激光焊接機(jī)運(yùn)動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【說明書+CAD+PROE】

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Based on hardware structure design movement system, focusing on the design of the motion control system of electrical structure and open CNC system. The 1990 s saw the emergence of an advanced computer numerical control system structure called the open CNC system, it has good expansibility, secondary development and maintenance convenience, running high stability, portability, the flexibility to adapt to the different needs and other characteristics, can meet the objective need of production equipment, and promote the development of the manufacturing enterprise, the future is the main trend of the numerical control technology. With modern computer technology, microelectronics technology and modern control the development of technology, the open CNC system how to effectively use the advanced technology, is to control the development of economically system it is very necessary. This topic make full use of computer software and hardware technology, digital signal processing technology, realizing the four degrees of freedom for open CNC carving of the milling machine computer control system. The system USES the numerical control technology for the shenzhen Co., LTD "http://adtechcn.cn.alibaba.com/ > _ADT_8948A1 multiaxial movement control CARDS, formed to the opening of the embedded NC PC numerical control system. The controlled object is a rectangular, four shaft laser welding platform, by four sets of stepping motor and drive, the limit switch consists of the laser welding machine of CNC system. This paper introduces laser welding machine numerical control of workbench hardware make system structure and the design of man-machine interface in windowXP under the environment of the development process, the function is basically could reach the requirements. Keywords: laser welding machine; NC embedded PC ; open-architecture CNC system; motion controller　 目 錄 摘要 1 ABSTRACT 2 1.緒論 5 1.1 本課題研究的目的、意義 5 1.2 本課題研究的內(nèi)容 7 1.3 本課題研究的方法和手段 7 2.激光焊接機(jī)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 9 2.1 概述 9 2.2控制系統(tǒng)的主要硬件模塊 9 2.3控制系統(tǒng)的主要前臺軟件設(shè)計(jì) 10 3.激光焊接機(jī)控制系統(tǒng)的硬件選型 10 3.1 激光焊接機(jī)控制系統(tǒng)的總體性能的要求 10 3.2 激光焊接機(jī)控制系統(tǒng)的硬件選型 11 3.2.1 電機(jī)系統(tǒng)的選擇 11 3.2.2 步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)的選擇 13 3.2.3限位開關(guān)、原點(diǎn)開關(guān)選型 14 3.2.4 開關(guān)電壓的選型 14 3.3 主要元件列表 18 4.激光焊接機(jī)控制系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì) 20 4.1控制系統(tǒng)的主回路設(shè)計(jì) 20 4.1.1主回路設(shè)計(jì)內(nèi)容： 20 4.1.2控制回路設(shè)計(jì)內(nèi)容 20 4.2數(shù)字輸入輸出的設(shè)計(jì)： 21 4.3驅(qū)動器控制回路電氣設(shè)計(jì) 22 5.前臺軟件設(shè)計(jì) 23 5.1軟件平臺 23 5.1.1 操作系統(tǒng)平臺 23 5.1.2 軟件開發(fā)工具 23 5.2控制軟件的程序總體設(shè)計(jì) 23 5.2.1 控制軟件基于MFC的框架搭建 23 5.2.2 界面介紹 24 5.3 系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)制介紹 27 6、 PRO/E的圖形自動編程軟件介紹 29 6.1 Pro/NC的加工規(guī)劃流程 29 6.2 Pro/NC的生成NC代碼過程剖析 30 7.設(shè)計(jì)總結(jié)及致謝 34 總結(jié) 34 致謝 35 參考文獻(xiàn) 36 附錄一 精敏步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)接線圖 37 附錄二 安裝端子接線圖 38 附錄三 電氣原理圖 40 附錄四 典型程序 41 1.緒論 1.1 本課題研究的目的、意義 隨著國家工業(yè)的迅猛發(fā)展，焊接技術(shù)越來越受到生產(chǎn)的需求，傳統(tǒng)的人工焊接已經(jīng)不能滿足工業(yè)的需求，一種現(xiàn)代的焊接方法—激光焊接孕育而生[1-3]。它具有不受磁場的影響，不局限于導(dǎo)電材料等優(yōu)點(diǎn)，受到很多制造者的青睞。激光焊接機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛[4-6]，可以用于很多材料的焊接，碳鋼、低合金高強(qiáng)度鋼、不銹鋼、鋁合金和鈦合金等都可以用激光進(jìn)行焊接，因此可以涉及到航空航天、武器制造、船舶制造、汽車制造、壓力容器制造、民用及醫(yī)用、教學(xué)實(shí)驗(yàn)等多個領(lǐng)域[7]。 