CN206959819U - 一种三坐标测量机的运动控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种三坐标测量机的运动控制系统，包括PC机、运动控制器、脉冲转换器、X轴伺服驱动器、Y轴伺服驱动器、Z轴伺服驱动器、X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机、三坐标测量机、传感器、低速光电耦合器及高速光电耦合器，运动控制器与PC机、脉冲转换器、低速光电耦合器及高速光电耦合器连接，脉冲转换器与X轴伺服驱动器、Y轴伺服驱动器及Z轴伺服驱动器连接，三轴伺服驱动器通过三轴伺服电机连接至三坐标测量机，传感器与X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机、低速光电耦合器及高速光电耦合器连接。本实用新型能控制三坐标测量机的各轴运动定位准确。

Description

一种三坐标测量机的运动控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种三坐标测量机，具体涉及一种三坐标测量机的运动控制系统。

背景技术

运动控制器是通过对以电机驱动的目标装置或设备(如：三坐标测量机)进行协调控制，使其按照预期的作业轨迹进行运动的控制装置。它是电子、机械制造业的核心技术装备。从与主控计算机的数据通信方式来分，目前运动控制器主要分为两类：一是基于计算机标准并行总线(如PCI、ISA总线)的运动控制器，二是基于计算机标准串行总线(如USB、RS-232、Ethernet等)的运动控制器。前者通常做成运动控制卡，通过“金手指”(即内存条的金黄色导电触片，电脑硬件，如：内存条上与内存插槽之间、显卡与显卡插槽等)与主控计算机的主板扩展槽物理连接，并与主控计算机共电源。后者通常做成独立控制器，通过“串行通信电缆”与主控计算机连接，由于它在结构上与主控计算机完全脱离，所以又称独立式运动控制器。实践表明，基于并行总线的运动控制器存在以下不足：(1)运动控制卡不能脱离主控计算机的主板，易受电磁辐射干扰；(2)运动控制卡与主控计算机共电源，易产生电源耦合，特别是影响模拟控制(DAC)输出的控制精度；(3)运动控制卡通过“金手指”与主控计算机并行总线作机械接触连接，易产生接触不良，使控制系统不稳定；(4)运动控制卡(或主控计算机)与伺服驱动器之间需要相对较长的电缆连接，易受环境影响，并存在丢失脉冲，各轴运动定位不准确的现象。上述不足已引起世界各大运动控制器厂商的广泛关注。

控制三坐标测量机的运动控制器通常是采用并行总线的运动控制卡，并采用开环方式进行运动控制，这种方式只是从PC机到运动控制卡的单向传输，并不能将三坐标测量机的信息反馈给运动控制卡，再到主控计算机，从而主控计算机就不能通过控制该运动控制卡来调整三坐标测量机的位置，就容易存在丢失脉冲、三坐标测量机各轴运动定位不准确的现象。

而基于计算机标准串行总线的运动控制器，USB总线因其具有着即插即用、支持热插拔、性价比高、可扩展多达127个被控设备等诸多ISA和PCI总线所不及的优点而得以迅速发展。

二十世纪九十年代以来，数控系统进入了基于PC的第六代数控技术阶段，特别是“PC+运动控制器”的开放式数控技术已成为当今主要方向。而基于计算机标准总线的开放式运动控制器仍然是市场发展的主流。因此，研制一种基于计算机标准总线的开放式运动控制器是很有必要的。

中国发明专利申请CN106444535A公开了一种运动控制器及控制方法,具体地，涉及一种运动控制器及控制方法，包括运动控制器本体、1-8个扩展模块和扩展连线，所述的扩展连线包括数据读写连线、数据传递连线和使能连线，数据读写连线一方面连接至运动控制器本体，另一方面分别连接至各个扩展模块；数据传递连线包括数据0-数据7传递连线，数据传递连线为双向信号线，一方面连接至运动控制器本体，另一方面分别连接至各个扩展模块；使能连线用于串联运动控制器本体和各个扩展模块。该发明是采用基于计算机标准并行总线的运动控制器，由于运动控制器本身所带得资源有限，使外接模块与运动控制器匹配性不好、价格昂贵、系统复杂不稳定等问题。同时，在很多的应用场合还需要借助一些额外的模块才能完成系统的应用。

