【正文】 程中，對(duì)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的速度和位置控制功能。 伺服電機(jī) 上安 裝 的 旋轉(zhuǎn)變壓 器的輸出電壓，反映了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小，它被反饋給 伺服放大器，對(duì)運(yùn)動(dòng)軸電機(jī)實(shí)行速度控制，構(gòu)成速度內(nèi)環(huán)。 運(yùn)動(dòng)控制器還可實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)，控制測(cè)量 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的軌跡，完成漸開(kāi)線、螺旋線等測(cè)量軌跡的電子展成。 狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)由開(kāi)關(guān)量輸入 /輸出信號(hào)，電磁繼電器 以及各監(jiān)控對(duì)象組成 。 （ 3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 主要由數(shù)據(jù)采集卡、測(cè)微測(cè)頭及其處理電路、手動(dòng)操縱 盒接口電路組成。數(shù)據(jù)采集卡 接收來(lái)自 測(cè)微 測(cè)頭及操縱盒的模擬量或開(kāi)關(guān)量信號(hào) ，經(jīng)過(guò)內(nèi)部的 A/D 轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量信號(hào)，存儲(chǔ)于相應(yīng)的寄存器中，供測(cè)控軟件讀取。 （ 4）測(cè)控軟件 測(cè)控軟件也是整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的重要組成部分，它以電子展成 法 為 控制原理 ，以運(yùn)動(dòng)控制器提供的強(qiáng)大的控制功能函數(shù)庫(kù)為基礎(chǔ)，完成對(duì) 測(cè)控 系統(tǒng)的控制 和人機(jī)交互功能 。測(cè)控系統(tǒng)軟件 采用層次化、 模塊化的思想，采取智能化、人性化設(shè)計(jì)，盡量方便用戶使用，使 測(cè)控系統(tǒng)軟件 滿足實(shí)際需要 。當(dāng)一部分模塊改進(jìn)時(shí)，對(duì)整體的影響減到最小。 本課題開(kāi)發(fā)研究過(guò)程中，機(jī)械系統(tǒng)由專業(yè)人員設(shè)計(jì) 完成 ， 本人主要完成測(cè)量與控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試，編寫(xiě)相應(yīng)的測(cè)控系統(tǒng)軟件程序 的工作。之所以如此，是因?yàn)樗鼮閺氖赂鞣N機(jī)電一體化設(shè)備控制工作的應(yīng)用工程師提供了功能完備、 使用靈活 的控制平臺(tái)。 簡(jiǎn)單 地 說(shuō)，運(yùn)動(dòng)控制器是通過(guò) 對(duì) 以電機(jī)驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)預(yù)定運(yùn)動(dòng)軌跡 的裝置。目前，開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器的發(fā)展趨勢(shì)是以 DSP 芯片作 為 運(yùn)動(dòng)控制處理器， PC 機(jī)作為信息處理平臺(tái)，運(yùn)動(dòng)控制器以插卡形式嵌入 PC 機(jī)，即 “ PC+運(yùn)動(dòng)控制器 ” 的模式。 與傳統(tǒng)的數(shù)控裝置相 比， 數(shù)字 運(yùn)動(dòng)控制器具有以下特點(diǎn)： （ 1）技術(shù)更新，功能更強(qiáng)， 一個(gè)運(yùn)動(dòng) 控制器從硬件上可以實(shí)現(xiàn)一到多個(gè)坐標(biāo)軸的位置、速度和軌跡伺服控制， 軟件上具有完善的軌跡插補(bǔ)、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和伺服控制功能； （ 2）結(jié)構(gòu)形式模塊化 ，可以方便地相互組合，建立適用不同場(chǎng)合、不同功能需求的控制系統(tǒng) ； （ 3）操作簡(jiǎn)單，在 PC 機(jī)上經(jīng)簡(jiǎn)單編程即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，而不一定需要專門(mén)的數(shù)控軟件； 在本項(xiàng)目中，我們采用 了如圖 31 所示的 美國(guó) Galil公司基于 PCI總線的 四軸 運(yùn)動(dòng)控制卡 【 14】 。