機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)及應(yīng)用技術(shù)-課件 第7、8章 運(yùn)動(dòng)控制器、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)與控制

機(jī)器人伺服控制第七章運(yùn)動(dòng)控制器運(yùn)動(dòng)控制（MotionControl）：在復(fù)雜條件下將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制區(qū)別于過程控制（ProcessControl）一種大系統(tǒng)控制，控制對(duì)象比較多，可以想象為過程控制是對(duì)一條生產(chǎn)線的控制，運(yùn)動(dòng)控制是生產(chǎn)線內(nèi)某個(gè)部件的具體控制快速區(qū)分方法：凡事涉及到電機(jī)拖動(dòng)，目的是電機(jī)運(yùn)動(dòng)的都是運(yùn)動(dòng)控制，而整體系統(tǒng)控制，為達(dá)到穩(wěn)定系統(tǒng)的都是過程控制！運(yùn)動(dòng)控制器廣義運(yùn)動(dòng)控制范圍速度控制：電力拖動(dòng)，變頻器位置控制：步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)，直線電機(jī)數(shù)控系統(tǒng)機(jī)械手系統(tǒng)其他專用系統(tǒng)通用運(yùn)動(dòng)控制（狹義的運(yùn)動(dòng)控制）運(yùn)動(dòng)控制器專用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)：車床，銑床，磨床，加工中心機(jī)械手系統(tǒng)縫紉機(jī)系統(tǒng)繡花機(jī)系統(tǒng)數(shù)控雕刻系統(tǒng)激光切割系統(tǒng)打標(biāo)機(jī)系統(tǒng)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制器通用運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)控制PLC：功能少或價(jià)格高昂通用運(yùn)動(dòng)控制器：國外品牌為主運(yùn)動(dòng)控制卡：需要工控電腦，插卡易松動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制器運(yùn)動(dòng)控制器就是控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式的專用控制器如電動(dòng)機(jī)在由行程開關(guān)控制交流接觸器而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)物體向上運(yùn)行達(dá)到指定位置后又向下運(yùn)行，或者用時(shí)間繼電器控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)一會(huì)停一會(huì)再轉(zhuǎn)一會(huì)再停為什么需要通用運(yùn)動(dòng)控制？非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備年全國需求量在萬套以內(nèi)的同類設(shè)備不同類型的要求設(shè)備工藝千奇百怪時(shí)間成本是最大的成本，采用中間件而不是從最底層開始構(gòu)建流水線和工業(yè)4.0最小代價(jià)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的不斷升級(jí)換代運(yùn)動(dòng)控制器主要內(nèi)容contents7.2運(yùn)動(dòng)控制器7.3PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡運(yùn)動(dòng)控制器7.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)7.4驅(qū)控一體化技術(shù)7.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)定義以電機(jī)、液壓馬達(dá)等為主要控制對(duì)象以控制器為核心以功率變換裝置、電液伺服閥為執(zhí)行機(jī)構(gòu)在自動(dòng)控制理論指導(dǎo)下組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖7.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)以運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)輸出量（被控量）是速度、位移等參數(shù)從運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的能量提供方式和傳動(dòng)方式來分類主要有液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)和電氣傳動(dòng)系統(tǒng)三種基本類型運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖7.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展歷史液壓傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)歷史悠久。從17世紀(jì)中葉帕斯卡提出靜壓的傳遞原理算起，液壓傳動(dòng)已有三百多年的歷史，但真正用于工業(yè)生產(chǎn)是在19世紀(jì)20世紀(jì)初，美國人Janney將礦物油引入液體傳動(dòng)作為傳動(dòng)介質(zhì)，并設(shè)計(jì)制造了第一臺(tái)軸向柱塞泵及其液壓驅(qū)動(dòng)裝置在第二次世界大戰(zhàn)期間，由于武器工業(yè)的需要，在很多車輛、艦船、航空、兵器設(shè)備上都采用了反應(yīng)快、動(dòng)作準(zhǔn)、功率大的液壓傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制裝置戰(zhàn)后，液壓傳動(dòng)技術(shù)迅速轉(zhuǎn)向民用領(lǐng)域，在機(jī)床、工程機(jī)械、汽車等行業(yè)逐步推廣，并得到了長足的發(fā)展7.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展歷史氣壓傳動(dòng)技術(shù)出現(xiàn)在19世紀(jì)初，1829年出現(xiàn)了多級(jí)空氣壓縮機(jī)，為氣壓傳動(dòng)的發(fā)展創(chuàng)造了條件1871年，氣壓風(fēng)鎬在采礦業(yè)上開始應(yīng)用。美國人G.威斯汀豪斯在1868年發(fā)明了氣動(dòng)制動(dòng)裝置并于1872年應(yīng)用于鐵路車輛的制動(dòng)20世紀(jì)后，隨著武器、機(jī)械、化工等工業(yè)的發(fā)展，氣動(dòng)元器件和氣壓傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用20世紀(jì)50年代研制成功用于導(dǎo)彈尾翼控制的高壓氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)20世紀(jì)60年代，射流和氣動(dòng)邏輯元件的發(fā)明使氣壓傳動(dòng)更加如虎添翼，在工程上有了很大發(fā)展7.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展歷史電氣傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是在電機(jī)發(fā)明之后發(fā)展起來的1831年，法拉第，電磁感應(yīng)定律1832年，斯特金，直流電動(dòng)機(jī)1886年，特斯拉，兩相交流電動(dòng)機(jī)1888年，多里沃·多勃羅沃爾斯基，三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)20世紀(jì)中葉以前，在工業(yè)領(lǐng)域形成了直流調(diào)速和伺服系統(tǒng)一統(tǒng)天下的局面，交流電動(dòng)機(jī)只是用在大功率驅(qū)動(dòng)場合隨著交流電機(jī)理論和控制理論的快速發(fā)展，交流電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的成本逐步降低，性能逐步提高，直流調(diào)速系統(tǒng)正在被其取代7.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展歷史液、電、氣三種傳動(dòng)方式相互配合，取長補(bǔ)短，形成了混合式的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)電-液伺服系統(tǒng)兼有液壓傳動(dòng)的輸出功率大、反應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)和電氣控制的操作性控制性良好、自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)電-氣伺服系統(tǒng)成本低、對(duì)環(huán)境要求不高且易于計(jì)算機(jī)控制，在實(shí)現(xiàn)汽缸在目標(biāo)位置定位等方面的控制上顯示了特有的控制效果和功能氣-液混合控制系統(tǒng)在很大程度上改善氣-液系統(tǒng)的性能7.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展歷史運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷從直流到交流，從開環(huán)到閉環(huán)，從模擬到數(shù)字，直到基于PC的伺服控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和基于網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動(dòng)控制的發(fā)展過程從運(yùn)動(dòng)控制器件的發(fā)展看，大致經(jīng)歷下列階段階段分類主要技術(shù)特征早期模擬步進(jìn)控制器+步進(jìn)電機(jī)+電液脈沖馬達(dá)20世紀(jì)70年代直流模擬基于微處理器技術(shù)的控制器+大慣量直流電機(jī)20世紀(jì)80年代交流模擬基于微處理器技術(shù)的控制器+模擬式交流伺服系統(tǒng)20世紀(jì)90年代數(shù)字化初級(jí)數(shù)字/模擬/脈沖混合控制通用計(jì)算機(jī)控制器+脈沖控制式數(shù)字交流伺服系統(tǒng)21世紀(jì)至今全數(shù)字化基于PC的控制器+網(wǎng)絡(luò)數(shù)字通信+數(shù)字伺服系統(tǒng)7.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制關(guān)鍵技術(shù)精密機(jī)械技術(shù)機(jī)械技術(shù)是運(yùn)動(dòng)控制的技術(shù)基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)控制中，機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡單，功能更強(qiáng)，一些新機(jī)構(gòu)、新原理、新材料和新工藝被應(yīng)用，能夠滿足對(duì)各種應(yīng)用的需要，既提高精度和剛度，又改善性能，例如，體積縮小，重量降低，性價(jià)比提高等7.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制關(guān)鍵技術(shù)傳感檢測技術(shù)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)需要對(duì)位置、速度、加速度等檢測，組成反饋回路，實(shí)現(xiàn)伺服控制系統(tǒng)對(duì)傳感檢測技術(shù)提出更高要求，例如，高精度檢測，快速檢測和苛刻環(huán)境條件檢測等7.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制關(guān)鍵技術(shù)計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)運(yùn)動(dòng)控制中涉及大量運(yùn)動(dòng)信息，因此，除了這些信息的檢測傳送外，還涉及計(jì)算機(jī)與信息處理的大量工作如信息的交互、運(yùn)算、判斷、決策等。