【正文】 卡驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器伺服電 機(jī)伺服電 機(jī)X 向Y 向聯(lián)軸器聯(lián)軸器圖 21 進(jìn)給系統(tǒng)總體方案方框圖廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)XY 工作臺(tái)微型計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)系統(tǒng)－ 3 － 絲杠的選型及計(jì)算 計(jì)算絲杠承受的質(zhì)量工作臺(tái)的行程為 X＝180mm，Y＝120mm。選擇工作臺(tái)的型槽為 T 型槽，查《袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)》表 325 可得所選 T 型槽的參數(shù)：A＝12mm B＝21mmC＝9mmH＝20mm間距取 50mm一取工作臺(tái)厚度為 T 型槽厚度的 2 倍，即 220＝40mm。即 М＝9＝27kg。初步選型后，進(jìn)行軸向剛度驗(yàn)算和壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算。????oam額 定 靜 載 荷 ＝額 定 動(dòng) 載 荷絲 杠 螺 旋 升 角 ，列 數(shù) ＝圈 數(shù) ，＝滾 珠 直 徑 ?因?yàn)?，所以初選的絲杠螺母副合格。滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形較小，對(duì)縱向變形的影響更小，可忽略不計(jì)。 為絲杠底徑。YJF因?yàn)椋? ????＝圈數(shù)列數(shù)＝1933 ＝191??Z縱向： ??? 橫向： ?101J所以，縱向： .. 22 ＝＝ ?? 橫向： . ＝＝ ?因?yàn)闈L珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為工作載荷的 1/3 時(shí)， 值可減少一半左右。因?yàn)?，縱向： ??＝＋＝?橫向： ?＋＝機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)規(guī)定的精度值為 ，其一半為 。本設(shè)計(jì)中，絲杠為短絲杠，故支承方式選用一端軸向固定一端簡(jiǎn)支，即 ＝。??n ???Kn又因?yàn)椋v向： ??????KmKn橫向： .所以，縱向和橫向的滾珠絲杠都不會(huì)失穩(wěn)?？伤愕每v向?qū)к壍?1nll??ln＝10，橫向?qū)к壍?＝ 10。F縱向： ???橫向： 0m當(dāng)加工時(shí)，考慮到工作臺(tái)要承受工件的重量和銑削力等載荷，而這些載荷都通過工作臺(tái)直接作用滑塊上，故取縱向和橫向都為 F＝100N。最后，要計(jì)算整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，即傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 工作臺(tái)質(zhì)量 的折算G工作臺(tái)是移動(dòng)部件，其移動(dòng)質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 可按下式進(jìn)行GJ計(jì)算： 見 《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式MLJG20)(??（26）P8式中， 為絲杠導(dǎo)程（cm） ； 為工作臺(tái)質(zhì)量（kg） 。伺服電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩可按下式計(jì)算： 見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（224）P270MKfaKq??式中： 為空載啟動(dòng)力矩（N?cm） ； 為空載啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件由靜止升速到最大ka快進(jìn)速度，折算到電機(jī)軸上的加速力矩（N?cm） ； 為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦KfM力矩（N?cm） ； 為由于絲杠預(yù)緊，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩 （N?cm） 。YJ 0 0?縱向： ??cmM???????橫向： 015所以，伺服電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩：縱向： = c??????橫向： =?初選電機(jī)型號(hào)應(yīng)滿足伺服電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于伺服電機(jī)名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)XY 工作臺(tái)微型計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)系統(tǒng)－ 13 － 見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》P40mqKM?