中国实用新型专利申请CN201955650U公开了一种三坐标运动控制器，涉及单片机及电子技术应用领域，特别是一种简易定位控制的三坐标运动控制器。包括控制盒、电路板、人机操作界面、手摇脉冲发生器MPG和控制电路，人机操作界面具有LED显示屏和控制按键，人机操作界面和手摇脉冲发生器MPG设置在控制盒上，电路板安装在控制盒内，控制电路装配在电路板上，控制电路包括单片机、输入信号电路部分、输出信号电路部分、手摇脉冲发生器MPG控制电路部分、LED显示及按键电路部分和串行通讯接口电路部分，各部分均为独立的功能模块，单片机电路与其它各部分功能电路模块之间通过系统总线相连。该实用新型是采用基于计算机标准并行总线的运动控制器，只能实现极少数的运动控制功能，在自行运动功能中缺乏圆弧插补的定位，无法达到运动轨迹控制准确要求。

中国发明专利申请CN106502143A公开了一种基于计算机的运动控制卡的构建平台系统，包括计算机及与计算机通过ISA总线电连接的运动控制卡，及与运动控制卡电连接的执行单元；所述运动控制卡包括总线接口电路，及与总线接口电路电连接的通信接口电路，及与通信接口电路电连接的DSP，及与DSP电连接的编码器信号处理电路和脉冲发生器；所述执行单元包括多个驱动器，及与驱动器电连接的电机。该发明结构简单、工作可靠、成本低廉，能够针对多轴联动的数控机床、机器人等高性能控制系统的需求。但是由于是采用基于计算机标准并行总线(如PCI、ISA总线)的运动控制卡，运动控制卡不能脱离主控计算机主板，易受电磁辐射干扰；运动控制卡与主控计算机共电源，易产生电源耦合，特别是影响模拟控制(DAC)输出的控制精度。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题，在于提供一种三坐标测量机的运动控制系统，是采用一种基于USB通信的闭环式运动控制系统来控制三坐标测量机，不仅有着即插即用、支持热插拔、性价比高，而且还具有可扩展多达127个被控设备等诸多ISA和PCI总线所不及的优点，解决了三坐标测量机采用开环运动控制存在丢失脉冲、各轴运动定位不准确的现象；采用“PC+运动控制器”的闭环式数控系统，不仅具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好等的特点，而且还从很大程度上提高了现有加工制造的精度、柔性和应付市场需求的能力。

本实用新型是这样实现的：

一种三坐标测量机的运动控制系统，所述运动控制系统包括PC机、运动控制器、脉冲转换器、X轴伺服驱动器、Y轴伺服驱动器、Z轴伺服驱动器、X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机、三坐标测量机、传感器、低速光电耦合器及高速光电耦合器，所述运动控制器分别与PC机、脉冲转换器、低速光电耦合器及高速光电耦合器连接，所述脉冲转换器分别与X轴伺服驱动器、Y轴伺服驱动器及Z轴伺服驱动器连接，所述X轴伺服驱动器通过X轴伺服电机连接至三坐标测量机，所述Y轴伺服驱动器通过Y轴伺服电机连接至三坐标测量机，所述Z轴伺服驱动器通过Z轴伺服电机连接至三坐标测量机，所述传感器分别与X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机、低速光电耦合器及高速光电耦合器连接。

进一步地，所述运动控制系统还包括驱动状态输出电路及状态指示灯，所述状态指示灯通过驱动状态输出电路连接至运动控制器。

进一步地，所述运动控制器的型号为APAX-5580。

进一步地，所述脉冲转换器的型号为SA1400。

进一步地，所述传感器为光栅尺或编码器。

本实用新型的优点在于：

(1)通过运动控制器产生驱动脉冲信号和方向脉冲信号，驱动伺服电机完成相应的机械运作，通过运动控制器将三坐标测量机的实时状态反馈给PC机，这样便于PC机进行调度，并且完成PC机下达的动作命令；

(2)运动控制器与传感器之间用光电耦合器(低速光电耦合器和高速光电耦合器)进行电气隔离，以提高抗干扰能力，低速光电耦合器用于接收通用输出信号，能起到滤波和延时的作用，使控制器工作稳定。同时，高速光电耦合器用于接收反馈的外部反馈信号，并进行电气隔离；

