CN210166651U

CN210166651U - 一种多轴运动控制实训设备

Info

Publication number: CN210166651U
Application number: CN201921031556.1U
Authority: CN
Inventors: 李云龙; 汤海梅; 李益敏
Original assignee: Tianjin Sino German Vocational Technical College
Current assignee: Tianjin Sino German University of Applied Sciences; Tianjin Sino German Vocational Technical College
Priority date: 2019-07-04
Filing date: 2019-07-04
Publication date: 2020-03-20
Anticipated expiration: 2029-07-04

Abstract

本实用新型涉及一种多轴运动控制实训设备，所述设备包括底板、XYZ轴机械运动本体、运动控制器和伺服驱动器，所述底板沿水平方向设置，该底板的上表面的水平一侧相连接设置XYZ轴结构运动本体，该底板的上表面的水平另一侧相连接设置运动控制器和伺服驱动器，所述XYZ轴机械运动本体、伺服驱动器均与运动控制器相连接设置。本设备的机械运动本体部分采用了XYZ轴的立体结构，在Y轴方向上应用双伺服电机驱动技术，在常规XYZ轴运动控制实训内容的基础上扩展双电机的同步驱动运动控制实训，应用专门的运动控制器，采用实时工业网络通讯的方式控制伺服驱动器，实现整个实训系统的运行，实训内容多样灵活。

Description

一种多轴运动控制实训设备

技术领域

本实用新型属于控制领域、机械技术领域，尤其是一种多轴运动控制实训设备。

背景技术

目前，运动控制技术广泛应用于数控机床、机器人等装备制造领域，其是工业生产装备高精度控制的重要技术基础。在高等院校运动控制系统课程实训设备中，目前主要是侧重于调速系统或者单轴伺服系统的应用及控制精度调试，现有的实训设备缺少一定的系统性及可扩展性，学生实训受限比较大，实训方式不灵活，在学生的培养中缺少能够有效培养学生解决多轴伺服技术协调控制应用技术的实训设备，并且现有实训设备多应用可编程序控制器发出多组脉冲的形式控制伺服驱动器，控制实时性不高，缺少对学生应用网络架构运动控制技术的培养。

通过检索，尚未发现与本实用新型专利申请相关的专利公开文献。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种多轴运动控制实训设备，该设备的机械运动本体部分采用了XYZ轴的立体结构，在Y轴方向上应用双伺服电机驱动技术，在常规XYZ轴运动控制实训内容的基础上扩展双电机的同步驱动运动控制实训，应用专门的运动控制器，采用实时工业网络通讯的方式控制伺服驱动器，实现整个实训系统的运行，实训内容多样灵活。

本实用新型解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种多轴运动控制实训设备，所述设备包括底板、XYZ轴机械运动本体、运动控制器和伺服驱动器，所述底板沿水平方向设置，该底板的上表面的水平一侧相连接设置XYZ轴机械运动本体，该底板的上表面的水平另一侧相连接设置运动控制器和伺服驱动器，所述XYZ轴机械运动本体、伺服驱动器均与运动控制器相连接设置。

而且，所述XYZ轴机械运动本体包括直线滑台模组、电动推杆、电磁夹具、平整画板、伺服电机、上限位传感器、原点传感器和下限位传感器，所述直线滑台模组包括1号静音直线滑台模组、2号静音直线滑台模组和3号静音直线滑台模组，所述伺服电机包括1号伺服电机、2号伺服电机和3号伺服电机，所述1号伺服电机、2号伺服电机和3号伺服电机均与伺服驱动器相连接设置；

所述1号静音直线滑台模组、2号静音直线滑台模组均沿纵向设置，且沿水平方向平行间隔设置，所述1号静音直线滑台模组与1号伺服电机相连接设置，所述2号静音直线滑台模组与2号伺服电机相连接设置，所述1号静音直线滑台模组与2号静音直线滑台模组构成Y轴，由1号静音直线滑台模组、2号静音直线滑台模组运动实现Y轴方向位置移动；

所述3号静音直线滑台模组沿水平方向设置，且垂直连接设置于1号静音直线滑台模组、2号静音直线滑台模组的上表面上，构成X轴，该3号静音直线滑台模组与3号伺服电机相连接设置，由3号静音直线滑台模组运动实现X轴方向位置移动；

