多轴精密数控系统的研究
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摘要
数控技术与机器人技术是工业现代化的基础和标志,两门技术都是集机械工程学、电子学、计算机科学、运动学、运动力学和自动化控制为一体的综合性技术学科。随着计算机技术和控制技术的飞速发展,实现数控系统的高性能、高精度、高效率、高柔性化、多轴协调性和开放式模块化设计成为研究设计的焦点。交流伺服系统由于其优异的特性而在现代运动控制系统中得到了广泛的应用。
本文以交流伺服电机为控制对象的多轴开放式精密伺服控制系统为研究对象,以上位机(PC机)和下位机(Maestro运动控制器)为硬件基础,通过编制软件程序实现控制功能。具体包括以下内容:
(1)研究了多轴系统同步控制技术和多轴伺服系统的发展史及史国内外的研究发展状况。
(2)分析了多轴同步精密伺服控制系统的组成和工作原理,研究了Maestro运动控制器的功能结构及Elmo伺服驱动器的主要特点,以此介绍了Elmo伺服系统的一些特点。同时研究了伺服电机的工作原理和伺服电机的Z相,并结合了数控系统的实际结构描述本数控机床坐标系统的建立过程。
(3)针对伺服电机工作原理的特点,研究了伺服电机的轨迹规划的求取,包括伺服电机的加减速控制:梯形曲线加减速度、S形曲线加减速度、基于三角函数的加减速并分析比较了上述几种曲线加速度类型的优缺点。根据研究分析的结果,求取出伺服电机实际的运动曲线。
(4)分析介绍线束加工过程的几种工艺,利用C++Builder和Elmo Studio开发工具,使用模块化设计的方法开发了一套多轴精密数控系统软件,包括通讯模块、学习模块、上位机发送、接收模块、下位机数据处理模块等。
(5)应用本文开发的多轴精密数控系统在搭建的硬件平台上进行加工实验,主要内容有上、下位机通讯的判断、学习功能实验、数据库存取实验等,通过实验验证了本系统开发的准确性,为后续的精密伺服数控系统的研究提供了依据和工具。
Multi-axis precision servo control system theory is studied in this paper. The system, through software program to realize the functions, is consisted of PC and Maestro controller as hardware. The details of studies are listed as follows:
(1) In this thesis, studied the synchronization control technology in multi-axis system. Then reviewed the development and present situation of the fields of multi-axis servo system and synchronization control technology.
(2) The composition and working principle of are studied. Especial in function structure of Maestro motion controller and the main features of Elmo servo driver. The building process of the coordinate system in NC machine is described combining the actual structure of NC system.
(3) Research on the solution of motion trajectory, including the acceleration and deceleration control of servo motor, the T-curve velocity planning, the S-curve velocity planning, the trigonometric function-curve velocity planning. The advantages and disadvantages of three curves are analyzed and compared. According to the result, the actual motion trajectory of servo motor is solved.
(4) The analysis and introduction about the process in wire processing. On the basis of this analysis, NC system software is developed using the modular design method. The NC system software includes communication module, work origin study module, error handling module, data processing module etc.
(5) Some wire machining experiments are carried out, including the communication between pc and controller, function of study, database access and error handling. The results form experiments indicate that the NC system is credible and veracious, also the trajectory planning measures studied above are impactful in reducing mechanism impact.
本文以交流伺服电机为控制对象的多轴开放式精密伺服控制系统为研究对象,以上位机(PC机)和下位机(Maestro运动控制器)为硬件基础,通过编制软件程序实现控制功能。具体包括以下内容:
(1)研究了多轴系统同步控制技术和多轴伺服系统的发展史及史国内外的研究发展状况。
(2)分析了多轴同步精密伺服控制系统的组成和工作原理,研究了Maestro运动控制器的功能结构及Elmo伺服驱动器的主要特点,以此介绍了Elmo伺服系统的一些特点。同时研究了伺服电机的工作原理和伺服电机的Z相,并结合了数控系统的实际结构描述本数控机床坐标系统的建立过程。
(3)针对伺服电机工作原理的特点,研究了伺服电机的轨迹规划的求取,包括伺服电机的加减速控制:梯形曲线加减速度、S形曲线加减速度、基于三角函数的加减速并分析比较了上述几种曲线加速度类型的优缺点。根据研究分析的结果,求取出伺服电机实际的运动曲线。
(4)分析介绍线束加工过程的几种工艺,利用C++Builder和Elmo Studio开发工具,使用模块化设计的方法开发了一套多轴精密数控系统软件,包括通讯模块、学习模块、上位机发送、接收模块、下位机数据处理模块等。
(5)应用本文开发的多轴精密数控系统在搭建的硬件平台上进行加工实验,主要内容有上、下位机通讯的判断、学习功能实验、数据库存取实验等,通过实验验证了本系统开发的准确性,为后续的精密伺服数控系统的研究提供了依据和工具。
Multi-axis precision servo control system theory is studied in this paper. The system, through software program to realize the functions, is consisted of PC and Maestro controller as hardware. The details of studies are listed as follows:
(1) In this thesis, studied the synchronization control technology in multi-axis system. Then reviewed the development and present situation of the fields of multi-axis servo system and synchronization control technology.