另外隨著制造部門把自動化技術(shù)應(yīng)用到焊接過程,激光焊接和計(jì)算機(jī)數(shù)控工作臺控制的結(jié)合能夠更好更精確地控制焊接過程,很好地實(shí)現(xiàn)了激光焊接的自動化，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率[8-11]。激光焊接機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)是激光焊接機(jī)的運(yùn)動控制核心，即是實(shí)現(xiàn)自動化心臟。它的控制能力直接關(guān)系到激光焊接機(jī)的加工質(zhì)量與加工效率，對整個激光焊接機(jī)的性價比和市場競爭力都有著至關(guān)重要。但目前國產(chǎn)激光焊接機(jī)使用的數(shù)控系統(tǒng)在性能和價格上不能很好地統(tǒng)一，成為影響國產(chǎn)數(shù)控激光焊接機(jī)市場競爭力的制約因素之一[12-14]。為此，研究開發(fā)控制能力強(qiáng)，性價比高的激光焊接機(jī)具有巨大的空間，有著深遠(yuǎn)的影響[15]。 本課題采用“高性能運(yùn)動控制器”為核心研制開發(fā)激光焊接機(jī)數(shù)控工作臺實(shí)現(xiàn)了工作臺三軸的聯(lián)動，任意兩軸圓弧插補(bǔ)，2-3軸的直線插補(bǔ)，可以為用戶提供焊接帶有空間曲面的工件，如渦輪蝸桿、齒輪等零件。大大提高原來的控制系統(tǒng)的工作臺性價比和控制能力。 主要研究所能實(shí)現(xiàn)的目的體現(xiàn)在以下幾個方面: 1）、設(shè)計(jì)激光焊接機(jī)的硬件設(shè)備，包括X,Y,Z三個軸機(jī)械結(jié)構(gòu)。 2）、采用PCI總線連接控制卡，提高激光焊接機(jī)整體可靠性、穩(wěn)定性，降低成本，開發(fā)基于VC++軟件控制的激光焊接機(jī)控制系統(tǒng)，依靠和發(fā)揮軟件技術(shù)優(yōu)勢，提高系統(tǒng)性能。 3）、通過調(diào)用運(yùn)動控制器的函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高精度的任意三軸的直線插補(bǔ)，任意兩軸的圓弧插補(bǔ)，并提高了數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)運(yùn)算速度和精度。 4）、友好的可視化windows人機(jī)界面，人機(jī)界面功能設(shè)計(jì)更為齊全，集中于一個VC多文檔的界面，操作更為簡單，邏輯更為準(zhǔn)確。 1.2 本課題研究的內(nèi)容 本次設(shè)計(jì)內(nèi)容主要有從工程實(shí)踐出發(fā)，根據(jù)激光焊接機(jī)的要求，首先設(shè)計(jì)好激光運(yùn)動控制平臺的硬件設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，對開放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，在數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件平臺的構(gòu)建、輸入數(shù)據(jù)處理、進(jìn)給控制等方面進(jìn)行研究;開發(fā)一套以PC機(jī)和運(yùn)動控制器為核心的數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控工作臺的運(yùn)動控制，數(shù)控系統(tǒng)采用前后臺軟件結(jié)構(gòu)，前臺程序由運(yùn)動控制器完成插補(bǔ)、伺服位置控制，后臺程序完成輸入、譯碼、數(shù)據(jù)處理及管理、診斷功能，整個軟件在Windows操作系統(tǒng)下用C++或Visual C++編制。聯(lián)接后臺軟件設(shè)計(jì)，合作完成整一部三軸聯(lián)動的數(shù)控控制激光焊接機(jī)。 1）、工作臺硬件體系結(jié)構(gòu)的搭建與分析、主要技術(shù)參數(shù)的確定與性能分析； 2）、電氣結(jié)構(gòu)圖，步進(jìn)驅(qū)動器、限位信號與接口板連線圖的繪制與制作； 3）、運(yùn)動控制器的研究與應(yīng)用； 4）、編寫用戶界面，實(shí)現(xiàn)文件管理、程序輸入、運(yùn)動控制、對系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控任務(wù)； 5）、開發(fā)基于 pro/e的圖形自動編程軟件接口模塊。 1.3 本課題研究的方法和手段 本課題的研究方法和手段是理論設(shè)計(jì)與實(shí)際調(diào)式相結(jié)合。通過學(xué)習(xí)運(yùn)動控制卡相關(guān)模塊的原理及使用方法、步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)的原理及控制方法、電路設(shè)計(jì)理論知識，進(jìn)行電氣系統(tǒng)的硬件選型、設(shè)計(jì)電氣原理圖及接線圖，學(xué)習(xí)VC界面開發(fā)技術(shù)，開發(fā)出友好的可視化人界界面，最后與后臺軟件設(shè)計(jì)部分結(jié)合，形成完成一臺性價比高的激光焊接機(jī)工作臺的改造。 2.激光焊接機(jī)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 2.1 概述 根據(jù)上網(wǎng)和在書上查閱資料，根據(jù)激光焊接時的運(yùn)動軌跡，設(shè)計(jì)出了激光工作臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2-1.本設(shè)計(jì)的激光工作臺有XYZ三個方向的自由度，這樣的工作臺不僅結(jié)構(gòu)簡單，容易維護(hù)，也能夠很好地保證運(yùn)動精度。 圖2-1.激光焊接工作臺的機(jī)械結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)采用滾珠絲桿和直線導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，XY軸的運(yùn)動通過步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動來帶動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動帶動工作臺的移動。直線導(dǎo)軌主要用于為工作臺的運(yùn)動提供導(dǎo)向工作精度。 在設(shè)計(jì)好了激光焊接機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，然后設(shè)計(jì)激光焊接工作臺的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本激光焊接機(jī)工作臺的控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上來看主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件方面采用結(jié)構(gòu)有計(jì)算機(jī)主機(jī)，鍵盤，鼠標(biāo)，運(yùn)動控制卡，步進(jìn)驅(qū)動器，步進(jìn)電機(jī)，限位開關(guān)，直線運(yùn)動模塊，原點(diǎn)開關(guān)，直流開關(guān)電源，單相變壓器等組成。軟件部分主要是以windows操作系統(tǒng)為平臺，開發(fā)系統(tǒng)所需要的運(yùn)動驅(qū)動函數(shù)和各種應(yīng)用程序。一般典型的pc的運(yùn)動控制卡的數(shù)控硬件系統(tǒng)如下圖2-2： 圖2-2典型的基于pc的運(yùn)動控制卡的數(shù)控硬件系統(tǒng) 2.2控制系統(tǒng)的主要硬件模塊 1）、計(jì)算機(jī)主機(jī)：作為控制系統(tǒng)的核心，包括CPU芯片以及外圍芯片，電子盤、通訊接口、軟硬驅(qū)動接口。