CN1707562A - 一种二维高性能交流伺服cnc实验系统 - Google Patents

Abstract

一种二维高性能交流伺服CNC实验系统，包括计算机系统(1)、二维伺服控制系统(2)和二维机械执行机构(3)，其特征是二维伺服控制系统(2)中的伺服控制卡(201)安装在计算机系统(1)的ISA插槽中，并与X向及Y向伺服控制(202)、(203)相连，X向伺服驱动器(202)和X向编码器(204)及X向伺服电机(206)相连，Y向伺服控制(203)与Y向编码器(205)、Y向伺服电机(207)相连；二维机械执行机构(3)中的X向滚珠丝杆副(302)安装在X向滚珠导轨(301)中，其一端与支承在X向滚珠导轨(301)上的Y向滚珠导轨(303)相连，Y向滚珠丝杆副(304)安装在Y向滚珠导轨(303)中，其一端与支承在Y向滚珠导轨(303)上的工作台(305)相连。

Description

一种二维高性能交流伺服CNC实验系统

技术领域

本发明涉及一种教学实验系统，尤其是一种利用伺服控制的二维数控实验系统，具体地说是一种二维高性能交流伺服CNC实验系统。

背景技术

运动控制(Motion Control)为了适应机械制造业的需求而正迅速发展，它是在电驱动技术研究的基础上，随着科学技术的发展而形成的一门综合性多学科的交叉技术，已发展有加工中心、柔性制造单元、机器人等。运动控制系统是以机械运动的驱动设备——电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子、功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成的电气传动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。近几年来，运动控制中高性能的要求能够得以实现，不少研究成果已刊登在有关自动控制、机器人以及功率电子学等会议与杂志上，最有成效的贡献发表在1990年、1992年和1995年，由IEEE、IFAC分别在日本、意大利和德国等国召开的专题为“先进运动控制”、“智能自动化运动控制”和“运动控制”的国际会议的论文集上，逐步形成了一个新的国际研究热点。

在当今自动化技术中，运动控制代表着用途最广而又最复杂的任务。其原因就在于生产过程的速度在不断的提高，而且制造业对加工精度和实现敏捷制造提出了越来越高的要求。运动控制的共同点在于它们都需要至少一个轴的数字式定位控制。该轴相对于某一主轴(主轴定位)或相对于某个坐标系统(坐标系统定位)进行定位控制。运动控制系统能够保证在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动。运动控制系统能够使得被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩控制或力的控制，以及这些被控机械量的综合控制。在运动控制中，存在着大量的机械系统的速度和位置控制，一个机械运动控制的系统结构一般由下列部件组成：1)一些用来测量机械和电信号的传感器；2)用来使机构系统进行运动的执行机构；3)用来对机械系统实施控制策略的控制器。计算机控制系统的实施，使控制系统中的许多过去必须用硬件完成的功能均可由软件完成。从而相当复杂的控制结构和控制算法得以容易的实现。同时系统具有了许多新的功能，使整个系统更加智能化。目前高速高精度是运动控制研究领域的一个重要方向，其目的在于提高机械加工的生产率和改善加工质量。然而，高速高精度加工在实用中存在着扰动、非线性、模型和参数不确定性等问题。同时，运动控制系统中的控制器性能与加工效率、加工质量也有很大的关系。运动控制系统中提高精度的方案主要有基于多轴协调运动的控制方法和基于提高单轴运动精度的方法。

新一代运动控制系统，实现高速度、高精度、高效率和高可靠性是优先考虑的问题。高速度、高精度、高效率和高可靠性4个高性能指标是统一的整体。要实现高性能运动控制，高性能伺服驱动器是基础和关键技术之一。

高性能伺服驱动器的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确，这就要求高质量的速度和位置伺服。伺服系统的基本要求有：

