徐明旭, 呼 燁, 鄒 青， 張 富， 朱曉翠

(吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130025)

?

運動控制技術(shù)實驗教學(xué)平臺的開發(fā)

徐明旭, 呼 燁, 鄒 青， 張 富， 朱曉翠

(吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130025)

運動控制是數(shù)控加工設(shè)備和電子控制設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)，為滿足現(xiàn)有運動控制技術(shù)實驗教學(xué)需求，以XY工作臺為主要結(jié)構(gòu)，采用PC機(jī)+運動控制卡的控制模式，利用Visual C++ 2010開發(fā)了運動控制技術(shù)實驗教學(xué)平臺。該實驗平臺可以完成“直流伺服電機(jī)位置階躍響應(yīng)”、“二維插補(bǔ)原理及實現(xiàn)”、“單軸電機(jī)運動控制”等實驗。本實驗系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計思想和工業(yè)化制造標(biāo)準(zhǔn)，具有廣泛應(yīng)用前景。該實驗教學(xué)平臺還為“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”班的學(xué)生，預(yù)留了開發(fā)系統(tǒng)擴(kuò)展功能的數(shù)據(jù)接口，以便充分發(fā)揮精英人才的自主學(xué)習(xí)和開拓創(chuàng)新能力。

運控控制；XY工作臺； 數(shù)控； 實驗教學(xué)

0 引 言

數(shù)控機(jī)床作為當(dāng)今制造業(yè)廣泛使用的高科技產(chǎn)品，已成為本科實踐教學(xué)環(huán)節(jié)不可缺少的一部分。數(shù)控技術(shù)集成了多個學(xué)科和專業(yè)的知識，如精密/超精密加工、自動控制、數(shù)字電路、氣壓與液壓傳動、機(jī)械設(shè)計以及電力電子等[1]。針對機(jī)械類專業(yè)的實踐教學(xué)，大部分院校開設(shè)了金工實習(xí)、CAD/CAM綜合實驗、數(shù)控加工與編程等實驗課程, 不難看出，其側(cè)重于機(jī)械設(shè)計、機(jī)械加工本身。另外，在機(jī)械類專業(yè)中也開設(shè)了單片機(jī)原理、微機(jī)控制、控制原理等大量非機(jī)械類課程, 但它們在實驗教學(xué)上普遍缺乏有力的支撐；而且在實驗內(nèi)容設(shè)計方面，往往只是針對某一門課程的一個知識點進(jìn)行實驗驗證[2]。這樣的實驗教學(xué)效果是，學(xué)生只是掌握了每一門課程中知識點，而沒有將所學(xué)的機(jī)械類課程與非機(jī)械類課程的知識點綜合起來。這樣培養(yǎng)出來的學(xué)生，每個知識點都掌握了，但是當(dāng)面對實際問題時，無法提供整體的解決方案。

為了滿足機(jī)械類相關(guān)專業(yè)對機(jī)械運動和控制實驗教學(xué)的需求，國內(nèi)很多高校大都采用現(xiàn)有運動控制教學(xué)產(chǎn)品來組建實驗平臺。目前，比較常見的運動控制教學(xué)產(chǎn)品有美國LEGO 公司的RCX[3-4]、固高科技(香港)有限公司開發(fā)的GXYZ工作臺[5]、廣州雙龍公司的SL積木式機(jī)器人和上海廣茂達(dá)公司的能力風(fēng)暴智能機(jī)器人等。這些產(chǎn)品的共同特點是屏蔽了底層的硬件細(xì)節(jié)[3], 并對底層運動控制系統(tǒng)主要功能及數(shù)控G代碼編譯動態(tài)庫進(jìn)行了封裝，很難在原有基礎(chǔ)上添加新的控制策略或擴(kuò)展新的功能，無法與我國高校機(jī)械類專業(yè)開設(shè)的機(jī)電傳動、單片機(jī)、數(shù)控技術(shù)、控制理論等課程的后續(xù)實踐環(huán)節(jié)緊密結(jié)合。