他的主要作用是對于系統(tǒng)的任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，完成處理控制系統(tǒng)所發(fā)出的指令。根據(jù)指令向其他功能模塊發(fā)送命令、傳送數(shù)據(jù)，響應(yīng)用戶的操作指令。 2）、運(yùn)動控制卡：用高性能微處理器（如 DSP）及大規(guī)模可編程器件實(shí)現(xiàn)多個伺服電機(jī)的多軸協(xié)調(diào)控制的一種高性能的步進(jìn)/伺服電機(jī)運(yùn)動控制卡，包括脈沖輸出、脈沖計(jì)數(shù)、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、D/A輸出等功能，它可以發(fā)出連續(xù)的、高頻率的脈沖串，通過改變發(fā)出脈沖的頻率來控制電機(jī)的速度，改變發(fā)出脈沖的數(shù)量來控制電機(jī)的位置，它的脈沖輸出模式包括脈沖/方向、脈沖/脈沖方式。脈沖計(jì)數(shù)可用于編碼器的位置反饋，提供機(jī)器準(zhǔn)確的位置，糾正傳動過程中產(chǎn)生的誤差。 3）、鍵盤和顯示器：兩者構(gòu)成人機(jī)對話窗口，用于輸入和顯示系統(tǒng)參數(shù)運(yùn)行情況等 4）、限位和原點(diǎn)開關(guān)：用于工作臺的超程和原點(diǎn)控制。一般作為輸入信號，返回一個信號給運(yùn)動控制卡，通過調(diào)用程序達(dá)到限位或停止功能。 5）、驅(qū)動器:接收運(yùn)動控制卡發(fā)出的脈沖和方向信號,再把信號發(fā)給電機(jī)。 6）、電機(jī)：主要用于運(yùn)動的控制，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動軌跡。 2.3控制系統(tǒng)的主要前臺軟件設(shè)計(jì) 1）、友好的人機(jī)界面：本界面是模仿法拉克系統(tǒng)的數(shù)控操作的的界面，布局合理美觀，模塊結(jié)構(gòu)清晰，使用者可以在一個界面內(nèi)完成所有的數(shù)控操作。 2）、文件管理功能：系統(tǒng)能夠自動識別和打開*cnc文件，識別后導(dǎo)入編輯的對話框里面，編輯對話框具有檢測合法字符，操作符，語法等功能。因此，系統(tǒng)支持在電腦加載復(fù)雜的程序。 3）、程序輸入：界面的編輯框還有直接在系統(tǒng)輸入，編輯，更改程序的功能，編輯框右邊提供使用者編輯按鈕，按鈕有自動識別字母輸入還是數(shù)字輸入的功能。 4）、狀態(tài)顯示：當(dāng)系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)的時候，界面可以顯示對工作臺的坐標(biāo)顯示更新以及按鍵被選中的時候狀態(tài)顯示，提示超程等。 3.激光焊接機(jī)控制系統(tǒng)的硬件選型 3.1 激光焊接機(jī)控制系統(tǒng)的總體性能的要求 激光工作臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對典型，XY軸主要是控制XOY平面運(yùn)動，Z軸是控制激光的運(yùn)動，主要用于刀補(bǔ)形式。XYZ都是通過絲桿把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)為直線運(yùn)動。機(jī)床的機(jī)械原點(diǎn)我們擬定為：XY軸的負(fù)限位開關(guān)，Z軸的正限位開關(guān)。 在理想的情況下，我們希望控制系統(tǒng)的控制量能夠嚴(yán)格地按照所發(fā)出的指令到達(dá)所需要的量，不存在誤差，不受到任何干擾的影響。然而，由于系統(tǒng)本身的各種原因如：系統(tǒng)零件的裝配精度，在運(yùn)動時存在著慣量，芯片的響應(yīng)時間等等使得系統(tǒng)從一個狀態(tài)變更到另一個狀態(tài)時（例如突然加速然后減速）很難達(dá)到理想中的運(yùn)動完全一樣。因此在硬件選型的時候和軟件設(shè)計(jì)的時候?qū)σ韵氯矫嫣岢隽艘螅? 要滿足這三個方面的要求,硬件必須達(dá)到一定的特性要求,下面介紹一下硬件的選型情況: 1)響應(yīng)快速:快速響應(yīng)是控制系統(tǒng)的重要的要求,在運(yùn)行中的機(jī)床,從一個狀態(tài)走向另一個狀態(tài)時,要求狀態(tài)過渡時間反應(yīng)時間短,系統(tǒng)的上升的斜率和下降的斜率相對大。盡量避免系統(tǒng)的響應(yīng)遲鈍，如果反映時間太長，將難于達(dá)到對系統(tǒng)的要求[16-17]。盡量減少系統(tǒng)的阻尼，設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的問題。 2）穩(wěn)定性好：激光焊接機(jī)經(jīng)常會遇到空間曲面的使用場景，數(shù)控工作臺能否正確穩(wěn)定的執(zhí)行指令，在一個狀態(tài)回到另一個狀態(tài)的穩(wěn)定性，影響到系統(tǒng)加工的質(zhì)量。所以數(shù)控工作臺在系統(tǒng)給定的輸入是外部干擾的作用下，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的執(zhí)行發(fā)出命令的同時能夠在短時間內(nèi)達(dá)到系統(tǒng)的新的平衡或者回復(fù)到原來的平衡的狀態(tài)的能力，即穩(wěn)定性，是對控制系統(tǒng)的重要衡量。 3)控制精度高：本控制系統(tǒng)工作臺要求任意兩軸圓弧插補(bǔ)，兩軸直線插補(bǔ)，來達(dá)到平面或空間曲面的焊接，有一定的精度要求。這里所說的控制精度是指系統(tǒng)的輸出和輸入的目標(biāo)值的吻合程度，也叫存在的誤差大小。在滿足控制精度高于機(jī)床精度的時候，在控制的過程中，這個誤差需要控制的越小越好[18-19]。控制精度高的機(jī)床，可以很好地實(shí)現(xiàn)你所設(shè)計(jì)的圖紙的要求，對加工的產(chǎn)品是非常重要的。一般情況下由于系統(tǒng)中機(jī)械零部件的種種裝配過程中存在著一些誤差，以及在使用的過程中存在著一點(diǎn)磨損，還有環(huán)境溫度的變化等的影響都會造成控制精度降低。 3.2 激光焊接機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以及選型 本設(shè)計(jì)的激光工作平臺采用滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌的方式。本部分主要介紹滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)以及選型。 3.2.1.滾珠絲杠的設(shè)計(jì)以及選型 滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動，或?qū)⒅本€運(yùn)動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動的理想產(chǎn)品。它主要由螺桿、螺母和滾珠組成。廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床，電子設(shè)備，自動化設(shè)備，激光設(shè)備，醫(yī)療器械等領(lǐng)域。 1.滾珠絲杠的原理 圖（1） 滾珠絲杠的原理示意圖 工作原理：在絲杠和螺母上加工有弧形的螺旋槽，當(dāng)他們套裝在一起時便形成螺旋滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠，如圖（1）。而滾珠則沿滾道滾動，并經(jīng)回珠管做周而復(fù)始的循環(huán)運(yùn)動?；刂楣軆啥诉€起擋珠的作用，以防滾珠從滾道滾出。