2.1認知實驗(一)

2.2基本器件簡介

2.3認知實驗(二)

2.4演示實驗

2.5運動控制平臺初步調試實驗

2.12西門子MM420變頻器的初步使用實驗

2.13雙閉環不可逆直流調速系統實驗2.6單軸PID控制實驗

2.7單軸電機運動控制實驗——速度規劃

2.8二維插補原理及其實現實驗

2.9數控代碼編程實驗

2.10反向間隙實驗

2.11電子齒輪實驗

2.1認知實驗(一)教師對照實物講解,學生觀察、記錄。重點注意設備組成、名稱、型號、主要參數、電氣連接及其規范性,課后網上查資料完成認知報告。2.1.1實驗室通用二維XY平臺的組織結構如圖2.11所示,GXY系列XY平臺機械本體采用模塊化拼裝,其主體由兩個GX系列通用線性模塊組成,部件全采用工業級元件,驅動電機可選。XY平臺有交流伺服、直流伺服和步進三種類型。GX系列線性模塊主要包括工作臺、絲桿、導軌、電機、底座等部分。2.1.2控制箱控制箱是平臺控制部分的核心,與機械本體驅動電機配套,可分為三種類型:交流伺服型、直流伺服型和步進型。(1)交流伺服型:內置交流伺服驅動器、開關電源、斷路器、接觸器、運動控制器端子板、按鈕開關等,如圖2.13所示。（2）直流伺服型:內置直流伺服驅動器、開關電源、斷路器、接觸器、運動控制器端子板、按鈕開關等,如圖2.13所示。（3）步進型:內置步進電機驅動器、開關電源、運動控制器端子板、開關等,如圖2.14所示。2.1.3計算機為保證系統良好運行,建議計算機系統配置不低于以下標準:(1)CPU:推薦主頻1.5GHz以上。(2)硬盤:軟件安裝預留空間約12MB。(3)內存:256MB以上。(4)顯卡:兼容Windows系統,顯示內存在16MB以上,可工作于1024×768分辨率下。(5)PCI插槽:兩條空閑插槽(必須)。(6)操作環境:WindowsXP/Windows7專業版。產品可能更新換代,根據廠家要求,不排除使用更高版本軟/硬件的可能。2.1.4附件自動筆架用于繪制XY平臺運動軌跡,如圖2.15所示。自動筆架主要由磁性固定底座、筆架體、電磁鐵和畫筆組成。畫筆可抬起或下降,其升降運動由電磁鐵通、斷電實現,電磁鐵的通、斷電信號則由運動控制卡通過I/O口給出。2.1.5PCI型運動控制器PCI型運動控制器俗稱運動控制板卡,簡稱板卡,其常見內部結構與外形如圖2.16所示。PCI運動控制器與電腦內部連接部位如圖2.1-7所示2.1.6電氣連線及軟件安裝(1)電氣連接使用的線纜如圖2.1-8和圖2.1-9所示。（2）如圖2.1-10為電控箱及XY平臺本體的電氣接口（3）圖2.111為系統連線示意圖。系統連線注意事項:當所用電纜用于強電時,若有破損則可能導致嚴重人身事故;在進行系統連線、安裝與拆卸前,務必關閉系統所有電源。(4)安裝控制器驅動程序(Windows98/2000/XP環境)。(5)安裝運動控制平臺實驗軟件。安裝完成后,Windows操作系統的桌面上添加圖標,Windows開始菜單中也添加了相應的固高運動控制平臺實驗軟件程序組,如圖2.1-12所示。程序組中包括兩項:Googol_MCE(實驗軟件)和軟件說明書。2.1.7系統初始狀態在正式使用前,需要對系統進行初始狀態調試,其目的:一是為了消除搬運等因素對系統硬件的影響,二是為后面的實驗做準備。調試系統時,按照如圖2.1-13所示的流程進行。2.1.8系統維護及故障處理XY工作臺為精密實驗設備,在使用中應注意定期對設備進行檢查和保養,用戶可參考表2.1-2中的內容對設備進行保養。如在檢查中發現任何異常,可對照表2.13中常見故障對策進行處理。2.2基本器件簡介2.2.1聯軸器聯軸器通常是用來連接不同機構中的兩根軸(主動軸和從動軸),使之共同旋轉以傳遞扭矩的機械零件。在高速重載的動力傳動中,有些聯軸器還有緩沖、減振和提高軸系動態性能的作用。聯軸器由兩部分組成,分別與主動軸和從動軸連接。圖2.2-1為常見的聯軸器。聯軸器屬于機械通用零部件范疇。一般動力機大都借助聯軸器與工作機相連接,聯軸器是機械產品軸系傳動最常用的連接部件。常用聯軸器有膜片聯軸器、齒式聯軸器、梅花聯軸器、滑塊聯軸器、鼓形齒式聯軸器、萬向聯軸器、安全聯軸器、彈性聯軸器及蛇形彈簧聯軸器。圖2.2-2為萬向聯軸器和單節膜片聯軸器。動控制系統中的聯軸器通常要求圓周方向剛性大,而同軸性上要有一定彈性,才能減小振動、沖擊和控制中的非線性因素,從而延長使用壽命,提高運動控制系統的控制性能。2.2.2絲杠絲杠是具有螺紋滾道的軸,常見的有滾珠絲杠及梯形絲杠。絲杠結構圖及實物圖如圖2.2-3和圖2.2-4所示。滾珠絲杠是將回轉運動轉化為直線運動,或將直線運動轉化為回轉運動的理想產品。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成,它的功能是將旋轉運動轉化成直線運動,這是滾珠螺絲的進一步延伸和發展,這項發展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力,滾珠絲杠被廣泛應用于各種工業設備和精密儀器中。滾珠絲杠按常用的循環方式分為外循環和內循環兩種類型。滾珠在循環過程中有時與絲杠脫離接觸的稱為外循環;始終與絲杠保持接觸的稱為內循環。滾珠絲杠和梯形絲杠在很多情況下不能互換,應用時需要在精度、剛度和負載容量之間進行權衡,規格和性能之間不一定完全對應。滾珠絲杠和梯形絲杠的應用有一些區別。原始設備制造商的應用系統很多時候需要“正合適”的產品,而梯形絲杠往往是一個正確的選擇。梯形絲杠產品很容易結合具體的應用來進行調整,以達到預期性能,同時可將成本控制在最低限度。在某些情況下,需要在設計階段進行壽命測試,不過對于原始設備制造商來說,在前期進行此類的額外工作有助于降低產品成本。滾珠絲杠可以連續運行,承受高強度負載,運動效率高,為此而增加成本是值得的。對于最終用戶來說,滾珠絲杠具有良好的可預測性,因而是確保快速集成和可靠性的最佳選擇。比如,工廠自動化系統在很大程度上就依賴于滾珠絲杠技術。當然,有很多原始設備制造商應用系統也需要用到滾珠絲杠,比如機床行業。對于原始設備制造商來說,決定技術的是性能和成本,而不是可預測性。2.2.3導軌導軌是由金屬或其他材料制成槽或脊,可承受、固定、引導移動裝置或設備并減少其摩擦的一種裝置。導軌表面上的縱向槽或脊用于引導、固定機器部件、專用設備、儀器等。導軌又稱滑軌、線性導軌、線性滑軌,用于直線往復運動場合,擁有比直線軸承更高的額定負載,同時可以承擔一定的扭矩,可在高負載情況下實現高精度的直線運動。圖2.2-5為常見的直線導軌2.2.4步進電機步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載情況下,電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數,而不受負載變化的影響。當步進驅動器接收到一個脈沖信號時,將驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度,這個角度稱為步距角。步進電機的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量,從而達到準確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度,從而達到調速的目的。圖2.2-6為常見的步進電機2.2.5交流伺服電機交流伺服電機是將電能轉變為機械能的一種機器,其結構主要可分為定子部分和轉子部分。目前市面上交流伺服電機多為三相永磁同步電機。圖2.2-7為常見的交流伺服電機及其驅動器2.2.6驅動器電機驅動器一般是指步進電機驅動器、直流伺服驅動器和交流伺服驅動器。使用驅動器是因為這些電機的運動需要換相、換向、變流等。不是所有電機都需要用到驅動器,例如部分水泵、風扇等,這取決于電機本身結構及其使用場合。圖2.2-8為常見的驅動器。2.2.7光柵尺光柵尺位移傳感器(簡稱光柵尺)是利用光柵的光學原理工作的測量反饋裝置。光柵尺經常應用于機床與加工中心以及測量儀器等方面,可用作直線位移或者角位移的檢測。光柵尺測量輸出的信號為數字脈沖,具有檢測范圍大、檢測精度高、響應速度快的特點。例如,光柵尺在數控機床中常用于對刀具和工件的坐標進行檢測,來觀察和跟蹤走刀誤差,以起到補償刀具運動誤差的作用。圖2.29為常見的光柵尺。2.2.8編碼器編碼器(Encoder)是將信號(如比特流)或數據進行編制,轉換為可用以通信、傳輸和存儲的信號的設備。市面上用得最多的編碼器全稱為“光電式增量式正交旋轉編碼器”。圖2.2-10為常見的編碼器2.3認知實驗(二)本節主要介紹實驗室組成及運動控制系統發展史,認識主要零部件。1.實驗目的了解目前工業上常用的幾種電機與驅動裝置的構造和使用方法,掌握它們的特點、性能和選用方法。2.實驗原理對照圖1.2-1中的運動控制系統的典型結構,認識實驗設備各部分的組成、功能。3.實驗設備平臺配套設備:XY平臺、電控箱、計算機。4.實驗內容(1)觀察平臺的結構組成,對照圖1.21了解實驗設備各部分所屬結構類型和接口關系。(2)查找并觀察聯軸器、滾珠絲杠、光柵尺、電磁閥、限位開關、原點開關、緩沖器、同步帶的位置、形狀等。(3)對步進電機參數(銘牌步距角、功率等)進行記錄。(4)對交流伺服電機參數(品牌、功率、電流、電壓、轉速、編碼器分辨率等)進行記錄。(5)觀察電機對應的驅動器,并根據型號查找相關參數。(6)查找并了解GT400SGPCI、GT400SVPCI運動控制卡的參數、性能。5.實驗結論自行依據實驗內容上網查找資料,寫一份認識報告,以表格形式列出所觀察的運動控制卡、伺服驅動器、電機、編碼器、光柵尺、機械部件的主要參數2.4演

