基于運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)控試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

何苗

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣元 628017）

機(jī)電一體化產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)水平的高低，已是當(dāng)今世界衡量一個(gè)國(guó)家實(shí)力和國(guó)際地位的重要標(biāo)志，運(yùn)動(dòng)控制器及其相關(guān)技術(shù)是各類機(jī)電一體化產(chǎn)品的核心技術(shù),本課題的目的是通過對(duì)GT400運(yùn)動(dòng)控制器的二次開發(fā)，利用其提供的基本功能完成基于PC機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)。

圖1 硬件組成框圖

1 機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械傳動(dòng)部分

機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般由動(dòng)力源、變速機(jī)構(gòu)、換向機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)分配機(jī)構(gòu)、執(zhí)行件等組成。常用的機(jī)械傳動(dòng)部件有螺旋機(jī)構(gòu)、齒輪傳動(dòng)、同步帶以及各種非線性傳動(dòng)部件，其主要目的是傳遞轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速。該系統(tǒng)動(dòng)力源采用VRDM397/LHA型步進(jìn)電機(jī)；換向機(jī)構(gòu)采用型號(hào)為FYC2D2504-3的滾珠絲杠，固定方式為一端固定，一段有隙，其優(yōu)點(diǎn)在于壓桿穩(wěn)定和臨界轉(zhuǎn)校高，而且絲杠有熱膨脹的余地。支承形式采用7603020TVP60接觸角角接觸球軸承一對(duì)，背靠背組合的形式。滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副時(shí)在滑塊與導(dǎo)軌之間放入適當(dāng)?shù)匿撝?，使滑塊與導(dǎo)軌之間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦大大降低二者之間的摩擦阻力，有助于提高數(shù)控系統(tǒng)的相應(yīng)度與靈敏度。因此在x、y向用滾動(dòng)導(dǎo)軌副，型號(hào)為HJG-D25.

1.2 電器部分設(shè)計(jì)

伺服驅(qū)動(dòng)部件是數(shù)控系統(tǒng)中與機(jī)械直接有關(guān)的部分，它們的性能決定了機(jī)床的本控制特性，所以正確合理的選擇可靠的伺服驅(qū)動(dòng)部件對(duì)提高產(chǎn)品的功能起著決定性的作用。

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件，其特點(diǎn)是：步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素的影響，只要他們的大小未引起步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生丟步現(xiàn)象之前，就不影響其正常工作：控制性能好。在啟動(dòng)停止反轉(zhuǎn)時(shí)不易丟步。因此步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于開環(huán)結(jié)構(gòu)的機(jī)電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，并可靠的獲得較高的位置精度。動(dòng)力源采用VRDM397/LHA型步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)不能直接接到交流電源上工作，需要有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電源是一個(gè)有機(jī)整體，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行性能是步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電源兩者的綜合效果。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用雷塞535型驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用類似伺服控制原理的電路，此電路可以使電機(jī)低速運(yùn)行平穩(wěn)，幾乎沒有震動(dòng)和噪音，電機(jī)在高速時(shí)力矩大大高于二相和五相混合式步進(jìn)電機(jī)，定位精度最高可達(dá)30 000步/轉(zhuǎn)。

2 檢測(cè)部分的設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的工作臺(tái)要求進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)加工產(chǎn)品，在工作臺(tái)達(dá)到極限位置時(shí)，必須自動(dòng)停下來。另外機(jī)械原點(diǎn)是數(shù)控工作臺(tái)所有坐標(biāo)系的基準(zhǔn)點(diǎn)，機(jī)械原點(diǎn)的穩(wěn)定性是該工作臺(tái)的一個(gè)極為重要技術(shù)指標(biāo)，也是加工文寧的一個(gè)最基本的保證。像這一類的行程控制可以利用行程開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。

電感式接近開關(guān)屬于一種有開關(guān)量輸出的位置傳感器，當(dāng)金屬在接近時(shí)，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個(gè)渦流反作用于接近開關(guān)，是開關(guān)內(nèi)部電路的參數(shù)產(chǎn)生變化，由此識(shí)別出有無金屬物體接近，進(jìn)而控制開關(guān)的通和斷完成無接觸檢測(cè)物體的目的。

根據(jù)工作臺(tái)精度要求及尺寸選型號(hào)為JG35L-F15TB,尺寸大小為35×33×70 mm的電感定位開關(guān)作為該數(shù)控工作臺(tái)的檢測(cè)原件。