與過程控制中采用集散控制系統(tǒng)不同，它對(duì)信息處理時(shí)間要求更高，對(duì)信息實(shí)時(shí)性和交互要求更高7.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制關(guān)鍵技術(shù)自動(dòng)控制技術(shù)在過程控制中，控制理論是基礎(chǔ)。同樣，在運(yùn)動(dòng)控制中，控制理論也是基礎(chǔ)由于被控對(duì)象不同，并且大量伺服系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)是非線性被控對(duì)象。因此，高精度位置控制、軌跡控制、同步控制等都需要控制理論用于指導(dǎo)7.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制關(guān)鍵技術(shù)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)是在控制器輸出指令下，控制驅(qū)動(dòng)元件使其按照指令要求運(yùn)動(dòng)，因此，需要滿足運(yùn)動(dòng)過程動(dòng)態(tài)響應(yīng)等性能指標(biāo)由于不同的伺服驅(qū)動(dòng)方式有不同的動(dòng)態(tài)性能，因此，對(duì)DC伺服、AC伺服、步進(jìn)等電動(dòng)機(jī)和變頻技術(shù)等有更高要求。而伺服技術(shù)則從DC伺服轉(zhuǎn)向AC伺服。全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)等已經(jīng)顯現(xiàn)其優(yōu)勢7.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)總體技術(shù)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是對(duì)整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制，因此，既要將運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)分解為各自自治又相互交互的單元，又要在總體性能要求下兼顧各個(gè)個(gè)體性能。只有這樣，才能使設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具有良好的性價(jià)比，滿足應(yīng)用要求7.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)組成一般由控制器、功率放大器與變換裝置（通常是驅(qū)動(dòng)器）、電動(dòng)機(jī)、負(fù)載，及相關(guān)的傳感器等組成7.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)組成一般由控制器、功率放大器與變換裝置（通常是驅(qū)動(dòng)器）、電動(dòng)機(jī)、負(fù)載，及相關(guān)的傳感器等組成三大部分：電機(jī)部分，功率變換部分，控制器電機(jī)部分：直流電機(jī)、交流電機(jī)功率變換部分：可控整流、直流斬波、逆變等控制器部分：PID控制（單環(huán)，多環(huán)）、工程設(shè)計(jì)、自適應(yīng)控制、模糊控制、智能控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等7.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)組成一般由控制器、功率放大器與變換裝置（通常是驅(qū)動(dòng)器）、電動(dòng)機(jī)、負(fù)載，及相關(guān)的傳感器等組成控制器下達(dá)指令，通過驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)化為能夠運(yùn)行電機(jī)的電流，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)工作機(jī)械運(yùn)行。同時(shí)，電機(jī)上的傳感器經(jīng)過信號(hào)處理將電機(jī)的實(shí)時(shí)信息反饋給控制器，控制器實(shí)時(shí)調(diào)整，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)7.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)組成系統(tǒng)中控制方案采用PLC進(jìn)行控制，目前市場上的大部分PLC都是支持運(yùn)動(dòng)控制的，大部分PLC可以擴(kuò)展到32軸，根據(jù)驅(qū)動(dòng)器類型可以采用脈沖控制、總線控制或模擬量控制采用運(yùn)動(dòng)控制卡控制，運(yùn)動(dòng)控制卡是專門進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制的一種控制器，可以進(jìn)行多達(dá)256軸的控制，運(yùn)動(dòng)控制卡需要PC編程采用運(yùn)動(dòng)控制器控制，與運(yùn)動(dòng)控制卡不同之處在于，可以脫離PC電腦的束縛，編寫完程序下載到控制器里，即可直接對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制7.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)組成系統(tǒng)中控制方案PLC的專長在于邏輯IO控制，實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的邏輯控制都很容易。對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制，一般低端的PLC主要是通過高速輸出點(diǎn)來進(jìn)行脈沖控制，中高端PLC一般會(huì)通過總線的方式來進(jìn)行控制，常用的總線包括Profinet、EtherCAT、CC-Link等PLC具有工作可靠，編程簡單等優(yōu)點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)控制功能相對(duì)簡單PLC的應(yīng)用過程中主要通過PLC+HMI，目前基于PLC的上位機(jī)應(yīng)用也越來越廣泛7.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)組成系統(tǒng)中控制方案運(yùn)動(dòng)控制卡通過PCI插槽將控制卡插在PC的主機(jī)上，也可通過以太網(wǎng)連接到PC主機(jī)上利用高級(jí)編程語言C++、C#、VB、VB.NET、labview等編程語言進(jìn)行開發(fā)；編程中使用運(yùn)動(dòng)控制卡廠商提供的控制卡API接口函數(shù)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)控制卡資源的使用運(yùn)動(dòng)控制卡可利用PC強(qiáng)大的功能，如CAD功能、機(jī)器視覺功能、軟件高級(jí)編程等；利用FPGA+DSP/ARM+DSP芯片的功能實(shí)現(xiàn)高精度的運(yùn)動(dòng)控制（多軸直線、圓弧插補(bǔ)等，運(yùn)動(dòng)跟隨，PWM控制等）7.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)組成系統(tǒng)中控制方案運(yùn)動(dòng)控制器和運(yùn)動(dòng)控制卡的算法幾乎一樣，它們之間的主要區(qū)別在于運(yùn)動(dòng)控制卡需要依賴于PC編程，而運(yùn)動(dòng)控制器可以直接寫程序并下載，這樣就可以脫機(jī)運(yùn)行PLC相對(duì)來說更偏向于邏輯控制，而弱化運(yùn)動(dòng)控制，而運(yùn)動(dòng)控制卡、運(yùn)動(dòng)控制器更偏向于運(yùn)動(dòng)控制，而弱化邏輯控制，同時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制卡和運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)開發(fā)人員的門檻也要相對(duì)高一些7.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)組成系統(tǒng)中控制方案7.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)PLC7.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)EtherNET運(yùn)動(dòng)控制卡7.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)EtherCAT總線運(yùn)動(dòng)控制卡7.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制器7.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制算法指如何控制一個(gè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的算法，控制算法通常內(nèi)置在運(yùn)動(dòng)控制硬件中，實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候，通過發(fā)送命令給控制硬件完成多個(gè)電機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)通常的運(yùn)動(dòng)控制算法有加減速控制、插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)、軌跡前瞻等插補(bǔ)最常見的兩種方式是直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)，插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)至少需要兩個(gè)軸參與，進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)時(shí)，將規(guī)劃軸映射到相應(yīng)的機(jī)臺(tái)坐標(biāo)系中，運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)坐標(biāo)映射關(guān)系，控制各軸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)要求的運(yùn)動(dòng)軌跡。插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)指令會(huì)存入運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)，再依次從運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)中取出指令執(zhí)行，直到插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)全部執(zhí)行完7.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)直線插補(bǔ)直線插補(bǔ)方式中，兩點(diǎn)間的插補(bǔ)沿著直線的點(diǎn)群來逼近假設(shè)軸需要在在XY平面上從點(diǎn)(X0,Y0)運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)(X1,Y1)，其直線插補(bǔ)的加工過程如圖所示7.