其處理核心是 Motorola 公司的一款 32 位微處理器，具有 2M 容量的 RAM 和用于儲(chǔ)存用戶程序、變量、數(shù)組和控制程序的 2M Flash 存儲(chǔ)器。此外，板上還帶有一個(gè)程序監(jiān)視定 時(shí)器，用來(lái)完成對(duì)主處理器正常操作的監(jiān)視，防止處理器進(jìn)入死鎖等一些危險(xiǎn)情況。雙位置反饋接口功能可以消除機(jī)械換向間隙及滾珠 絲杠 離散誤差。 DMC 數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器同時(shí)提供與伺服、步進(jìn)及液壓馬達(dá)的接口 ，用戶可以進(jìn)行任意組合使用，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)最佳配置。除此之處， 還具有運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)自調(diào)整功能的 WSDK 軟件使用戶在 windows 環(huán)境下，自動(dòng)適配濾波器 PID 參數(shù)。 b 伺服系統(tǒng) 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)稱伺服系統(tǒng)（ Servo system） ， 是指以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。對(duì)于 CNC 數(shù)控系統(tǒng)，如果 CNC 裝置是數(shù)控機(jī)床的“大腦”，是發(fā)布命令的“指揮機(jī)構(gòu)”，伺服系統(tǒng)便是數(shù)控機(jī)床的“四肢”，是一種“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”。測(cè)控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng) 、 穩(wěn)態(tài)精度、 測(cè)量精度等重要指標(biāo)都取決于 伺服 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)性能。 對(duì)伺服系統(tǒng)的主要要求可歸納為精度高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、響應(yīng)速度快、電機(jī)調(diào)速范圍寬、低速大扭矩、可靠性高等。所以需要根據(jù)需要合理的配置伺服系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)沒(méi)有測(cè)量反饋環(huán)節(jié)，其控制精度較差；半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)有測(cè)量反饋環(huán)節(jié)，可檢測(cè)與直線位移有關(guān)的物理量，因而可獲得較高的位置控制精度 【 18】 。 伺服系統(tǒng)是由驅(qū)動(dòng)部件（如交、直流電動(dòng)機(jī)）和速度控制單元組成。伺服電機(jī)是最常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)部件。 直流伺服電機(jī) 具有 低轉(zhuǎn)速大慣量 ， 轉(zhuǎn)矩大 ， 起動(dòng)力矩大 ，調(diào)速范圍大、低速運(yùn)行平穩(wěn)， 力矩波動(dòng)小的性能特點(diǎn) 。 鑒于本項(xiàng)目中 運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度不高 ，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，定位準(zhǔn)確的要求，以及工作環(huán)境的考慮，所以 在設(shè)計(jì)方案中選用了美國(guó) AMC 公司的直流伺服驅(qū)動(dòng)器和相應(yīng)的直流伺服電機(jī)（如圖 34）。三直線運(yùn)動(dòng)軸 （ X計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器伺服放大器運(yùn)動(dòng)軸電機(jī)機(jī)械系統(tǒng)位置檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn) 動(dòng) 指 令 圖 33 閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Fig. 33 Architecture of ClosedLoop Control System 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 14 軸 /Y 軸 /Z軸） 選用了 普通 直流伺服電機(jī)，轉(zhuǎn)軸 W 選用了低速性能良好的 直流伺服 電機(jī)。 