當(dāng)滾珠絲杠作為主動體時，螺母就會隨絲桿的轉(zhuǎn)動角度按照對應(yīng)規(guī)格的導(dǎo)程轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動，被動工件可以通過螺母座和螺母連接，從而實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的直線運(yùn)動。 2．滾珠絲杠的結(jié)構(gòu) 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)分為內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)(以圓形反向器和橢圓形反向器為代表)和外循環(huán)結(jié)構(gòu)(以插管為代表)兩種。這兩種結(jié)構(gòu)也是最常用的結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)性能上沒有本質(zhì)區(qū)別，只是內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)安裝連接尺寸??；外循環(huán)結(jié)構(gòu)安裝連接尺寸大。目前，滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)已有10多種，但比較常用的主要有：內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)，外循環(huán)結(jié)構(gòu)，端蓋結(jié)構(gòu)，蓋板結(jié)構(gòu)等。 3．滾珠絲杠的特點(diǎn) 1、與滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩為1/3 　 由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動運(yùn)動,所以能得到較高的運(yùn)動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩為其1/3以下,即達(dá)到同樣運(yùn)動結(jié)果所需的動力為使用滑動絲杠副的1/3。在省電方面很有幫助。 　　2、高精度的保證 　　滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機(jī)械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對溫度、濕度進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。 　　3、微進(jìn)給可能 　　滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動,所以啟動力矩極小,不會出現(xiàn)滑動運(yùn)動那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實(shí)現(xiàn)精確的細(xì)微進(jìn)給。 　　4、無側(cè)隙、剛性高 　　滾珠絲杠副可以加預(yù)壓,由于預(yù)壓力可使軸向間隙達(dá)到負(fù)值,進(jìn)而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加預(yù)壓力,在實(shí)際用于機(jī)械裝置時,由于滾珠的斥力可使絲杠螺母部位的剛性增強(qiáng))。 　　5、高速進(jìn)給可能 滾珠絲杠由于運(yùn)動效率高、發(fā)熱小、所以可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給。 4．滾珠絲杠的支撐方式 滾珠絲杠有四種基本支撐方式，在重載的情況下，絲杠的支撐方式直接影響臨界速度，以及絲杠所允許承受的軸向載荷和轉(zhuǎn)速的大小。 1． 一端固定一段支撐 這是比較典型的安裝方式，適用于中、高速，及中、高精度的設(shè)備， 2． 兩端固定 適用于中速和高精度的設(shè)備， 3． 一端固定一端自由 適用于低速、絲杠長度短、中等精度的設(shè)備， 4． 兩端支撐 適用于低速到中速、低精度的設(shè)備. 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)精度要求較高，所以我們采用兩端固定的滾珠絲杠。這樣有利于保證運(yùn)動平臺的運(yùn)動精度。 我們初步選用CSK的WV60型滾珠絲杠，這款絲杠的最高速度達(dá)到2m/min，最大進(jìn)給力為4000N,重復(fù)定位精度可以達(dá)到0.01mm，為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求以下對滾珠絲杠進(jìn)行校核。 為保證激光工作臺可靠穩(wěn)定的運(yùn)行和要求的精度，滾珠絲杠應(yīng)滿足以下條件： 1. 具有足夠的剛度，力變形要小。儀器和工件的重量及支撐的自重會引起力的變形，被測件的質(zhì)量的改變會引起載荷力的變形。 2. 穩(wěn)定性好，內(nèi)應(yīng)力變形小。由于材料的內(nèi)應(yīng)力會造成絲杠的緩慢的變形。選擇材料時一定要進(jìn)行時效處理，消除內(nèi)應(yīng)力，減小力變形，提高精度。 3. 熱變形要小，對于尺寸較大，精度要求較高的儀器，熱變形是造成誤差的一個重要因素。如對于較長的絲杠來說，溫度變形會引起凸凹的變形。 4. 有良好的抗震性。在精密和超緊密的測量中，震動的測量不可忽略的，它不僅造成整機(jī)的晃動還可能造成零件與部件之間相互位置變動或者產(chǎn)生彎曲與扭曲，從而對儀器精度產(chǎn)生影響。在滿足感性的要求情況下，盡量減輕重量，提高固有頻率，防止共振；合理的進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如合理的選擇截面形狀和尺寸，提高固有頻率，避免產(chǎn)生共振；采用減震或隔振設(shè)計(jì)，如彈簧隔振、橡膠隔振、氣墊隔振等。 滾珠絲杠的負(fù)荷包括銑削力及運(yùn)動部件的重量所引起的進(jìn)給抗力。應(yīng)按銑削時的情況計(jì)算。 1、 最大動負(fù)載Q的計(jì)算 查表得系數(shù)，，壽命值 查表得使用壽命時間T=15000h，初選絲杠螺距t=4mm，得絲杠轉(zhuǎn)速 所以 X向絲杠牽引力 Y向絲杠牽引力 所以最大動負(fù)荷 X向 Y向 查表，取滾珠絲杠公稱直徑 ，選用滾珠絲杠螺母副額定動載荷為390N，足夠用。 ⑵、滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)計(jì)算，如表3 表3滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù) 名 稱 符 號 計(jì)算公式和結(jié)果 螺紋滾道 公稱直徑 10 螺距 接觸角 鋼球直徑 螺紋滾道法面半徑 偏心距 螺紋升角 螺桿 螺桿外徑 螺桿內(nèi)徑 螺桿接觸直徑 螺母 螺母螺紋外徑 螺母內(nèi)徑（外循環(huán)） ⑶、傳動效率計(jì)算 式2-3-8 式中：——摩擦角； ——絲杠螺紋升角。 ⑷、剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠受工作負(fù)載P引起的導(dǎo)程的變化量 Y向所受牽引力大，故應(yīng)用Y向參數(shù)計(jì)算 所以 絲杠因受扭矩而引起的導(dǎo)程變化量很小，可以忽略。 所以導(dǎo)程總誤差 查表知E級精度的絲杠允許誤差，故剛度足夠。 ⑸、穩(wěn)定性驗(yàn)算 由于絲杠兩端采用止推軸承，故不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算。 3.2.2.直線導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)以及計(jì)算 導(dǎo)軌的的導(dǎo)向精度是導(dǎo)軌導(dǎo)軌副的重要指標(biāo)。導(dǎo)向精度是指運(yùn)動件按給定的方向做直線運(yùn)動的準(zhǔn)確程度，它取決于導(dǎo)軌本身的幾何精度及導(dǎo)軌配合間隙。