1、本章小结本章从三坐标工作台的研究背景入手，分别从运动控制理论与运动控制器的研究现状来引出运动控制系统的研究现状及开展趋势，并简略概述了本文的研究内容。第二章运动控制系统设计本文主要围绕三坐标工作台运动控制系统进行研究。作为研究的根底，本章根据课题技术要求及三坐标工作台控制原理确定了其运动控制系统总体结构，并在此根底上分析了运动控制系统的组成，从而完成了三坐标工作台运动控制系统的设计。技术要求本课题所设计的喷涂手的运动控制系统为实现3D打印材料的精确喷涂，相关的技术要求如下。(1) 功能要求制系统应有利于3D血管打印的功能实现和临床应用推广，结构紧凑，布线美观，控制灵活。(2) 尺寸要求基于其打
2、印对象的尺寸，我们选择较小的工作台，300mmx400mm。(3) 定位精度及运动速度要求打印精度范围为1mm，打印速度能匹配喷口的出料速度。三坐标工作台控制原理控制方式有很多种，本课题中三坐标工作台采用全闭环位置控制方式，艮P:运动控制器采集到光栅尺反响的脉冲从而获得位置信息，在PID的作用下形成闭环控制，即位置闭环PID控制9;编码器将电机轴输出的转速信号发送给驱动器从而到达对系统运动速度的反响及控制，形成速度闭环控制；在伺服驱动器内，通过对伺服电机的电流检测增益调节形成电流闭环控制，即电流环。在各种反响中，位置反响可以提供较高的精度，但其稳定性较差；而速度反响虽然无法得到较高的控制精度，
3、但其控制平稳，使得控制系统具有较好的稳定性。因此，将运动控制器用来接收位置反响信号，伺服驱动器用来接收速度反响信号，这样便能确保得到较高的控制精度的同时也能使控制系统运行的更为稳定。如以下图为三坐标工作台的控制原理图。在图中标出了三环控制和运动控制系统根本组成的对应关系，这里采用的是一种常用的伺服电机驱动模式一一速度控制模式(即电机驱动器包括速度环和电流环)，而其他的伺服电机驱动模式包括位置控制模式、力矩控制模式等等图2.1坐标工作台控制原理图控制系统最内层为电流环，通过电流检测增益调节将电流信号作为输入传递到电流调节器中，平稳控制伺服驱动器到达稳定输出、恒流启动制动的目的。电流环控制的是电机
4、转矩，所以在转矩模式下驱动器的运算量最小，动态响应最快40，速度环可以增强控制系统位置控制的稳定性。增量型编码器来检测采集速度信息，可以将正交编码信号传递给伺服驱动器或者运动控制器；对于某些高速运动控制器，编码器可以直接传递速度信号，但这种方案对控制人员的编程要求增高。在任何模式都必须使用电流环，电流环是控制的根本41。位置环控制是通过运动控制器接收光栅尺检测到的实际位置信号来实现的。由PC机发出的控制指令传送给伺服控制模块，经过作用后将输出的电信号指令发送给电机驱动器，同时驱动电机进行工作。电机中的编码器及光栅尺将工作台和电机的相关信息如速度、位移量等也反响给主控制器，到达全闭环伺服控制的效
5、果。运动控制系统总体结构设计本文采用工控机作为上位计算机，再辅以显示器、键盘等外设配置，不仅能满足系统的控制要求，也能给用户提供一个友好的操作平台。计算机通过RS-485/232通信协议将控制指令发送给运动控制器，运动控制器接收到相应指令后通过模拟量输出卡将数字量转化为模拟电压量输出，伺服驱动器接收该模拟电压指令从而驱动电机带开工作平台完成预定的动作。其中，伺服驱动器工作在速度控制模式，位置闭环由运动控制器完成。在这种工作模式下系统对各环节接收的指令都具有极快的响应速度，但缺点是对现场干扰较敏感，调试稍复杂。三坐标工作台运动控制系统的总体结构如以下图，其中运动控制器可同时控制X轴、Y轴及Z轴运