示

實

驗直線一級倒立擺、磁懸浮、SCARA機器人(平面關節型機器人)及示教功能演示。1.實驗目的(1)了解目前工業上常用機器人的電機與驅動裝置的構造,掌握各自的特點、性能和選用方法;(2)了解倒立擺的控制方法以及磁力懸浮裝置的應用,培養學生對運動控制系統的興趣。2.實驗原理倒立擺、磁懸浮的動態穩定;SCARA機器人的組成、示教功能。3.實驗設備配套設備:電控箱、計算機、四自由度機器人、倒立擺裝置、磁懸浮裝置。4.實驗內容(1)對SCARA機器人的結構組成、關節運行、接口及其控制電機的方法進行記錄。(2)仔細觀察機器人示教功能的動作過程,了解并掌握機器人動作是如何執行的。(3)對倒立擺的運行情況進行記錄,待系統平衡后手動增加少許干擾,觀察現象,并能完成一定的操作。(4)對磁懸浮裝置的動作過程進行觀察和記錄,待系統平衡后可在懸浮鋼球下增加幾枚硬幣,觀測現象;在電腦上設定球的高度,并觀察現象。(5)觀察各裝置對應的控制器,并根據動作的方式方法加以判斷解釋。5.實驗結論自行依據實驗記錄內容寫一份演示實驗的觀后報告,上網查找資料驗證自己的判斷。2.5運動控制平臺初步調試實驗1.實驗目的了解XY平臺實驗軟件的啟動與關閉,熟悉實驗界面,了解“系統測試”部分的卡初始化、軸開啟、軸關閉、選擇軸、回零、點動(寸動)、卡復位等功能,了解“參數設置”選項。2.實驗設備(1)XY平臺一套。(2)GT400SV或GT400SG運動控制卡一塊。(3)PC機一臺。3.實驗內容在運動控制平臺實驗軟件中完成實驗,步驟如下:(1)雙擊鼠標左鍵打開“固高運動控制平臺實驗軟件”。(2)選擇卡類型:SG———步進系統,SV———伺服系統。(3)打開伺服驅動器電控箱電源。(4)依次選擇卡初始化