所述伺服驱动器包括1号伺服驱动器、2号伺服驱动器和3号伺服驱动器，所述1号伺服电机与1号伺服驱动器相连接设置，所述2号伺服电机与2号伺服驱动器相连接设置，所述3号伺服电机与3号伺服驱动器相连接设置，所述1号伺服驱动器、2号伺服驱动器和3号伺服驱动器依次串联设置；

靠近纵向两端的纵向两侧的1号静音直线滑台模组、2号静音直线滑台模组上均分别设置有上限位传感器、下限位传感器，上限位传感器、下限位传感器之间的1号静音直线滑台模组、2号静音直线滑台模组上均分别设置有原点传感器，所述上限位传感器、原点传感器和下限位传感器均间隔设置；所述1号静音直线滑台模组上的上限位传感器、原点传感器和下限位传感器均与1号伺服驱动器相连接设置，所述2号静音直线滑台模组上的上限位传感器、原点传感器和下限位传感器均与2号伺服驱动器相连接设置；

靠近水平两端的水平两侧的3号静音直线滑台模组上也设置有上限位传感器、下限位传感器，上限位传感器、下限位传感器之间的3号静音直线滑台模组上也设置有原点传感器，3号静音直线滑台模组上的上限位传感器、原点传感器和下限位传感器也间隔设置；所述3号静音直线滑台模组上的上限位传感器、原点传感器和下限位传感器均与3号伺服驱动器相连接设置；

所述上限位传感器、下限位传感器对系统运行起到保护作用，传感器信号送入相对应的伺服驱动器，一旦触发限位信号，伺服系统报错，强制停止相对应的伺服驱动器；

所述电动推杆沿竖直方向设置，且垂直安装于1号静音直线滑台模组、2号静音直线滑台模组之间的底板上，该电动推杆上相连接设置电磁夹具，该电磁夹具上能够可拆卸安装白板笔，用以描绘实训系统的运动轨迹，所述电动推杆、底板之间相连接设置平整画板，该平整画板能够接受白板笔描绘的运动轨迹，该平整画板上能够设置白纸(图中未标号)，供实训中电磁夹具中的白板笔进行运动轨迹作图及演示；所述电磁夹具与底板相间隔设置；所述电动推杆、电磁夹具构成Z轴；所述电动推杆、电磁夹具均与运动控制器相连接设置，该运动控制器能够控制电动推杆沿竖直方向上下移动，该电动推杆能够带动电磁夹具沿竖直方向上下移动，该运动控制器能够控制电磁夹具的吸合与打开，进而安装、拆卸白板笔。

而且，所述电动推杆为直流电机驱动的电动推杆，所述电磁夹具为直流电磁夹具；

或者，1号静音直线滑台模组、2号静音直线滑台模组上的上限位传感器、下限位传感器均距离其相邻纵向两端的距离为20mm，所述1号静音直线滑台模组、2号静音直线滑台模组上的原点传感器距离上限位传感器的距离为10mm。

而且，所述上限位传感器、下限位传感器为微动开关，所述原点传感器为光电开关；

或者，所述1号伺服驱动器、2号伺服驱动器和3号伺服驱动器的型号均为IS620PS1R6I-CO，驱动器支持CANopen通讯控制，3台伺服驱动器采用串行连接的方式相连，每台伺服驱动器分配有固定的通讯站号，将运动控制器设置为CANopen通讯主站，伺服驱动器设置为通讯从站，通过总线的方式实现运动控制器对各个伺服驱动器的控制；

或者，所述1号伺服电机、2号伺服电机和3号伺服电机通过联轴器与1号静音直线滑台模组、2号静音直线滑台模组、3号静音直线滑台模组相连接设置。

而且，所述微动开关为SS-5GL2微动开关，所述原点传感器为EE-SX950-W光电开关。

而且，所述运动控制器采用总线式可编程序控制器，该总线式可编程序控制器能够具有工业网络通讯能力，同时具有数字量I/O接口，具备逻辑控制能力。

而且，所述运动控制器采用具有CANopen总线通讯功能的运动控制型可编程序控制器，控制器型号为H3U-1616MT，具有16路数字量输入接口，16路数字量输出接口，满足本实训设备的控制器要求。