在工程實(shí) 際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例積分微分控制，簡(jiǎn)稱 PID 控制。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握， 或得不到 準(zhǔn) 確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它設(shè)計(jì)技術(shù)難以使用，系統(tǒng) 控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。它是一種線性控制器，根據(jù)給定值 )(tr 與實(shí)際 輸出值 )(tc 構(gòu)成控制偏差 )(te )()()( tctrte ?? () 將偏差的比例（ P）、微分（ I）、積分（ D）通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器。 比例調(diào)節(jié)，積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)在控制系統(tǒng)中的作用如下： （ 1） 比例調(diào)節(jié) 是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減 少偏差。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成 PI調(diào)節(jié)器或 PID 調(diào)節(jié)器。 微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成 PD或 PID 控制器。具體做法是： （ 1） 先調(diào)比例系數(shù) 。如果系統(tǒng) 穩(wěn)態(tài)誤 差 減小 到允許范 圍，響應(yīng)曲線已屬滿意，那么只需比例控制即可，由此確定比例系數(shù)。整定時(shí)首先將 積分時(shí)間 iT 置為 較大的數(shù)值 ，并將經(jīng)第一步整定得到的比例系數(shù)略微縮小（如縮小為原值的 ），然后減小積分時(shí)間，使得在保持系統(tǒng)良好動(dòng)態(tài)的情況下，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差 得到消除。 （ 3） 若使用比例積分控制消除了 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差 ，但動(dòng)態(tài)過(guò)程反復(fù)調(diào)整 仍不能 滿意，則可加微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成比例、積分、微分控制器。 所謂“滿意”的調(diào)節(jié)效果是根據(jù)不同的對(duì)象和控制要求而異的，此外 PID 控制器的參數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響不是十分敏感，因而在系統(tǒng)中參數(shù)的選擇不是唯一的。從應(yīng)用的角度看，只要被控 對(duì)象 在主要方面的指標(biāo)已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，那么相應(yīng)的控制器參數(shù)即可作為有效的控制參數(shù)。在閉環(huán)系統(tǒng)中，它的主要作用是檢測(cè)位移量，并將測(cè)量的反饋信號(hào)和給定的指令信號(hào)相比較，若有偏差，經(jīng) 數(shù)控系統(tǒng) 控制執(zhí)行部件，使其向消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)，直到偏差為零。 在 CNC 系統(tǒng)中，典型的測(cè)量裝置有光柵、感應(yīng)同步器、激光干涉儀和尺柵（測(cè)直線位移）、編 碼器（測(cè)角位移） 【 19】 。它是利用光的透射、反射和干涉現(xiàn)象制成的一種光電檢測(cè)西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 16 裝置。物理光柵的刻線細(xì)而密，柵距（兩刻線之間的距離）在 ~ 之間，通常用于光譜分析和光波波長(zhǎng)的測(cè)定。計(jì)量光柵按形狀可分為長(zhǎng)光柵和圓光柵。 使用光柵測(cè)量有如下優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 測(cè)量精度高 由于利用莫爾條紋原理，莫爾條紋是許多刻線綜合作用的結(jié)果，故對(duì)誤差有均化作用，因此利用莫爾條紋信號(hào)所測(cè)量的位置精度高。 （ 3） 分辨率高 常用的光柵節(jié)距為 10～ 50μm 細(xì)分后很容易做到 1 ～ 的分辨率，最高分辨率可達(dá)到 。 光柵位置檢測(cè)裝置由光源、標(biāo)尺光柵（長(zhǎng)光柵）、指示光柵（短光柵）和光電組件等組成。當(dāng)平行光垂直照射光柵時(shí)，在光柵的另一面就會(huì)出現(xiàn)若干條與刻線垂直的明暗相間的粗大條紋，這種粗大的明暗條紋稱為莫爾條紋，它是光柵測(cè)量的基礎(chǔ)。摩爾條紋的光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)光電組件轉(zhuǎn)換為正弦波電信號(hào)，電信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗笞兂煞讲ㄐ?號(hào)，使之成為計(jì)數(shù)脈沖，最后送入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。 從減小分辨率即儀器的脈沖當(dāng)量的角度出發(fā)，光柵的柵距 ω 越 小 越好，這樣便于細(xì)分。 實(shí)際使用時(shí)應(yīng)根據(jù)需要合理選用 光柵 。m 以上，圓光柵的柵距角大多在 20以 上。在實(shí)際的測(cè)量 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中 不可能僅靠增加?xùn)啪€密度來(lái)實(shí)現(xiàn)高分辨率。所謂細(xì)分技術(shù)，就是 莫爾條紋 在單位周期內(nèi) 時(shí)，不 只 輸出一個(gè)脈沖 ， 而是輸出若干個(gè)脈沖， 從而 減小脈沖當(dāng)量， 即 提高分辨率。常用的細(xì)分方法有： 電阻鏈移相細(xì)分、電平切割細(xì)分、脈沖填充法細(xì)分、微型計(jì)算機(jī)細(xì)分和集成芯片細(xì)分。 這里采用了電阻鏈細(xì)分的方法， 其工作原理是：在電阻鏈的兩端施加 不同 相位（通常相差 90 度）、相同 頻率的交流信號(hào)，由于兩信號(hào)的疊加作用，可得幅值和相位都不相同的電信號(hào)。它的主要特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單 可靠，成本較低，但這種細(xì)分受信號(hào)質(zhì)量影響較大。典型的處理過(guò)程如圖 35 所示： 細(xì)分電路一般輸出兩路正交 的方波信號(hào)，在控制系統(tǒng)中，光柵信號(hào)往往要傳送幾米甚至幾十米，再加上電氣干擾，光柵信號(hào)在傳到控制卡上計(jì)數(shù)時(shí)，一般都不能進(jìn)行正常計(jì)數(shù)。所以為了增強(qiáng)抗干擾能力，方波在進(jìn)入計(jì)數(shù)器前，必須對(duì)其進(jìn)行差動(dòng)處理，以減小由于長(zhǎng)線傳輸 而引入 的共模信號(hào) 干擾 。 近年來(lái)，許多生產(chǎn)廠商把光柵信號(hào)的處理及細(xì)分集成到 指示光柵（俗稱“讀數(shù)頭”）上，這 時(shí) 的 輸出信 號(hào) 已經(jīng)是 正交的方波 信號(hào) ，可直接送入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。 本 次課題中，采用了英國(guó) RENISHAW 精密光柵 （如圖 36） 。以長(zhǎng)光柵為例，其 柵距為 20um，輸出信號(hào)為兩兩正交的 sin 和 cos 信號(hào)，通過(guò)后續(xù)的電路處理，配合運(yùn)動(dòng)控制卡的四倍頻功能，可使最 終分辨率提高到 ，有效的提高了運(yùn)動(dòng)控制精度。 對(duì) 該模塊通過(guò) 100 針信號(hào)電纜與 DMC數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器相連接，用戶通過(guò) 4 個(gè) 15Pin 的 D 型連接器與伺服驅(qū)動(dòng)器或步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器相連接來(lái)控制四個(gè)軸， 1 個(gè) 37Pin 的 D 型連接器與外部輸入信號(hào)相連接，其中包括 8 個(gè)輸入點(diǎn)、 8 個(gè)模擬輸入信號(hào)、 4 個(gè)軸的正、負(fù)限位、回零輸入信號(hào)以及控制器復(fù)位和急停輸入信號(hào)； 1 個(gè) 12Pin 的 Phoenix 連接端子 作 為輸出口連接器，與外部信號(hào)相連接，控制 8個(gè)輸出點(diǎn)和控制器的報(bào)警輸出信號(hào)。 由于測(cè)量過(guò)程的需要，每次齒輪測(cè)量中心啟動(dòng)時(shí)，都需要 進(jìn)行回 零 操作 。其具體 的 互連 原理 如圖 37 所示。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) ， 只要 運(yùn)動(dòng)控制器 能夠 檢測(cè)到回零信號(hào)的一次跳變 就能正確回零 。 