→

軸開啟(伺服驅動器使能)→IN0~15→OUT0~15,測試OUT1,觀測電磁閥是否動作。（5）X軸、Y軸回零。（6）X軸、Y軸點動,觀看X、Y坐標以及X+、X-、Y+、Y-運轉方向,觀察屏幕界面的位置數值顯示。（7）軸關閉、卡復位。（8）解讀脈沖當量參數設置:2000PULSE/mm。（9）熟悉實驗軟件2.6單軸PID控制實驗1.實驗目的了解數字PID調節器的基本控制作用,掌握調整PID調節器參數的一般步驟和方法,調節運動控制器的PID調節器參數,使電機運動達到要求的性能。需要注意的是,本節實際進行的是位置環PID實驗,速度環與電流環已由伺服驅動器完成。2.實驗設備(1)交流伺服XY平臺一套。(2)GT400SV運動控制卡一塊。(3)PC機一臺。(4)實驗用工具一套。（5）X軸、Y軸回零。（6）X軸、Y軸點動,觀看X、Y坐標以及X+、X-、Y+、Y-運轉方向,觀察屏幕界面的位置數值顯示。（7）軸關閉、卡復位。（8）解讀脈沖當量參數設置:2000PULSE/mm。（9）熟悉實驗軟件3.實驗步驟實驗過程中要特別小心,遇到意外須立即按下“急停”按鈕。注意兩軸可能有不同的極限參數。在運動控制平臺實驗軟件中完成實驗,步驟如下:(1)松開XY平臺各電機軸與絲杠間的聯軸器,使XY平臺處于不加負載的工作狀態。(2)檢查系統電氣連線是否正確,確認后,給實驗平臺上電。(3)雙擊桌面上的“MotorControlBench.exe”按鈕,進入運動控制平臺實驗軟件,點擊界面下方“單軸電機實驗”選項按鈕,進入如圖2.6-1所示界面。(4)選取實驗電機,例如選取“1軸”即實驗平臺中的X軸為當前軸。(5)“電機控制模式”欄將根據實際電機的配置情況自動設置,“脈沖量”表示控制信號為脈沖信號,“模擬電壓”表示控制信號為模擬電壓。(6)設置位置環PID參數,PID參數在“電機控制模式”為“模擬電壓”下有效,“脈沖量”下無效。為了防止電機振動,調節參數Kp時應在教師指導下逐步增大;先設置Ki=0進行實驗,做完再試Ki逐步增加的情況。(注意:對于GXY2020平臺,Kp參數不得大于20,15以上就要逐步增加,點擊“運行”按鈕前請確認。)(7)選擇速度規劃模式為“T曲線模式”。(8)在“T曲線模式”參數輸入頁面中設置各運動參數,加速度、速度參數建議采用默認數值,為使平臺運動不至于超限,“目標位置”設置值可正負交替使用,如本次“目標位置”為20000,下次改為-20000,再下次改為20000,如此交替進行。參考設置如圖2.6-2所示。(9)在教師指導下,設置PID參數值,參考設置如圖2.6-3所示。(10)將“數據采集設置”設置為全部。(11)點擊“開啟軸”按鈕,將PID參數載入運動控制器中,點擊“運行”按鈕,電機開始轉動。同時程序讀取板卡對編碼器采樣得到的數據,位于程序界面左側的繪圖區域中的三個坐標軸分別顯示采集到的位移、速度、加速度。(12)單軸運動停止。用戶設置運動停止后,程序停止讀取采樣數據,顯示曲線不再更新。(13)運動完成后,可將采集數據或圖形保存(具體操作方法見軟件使用說明書)。(14)逐步增大Kp參數值,重復執行第(11)步,直到電機發生震顫,觀察平臺的響應情況及繪圖區域中的顯示圖形。(15)電機若發生震顫,則立即點擊“關閉軸”按鈕使伺服關閉,將Kp參數稍微調小,再點擊“開啟軸”按鈕使伺服開啟,直到電機不發生震顫(16)分析并理解Kp參數對電機運行的影響。(17)在教師指導下,改變Kd的值,觀察平臺的響應情況。(18)分析理解Kd參數對電機運行的影響。(19)設置PID參數為:Kp=1(小),Kd=0;Kp=19(大),Kd=0,控制電機分別得如圖2.6-4和圖2.6-5所示的運行結果。實驗結果分析:由圖2.6-4和圖2.6-5的對比實驗來看,可以明顯地發現隨著Kp值的增大,系統的超調量加大,系統響應速度加快。（20）設置PID參數為:Kp=19(大),Kd=200(大),控制電機得到如圖2.66所示的運行結果。實驗結果分析:由圖2.6-5和圖2.6-6的對比來看,在Kd范圍內,隨著Kd值的增大,系統的超調量變小。（21）設置PID參數為:Kp=1(小),Kd=10(小);Kp=1(小),Kd=200(大),控制電機分別得到如圖2.6-7和圖2.6-8所示的運行結果。實驗結果分析:由圖2.67和圖2.68的對比來看,在Kd范圍內,隨著Kd值的增大,系統的超調量變小,抗干擾性能降低。4.實驗總結PID參數的整定就是合理地選擇Kp、Ki、Kd三個參數。從系統運行的穩定性、響應速度、超調量和穩態精度等各方面考慮問題，參數的作用如下:(1)比例參數Kp的作用是加快系統的響應速度，提高系統的調節精度。隨著Kp的增大，系統的響應速度越快，系統的調節精度越高，但是系統易產生超調，系統的穩定性變差，甚至會導致系統不穩定。Kp取值過小，調節精度降低，響應速度變慢，調節時間加長，使系統的動靜態性能變差。(2)微分作用參數Kd的作用是改善系統的動態性能,其主要作用是在響應過程中抑制偏差向任何方向的變化,對偏差變化進行提前預報。但Kd不能過大,否則會使響應過程提前制動,延長調節時間,并且會降低系統的抗干擾性能。(3)Ki參數的使用本實驗未有體現,原因是本節位置環PID實時性強,更改Ki參數看不出其對控制系統的影響。讀者可以參照本書第3.7節(具體見圖3.7~圖3.14及其對應文字部分),更改PID的積分時間常數TI加以體會,TI的變化與Ki成反比關系。2.7單軸電機運動控制實驗———速度規1.實驗目的理解運動控制系統加、減速控制的基本原理及其常見的實現方式(T曲線模式、S曲線模式),掌握實現單軸運動各種運動模式的方法和設置參數的含義。2.實驗設備(1)XY平臺一套。(2)由實驗平臺類型決定的GT400SV(伺服)卡或GT400SG(步進)卡一塊。(3)PC一臺。3.實驗步驟(1)檢查實驗平臺電氣是否正常。(2)確認正常后,按下電控箱上的電源按鈕,使實驗平臺上電。(3)雙擊桌面“MotorControlBench.exe”圖標,打開運動控制平臺實驗軟件,點擊界面下方的“單軸電機實驗”按鈕,進入單軸運動控制實驗界面。(4)在“電機選擇”欄中,選擇“2軸”為當

前軸,“電機控制模式”欄將根據實際電機的配置情況自動設置。“脈沖量”表示控制信號為脈沖信號,“模擬電壓”表示控制信號為模擬電壓。(5)在控制模式選項卡中點擊“S曲線模式”,設置S曲

線

模

式

的

參

數,參

考

設

置

如

圖2.7-1所示。(6)將“數據采集設置”設置為全部。(7)點擊“開啟軸”按鈕,使電機伺服上電。(8)確認參數設置無誤后,點擊“運行”按鈕,此時將觀察到運動控制平臺上電機開始運動。(9)單軸運動停止后,觀察界面左側顯示區中電機運行速度、加速度及位移曲線(見圖2.7-2),結合基礎知識中的內容理解并分析S曲線運動模式的特點。(10)運動完成后,將圖形數據進行保存。(11)在教師指導下,合理改變加加速度和加速度參數值,運行電機。觀察并分析不同參數設置對S曲線運動模式的影響。(12)比較并分析在S曲線模式和T曲線模式下,速度和加速度曲線的異同,理解S曲線和T曲線加減速的應用范圍。實驗分析:由S曲線模式圖2.7-2和T曲線模式圖2.6-5對比可以明顯地看出S形加減速相對于T曲線加減速時,在任何一點的加速度都是連續變化的,從而避免了柔性沖擊,速度的平滑性很好,運動精度高;而T曲線加減速時加速度有突變,運動存在柔性沖擊,速度的過渡不夠平滑,運動精度低。4.實驗總結加、減速控制是運動控制系統插補器的重要組成部分,是運動控制系統開發的關鍵技術之一。常見的加、減速控制方式有直線加減速(T曲線加減速)、三角函數加減速、指數加減速、S曲線加減速等。其中,在運動控制器中應用最廣泛的為直線加減速和S曲線加減速算法。1)直線加減速(T曲線加減速)算法如圖2.7-3所示,當前指令進給速度vi+1大于前一指令進給速度vi

時,處于加速階段。瞬時速度計算如下:式中:a為加速度;T為插補周期。此時系統以新的瞬時速度vi+1進行插補計算,得到該周期的進給量,對各坐標軸進行分配。這是一個迭代過程,該過程一直進行到vi為穩定速度為止。同理,處于減速階段時,vi+1=vi-aT。此時系統以新的瞬時速度進行插補計算,這個過程一直進行到新的穩定速度為零為止。直線加減速算法的優點是算法簡單、占用機時少、響應快、效率高。但其缺點也很明顯,從圖2.7-3中可以看出,在加減速階段的起點A、C,終點B、D處加速度有突變,運動存在柔性沖擊。另外,速度的過渡不夠平滑,運動精度低。因此,直線加減速方法一般用于起停、進退刀等輔助運動中。2)S曲線加減速算法S曲線加減速的稱謂是由系統在加減速階段的速度曲線形狀呈S形而得的,采用減速與加速對稱的曲線來實現加減速控制。正常情況下的S曲線加減速如圖2.7-4所示。以下給出S曲線加減速的插補遞推公式,在此處設插補周期為T,則在第i個插補周期結束時,位移