為此，我們根據(jù)運動控制實驗教學(xué)需求，研發(fā)了一種運動控制技術(shù)實驗教學(xué)平臺。該實驗平臺可以完成“直流伺服電機(jī)位置階躍響應(yīng)實驗”、“ 二維插補(bǔ)原理及實現(xiàn)”，“單軸電機(jī)運動控制”等實驗，同時，還預(yù)留了開發(fā)系統(tǒng)擴(kuò)展功能的數(shù)據(jù)接口，可以根據(jù)需要進(jìn)一步開發(fā)和升級。

1 實驗教學(xué)平臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)

實驗教學(xué)平臺采用滾珠絲杠傳動的模塊化XY工作臺，用于實現(xiàn)目標(biāo)軌跡和給定動作[6]。工作臺的執(zhí)行裝置為交流伺服電機(jī)，安裝在電機(jī)軸上的增量碼盤充當(dāng)位置傳感器，用于間接測量工作臺的移動距離(見圖1)。

圖1 實驗教學(xué)平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)

為了演示數(shù)控機(jī)床的直線、圓弧插補(bǔ)原理，實時記錄工作臺的運動軌跡和動作效果，同時工作臺上還安裝有繪圖板和筆架裝置，繪圖板可擦寫，筆架可以在程序的控制下抬起或落下，該動作通過電磁鐵通、斷電來實現(xiàn)，電磁鐵的通斷電信號由控制卡通過IO口給出。

2 實驗教學(xué)平臺控制系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 硬件設(shè)計

該控制系統(tǒng)以PC機(jī)、運動控制卡和信號輸入/輸出卡為基礎(chǔ)，構(gòu)建實驗教學(xué)控制系統(tǒng)平臺。該數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，運動控制卡與PC 機(jī)通過PCI 接口連接，形成PC+運動控制卡雙CPU 控制模式[7-9]。

圖2 數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成圖

PC 機(jī)主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互、實時顯示、參數(shù)設(shè)置和發(fā)送指令等系統(tǒng)管理工作，運動控制卡上專用CPU 負(fù)責(zé)對x、y軸兩個運動方向步進(jìn)電機(jī)的控制，接受PC機(jī)CPU的指令，處理所有運動控制的細(xì)節(jié)，例如：加減速計算、行程控制、多軸插補(bǔ)、脈沖和方向信號的輸出等運動控制，實現(xiàn)實驗教學(xué)平臺的運動控制。信號輸入/輸出卡主要用于筆架升降裝置的開關(guān)控制，同時完成對系統(tǒng)的輸出狀態(tài)、XY工作臺的運動位置、電氣開關(guān)狀態(tài)、原點和限位開關(guān)等信號的檢測；另一方面，將這些信號及時反饋給PC機(jī)，以完成實驗教學(xué)平臺控制系統(tǒng)的各種實時控制任務(wù)。

2.2 軟件設(shè)計

該實驗教學(xué)平臺控制軟件以Visual C++ 2010作為開發(fā)工具，采用面向?qū)ο蠛湍K化思想進(jìn)行開發(fā)。根據(jù)該實驗平臺的實際需求，該軟件適用于多個實驗內(nèi)容，例如“直流伺服電機(jī)位置階躍響應(yīng)實驗”、“二維插補(bǔ)原理及實現(xiàn)”、“單軸電機(jī)運動控制”等實驗[10]，同時為后續(xù)新實驗的開發(fā)提供數(shù)了據(jù)接口，軟件控制流程圖如圖3所示。

運動控制卡在軟件設(shè)計方面提供了運動控制DOS庫函數(shù)，及適用于VC、VB、Delphi等Windows開發(fā)環(huán)境下的DLL函數(shù)庫，并且底層封裝了兩軸運動控制系統(tǒng)的主要功能及數(shù)控G代碼編譯動態(tài)庫，并可根據(jù)實際實驗教學(xué)需求，動態(tài)配置相關(guān)實驗?zāi)K[11]。在實際軟件編程過程中，只需將這些函數(shù)庫添加到主函數(shù)的頭文件中，并把相應(yīng)的DLL函數(shù)庫添加到相應(yīng)的文件夾中，這樣可以根據(jù)需求來調(diào)用這些DLL函數(shù)，極大地簡化了編程過程和軟件結(jié)構(gòu)[12-13]。

