CN2785878Y - 一种基于交流伺服系统的x－y坐标教学绘图仪 - Google Patents
一种基于交流伺服系统的x－y坐标教学绘图仪 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于交流伺服系统的X－Y坐标教学绘图仪，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向和Y向伺服控制(202)、(203)相连，X向伺服驱动器(202)与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)及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，其一端与工作台(305)相连，在作为底座的X向滚珠导轨(301)上固定连接有笔架(401)和的绘图笔(402)。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种教学实验仪器，尤其是一种利用交流伺服控制的二维数控坐标绘图仪，具体地说是一种基于交流伺服系统的X-Y坐标教学绘图仪。
背景技术
绘图仪是一种能按照人们要求自动绘制图形的设备，也是作为计算机的一种的外部设备，具有将计算机内部数据输出为二维图形的功能。它可将计算机的输出信息以图形的形式输出。主要可绘制各种管理图表和统计图、大地测量图、建筑设计图、电路布线图、各种机械图与计算机辅助设计图等。现代的绘图仪已具有智能化的功能，它自身带有微处理器，可以使用绘图命令，具有直线和字符演算处理以及自检测等功能。最常用的是X-Y绘图仪，它一般是由驱动电机、插补器、控制电路、绘图台、笔架、机械传动等部分组成。绘图仪除了必要的硬设备之外，还必须配备丰富的绘图软件。从结构上分，绘图仪可以分为平台式和滚筒式两种。
1.滚筒式绘图仪：当X向步进电机通过传动机构驱动滚筒转动时，链轮就带动图纸移动，从而实现X方向运动。Y方向的运动，是由Y向步进电机驱动笔架来实现的。这种绘图仪结构紧凑，绘图幅面大。但它需要使用两侧有链孔的专用绘图纸。
2.平台式绘图仪：绘图平台上装有横梁，笔架装在横梁上，绘图纸固定在平台上。X向步进电机驱动横梁连同笔架，作X方向运动；Y向步进电机驱动笔架沿着横梁导轨，作Y方向运动。图纸在平台上的固定方法有3种，即真空吸附、静电吸附和磁条压紧。平台式绘图仪绘图精度高，对绘图纸无特殊要求，应用比较广泛。
无论哪一种类型的绘图仪，其执行电机几乎都采用步进电机，步进电机虽然控制简单，然而由于其低速共振、运行噪音大、易丢步等固有缺点导致绘图仪很难达到高速、高精度的要求。另外常见的绘图仪，其笔架(或喷墨头)结构复杂，并且容易损坏，因此急需一种可供教学实验用的高精度绘图仪，它不仅可按要求绘出所需的图纸，而且可使学生通过实际操作进一步理解伺服控制系统理论，提高学生的动手能力的绘图仪供教学使用。
发明内容
本实用新型的目的是为高等学校提供一种教学急需的基于交流伺服系统的X-Y坐标教学绘图仪。
本实用新型的技术方案是：
一种基于交流伺服系统的X-Y坐标教学绘图仪，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，在作为底座的X向滚珠导轨301上固定连接有笔架401和固定在笔架401上的绘图笔402，绘图笔402位于工作台305的上方。
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。
本实用新型的有益效果：
1、本实用新型具有性能稳定、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、本实用新型采用高性能的交流伺服电机作为执行机构，克服了由步进电机带来的共振、噪音和丢步等缺点，使得绘图仪可以很容易达到高速高精度的要求。并且本实用新型简化绘图仪的笔架部分，把笔架安装在绘图平台底座上，绘图笔直接利用普通的铅笔或油性笔，这样大大降低了绘图仪的耗材成本。
3、本实用新型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。
4、本实用新型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是本实用新型的伺服系统原理框图。
图2是本实用新型的结构框图。
图3是本实用新型的二维伺服控制系统的结构示意图(。
图4是本实用新型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是本实用新型的电原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。
如图2～7所示。
一种基于交流伺服系统的X-Y坐标教学绘图仪，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，在作为底座的X向滚珠导轨301上固定连接有笔架401和固定在笔架401上的绘图笔402，绘图笔402位于工作台305的上方，如图4、5、6所示。上述的笔架401及绘图笔402组成的执行部件还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。
本实用新型可以利用EdiTasc通用数控软件的Mtasc运动控制语言方便简单地完成工作平台上的定位运动；进行各种直线、曲线组成的图案编制；各种数学模型轨迹的编写；实现计算机数控的直线和圆弧插补运动。并且，定位轨迹、各种图案、数学模型轨迹都可以通过工作平台上的笔架在工作平台上精确的绘出来。
本实用新型还可以利用EdiTasc通用数控软件接收MASTERCAM、文泰、Type3、CAXA等先进CAD/CAM软件生成的标准G代码；可接收CAD(DXF格式)文件；并且可以通过笔架把设计好的各种产品精确地绘制出来。
本实用新型还可利用RS232或RS485串口通讯线把计算机和交流伺服驱动器联结起来，通过测试软件Panaterm实现交流伺服驱动的参数分析、I/O状态的监视、波形图分析、响应频率的测量、自动增益调整。
总之，本实用新型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。
本实用新型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。
本实用新型的伺服驱动工作原理：
本实用新型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 (3)
1、一种基于交流伺服系统的X-Y坐标教学绘图仪，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，在作为底座的X向滚珠导轨(301)上固定连接有笔架(401)和固定在笔架(401)上的绘图笔(402)，绘图笔(402)位于工作台(305)的上方。
2、根据权利要求1所述的一种基于交流伺服系统的X-Y坐标教学绘图仪，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所述的一种基于交流伺服系统的X-Y坐标教学绘图仪，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。
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |