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激光焊接機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)說明書
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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(dòng)的數(shù)控控制激光焊接機(jī)。
1. 激光焊接系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)
如圖1，激光焊接系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)由以下部分組成：XY兩個(gè)軸帶動(dòng)工作臺，Z軸帶動(dòng)激光頭，實(shí)現(xiàn)三軸的聯(lián)動(dòng)。
圖1.激光焊接工作臺整體機(jī)械結(jié)構(gòu)
2. 激光焊接系統(tǒng)的電氣原理及軟件系統(tǒng)介紹
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(dòng)控制卡，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)，限位開關(guān)，直線運(yùn)動(dòng)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(dòng)驅(qū)動(dòng)函數(shù)和各種應(yīng)用程序。
2.1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(dòng)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(dòng)控制卡：用高性能微處理器（如 DSP）及大規(guī)?？删幊唐骷?shí)現(xiàn)多個(gè)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(dòng)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(dòng)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(gè)信號給運(yùn)動(dòng)控制卡，通過調(diào)用程序達(dá)到限位或停止功能。
5）、驅(qū)動(dòng)器:接收運(yùn)動(dòng)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(dòng)的控制，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)軌跡。
2.2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(gè)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)候狀態(tài)顯示，提示超程等。
本工作臺設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面具有很多優(yōu)點(diǎn)。本界面主題思想是仿造法拉克數(shù)控系統(tǒng)形狀的，一共使用了43個(gè)大類，函數(shù)200多個(gè)，資源添加也有100多個(gè)，是一個(gè)邏輯性非常強(qiáng)的界面設(shè)計(jì)，函數(shù)與函數(shù)之間存在的邏輯關(guān)系是比較復(fù)雜的，但是開發(fā)出來的效果還是比較友好，功能比較齊全，方便使用者的操作，可以在一個(gè)界面完成全部數(shù)控的操作。如圖2所示：
圖2 數(shù)控工作臺操作界面
兩大模塊主要是數(shù)控系統(tǒng)操作模塊和操作面板模塊如下圖：
1）數(shù)控系統(tǒng)操作面板如圖3：
圖3數(shù)控系統(tǒng)操作面板
功能模塊介紹如下圖4
圖4 數(shù)控操作面板模塊
功能模塊及程序類分析：數(shù)控系統(tǒng)操作面板大體可以分四個(gè)模塊：顯示面板、輸入面板、編輯面板、模式選擇面板。顯示面板可以根據(jù)消息響應(yīng)的不同，顯示不同的對話框，里面一共有8個(gè)對話框，分別是絕對坐標(biāo)、相對坐標(biāo)（RelPosDlg）、綜合坐標(biāo)（AllPos）、程序內(nèi)部輸入（SinPrgDlg）、程序登記（PrgLibDlg）、程序外部輸入（MdiDlg）、工件坐標(biāo)1（WorkCoondOne）、工件坐標(biāo)2（WorkCoondTWo）。模式選擇面板一共有三種模式選擇，分別是POS、PROGRM、MENU。這八個(gè)對話框與模式選擇模塊息息相關(guān)，每一個(gè)模式都對應(yīng)幾個(gè)的對話框。POS按鍵消息響應(yīng)時(shí)，顯示面板會(huì)自動(dòng)加載坐標(biāo)顯示的三種模式供選擇。PROGRM按鍵消息對應(yīng)的是三個(gè)程序編輯的對話框。MENU按鍵消息對應(yīng)的是工件坐標(biāo)的對話框。輸入面板主要是輸入代碼時(shí)，調(diào)用NumLetterInput（）函數(shù)，自動(dòng)選擇輸入的是字母還是數(shù)字。編輯面板一般都是刪除（can）、Inset（插入）等幾個(gè)編輯代碼時(shí)使用到，一般跟著光標(biāo)顯示位置進(jìn)行信息捕捉，例如can鍵消息響應(yīng)時(shí)，調(diào)用SetSel(0,-1)，表示從頭到尾刪除。
2）操作面板
本工作臺的操作面板如圖5
圖5 操作面板
本工作臺的操作面板功能模塊如下圖6：
圖6 操作面板模塊
功能模塊及程序類分析：操作面板大體可以分四個(gè)模塊：位置移動(dòng)（OnBtX等）、程序執(zhí)行模塊、模式選擇模塊、A軸開啟/速度模塊。操作面板是配合數(shù)控系統(tǒng)操作面板的來運(yùn)行的，其中模式選擇模塊有六種枚舉變量，當(dāng)按鍵選擇其中一種時(shí)，該按鍵會(huì)獲取LoadBitmap（）函數(shù)，來獲取亮燈（buttondown）圖片，而其他均為按鍵均為灰色，選擇其中一個(gè)變量，得到的響應(yīng)消息以及調(diào)用的函數(shù)不同，當(dāng)選擇AUTO、EDIT、MDI時(shí)，按鍵消息會(huì)映射到數(shù)控系統(tǒng)操作面板的模式選擇模塊，進(jìn)行編程。當(dāng)選擇HOME 、JOG、JOGING時(shí)，按鍵消息會(huì)映射到數(shù)控操作系統(tǒng)的POS模塊以及位置移動(dòng)模塊，當(dāng)移動(dòng)模塊工作時(shí)，即X、Y、Z、A軸移動(dòng)按鍵響應(yīng)時(shí)，POS加載的三個(gè)坐標(biāo)顯示面板會(huì)獲取移動(dòng)的信號，實(shí)現(xiàn)更新顯示。而移動(dòng)坐標(biāo)軸主要由兩種形式JOG和JOGING形式，分別調(diào)用OnBtJog()和OnBtJogIng() 函數(shù)。A軸的開啟/調(diào)速模塊主要是A軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等。執(zhí)行程序模塊主要是當(dāng)枚舉變量選中AUTO或MDI格式的時(shí)候才能執(zhí)行以下的模塊，如單條程序、空走，自動(dòng)循環(huán)等。
這個(gè)界面總的來說，可以實(shí)現(xiàn)文件管理、程序輸入、運(yùn)動(dòng)控制、對系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控等任務(wù)。
3. 激光焊接系統(tǒng)電氣原理
本設(shè)計(jì)使用的是PC+運(yùn)動(dòng)控制卡的控制系統(tǒng)，其中運(yùn)動(dòng)控制卡的接線圖如圖3-1
圖3-1.運(yùn)動(dòng)控制卡接線圖
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(dòng)裝置電源回路和動(dòng)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。
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(dòng)控制卡的供電,另一部分是驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)方面的供電。總體上來說,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(dòng)控制卡的電壓時(shí)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(gè)單相變壓器28v 50w的。如圖3-2所示：
圖3-2. 主電路圖
3.1.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(dòng)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(dòng)器控制回路的設(shè)計(jì)。本工作臺的控制回路模塊如下圖3-3：
圖3-3. 電氣原理圖
3.2.數(shù)字輸入輸出的設(shè)計(jì)：
來自機(jī)床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3-1 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3-4所示
圖3-4 數(shù)字輸出信號接線原理圖
3.3驅(qū)動(dòng)器控制回路電氣設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)器根據(jù)工作臺的選型，選擇的是H2MD-M403的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，根據(jù)上面的選型介紹驅(qū)動(dòng)器一共有三個(gè)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(dòng)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3-5：驅(qū)動(dòng)器電氣原理圖