加速度

速度上述遞推公式中J是分區適應的,即插補時只需判斷當前插補周期所在區間,即可按插補迭代公式計算出與速度規劃適應的位移增量,從而實現其加減速。S形加減速在任何一點的加速度都是連續變化的,從而避免了柔性沖擊,速度的平滑性很好,運動精度高,但是其算法較復雜,一般用于高速、高精度加工中。2.8二維插補原理及其實現實驗1.實驗目的掌握逐點比較法、數字積分法、數據采樣法等常見直線插補、圓弧插補原理和實現方法;通過利用運動控制器的基本控制指令實現直線插補和圓弧插補,掌握基本數控插補算法的軟件實現原理。2.實驗原理數控系統加工的零件輪廓或運動軌跡一般由直線、圓弧組成,對于一些非圓曲線輪廓則用直線或圓弧去逼近。插補計算就是數控系統根據輸入的基本數據,通過計算,將工件的輪廓或運動軌跡描述出來,邊計算邊根據計算結果向各坐標發出進給指令。數控系統常用的插補計算方法有:逐點比較法、數字積分法、時間分割法、樣條插補法等。下面介紹逐點比較法。1)逐點比較法直線插補逐點比較法是使用階梯折線來逼近被插補直線或圓弧輪廓的方法,一般是按偏差判別、進給控制、偏差計算和終點判別四個節拍來實現一次插補過程。(1)偏差函數構造。以第一象限為例,取直線起點為坐標原點,如圖2.81所示,對于第一象限直線OA,其方程可表示為若刀具加工點為Pi(Xi,Yi),則該點的偏差函數Fi可表示為若Fi=0,則加工點位于直線上;若Fi>0,則加工點位于直線上方;若Fi<0,則加工點位于直線下方。2)偏差函數字的遞推計算。為了簡化式(2.8-1)的計算,通常采用偏差函數的遞推式(迭代式)。若Fi≥0,規定向+X方向走一步,若坐標單位用脈沖當量表示,則有若Fi<0,規定向+Y方向走一步,則有因此插補過程中用式(2.8-2)和式(2.8-3)代替式(2.8-1)進行偏差計算,可使計算大為簡化。(3)終點判別。直線插補的終點判別可采用三種方法:①

判斷插補或進給的總步數:N=Xe+Ye;②

分別判斷各坐標軸的進給步數;③

僅判斷進給步數較多的坐標軸的進給步數。直線插補計算過程分四個節拍:偏差判別、坐標進給、偏差計算和終點判別。其他三個象限的計算方法可以通過相同的原理獲得,表2.8-1為四個象限插補時,其偏差計算公式和進給脈沖方向。第一象限內逐點比較法直線插補的流程圖如圖2.8-2所示。2)逐點比較法圓弧插補(1)偏差函數的構造。以第一象限逆圓為例,若加工半徑為R的圓弧AB,將坐標原點定在圓心上,如圖2.8-3所示。對于任意加工點Pi(Xi,Yi),其偏差函數Fi可表示為顯然,若Fi=0,則加工點位于圓上;若Fi>0,則加工點位于圓外;若Fi<0,則加工點位于圓內。（2）偏差函數的遞推計算。為了簡化式(2.8-4)的計算,需采用其遞推式或迭代式。圓弧加工可分為順時針加工或逆時針加工,與此相對應的便有逆圓插補和順圓插補兩種方式,下面就第一象限圓弧,對其遞圓插補公式加以推導。若Fi≥0,規定向-X方向走一步,則有若Fi≥0,規定向+Y方向走一步,則有（3）終點判別。終點判別可采用與直線插補相同的方法。①

判斷插補或進給的總步數:②

分別判斷各坐標軸的進給步數:逐點比較法圓弧插補軌跡示意圖如圖2.8-4所示,各象限偏差計算公式和進給脈沖方向見表2.8-2第一象限內逐點比較法逆圓插補的流程圖如圖2.8-5所示。采用基本點位運動控制指令進行直線和圓弧插補存在很大的局限性,為了滿足工業應用的需求,需要開發高速插補算法。3.實驗設備(1)XY平臺設備一套。(2)GT400SV卡一塊。(3)PC一臺。(4)配套筆架。(5)繪圖紙若干。(6)VC軟件開發平臺。4.實驗內容實驗要點如下:(1)在進行以下實驗時,應注意XY平臺的行程范圍。實驗前,先將X軸、Y軸回零或手動調整至合適位置,以避免運動中觸發限位信號。XY平臺X軸、Y軸回零操作以及位置手動調整的具體方法請參閱運動控制平臺軟件使用說明書。(2)當采用步進平臺進行下列實驗時,應注意合成速度和加速度值不宜設置過大,否則有可能由于步進電機啟動頻率過高,導致失步。1)二維直線插補實驗二維直線插補實驗的步驟如下:(1)檢查實驗平臺是否正常,打開電控箱面板上的電源開關,使系統上電。(2)雙擊桌面“MotorControlBench.exe”圖標,打開運動控制平臺實驗軟件,點擊界面下方“二維插補實驗”按鈕,進入如圖2.8-6所示的二維插補實驗界面。（3）輸

入“合

成

速

度”和“加

速

度”;參

考

設

置

合

成

速

度

為1m/min,加

速

度

為15m/min2。(4)在“插補方式”的下拉列表中選擇“XY直線插補(逐點比較法)”,輸入“終點(X)”和“終點(Y)”的數

值;參

考

示

例

如

圖2.86所

示,設

置

終

點(X)為30mm,終

點(Y)為40mm。(5)點擊“開啟軸”使伺服上電。(6)將平臺X軸和Y軸回零。回零方法如下:點擊“X軸回零”按鈕,X軸將開始回零動作,待X軸回零完成,點擊“Y軸回零”按鈕,使Y軸回零。（7）在XY平臺的工作臺面上,固定實驗用繪圖紙張,點擊“筆架落下”按鈕,使筆架上的繪圖筆尖下降至紙面。(8)確認參數設置無誤且XY平臺各軸回零后,點擊“運行”按鈕。（9）觀察XY平臺上對應電機的運動過程及界面中圖形顯示區域實時顯示的插補運動軌跡。在“坐標系設置”中選擇X軸和Y軸的坐標系刻度單位,以使圖形顯示處于合適大小。注意:坐標系刻度單位應與設置的X、Y終點值保持相同的數量級,以便觀察。(10)點擊“筆架抬起”按鈕,將筆架上的繪圖筆抬起,根據需要調整XY平臺上的繪圖紙位置或更換繪圖紙。(11)在教師指導下,改變運動參數或設置(合成速度、加速度、終點坐標、步長5mm和0.5mm比較、插補方法等),重復執行(2)~(8)步,觀察不同運動參數下XY平臺的電機運動過程,筆架的繪圖和界面中的顯示圖形及位置值,記錄各實驗數據和觀察到的實驗現象。(12)在“坐標映射”欄中,改變坐標映射關系,將X軸映射為2軸,Y軸映射為1軸,點擊“坐標映射生效”按鈕。重新執行(2)~(9)步,觀察平臺的運動情況,記錄并比較不同設置時筆架在繪圖紙上繪制的圖形、界面中的顯示圖形及