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)圓弧插補(bǔ)與直線插補(bǔ)類似，給出兩端點(diǎn)間的插補(bǔ)數(shù)字信息，以一定的算法計(jì)算出逼近實(shí)際圓弧的點(diǎn)群，控制軸沿這些點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，加工出圓弧曲線可以是平面圓弧(至少兩個(gè)軸)，還可以是空間圓弧(至少三個(gè)軸)假設(shè)軸需要在XY平面第一象限走一段逆圓弧，圓心為起點(diǎn)控制器的空間圓弧插補(bǔ)功能是根據(jù)當(dāng)前點(diǎn)和圓弧指令參數(shù)設(shè)置的終點(diǎn)和中間點(diǎn)(或圓心)，由三個(gè)點(diǎn)確定圓弧，并實(shí)現(xiàn)空間圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，坐標(biāo)為三維坐標(biāo)，至少需要三個(gè)軸分別沿X軸、Y軸和Z軸運(yùn)動(dòng)7.2運(yùn)動(dòng)控制器高性能工業(yè)機(jī)器人作為核心裝備，一直被國外品牌壟斷，而運(yùn)動(dòng)控制器的自主可控一直是國產(chǎn)機(jī)器人領(lǐng)域的一大痛點(diǎn)作為工業(yè)機(jī)器人的核心技術(shù)之一，運(yùn)動(dòng)控制器在機(jī)器人執(zhí)行過程中起到控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵作用，被稱為制造裝備的“心臟”和“大腦”，是“智能制造”的基礎(chǔ)，也是連接“智能”與“制造”的橋梁作為我國亟待攻克的35項(xiàng)核心技術(shù)之一，工信部將控制器列為我國需要著力補(bǔ)齊的關(guān)鍵技術(shù)短板之一，納入《工業(yè)強(qiáng)基工程實(shí)施指南（2016-2020）》“一條龍”應(yīng)用計(jì)劃機(jī)械工程專家譚健榮院士也表示：機(jī)器人引領(lǐng)智能制造，核心控制器是機(jī)器人的核心技術(shù)之一，是中國最需要突破的領(lǐng)域7.2運(yùn)動(dòng)控制器運(yùn)動(dòng)控制器從廣義上來說就是數(shù)控裝置，是一個(gè)典型現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心組成部分。數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢就是采用運(yùn)動(dòng)控制器的開放式數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制器為運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)提供一個(gè)平臺(tái)基礎(chǔ)，在這個(gè)平臺(tái)上可以方便地對(duì)單個(gè)或多個(gè)電機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)控制器由硬件和軟件兩部分集成硬件即工業(yè)控制板卡，包括主控單元、信號(hào)處理等部分軟件是控制算法目前國內(nèi)的運(yùn)動(dòng)控制器生產(chǎn)商提供的產(chǎn)品大致可以分為三類以單片機(jī)或微機(jī)處理器作為核心控制器大多由MCS-51系列或MCS-96系列為代表的單片機(jī)作為核心控制單元，加上位置檢測、信號(hào)處理、AD/DA轉(zhuǎn)換等外圍電路以及相應(yīng)的軟件控制算法所構(gòu)成，一般只具有點(diǎn)位和簡單的連續(xù)軌跡控制功能這類運(yùn)動(dòng)控制器速度較慢，精度不高，成本相對(duì)較低在只需要低速點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制和軌跡要求不高的輪廓運(yùn)動(dòng)控制場合應(yīng)用7.2.1運(yùn)動(dòng)控制器的分類目前國內(nèi)的運(yùn)動(dòng)控制器生產(chǎn)商提供的產(chǎn)品大致可以分為三類以專用芯片作為核心處理器將實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制所需的一些特有功能（如加減速控制、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、PID算法、編碼器信號(hào)處理等）固化在一塊集成電路芯片內(nèi)，并以該芯片作為控制核心，提供一些運(yùn)動(dòng)控制專用指令和硬件接口結(jié)構(gòu)比較簡單，但只能輸出脈沖信號(hào)，工作于開環(huán)控制方式這類控制器對(duì)單軸的點(diǎn)位控制場合是基本滿足要求的，但對(duì)于要求多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)和高速軌跡插補(bǔ)控制的設(shè)備，這類運(yùn)動(dòng)器不能滿足要求。由于這類控制器不能提供連續(xù)插補(bǔ)功能，也沒有前瞻功能，特別是對(duì)于大量的小線段連續(xù)運(yùn)動(dòng)的場合，不能使用這類控制器7.2.1運(yùn)動(dòng)控制器的分類目前國內(nèi)的運(yùn)動(dòng)控制器生產(chǎn)商提供的產(chǎn)品大致可以分為三類基于PC總線的以DSP和FPGA作為核心處理器以數(shù)字信號(hào)處理器DSP（DigitalSignalProcessor）芯片為控制核心，采用FPGA芯片以硬件可編程的形式實(shí)現(xiàn)編碼器反饋、插補(bǔ)以及其它邏輯控制功能依托DSP芯片強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算能力以及FPGA超強(qiáng)的邏輯處理能力，可以提供多軸協(xié)調(diào)控制、復(fù)雜軌跡規(guī)劃、實(shí)時(shí)插補(bǔ)運(yùn)算、伺服閉環(huán)控制算法、誤差補(bǔ)償和PLC控制等功能采用FPGA技術(shù)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，提高了產(chǎn)品靈活性、集成度和可靠性，方便運(yùn)動(dòng)控制器供應(yīng)商根據(jù)客戶的技術(shù)和工藝要求定制個(gè)性化產(chǎn)品，同時(shí)還具有很好的加密性7.2.1運(yùn)動(dòng)控制器的分類目前國內(nèi)的運(yùn)動(dòng)控制器生產(chǎn)商提供的產(chǎn)品大致可以分為三類基于PC總線的以DSP和FPGA作為核心處理器以PC機(jī)作為信息處理平臺(tái)，通過總線（如PCI、USB、工業(yè)以太網(wǎng)等）相接，運(yùn)動(dòng)控制器以插卡形式嵌入PC機(jī)，即“PC+運(yùn)動(dòng)控制器”的模式將PC機(jī)的信息處理能力和開放式的特點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)動(dòng)軌跡控制能力有機(jī)結(jié)合在一起，具有信息處理能力強(qiáng)、開放程度高、運(yùn)動(dòng)軌跡控制準(zhǔn)確、通用性好的特點(diǎn)7.2.1運(yùn)動(dòng)控制器的分類7.2.2運(yùn)動(dòng)控制器主要功能運(yùn)動(dòng)規(guī)劃功能形成運(yùn)動(dòng)的速度和位置的基準(zhǔn)量。通用運(yùn)動(dòng)控制器通常都提供基于對(duì)沖擊、加速度和速度等這些可影響動(dòng)態(tài)軌跡精度的量值加以限制的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，用戶可以直接調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)

對(duì)于加速度進(jìn)行限制的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃產(chǎn)生梯形速度曲線；對(duì)于沖擊進(jìn)行限制的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃產(chǎn)生S形速度曲線一般來說，對(duì)于數(shù)控機(jī)床而言，采用加速度和速度基準(zhǔn)量限制的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，就已獲得一種優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性對(duì)于高加速度、小行程運(yùn)動(dòng)的快速定位系統(tǒng)，其定位時(shí)間和超調(diào)量都有嚴(yán)格的要求，往往需要高階導(dǎo)數(shù)連續(xù)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法7.2.2運(yùn)動(dòng)控制器主要功能多軸插補(bǔ)、連續(xù)插補(bǔ)功能通用運(yùn)動(dòng)控制器提供的多軸插補(bǔ)功能在數(shù)控機(jī)械行業(yè)獲得廣泛的應(yīng)用。近年來，由于雕刻市場，特別是模具雕刻機(jī)市場的快速發(fā)展，推動(dòng)了運(yùn)動(dòng)控制器的連續(xù)插補(bǔ)功能的發(fā)展。在模具雕刻中存在大量的短小線段加工，要求段間加工速度波動(dòng)盡可能小，速度變化的拐點(diǎn)要平滑過渡，這樣要求運(yùn)動(dòng)控制器有速度前瞻和連續(xù)插補(bǔ)的功能7.2.2運(yùn)動(dòng)控制器主要功能電子齒輪與電子凸輪功能電子齒輪和電子凸輪可大大地簡化機(jī)械設(shè)計(jì)，而且可以實(shí)現(xiàn)許多機(jī)械齒輪與凸輪難以實(shí)現(xiàn)的功能。電子齒輪可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)運(yùn)動(dòng)軸按設(shè)定的齒輪比同步運(yùn)動(dòng)，這使得運(yùn)動(dòng)控制器在定長剪切和無軸轉(zhuǎn)動(dòng)的套色印刷方面有很好地應(yīng)用電子齒輪功能還可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸以設(shè)定的齒輪比跟隨一個(gè)函數(shù)，而這個(gè)函數(shù)由其他的幾個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)決定；一個(gè)軸也可以以設(shè)定的比例跟隨其他兩個(gè)軸的合成速度電子凸輪功能可以通過編程改變凸輪形狀，無需修磨機(jī)械凸輪，極大簡化了加工工藝。這個(gè)功能使運(yùn)動(dòng)控制器在機(jī)械凸輪的淬火加工、異型玻璃切割和全電機(jī)驅(qū)動(dòng)彈簧等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用7.2.2運(yùn)動(dòng)控制器主要功能比較輸出功能指在運(yùn)動(dòng)過程中，位置到達(dá)設(shè)定的坐標(biāo)點(diǎn)時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制器輸出一個(gè)或多個(gè)開關(guān)量，而運(yùn)動(dòng)過程不受影響如在AOI的飛行檢測中，運(yùn)動(dòng)控制器的比較輸出功能使系統(tǒng)運(yùn)行到設(shè)定的位置即啟動(dòng)CCD快速攝像，而運(yùn)動(dòng)不受影響，這極大地提高了效率，改善了圖像質(zhì)量7.2.2運(yùn)動(dòng)控制器主要功能探針信號(hào)鎖存功能可以鎖存探針信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)刻，各運(yùn)動(dòng)軸的位置，其精度只與硬件電路相關(guān)，不受軟件和系統(tǒng)運(yùn)行慣性的影響，在CCM測量行業(yè)有良好應(yīng)用越來越多的OEM廠商希望他們自己豐富的行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)集成到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中去，針對(duì)不同應(yīng)用場合和控制對(duì)象，個(gè)性化設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制器的功能7.2.3運(yùn)動(dòng)控制器的控制形式運(yùn)動(dòng)控制器的控制形式點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制：即僅對(duì)終點(diǎn)位置有要求，與運(yùn)動(dòng)的中間過程即運(yùn)動(dòng)軌跡無關(guān)。