運(yùn)動(dòng)控制器的工作原理及應(yīng)用

　　我們以運(yùn)動(dòng)控制器在數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用及工作原理來詳解。

　　傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床的控制方式主要有繼電器控制、單片機(jī)控制與PLC控制幾類。現(xiàn)階段數(shù)控系統(tǒng)逐漸向開放性的趨勢發(fā)展，繼電器，PLC和單片機(jī)的擴(kuò)展性和可移植性都比較差，不能夠滿足數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展要求。近年來，運(yùn)動(dòng)控制器得到了廣泛的應(yīng)用，它具有開放性好、可移植性好、可靠性高、控制功能強(qiáng)、體積小且性價(jià)比高等諸多優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過發(fā)展，運(yùn)動(dòng)控制器幾乎應(yīng)用于所有的工業(yè)企業(yè)中。運(yùn)動(dòng)控制器既可以應(yīng)用于傳統(tǒng)機(jī)床的數(shù)控化改造，也可以應(yīng)用于新型數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)，降低成本、節(jié)約能源并且提高效率。本文以機(jī)械手的控制系統(tǒng)為例，介紹了基于運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　1、數(shù)控系統(tǒng)總體方案

　　如圖1所示，整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分又分為控制系統(tǒng)硬件和電氣控制柜。控制系統(tǒng)硬件包括運(yùn)動(dòng)控制器、I/O（輸入/輸出）接口、驅(qū)動(dòng)模塊和執(zhí)行模塊，這部分是數(shù)控系統(tǒng)硬件的核心部分；電氣控制柜由動(dòng)力電路、控制電路和信號(hào)指示電路等組成。由于現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)控制器體積較小，集成度較高，也可以直接將其放置于電氣控制柜中。數(shù)控系統(tǒng)的軟件編寫與硬件有一定的關(guān)系，一般運(yùn)動(dòng)控制器和觸摸屏等都會(huì)提供編程工具與編程語言，用戶根據(jù)不同需求使用所提供的編程工具與編程語言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。

　　2、機(jī)械手工作原理

　　圖1 數(shù)控系統(tǒng)總體方案圖

　　本文中的機(jī)械手指搬運(yùn)機(jī)械手，所要完成的工藝流程一般是將工件從一個(gè)指定位置運(yùn)送到另一個(gè)指定位置，機(jī)械手工藝流程如圖2所示。數(shù)控系統(tǒng)在工作之前，機(jī)械手位于設(shè)定的原點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)有上下左右4個(gè)限位開關(guān)，分別接入運(yùn)動(dòng)控制器中的4個(gè)不同輸入點(diǎn)。數(shù)控系統(tǒng)工作時(shí)，機(jī)械手由原點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)，碰到下限位開關(guān)后停止運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手抓取工件，為保證機(jī)械手能夠可靠的夾緊工件，需使用數(shù)控系統(tǒng)延時(shí)功能，在夾緊2s后再繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，其余三方向同理，最后機(jī)械手松開工件，放在指定位置。為保證機(jī)械手能夠可靠的放置工件，使用數(shù)控系統(tǒng)延時(shí)功能，在松開2s后再繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，碰到上限位開關(guān)后繼續(xù)向左運(yùn)動(dòng)，回到原點(diǎn)后進(jìn)行下一次抓取與放置。

　　機(jī)械手搬運(yùn)分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式，在自動(dòng)模式下，無需人為干預(yù)，系統(tǒng)全自動(dòng)運(yùn)行；在手動(dòng)模式下，操作者可以根據(jù)自己的需求控制機(jī)械手的動(dòng)作。

　　3、數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　圖2 機(jī)械手工藝流程圖

　　數(shù)控系統(tǒng)硬件主要包括運(yùn)動(dòng)控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、氣動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)、觸摸屏以及其他擴(kuò)展模塊和輔助硬件。數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。

　　（1）數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。運(yùn)動(dòng)控制器選用英國Trio控制器，采用32-bit的120～150MHz的DSP的最新的微處理器技術(shù)，融合了最新的控制理論及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)控制。Trio運(yùn)動(dòng)控制器提供了豐富的標(biāo)準(zhǔn)接口，例如RS232C、RS485、USB、Ethernet及CAN等，其中RS232C、RS485帶有HostLink、Modbus協(xié)議，可以和觸摸屏直接通訊；Trio運(yùn)動(dòng)控制編程語言是一種由Trio自行開發(fā)的結(jié)構(gòu)類似于BASIC的語言，其命令就是該運(yùn)動(dòng)名稱的英文單詞。例如：軸就是AXIS，相對移動(dòng)就是MOVE，絕對運(yùn)動(dòng)就是MOVEABS等等。另外，TRIO還提供二次開發(fā)使用的ActiveX控件，用戶可以根據(jù)自身需要利用VB/VC/C++等高級(jí)語言進(jìn)行二次開發(fā)。