位

置

值

與

映

射

關

系

改

變

前

的異同。(13)點擊“關閉軸”按鈕使伺服斷電。(14)實驗結束。2)圓弧插補(圓心/角度型)實驗圓弧插補實驗的步驟如下:(1)重復直線插補實驗第(1)~(2)步。(2)選擇插補方式,設置圓弧插補參數;在“插補方式”的下拉列表中選擇“XY圓弧插補(圓心/角度)”,輸入圓心(X)和圓心(Y)的值以及圓弧角度。注意:軟件默認圓弧起點為原點;圓弧角度為負表示順時針方向,為正表示逆時針。進入圓弧插補(圓心/角度型)實驗時的缺省參數值為提供的參考設置。(3)點擊“開啟軸”按鈕使伺服上電。(4)將平臺X軸和Y軸回零。(5)在XY平臺的工作臺面上,固定實驗用繪圖紙張,點擊“筆架落下”按鈕,使筆架上的繪圖筆尖下降至紙面。(6)確認參數設置無誤且XY平臺各軸正確回零后,點擊“運行”按鈕。(7)觀察XY平臺上對應電機的運動過程和界面中圖形顯示區域中實時顯示的圓弧插補運動軌跡。（8）點擊“筆架抬起”按鈕,將筆架上的繪圖筆抬起,根據需要調整XY平臺上的繪圖紙位置或更換繪圖紙。(9)在教師指導下改變參數或設置(合成速度、加速度、圓心坐標、步長5mm和0.5mm比較、插補方法等),重復執行(2)~(8)步,觀察不同運動參數下XY平臺的電機運動過程、筆架的繪圖和界面中的顯示圖形及位置值,記錄各實驗數據和觀察到的實驗現象。（10）在“坐標映射”欄中,改變坐標映射關系,將X軸映射為2軸,Y軸映射為1軸,點擊“坐標映射生效”按鈕。重新執行(2)~(9)步,觀察XY平臺的運動情況,記錄并比較不同設置時筆架在繪圖紙上繪制的圖形、界面中的顯示圖形及位置值與映射關系改變前的異同。(11)點擊“關閉軸”按鈕使伺服斷電。(12)實驗結束5.實驗思考與結論(1)根據實驗結果,完成實驗報告,實驗報告中應包含以下內容:各實驗中XY平臺繪制的插補軌跡圖,實驗體會,包括實驗中碰到的問題、解決辦法和有關該實驗的改進建議和收獲;(2)簡述常見的插補算法,根據實驗現象,分析逐點比較法和數字積分法的精度和局限性;(3)根據實驗結果說明寄存器位數對數字積分法插補精度和速度的影響并分析起因;(4)列出直線插補和圓弧插補運動所需參數,結合實驗記錄,分析不同映射設置對插補軌跡的影響,并理解其在實際應用中的意義;(5)根據實驗現象,分析數據采樣法中插補周期對加工輪廓誤差的影響;(6)給出數據采樣法中二階近似DDA法———割線法的算法流程;(7)指出圓心角度型和終點半徑型圓弧插補的異同及各自應用場合。2.9數控代碼編程實驗1.實驗目的了解數控代碼的基本指令和開放式運動控制器數控代碼庫的使用方法,理解基于PC數控編程的實現過程,掌握簡單數控程序的編制方法。2.基礎知識在數控系統上加工零件時,要把加工零件的全部工藝過程、工藝參數和位移數據,以信息的形式記錄在控制介質上,用控制介質上的信息來控制機床,實現零件的全部加工過程,這就是數控編程。為了簡化編制程序的方法和保證程序的通用性,國際標準化組織在ISO841:2001中規定了數控機床坐標系的統一標準,即以右手法則確定的笛卡兒直角坐標系作為編程的標準坐標系,規定直線進給運動的坐標軸用X、Y、Z表示,稱為基本坐標軸,圍繞X、Y、Z軸旋轉運動的圓周進給坐標軸分別用A、B、C表示。坐標軸的正方向為假定工件不動、刀具相對于工件作進給運動的方向。編程坐標用來指定刀具的移動位置。運動軌跡的終點坐標是相對于起點計量的坐標,稱為相對坐標(增量坐標);所有坐標點的坐標值均從編程原點計量的坐標,稱為絕對坐標。相對坐標和絕對坐標分別應用于數控編程的增量編程方式(G91)和絕對編程方式(G90)。控加工程序由一個個程序段組成,而一個程序段則由若干個指令字組成。每個指令字是控制系統的一個具體指令,由指令字符(地址符)和數值組成。例如:%1000N01G91G00X50Y60N02G01X1000Y5000F150S300T12M03程序段中不同的指令字符及其后續數值確定了每個指令字的含義,以下對準備功能基本G指令做一簡要介紹。準備功能用字母G后面跟兩位數字來編程。表2.91是基本G指令的功能表。①

除00組外的指令為模態指令,即當該G功能被編程后,就一直有效,直至被同一組其他不相容的G功能代替。②

在G功能后面標有“*”號的指令,是指開機時,CNC所具有的工作狀態。00組的指令為一次性指令,它只在其指令的程序段中有效。③

如果不相容的G功能被編在同一程序段中,則CNC認為后寫入的那個G功能有效。1)G00快速定位指令格式:G00X(U)_Y(V)_。G00指令用于快速點定位,兩個軸同時進給,合成速度為最大位移速度。指令中的X(U)和Y(V)值確定終點坐標,起點為當前點。2)G01直線插補指令格式:G01X(U)_Y(V)_F_。G01為直線插補運動,即兩個軸以當前點為起點,以F指令指定的速度同時進給,終點位置由X(U)和Y(V)確定。速度字F具有模態性,即由F指令的進給速度直到變為新的值之前均有效,因此不必每個程序段均指定一次,其單位為mm/min。3)G02/G03圓弧插補使兩軸以當前點為起點,按照給定的參數走出一段圓弧,其指令格式可以有兩種形式。（1）G02/G03X(U)_Y(V)_I_J_F_。X(U)、Y(V):確定終點坐標;I、J:分別對應X、Y方向上圓弧起點到圓心的距離(有符號);F:插補速度。(2)G02/G03X(U)_Y(V)_R_F_。X(U)、Y(V):確定終點坐標;R:圓弧半徑;F:插補速度。G02:順時針圓弧;G03:逆時針圓弧。圓弧方向的規定如圖2.9-1所示3.實驗設備(1)XY平臺一套。(2)GT400SV卡一塊。(3)PC一臺。4.實驗步驟實驗要點:(1)在進行以下實驗時,應注意XY平臺行程范圍。實驗前,先進入二維插補實驗界面將X軸、Y軸回零或手動調整其位置,以避免運動中超出行程觸發限位信號。回零及位置手動調整的具體方法請參閱運動控制平臺軟件說明書。(2)本實驗軟件中,M03指令對應“筆架下落”,M05指令對應“筆架抬起”,可根據需要在G代碼文件中加入相應的M指令。1)數控代碼認知實驗(1)檢查XY平臺電氣連接是否正常,打開電控箱面板上的電源開關,使系統上電。(2)在XY平臺的工作臺面上,固定好實驗用繪圖紙張。可先回零操作,調整好筆架,使得回零后筆架所夾持筆在平臺中央位置附近。(3)雙擊桌面的“MotorControlBench.exe”圖標,打開運動控制平臺實驗軟件,點擊界面下方的“G代碼實驗”按鈕,進入如圖2.92所示的界面。(4)點擊“打開文件”按鈕,在打開的對話框中選擇example目錄下的數控代碼GAO.txt文件,點擊對話框中“打開”按鈕。(5)觀察出現在界面右側G代碼編輯區中的G代碼文件,理解G代碼程序段的組成,如圖2.9-3所示。從圖2.9-3中可以看出該字軌跡均用G00快速行進空行程、G01直線插補微小線段完成.(6)點擊“編譯”按鈕,界面左側將出現“GAO.txt”文件執行的模擬軌跡,如圖2.9-4所示.(7)點擊“坐標映射生效”按鈕,使各軸伺服上電。“坐標映射生效”功能為將數控代碼以mm為單位的數字轉換成數控系統內部脈沖當量。(8)在XY平臺的工作臺面上,固定實驗用繪圖紙張,調整好筆架位置。(9)點擊“運行”按鈕,XY平臺電機開始運動,筆架上的畫筆將在XY平臺上的白紙上繪制字,同時軟件界面顯示區內將實時繪制紅色的G代碼運行實際軌跡。(10)觀察實際運動軌跡與模擬軌跡是否一致,觀察平臺上電機的運動情況;在運動過程中,可根據觀察需要對顯示圖形進行縮放或平移操作(具體操作方法請參閱運動控制平臺軟件使用說明書)。(11)運動完成,點擊“關閉軸”按鈕。(12)實驗結束。2)編寫數控代碼(G00/G01/G02/G03/G04指令)實驗注意:由于廠家提供軟件的限制,本實驗中編寫的數控代碼必須以M30或M02指令結束,且其后須加1個回車符,否則,系統將不會運行程序并有可能導致異常錯誤!以下代碼僅供參考。讀者可以自行設計難度適中、含有直線與圓弧元素的簡化圖形,比如花鳥蟲魚、松樹、刀槍、房子、漢字、汽車、奧迪標志、奧運五環等圖形,編程并驗證。圖形范圍最好控制在X、Y軸±80mm內。(1)熟悉G代碼程序段。閱讀以下G代碼程序段,并在紙上繪制各自的運行軌跡圖。⑦點擊“坐標映射生效”按鈕,此時系統坐標映射設置生效,同時各軸伺服上電。⑧