運(yùn)動件的實(shí)際運(yùn)動軌跡與給定方向之間的偏差越小，則導(dǎo)向精度越高。其中導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度的主要因素有導(dǎo)軌的類型；導(dǎo)軌面間的間隙；導(dǎo)軌的幾何精度、幾何參數(shù)和接觸度；導(dǎo)軌和機(jī)座的剛度；導(dǎo)軌油膜的厚度和剛度；導(dǎo)軌的耐磨性；導(dǎo)軌和機(jī)座的熱變形等。 導(dǎo)軌的幾何精度可用線值或角值表示。 設(shè)計(jì)導(dǎo)軌時，必須合理地確定驅(qū)動力的方向和作用點(diǎn)，使導(dǎo)軌的傾覆力矩盡可能的小。否則，將使導(dǎo)軌中的摩擦力增大，磨損加劇，從而將降低運(yùn)動的靈活性和導(dǎo)向精度，嚴(yán)重時甚至使導(dǎo)軌卡住而不能正常工作。因此確定導(dǎo)軌不被卡住的條件，必須對運(yùn)動件進(jìn)行受力分析。 3.2.3滑塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號的選取 本設(shè)計(jì)初步選定采用SCK的LMG-20-LH-H型直線滑塊導(dǎo)軌。 工作載荷是影響直線滾動導(dǎo)軌使用壽命的重要因素。本課題中的激光工作臺為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： 其中，移動部件重量，外加載荷，代入上式，得最大工作載荷。 根據(jù)工作載荷，直線滑動導(dǎo)軌副的額定動載荷，額定靜載荷。 任務(wù)書規(guī)定工作臺平面尺寸為300×200，考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-35，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取X向?qū)к壍拈L度為640，Y向?qū)к壍拈L度為580。 2 距離額定壽命L的計(jì)算 上述選取的導(dǎo)軌副的滾道硬度為60HRC,工作溫度不超過100,精度為4級，工作速度較低，載荷不大，查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-36～表3-40，分別取硬度系數(shù)=1.0、溫度系數(shù)=1.00、接觸系數(shù)=0.81、精度系數(shù)=0.9、載荷系數(shù)=1.5，代入式，得距離壽命： L=22984KM 遠(yuǎn)大于期望值100km,故距離額定壽命滿足要求. 3.3聯(lián)軸器的選用 圖13聯(lián)軸器 聯(lián)軸器的選擇計(jì)算 聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩TC有下式求得，在由聯(lián)軸器標(biāo)準(zhǔn)按其公稱轉(zhuǎn)矩Tn選定聯(lián)軸器型號。 TC=KT=K×9550×P/N≦Tn 式中 T---理論轉(zhuǎn)矩（N.m）； K----載荷系數(shù) P聯(lián)軸器傳遞功率(KW) n——聯(lián)軸器轉(zhuǎn)速（r/m） 傳遞功率=工作臺進(jìn)給抗力×工作臺移動速度/傳動鏈效率 P=500×1/60×0.8=10.4w所以選擇凸緣聯(lián)軸器 凸緣聯(lián)軸器具有許多優(yōu)點(diǎn)，他的TN=20000～10 N.m;d=10～180mm無補(bǔ)償性能，不能減振、緩沖，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便成本較低，裝拆、維護(hù)方便，可傳遞大轉(zhuǎn)矩。需保證兩軸具有較高對中精度。適用于載荷平穩(wěn)，高轉(zhuǎn)速或傳動精度要求還不高的傳動軸系。 3.3電機(jī)系統(tǒng)的選擇 在中高精度的控制應(yīng)用方面，很多用步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)。兩種電機(jī)的具體性能我們可以通過下列表3-1格進(jìn)行對比： 表3-1 伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的性能對比 使用性能 伺服電機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 調(diào)速范圍 較寬 較窄 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 較為復(fù)雜 較為簡單 控制精度 交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證，一般能達(dá)到0.036° 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為3.6°、 1.8° 低頻特性 運(yùn)行平穩(wěn)，低速也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象 在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。 過載能力 較強(qiáng)，可用于克服在瞬間啟動的慣性 一般不具有過載能力 矩頻特性 輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。 輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降 運(yùn)行性能 為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機(jī)編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。 控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。 響應(yīng)性能 較快 一般 成本 高 低 本工作臺基于運(yùn)動控制卡控制的三軸聯(lián)動的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)三軸直線插補(bǔ)，任意兩軸圓弧插補(bǔ)，行程為X/Y軸的為300mm，Z軸為400mm，的負(fù)載（工件+工作臺）擬定為5kg，精度為0.01，屬于中等偏高。綜合上述以及步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的性價比對比，可選擇步進(jìn)電機(jī)來控制，步進(jìn)電機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是價格相對伺服電機(jī)便宜很多，能夠精確定位，另外還有電路簡單、容易與微型計(jì)算機(jī)聯(lián)接、停止時有保持轉(zhuǎn)矩、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。 X Y 軸所選型號為：SSTS59D1201; Z軸所選的型號為：42BYG250B； 1）X Y 軸的電機(jī)主要負(fù)責(zé)工作臺的軌跡的運(yùn)動，用的相對頻繁，所以對SST59D1201的信濃電機(jī)要求相對比較高，也就是說，信濃電機(jī)的性價比相對高，使用頻率高而沒有明顯的誤差。 市場上信濃電機(jī)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： 1）、控制精度較高 2）、低速是不易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象 3）、不易出現(xiàn)高頻使用時的丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象 4）、使用時噪聲低，平穩(wěn)，準(zhǔn)確等 5）、速度響應(yīng)性能較好 SST59D1201型號的信濃電機(jī)：具體參數(shù)如下表3-2： 表2-2 信濃電機(jī)性能列表 步距角度 1.8度/step 額定電壓 24v 額定電流 2.8A 保持力矩 880mN-m 轉(zhuǎn)動慣量 145g/cm3 最高轉(zhuǎn)速 300r/min 自重 0.51kg 電機(jī)校核：根據(jù)工作臺需要，主要從運(yùn)動學(xué)，動力學(xué)，轉(zhuǎn)動慣量，靜力矩等方面來校核： 1）速度校核：工作臺一般啟動時或停止時不能馬上達(dá)到穩(wěn)定想要的速度，一般情況下需要一個加速的階段。