而且，所述运动控制器与伺服驱动器采用工业网络总线的形式连接；

或者，所述平整面板的尺寸为200*100mm。

或者，所述底板的材质采用铝合金结构底板，尺寸大小为800*500mm。

而且，所述设备还包括操作按钮盒，所述操作按钮盒与运动控制器相连接设置，所述操作按钮盒包括启动按钮、停止按钮、急停开关和复位按钮，所述启动按钮、停止按钮、急停开关和复位按钮分别均与电源、运动控制器相连接设置，所述复位按钮能够使1号静音直线滑台模组、2号静音直线滑台模组、3号静音直线滑台模组回到原点位置，即原点传感器所在的位置。

本实用新型取得的优点和积极效果是：

1、本设备针对现有技术中的运动控制实训系统存在的问题，本发明设计了一款桌面式的多轴伺服运动实训平台，可将其制作成尺寸较小的设备，并可摆放与实训桌面之上，不同于其他柜式结构实训设备，可以克服实训设备占用空间较大缺陷；

本设备的机械运动本体部分采用了XYZ轴的立体结构，在Y轴方向上应用双伺服电机驱动技术，在常规XYZ轴运动控制实训内容的基础上扩展双电机的同步驱动运动控制实训，应用专门的运动控制器，采用实时工业网络通讯的方式控制伺服驱动器，实现整个实训系统的运行，实训内容多样灵活。

2、本实训设备包括底板、XYZ轴机械运动本体、运动控制器和伺服驱动器，XYZ轴机械运动本体，采用龙门双驱架构，由两个立柱、横梁、丝杠等部件组成，属于定梁式龙门结构。在Y轴方向上采用双伺服电机驱动，控制龙门装置纵向移动，可以获得更高的加速度性能与控制带宽。现实应用场景中双驱结构电机、丝杠等机械部件特性存在差异，此实训设备利用此种方式可增加学生对龙门框架移动同步性的控制实训，以更加真实的应用场景培养学生伺服电机同步控制的应用能力。X轴采用单轴伺服电机驱动，控制龙门装置横向移动，综合Y轴双驱电机，可以开展运动控制技术课程中的直线插补应用实训、圆弧插补应用实训。在Z轴采用直流电机驱动的电动推杆以及直流电磁夹具具，在实训中应用电磁夹具具夹紧白板笔，由电动推杆驱动在Z轴方向上移动，克服以往设备采用气夹具，设备运行中无需气源，增强了设备的适用性。

3、本实训设备采用桌面式布局结构，结构紧凑小巧，应用灵活方便。

4、本实训设备采用龙门式机械结构本体，并且在Y轴方向采用双伺服电机驱动结构，可以培养学生克服结构误差、应用同步驱动控制技术，扩展了运动控制实训内容。

5、本实训设备的运动控制器应用具有CANopen总线通讯功能的可编程序控制器实现对伺服驱动器的控制，控制实时性高，可以结合具体运动案例培养学生总线通讯的应用能力；

6、本实训设备在Z轴采用直流电机驱动的电动推杆，及直流电磁夹具具，应用方便。

附图说明

图1为本实用新型整体实训设备的结构连接示意图；

图2为本实用新型实训设备的一种控制系统结构框图。

具体实施方式

下面结合通过具体实施例对本实用新型作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本实用新型的保护范围。

本实用新型中所使用的原料，如无特殊说明，均为常规的市售产品；本实用新型中所使用的方法，如无特殊说明，均为本领域的常规方法。

一种多轴运动控制实训设备，如图1和图2所示，所述设备包括底板20、XYZ轴机械运动本体、运动控制器6和伺服驱动器7，所述底板沿水平方向设置，该底板的上表面的水平一侧相连接设置XYZ轴机械运动本体，该底板的上表面的水平另一侧相连接设置运动控制器和伺服驱动器，所述XYZ轴机械运动本体、伺服驱动器均与运动控制器相连接设置。