從上式可知，縱向和橫向的電機(jī)初步滿足要求。但是，這種交流伺服系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的閉環(huán)控制，還不能直接實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的閉環(huán)控制。 交流伺服電機(jī)的控制模式以日本山洋公司的 Q 系列交流伺服系統(tǒng)為例，介紹這種交流伺服系統(tǒng)的控制原理。其接口電路如圖 31 所示。2．CW/CCW 脈沖指令即單脈沖工作方式。3．脈沖+方向指令脈沖信號(hào)從 PULSPULS2 進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器，脈沖頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，脈沖數(shù)控制電機(jī)的角位移。nV速度指令除了可以由外部模擬電壓來輸入外，還可以在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部用四個(gè)參數(shù)設(shè)置四種內(nèi)部速度。 轉(zhuǎn)矩控制模式（Pr02=2）通過外加－10V～＋10V 的電壓，即可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，與速度控制相似。電流環(huán)用來提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)XY 工作臺(tái)微型計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)系統(tǒng)－ 15 －擾能力。控制作用的強(qiáng)弱取決于比例增益，它相當(dāng)于系統(tǒng)的剛度，比例增益越大，調(diào)節(jié)速度越快，但會(huì)增加系統(tǒng)的超調(diào)。圖 33 是用在有前饋和無前饋的情況下用 Matlab 進(jìn)行的圓弧插補(bǔ)跟隨誤差比較。速度和加速度前饋的引入大大減小了系統(tǒng)的跟隨誤差。絕對(duì)式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，實(shí)際應(yīng)用中，增量式脈沖編碼器應(yīng)用更為廣泛。A 相和 B 相信號(hào)則由兩組近似正弦波、相差為 176。同時(shí)，通過 M/T 測(cè)速法，根據(jù)在一個(gè)伺服周期(s)內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)過的脈沖數(shù) (pulse)可以計(jì)算得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速。接口卡通過 62 針接頭與基卡相連。外部的伺服報(bào)警信號(hào)、通用輸入信號(hào)、回零信號(hào)、限位輸入信號(hào)在 CPLD 中進(jìn)行邏輯運(yùn)算后輸入 DSP 的 XINT1，只要有一個(gè)信號(hào)輸入就引起中斷，由中斷處理程序進(jìn)一步判斷后做出相應(yīng)處理。TMS320LF2407 器件是美國 TI 公司開發(fā)的面向電機(jī)控制的低成本、高性能的 DSP器件，是本運(yùn)動(dòng)控制器的核心。與本運(yùn)動(dòng)控制器相關(guān)的的 TMS320LF2407 資源介紹如下：1．采用高靜態(tài) CMOS 技術(shù)，使得供電電壓降為 ，減小了控制器的功耗；30MIPS 的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到 33ns(30MHz)，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。它們能夠?qū)崿F(xiàn)：三相反相控制； PWM 的對(duì)稱和非對(duì)稱波形；當(dāng)外部引腳 PDPINTx 出現(xiàn)低電平時(shí)快速關(guān)閉 PWM 通道；可編程的 PWM 死區(qū)控制以防止上下橋臂同時(shí)輸出觸發(fā)脈沖；3 個(gè)捕獲單元；片內(nèi)光電編碼器接口電路；16通道 A/D 轉(zhuǎn)換器。7．基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器。 PCI 總線與 DSP 通訊電路 PCI 總線接口電路PCI 總線接口電路大體有兩種實(shí)現(xiàn)方法。另一種是采用類似于 QuickLogic 公司的一次性可編程芯片來處理，每片可編程芯片內(nèi)都內(nèi)嵌 PCI 接口電路，也可根據(jù)應(yīng)用的需要來裁剪燒寫，但只能燒寫一次。專用芯片可以實(shí)現(xiàn)完整的 PCI 主控模塊和目標(biāo)模塊的接口功能，將復(fù)雜 PCI 總線接口轉(zhuǎn)換為相對(duì)簡(jiǎn)單的用戶接口。為了縮短開發(fā)周期，本運(yùn)動(dòng)控制器采用第二種實(shí)現(xiàn)方法，即選用專用 PCI 總線接口芯片來設(shè)計(jì) PCI 總線接口電路。