設(shè)加速時間為0.2s(步進(jìn)電機(jī)一般加速時間為0.1~1秒)。則加減速共0.4s?？梢园鸭訙p速階段看成是勻加速，則加減速的平均速度約等于最大速度的一半： 故有L=1.6*Vmax+0.4*Vmax/2=0.4m;得Vmax=0.22m/s 步進(jìn)電機(jī)做高轉(zhuǎn)速為300r/min（5r/s） ，絲桿導(dǎo)程為5mm，所以最高速度為：0.25m/s>0.22m/s,符合條件。而且在實(shí)際情況下，加速時速度曲線是一條s曲線，加速的時間會相應(yīng)的更長一點(diǎn)，計(jì)算的實(shí)際Vmax會更小一點(diǎn)。 2） 靜力矩校核：在加減速的時候，電機(jī)受力較大，設(shè)此時轉(zhuǎn)化在電機(jī)的力為F，則：F=ma+f;( ma為慣性力，f為勻速時需要的推力) a≈Vmax/0.2=0.11m/s2, M=5kg, f=mgcot75°（75°為絲桿的螺旋角） 代入公式得：F≈23.4N，則轉(zhuǎn)化在電機(jī)的力矩M=F*D/2(D為24mm,絲桿的公稱直徑)，代入公式得：M=281mN*m,考慮到導(dǎo)軌和滑塊的裝配誤差造成的摩擦以及轉(zhuǎn)動慣量等因素，所以取安全系數(shù)為3，則M=843 mN-m<880 mN-m,即電機(jī)保持力矩符合要求。 3）轉(zhuǎn)動慣量校核：折算在電機(jī)上的轉(zhuǎn)動慣量為Jt≈Jm；（Js為絲桿慣量，Jm為工作臺及負(fù)載的慣量），Js=Jm=(m/980)*(p/2π)2 *1000=0.03g-cm3 可以忽略。所以電機(jī)符合要求。 2）Z軸的電機(jī)主要是控制激光的軌跡，在豎直的方向上移動，配合其他軸工作臺的軌跡運(yùn)動，主要是面對加工時對不同位置的焊接所需要的軌跡變換。其基本不用受力，并且頻繁改變運(yùn)動的軌跡使用少，所以可以任選步進(jìn)電機(jī)，這里選用的型號42BYG250B，其技術(shù)特點(diǎn)如下： 1）、絕緣電阻——500VDC 100MΩ Min 2）、軸向間隙——0.08mm 3）、徑向跳動——0.02mm Max 4）、溫 升——65K Max 5）、絕緣強(qiáng)度——500V AC 1Minute 6）、環(huán)境溫度—— -20℃ ～ +50℃ 7）、絕緣等級——B 級 8）、步距角精度: 1.8°±0.09°； 9）、最大空載起動頻率: ≥2000pps[20]； 3.2.2 步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)的選擇 目前國內(nèi)市場的步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)可大致分為歐系、日系及國產(chǎn)三類?？傮w上來說，歐系日系的驅(qū)動器性能比較好，價格較貴。國產(chǎn)驅(qū)動器在近年來也發(fā)展迅猛，在性能上，使用壽命都有了很高的提高。一般情況下選擇驅(qū)動器要符合響應(yīng)快（能夠支持頻繁的啟停），調(diào)速寬，負(fù)載特性好等特點(diǎn)。本工作臺根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的需要，性價比的考慮上，選擇國產(chǎn)的精敏系列的H2MD型號的步進(jìn)驅(qū)動器。JMDM-H2MD是深圳市精敏數(shù)字機(jī)器有限公司自主研發(fā)的一款高精度多細(xì)分步，專門為銘粵激光機(jī)進(jìn)用的電機(jī)驅(qū)動器[21]。如圖3-1所示： 圖3-1 靜敏H2MD驅(qū)動器 從圖中可以很清晰看到該驅(qū)動器的接口大概分為三個模塊： 1) 電源模塊 2) 步進(jìn)電機(jī)模塊（兩相四線） 3) 脈沖模塊 使用功能上基本上符合了了步進(jìn)電機(jī)的需要。 H2MD M403驅(qū)動器的具體的性能校核： 1） 驅(qū)動器可以提供直流電壓20v~40v，步進(jìn)電機(jī)的額定電壓24v，滿足。 2） 驅(qū)動器最大驅(qū)動電流3A/相，步進(jìn)電機(jī)的額定電流為2.8A,滿足。 3） 驅(qū)動器最大細(xì)分?jǐn)?shù)為25細(xì)分，精度達(dá)1/（25*絲桿導(dǎo)程）=0.008<機(jī)床精度0.01，滿足精度要求。 4） 驅(qū)動器輸入脈沖頻率最大400KHz，大于電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要的脈沖是360°/1.8°*25=5KHz,滿足要求。 5） 驅(qū)動器所有控制信號光電隔離，可以有效減少對電機(jī)的干擾。 6） 驅(qū)動器有自我保護(hù)功能，當(dāng)電壓過大或接入電壓的方式不對，紅燈會亮起來。 3.2.3限位開關(guān)、原點(diǎn)開關(guān)選型 限位和原點(diǎn)開關(guān)用于工作臺的超程和原點(diǎn)控制。限位開關(guān)由開關(guān)接點(diǎn)開、合狀態(tài)的改變作為運(yùn)動控制卡的輸入信號，去控制電路。原點(diǎn)信號開關(guān)是接近開關(guān),它由振蕩器和整形放大器組成振蕩器起振后在開關(guān)的感應(yīng)頭上產(chǎn)生一個交變的磁場,當(dāng)金屬體接近感應(yīng)區(qū)時，在金屬體內(nèi)產(chǎn)生了渦流,從而吸收了振蕩的能量,使振蕩幅度減弱以至于停振使接近開關(guān)達(dá)到反轉(zhuǎn)的目的,由整形放大器換成二進(jìn)制的開關(guān)信號,經(jīng)功率放大后輸出，從而達(dá)到檢測的目的。本工作臺將的限位信號選為帶滑輪的限位開關(guān) RS-5GL，原電開關(guān)選為歐姆龍接近開關(guān)T-W1R5MCI。各自的性能如下表3-3： 表3-3 限位開關(guān)和原電開關(guān)的性能 RS-5GL 限位開關(guān) 1、允許動作頻率:機(jī)械性:60次/min??? 2、:壽命:機(jī)械壽命:300萬次以上??? TL-W1R5MCI 原點(diǎn)接近開關(guān) 1、檢測的距離：?1.5mm±10% 2、檢測物體：?磁性金屬（非磁性金屬會降低檢測距離。 3、工作電壓：10~30VDC 電流15mA 4、環(huán)境溫度：工作時、保存時：各－25～＋70℃ 5、響應(yīng)頻率：1kHz以上 6、輸出方式：NPN三線常閉 7、輸出電流：300mA 8、外殼材料：金屬銅/塑料[22] 本工作臺焊接的材料一般是尺寸較小的工件，一般情況下很少出現(xiàn)超程，所以限位開關(guān)機(jī)械60次/min，滿足需求。原電開關(guān)檢測的距離：1.5mm±10%，可以在一定的范圍前給板卡反饋一個信號，這樣可以有效控制原點(diǎn)誤差。工作電壓可以選擇為DC10~30v，可以跟板卡的電壓統(tǒng)一，方便同用一個電壓。 3.2.4 開關(guān)電壓的選型 開關(guān)電源不僅需為本系統(tǒng)的直流電氣元件提供穩(wěn)定直流24V電源，而且需要有足夠的功率供給。所以開關(guān)直流電壓有兩個非常重要的參數(shù)：電壓和功率。為了更好地實(shí)現(xiàn)電源隔離，以及防止互相干擾，根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，需要兩個能夠提供直流穩(wěn)壓電源。