基于直線電機、一體電腦和plc的多軸運動控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明技術是通過一體電腦、PLC和直線電機三個部分將整個運動控制系統(tǒng)的技術難度分化，打破大公司的技術壟斷。采用直線電機替代原來伺服電機+滾珠絲桿的結(jié)構(gòu)，取消了從電機到工作臺之間的機械傳動環(huán)節(jié)；通過購買PLC或者自制PLC實現(xiàn)運動控制系統(tǒng)的插補運算的算法；通過帶觸摸屏的一體電腦或者平板電腦實現(xiàn)人機交互界面，既具有原始的觸摸屏安裝和操作的方便，又有現(xiàn)在PC機的強大功能。
【專利說明】基于直線電機、一體電腦和PLC的多軸運動控制系統(tǒng)
所屬【技術領域】
[0001]本發(fā)明技術可用于PCB加工的貼片機；電子產(chǎn)品加工的噴膠機、點膠機；微創(chuàng)手術和自動化生產(chǎn)線上的機械手、機器人；用于圖像處理設備的色選機、采摘機，例如西瓜子色選機、花生色選機、棉花采摘機、花朵采摘機等；機械加工的CNC機床，機械加工的線切割機床，包括慢走絲、中走絲、快走絲，和用于衣料、手提包和皮鞋等縫紉加工的電子繡花機和電子花樣縫紉機，也可用在玻璃上繡花、木頭和石頭雕刻等。
【背景技術】
[0002]讓那些需要車床、銑床、沖床等笨重機械才能加工出來的機械零件，直接用3D打印技術打印出來；在那些高輻射、深海、高寒、缺氧等惡劣的自然條件下，讓機器人代替人的工作，這些機電一體化設備的人性化、智能化的動作，都需要運動控制理論強有力的支撐，目前的運動控制系統(tǒng)有兩種形式存在:一種形式是運動控制系統(tǒng)全部集中在一個電控箱中，軟件方面包括運動控制的一些算法，例如圓弧插補、直線插補等，全部由一些有實力的大公司壟斷，例如，專利號為20042008375.X和專利號為201120415513.0。由于我國的微電子技術不夠發(fā)達，硬件方面包括一些專用的運動控制芯片，例如日本NOVA公司的MCX312、MCX314等，也由一些有實力的外國公司所壟斷，中小企業(yè)根本就沒有實力和這些大公司競爭；另外一種形式是在PC (personal computer)機中的PCI卡槽中，插入運動控制卡,運動控制算法全部集中在運動控制卡上，人機對話的界面集中在PC (personal computer)上,例如，專利號為200920158833.5，這樣的系統(tǒng)不夠穩(wěn)定，在高精度、高速的要求下，難以滿足復雜環(huán)境下客戶對系統(tǒng)穩(wěn)定工作的需要，那些運動控制的算法也基本上集中在少數(shù)大公司手中。而且，現(xiàn)在的執(zhí)行機構(gòu)基本上是基于伺服電機+滾珠絲桿的結(jié)構(gòu)，需要中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)的傳動裝置，才能將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，所以整機存在著體積大、效率低、精度低等問題，影響了加工精度。采用直線電機直接驅(qū)動與原旋轉(zhuǎn)電機傳動的最大區(qū)別是取消了從電機到工作臺之間的機械傳動環(huán)節(jié)，具有響應速度高、精度高、動剛度高、速度快、加減速過程短、行程長度不受限制、噪音低、效率高等特點。為了打破大公司的壟斷，使一些相關的中小企業(yè)參與到其中來，推動運動控制理論在我國進一步發(fā)展，使機電一體化設備智能化程度不斷提高，好像我們現(xiàn)實生活的人一樣，不僅有眼睛進行物體的識別，還能像人得手一樣進行智能化的、永遠不知疲倦的勞作，代替人的部分勞動，為社會做出它應有的貢獻。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明技術將運動控制系統(tǒng)的難度進行分解和層次化，由三個部分組成:一體電腦、PLC和直線電機，其中一體電腦和PLC通過通訊總線形成上位機與下位機的關系，一體電腦負責人機交互的圖形用戶界面(⑶I，graphical user interface)和圖像處理，PLC負責運動控制系統(tǒng)的算法決策系統(tǒng)，直線電機是運動控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。