另外，該軟件還提供了開放式數(shù)據(jù)接口，學(xué)生可以根據(jù)各自實驗要求，自主編程和開發(fā)專用的運動控制實驗，讓學(xué)生了解軟件的底層細(xì)節(jié)，真正掌握運動控制方面的相關(guān)知識。

圖3 控制軟件流程圖

2.3 控制系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計

Visual C++ 2010提供了豐富的控件工具，極大地方便了人機(jī)界面設(shè)計。該控制系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計的關(guān)鍵是控制代碼編寫及窗體設(shè)計。其中，控制代碼編寫主要是根據(jù)運動控制類型合理調(diào)用底層的DLL函數(shù)，并將運動參數(shù)傳遞給DLL函數(shù)，然后利用Visual C++ 2010編寫可視化圖形界面，實時顯示電機(jī)各運動參數(shù)(速度、加速度、位置)曲線，并通過坐標(biāo)映射實時顯示實際的運動軌跡[14]。窗體設(shè)計的核心是控件的合理選擇及控件事件的響應(yīng)，在編寫控件事件的響應(yīng)時，需合理調(diào)用運動控制卡為用戶提供的DLL函數(shù)庫，以簡化編程。

運動控制實驗教學(xué)系統(tǒng)是一套集成的系統(tǒng)，包含多個實驗內(nèi)容，如圖4、5所示。其中，圖4為直流伺服電機(jī)實驗界面，該界面可以完成“直流伺服電機(jī)位置階躍響應(yīng)實驗”、 “單軸電機(jī)運動控制”等實驗。在“直流伺服電機(jī)位置階躍響應(yīng)實驗”中，通過設(shè)置PID參數(shù)和電機(jī)運動目標(biāo)位置，點擊“開始”按鈕，電機(jī)開始運動，同時界面中實時繪制電機(jī)位置響應(yīng)曲線；根據(jù)所選擇的運動模式，通過合理設(shè)置加速度、速度、目標(biāo)位置等參數(shù)，獲得相應(yīng)的實驗結(jié)果，通過對實驗結(jié)果的分析，得到不同實驗參數(shù)對運動模式的影響規(guī)律。

圖4 直流伺服電機(jī)實驗界面

圖5 二維插補(bǔ)實驗界面

圖5為二維插補(bǔ)實驗界面，可以完成“二維插補(bǔ)原理及實現(xiàn)”實驗，根據(jù)計算機(jī)圖形學(xué)原理，開發(fā)了計算機(jī)屏幕仿真和實時動態(tài)顯示模塊，可以在實際插補(bǔ)實驗之前，通過設(shè)置起點和終點坐標(biāo)、加速度、合成速度、插補(bǔ)方式及x、y坐標(biāo)刻度，預(yù)先在計算機(jī)上對實際插補(bǔ)過程進(jìn)行仿真，以檢驗插補(bǔ)過程的正確性。另外，通過控制筆架的起落及x、y軸運動，在繪圖板上繪制插補(bǔ)軌跡，同時，在計算機(jī)屏幕上實時顯示插補(bǔ)過程，使學(xué)生通過計算機(jī)屏幕觀察、監(jiān)控實際的插補(bǔ)過程，及時處理有可能發(fā)生的意外情況，讓學(xué)生更加真實、直觀地了解數(shù)控插補(bǔ)原理及實現(xiàn)方法。

該軟件除了可以完成上述實驗以外，還為后續(xù)新實驗的開發(fā)提供了開放的數(shù)據(jù)接口，例如后續(xù)還可以開發(fā)“PID控制器的基本控制作用”、“數(shù)控代碼編程”等實驗。