6、动，也可以单独控制。图2.2动控制系统总体结构图运动控制系统组成根据本课题的技术要求，这里采用全闭环运动控制系统以便及时对产生的误差进行补偿，从而有效的提高运动控制系统的定位精度。电机及驱动器在工业控制中，最常用的两种电机为步进电机和伺服电机，这两种电机在实际应用中主要存在着如下两方面的差异。从根本结构来说：步进电机中包含有大量的由永磁体或电流产生的磁极，一般至少为50到100个；相比之下伺服电机中所包含的磁极个数极少，通常为4到12个。在步进电机中，这些磁极为电机轴提供了自然停止点，因而极数越多，步进电机就越能精确地在每个磁极之间移动，故而步进器可以在没有任何位置反响的情况下应用于多种场合；
7、而伺服电机通常需要一个位置编码器来跟踪电机轴的位置，特别是在某些需要精确控制的场合。从控制方式来说：驱动电机运动到相同精度的位置时，步进电机比伺服电机更容易控制。使用步进电机驱动时，单个驱动脉冲会使电机轴从一个极移动到下一个极即电机轴移动一步，由于给定电机的步长即旋转量是固定的，因而控制步进电机移动到精确位置仅仅只需要发送正确数量的脉冲即可；而使用伺服电机驱动时，伺服电机通过当前编码器位置和命令位置之间的差值以及移动到正确位置时所需的电流这两个参数来到达精确控制的目的，故而步进电机较伺服电机容易控制。通过比拟可知，步进电机在提供恒定的保持扭矩时不需要为电机供电，且在低速工作时的转矩大于同尺寸的
8、伺服电机，步进电机最大的优点是本钱相对较低，控制较为简单；相比之下，伺服电机更适合于高速、高扭矩的应用场合：步进电机的峰值速度为2023RPM，而伺服电机的速度是步进电机的几倍；步进电机的工作效率在8090%，而伺服电机的工作效率更高；伺服电机能在高速运动下保持额定的转矩，甚至可在短时间内提供大约两倍的额定转矩，在交流和直流驱动时也不会发生振动或遭受共振等问题。根据本课题的技术要求，三坐标工作台的负载较小且在工作过程中会较为频繁的工作于急加速或急减速的状态，它主要是用来实现对各数字通道精确的自动切换测量，故而这里选用直流伺服电机以确保其工作过程中的快速性、准确性和稳定性。由于三坐标工作台X、Y
9、、Z三轴的根本结构相同，故而下面以X轴电机型号的选择为例，介绍电机选型方法。1负载惯量的计算由电机驱动的运动部件，不管其作直线运动亦或是旋转运动，最后都会成为电机负载惯量的一局部42，因而假设要计算电机轴上的总负载惯量，可分别计算由这些电机所驱动局部的惯量从而得到作用于电机轴的等价负载惯量。(2.1) 圆柱体惯量_如滚珠丝杠等绕中心轴旋转产生的惯量，可表示为：式中各参数的含义如下：p材料密度，这里取xl03kg/m3;D丝杠的直径，这里取Dm;H丝杠的有效长度，这里取H=m;(2.2) 轴向移动物体的惯量一一工件、工作台等轴向移动物体的惯量，可表示为：式中各参数的含义如下：WX轴承载台上所有移
10、动部件的重量，这里取W=10kg;L丝杠的导程，这里取Lm;(2.3) 因而电机轴上的总负载惯量为：(2.4) 而电机的惯量和负载惯量之间有如下关系：即：2负载转矩的计算(2.5) 丝杠传动中折算到电机轴上的负载转矩可表示为：式中各参数含义如下：折算到电机轴上的负载转矩，单位为;F轴向移开工作台所需的力，这里取F=200N滚珠丝杠螺母、轴承局部摩擦等转矩折算到伺服电机轴上的值，这取;驱动系统的效率，这里取=1;(2.6) 直线运动下的最大加速度可表示为：电机功率的计算电机功率可表示为：(2.7) 式中各参数含义如下：电机角速度，可表示为，其中v为三坐标工作台最大运行速度，这里取vm/s;n电机
11、对应的转速，可表示为n=1200r/min;综上，这里X轴的电机选用CMC公司plateform2600系列的2640电机，同理可选出Y轴及Z轴的电机。运动控制器运动控制器选在运动控制系统中扮演着极其重要的角色，它是运动控制系统的根底。运动控制系统的开展方向是高精度、高速度及高稳定性，因而作为其控制的根底，运动控制器必须具备强大的数据处理能力及快速的响应速度，当工作在高速环境下，运动控制器需对输入输出的信号进行实时处理以准确完成工作要求，鉴于DSP的强大计算能力、改良的哈弗总线结构等特点，常在对精度及速度有较高要求的场合采用基于DSP作为核心处理器的运动控制器43，同时这种类型的运动控制器常以