(3)运动控制器产生的驱动脉冲信号和方向脉冲信号，经过伺服驱动器产生驱动数字信号，控制伺服电机驱动，将外部反馈信号经过高速光电耦合器后输入给运动控制器，将通用输出信号经过低速光电耦合器后输入给运动控制器的通用输入端口。这样不仅非常有效排除了外部电磁干拢(EMI)，提高了双向传输信号质量，且也提高信号长距离抗干扰能力；

(4)USB实现PC机与运动控制器通信，通过运动控制器将三坐标测量机的实时状态反馈给PC机，以便于PC机控制，同时PC机控制信号通过USB总线传输给运动控制器。PC机与运动控制器之间还采用单片机进行USB通讯，由于单片机内部配备强大的功能模块大大简化了USB技术的开发，利用USB全速传输，保证了较高的数据传输率，同时无需外加单独的USB电源，且A/D转换器、定时器、USB控制器等器件互相独立工作，对于提高控制器集成度有明显的优势。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本实用新型作进一步的说明。

图1为本实用新型一种三坐标测量机的运动控制系统的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本实用新型的一种三坐标测量机的运动控制系统，所述运动控制系统包括PC机、运动控制器、脉冲转换器、X轴伺服驱动器、Y轴伺服驱动器、Z轴伺服驱动器、X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机、三坐标测量机、传感器、低速光电耦合器及高速光电耦合器，所述传感器为光栅尺或编码器；

所述运动控制器分别与PC机、脉冲转换器、低速光电耦合器及高速光电耦合器连接，所述脉冲转换器分别与X轴伺服驱动器、Y轴伺服驱动器及Z轴伺服驱动器连接，所述X轴伺服驱动器通过X轴伺服电机连接至三坐标测量机，所述Y轴伺服驱动器通过Y轴伺服电机连接至三坐标测量机，所述Z轴伺服驱动器通过Z轴伺服电机连接至三坐标测量机，所述传感器分别与X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机、低速光电耦合器及高速光电耦合器连接；整个系统构成了闭环控制系统。

所述运动控制系统还包括驱动状态输出电路及状态指示灯，所述状态指示灯通过驱动状态输出电路连接至运动控制器；通过在PC机与运动控制器之间采用单片机进行USB通讯，可以大大简化了USB技术的开发，利用USB全速传输，保证了较高的数据传输率，同时无需外加单独的USB电源，且A/D转换器、定时器、USB控制器等器件互相独立工作，对于提高控制器集成度有明显的优势。同时在运动控制器接入驱动状态输出电路，单片机接入状态指示灯，可以实现反馈信号的状态显示及添加外部的控制按钮。

所述运动控制器采用的是研华科技型号为APAX-5580的可编程自动化控制器，配备了两个千兆LAN控制器，控制器芯片在这种型号中都使用了完全兼容的Intel 1x i218和1x i210以太网，控制器具有IEEE 802.3u 10/100Base-T CSMA/CD标准和IEEE 802.3ab规范，用于1000Mbps以太网。以太网端口提供标准RJ-45插孔板和LED指示灯，以显示其链路(绿色LED)和活动(黄色LED)状态。该控制器可以同时控制5个轴，实现多轴协调运动。同时，研华APAX-5580控制器还配有专用的Codesys PLC Control软件进行运动控制的开发。Codesys PLC Control为PLC编程提供了一种简便的方法，可以自由地处理功能强大的IEC语言。编辑器和调试功能的使用则基于先进编程语言和已验证的程序开发环境。在本实用新型中研华APAX-5580控制器控制3台伺服电机分别完成三坐标测量机的X轴运动、Y轴运动和Z轴运动。而X轴、Y轴、Z轴各有4个开关输入信号，即左(上)、右(下)，极限位置(MLTP、LMTM)，原点(Home)位置和工作位置(INO、INI)。

所述脉冲转换器的型号为SA1400。

所述运动控制器与所述传感器之间用光电耦合器进行电气隔离，以提高抗干扰能力，使运动控制器工作稳定。运动控制器分别接入低速光电耦合器、高速光电耦合器实现输出信号的采集，低速光电耦合器，使用Shpar公司PC357芯片，用于接收通用输出信号，包括限位开关信号(LMT+/LMT一)，到位信号(INPOS)、服警信号(ALARM)和紧急开关信号(EMGN)，能起到滤波和延时的作用；高速光电耦合器，使用AGL公司HCPL-2630芯片，用于接收反馈的编码器、光栅尺信号，并进行电气隔离，其最大通过频率可达10MHz。

本实用新型的工作原理如下：

所述PC机发送控制指令给运动控制器，所述运动控制器接收到该控制指令后，产生对应的驱动脉冲信号和方向脉冲信号发送给所述脉冲转换器；所述脉冲转换器接收到驱动脉冲信号和方向脉冲信号后，将其转换成驱动数字信号，并发送给对应的X轴伺服驱动器、Y轴伺服驱动器、Z轴伺服驱动器；所述X轴伺服驱动器、Y轴伺服驱动器、Z轴伺服驱动器接收到驱动数字信号后，分别驱动X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机转动，带动所述三坐标测量机三个轴的运动；所述传感器采集X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机的通用输出信号和外部反馈信号，并发送给低速光电耦合器和高速光电耦合器；所述低速光电耦合器接收通用输出信号，并进行滤波后发送给运动控制器；所述高速光电耦合器接收外部反馈信号，并进行电气隔离后发送给运动控制器；所述运动控制器通过通用输出信号和外部反馈信号将三坐标测量机的实时状态反馈给PC机，以便PC机进行调度。

本实用新型的优点如下：

(1)通过运动控制器产生驱动脉冲信号和方向脉冲信号，驱动伺服电机完成相应的机械运作，通过运动控制器将三坐标测量机的实时状态反馈给PC机，这样便于PC机进行调度，并且完成PC机下达的动作命令；

(2)运动控制器与传感器之间用光电耦合器(低速光电耦合器和高速光电耦合器)进行电气隔离，以提高抗干扰能力，低速光电耦合器用于接收通用输出信号，能起到滤波和延时的作用，使控制器工作稳定。同时，高速光电耦合器用于接收反馈的外部反馈信号，并进行电气隔离；

(3)运动控制器产生的驱动脉冲信号和方向脉冲信号，经过伺服驱动器产生驱动数字信号，控制伺服电机驱动，将外部反馈信号经过高速光电耦合器后输入给运动控制器，将通用输出信号经过低速光电耦合器后输入给运动控制器的通用输入端口。这样不仅非常有效排除了外部电磁干拢(EMI)，提高了双向传输信号质量，且也提高信号长距离抗干扰能力；

(4)USB实现PC机与运动控制器通信，通过运动控制器将三坐标测量机的实时状态反馈给PC机，以便于PC机控制，同时PC机控制信号通过USB总线传输给运动控制器。PC机与运动控制器之间还采用单片机进行USB通讯，由于单片机内部配备强大的功能模块大大简化了USB技术的开发，利用USB全速传输，保证了较高的数据传输率，同时无需外加单独的USB电源，且A/D转换器、定时器、USB控制器等器件互相独立工作，对于提高控制器集成度有明显的优势。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本实用新型的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本实用新型的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本实用新型的权利要求所保护的范围内。

Claims (5)

1.一种三坐标测量机的运动控制系统，其特征在于：所述运动控制系统包括PC机、运动控制器、脉冲转换器、X轴伺服驱动器、Y轴伺服驱动器、Z轴伺服驱动器、X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机、三坐标测量机、传感器、低速光电耦合器及高速光电耦合器，所述运动控制器分别与PC机、脉冲转换器、低速光电耦合器及高速光电耦合器连接，所述脉冲转换器分别与X轴伺服驱动器、Y轴伺服驱动器及Z轴伺服驱动器连接，所述X轴伺服驱动器通过X轴伺服电机连接至三坐标测量机，所述Y轴伺服驱动器通过Y轴伺服电机连接至三坐标测量机，所述Z轴伺服驱动器通过Z轴伺服电机连接至三坐标测量机，所述传感器分别与X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机、低速光电耦合器及高速光电耦合器连接。

2.如权利要求1所述的一种三坐标测量机的运动控制系统，其特征在于：所述运动控制系统还包括驱动状态输出电路及状态指示灯，所述状态指示灯通过驱动状态输出电路连接至运动控制器。

3.如权利要求1所述的一种三坐标测量机的运动控制系统，其特征在于：所述运动控制器的型号为APAX-5580。

4.如权利要求1所述的一种三坐标测量机的运动控制系统，其特征在于：所述脉冲转换器的型号为SA1400。

5.如权利要求1所述的一种三坐标测量机的运动控制系统，其特征在于：所述传感器为光栅尺或编码器。