相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制器要求具有快速的定位速度，在運(yùn)動(dòng)的加速段和減速段，采用不同的加減速控制策略在加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了使系統(tǒng)能夠快速加速到設(shè)定速度，往往提高系統(tǒng)增益和加大加速度在減速的末段采用s曲線減速的控制策略為了防止系統(tǒng)到位后震動(dòng)，規(guī)劃到位后，又會(huì)適當(dāng)減小系統(tǒng)的增益點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制器往往具有在線可變控制參數(shù)和可變加減速曲線的能力運(yùn)動(dòng)控制器的控制形式連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)控制：該控制又稱為輪廓控制，主要應(yīng)用在傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)、切割系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)輪廓控制。相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制器要解決的題目是如何使系統(tǒng)在高速運(yùn)動(dòng)的情況下，既要保證系統(tǒng)加工的輪廓精度，還要保證刀具沿輪廓運(yùn)動(dòng)時(shí)的切向速度的恒定同步運(yùn)動(dòng)控制：是指多個(gè)軸之間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制，可以是多個(gè)軸在運(yùn)動(dòng)全程中進(jìn)行同步，也可以是在運(yùn)動(dòng)過程中的局部有速度同步，主要應(yīng)用在需要有電子齒輪箱和電子凸輪功能的系統(tǒng)控制中。產(chǎn)業(yè)上有印染、印刷、造紙、軋鋼、同步剪切等行業(yè)。相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制器的控制算法常采用自適應(yīng)前饋控制，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)控制量的幅值和相位，來保證在輸進(jìn)端加一個(gè)與干擾幅值相等、相位相反的控制作用，以抑制周期干擾，保證系統(tǒng)的同步控制7.2.3運(yùn)動(dòng)控制器的控制形式7.2.4基于DSP+FPGA的分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制器背景目前市場上的運(yùn)動(dòng)控制器種類繁多，但是結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，并且擁有大量的硬件部分，沒有能夠充分利用計(jì)算機(jī)資源，僅功能簡單的運(yùn)動(dòng)控制器便達(dá)到上千的價(jià)格大多數(shù)運(yùn)動(dòng)控制器采用固化設(shè)計(jì)，不能進(jìn)行及時(shí)更新，適用性低。并且很多運(yùn)動(dòng)控制器采用的是集中控制模式，只能工作于固定操作系統(tǒng)上，不能做到裸機(jī)運(yùn)行，使得運(yùn)動(dòng)控制器應(yīng)用性和適應(yīng)性降低研究實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊，能夠進(jìn)行快速更新，能夠裸機(jī)運(yùn)行的分布式運(yùn)動(dòng)控制器很有必要分布式運(yùn)動(dòng)控制器后續(xù)還能通過EtherCAT主從站設(shè)計(jì)將目前的三軸協(xié)同運(yùn)動(dòng)擴(kuò)展為n軸協(xié)同運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步提升其工作性能設(shè)計(jì)需求能夠?qū)崿F(xiàn)多軸運(yùn)動(dòng)，具有良好的分布式性能能夠解釋上位機(jī)發(fā)出的運(yùn)動(dòng)控制命令根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制命令實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)和螺旋插補(bǔ)插補(bǔ)前對(duì)運(yùn)動(dòng)軸的速度進(jìn)行規(guī)劃，并能夠獲得位置、速度的反饋信息，形成閉環(huán)控制能夠監(jiān)測運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)行狀態(tài)7.2.4基于DSP+FPGA的分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制器分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制器總體方案設(shè)計(jì)選用DSP+FPGA作為多軸運(yùn)動(dòng)控制器的處理器，這樣既可以利用DSP的高速數(shù)據(jù)運(yùn)算處理能力，也可以利用FPGA實(shí)現(xiàn)很好的擴(kuò)展工控機(jī)通過總線方式連接運(yùn)動(dòng)控制器，使得可以同時(shí)控制多個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器，實(shí)現(xiàn)分布式功能。運(yùn)動(dòng)控制器接受工控機(jī)發(fā)出的運(yùn)動(dòng)控制命令，并且按照命令生成脈沖。運(yùn)動(dòng)軸在運(yùn)動(dòng)過程中，運(yùn)動(dòng)控制器要監(jiān)測其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使得能夠?qū)﹀e(cuò)誤進(jìn)行及時(shí)處理7.2.4基于DSP+FPGA的分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制器分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制器總體方案設(shè)計(jì)根據(jù)功能需求，分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制器分硬件電路模塊和軟件功能模塊硬件電路模塊包括DSP電路模塊，F(xiàn)PGA電路設(shè)計(jì)DSP具有快速實(shí)時(shí)計(jì)算的特點(diǎn)，所以DSP負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理任務(wù)FPGA能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯連接，可以用于控制驅(qū)動(dòng)裝置，控制軸的運(yùn)動(dòng)，主要負(fù)責(zé)脈沖生成，在生成脈沖的同時(shí)，對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行反饋，形成位置信息和速度信息反饋FPGA還負(fù)責(zé)檢測運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)行狀態(tài)，并且對(duì)監(jiān)測到的狀態(tài)及時(shí)反饋7.2.4基于DSP+FPGA的分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制器分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制器總體方案設(shè)計(jì)根據(jù)功能需求，分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制器分硬件電路模塊和軟件功能模塊軟件模塊分為兩部分，通信程序和軌跡實(shí)現(xiàn)程序跡實(shí)現(xiàn)程序中的G代碼解釋模塊需要解釋運(yùn)動(dòng)控制命令，獲得運(yùn)動(dòng)學(xué)信息軌跡規(guī)劃負(fù)責(zé)軌跡坐標(biāo)計(jì)算、速度規(guī)劃計(jì)算插補(bǔ)周期內(nèi)的加速度和速度。要完成以上三個(gè)功能，需要大量的計(jì)算7.2.4基于DSP+FPGA的分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制器分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制器總體方案設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制器硬件電路架構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制器的硬件電路主要是DSP核心電路和FPGA輔助電路設(shè)計(jì)對(duì)于數(shù)據(jù)讀取，可以通過共用寄存器的方式實(shí)現(xiàn)。通過該種方式，F(xiàn)PGA就能從DSP讀取數(shù)據(jù)，同時(shí)DSP也能獲得FPGA中的反饋信息分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制器硬件電路架構(gòu)圖7.2.4基于DSP+FPGA的分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制器分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制器總體方案設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制器器件型號(hào)選擇為實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，需要將各個(gè)軸的位置信息和速度信息進(jìn)行反饋，因此每個(gè)軸總共需要4個(gè)寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。如果選用的寄存器為16位寄存器，三個(gè)軸則需要12個(gè)16位寄存器。另外還需要2個(gè)16位寄存器作為命令寄存器，存儲(chǔ)各軸的運(yùn)動(dòng)方向、加減速方向和實(shí)現(xiàn)置位，并且狀態(tài)寄存器和命令寄存器公用同樣的寄存器，所以運(yùn)動(dòng)控制器總共需要14個(gè)16位寄存器。為了能很好地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制器的擴(kuò)展，還應(yīng)該預(yù)留更多的寄存器以滿足要求，所以選擇的DSP應(yīng)該至少具有16個(gè)16位寄存器7.2.4基于DSP+FPGA的分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制器分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制器總體方案設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制器器件型號(hào)選擇選用ADI公司的BF518作為運(yùn)動(dòng)控制器的DSP，含兩個(gè)16位乘法器，2個(gè)40位累加器目前市面上的FPGA多為Altera公司和Xilinx公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，這兩家公司根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)了各樣的FPGA，運(yùn)動(dòng)控制器中的FPGA主要進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理和簡單邏輯設(shè)計(jì)，并不需要進(jìn)行高速數(shù)字信號(hào)采集，也不需要進(jìn)行通信系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)，所以選擇Altera公司的CycloneIII7.2.4基于DSP+FPGA的分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制器分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制器總體方案設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制器軟件功能設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制器軟件部分包括通信程序和軌跡實(shí)現(xiàn)程序工控機(jī)可以通過通信程序連接多個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器，使得工控機(jī)可以通過總線控制多個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器，實(shí)現(xiàn)分布式功能軌跡生成程序負(fù)責(zé)軌跡生成，并將生成的軌跡分別分配給單個(gè)軸，通過多軸的協(xié)同運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)軌跡合成，這樣可以實(shí)現(xiàn)軌跡生成7.2.4基于DSP+FPGA的分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制器分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制器總體方案設(shè)計(jì)分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制器硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)包括DSP核心電路，F(xiàn)PGA輔助電路設(shè)計(jì)兩個(gè)部分DSP負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的運(yùn)算，F(xiàn)PAG需要將運(yùn)算出來的位置信息和速度信息轉(zhuǎn)變成脈沖信號(hào)，所以DSP要能完成對(duì)FPGA的讀寫操作分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制器硬件電路功能圖7.2.4基于DSP+FPGA的分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制器分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制器總體方案設(shè)計(jì)分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制器軌跡實(shí)現(xiàn)模塊設(shè)計(jì)軌跡實(shí)現(xiàn)程序主要包括G代碼解釋模塊，負(fù)責(zé)解釋上位機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制命令，并將解釋好的軌跡段添加到軌跡隊(duì)列中加減速算法根據(jù)軌跡類型和起點(diǎn)、終點(diǎn)信息計(jì)算出每個(gè)插補(bǔ)周期需要的加速度、速度軌跡規(guī)劃算法將預(yù)設(shè)的軌跡離散成軌跡點(diǎn)，然后利用速度規(guī)劃計(jì)算出來的速度計(jì)算軌跡點(diǎn)的坐標(biāo)速度前瞻實(shí)現(xiàn)銜接速度的計(jì)算，減少電機(jī)的啟動(dòng)頻率，可以減小對(duì)電機(jī)造成的沖擊，提高控制精度7.2.4基于DSP+FPGA的分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制器分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制器總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)測試與分析測試平臺(tái)包括PC機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、3個(gè)雷賽公司的M542C驅(qū)動(dòng)器、3個(gè)57HS22步進(jìn)電機(jī)7.2.4基于DSP+FPGA的分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制器運(yùn)動(dòng)控制卡主要功能是根據(jù)工程需求及系統(tǒng)工作中所接收的系統(tǒng)信號(hào)，為完成預(yù)期任務(wù)進(jìn)行的數(shù)字預(yù)算和邏輯運(yùn)算，最終提供控制信號(hào)為電機(jī)的控制與其它執(zhí)行裝置的控制提供參考的裝置目前，市場上比較常見的運(yùn)動(dòng)控制卡包括美國DeltaTau公司生產(chǎn)的PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡，美國Gailio公司生產(chǎn)的Gailio運(yùn)動(dòng)控制卡，英國翠歐公司生產(chǎn)的Trio運(yùn)動(dòng)控制卡國內(nèi)，1999年成立的深圳固高公司為國內(nèi)首家通用運(yùn)動(dòng)控制器廠家，其它代表公司有深圳眾為興、成都步進(jìn)機(jī)電等7.3PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡基于運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)圖7.3PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡7.3PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡programmablemulti－axescontroller美國DeltaTau公司九十年代推出的開放式多軸運(yùn)動(dòng)控制器，提供運(yùn)動(dòng)控制、離散控制、內(nèi)務(wù)處理、同主機(jī)的交互等數(shù)控的基本功能采用Motorola56系列高性能DSP處理器來完成各軸運(yùn)動(dòng)控制中所有計(jì)算伺服控制包括PID加Notch和速度、加速度前饋控制，其伺服周期單軸可達(dá)60μs，二軸聯(lián)動(dòng)為110μs產(chǎn)品的種類可從二軸聯(lián)動(dòng)到三十二軸聯(lián)動(dòng)允許同一控制軟件在三種不同總線（PC－XT和AT，VME，STD）上運(yùn)行，由此提供了多平臺(tái)的支持特性。并且每軸可以分別配置成不同的伺服類型和多種反饋類型7.3PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡programmablemulti－axescontroller按控制電機(jī)的控制信號(hào)有1型卡和2型卡1型卡輸出±10V模擬量，主要用速度方式控制伺服電機(jī)2型卡輸出PWM數(shù)字量信號(hào)，可直接變?yōu)镻ULSE+DIR信號(hào)來控制步進(jìn)電機(jī)和位置控制方式的伺服電機(jī)7.3.1PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡分類按通訊總線形式ISA總線PCI總線PCI04總線網(wǎng)口VME總線7.3.1PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡分類按控制軸數(shù)2軸卡：MINIPMACPCI4軸卡：PMACPCILite，PMAC2PCILite，PMAC2A-PC/104及Clipper8軸卡：PMAC-PCI，PMAC2-PCI和PMAC2A-PC/104及Clipper32軸卡：TURBOPMAC和TURBOPMAC27.3.1PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡分類PMAC系列運(yùn)動(dòng)控制器基本功能可以提供離散控制功能可以提供內(nèi)務(wù)處理功能可以提供同主機(jī)交互的功能可以進(jìn)行資源管理，保證系統(tǒng)運(yùn)行正?？梢詾槎嘞螂姍C(jī)提供換相運(yùn)動(dòng)可以對(duì)每臺(tái)電機(jī)提供一個(gè)固定頻率的伺服更新服務(wù)可以提供運(yùn)動(dòng)控制功能7.3.2PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡特點(diǎn)有很大的柔性和靈活性可以連接從1到32個(gè)軸的直線或旋轉(zhuǎn)伺服、步進(jìn)或液壓馬達(dá)可擴(kuò)展多路模擬和數(shù)字I/O接口，連接不同類型的編碼器反饋控制指令可以提供PFM（脈沖&方向）直接輸出、模擬(+/-10V)和數(shù)字（直接PWM）三種形式輸出采用多種總線形式實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的通訊連接，如ISA、PCI、USB、RS232/422、VME、以太網(wǎng)等，還可以連接DeviceNet、MACRO等現(xiàn)場總線構(gòu)成的高速環(huán)網(wǎng)，直接進(jìn)行生產(chǎn)線的聯(lián)動(dòng)控制7.3.2PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡特點(diǎn)采用直觀的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)編程語言使用簡單的命令語句，如WHILE、IF和ELSE等移動(dòng)命令可以用簡單的軸字母（如X、Y、Z等）編輯，移動(dòng)距離可以使用英寸、角度、毫米或其它單位定義PMAC提供PLC邏輯控制功能用戶可以根據(jù)控制需要，編寫相應(yīng)的PLC控制程序，既可以獨(dú)立運(yùn)行，也可和運(yùn)動(dòng)控制程序同時(shí)運(yùn)行，簡化了與運(yùn)動(dòng)程序同步的I/O執(zhí)行過程7.3.2PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡特點(diǎn)PMAC控制卡變量（I、P、Q、M四大類變量）I變量為初始化變量，用于設(shè)定運(yùn)動(dòng)控制卡的性能。每個(gè)I變量能對(duì)指定編號(hào)電機(jī)完成初始化設(shè)定，從I0至I1023共有1024個(gè)，基本為整形變量且在存儲(chǔ)器中的位置固定P、Q變量通用變量，主要在運(yùn)算中進(jìn)行賦值操作，同時(shí)傳送信息。Q變量可以在不同的坐標(biāo)系統(tǒng)中進(jìn)行使用，P變量則可以存在于整個(gè)控制系統(tǒng)。各自都有1024個(gè)，均為48位浮點(diǎn)變量，使用前不需設(shè)定M變量可訪問運(yùn)動(dòng)控制卡的內(nèi)存和I/O點(diǎn)地址，只需在線定義一次即可，通過讀寫操作，完成I/O口和電機(jī)當(dāng)前、理論位置等操作。定義好后，能實(shí)現(xiàn)計(jì)算和判別觸發(fā)，有1024個(gè)7.3.2PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡特點(diǎn)7.3.3基于PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)PMAC構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

任務(wù)處理流程：在運(yùn)行中自動(dòng)對(duì)任務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行判別，優(yōu)先執(zhí)行高優(yōu)先級(jí)別的任務(wù)，同時(shí)低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)也能得到合理、快速地執(zhí)行同上位機(jī)通訊從串行端口或主機(jī)總線端口輸入或輸出單字符享有最高的優(yōu)先級(jí)，即PMAC會(huì)優(yōu)先響應(yīng)主機(jī)發(fā)來的命令換向更新對(duì)多相電機(jī)，PMAC自動(dòng)以固定的頻率（默認(rèn)為9KHz左右）進(jìn)行換向更新。換向更新為電流環(huán)控制，在一個(gè)相位周期內(nèi)對(duì)需要換相的電機(jī)進(jìn)行換相計(jì)算7.3.3基于PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)任務(wù)處理流程：在運(yùn)行中自動(dòng)對(duì)任務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行判別，優(yōu)先執(zhí)行高優(yōu)先級(jí)別的任務(wù)，同時(shí)低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)也能得到合理、快速地執(zhí)行伺服更新運(yùn)行過程中，以固定的頻率（默認(rèn)為2KHz左右）進(jìn)行伺服更新，稱之為伺服周期伺服環(huán)更新的頻率越快，則運(yùn)動(dòng)控制性能越高，但同時(shí)也意味著運(yùn)動(dòng)控制器的CPU要有更快的運(yùn)算速度7.3.3基于PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)任務(wù)處理流程：在運(yùn)行中自動(dòng)對(duì)任務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行判別，優(yōu)先執(zhí)行高優(yōu)先級(jí)別的任務(wù)，同時(shí)低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)也能得到合理、快速地執(zhí)行實(shí)時(shí)中斷當(dāng)實(shí)時(shí)中斷產(chǎn)生后，可以在伺服環(huán)更新之后立即得到應(yīng)答。