一個是提供驅(qū)動系統(tǒng)用的，給驅(qū)動器和電機(jī)供電的，另外一個是給運(yùn)動控制卡供電的供電，提供輸入輸出點(diǎn)的電流電壓，以及內(nèi)部的電壓需求。 1） 運(yùn)動控制卡的功率 主要是輸入輸出的消耗功率： 輸入功率主要是限位開關(guān)和原電開關(guān)的功率： W=24*0.18*6+24*0.08*4=30.72w我們可以選擇大一點(diǎn)的功率的電源，因此可以選用NES-50-24型號的直流開關(guān)電源 2）驅(qū)動系統(tǒng)電源設(shè)計(jì) 使用兩個單相變壓器28v 50w的，即總功率100w。平均每兩個驅(qū)動器共用一個直流開關(guān)電源。三個電機(jī)的功率=2πnM/60*3=83w 所以總功率100w夠用。 3.2.5 運(yùn)動控制卡的選型 運(yùn)動控制卡是基于總線，利用高性能微處理器（DSP）及大規(guī)模可編程器件實(shí)現(xiàn)多個伺服電機(jī)的多軸協(xié)調(diào)控制的一種高性能的步進(jìn)/伺服電機(jī)運(yùn)動控制卡，包括脈沖輸出、脈沖計(jì)數(shù)、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出等功能，它可以發(fā)出連續(xù)的、高頻率的脈沖串，通過改變發(fā)出脈沖的頻率來控制電機(jī)的速度，改變發(fā)出脈沖的數(shù)量來控制電機(jī)的位置，它的脈沖輸出模式包括脈沖/方向、脈沖/脈沖方式。脈沖計(jì)數(shù)可用于編碼器的位置反饋，提供機(jī)器準(zhǔn)確的位置，糾正傳動過程中產(chǎn)生的誤差。數(shù)字輸入/輸出點(diǎn)可用于語限位、原點(diǎn)開關(guān)等。數(shù)控系統(tǒng)中常見的運(yùn)動控制器有三種類型： 1）、多軸專用的運(yùn)動控制器：為特殊領(lǐng)域開發(fā)的控制器，能夠控制復(fù)雜的運(yùn)動軌跡，但移植性差，升級維護(hù)難。 2）、基于pc的運(yùn)動控制器：NC嵌入PC是當(dāng)今運(yùn)動控制發(fā)展的一種潮流，它具有很多顯著的優(yōu)勢： （a）具有良好的開放性，方便系統(tǒng)的升級、拓展和維護(hù)。 （b）運(yùn)動控制卡里面提供豐富的功能函數(shù)，方便設(shè)計(jì)者開發(fā)出高效率的運(yùn)動控制系統(tǒng)，是一種專注于軟件管理和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的高效率的運(yùn)動控制方式 （c）可以同時控制多個電機(jī)的運(yùn)動，包括電機(jī)的速度、角速度等 （d）基于PCI總線，可以提高控制系統(tǒng)處理指令的速度。 3）、可編程控制器：它通常要實(shí)現(xiàn)一些邏輯控制功能。能夠?qū)Χ喾N工業(yè)設(shè)備和整個自動化系統(tǒng)進(jìn)行控制。PLC通常采用梯形圖編程，開發(fā)容易可以與人機(jī)界面進(jìn)行通訊，由于PLC循環(huán)掃描會受到時間限制，一般不會應(yīng)用到復(fù)雜的運(yùn)動軌跡里面去[23]。 本工作臺是要實(shí)現(xiàn)任意三軸直線插補(bǔ)，任意兩軸圓弧插補(bǔ)等功能，運(yùn)動軌跡相對復(fù)雜，焊接過程會遇到平面或空間曲面，相對來說對運(yùn)動控制器的要求比較大。所以我們選擇第二種類型的運(yùn)動控制卡，即基于PC的運(yùn)動控制卡，“NC嵌入PC”的模式進(jìn)行開放數(shù)控系統(tǒng)的二次開發(fā)。典型的基于PC的運(yùn)動控制卡的應(yīng)用如下圖3-2： 圖3-2 運(yùn)動控制卡+工作臺的典型應(yīng)用 至于選型方面，參考方面主要來自國外與國內(nèi)兩大部分。國外的主要有PMCA等占有很大的市場，國內(nèi)也有很多控制卡的廠商，技術(shù)日趨成熟，性價比越來越高。如深圳固高，深圳力宇科技、深圳雷賽、深圳眾為興、北京科瑞等每個品牌的產(chǎn)品都各具特色，在國內(nèi)市場上有一定的份額，選擇類型的依據(jù)主要由以下的幾點(diǎn)： 1）產(chǎn)品所能實(shí)現(xiàn)的功能及硬件使用手冊上介紹的性能的特點(diǎn)介紹進(jìn)行對比。 2）市場上顧客對產(chǎn)品的評價以及對方工程師與自己的產(chǎn)品闡述優(yōu)略點(diǎn)以及和其他公司的產(chǎn)品的對比。 3）銷售工程師及技術(shù)工程師的服務(wù)態(tài)度，即售后服務(wù)。 4）市場上的價格對比。 依靠著幾點(diǎn)，最后我們選擇了深圳眾為興股份有限公司的ADT-8948A1運(yùn)動控制卡。下面介紹一下ADT-8948A1運(yùn)動控制卡。 ADT-8948A1是一款基于PCI總線的高性能四軸伺服/步進(jìn)運(yùn)動控制卡，一個系統(tǒng)中最多可使用多達(dá)16塊控制卡，可同時控制64路伺服/步進(jìn)電機(jī)，支持即插即用，具有位置可變環(huán)形功能，在運(yùn)動過程中可實(shí)時改變速度和目標(biāo)位置，可使用連續(xù)插補(bǔ)等先進(jìn)功能。如圖3-3: 圖3-3 ADT-8948A1 ADT8948A1大概分以下的模塊功能： 1）電源模塊（外部輸入24V 內(nèi)部轉(zhuǎn)換12V） 2）數(shù)字輸入輸出模塊（限位信號，狀態(tài)顯示等） 3）脈沖模塊（提供步進(jìn)/驅(qū)動器的脈沖、方向接口等） 4）編碼器信號模塊 5）手輪模塊 6）伺服接口（報警等） 結(jié)合前面的步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動器的選型情況，本工作臺的使用情況大概如下圖3-4： 圖3-4 數(shù)控工作臺硬件搭建框圖 主要性能如下： l 32位PCI總線，即插即用 l 4軸伺服/步進(jìn)電機(jī)控制，每軸可獨(dú)立控制，互不影響 l 脈沖輸出的頻率誤差小于0.1% l 最大脈沖輸出頻率為4MHz l 脈沖輸出可用單脈沖（脈沖+方向）或雙脈沖（脈沖+脈沖）方式 l 4軸均有位置反饋輸入，32位計(jì)數(shù)，最大計(jì)數(shù)范圍 -2,147,483,648~+2,147,483,647 l 直線或S曲線加/減速 l 非對稱直線加/減速 l 任意2-3軸直線插補(bǔ) l 任意2軸圓弧插補(bǔ) l 可用連續(xù)插補(bǔ)功能，最大驅(qū)動速度2MHz l 每軸都有2 個32位比較寄存器，用于邏輯位置計(jì)數(shù)器或者實(shí)際位置計(jì)數(shù)器的位置大小比較，可用于軟件限位 l 可接收伺服馬達(dá)驅(qū)動器的各種信號，如編碼器Z相信號、到位信號、報警信號等 l 每軸有3個STOP信號，可用于原點(diǎn)搜尋、編碼器Z相搜尋 l 運(yùn)動中可實(shí)時改變速度和目標(biāo)位置 l 運(yùn)動中可以實(shí)時讀出邏輯位置、實(shí)際位置、驅(qū)動速度、加速度、驅(qū)動狀態(tài) l 位置計(jì)數(shù)器具有可變環(huán)形功能，邏輯位置計(jì)數(shù)器及實(shí)位數(shù)器是32位長的上/下環(huán)形計(jì)數(shù)器 l 每軸有8入8出數(shù)字I/O，除2限位信號外均可作為通用I/O使用，數(shù)字輸出可用于伺服開啟，伺服報警復(fù)位等信號 l 每一個輸入信號的輸入端都裝備積分型的濾波器，可以設(shè)定哪一個輸入信號的濾波器功能變?yōu)橛行Щ驘o效，濾波器的時間常數(shù)從8個種類里可以選擇1個 l 可以使用固定線速度模式 l 多種方式的自動回原點(diǎn)功能 l 外部信號觸發(fā)的位置鎖存功能 l 外部信號觸發(fā)的同步運(yùn)動功能 l 外部信號觸發(fā)的同步停止功能 l 指定位置同步運(yùn)動功能 l 指定位置同步停止功能 l 手輪和外部信號操作功能 l 步進(jìn)插補(bǔ)功能 l 支持在一個系統(tǒng)中使用多達(dá)16個控制卡 支持DOS、WINDOWS95/98/NT/2000/XP、WINCE等操作系統(tǒng)[24] 可以對比一下我們的需求和產(chǎn)品: 1）最大脈沖輸出頻率為4MHz,可以計(jì)算我們可控制的最大速度: Vmax=4MHz/(200*25)*5mm=4m/s 這個速度可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們所期待的值。