為了提高系統(tǒng)的加工精度，除掉那些繁雜的中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)，直接采用直線電機作為執(zhí)行機構(gòu)；為了滿足運動控制系統(tǒng)在各種復雜環(huán)境下運行的需要，利用PLC(Programmable Logic Controller,可編程邏輯順序控制器)具有工業(yè)級別的高度穩(wěn)定性的特點，采用PLC作為運動控制系統(tǒng)的算法決策系統(tǒng)，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性；為了增加系統(tǒng)使用的靈活性，又具有人機交互的強大功能，采用一體電腦和通訊總線，既具有人性化設計人機交互的圖形用戶界面(GUI，graphical user interface)和圖像處理功能,又使一體電腦和PLC與直線電機的距離可以通過總線的長度可以調(diào)節(jié)。
[0004]傳統(tǒng)的電腦(PC機)和工業(yè)電腦的顯示器與主機是分離，體積龐大，占用的空間大，需要專業(yè)的電控柜來放置，不便于安裝和操作，利用帶觸摸屏的一體電腦作為工控機，所謂“一體電腦”也可以稱為平板電腦，就是將電腦主機和電腦顯示器集成到一個外殼內(nèi)，為了簡化機體結(jié)構(gòu)，采用新式觸摸屏替代鼠標和鍵盤，這樣就大大精簡了一體電腦的機械結(jié)構(gòu)，形式上就類似于傳統(tǒng)意義上用于人機對話的老式觸摸屏，老式的觸摸屏和新式的觸摸屏是有區(qū)別的，新式的觸摸屏只是一塊玻璃狀物品，帶有控制電路板和在操作系統(tǒng)下安裝驅(qū)動程序后才能用于一體電腦，替代鼠標和鍵盤的工作，老式的觸摸屏是玻璃狀觸摸屏和顯示器以及控制電路在一起的有機整體，通過通訊總線與PLC進行聯(lián)合控制，是電氣工程師的習慣叫法，這種觸摸屏的功能很有限，沒有一體電腦的強大功能，只能實現(xiàn)一些簡單的文字編輯和圖片處理，而且分辨率也很低，僅僅能夠做出一些簡單的人機交互的圖形用戶界面(⑶I, graphical user interface)。一體電腦配上觸摸屏后,和我們?nèi)粘Ｉ钣玫碾娔X(PC, personal computer)的功能是一樣的，能夠安裝美國微軟公司(Microsoft)的操作系統(tǒng)，例如Windows XP,能夠運行功能強大的組態(tài)軟件，和微軟公司的Visual C++和Visual C#等開發(fā)軟件和微軟公司的Access和SQLServer等數(shù)據(jù)庫軟件,并且可以用它們來開發(fā)功能強大的人機交互的圖形用戶界面(⑶I，graphical user interface),這樣的一體電腦和觸摸屏巧妙的配合，非常易于機械安裝和操作人員的操作，運用Visual C++或者Visual C#等計算機語言和Access、SQLServer等數(shù)據(jù)庫軟件可以編制方便操作工人操作的人機交互的圖形用戶界面(⑶I，graphical user interface)用來監(jiān)控、測試和管理整個運動控制系統(tǒng)，負責將G代碼等機械加工的語言轉(zhuǎn)換為整個運動控制系統(tǒng)可以識別的代碼，也可以安裝專用的組態(tài)軟件，例如iFIX組態(tài)軟件、天工組態(tài)軟件等，也能夠進行圖像處理，進行塑料、瓜子、堅果類的篩選和棉花、花朵等的采摘，一體電腦的操作通過觸摸屏的操作來完成，不采用傳統(tǒng)意義上的鼠標和鍵盤。PLC可以采用兩種方式，一種是購買PLC，PLC(Programmable Logic Controller,可編程邏輯順序控制器)可以選用美國的AB、GE的PLC，或者德國的西門子(SIEMENS)的PLC，或者日本歐姆龍(OMRON)、三菱(MITSUBISHI)等品牌的PLC，或者臺灣系列的PLC。