(1)稳定性：稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后到达新的或者回复到原有的平衡状态。

(2)精度：伺服系统的精度是指输出量能跟随输入量的精确程度。作为精密加工的数控机床，要求的定位精度或轮廓加工精度通常都比较高，允许的偏差一般都在0.01～0.001mm之间。

(3)响应性：响应性是伺服系统动态品质的标志之一，即要求跟踪指令信号的响应要快，一方面要求过渡过程时间短，一般在100ms以内，甚至小于几十毫秒；另一方面，为了满足超调要求，要求过渡过程的前沿陡，即上升率要大。

伺服系统的主要特点有：

(1)精确的检测装置以组成速度和位置闭环控制；

(2)有多种反馈比较原理与方法。根据检测装置实现信息反馈的原理不同，伺服系统反馈比较的方法也不相同。目前常用的有脉冲比较、相位比较和幅值比较三种。

(3)高性能的伺服电动机(简称伺服电机)用于高效和复杂型面加工的数控机床，伺服系统将经常处于频繁的启动和制动过程中。要求电机的输出力矩与转动惯量的比值大，以产生足够大的加速或制动力矩。要求伺服电机在低速时有足够大的输出力矩且运转平稳，以便在与机械运动部分联接中尽量减少中间环节。

(4)宽调速范围的速度调节系统，即速度伺服系统。从系统的控制结构看，数控机床的位置闭环系统可以看作是位置调节为外环、速度调节为内环的双闭环自动控制系统，其内部的实际工作过程是把位置控制输入转换成相应的速度给定信号后，再通过调速系统驱动伺服电机，实现实际位移。数控机床的主运动要求调速性能也比较高，因此要求伺服系统为高性能的宽调速系统。

伺服系统主要由执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路和机床五部分组成。其原理框图如图1所示。在闭环系统中，检测元件将机床移动部件的实际位置检测出来并转换成电信号反馈给比较环节。比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动电路，控制执行元件带动工作台继续移动，直到跟随误差为零。

为了适应运动控制系统及高性能伺服驱动技术发展的需要，现有各高校均开设了运动控制以及伺服驱动相关的课程配备了相应的实验装置。由于所教学客观规律的限制，相关理论和技术只能靠老师进行书面讲解，没有适合学生进行运动控制以及伺服驱动实验的装置，不仅影响了教学效果，而且使学生走上工作岗位后不能立即投入相关工程应用，使理论和实际脱节。故目前急需一种既适应运动控制系统及高性能伺服驱动技术发展的需要，同时又能解决教学实际，将理论和实际统一起来，提高学生感性认识，有利于提高学生的动手能力，为社会培养合格人材提供基础的二维高性能交流伺服CNC实验系统供教学使用。

发明内容

本发明的目的是为高等学校提供一种基于高精度交流伺服控制的二维高性能交流伺服CNC实验系统。

本发明的技术方案是：

一种二维高性能交流伺服CNC实验系统，包括计算机系统1、二维伺服控制系统2和二维机械执行机构3，其特征是二维伺服控制系统2主要由伺服控制卡201、X向伺服驱动器202、Y向伺服驱动器203、X向编码器204、Y向编码器205、X向伺服电机206、Y向伺服电机207组成，其中实现与计算机系统1的信息交换的伺服控制卡201安装在计算机系统1的ISA插槽中，并通过连接电缆与X向伺服驱动器202和Y向伺服控制203相连，X向伺服驱动器202通过连接电缆和X向编码器204及X向伺服电机206相连，Y向伺服控制203通过连接电缆与Y向编码器205、Y向伺服电机207相连；二维机械执行机构3主要由X向滚珠导轨301、X向滚珠丝杆副302、Y向滚珠导轨303、Y向滚珠丝杆副304及工作台305组成，X向滚珠丝杆副302安装在X向滚珠导轨301中，其一端安装有X向伺服电机206及X向编码器204，另一端与支承在X向滚珠导轨301上的Y向滚珠导轨303相连，Y向滚珠丝杆副304安装在Y向滚珠导轨303中，其一端安装有Y向伺服电机207及Y向编码器205，另一端与支承在Y向滚珠导轨303上的工作台305相连。