3 故障診斷設(shè)計(jì)部分

隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,功能越來越完備,自動(dòng)化程度也越來越高。機(jī)械設(shè)備的故障診斷技術(shù)越來越受到重視，如果某臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障而又未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除，其結(jié)果不僅會(huì)導(dǎo)致設(shè)備本身?yè)p壞，甚至可能會(huì)給生產(chǎn)和質(zhì)量以至人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成難以估計(jì)的嚴(yán)重后果。

為適應(yīng)試驗(yàn)臺(tái)的工作要求將診斷部分的設(shè)計(jì)分為通訊出錯(cuò)；命令錯(cuò)誤；圓弧插補(bǔ)半徑不正確；直線插補(bǔ)長(zhǎng)度為零或超出控制器處理范圍等幾塊，適合教學(xué)要求。

對(duì)于用戶通過主機(jī)發(fā)出命令，運(yùn)動(dòng)控制器在檢查校驗(yàn)后會(huì)給出一個(gè)反饋，這個(gè)反饋就是命令（庫(kù)函數(shù)）的返回值。根據(jù)返回的值在界面上顯示相應(yīng)的故障原因。比如，返回值為-1時(shí)，顯示通訊出錯(cuò)；返回值為0時(shí)，顯示命令執(zhí)行成功；返回值為1時(shí)，顯示命令錯(cuò)誤；此時(shí)調(diào)用GT-Get(mdstsc)命令，進(jìn)一步確定出錯(cuò)原因，顯示在命令出錯(cuò)函數(shù)的下一行，當(dāng)出現(xiàn)命令錯(cuò)誤時(shí)，通過判斷命令錯(cuò)誤寄存器中的位，把可能引起命令錯(cuò)誤的原因顯示在界面上。

（2）根據(jù)返回的值在界面上顯示相應(yīng)的故障原因。返回值為-1時(shí)，顯示通訊出錯(cuò)；而且重復(fù)調(diào)試用該命令多次仍返回-1，說明運(yùn)動(dòng)控制器的通訊出現(xiàn)故障，運(yùn)動(dòng)控制器沒有正確的接受主機(jī)命令；或是運(yùn)動(dòng)控制器的軟件運(yùn)行不正常；不能正確處理主機(jī)命令；此時(shí)應(yīng)停止程序運(yùn)行。此時(shí)于診斷界面上顯示“通訊出錯(cuò)”?？驁D如圖2：

圖2 運(yùn)動(dòng)框圖

（2）如果該命令是單軸運(yùn)動(dòng)命令出錯(cuò)，將引起當(dāng)前軸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)字的Bit7的置位。同時(shí)運(yùn)動(dòng)控制器的命令狀態(tài)積存器提供命令出錯(cuò)的詳細(xì)原因，主機(jī)可通過調(diào)用命令GT-Get(mdstsc)得到命令出錯(cuò)的詳細(xì)原因。返回值1表示當(dāng)前軸狀態(tài)積存器的位置捕獲完成標(biāo)志為1，或已經(jīng)設(shè)定了GT_CaptIndex（GT_CaptHome）命令但位置尚未捕獲到時(shí)主機(jī)又發(fā)送了GT_CaptIndex命令?？驁D如圖3：

圖3 運(yùn)動(dòng)框圖

（3）系統(tǒng)仿真界面如圖4所示：

圖4 系統(tǒng)界面

4 結(jié)論

數(shù)控系統(tǒng)正朝著開放式、高精度、高速度、智能化、簡(jiǎn)單化方向發(fā)展。作為一個(gè)具有開放式結(jié)構(gòu)的數(shù)控工作臺(tái)，它為用戶提供了一個(gè)高度柔性的控制平臺(tái)，既允許用戶利用運(yùn)動(dòng)控制器提供的底層運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)進(jìn)行電機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)則和控制方面的教學(xué)實(shí)踐，也允許用戶利用G代碼進(jìn)行開放式數(shù)控系統(tǒng)的教學(xué)和研究，是高等工科院校機(jī)電一體化，自動(dòng)控制等專業(yè)以及相關(guān)院校理想的數(shù)控教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

[1]固高科技有限公司.GT系列運(yùn)動(dòng)控制器編程手冊(cè)[M].2006.

[2]嚴(yán)愛珍.機(jī)床數(shù)控原理與系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3]陳子銀.數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用（第2版）[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2009.

[4]馮 浩，汪建新，趙書尚.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2009.

[5]李穎卓，張波，王茁.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)(第2版)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[6]文懷興，夏 田.數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)（第2版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.