在本实施例中，所述底板的材质采用铝合金结构底板，尺寸大小为800*500mm。

在本实施例中，所述XYZ轴机械运动本体采用龙门架构形式，所述XYZ轴机械运动本体包括直线滑台模组、电动推杆18、电磁夹具17、平整画板16、伺服电机、上限位传感器4、原点传感器12和下限位传感器13，所述直线滑台模组包括1号静音直线滑台模组14、2号静音直线滑台模组19和3号静音直线滑台模组3，所述伺服电机包括1号伺服电机5、2号伺服电机1和3号伺服电机2，所述1号伺服电机、2号伺服电机和3号伺服电机均与伺服驱动器相连接设置；

所述1号静音直线滑台模组、2号静音直线滑台模组均沿纵向设置，且沿水平方向平行间隔设置，所述1号静音直线滑台模组与1号伺服电机相连接设置，所述2号静音直线滑台模组与2号伺服电机相连接设置，所述1号静音直线滑台模组与2号静音直线滑台模组构成Y轴，由1号静音直线滑台模组、2号静音直线滑台模组运动实现Y轴方向(即纵向)位置移动；

所述3号静音直线滑台模组沿水平方向设置，且垂直连接设置于1号静音直线滑台模组、2号静音直线滑台模组的上表面上，构成X轴，该3号静音直线滑台模组与3号伺服电机相连接设置，由3号静音直线滑台模组运动实现X轴方向(即水平方向)位置移动；

所述伺服驱动器包括1号伺服驱动器8、2号伺服驱动器9和3号伺服驱动器10，所述1号伺服电机与1号伺服驱动器相连接设置，所述2号伺服电机与2号伺服驱动器相连接设置，所述3号伺服电机与3号伺服驱动器相连接设置，所述1号伺服驱动器、2号伺服驱动器和3号伺服驱动器依次串联设置；

靠近纵向两端的纵向两侧的1号静音直线滑台模组、2号静音直线滑台模组上均分别设置有上限位传感器、下限位传感器，用作对于运动超限的停止保护，上限位传感器、下限位传感器之间的1号静音直线滑台模组、2号静音直线滑台模组上均分别设置有原点传感器，用以实现每轴伺服的回零功能，所述上限位传感器、原点传感器和下限位传感器均间隔设置；所述1号静音直线滑台模组上的上限位传感器、原点传感器和下限位传感器均与1号伺服驱动器相连接设置，所述2号静音直线滑台模组上的上限位传感器、原点传感器和下限位传感器均与2号伺服驱动器相连接设置；

靠近水平两端的水平两侧的3号静音直线滑台模组上也设置有上限位传感器、下限位传感器，用作对于运动超限的停止保护，上限位传感器、下限位传感器之间的3号静音直线滑台模组上也设置有原点传感器，用以实现每轴伺服的回零功能，3号静音直线滑台模组上的上限位传感器、原点传感器和下限位传感器也间隔设置；所述3号静音直线滑台模组上的上限位传感器、原点传感器和下限位传感器均与3号伺服驱动器相连接设置；

所述电动推杆沿竖直方向设置，且垂直安装于1号静音直线滑台模组、2号静音直线滑台模组之间的底板上，该电动推杆上相连接设置电磁夹具，该电磁夹具上能够可拆卸安装白板笔15，用以描绘实训系统的运动轨迹，所述电动推杆、底板之间相连接设置平整画板，该平整画板能够接受白板笔描绘的运动轨迹，该平整画板上能够设置白纸(图中未标号)，供实训中电磁夹具具中的白板笔进行运动轨迹作图及演示；所述电磁夹具与底板相间隔设置；所述电动推杆、电磁夹具具构成Z轴；所述电动推杆、电磁夹具均与运动控制器相连接设置，该运动控制器能够控制电动推杆沿竖直方向上下移动，该电动推杆能够带动电磁夹具沿竖直方向上下移动，该运动控制器能够控制电磁夹具的吸合与打开，进而安装、拆卸白板笔。

在本实施例中，所述电动推杆为直流电机驱动的电动推杆，较优地，所述电动推杆为直流24V供电，所述电磁夹具为直流电磁夹具。

较优地，1号静音直线滑台模组、2号静音直线滑台模组上的上限位传感器、下限位传感器均距离其相邻纵向两端的距离为20mm，所述1号静音直线滑台模组、2号静音直线滑台模组上的原点传感器距离上限位传感器的距离为10mm。