它具有兩個(gè)獨(dú)立的端口，各自均有一套獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，允許兩個(gè)端口獨(dú)立地對(duì)存儲(chǔ)器中的任何單元進(jìn)行存取操作。該芯片均提供兩個(gè)帶有自身的控制、地址和 I/O 引腳的獨(dú)立端口，它允許獨(dú)立地讀寫存儲(chǔ)器中的任何單元。由于只用到了雙口 RAM 的 16 個(gè)地址，DSP 的地址線 A[10: 4]與 IS信號(hào)進(jìn)入 CPLD 進(jìn)行譯碼對(duì)雙口 RAM 片選。它基于粗、精二次插補(bǔ)的原理實(shí)現(xiàn)軌跡控制，其中粗插補(bǔ)由上位機(jī)系統(tǒng)的用戶軟件完成，精插補(bǔ)由運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)的 CAM 離線編程中的逼近方法相比，曲),21(???iL線的實(shí)時(shí)插補(bǔ)不僅編程簡(jiǎn)便而且軌跡插補(bǔ)時(shí)是以插補(bǔ)步長直接逼近，其步長只取決于加工速度和系統(tǒng)的插補(bǔ)周期，是原理上的最短直線，因此可以獲得最高的曲線加工精度。將軌跡空間的進(jìn)給步長 映射到參數(shù)空間，求出相應(yīng)的參數(shù)增量iL?及參數(shù)坐標(biāo) ；iu?iiiu???12．軌跡計(jì)算。由于插補(bǔ)中以短直線逼近實(shí)際曲線，所以存在工高誤差；另外，插補(bǔ)中采用曲線的弧長速度代替實(shí)際進(jìn)給的弦長速度，也會(huì)引起進(jìn)給速度的偏差。此外,針對(duì)插補(bǔ)的進(jìn)給速度偏差主要來源于以弧長速度代替弦長速度，為了獲得更好的速度穩(wěn)定性，應(yīng)直接以弦長速度為控制目標(biāo)。對(duì)于直線插補(bǔ)，不存在工高誤差，參數(shù)插補(bǔ)速度完全由 決定。設(shè)圓弧的參數(shù)表達(dá)式為： （411）),0(sinco0 為?????????Ryx則參數(shù)插補(bǔ)步長為： （412）RTtfi)(???而對(duì)于一般的參數(shù)曲線，則要根據(jù)步驟 1～6 進(jìn)行插補(bǔ)處理。G01　　直線插補(bǔ)，使指定的有效軸同時(shí)啟動(dòng)并同時(shí)達(dá)到指定位置，若通常使用三軸或兩軸插補(bǔ)，則下面函數(shù)可以滿足。 主界面簡(jiǎn)介如運(yùn)行的程序圖所示，程序主界面由如下幾個(gè)部分組成：工具欄、 、NC 代碼輸入框、坐標(biāo)值實(shí)時(shí)顯示框、工作狀態(tài)框、狀態(tài)框、NC 模擬框。 NC 代碼格式在 NC 代碼輸入框輸入代碼，開頭必須要有程序開始符 “%”、結(jié)尾同樣以結(jié)束符“%”結(jié)束，程序不能輸入行符，因?yàn)楸境绦蜻€不能辨別。繪圖的過程中用戶可以按——“暫停”鍵——暫停繪圖、再按“繼續(xù)”時(shí)便繼續(xù)繪制，按——“結(jié)束”整個(gè)程序?qū)⑼Ｖ埂１境绦騼?yōu)秀之處在于——當(dāng)程序未調(diào)試之前“模擬”鍵成淡色，不能使用，以防出錯(cuò)，而當(dāng)模擬時(shí)“調(diào)試”鍵成淡色，程序不會(huì)亂套。在快捷工具欄功能按鈕一樣可以實(shí)現(xiàn)如上功能。輸入圓心時(shí)只能用 IJ 指令，R 指令不能識(shí)別，令外，在同一行中不可輸入兩條 M 指令——這是該程序的不足之處，還有待提高。NC 代碼在 NC 代碼輸入框輸入，根據(jù) NC 代碼在 NC 模擬框進(jìn)行模擬加工。廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)XY 工作臺(tái)微型計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)系統(tǒng)－ 26 －5 硬件連接 連接如下圖:廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)XY 工作臺(tái)微型計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)系統(tǒng)－ 27 －6 PC 端控制軟件設(shè)計(jì)完成兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)控制及仿真程序設(shè)計(jì)，對(duì)于給定的典型零件 NC 代碼，用一種計(jì)算機(jī)高級(jí)語言 Microsoft Visual Basic 編寫代碼解釋、插補(bǔ)運(yùn)算程序，并在計(jì)廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)XY 工作臺(tái)微型計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)系統(tǒng)－ 28 －算機(jī)上仿真數(shù)控裝置，進(jìn)行零件加工過程的模擬、加工點(diǎn)坐標(biāo)值實(shí)時(shí)顯示、伺服電機(jī)控制模擬、冷卻液和主軸等開關(guān)量控制的模擬等?！　∮行лS兩個(gè)G00X100Y100　　d3000_start_t_move( X,)。