　　（2）選用屏通觸摸屏，屏通觸摸屏采用高彩、高亮度的數(shù)字式液晶屏幕，顯示效果好、反應(yīng)快。觸摸屏與運(yùn)動(dòng)控制器之間通過RS485接口連接，觸摸屏可以進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置與顯示。機(jī)械手的狀態(tài)信息通過觸摸屏可以直觀的顯示出來，還可以通過觸摸屏上的按鈕、數(shù)字輸入等功能向系統(tǒng)發(fā)出指令，對機(jī)械手進(jìn)行控制。

　　圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖

　　（3）伺服系統(tǒng)選用松下MINAS A5系列伺服系統(tǒng)，包括伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電動(dòng)機(jī)，該伺服系統(tǒng)可以滿足高速、高精度和高性能的要求。伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電動(dòng)機(jī)之間通過配套的動(dòng)力線和編碼器線進(jìn)行連接。在機(jī)械手中需要水平和豎直兩套伺服系統(tǒng)。水平和豎直方向分別有兩個(gè)限位開關(guān)，用來控制伺服電動(dòng)機(jī)的行程。除此之外，在水平和豎直方向分別有一個(gè)回零開關(guān)作為基準(zhǔn)，用來設(shè)置水平和豎直方向的零點(diǎn)。

　　4、數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括三大部分，分別為上位機(jī)程序設(shè)計(jì)、控制程序設(shè)計(jì)與觸摸屏程序設(shè)計(jì)。通過控制程序和觸摸屏程序的配合運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手相應(yīng)的功能。

　　（1）軟件整體設(shè)計(jì)。為了保證軟件的可靠性與可擴(kuò)展性，控制程序與觸摸屏程序采用模塊化設(shè)計(jì)思想。如圖4所示，軟件分為管理模塊、控制模塊和參數(shù)模塊三大部分。由于運(yùn)動(dòng)控制器自身沒有操作系統(tǒng)，不具備開發(fā)環(huán)境，必須通過上位機(jī)對其進(jìn)行開發(fā)與管理，所以管理模塊在上位機(jī)中運(yùn)行；控制模塊在運(yùn)動(dòng)控制器中運(yùn)行，在上位機(jī)上編寫好的控制程序可以直接傳輸?shù)竭\(yùn)動(dòng)控制器中，運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)程序?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能；參數(shù)模塊主要用來進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置與顯示，可在觸摸屏上運(yùn)行。通過這樣的模塊化設(shè)計(jì)，可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

　　（2）部分程序設(shè)計(jì)。由于運(yùn)動(dòng)控制器是基于PC運(yùn)行的，所以需要開發(fā)上位機(jī)程序?qū)?shù)控程序進(jìn)行管理。一般運(yùn)動(dòng)控制器都會(huì)提供上位機(jī)開發(fā)的接口。Trio中的Active X控件就是用來與高級(jí)語言結(jié)合使用的接口，本文中使用VB進(jìn)行上位機(jī)程序編寫，直接向工程中添加Active X控件，編程時(shí)調(diào)用相關(guān)函數(shù)即可。

　　控制程序分為兩部分，分別為手動(dòng)控制程序和自動(dòng)控制程序。在手動(dòng)控制模式下，機(jī)械手主要根據(jù)觸摸屏上的按鈕指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，各個(gè)動(dòng)作可以單步執(zhí)行，主要用來進(jìn)行安裝調(diào)試與維修等工作；自動(dòng)控制程序用來控制機(jī)械手自動(dòng)完成工件的搬運(yùn)工作，程序通過外部狀態(tài)信息的反饋，按照指定路線進(jìn)行工件搬運(yùn)，當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)系統(tǒng)會(huì)運(yùn)行保護(hù)程序，防止意外發(fā)生，機(jī)械手的運(yùn)行狀態(tài)和外部反饋信息都會(huì)在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示。機(jī)械手控制流程如圖5所示。

　　觸摸屏是人機(jī)交互的窗口，觸摸屏程序由多個(gè)畫面組成，通過這種方式來使人機(jī)交互更加清晰，避免誤操作的發(fā)生。觸摸屏界面主要有主界面、狀態(tài)顯示界面和操作界面等，其中狀態(tài)顯示界面如圖6所示。

　　圖4 軟件整體設(shè)計(jì)圖

　　圖5 機(jī)械手控制流程圖

　　圖6 狀態(tài)顯示界面

　　5、結(jié)語

　　隨著工業(yè)控制的不斷發(fā)展，新的控制方式不斷出現(xiàn)，相應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)也需要與時(shí)俱進(jìn)。采用運(yùn)動(dòng)控制器作為數(shù)控系統(tǒng)的核心具有系統(tǒng)簡單靈活、硬件少且開放性好的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期設(shè)想，完成了相應(yīng)功能，證明了系統(tǒng)的可行性。基于運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)控系統(tǒng)，既可以應(yīng)用于新數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)，又可以應(yīng)用于傳統(tǒng)機(jī)床的數(shù)控化改造，是數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的新方向。