X向伺服驱动器202和Y向伺服驱动器203的输入电源回路上依次连接有非熔丝断路器401、噪声滤波器402、磁力接触器403和电抗器4。

X向编码器204与X向伺服电机206整体相连后通过连轴器306与X向滚珠丝杆副302的丝杆相连，Y向编码器205与Y向伺服电机207整体相连后通过连轴器307与Y向滚珠丝杆副304的丝杆相连。

位于二维机械执行机构3底部的X向滚珠导轨301上固定连接有执行部件4。

执行部件4由固定架401和固定在固定架401上的绘图笔402，绘图笔402位于工作台305的上方。

本发明的有益效果：

1、本发明具有性能稳定、精度高、能够有效地消除误差，并且抗干扰能力强、结构紧凑、成本低的优点。它不仅适用于高等学校机电一体化，电子电器，电器自动化专业生产实习、课程设计的实验研究，还可作为电机类本科生及研究生的开放性试验平台，为其认识和掌握现代运动控制以及交流伺服驱动技术奠定必要的基础。

2、本发明的的伺服驱动器能自动判别伺服电机的容量，可与FA网络连接，更便于使用RS-232，RS-485和COMPOBUS/D通信，操作者通过电脑能执行使用参数设定(速度/转矩/位置)，采用高分辨率编码器(16，17bit)，编码器脉波数可任意分周，每次脉冲的转动角度可根据指令设置，制动连锁，模拟量，数字量输入输出。采用d-q轴转换，提高转矩控制精度，实现低转速平滑运转及定位时间缩短，谐波抑制且超调量减小。可进行分布式控制，可接PLC控制，具有浪涌电流预防回路，以更好地保护系统。通过设置软件可自动记录故障现象，可显示电机速度、监视转矩波形及I/O状态，负载制动情况，过载告警。伺服电机规格齐全(10W-55KW)，可点动运行，正反转控制，动态刹车，再生制动处理，缓冲启动，采用超小型低惯性伺服电机，尺寸多样。电气部分主回路与控制回路的电源完全分离，检修容易。计算机系统：采用P4系列CPU，极大提高了系统的动态响应性能，非常适用于高速定位的场合，通过软件编程，可进行最佳调谐控制，可实现立体工件图形的三维仿真和加工过程中动态显示，具有软限位和硬限位的双重保护，仅需连接伺服系统就能自动对伺服电机加震，并能分析出机械系统的频率，整个分析过程只需30秒钟。机械分析器得到的结果，读入模拟调制解调器，从而可模拟用户机械系统的响应，在设备操作前，可将指令方式更改后的速度、电流、滞留脉冲量以模拟波形的方式表现出来并加以确认。个人电脑能在自动改变增益的同时，以最短的规定时间找出适当数值。

3、本发明的机械部分的基础构件采用优质铁、铝合金材料、整体铸造的高精度工作台面、加粗的高精度滚动导轨滚珠丝杆，具有精度高(0.01mm)、寿命长、重量轻、结构紧凑、美观等特点。可应用于测量、激光焊接、激光切割，涂胶、插件、射线扫瞄及实用教学等轻载场合。台面经精密研磨，不需特别润滑，线性移动磨擦小，采用精密波子螺丝从而使得系统能稳定高速地运作，不会振动，精度保持性好。