在本实施例中，所述上限位传感器、下限位传感器为微动开关，所述原点传感器为光电开关。较优地，所述微动开关为SS-5GL2微动开关，所述原点传感器为EE-SX950-W光电开关。较优地，所述1号静音直线滑台模组、2号静音直线滑台模组、3号静音直线滑台模组上的上限位传感器、原点传感器和下限位传感器的传感器信号分别与1号伺服驱动器、2号伺服驱动器和3号伺服驱动器的数字量输入端口相连接设置。

在本实施例中，所述运动控制器采用总线式可编程序控制器，该总线式可编程序控制器能够具有较强的工业网络通讯能力，同时具有一定的数字量I/O接口，具备一定的逻辑控制能力。

较优地，所述运动控制器采用具有CANopen总线通讯功能的可编程序控制器，控制器型号为H3U-1616MT，具有16路数字量输入接口，16路数字量输出接口，满足本实训设备的控制器要求。

较优地，所述1号伺服驱动器、2号伺服驱动器和3号伺服驱动器的型号均为IS620PS1R6I-CO，驱动器支持CANopen通讯控制，3台伺服驱动器采用串行连接的方式相连，每台伺服驱动器分配有固定的通讯站号，将运动控制器设置为CANopen通讯主站，伺服驱动器设置为通讯从站，通过总线的方式实现运动控制器对各个伺服驱动器的控制。通讯实时性高，克服以往脉冲控制方式中易丢失脉冲，控制精度不高等缺陷。

在本实施例中，所述运动控制器与伺服驱动器采用CANopen总线的形式连接，如图2所示，运动控制器作为CANopen通讯主站，连接至1号伺服驱动器，由1号驱动器引出网络总线至2号伺服驱动器，再由2号伺服驱动器引出网络总线至3号伺服驱动器，实现可编程序控制器对三台伺服电机的实时控制。在实际使用的过程中，当操作按钮信号送入到运动控制器后，由控制程序解析具体目标位置信息，控制程序分别将X、Y轴目标位置根据通讯从站地址信息送入到相应的伺服驱动器，驱动对应的伺服电机动作，X、Y位置到位后，控制器驱动直流电机正转，下放夹具，到达下放位置后，再根据实训要求的X、Y轴目标位置驱动伺服电机动作，实现实训设备控制白板笔在平整面板上按照实训内容的要求描绘运动轨迹。实训要求的轨迹描绘完成后，控制器驱动直流电机反转，上抬夹具，由控制器驱动X、Y轴回到各自轴的原点位置。

在本实施例中，所述1号伺服电机、2号伺服电机和3号伺服电机通过联轴器与1号静音直线滑台模组、2号静音直线滑台模组、3号静音直线滑台模组相连接设置。

在本实施例中，所述平整面板的尺寸为200*100mm。

在本实施例中，所述设备还包括操作按钮盒11，所述操作按钮盒与运动控制器相连接设置，所述操作按钮盒包括启动按钮、停止按钮、急停开关和复位按钮(图中未标号)，所述启动按钮、停止按钮、急停开关和复位按钮分别均与电源、运动控制器相连接设置，所述复位按钮能够使1号静音直线滑台模组、2号静音直线滑台模组、3号静音直线滑台模组回到原点位置，即原点传感器所在的位置。

本设备设置复位按钮，每次系统运行前单击复位按钮，X轴、Y轴均回到原点位置。

尽管为说明目的公开了本实用新型的实施例，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本实用新型的范围不局限于实施例所公开的内容。

Claims

1.一种多轴运动控制实训设备，其特征在于：所述设备包括底板、XYZ轴机械运动本体、运动控制器和伺服驱动器，所述底板沿水平方向设置，该底板的上表面的水平一侧相连接设置XYZ轴机械运动本体，该底板的上表面的水平另一侧相连接设置运动控制器和伺服驱动器，所述XYZ轴机械运动本体、伺服驱动器均与运动控制器相连接设置。