更換實驗繪圖紙張,調整好筆架位置。⑨

先后點擊“X回零”和“Y回零”按鈕,使各軸回到編程原點。⑩

點擊“運行”按鈕,運動控制平臺上電機將開始運動,同時界面顯示區將實時繪制紅色的G代碼運行軌跡,并對照比較步驟(1)中繪制的圖形是否正確。運動完成,點擊“關閉軸”按鈕。

重復執行

步,依次編寫并運行Test2.txt~Test4.txt的G代碼文件,觀察實際運行情況,并檢查步驟(1)中繪制的圖形是否正確。待各軸完成運動,實驗完成,點擊“退出系統”按鈕,退出實驗軟件,關閉XY平臺電源,實驗結束。圖2.9-5為四個G代碼文件執行時的運動軌跡。5.學生作業展示1)忙趁東風放紙鳶忙趁東風放紙鳶的仿真圖和實物圖如圖2.9-6所示。2)驚鴻一瞥驚鴻一瞥的仿真圖和實物圖如圖2.9-7所示。3)一箭雙心一箭雙心的仿真圖和實物圖如圖2.9-8所示。4)勇敢者的運動勇敢者的運動的仿真圖和實物圖如圖2.9-9所示。5)電池電池的仿真圖和實物圖如圖2.9-10所示.6)智能手機智能手機的仿真圖和實物圖如圖2.9-11所示7)寺廟寺廟的仿真圖和實物圖如圖2.9-12所示。8)相機相機的仿真圖和實物圖如圖2.9-13所示9)斯是陋室,惟吾德馨“斯是陋室,惟吾德馨”的仿真圖和實物圖如圖2.9-14所示。10)明月照窗前明月照窗前的仿真圖和實物圖如圖2.9-15所示。11)大禹鍬大禹鍬的仿真圖和實物圖如圖2.9-16所示.12)葫蘆里賣的啥藥“葫蘆里賣的啥藥”仿真圖和實物圖如圖2.9-17所示。6.實驗報告與總結(1)認真完成以上實驗,記錄實驗步驟和結果,包括:設計草圖、屏幕截圖、繪制的實物圖、代碼及注釋、繪圖名稱和標志寓意等。(2)分析說明G00、G01、G02、G03、G04、G17、G18、G19、G90、G91和G92等基本G指令的功能和含義。(3)分析比較基于PC的數控編程與專用數控系統的數控編程的優勢和缺點。2.10反向間隙實驗1.實驗目的掌握幾種位置檢測裝置(碼盤、光柵尺)的使用方法及信號處理方法。理解半閉環控系統誤差的測量;理解絲杠反向間隙的概念及其測量和補償的方法。2.實驗原理當絲杠向其相反方向運動時,由于絲杠反向間隙的存在會造成一段空運轉,這時絲杠轉動,由于各坐標軸進給傳動鏈上驅動部件(如伺服電機、步進電機等)的反向死區、各機械運動傳動軸的反向間隙等誤差的存在,各坐標軸在由正向運動轉為反向運動時形成反向偏差,通常也稱為反向間隙或失動量。圖2.10-1為滾珠絲杠傳動間隙示意圖。對于采用半閉環伺服系統的數控機床,反向偏差的存在就會影響機床的定位精度和重復定位精度,從而影響產品的加工精度。同時,隨著設備投入運行時間的增長,反向偏差還會隨磨損造成運動副間隙的逐漸增大而增加,因此,反向間隙的測量和補償非常重要,需要定期對機床各坐標軸的反向偏差進行測定和補償。反向間隙的測定方法如下:在所測量坐標軸的行程內,預先向正向或反向移動一個距離并以此停止位置為基準,再在同一方向給予一定移動指令值,使之移動一段距離,然后再往相反方向移動相同的距離,測量此時停止位置與先前基準位置之差。在靠近行程的中點及兩端的三個位置