在 恒定的情況下可以進(jìn)行等參數(shù))(itf)(itf插補(bǔ)，參數(shù)插補(bǔ)步長由插補(bǔ)速度和工高誤差約束條件確定。 （45）????iiii uu2．將預(yù)估參數(shù) 代入曲線方程求得預(yù)估插補(bǔ)點(diǎn)，并根據(jù)公式（46）計(jì)算預(yù)估插1??iu補(bǔ)步長：（46）21212111 )?()?()?()]?(,),?([ iiiiiiiiiii zyxPzyxPL ?????? ?????3．設(shè)允許輪廓誤差為 ，參數(shù)預(yù)估插補(bǔ)弓高誤差為 ，計(jì)算滿足誤差控制條件h?h??的最大插補(bǔ)步長 [11]：。其基本思路是在插補(bǔ)中實(shí)時(shí)監(jiān)控插補(bǔ)弓高誤差的大小，當(dāng)誤差在允許誤差范圍內(nèi)時(shí)，仍按瞬時(shí)進(jìn)給速度計(jì)算進(jìn)給步長 ，若誤差超出了允許范iL?圍，則按允許誤差求取約束插補(bǔ)步長 。)(11???iiP在參數(shù)空間，曲線軌跡參數(shù) 的插補(bǔ)計(jì)算可由二階泰勒級(jí)數(shù)表示，即u （43）)(0)2/T(21uiiii ?????其中 和 分別為參數(shù) 對(duì)時(shí)間 的一階和二階導(dǎo)數(shù)，可推導(dǎo)得出 [10]：iu?i t （44）)(2221 iiiiiiii zyxLzyxu???? ??????式中， 和 分別為坐標(biāo) 對(duì)參數(shù) 的一階和二階導(dǎo)數(shù)， 、 、 和 的意義ix?i ui?iyiz?i廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)XY 工作臺(tái)微型計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)系統(tǒng)－ 23 －與之類似。?? 參數(shù)曲線自適應(yīng)插補(bǔ)算法參數(shù)曲線的插補(bǔ)涉及到兩個(gè)坐標(biāo)空間，即一維的參數(shù)空間和三維的軌跡空間。若插補(bǔ)周期為 ，指iL? T令進(jìn)給速度為 ，則 。由于雙口 RAM 的數(shù)據(jù)信號(hào)電平為 5V，在與 的 DSP 之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)需要 74LVTH245 進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。它的競(jìng)爭(zhēng)原則是：左右兩端口的地址信號(hào)同時(shí)到達(dá)，首先處理 CE 片選信號(hào)先到的一端，慢的一方 BUSY 線下拉，直到快的一方訪問完畢；左右兩端口的片選信號(hào)同時(shí)到達(dá)，首先處理訪問地址信號(hào)先到的一端，慢的一方 BUSY線下拉，直到快的一方訪問完畢。雙口 RAM 芯片的型號(hào)為美國 IDT 公司生產(chǎn)的 IDT7132 ，它是 2K8bit 高速靜態(tài)雙口 RAM，存取速度 35ns，在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域應(yīng)用已經(jīng)比較普遍。由于 DSP 與 PC 機(jī)之間需要高速地傳送大量的數(shù)據(jù)，為了提高兩者之間的通訊速度，在 PCI 9052 與 DSP 之間加入了雙口 RAM。這樣，用戶可以集中精力于應(yīng)用設(shè)計(jì)，而不是調(diào)試 PCI 總線接口，明顯的縮短了開發(fā)周期。但是，采用可編程邏輯器件由于要買 IP 宏，而一個(gè) IP 宏少則幾千美元多則更貴，并且一般的小規(guī)模的 CPLD 的免費(fèi)開發(fā)軟件不支持對(duì) IP 宏的開發(fā)所以用戶有可能還要花幾萬元買大規(guī)模的 CPLD 或FPGA 設(shè)計(jì)軟件，因此用戶的開發(fā)前期投入很大；同時(shí)用戶需具備一定可編程邏輯設(shè)計(jì)的功底以及扎實(shí)電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，要有一定深度的 VHDL 的開發(fā)能力，開發(fā)周期較長。這樣做也有兩種選擇。9．5 個(gè)外部中斷（電機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位和兩個(gè)可屏蔽中斷） 。5．?dāng)U展的外部存儲(chǔ)器（LF2407）總共 192K 字： 64K 字程序存儲(chǔ)器；64K 字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器；64K 字 I/O 尋址空間。3．片內(nèi)高達(dá) 32K 字的 FLASH 程序存儲(chǔ)器，高達(dá) 字的數(shù)據(jù)/ 程序 RAM，544字雙口 RAM（DARAM ）和 2K 字的單口 RAM（SARAM） 。它在單片處理器中集成了高性能的 TMS320CxLP DSP 內(nèi)核（運(yùn)算能力為 30 MIPS） 、為電機(jī)控制而優(yōu)化的事件管理器及 PWM 輸出接口、可同時(shí)完成采樣的