2.根据权利要求1所述的多轴运动控制实训设备，其特征在于：所述XYZ轴机械运动本体包括直线滑台模组、电动推杆、电磁夹具、平整画板、伺服电机、上限位传感器、原点传感器和下限位传感器，所述直线滑台模组包括1号静音直线滑台模组、2号静音直线滑台模组和3号静音直线滑台模组，所述伺服电机包括1号伺服电机、2号伺服电机和3号伺服电机，所述1号伺服电机、2号伺服电机和3号伺服电机均与伺服驱动器相连接设置；

靠近水平两端的水平两侧的3号静音直线滑台模组上也设置有上限位传感器、下限位传感器，上限位传感器、下限位传感器之间的3号静音直线滑台模组上也设置有原点传感器，3 号静音直线滑台模组上的上限位传感器、原点传感器和下限位传感器也间隔设置；所述3号静音直线滑台模组上的上限位传感器、原点传感器和下限位传感器均与3号伺服驱动器相连接设置；

所述电动推杆沿竖直方向设置，且垂直安装于1号静音直线滑台模组、2号静音直线滑台模组之间的底板上，该电动推杆上相连接设置电磁夹具，该电磁夹具上能够可拆卸安装白板笔，用以描绘实训系统的运动轨迹，所述电动推杆、底板之间相连接设置平整画板，该平整画板能够接受白板笔描绘的运动轨迹，该平整画板上能够设置白纸，供实训中电磁夹具中的白板笔进行运动轨迹作图及演示；所述电磁夹具与底板相间隔设置；所述电动推杆、电磁夹具构成Z轴；所述电动推杆、电磁夹具均与运动控制器相连接设置，该运动控制器能够控制电动推杆沿竖直方向上下移动，该电动推杆能够带动电磁夹具沿竖直方向上下移动，该运动控制器能够控制电磁夹具的吸合与打开，进而安装、拆卸白板笔。

3.根据权利要求2所述的多轴运动控制实训设备，其特征在于：所述电动推杆为直流电机驱动的电动推杆，所述电磁夹具为直流电磁夹具；

4.根据权利要求2所述的多轴运动控制实训设备，其特征在于：所述上限位传感器、下限位传感器为微动开关，所述原点传感器为光电开关；

或者，或者，所述1号伺服驱动器、2号伺服驱动器和3号伺服驱动器的型号均为IS620PS1R6I-CO，驱动器支持CANopen通讯控制，3台伺服驱动器采用串行连接的方式相连，每台伺服驱动器分配有固定的通讯站号，将运动控制器设置为CANopen通讯主站，伺服驱动器设置为通讯从站，通过总线的方式实现运动控制器对各个伺服驱动器的控制；

5.根据权利要求4所述的多轴运动控制实训设备，其特征在于：所述微动开关为SS-5GL2微动开关，所述原点传感器为EE-SX950-W光电开关。

6.根据权利要求1所述的多轴运动控制实训设备，其特征在于：所述运动控制器采用总线式可编程序控制器，该总线式可编程序控制器能够具有工业网络通讯能力，同时具有数字量I/O接口，具备逻辑控制能力。

7.根据权利要求6所述的多轴运动控制实训设备，其特征在于：所述运动控制器采用具有CANopen总线通讯功能的运动控制型可编程序控制器，控制器型号为H3U-1616MT，具有16路数字量输入接口，16路数字量输出接口，满足本实训设备的控制器要求。

8.根据权利要求1所述的多轴运动控制实训设备，其特征在于：所述运动控制器与伺服驱动器采用串行工业网络总线的形式连接。

9.根据权利要求1所述的多轴运动控制实训设备，其特征在于：所述底板的材质采用铝合金结构底板，尺寸大小为800*500mm。

10.根据权利要求1至9任一项所述的多轴运动控制实训设备，其特征在于：所述设备还包括操作按钮盒，所述操作按钮盒与运动控制器相连接设置，所述操作按钮盒包括启动按钮、停止按钮、急停开关和复位按钮，所述启动按钮、停止按钮、急停开关和复位按钮分别均与电源、运动控制器相连接设置，所述复位按钮能够使1号静音直线滑台模组、2号静音直线滑台模组、3号静音直线滑台模组回到原点位置，即原点传感器所在的位置。