分

別

進

行

多

次

測

定(一

般

為

七

次),求

出

各

個

位

置

上

的

平

均值,以所得平均值中的最大值為反向間隙測量值。在測量時一定要先移動一段距離,否則不能得到正確的反向間隙值。測量直線運動軸的反向偏差時,測量工具通常采有千分表或百分表,若條件允許,則可使用雙頻激光干涉儀進行測量。當采用千分表或百分表進行測量時,表座和表桿不要伸出過高過長,因為測量時由于懸臂較長,表座易受力移動,造成計數不準,使補償值出現偏差。需要注意的是,在工作臺不同的運行速度下測出的結果會有所不同。一般情況下,低速的測出值要比高速的大,特別是在機床軸負荷和運動阻力較大時。低速運動時工作臺運動速度較低,不易發生過沖超程(相對“反向間隙”),因此測出值較大;在高速時,由于工作臺速度較高,容易發生過沖超程,使測得值偏小。3.實驗設備(1)XY平臺設備一套。(2)GT400SV卡一塊。(3)PC一臺。4.實驗步驟實驗過程中要注意以下幾點:(1)給定起點+行程模式和當前點+行程模式中,給定起點/當前點和行程的符號都要相同,即同正同負。(2)給定起點+終點模式中,終點坐標值的絕對值要大于起點坐標值。實驗步驟如下:(1)按下電控箱上的電源按鈕,使實驗平臺上電。(2)打開運動控制平臺實驗軟件,點擊界面下方的“反向間隙實驗”按鈕,進入反向間隙實驗窗口,如圖2.10-2所示。（3）檢查基本參數框中設置的參數是否與實驗平臺一致,如不一致,點擊“修改參數”按鈕,并根據實驗平臺的實際情況,進行參數設置,設置“顯示單位”為脈沖數。(4)分別選擇測試方案為“當前點+行程”“給定起點+行程”“給定起點+終點”。(5)在“測試參數”欄中輸入測試起點和測試行程等參數,比如:設置測試起點為10000PULSE,測試終點為18000PULSE,進給速度為2PULSE/ST,將測試參數中的間隙補償值設置為0PULSE。(6)點擊“開啟伺服”按鈕,使軸伺服上電,此時反向間隙實驗窗口如圖2.10-3所示。(7)點擊“回零點”按鈕,使軸回零。(8)點擊“到測試起點”按鈕,使軸運行到測試起點位置。(9)點擊“反向間隙測試及補償”按鈕,進行給定測試區域內的絲杠反向間隙測試,軸將自動從測試起點運動到測試終點,再從測試終點返回測試起點。(10)測試完成后,將出現信息框,給出測試中的各種數據,并計算反向間隙值。(11)記錄測試的反向間隙值n。(12)按照要求重復(4)~(11)步,并記錄n值,重復執行7次實驗,將實驗數據記錄在表格中,取其平均值5.實驗結果1)反向間隙實驗:當前點+行程反向間隙實驗(當前點+行程)的窗口如圖2.10-4所示,實驗結果窗口如圖2.10-5所示。本測試方案選用的是當前點+行程,采用了7個不同的測試起點但是測試行程都保持為15000個脈沖(PULSE),具體實驗數據見表2.10-1。2)反向間隙實驗:給定起點+行程反向間隙實驗(給定起點+行程)窗口如圖2.10-6所示,實驗結果窗口如圖2.10-7所示。本測試方案選用的是給定起點+行程,測試起點為10000PULSE,測試行程為15000PULSE,測試終點為25000PULSE,進給速度為2PULSE/ST,間隙補償值為0PULSE。具體實驗數據見表2.10-2。3)反向間隙實驗:給定起點+終點反向間隙實驗(給定起點+終點)窗口如圖2.10-8所示本測試方案選用的是給定起點+終點,測試起點為10000PULSE,測試行程為15000PULSE,測試終點為25000PULSE,進給速度為2PULSE/ST,間隙補償值為0PULSE。具體實驗數據見表2.10-3。6.實驗分析反向間隙形成是因為絲杠和絲母之間存在一定的間隙,所以在正轉后變換成反轉的時候,在一定的角度內,盡管絲杠轉動,但是絲母還要等間隙消除(受力一側的)以后才能帶動工作臺運動,這個間隙就是反向間隙。本實驗所選的圓光柵(即編碼器)每一圈設定分辨率為10000個脈沖,螺距為5mm,所以每一個脈沖的長度為0.0005mm。1)反向間隙實驗(當前點+行程)的結果分析根據測得的結果進行計算分析:測得反向間隙為30個脈沖,由于一個脈沖長度為0.0005mm,所以30個脈沖長度為30×0.0005=0.015mm。測得反向間隙為49個脈沖,由于一個脈沖長度為0.0005mm,所以49個脈沖長度為49×0.0005=0.0245mm。測得反向間隙為41個脈沖,由于一個脈沖長度為0.0005mm,所以41個脈沖長度為41×0.0005=0.0205mm。測得反向間隙為47個脈沖,由于一個脈沖長度為0.0005mm,所以47個脈沖長度為47×0.0005=0.0235mm。測得反向間隙為66個脈沖,由于一個脈沖長度為0.0005mm,所以66個脈沖長度為66×0.0005=0.033mm。測得反向間隙為111個脈沖,由于一個脈沖長度為0.0005mm,所以111個脈沖長111×0.0005=0.0555mm。測得反向間隙為113個脈沖,由于一個脈沖長度為0.0005mm,所以113個脈沖長113×0.0005=0.0565mm。求7個反向間隙值的平均值:=(0.015+0.0245+0.0205+0.0235+0.033+0.0555+0.0565)÷7=0.0326mm所以,以當前點+行程測試方案測得的反向間隙為0.0326mm。2)反向間隙實驗(給定起點+行程)的結果分析根據測得的結果進行計算分析:測得反向間隙為13個脈沖,由于一個脈沖長度為0.0005mm,所以13個脈沖長度為13×0.0005=0.0065mm。測得反向間隙為7個脈沖,由于一個脈沖長度為0.0005mm,所以7個脈沖長度為7×0.0005=0.0035mm。測得反向間隙為17個脈沖,由于一個脈沖長度為0.0005mm,所以17個脈沖長度為17×0.0005=0.0085mm。測得反向間隙為27個脈沖,由于一個脈沖長度為0.0005mm,所以27個脈沖長度為27×0.0005=0.0135mm。測得反向間隙為10個脈沖,由于一個脈沖長度為0.0005mm,所以10個脈沖長度為10×0.0005=0.005mm。測得反向間隙為15個脈沖,由于一個脈沖長度為0.0005mm,所以15個脈沖長度為15×0.0005=0.0075mm。測得反向間隙為20個脈沖,由于一個脈沖長度為0.0005mm,所以20個脈沖長度為20×0.0005=0.01mm。求7個反向間隙值的平均值:=(0.0065+0.0035+0.0085+0.0135+0.005+0.0075+0.01)÷7=0.0078mm所以,以給定起點+行程測試方案測得的反向間隙為0.0078mm。3)反向間隙實驗(給定起點+終點)的結果分析根據測得的結果進行計算分析:測得反向間隙為7個脈沖,由于一個脈沖長度為0.0005mm,所以7個脈沖長度為7×0.0005=0.0035mm。測得反向間隙為6個脈沖,由于一個脈沖長度為0.0005mm,所以6個脈沖長度為6×0.0005=0.003mm。測得反向間隙為14個脈沖,由于一個脈沖長度為0.0005mm,所以14個脈沖長度為14×0.0005=0.007mm。測得反向間隙為19個脈沖,由于一個脈沖長度為0.0005mm,所以19個脈沖長度為19×0.0005=0.0095mm。測得反向間隙為11個脈沖,由于一個脈沖長度為0.0005mm,所以11個脈沖長度為11×0.0005=0.0055mm。測得反向間隙為7個脈沖,由于一個脈沖長度為0.0005mm,所以7個脈沖長度為7×0.0005=0.0035mm。測得反向間隙為18個脈沖,由于一個脈沖長度為0.0005mm,所以18個脈沖長度為18×0.0005=0.009mm。求7個反向間隙值的平均值:=(0.0035+0.003+0.007+0.0095+0.0055+0.0035+0.009)÷7=0.0059mm所以,以給定起點+終點測試方案測得的反向間隙為0.0059mm。2.11電子齒輪實驗1.實驗目的實驗中采用的運動控制器允許一個主動軸帶多個從動軸,或者從動軸作為主動軸再帶動從動軸運動的情況。但是由于本實驗的控制對象XY平臺只有兩個軸,所以,本實驗中只進行兩個軸(本實驗中分別稱之為1軸和2軸)的電子齒輪設置。本實驗主要對在S曲線模式下的電子齒輪的速度進行研究。2.實驗原理電子齒輪實際上是一個多軸聯動模式,其運動效果與兩個機械齒輪的嚙合運動類似。電子齒輪可以實現多個運動軸按設定的齒輪比同步運動。3.實驗設備(1)XY平臺設備一套。(2)GT400SV卡一塊。(3)PC一臺。4.實驗步驟實驗步驟如下:(1)在打開的運動平臺演示軟件中,點擊界面下方的“單軸電機實驗”按鈕,進入實驗界面。(2)在“電機選擇”欄中,選擇“1軸”為當前軸,此軸將自動設置為電子齒輪中的從動軸。(3)在控制模式選項卡中點擊“電子齒輪模式”,設置電子齒輪模式參數,如主軸為2,從軸為1,電子齒輪比為-1。(4)在控制模式選項卡中點擊“S曲線模式”,設置主動軸“2軸”的S曲線模式的運動參數。(5)設置參數加加速度為0.0001PULSE/ST3,加速度為0.2PULSE/ST2,速度為5PULSE/ST,目標位置為30000PULSE。(6)點擊“開啟軸”按鈕,使伺服電機上電。(7)確認參數設置無誤后,點擊“運行”按鈕。(8)觀察并記錄運動控制平臺上各軸的運動。①