附图说明

图1是本发明的伺服系统原理框图。

图2是本发明的结构框图。

图3是本发明的二维伺服控制系统的结构示意图。

图4是本发明的二维机械执行机构的俯视结构示意图。

图5是图4的A向结构示意图。

图6是图4的B向结构示意图。

图7是本发明的电原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图2～7所示。

一种二维高性能交流伺服CNC实验系统，主要由计算机系统1、二维伺服控制系统2和二维机械执行机构3组成，如图2所示。其中二维伺服控制系统2主要由伺服控制卡201(型号可为DEC4T)、X向伺服驱动器202(型号可为MSDA043A1A)、Y向伺服驱动器203(型号可为MSDA043A1A)、X向编码器204(型号可为：AMP172171-1)、Y向编码器205(型号可为：AMP172171-1)、X向伺服电机206、Y向伺服电机207(型号可为MSMA042AIG)组成，如图3所示。实现与计算机系统1的信息交换的伺服控制卡201安装在计算机系统1的ISA插槽中，并通过连接电缆与X向伺服驱动器202和Y向伺服控制203相连，X向伺服驱动器202通过连接电缆和X向编码器204及X向伺服电机206相连，Y向伺服控制203通过连接电缆与Y向编码器205、Y向伺服电机207相连；二维机械执行机构3(如图4、5、6所示)主要由X向滚珠导轨301、X向滚珠丝杆副302、Y向滚珠导轨303、Y向滚珠丝杆副304及工作台305组成，X向滚珠丝杆副302安装在X向滚珠导轨301中，其一端安装有X向伺服电机206及X向编码器204，另一端与支承在X向滚珠导轨301上的Y向滚珠导轨303相连，Y向滚珠丝杆副304安装在Y向滚珠导轨303中，其一端安装有Y向伺服电机207及Y向编码器205，另一端与支承在Y向滚珠导轨303上的工作台305相连。X向编码器204与X向伺服电机206整体相连后通过连轴器306与X向滚珠丝杆副302的滚球丝杆相连，Y向编码器205与Y向伺服电机207整体相连后通过连轴器307与Y向滚珠丝杆副304的滚珠丝杆相连。位于二维机械执行机构3底部的X向滚珠导轨301上可固定连接有执行部件4，根据具体实施时执行部件4的不同可从事不同的实验目的，如图4、5、6所示是一种基于伺服控制的高精度X-Y坐标绘图仪实验系统，此时，执行部件4由固定架401和固定在固定架401上的绘图笔402组成，绘图笔402位于工作台305的上方。执行部件4也可采用其它的执行元件，形成如二维的激光测量装置、精度测量仪、粗糙度测量仪等实验系统。

为了保证X向伺服驱动器202和Y向伺服驱动器203的控制精度，本实施例在X向伺服驱动器202和Y向伺服驱动器203的输入电源回路上依次连接有非熔丝断路器501(型号可为：RT28-32)、噪声滤波器502(型号可为PNF-221-G-01A)、磁力接触器503(型号可为OMRON-MY2NJ)和电抗器504(型号可为：XB)，如图7所示。

下面以一种基于伺服控制的高精度X-Y坐标绘图仪实验系统为例对本发明作进一步的说明。

本发明的基于微机控制的交流伺服运动平台，把软硬件有机地结合，制作成的一种基于二维交流伺服系统的高精度X-Y坐标绘图仪。该系统中的伺服控制卡201(可采用德国MOVTEC公司的DEC4T型运动控制卡)插在计算机1PC机上的ISA插槽上，由伺服控制卡201内部做相应的信号处理和运算后，给伺服驱动器202、203发出一定频率的脉冲和方向的指令。伺服驱动器202、203对伺服控制卡201发来的位置指令信号经过PID等控制运算后输出电压信号，产生马达力矩使伺服电动机206或207按照指令运转，相应的滚珠丝杠把伺服电机206或207的旋转运动转换成工作平台305的直线运动，从而使绘图笔402在工作平台305上输出图形。

本发明可采用通用数控软件EdiTasc来实现对硬件的控制功能。其中包括连续点动、搜索参考点、软件限位、在线编写运动轨迹等。EdiTasc是基于PC机Windows操作系统下实时运行的通用数控软件。它是一个高度开放的开发平台，可以直接控制各种工业自动化设备，方便的开发专用的界面和控制系统。EdiTasc由底层运动控制软件和用户操作界面组成，底层运动控制软件跟运动控制卡建立通讯，对运动控制卡的插补运动进行控制，同时也可以对所需要的参数进行设置。EdiTasc软件可以接收来自多种CAD/CAM软件产生的加工程序，如Mastercam、海尔软件、文泰软件等。