(2) The composition and working principle of are studied. Especial in function structure of Maestro motion controller and the main features of Elmo servo driver. The building process of the coordinate system in NC machine is described combining the actual structure of NC system.
(3) Research on the solution of motion trajectory, including the acceleration and deceleration control of servo motor, the T-curve velocity planning, the S-curve velocity planning, the trigonometric function-curve velocity planning. The advantages and disadvantages of three curves are analyzed and compared. According to the result, the actual motion trajectory of servo motor is solved.
(4) The analysis and introduction about the process in wire processing. On the basis of this analysis, NC system software is developed using the modular design method. The NC system software includes communication module, work origin study module, error handling module, data processing module etc.
(5) Some wire machining experiments are carried out, including the communication between pc and controller, function of study, database access and error handling. The results form experiments indicate that the NC system is credible and veracious, also the trajectory planning measures studied above are impactful in reducing mechanism impact.
引文
[1]赵春雨、闻邦椿、韩清凯.多机传动机械系统的控制理论及应用.东北大学学报附刊,1996.12.16-21.
[2]赵春雨、闻邦椿、韩清凯.同向回转双机传动振动系统的同步控制.第二届全球华人自动控制会议文集,中国西安,1997.
[3]闻邦椿、赵春雨、范俭.机械系统同步理论的应用与发展.振动工程学报,1997,9,第10卷第3期:264-272.
[4]赵春雨、朱洪涛、闻邦椿.多机传动机械系统的同步控制.控制理论与应用,1999,4.第16卷第2期:179-183.
[5]刘福才、张学莲.基于补偿原理多电机同步协调运转的内模控制.电气传动,2002.32(3):23-25.
[6]刘福才、张学莲.多级电机同步驱动系统的内模控制.基础自动化,2002.9(1):16-18.
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[8]文方、姜孝华.多级电机同步驱动控制系统.电气传动,2000.30(5):14-17.
[9]李耿铁、王宇融.数控机床多轴同步控制方法.制造技术与机床,2000.50(5):23-25.
[10]田文超、张小波、朱志红等.数控系统中多轴同步技术策略和实现..华中科技大学学报,2001,5.第29卷第5期:4-6.
[11]Zhkanori Mioshi.azuhiko herashima,oshio Maki.Optimum Synchronous Control for Multiple-Axis Servo Systems in Terms of Time-Varying Performance Index 0-7803-6455-2/00.pp.1080-1086.
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[16]严爱珍.机床数控原理与系统[M].东北大学出版社,1999.
[17]Maestro Software Manual,Elmo,March 2008.
[18]SimplIQ Software Manual,Elmo,September 2004.
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[20]王冬.基于直流无刷电机的工业缝纫机微控制系统研制[D].西北工业大学硕士论文,2005
[21]林其骏.数控技术及应用.机械工业出版社2001.
[22]唐利平.浅谈数控机床坐标系统的建立.科技资讯,2006.27.
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[26]宋宝、周云飞.高速高精运动中的平滑抑振轨迹规划[J].制造技术与机床,2005,(2):32-35
[27]Erko rkm az K,A ltintas Y.High speed CNC system design Part I Jerk limited trajectory generation and quintic spline interpolation[J].Int J Mach Tools Manufact,2001,41(2):1323-1345.
[28]郭新贵.高速切削的高速高精度插补技术研究[D].上海交通大学博士论文2002.
[29]李加文,陈宗雨,李从心.基于函数逼近的三角函数加减速方法[J].机床和液压,2006,(3):66-67.
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