入；

采样模块：用于对线性输出电压传感器和机械按键电平进行采样；

判断模块：用于判断用户所选择的电机轴运动模式，如是快速运动模式，那么运行速度运算模块，如是增量运动模式，那么运行增量运算模块；

速度运算模块：用于将线性输出电压传感器的线性电压值处理成指数函数或抛物线函数的电机轴速度变化曲线，该电机轴速度变化曲线形成电机轴速度参数，将电机轴速度参数和电机轴控制号组合成数控设备控制器识别的指令，将该指令发送给数控设备控制器，然后，返回运行获取模块；

增量运算模块：用于根据用户选择的方向和移动的增量，计算需要的移动速度和位置数据，将计算得到的移动速度和位置数据形成电机轴增量参数，将电机轴增量参数和电机轴控制号组合成数控设备控制器识别的指令，将该指令发送给数控设备控制器，然后，返回运行获取模块。

在所述速度运算模块中，以线性输出电压传感器输出的线性电压值进行模数转换的数据作自变量，输入指数函数或抛物线函数中，计算出函数值，以函数值作为电机轴速度参数，该电机轴速度参数表示电机轴移动的速度。

本发明的有益效果如下：

1. 通过将用户输入的将电机轴的移动速度变化成以指数函数或抛物线的函数，可以使电机快速移动到目标位置，相对于以匀速移动的方式效率更高。

2. 快速运动模式和增量运动模式结合的方式移动电机轴，使电机轴能进行高精度的校准操作和高效率的校准作业。

3. 通信模块包含有线通信和无线通信，使用更加灵活。

4. 人性化的交互界面和人体工程学的壳体设计，提高了操作性和良好的产品体验。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种校准数控设备电机轴的装置，其特征在于，包括壳体、以及安装在壳体上的显示屏（5），线性输出电压传感器、机械按键、通信模块和控制器，所述控制器分别与所述显示屏（5），所述线性输出电压传感器、所述机械按键、所述通信模块相连；所述控制器首先获取用户的输入，然后所述控制器对线性输出电压传感器和机械按键电平进行采样，所述控制器判断用户所选择的电机轴运动模式；如是快速运动模式，那么将线性输出电压传感器的线性电压值处理成指数函数或抛物线函数的电机轴速度变化曲线，该电机轴速度变化曲线形成电机轴速度参数，将电机轴速度参数和电机轴控制号组合成数控设备控制器识别的指令，将该指令发送给数控设备控制器；如是增量运动模式，那么根据用户选择的方向和移动的增量，计算需要的移动速度和位置数据，将计算得到的移动速度和位置数据形成电机轴增量参数，将电机轴增量参数和电机轴控制号组合成数控设备控制器识别的指令，将该指令发送给数控设备控制器；

在快速运动模式中，以线性输出电压传感器输出的线性电压值进行模数转换的数据作自变量，输入指数函数或抛物线函数中，计算出函数值，以函数值作为电机轴速度参数，该电机轴速度参数表示电机轴移动的速度；

机械按键用于和用户进行人机交互，参数录入，电机轴移动模式选择，电机轴移动。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述线性输出电压传感器为摇杆电位器，所述摇杆电位器包括第一摇杆电位器（3）和第二摇杆电位器（6）。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述机械按键包括第一机械按键（4）、第二机械按键（7）、第三机械按键（8）、第四机械按键（10），通信模块包括有线通信模块和无线通信模块，有线通信模块包括有线通信端口（9），该有线通信端口（9）同时也是电池充电端口。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述显示屏（5）为液晶显示屏，所述液晶显示屏、所述摇杆电位器、所述第一机械按键（4）、所述第二机械按键（7）均位于所述壳体上端面，所述第三机械按键（8）、所述第四机械按键（10）、所述有线通信端口（9）均位于所述壳体顶面。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述有线通信模块采用RS-232协议和RS-485协议，所述无线通信模块采用2.4GHz无线通信技术。

6.一种校准数控设备电机轴的方法，其特征在于，控制器执行如下步骤：

步骤1，获取步骤：获取用户的输入；

步骤2，采样步骤：对线性输出电压传感器和机械按键电平进行采样；

步骤3，判断步骤：判断用户所选择的电机轴运动模式，如是快速运动模式，那么执行速度运算步骤，如是增量运动模式，那么执行增量运算步骤；

速度运算步骤：将线性输出电压传感器的线性电压值处理成指数函数或抛物线函数的电机轴速度变化曲线，该电机轴速度变化曲线形成电机轴速度参数，将电机轴速度参数和电机轴控制号组合成数控设备控制器识别的指令，将该指令发送给数控设备控制器，然后，返回执行步骤1获取步骤；

增量运算步骤：根据用户选择的方向和移动的增量，计算需要的移动速度和位置数据，将计算得到的移动速度和位置数据形成电机轴增量参数，将电机轴增量参数和电机轴控制号组合成数控设备控制器识别的指令，将该指令发送给数控设备控制器，然后，返回执行步骤1获取步骤；

在所述速度运算步骤中，以线性输出电压传感器输出的线性电压值进行模数转换的数据作自变量，输入指数函数或抛物线函数中，计算出函数值，以函数值作为电机轴速度参数，该电机轴速度参数表示电机轴移动的速度；

机械按键用于和用户进行人机交互，参数录入，电机轴移动模式选择，电机轴移动。

7.一种校准数控设备电机轴的系统，其特征在于，控制器包括：

获取模块：用于获取用户的输入；

采样模块：用于对线性输出电压传感器和机械按键电平进行采样；

判断模块：用于判断用户所选择的电机轴运动模式，如是快速运动模式，那么运行速度运算模块，如是增量运动模式，那么运行增量运算模块；

速度运算模块：用于将线性输出电压传感器的线性电压值处理成指数函数或抛物线函数的电机轴速度变化曲线，该电机轴速度变化曲线形成电机轴速度参数，将电机轴速度参数和电机轴控制号组合成数控设备控制器识别的指令，将该指令发送给数控设备控制器，然后，返回运行获取模块；

增量运算模块：用于根据用户选择的方向和移动的增量，计算需要的移动速度和位置数据，将计算得到的移动速度和位置数据形成电机轴增量参数，将电机轴增量参数和电机轴控制号组合成数控设备控制器识别的指令，将该指令发送给数控设备控制器，然后，返回运行获取模块；

在所述速度运算模块中，以线性输出电压传感器输出的线性电压值进行模数转换的数据作自变量，输入指数函数或抛物线函数中，计算出函数值，以函数值作为电机轴速度参数，该电机轴速度参数表示电机轴移动的速度；

机械按键用于和用户进行人机交互，参数录入，电机轴移动模式选择，电机轴移动。

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