在此利用光柵信號(hào)細(xì) 分板上的 74LS04（ 非門(mén) ） ，光柵讀數(shù)頭 零位輸出 信號(hào)先經(jīng)過(guò)非門(mén)，提高其帶負(fù)載能力， 使其信號(hào)特性符合理論情況 ，在零位位置處能夠產(chǎn)生所需的跳變信號(hào)，被運(yùn)動(dòng)控制器識(shí)別 。 這個(gè)力的大小要適當(dāng)，如果太大，會(huì) 使 轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)困難，容易造成電機(jī)的損壞；過(guò)小會(huì)使被測(cè)齒輪所在的心棒頂尖孔內(nèi)間隙過(guò)大，造成旋轉(zhuǎn)時(shí) 芯棒 搖擺，破壞測(cè)量精度。一套實(shí)用的控制邏輯如圖 38 所示 ，它只負(fù)責(zé)頂尖運(yùn)動(dòng)的控制，不會(huì)對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的其它部分產(chǎn)生作用。 STOP 鍵按下， 繼電器 1KM 的常閉開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，整個(gè)系統(tǒng)斷電；反之系統(tǒng)通電。 UP/DOWN 鍵抬起時(shí)，繼電器 2KM失電， 頂尖向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)觸碰到上限位置開(kāi)關(guān)時(shí)，繼電器 3KM 得電，其常閉開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，頂尖停止向上運(yùn)動(dòng)； UP/DOWN 鍵按下時(shí)，繼電器 2KM 得電，其常閉開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，常開(kāi)開(kāi)關(guān)閉合，頂尖向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)觸碰到下限位置開(kāi)關(guān)或頂尖壓力開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，繼電器 4KM 得電，其常閉開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，頂尖停止向下運(yùn)動(dòng)。但是由于其自重較大，在沒(méi)有電機(jī)作用的情況下，會(huì) 自然 向下移動(dòng)，可能發(fā)生危險(xiǎn)或損壞儀器，所以在傳動(dòng)絲杠上增加 了一個(gè)電磁制動(dòng)器 YB，當(dāng) STOP鍵按下或頂尖運(yùn)動(dòng)到上、下限位 而停止 時(shí)，電磁制動(dòng)器 YB 斷電， 鎖緊絲杠，防止上頂尖下 落。 A C 2 2 0 VL 1S T O P1 K M1 K M3 K M4 K M2 K M3 K M4 K MU P / D O W NU p L i m i tD o w n L i m i t2 K M 3 K M4 K M2 K MML 3D C 2 4 VP r e s sY B 圖 38 上頂尖自動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制原理 Automatic Control Principle of Up Header 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng) 21 測(cè)頭保護(hù)軟件設(shè)計(jì) 齒輪測(cè)量中心所使用的電感測(cè)頭，對(duì)測(cè)量結(jié)果的精度有很大影響，所以為了保證測(cè)量中心的正常工作，使用時(shí)對(duì)測(cè)頭的保護(hù)還是很有必要的。此外，如果 被測(cè)工件的精度尺寸超過(guò)了測(cè) 頭的測(cè)量范圍，使得測(cè)量精度下降，測(cè)量結(jié)果不再可信。根據(jù)以上 幾種 常見(jiàn)現(xiàn)象，在齒輪測(cè)量 中心的測(cè)控軟件中加入了對(duì)測(cè)頭的保護(hù)程序，希望能夠起到一定的作用， 其軟件流程圖如圖39 所示。 氣壓監(jiān)控與急停邏輯 為保證其 測(cè)量精度， 齒輪測(cè)量中心 采用了高精度氣浮 靜壓 轉(zhuǎn)臺(tái)，可以有效的減小摩擦力矩 。并且，當(dāng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生錯(cuò)誤動(dòng)作時(shí)，為防止產(chǎn)生不良后果，也需要操作人員迅速采取措施使機(jī)器停止 運(yùn)動(dòng)。 該功能單元的邏輯原理如下