12、PC机作为信息处理平台，不仅能充分发挥计算机强大的计算功能，也能方便、迅速、准确的实现各种运动控制需求，因而这里采用“PC+运动控制器的方案。其中PC机作为主控制器，主要是用来对采集的大批量数据进行处理，同时PC机也能简捷直观的实现各种复杂的控制功能且具有良好的人机交互界面、完善的实时监控系统，故常用来完成对信号的处理及系统的监控工作；而运动控制器不仅要接收来自PC机的命令指令，还需完成所有与控制功能有关的细节42。综上可知，这种由“PC+运动控制器所组成的运动控制系统控制方便、功能强大且可扩展性很强。PMAC作为目前在自动控制行业中应用最为广泛、功能最为丰富的运动控制器，不仅仅是代表某一种型
13、号的运动控制卡，而是一系列高性能运动控制卡的简称，其价格高昂、易上手，且内部集成有极为丰富的资源可适用于几乎绝大局部控制场合。PMAC主要由MotorolaDSPCPU与DeltaTua公司开发和特制的用户门阵列1C组成，是一种开放式结构1()，可以说，PMAC之所以具有极高的性价比和如此完善的控制功能，与DSP的强大功能是密不可分的44。常用的PMAC有很多种，因而需要根据不同的需求来选择不同的型号，但它们的根本功能和使用方法是一样的，这里选用PMAC45系列的TurboPMAC2控制卡作为三坐标工作台运动控制系统的运动控制器，其实物图如图2.3所示。图2.3TurboPMAC2控制卡实物图
14、光栅尺光栅尺由尺身及读数头两局部组成，读数头和尺身分别安装载不同的相对运动的基体上，利用两者的相对运动得到基体的相对位移29，其选择标准如下46:根据精度指标进行选择、根据效率指标进行选择或根据电气接口形式进行选择。综上，这里考虑以精度指标来选择光栅尺。根据技术要求中的定位精度，这里选用英国雷尼绍公司配有RSLM直线栅尺的TONiC增量式光栅系统47。TONiC是雷尼绍推出的超小型非接触式光栅系统，其速度可达10m/S，与Ti接口配套使用时，在线性和旋转应用中分辨率可达lnm。由于安装公差大，且只需按下按钮即可进行校准，因此TONiC系统的安装快捷简单。TONiC的动态信号处理功能可提高信号得
15、稳定性，而且其电子细分误差超低，通常小于30nm;RSLM是一种栅距为20pm的不锈钢因钢栅尺，其具有多种IN-TRAC光学参考零位，包括供客户选择的固定间距参考零位，以及位于栅尺中央或者端部的单个参考零位。它可与精细栅距的玻璃栅尺媲美，在5m长度内的总体精度包括斜率误差和线性误差优于4|tim。系统实现根据本课题的技术要求，由于三坐标工作台需夹持测量模块实现X、Y、Z三个方向的运动，假设采用悬臂式三坐标工作台，由于测量模块被夹持在Z轴末端，因而它的移动会导致系统重心不停地发生变化从而引起悬臂严重的挠曲变形，极大影响了三坐标工作台的定位精度；由于测试电路板居中安装在测试头水平面上，而测试头水平面是固定不动的，假设采用固定桥式三坐标工作台，其测试头水平面是可移动的，且由于桥框位于三坐标工作台中部不能移动，因而其操作空间不如移动桥式的开阔；假设采用移动桥式三坐标工作台，由于在工作过程中会产生较大的阿贝误差，故而会导致其整体结构刚性、运动平稳性及定位精度较差，因而这里选用龙门式结构的三坐标工作台。龙门式三坐标工作台由X、Y、Z直线运动轴构成，由于工作台X、Y轴的行程和Z轴的行程不同，故它们的尺寸也不一样，但其根本结构相同：电机转轴通过联轴器与滚珠丝杠刚性连接，直线导轨在滚珠丝杠两端对称安转，每