3 結(jié) 語

本文研究和開發(fā)的運動控制技術(shù)實驗教學(xué)平臺以XY工作臺為基礎(chǔ)，采用PC機(jī)+運動控制卡的控制模式，控制方式靈活。通過人機(jī)界面實現(xiàn)對XY工作臺的控制，實時顯示電機(jī)的運動參數(shù)及XY工作臺的運動軌跡。實驗教學(xué)平臺的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，具有良好的可靠性和開放性，具有一定的二次開發(fā)功能。所開發(fā)的控制軟件具有良好的人機(jī)交互界面及可移植性，便于教師和學(xué)生自主開發(fā)不同功能的應(yīng)用程序。這些擴(kuò)展功能為“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”班級的學(xué)生創(chuàng)造了有利條件，有助于提高他們的自主學(xué)習(xí)能力及動手實踐能力。

[1] 朱 勝,王 南.運動控制課程教學(xué)改革研究[J].教育，2013(7):50-51.

[2] 朱藝鋒,鄭 征,余發(fā)山,等.專業(yè)課程“運動控制系統(tǒng)”的課堂教學(xué)方法探析[J]. 實驗室研究與探索，2013(11):374-377.

[3] 吳 鋼,何嶺松.簡易運動控制實驗教學(xué)平臺的設(shè)計[J]. 實驗技術(shù)與管理,2007(7)：79-85.

[4] 盧 梅,于曉紅,李 威,等.基于LEGO可編程控制器開展機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計的教學(xué)改革[J]. 實驗技術(shù)與管理,2004(6)：79-85.

[5] 高 煊,何廣平.基于VC++的四軸運動控制卡軟件系統(tǒng)開發(fā)研究[J].機(jī)械制造與機(jī)床，2009(6)：24-28.

[6] 朱曉明,徐 巖,趙曉麗,等.基于XY教學(xué)平臺的漢字書寫系統(tǒng)設(shè)計[J].實驗室研究與探索, 2010，29(3):70-72.

[7] 邱潤生,王惠榮.基于PC+運動控制卡的開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究[J].寧夏工程技術(shù), 2006，(4): 350-353.

[8] 蘇仔見,倪 攀,許少倫.LabVIEW在運動控制系統(tǒng)實驗平臺的應(yīng)用和實現(xiàn)[J]. 實驗室研究與探索,2011，39(10):38-40.

[9] 胡學(xué)龍,張立新,董 震. 基于PC+運動控制卡的開放式控制系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)工程，2012(10):10-12.

[10] Ning Li. The Design and Study of MFC-based Motion Control System[J].Energy Procedia,2012(14):1754-1759.

[11] 王志偉.基于PC+運動控制卡的雕銑系統(tǒng)開發(fā)及銑削仿真研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2011.

[12] 張 宏,李富平.基于PC+運動控制卡的開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2008(6): 171-172.

[13] 柳葉青,鄧振生,陳真誠,等.基于運動控制卡的控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].微計算機(jī)信息，2010(2-1):55-57.

[14] 趙有定,李 英.VC++數(shù)控插補(bǔ)可視化實現(xiàn)[J]. 機(jī)械工程師,2008(1):29-31.

Development of Motor Control Experiment Platform for Teaching

XUMing-xu,HUYe,ZOUQing,ZHANGFu,ZHUXiao-cui

(School of Mechanical Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130025, China)

Motor control plays an important role in CNC machine and electronic controls. In order to meet the demand of experimental teaching of motor control, a platform for experimental teaching of motor control was developed by using Visual C++ 2010.XY-stage is a key part in the platform. The control mode of platform is PC + motion control card synthetic control. Three or more experiment courses can be done using the platform, such as position step response of DC servo motor, the theory and realization of two-dimensional interpolation and motion control of single motor. The system of experiment platform is a good example of modular design and modern manufacturing standards, and has broad applying prospect. Several data interface was reserved for further development of extended functions in the system for students in Excellent Engineer classes, and could arouse them independent learning and innovation.

motor control;XY-stage; numerical control; experiment teaching

2015-09-14

吉林省高等教育教學(xué)研究課題；吉林大學(xué)實驗技術(shù)項目(409020720062)

徐明旭(1984-)，男，河南周口人，碩士，助理工程師，從事數(shù)控技術(shù)、光學(xué)曲面加工研究。E-mail：xmx@jlu.edu.cn

TP 206+.1

A

1006-7167(2016)08-0079-03