實(shí)時(shí)中斷周期由變量I8控制，每I8+1個(gè)伺服中斷周期產(chǎn)生一次實(shí)時(shí)中斷在響應(yīng)實(shí)時(shí)中斷時(shí)，PMAC處理以下兩項(xiàng)任務(wù)，一是執(zhí)行PLC0和PLCC0PLC程序，二是進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃7.3.3基于PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)任務(wù)處理流程：在運(yùn)行中自動(dòng)對(duì)任務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行判別，優(yōu)先執(zhí)行高優(yōu)先級(jí)別的任務(wù)，同時(shí)低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)也能得到合理、快速地執(zhí)行后臺(tái)任務(wù)在完成以上應(yīng)答之后剩余的時(shí)間，PMAC將會(huì)運(yùn)行后臺(tái)任務(wù)這些任務(wù)從高優(yōu)先級(jí)到低優(yōu)先級(jí)依次是：跟隨誤差限制、硬件/軟件超限控制、伺服器故障、更新看門狗定時(shí)器、PLC1-31（一次執(zhí)行一個(gè)程序）、PLCC1-31（一次掃描所有程序）7.3.3基于PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)7.3.3基于PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)六自由度垂直串聯(lián)型實(shí)驗(yàn)機(jī)器人主要參數(shù)為結(jié)構(gòu)類型為串聯(lián)6模塊負(fù)載能力0.5kg重復(fù)定位精度為±0.8mm最大展開半徑為485mm7.3.3基于PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)六自由度垂直串聯(lián)型實(shí)驗(yàn)機(jī)器人模塊1采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，諧波減速器傳動(dòng)，末端作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊2采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，諧波減速器傳動(dòng)，末端作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊3采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，同步帶減速傳動(dòng)連接諧波減速器輸出，末端作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊4采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，蝸輪蝸桿傳動(dòng)輸出結(jié)構(gòu)，末端作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊5采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，直連行星齒輪減速器，同步帶傳動(dòng)，末端作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊6采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，錐齒輪減速傳動(dòng)，末端作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)7.3.3基于PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖7.3.3基于PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)TurboPMAC2-Eth-Lite控制器7.3.3基于PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)PMAC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖上位機(jī)與PMAC控制卡的連接開機(jī)電源采用6A@5V(15W)的獨(dú)立電源，這樣可使A和D兩模塊之間形成光電隔離，互不干擾后臺(tái)任務(wù)使用交叉網(wǎng)線通過J14（以太網(wǎng)通訊）接口與PC機(jī)連接，若PC機(jī)帶有串口接口，也可采用串行接口(JRS232)進(jìn)行連接，Clipper串口(IDC-10)連接PC串口(DB9公頭)接線7.3.3基于PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)PMAC控制卡與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的連接DTC-8B四通道轉(zhuǎn)接接口板通過兩根扁平電纜（標(biāo)準(zhǔn)34線和50線）分別接到Clipper的J3（JMACH1）及J4(JMACH2)JMACH1包含4個(gè)通道設(shè)備I/O：放大器錯(cuò)誤（FAULTn）、使能信號(hào)(AENAn/DIRn)、模擬量輸出、增量式編碼器輸入以及供電接口JMACH2含4個(gè)通道設(shè)備I/O：限位輸入標(biāo)志（PLIMn、MLIMn）、回零標(biāo)志（HOMEn）、脈沖&方向（PUL&DIR）輸出信號(hào)和用戶輸入（USERn）7.3.3基于PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)編碼器與JMACH1的連接PMAC控制卡與電機(jī)信號(hào)的連接PMAC在控制電機(jī)方面主要是通過輸出模擬量的方式來完成，這樣可以省去電機(jī)換相的步驟，僅由輸出的模擬量指令就能完成如果1通道使用單端指令，需將DAC1+（第29腳）接到驅(qū)動(dòng)器的指令輸入端口，將電機(jī)的指令信號(hào)返回線接到PMAC的GND（第48腳），在這樣的設(shè)置中，DAC1-保持懸空，不接地。如果1通道使用差分指令，須將DAC1+（第29腳）接到驅(qū)動(dòng)器指令輸入的正端，將DAC1-（第31腳）接到指令輸入的負(fù)端，PMAC的GND仍然接到驅(qū)動(dòng)器的公共端7.3.3基于PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)PMAC控制卡與電機(jī)信號(hào)的連接脈沖&方向（步進(jìn)）驅(qū)動(dòng)：Clipper或Acc-1P電路板可輸出脈沖&方向信號(hào)，可以控制步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器或混合式驅(qū)動(dòng)器，脈沖信號(hào)為TTL電平放大器使能信號(hào)：大多數(shù)驅(qū)動(dòng)器具有使能/禁用信號(hào)輸入接口，允許控制器在需要時(shí)完全禁止驅(qū)動(dòng)器輸出，PMAC的AENA引腳便對(duì)應(yīng)此功能。AENA1位于第33腳，信號(hào)為OC門輸出，可使用3.3k?外部上拉電阻7.3.3基于PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)備連接示例：使用±10V模擬量放大器7.3.3基于PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)備連接示例：使用脈沖&方向驅(qū)動(dòng)器7.3.3基于PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)7.3.3基于PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)7.3.3基于PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)7.4驅(qū)控一體化技術(shù)作為機(jī)器人控制系統(tǒng)的兩大核心部件，運(yùn)動(dòng)控制器與伺服驅(qū)動(dòng)器往往分開而置，且在多軸伺服架構(gòu)中，每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)也是分立的如圖所示的六軸機(jī)器人控制柜，采用了一臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制器和6臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器以及系統(tǒng)電源模塊、I/O控制模塊和通信模塊等進(jìn)行組裝而成7.4驅(qū)控一體化技術(shù)近年來隨著運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品安裝空間、靈活部署、以及成本降低等方面的要求日益凸顯，集成化產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生其中又可分為兩種形式上位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制保持不變，把伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)做一體化集成，這樣電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的線纜就得到了極大的節(jié)約伺服電機(jī)保持不變，運(yùn)動(dòng)控制和伺服驅(qū)動(dòng)做一體化集成，即驅(qū)控一體化設(shè)計(jì)對(duì)于驅(qū)控一體化系統(tǒng)，需要完成的主要功能有：人機(jī)交互、機(jī)器人控制及伺服驅(qū)動(dòng)7.4驅(qū)控一體化技術(shù)驅(qū)控一體化機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中以PC工控機(jī)為上位機(jī)，完成運(yùn)動(dòng)控制、軌跡規(guī)劃及插補(bǔ)等功能，驅(qū)動(dòng)一體化控制器完成對(duì)多軸伺服的閉環(huán)控制及驅(qū)動(dòng)功能。