本发明的伺服驱动工作原理：

本发明的伺服驱动工作在位置伺服控制模式下，通过输入的脉冲数来使电机定位运行，电机转速与脉冲频率相关，电机转动的角度与脉冲个数相关。伺服驱动器接收上位数控装置发出的位置指令信号(脉冲/方向)，送入脉冲列形态，经电子齿轮(位于伺服驱动器中)分倍频后，在偏差可逆计数器中与反馈脉冲信号比较后形成位置偏差信号。位置偏差信号经位置环的复合前馈控制器调节后，形成速度指令信号。速度指令信号与速度反馈信号(与位置检测装置相同)比较后的偏差信号经速度环比例积分控制器调节后产生电流指令信号，在电流环中经矢量变换后，由SPWM输出转矩电流，控制交流伺服电机206或207的运行。为了提高位置伺服控制模式时实时自动增益调整的精度，可在驱动器中增加适配增益功能，其作用就相当于自动加入一个增益，使稳定(停止到位)时间最短。

Claims (5)

1、一种二维高性能交流伺服CNC实验系统，包括计算机系统(1)、二维伺服控制系统(2)和二维机械执行机构(3)，其特征是二维伺服控制系统(2)主要由伺服控制卡(201)、X向伺服驱动器(202)、Y向伺服驱动器(203)、X向编码器(204)、Y向编码器(205)、X向伺服电机(206)、Y向伺服电机(207)组成，其中实现与计算机系统(1)的信息交换的伺服控制卡(201)安装在计算机系统(1)的ISA插槽中，并通过连接电缆与X向伺服驱动器(202)和Y向伺服控制(203)相连，X向伺服驱动器(202)通过连接电缆和X向编码器(204)及X向伺服电机(206)相连，Y向伺服控制(203)通过连接电缆与Y向编码器(205)、Y向伺服电机(207)相连；二维机械执行机构(3)主要由X向滚珠导轨(301)、X向滚珠丝杆副(302)、Y向滚珠导轨(303)、Y向滚珠丝杆副(304)及工作台(305)组成，X向滚珠丝杆副(302)安装在X向滚珠导轨(301)中，其一端安装有X向伺服电机(206)及X向编码器(204)，另一端与支承在X向滚珠导轨(301)上的Y向滚珠导轨(303)相连，Y向滚珠丝杆副(304)安装在Y向滚珠导轨(303)中，其一端安装有Y向伺服电机(207)及Y向编码器(205)，另一端与支承在Y向滚珠导轨(303)上的工作台(305)相连。

2、根据权利要求1所述的一种二维高性能交流伺服CNC实验系统，其特征是X向伺服驱动器(202)和Y向伺服驱动器(203)的输入电源回路上依次连接有非熔丝断路器(401)、噪声滤波器(402)、磁力接触器(403)和电抗器(4)。

3、根据权利要求1所述的一种二维高性能交流伺服CNC实验系统，其特征是X向编码器(204)与X向伺服电机(206)整体相连后通过连轴器(306)与X向滚珠丝杆副(302)的丝杆相连，Y向编码器(205)与Y向伺服电机(207)整体相连后通过连轴器(307)与Y向滚珠丝杆副(304)的丝杆相连。

4、根据权利要求1所述的一种二维高性能交流伺服CNC实验系统，其特征是位于二维机械执行机构(3)底部的X向滚珠导轨(301)上固定连接有执行部件(4)。

5、根据权利要求4所述的一种二维高性能交流伺服CNC实验系统，其特征是所述的执行部件(4)由固定架(401)和固定在固定架(401)上的绘图笔(402)，绘图笔(402)位于工作台(305)的上方。

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