再次執行(2)~(8)步,將第(3)步中的電子齒輪比更改為2。②

觀察并記錄運動控制平臺上各軸的運動情況。(10)改變主動軸將主動軸設置為“1軸”,步驟如下:①

在電子齒輪模式頁面中點擊“取消設定”按鈕,將原有的電子齒輪設置取消。②

再次執行(2)~(9)步,其中第(2)、(4)步中將主動軸設置為“1軸”,第(3)步中電子齒輪參數設置主動軸為“1軸”,從軸為“2軸”,電子齒輪比為-1。(11)觀察并記錄運動控制平臺上各軸的運動情況;將以上步驟中觀察到的電機運動情況記錄在表2.111中,比較不同設置時的運行情況,進一步理解電子齒輪的含義5.實驗結果本次試驗分別做了四個不同參數下的實驗,實驗結果記錄在表2.11-1中6.實驗分析通過四個實驗表明:在主軸號相同從軸號相同的情況下,不同的電子齒輪比、主軸和從軸的運動速度和方向都會不同。如果電子齒輪比為負數,兩個軸的運動方向相反;電子齒輪比為正數,兩個軸的運動方向相同。如果電子齒輪比越大,主軸的運動速度就會越大。在本實驗中,電子齒輪比就是主軸的速度與從軸的速度之比。7.常用數控系統的位置測量裝置常用旋轉編碼器作為常用數控系統的位置測量裝置。旋轉編碼器是一種角位移傳感器,分為光電式、接觸式和電磁式三種,光電式旋轉編碼器是閉環控制系統中最常用的位置傳感器。旋轉編碼器也可分為增量式編碼器和絕對式編碼器兩種。8.反向間隙與電子齒輪的應用反向間隙實驗可以在全閉環平臺上進行檢測,而檢測的間隙值用于半閉環的控制系統中進行間隙補償,能節約成本、提高精度。電子齒輪實驗是無級調速,而傳統的齒輪調速是有級調速,電子齒輪實驗結構簡單、體積較小,設置比傳統的齒輪調速方便,理論上可以設置任意的電子齒輪比。電子齒輪功能也可以實現多個運動軸按設定的電子齒輪比同步運動。另外,電子齒輪功能還可以實現一個運動軸以一定速比跟隨其他幾個運動軸運動,而這個速比是其他幾個運動軸速度的函數;一個軸也可以按設定的比例跟隨其他幾個軸矢量合成速度的大小運動,這就是電子凸輪,也就是說電子齒輪是電子凸輪的特例。電子凸輪廣泛應用在諸如汽車制造、冶金、機械加工、紡織、印刷、造紙、食品包裝和水利水電等各個領域。例如:在印刷行業,其控制大致是將旋變安裝在傳動電動機軸上,旋變將電動機的位置和速度信息反饋給電子凸輪,電子凸輪輸出傳動電動機的速度和凸輪信號給送紙電動機驅動器,實現送紙和傳動之間的同步,此外,由于電子凸輪有速度感應的功能,所以它可以像伺服電機一樣實現恒速送紙。另外,控制器可以和電腦通信,從而使得控制更加智能化。2.12西門子MM420變頻器的初步使用實驗1.實驗目的了解變頻器原理;掌握變頻器的初步設置和操作;能進行變頻器控制電機調速的初步應用,掌握西門子MM420變頻器的BOP控

制、端

子

排

控

制

和PROFIBUS(現

場

總

線)控制。2.實驗設備西門子MM420變頻器(含基本操作面板BOP、PROFIBUS模板等)、三相異步電動機、導線、0~10V直流電源(帶數字電壓顯示)、0~20mA數字電流表、S7300PLC、SM334模擬量輸入/輸出模塊等。3.預備知識1)關于變頻器理解兩個公式:式中:n為異步電動機轉速;n0

為電動機同步轉速;s為轉差率;p為定子極對數;f1

為電源頻率;U1

為電源電壓;E1

為定子反電動勢;N1

為定子每相繞組的匝數;K1

為定子的繞組系數;Φ為氣隙磁通。變頻器組成框圖如圖2.12-1所示。變頻器的基礎知識如下:(1)變頻是“變壓變頻”的簡稱,供電機的動力電壓與頻率必須聯調。(2)控制原理上,常見的有恒壓頻比(U/f)變頻和矢量變頻。(3)變頻器只會降壓,不能升壓。(4)通常在基頻以下調速,即減速;在基頻以上調速,即弱磁升速,但功率降低。(5)變頻器本

身

不

是

節

能

器,其

節

能

是

建

立

在

原

來

不

能

調

速

造

成

浪

費

電

能

的

基

礎上的。(6)變頻器是強電及弱電的結合體,是一部電磁干擾器,應用時注意遠離易受干擾儀器等電子設備,可采取屏蔽等措施。(7)變頻器IGBT模塊、主控板無法大規模國產化,價格居高不下。(8)變頻技術是伺服技術的基礎。2)變頻器參數變頻器參數通常有只讀參數、可編程參數等,各品牌變頻器參數設置大同小異,變頻器的參數設置與伺服驅動器的設置也類似。西門子MM420變頻器參數由1位參數種類(r、P分別對應只讀、可編程參數)和4位數字(0000~9999,r和P參數統一編碼)組成,實際使用參數約為350個,而最常用的“快速調試”參數僅14個。報警和故障信息由1位參數種類(A或F)加4位數字組成,A和F信息代號統一編碼可進行對照查詢。4.注意事項使用變頻器時的注意事項如下:(1)發生故障須立即關閉電源總開關。(2)防止觸電,防止電機等運動部件傷人。(3)輸入接2相或3相市電交流電,輸出為3相交流電與電機相連,不可在變頻器輸出端接入交流電源。(4)注意保持變頻器散熱良好,接線可靠。(5)電機參數按銘牌設置,特別注意電機的接線方式是三角形還是星形;對應輸入電壓、電流、功率和轉速等,否則會出現變頻器控制運行不正常,甚至出現燒壞故障等。注意:以下為三個基本實驗,詳細應用可參考《西門子PLC高級培訓教程》第12章和MM420變頻器使用大全(用戶手冊)5.實驗一:BOP控制電動機運行采用基本操作面板(BOP)控制變頻器雖然比較簡單,但該示例可以訓練BOP的基本操作,使學生對變頻器的操作有一大致了解。實驗步驟如下:(1)BOP的使用。BOP的操作并不難,正如新買一部手機后,經過半天操作,自然就熟悉了。表2.121~表2.12-3是BOP操作的相關表格和說明,可供參考。說明:忙碌信息修改參數的數值時,BOP有時會顯示:busy或P