PC與伺服控制單元之間通過總線接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互7.4驅(qū)控一體化技術(shù)以某驅(qū)控一體化的六軸機(jī)器人為例硬件總體結(jié)構(gòu)：PC工控板、控制器主控底板、功率電源低板、四塊雙軸驅(qū)動(dòng)板卡、輔助電源板卡、散熱風(fēng)扇板以及通用IO板卡7.4驅(qū)控一體化技術(shù)以某驅(qū)控一體化的六軸機(jī)器人為例硬件總體結(jié)構(gòu)：PC工控板、控制器主控底板、功率電源低板、四塊雙軸驅(qū)動(dòng)板卡、輔助電源板卡、散熱風(fēng)扇板以及通用IO板卡7.4驅(qū)控一體化技術(shù)系統(tǒng)控制邏輯總體架構(gòu)軟件設(shè)計(jì)主要包含三大模塊FPGA核心通過VerilogHDL代碼實(shí)現(xiàn)了多軸伺服的矢量控制邏輯STM32F407核心部分C程序主要實(shí)現(xiàn)EtherCAT從站應(yīng)用層數(shù)據(jù)處理以及和FPGA的并行數(shù)據(jù)交互PC端程序主要在TwinCAT軟件中完成，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的及運(yùn)動(dòng)控制以軌跡規(guī)劃7.4驅(qū)控一體化技術(shù)7.4驅(qū)控一體化技術(shù)1、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)2、運(yùn)動(dòng)控制器3、運(yùn)動(dòng)控制卡PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡4、驅(qū)控一體化技術(shù)小結(jié)機(jī)器人伺服控制第八章氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)與控制主要內(nèi)容contents8.1氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)與控制8.2機(jī)器人氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)與控制實(shí)例氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)與控制8.1氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)與控制氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以壓縮空氣為工作介質(zhì)進(jìn)行能量和信號(hào)傳遞的技術(shù)工作原理：利用空壓機(jī)把電動(dòng)機(jī)或其他原動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為空氣的壓力能，然后在控制元件的作用下，通過執(zhí)行元件把壓力能轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)械能，從而完成各種動(dòng)作，并對(duì)外做功由四部分組成的，分別為氣源裝置、氣動(dòng)控制元件、氣動(dòng)執(zhí)行元件和輔助元件8.1氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)與控制氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)氣動(dòng)執(zhí)行元件（氣缸）氣動(dòng)控制元件空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)控制器氣動(dòng)二聯(lián)件8.1.1氣源裝置氣源裝置是獲得壓縮空氣的裝置其主體部分是空氣壓縮機(jī)，它將原動(dòng)機(jī)供給的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的壓力能氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的氣源裝置是為氣動(dòng)系統(tǒng)提供滿足一定質(zhì)量要求的壓縮空氣，是氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分由空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣，必須經(jīng)過降溫、凈化、減壓、穩(wěn)壓等一系列處理后才能供給控制元件和執(zhí)行元件使用用過的壓縮空氣排向大氣，會(huì)產(chǎn)生噪聲，應(yīng)采取措施，降低噪聲，改善勞動(dòng)條件和環(huán)境質(zhì)量8.1.1氣源裝置壓縮空氣站的設(shè)備組成氣壓發(fā)生裝置-空氣壓縮機(jī)凈化、貯存壓縮空氣的裝置和設(shè)備管道系統(tǒng)氣動(dòng)三大件1-空壓機(jī)2-后冷卻器3-油水分離器4，7-儲(chǔ)氣罐5-干燥器6-過濾器壓縮空氣站設(shè)備組成及布置示意圖8.1.1氣源裝置空氣壓縮機(jī)按其壓力大小分為低壓（0.2～1.0MPa）中壓（1.0～10MPa）高壓（＞10MPa）超高壓（＞100MPa）按工作原理為容積式（通過縮小單位質(zhì)量氣體體積的方法獲得壓力）速度式（通過提高單位質(zhì)量氣體的速度并使動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能來獲得壓力）8.1.1氣源裝置壓縮空氣的凈化裝置和設(shè)備氣動(dòng)系統(tǒng)對(duì)壓縮空氣質(zhì)量的要求：壓縮空氣要具有一定壓力和足夠的流量，具有一定的凈化程度。不同的氣動(dòng)元件對(duì)雜質(zhì)顆粒的大小有具體的要求一般包括后冷卻器、油水分離器、貯氣罐、干燥器

后冷卻器：將空氣壓縮機(jī)排出具有140℃～170℃的壓縮空氣降至40℃～50℃，壓縮空氣中的油霧和水氣亦凝析出來。冷卻方式有水冷和氣冷式兩種。(a)蛇管式(b)列管式8.1.1氣源裝置壓縮空氣的凈化裝置和設(shè)備氣動(dòng)系統(tǒng)對(duì)壓縮空氣質(zhì)量的要求：壓縮空氣要具有一定壓力和足夠的流量，具有一定的凈化程度。不同的氣動(dòng)元件對(duì)雜質(zhì)顆粒的大小有具體的要求一般包括后冷卻器、油水分離器、貯氣罐、干燥器油水分離器：主要利用回轉(zhuǎn)離心、撞擊、水浴等方法使水滴、油滴及其他雜質(zhì)顆粒從壓縮空氣中分離出來撞擊折回并回轉(zhuǎn)式油水分離器8.1.1氣源裝置壓縮空氣的凈化裝置和設(shè)備氣動(dòng)系統(tǒng)對(duì)壓縮空氣質(zhì)量的要求：壓縮空氣要具有一定壓力和足夠的流量，具有一定的凈化程度。不同的氣動(dòng)元件對(duì)雜質(zhì)顆粒的大小有具體的要求一般包括后冷卻器、油水分離器、貯氣罐、干燥器貯氣罐：貯存一定數(shù)量的壓縮空氣，減少氣流脈動(dòng)，減弱氣流脈動(dòng)引起的管道振動(dòng)，進(jìn)一步分離壓縮空氣的水分和油分8.1.1氣源裝置壓縮空氣的凈化裝置和設(shè)備氣動(dòng)系統(tǒng)對(duì)壓縮空氣質(zhì)量的要求：壓縮空氣要具有一定壓力和足夠的流量，具有一定的凈化程度。不同的氣動(dòng)元件對(duì)雜質(zhì)顆粒的大小有具體的要求一般包括后冷卻器、油水分離器、貯氣罐、干燥器干燥器：進(jìn)一步除去壓縮空氣中含有的水分、油分、顆粒雜質(zhì)等，使壓縮空氣干燥，用于對(duì)氣源質(zhì)量要求較高的氣動(dòng)裝置、氣動(dòng)儀表等。主要采用吸附、離心、機(jī)械降水及冷凍等方法8.1.1氣源裝置空氣過濾減壓器又稱調(diào)壓閥，由空氣過濾器、減壓閥和油霧器組成，為氣動(dòng)三大件減壓閥是其中不可缺少的部分。它是將較高的進(jìn)口壓力調(diào)節(jié)并降低到要求的出口壓力，并能保證出口壓力穩(wěn)定，即起到減壓和穩(wěn)壓作用氣動(dòng)減壓閥按壓力調(diào)節(jié)方式，有直動(dòng)式減壓閥和先導(dǎo)式減壓閥，后者適用于較大通徑的場合，直動(dòng)式減壓閥用得最多8.1.1氣源裝置空氣過濾減壓器用于凈化來自空氣壓縮機(jī)的氣源，并能把壓力調(diào)整到所需的壓力值，具有自動(dòng)穩(wěn)壓的功能1-給定彈簧2-膜片3-球體閥瓣4-過濾件5-旋風(fēng)盤A、B-氣室空氣過濾減壓器結(jié)構(gòu)圖8.1.1氣源裝置氣動(dòng)輔助元件油霧器：一種特殊的注油裝置。以空氣為動(dòng)力，使?jié)櫥挽F化后注入空氣流中，并隨空氣進(jìn)入需要潤滑的部件，達(dá)到潤滑的目的油霧器的結(jié)構(gòu)8.1.1氣源裝置氣動(dòng)輔助元件消聲器：通過阻尼或增加排氣面積來降低排氣速度和功率，從而降低噪聲的三種類型：吸收型消聲器、膨脹干涉型消聲器和膨脹干涉吸收型消聲器吸收型消聲器結(jié)構(gòu)簡圖1-連接螺絲；2-消聲罩8.1.2氣動(dòng)控制元件用來控制壓縮空氣的壓力、流量和流動(dòng)方向的，以便使執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成預(yù)定的工作循環(huán)包括各種壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥等8.1.2氣動(dòng)控制元件壓力控制閥用來控制氣動(dòng)控制系統(tǒng)中壓縮空氣的壓力，以滿足各種壓力需求或節(jié)能，將壓力減到每臺(tái)裝置所需的壓力，并使壓力穩(wěn)定保持在所需的壓力值上氣動(dòng)壓力控制閥主要有安全閥、順序閥和減壓閥三種安全閥順序閥減壓閥8.1.2氣動(dòng)控制元件壓力控制閥安全閥：當(dāng)壓力超過允許壓力值時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)向外排氣，這種壓力控制閥叫做安全閥(溢流閥)順序閥：依靠氣路中壓力的作用而控制執(zhí)行元件桉順序動(dòng)作的壓力控制閥，根據(jù)彈簧的預(yù)壓縮量來控制其開啟壓力a)關(guān)閉b)開啟c)圖形符號(hào)順序閥工作原理圖8.1.2氣動(dòng)控制元件壓力控制閥順序閥很少單獨(dú)使用，往往與單向閥配合在一起，構(gòu)成單向順序閥a)關(guān)閉b)開啟c)圖形符號(hào)單向順序閥工作原理圖8.1.2氣動(dòng)控制元件壓力控制閥減壓閥1-手柄2、3-調(diào)節(jié)彈簧4-溢流口5-膜片6-閥桿7-阻尼管8-閥芯9-閥座10-復(fù)位彈簧11-排氣孔直動(dòng)式減壓閥結(jié)構(gòu)8.1.2氣動(dòng)控制元件壓力控制閥減壓閥8.1.2氣動(dòng)控制元件流量控制閥通過改變閥的流通截面積來實(shí)現(xiàn)流量控制，以達(dá)到控制氣缸運(yùn)動(dòng)速度或者控制換向閥的切換時(shí)間和氣動(dòng)信號(hào)的傳遞速度包括節(jié)流閥、單向節(jié)流閥和帶消聲器的排氣節(jié)流閥等節(jié)流閥單向節(jié)流閥帶消聲器的排氣節(jié)流閥8.1.2氣動(dòng)控制元件流量控制閥節(jié)流閥圓柱斜切型節(jié)流閥的工作原理圖壓縮空氣由P口進(jìn)入，經(jīng)過節(jié)流后，由A口流出。旋轉(zhuǎn)閥芯螺桿，就可改變節(jié)流口的開度，這樣就調(diào)節(jié)了壓縮空氣的流量8.1.2氣動(dòng)控制元件流量控制閥單向節(jié)流閥：由單向閥和節(jié)流閥并聯(lián)而成的組合式流量控制閥當(dāng)氣流沿著一個(gè)方向流動(dòng)時(shí)，經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流；反向流動(dòng)時(shí)，單向閥打開常用于氣缸的調(diào)速和延時(shí)回路8.1.2氣動(dòng)控制元件流量控制閥排氣節(jié)流閥裝在執(zhí)行元件的排氣口處，不僅能調(diào)節(jié)執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度，還常帶有消聲器件，所以也能起降低排氣噪聲的作用1-節(jié)流口2-消聲套排氣節(jié)流閥工作原理8.1.2氣動(dòng)控制元件方向控制閥通過改變壓縮空氣的流動(dòng)方向和氣流通斷，來控制執(zhí)行元件啟動(dòng)、停止及運(yùn)動(dòng)方向的氣動(dòng)元件根據(jù)方向控制閥的功能、控制方式、結(jié)構(gòu)方式、閥內(nèi)氣流的方向及密封形式等，主要包括氣壓控制換向閥電磁控制換向閥機(jī)械控制換向閥人力控制換向閥時(shí)間控制換向閥8.1.2氣動(dòng)控制元件方向控制閥通常用電磁控制換向閥，所以簡稱電磁閥電磁閥是氣動(dòng)控制中最主要的元件，它是利用電磁線圈通電時(shí)，靜鐵心對(duì)動(dòng)鐵心產(chǎn)生電磁吸引力使閥切換以改變氣流方向的閥，根據(jù)閥心復(fù)位控制方式，又可以分為單電控和雙電控兩種單電控雙電控8.1.2氣動(dòng)控制元件方向控制閥電磁控制換向閥易于實(shí)現(xiàn)電—?dú)饴?lián)合控制，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作，在氣動(dòng)控制廣泛使用

電磁控制換向閥