不管選用哪家公司的PLC，所選用的PLC必須帶有運動控制模塊，能夠進行精確的位置控制，或者高速的多軸聯(lián)動?，F(xiàn)在的PLC已經(jīng)不是什么稀罕物，性價比已經(jīng)很高,市面上已經(jīng)出現(xiàn)各種款式、各種類型的自制PLC，如果節(jié)省成本和技術條件的允許，另外一種方式是自己開發(fā)專用的PLC，PLC可以采用ARM芯片和UCOS-1I操作系統(tǒng)、運動控制芯片，例如MCX312、MCX314等，或者采用ARM芯片、UCOS-1I操作系統(tǒng)、CPLD芯片和運動控制算法，例如圓弧插補、直線插補等，來進行一軸的運動控制，兩軸或者兩軸以上的聯(lián)合運動控制，或者多軸高速、高精度的聯(lián)合控制，來完成PLC的運動控制部分，PLC作為下位機與作為上位機的一體電腦通過公用的通訊總線進行數(shù)據(jù)交換，所謂公用的通訊總線是指PLC和一體電腦都能夠接受的通訊總線，例如RS232、RS485、USB等。直線電機是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動，而不需要通過任何中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)的新穎電機，直線電機按工作原理可分為兩個大的方面，即直線電機和直線驅(qū)動器，它們形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，直線電機的控制指令由PLC的I / O 口發(fā)出，PLC接受直線電機控制器的反饋信號。運用直線電機的最大好處就是不需要把電機的旋轉(zhuǎn)運動通過精密絲桿轉(zhuǎn)換成直線運動，而是直線電機直接做往復運動，位置控制更加精準，傳動零部件沒有磨損，可以大大減少機械損耗，減少噪音，提高了整機的效率。
[0005]本技術發(fā)明的有益效果可以總結(jié)以下四點:
[0006]1、針對上位機的一體電腦、下位機的PLC和執(zhí)行機構(gòu)的直線電機所承擔任務的重要性不同，按照系統(tǒng)的各個部分對硬件要求不同進行配置，人機交互GUI界面采用商用的一體電腦或者平面電腦，運動控制算法的部分采用惡劣環(huán)境下表現(xiàn)優(yōu)秀的PLC和直線電機來完成，使整個運動控制系統(tǒng)既能夠在任何情況下都能夠穩(wěn)定運行，又能夠達到最佳的性價比。
[0007]2、整個運動控制系統(tǒng)由上位機、下位機和執(zhí)行機構(gòu)三個部分組成，將整個系統(tǒng)的難度進行分解和層次化，一體電腦負責人機交互的GUI界面，PLC負責插補運算的算法和控制，直線電機負責運動控制系統(tǒng)的執(zhí)行，分工明確，方便調(diào)試和維護，而且利用組態(tài)軟件、VisualC++或者Visual C#等計算機語言進行軟件開發(fā)，運用起來非常靈活，這方面的軟件工程師多，PLC運用相對來說比較簡單，會熟練運用PLC的電氣工程師也很多，打破有實力的
[0008]3、大企業(yè)的壟斷，有利于在中小企業(yè)進行推廣。
[0009]4、采用直線電機替代原來伺服電機+滾珠絲桿的結(jié)構(gòu)，取消了從電機到工作臺之間的機械傳動環(huán)節(jié)，具有響應速度高、精度高、動剛度高、速度快、加減速過程短、行程長度不受限制、噪音低、效率高等特點。
[0010]5、利用帶觸摸屏的一體電腦代替老式觸摸屏，既有老式觸摸屏編制人機對話(GUI)的功能，又有老式觸摸屏安裝方便，易于操作的特點，還有我們?nèi)粘Ｉ钣玫腜C機和工業(yè)電腦的強大功能，能夠安裝美國微軟公司(Microsoft)的操作系統(tǒng)，在操作系統(tǒng)上能夠運行功能強大的組態(tài)軟件、應用軟件和數(shù)據(jù)庫軟件，利用這些強大的工具軟件，可以針對性開發(fā)整個運動控制系統(tǒng)的應用軟件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是整個運動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