一般情況下，工作臺的速度能達(dá)到0.25m/s就可以了。 1） 直線或S曲線加/減速：這樣在一個瞬變的狀態(tài)中的時候，可以起到一個緩沖過渡的作用。這也是可以有助于提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。 2） 任意2-3軸直線插補(bǔ)，兩軸圓弧插補(bǔ)：可以實(shí)現(xiàn)工作臺的各種軌跡，即可以焊接各種復(fù)雜的工件的曲面。 3） 支持DOS、WINDOWS95/98/NT/2000/XP、WINCE等操作系統(tǒng)，提供豐富的庫函數(shù)，可以節(jié)約開發(fā)周期，也有助于利用VC、Labeview開發(fā)可視化的友好界面。 4） 每軸有8入8出數(shù)字I/O，除2限位信號外均可作為通用I/O使用。我們可以通過I/O借口，可以接入多種信號，完善控制系統(tǒng)的功能。例如限位信號，原點(diǎn)信號等。 5）運(yùn)動中可以實(shí)時讀出邏輯位置、實(shí)際位置、驅(qū)動速度、加速度、驅(qū)動狀態(tài)。利用這點(diǎn)可以對系統(tǒng)實(shí)時的監(jiān)控，有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 總的來說，ADT-8948A1運(yùn)動控制卡的性價比能夠滿足我們的要求。 4.激光焊接機(jī)控制系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì) 4.1控制系統(tǒng)的主回路設(shè)計(jì) 4.1.1主回路設(shè)計(jì)內(nèi)容： 在電氣控制系統(tǒng)中，習(xí)慣將高壓、大電流的回路成為主回路。常見的控制系中，主回路系統(tǒng)通常包括以下部分： 1） 電機(jī)主回路。包裹電機(jī)的通斷控制的接觸器和電機(jī)保護(hù)用的斷路器。 2） 各種驅(qū)動裝置電源回路和動力回路。 3） 各種控制變壓器的初級輸入回路。包括通斷控制的接觸器、保護(hù)斷路器等。 4） 用于供給控制系統(tǒng)的各部分的電源輸入和控制回路，包括電源變壓器、整流器，穩(wěn)壓器等[25]。 本工作臺的主控制電路設(shè)計(jì)主要是由兩部分組成,一部分是運(yùn)動控制卡的供電,另一部分是驅(qū)動器和步進(jìn)電機(jī)方面的供電?？傮w上來說,用電功率不大，設(shè)計(jì)用單相電壓220v的。其中經(jīng)過變換，運(yùn)動控制卡的電壓時24v ，50w的主要用于數(shù)字輸入輸出的需求。電機(jī)使用的是兩個單相變壓器28v 50w的。如圖4-1所示： 圖4-1 主電路圖 4.1.2控制回路設(shè)計(jì)內(nèi)容 控制系統(tǒng)的控制回路是由繼電器，接觸器等低壓電器構(gòu)成的強(qiáng)電控制回路，在常見的控制系統(tǒng)中控制回路通常包裹AC220V與DC24v兩類。由于本工作臺這里由于驅(qū)動功率原因還用到了DC28V的電源。在本數(shù)控工作臺中，控制回路的設(shè)計(jì)主要是數(shù)字輸入輸出的設(shè)計(jì)以及驅(qū)動器控制回路的設(shè)計(jì)。本工作臺的控制回路模塊如下圖4-2： 圖4-2 電氣原理圖 4.2數(shù)字輸入輸出的設(shè)計(jì)： 來自激光焊接系統(tǒng)中或者操作面板的輸入大多數(shù)是屬于開關(guān)量，包括各種按鈕，行程開關(guān)，接觸器，傳感器的檢測輸入等，輸入信號一般是可以直接由板卡的I入口連接，經(jīng)過內(nèi)部的接口電路轉(zhuǎn)換后變成板卡的輸入信號。列表4-1是本數(shù)控工作臺的輸入/輸出點(diǎn)設(shè)計(jì)： 表4-1 輸入輸出信號設(shè)計(jì) 輸入點(diǎn)針腳號 對應(yīng)的I/O信號 功能注釋 20 XLMT- X軸反向脈沖 21 XLMT+ X軸正向脈沖 22 XSTOP0 X停止信號 26 YLMT- Y軸反向脈沖 27 YLMT+ Y軸正向脈沖 29 YSTOP0 Y停止信號 33 ZLMT- Z軸反向脈沖 34 ZLMT+ Z軸正向脈沖 35 ZSTOP0 Z停止信號 40 ALMT- A軸反向脈沖 41 ALMT+ A軸正向脈沖 42 ASTOP0 A停止信號 46 OUT0 X軸狀態(tài)指示燈 47 OUT1 Y軸狀態(tài)指示燈 48 OUT2 Z軸狀態(tài)指示燈 49 OUT3 A軸狀態(tài)指示燈 數(shù)字輸出接線圖的原理圖如圖4-3所示 圖4-3 數(shù)字輸出信號接線原理圖 4.3驅(qū)動器控制回路電氣設(shè)計(jì) 驅(qū)動器根據(jù)工作臺的選型，選擇的是H2MD-M403的步進(jìn)驅(qū)動器，根據(jù)上面的選型介紹驅(qū)動器一共有三個模塊，電源模塊接的是28v 50w的單相變壓器。脈沖采用差分連接（減少干擾），連接運(yùn)動控制卡的PU+ 、PU+、DR+/DR-，電機(jī)模塊接步進(jìn)電機(jī)，如圖4-5 圖4-5：驅(qū)動器電氣原理圖 5.前臺軟件設(shè)計(jì) 本工作臺前臺軟件的設(shè)計(jì)主要是編寫用戶界面，實(shí)現(xiàn)文件管理、程序輸入、運(yùn)動控制、對系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控等任務(wù)。結(jié)合運(yùn)動控制卡，可以選擇提供DOS、WINDOWS95/98/NT/2000/XP、WINCE開發(fā)庫，可用VC++、VB、BC++、C++builder、LabVIEW、Delphi等進(jìn)行軟件開發(fā)。 5.1軟件平臺 5.1.1 操作系統(tǒng)平臺 操作系統(tǒng)平臺既是該型激光焊接機(jī)控制軟件的開發(fā)環(huán)境，又是它的運(yùn)行環(huán)境，它不僅影響到軟件開發(fā)的難易程度，而且直接關(guān)系到數(shù)控系統(tǒng)的性能及它的應(yīng)用范圍。本系統(tǒng)選用WindowsXP作為軟件開發(fā)平臺，主要是出于以下幾點(diǎn)考慮: 1）WindowsXP操作系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域十分普及，應(yīng)用廣泛; 2）Windows舒的兼容性比 Windows98/NT/2000要好，系統(tǒng)限制較少; 3）WindowsXP支持的開發(fā)工具及幫助系統(tǒng)十分豐富; 4）Windows的界面制作方便，人機(jī)交互性好。 5.1.2 軟件開發(fā)工具 本系統(tǒng)選用Visua1C++6.0，在這么多編程語言中選擇VC進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，這是因?yàn)? 1）VC功能十分強(qiáng)大，能勝任各種Windows應(yīng)用程序的開發(fā); 2）VC在編寫面向底層的應(yīng)用程序方面最為合適，特別適用于端口操作; 3）相對于其它可視化工具，VC編譯后得到的可執(zhí)行文件運(yùn)行效率更高; 4）VC十分靈活，易于處理程序細(xì)節(jié)問題，能夠訂制個性化的界面; 5）VC易于與其它語言(特別是匯編語言)混合編程[26] 6）ADT-8948A1運(yùn)動控制卡的本身提供了豐富的用戶VC開放的函數(shù)，可以直接調(diào)用，實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)，節(jié)省開發(fā)周期。 5.2控制軟件的程序總體設(shè)計(jì)