注意：兩側(cè)的電磁鐵不能同時(shí)得電，否則將會(huì)使電磁閥線圈燒壞在電氣控制回路上，通常設(shè)有防止同時(shí)得電的聯(lián)鎖回路8.1.2氣動(dòng)控制元件方向控制閥單控直動(dòng)式電磁換向閥圖示為電磁鐵斷電狀態(tài)彈簧的作用導(dǎo)通A、T通道，封閉P口通道；當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，壓縮彈簧導(dǎo)通P、A通道，封閉T口通道8.1.2氣動(dòng)控制元件方向控制閥單控直動(dòng)式電磁換向閥“位”：指的是為了改變氣體方向，閥芯相對(duì)于閥體所具有的不同的工作位置“通”：指的是換向閥與系統(tǒng)相連的通口，有幾個(gè)通口即為幾通圖中只有兩個(gè)工作位置，具有供氣口P、工作口A和排氣口T，故為二位三通閥8.1.2氣動(dòng)控制元件方向控制閥電磁閥島在工程實(shí)際應(yīng)用中，為簡化控制閥的控制線路和氣路的連接，優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通常將多個(gè)電磁閥及相應(yīng)的氣控和電控信號(hào)接口、消聲器和匯流板等集中在一起組成控制閥的集合體使用8.1.3氣動(dòng)執(zhí)行元件將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置包括氣缸和氣馬達(dá)氣缸用于直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或擺動(dòng)氣馬達(dá)用于實(shí)現(xiàn)連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)氣缸氣馬達(dá)8.1.3氣動(dòng)執(zhí)行元件氣缸最常選用的為標(biāo)準(zhǔn)氣缸，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)都已系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。通常有無緩沖普通氣缸，有緩沖普通氣缸等其他幾種較為典型的特殊氣缸有氣液阻尼缸、薄膜式氣缸和沖擊式氣缸8.1.3氣動(dòng)執(zhí)行元件氣缸氣液阻尼缸氣缸和液壓缸組合而成以壓縮空氣為動(dòng)力，以液壓油作為阻力，來控制調(diào)節(jié)氣缸的運(yùn)動(dòng)速度，即利用液體不可壓縮的特性來獲得的穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)速度8.1.3氣動(dòng)執(zhí)行元件氣缸薄膜式氣缸：利用壓縮空氣通過膜片推動(dòng)活塞桿作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的氣缸a)單作用b)雙作用1-缸體2-膜片3-膜盤4-活塞桿薄膜式氣缸結(jié)構(gòu)簡圖8.1.3氣動(dòng)執(zhí)行元件氣缸沖擊式氣缸a)第一階段b)第二階段c)第三階段沖擊式缸工作原理圖8.1.3氣動(dòng)執(zhí)行元件氣缸單作用氣缸單作用氣缸結(jié)構(gòu)簡單，耗氣量少，缸體內(nèi)安裝了彈簧，縮短了氣缸的有效行程，活塞桿的輸出力隨運(yùn)動(dòng)行程的增大而減小，彈簧具有吸收動(dòng)能的能力，可減小行程終端的撞擊作用一般用于行程短，對(duì)輸出力和運(yùn)動(dòng)速度要求不高的場合8.1.3氣動(dòng)執(zhí)行元件氣缸雙作用氣缸通過雙腔的交替進(jìn)氣和排氣驅(qū)動(dòng)活塞桿伸出與縮回，氣缸實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，活塞前進(jìn)或后退都能輸出力（推力或拉力）活塞行程可以根據(jù)需要選定，雙向作用的力和速度可根據(jù)需要調(diào)節(jié)8.1.3氣動(dòng)執(zhí)行元件氣缸無桿氣缸節(jié)省空間，行程缸徑比可達(dá)50至200，定位精度高，活塞兩側(cè)受壓面積相等，具有同樣的推力，有利于提高定位精度，長行程制作可能結(jié)構(gòu)簡單、占用空間小，適合小缸徑、長行程的場合限位器使負(fù)載停止時(shí)，活塞與移動(dòng)體有脫開的可能8.1.3氣動(dòng)執(zhí)行元件氣缸氣動(dòng)手爪氣動(dòng)手爪的開閉一般是通過由氣缸活塞產(chǎn)生的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)與手爪相連的曲柄連桿、滾輪或齒輪等機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)各個(gè)手爪同步做開、閉運(yùn)動(dòng)主要是針對(duì)機(jī)械手的用途而設(shè)計(jì)的，用來抓取工件，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的各種動(dòng)作8.1.3氣動(dòng)執(zhí)行元件氣缸擺動(dòng)氣缸利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)輸出軸在一定角度范圍內(nèi)作往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其擺動(dòng)角度可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，常用的固定角度有90°、180°、270°用于物體的轉(zhuǎn)位、翻轉(zhuǎn)、分類、夾緊、閥門的開閉以及機(jī)器人的手臂動(dòng)作等8.1.3氣動(dòng)執(zhí)行元件氣馬達(dá)作用相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)或液壓馬達(dá)，即輸出轉(zhuǎn)矩，拖動(dòng)機(jī)構(gòu)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，氣動(dòng)馬達(dá)是以壓縮空氣為工作介質(zhì)的原動(dòng)機(jī)氣動(dòng)馬達(dá)按結(jié)構(gòu)形式可分為：葉片式氣動(dòng)馬達(dá)、活塞式氣動(dòng)馬達(dá)和齒輪式氣動(dòng)馬達(dá)等8.1.3氣動(dòng)執(zhí)行元件氣馬達(dá)可以無級(jí)調(diào)速既能正轉(zhuǎn)也能反轉(zhuǎn)工作安全，不受振動(dòng)、高溫、電磁、輻射影響有過載保護(hù)作用，不會(huì)因過載而發(fā)生故障具有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩功率范圍及轉(zhuǎn)速范圍較寬操縱方便，維護(hù)檢修較容易使用空氣作為介質(zhì)輸出功率相對(duì)較小耗氣量大，效率低，噪聲大8.1.4氣動(dòng)基本回路氣動(dòng)基本回路壓力和力控制回路換向回路速度控制回路位置控制回路基本邏輯回路

氣動(dòng)常用回路安全保護(hù)回路同步動(dòng)作回路往復(fù)動(dòng)作回路記數(shù)回路振蕩回路氣動(dòng)系統(tǒng)一般由最簡單的基本回路組成。雖然基本回路相同，但由于組合方式不同，所得到的系統(tǒng)的性能卻各有差異8.1.4氣動(dòng)基本回路氣動(dòng)基本回路-壓力控制回路一次壓力控制回路電接觸式壓力表根據(jù)貯氣罐壓力控制空壓機(jī)的起、停，一旦貯氣罐壓力超過一定值時(shí)，溢流閥起安全保護(hù)作用簡單壓力控制回路采用溢流式減壓閥對(duì)氣源實(shí)行定壓控制8.1.4氣動(dòng)基本回路氣動(dòng)基本回路-壓力控制回路由多個(gè)減壓閥控制，實(shí)行多個(gè)壓力同時(shí)輸出利用換向閥和減壓閥實(shí)現(xiàn)高低壓切換輸出8.1.4氣動(dòng)基本回路氣動(dòng)基本回路-壓力控制回路過載保護(hù)回路正常工作時(shí)，閥1得電，使閥2換向，氣缸活塞桿外伸。如果活塞桿受壓方向發(fā)生過載，則順序閥動(dòng)作，閥3切換（至上位），閥2的控制氣體排出，在彈簧力作用下?lián)Q至圖示位置，使活塞桿縮回8.1.4氣動(dòng)基本回路氣動(dòng)基本回路-力控制回路串聯(lián)氣缸回路通過控制電磁閥的通電個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)分段式活塞缸的活塞桿輸出推力的控制8.1.4氣動(dòng)基本回路氣動(dòng)基本回路-力控制回路氣液增壓器的增力回路利用氣液增壓器1把較低的氣壓變?yōu)檩^高的液壓力，提高了氣液缸2的輸出力8.1.4氣動(dòng)基本回路氣動(dòng)基本回路-力控制回路沖擊氣缸回路閥1得電，沖擊氣缸下腔由快速排氣閥2通大氣，閥3在氣壓作用下切換，氣罐4內(nèi)的壓縮空氣直接進(jìn)入沖擊氣缸，使活塞以極高的速度運(yùn)動(dòng)，該活塞所具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成很大沖擊力輸出，減壓閥5調(diào)節(jié)沖擊力的大小8.1.4氣動(dòng)基本回路氣動(dòng)基本回路-換向回路單作用氣缸換向回路用三位五通換向閥控制單作用氣缸伸、縮、任意位置停止8.1.4氣動(dòng)基本回路氣動(dòng)基本回路-換向回路雙作用氣缸換向回路用三位五通換向閥除控制雙作用缸伸、縮換向外，還可實(shí)現(xiàn)任意位置停止8.1.4氣動(dòng)基本回路氣動(dòng)基本回路-速度控制回路氣閥調(diào)速回路單作用氣缸調(diào)速回路：用兩個(gè)單向節(jié)流閥分別控制活塞桿的升降速度排氣節(jié)流閥調(diào)速回路：通過兩個(gè)排氣節(jié)流閥控制氣缸伸縮的速度緩沖回路：活塞快速向右運(yùn)動(dòng)接近末端，壓下機(jī)動(dòng)換向閥，氣體經(jīng)節(jié)流閥排氣，活塞低速運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)8.1.4氣動(dòng)基本回路氣動(dòng)基本回路-速度控制回路氣液聯(lián)動(dòng)速度控制回路由于氣體的可壓縮性，運(yùn)動(dòng)速度不穩(wěn)定，定位精度不高。在氣動(dòng)調(diào)速、定位不能滿足要求的場合，可采用氣液聯(lián)動(dòng)氣液缸串聯(lián)調(diào)速回路：通過兩個(gè)單向節(jié)流閥，利用液壓油不可壓縮的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的無級(jí)調(diào)速，油杯為補(bǔ)充漏油而設(shè)8.1.4氣動(dòng)基本回路氣動(dòng)基本回路-速度控制回路氣液聯(lián)動(dòng)速度控制回路由于氣體的可壓縮性，運(yùn)動(dòng)速度不穩(wěn)定，定位精度不高。在氣動(dòng)調(diào)速、定位不能滿足要求的場合，可采用氣液聯(lián)動(dòng)氣液缸串聯(lián)變速回路：當(dāng)活塞桿右行到撞塊A碰到機(jī)動(dòng)換向閥后開始作慢速運(yùn)動(dòng)。改變撞塊的安裝位置，即可改變開始變速的位置8.1.4氣動(dòng)基本回路氣動(dòng)基本回路-速度控制回路氣液聯(lián)動(dòng)速度控制回路由于氣體的可壓縮性，運(yùn)動(dòng)速度不穩(wěn)定，定位精度不高。在氣動(dòng)調(diào)速、定位不能滿足要求的場合，可采用氣液聯(lián)動(dòng)氣液缸并聯(lián)且有中間位置停止的變速回路：氣缸活塞桿端滑塊空套在液壓阻尼缸活塞桿上，當(dāng)氣缸運(yùn)動(dòng)到調(diào)節(jié)螺母6處（右端）時(shí)，氣缸由快進(jìn)轉(zhuǎn)為慢進(jìn)。液壓阻尼缸流量由單向節(jié)流閥2控制，蓄能器能調(diào)節(jié)阻尼缸中油量的變化8.1.4氣動(dòng)基本回路氣動(dòng)基本回路-位置控制回路采用串聯(lián)氣缸定位氣缸由多個(gè)不同行程的氣缸串聯(lián)而成。換向閥1、2、3依次得電和同時(shí)失電，可得到四個(gè)定位位置任意位置停止回路氣缸負(fù)載較小時(shí)，可選擇圖a所示回路，氣缸負(fù)載較大時(shí)，應(yīng)選擇圖b所示回路（中位不同）。當(dāng)停止位置要求精確時(shí)，可選擇前面所講的氣液阻尼缸任意位置停止回路8.1.4氣動(dòng)基本回路氣動(dòng)常用回路-安全保護(hù)回路雙手操作回路（與）只有同時(shí)按下兩個(gè)啟動(dòng)用手動(dòng)換向閥，氣缸才動(dòng)作，對(duì)操作人員的手起到安全保護(hù)作用。應(yīng)用在沖床、鍛壓機(jī)床上互鎖回路利用梭閥1、2、3和換向閥4、5、6實(shí)現(xiàn)互鎖，防止各缸活塞同時(shí)動(dòng)作，保證只有一個(gè)活塞動(dòng)作8.1.4氣動(dòng)基本回路氣動(dòng)常用回路-同步動(dòng)作回路簡單的同步回路采用剛性零件把兩尺寸相同的氣缸的活塞桿連接起來采用氣液組合缸的同步回路利用兩液壓缸油路串聯(lián)，來保證在負(fù)載F1、F2不相等時(shí)也能使工作臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)同步。蓄能器用于換向閥處于中位時(shí)為液壓缸補(bǔ)充泄漏8.1.4氣動(dòng)基本回路氣動(dòng)常用回路-往復(fù)動(dòng)作回路單往復(fù)動(dòng)作回路按下手動(dòng)閥，二位五通換向閥處于左位，氣缸外伸當(dāng)活塞桿擋塊壓下機(jī)動(dòng)閥后，二位五通換至右位，氣缸縮回，完成一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)8.1.4氣動(dòng)基本回路氣動(dòng)常用回路-往復(fù)動(dòng)作回路連續(xù)往復(fù)動(dòng)作回路手動(dòng)閥1換向，高壓氣體經(jīng)閥3使閥2換向，氣缸活塞桿外伸，閥3復(fù)位，