[0012]圖2是一體電腦或者平板電腦的人機交互界面。
[0013]圖3是PLC內(nèi)部的運動控制算法。
[0014]圖4是自制PLC結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖5是由直線電機組成的多軸運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0016]在圖1中，是整個運動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，由三個部分組成:上位機的一體電腦、下位機的PLC和執(zhí)行機構(gòu)的直線電機。上位機負責人機交互的⑶I界面、數(shù)據(jù)監(jiān)測、狀態(tài)監(jiān)測和圖像處理，下位機是整個運動控制系統(tǒng)的插補運算的算法決策系統(tǒng)，執(zhí)行機構(gòu)接受下位機PLC的執(zhí)行指令，完成整個運動控制系統(tǒng)的執(zhí)行任務。其中，上位機和下位機通過計算機的通訊總線實現(xiàn)通訊，這些通訊總線包括RS232、RS485、USB等串行通訊總線,下位機主要負責運動控制系統(tǒng)的插補運算的計算和運算指令的發(fā)送，將電信號傳輸給直線電機的驅(qū)動器，以及接受執(zhí)行機構(gòu)直線電機驅(qū)動器的信息反饋。直線電機與直線電機驅(qū)動器之間形成閉環(huán)系統(tǒng)，直線電機驅(qū)動器將驅(qū)動電信號通過電機電纜線傳輸給直線電機，直線電機將運行的位置信號通過電機信號線反饋給直線電機的驅(qū)動器；執(zhí)行機構(gòu)的直線電機與下位機PLC形成閉環(huán)系統(tǒng)，PLC將運動控制指令通過控制線傳輸給直線電機驅(qū)動器，直線電機驅(qū)動器將直線電機的運行狀態(tài)通過信號線反饋給PLC ;—體電腦與PLC形成閉環(huán)系統(tǒng)，一體電腦將運動控制系統(tǒng)的應用軟件處理后的數(shù)據(jù)通過公用的電腦通訊總線下載到PLC，PLC將它的狀態(tài)數(shù)據(jù)、監(jiān)控數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)通過公用的通訊總線反饋給一體電腦，在一體電腦的GUI的人機交互界面中進行顯示和監(jiān)測，所述的電腦通訊總線可以是RS232、RS485、USB等。
[0017]在圖2中，是整個運動控制系統(tǒng)的人機交互界面，這個界面的實現(xiàn)通過帶觸摸屏的一體電腦來完成，其中，所述的一體電腦應該具備以下六個特征:1、電腦主機和電腦顯示器集成到一個外殼內(nèi)，具有老式觸摸屏安裝方便的特點。2、采用新式觸摸屏替代傳統(tǒng)的鼠標和鍵盤，在一體電腦中安裝驅(qū)動程序和控制電路正常運行后，能夠完全勝任傳統(tǒng)的鼠標和鍵盤的工作。3、能夠安裝美國微軟公司(Microsoft)的操作系統(tǒng)，例如Windows XPj、能夠基于一體電腦的硬件和微軟公司(Microsoft)的操作系統(tǒng)運行功能強大的組態(tài)軟件，例如iFIX，并且利用組態(tài)軟件能夠開發(fā)用于運動控制系統(tǒng)的應用軟件。5、能夠基于一體電腦的硬件和微軟公司(Microsoft)的操作系統(tǒng)運行微軟公司(Microsoft)的應用軟件VisualC++或Visual C#，并且利用這兩個應用軟件開發(fā)用于運動控制系統(tǒng)的應用軟件。6、能夠基于一體電腦的硬件和微軟公司(Microsoft)的操作系統(tǒng)運行微軟公司(Microsoft)的數(shù)據(jù)庫軟件，數(shù)據(jù)庫軟件包括Access或SQLServer，這兩個數(shù)據(jù)軟件用來保存運動控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。用組態(tài)軟件或應用軟件開發(fā)的人機交互界面除了實現(xiàn)G代碼轉(zhuǎn)換為運動控制系統(tǒng)可以執(zhí)行的機器代碼外，還可以用來檢測運動控制系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)測界面，還能夠?qū)崟r顯示運行數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)顯示界面和圖像處理，通過數(shù)據(jù)庫長期保存整個運動控制系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，方便用戶的隨時查詢和長期的維護。
[0018]在圖3中，是購買的PLC和自制PLC的運動控制系統(tǒng)的算法控制，這些算法包括圓弧插補、圓插補、直線插補、自由曲線插補等，還包括運動控制系統(tǒng)中的邏輯順序控制，這些插補運算的算法和邏輯順序控制信號通過電信號傳給執(zhí)行機構(gòu)。其中，購買的PLC可以選用美國的AB、GE的PLC，或者德國的西門子(SIEMENS)的PLC，或者日本歐姆龍(OMRON)、三菱(MITSUBISHI)等品牌的PLC，或者臺灣系列的PLC。不管選用哪家公司的PLC，所選用的PLC必須帶有運動控制模塊，能夠進行精確的位置控制，或者高速的多軸聯(lián)動。
[0019]在圖4中，由于PLC的運用已經(jīng)相當普及，市面上已經(jīng)出現(xiàn)各種款式、各種類型的自制PLC，自制PLC由多個輸入端口 +光電隔離+CPU控制中心+ISP在線調(diào)試端口 +通訊模塊+運動控制模塊+光電隔離+輸出端口組成，輸入端子和輸出端子就是一般接線用的電氣端子，其中，輸出端可以是繼電器輸出、三極管或者是MOS管開路輸出或者是晶閘管輸出；光電隔離米用光I禹，例如PC817 ;CPU控制中心可以米用兩種方式:第一種方式是米用8位單片機，例如51單片機或者PIC單片機來進行控制；第二種方式是采用ARM單片機，運行嵌入式操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)應該是工業(yè)級別、高度穩(wěn)定的操作系統(tǒng)來進行控制，例如UCOS-1I操作系統(tǒng)、Vxworks操作系統(tǒng)等。通訊模塊是上位機的一體電腦和下位機的PLC的通訊接口，可以是RS232、RS485、USB等串行通訊接口，運動控制模塊也可以采用兩種方式:第一種方式是采用專用的運動控制芯片，例如MCX312、MCX314等；第二種方式是采用CPLD / FPGA的方式，自己開發(fā)運動控制的算法，例如圓弧插補、直線插補等。帶邏輯順序控制和運動控制算法的自制PLC可以通過C語音進行編程和在線修改(ISP)。
[0020]在圖5中，是執(zhí)行機構(gòu)的部分，也就是直線電機系統(tǒng)部分，直線電機系統(tǒng)由直線電機和直線電機驅(qū)動器兩部分組成，直線電機系統(tǒng)接受來自PLC的控制信號，同時將直線電機的一些數(shù)字信號傳給PLC，這里所說的直線電機系統(tǒng)既可以是單軸運動，也可以是多個電機組成的聯(lián)合系統(tǒng)，X軸、Y軸、Z軸、U軸、V軸等，通過多軸的聯(lián)合組成多軸的運動控制系統(tǒng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高精度的控制。
【權利要求】
1.一種分工明確、難度分化的基于直線電機、一體電腦和PLC的多軸運動控制系統(tǒng)，其特征是:由上位機的一體電腦、下位機的PLC和執(zhí)行機構(gòu)的直線電機三部分組成，其中，一體電腦與PLC通過相互通訊的電腦總線構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，PLC與直線電機通過控制線和信號線構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。
2.根據(jù)權利要求1所述基于直線電機、一體電腦和PLC的多軸運動控制系統(tǒng)，其特征是:一體電腦應該具備以下六個特征:1、電腦主機和電腦顯示器集成到一個外殼內(nèi)，具有老式觸摸屏安裝方便的特點。2、采用新式觸摸屏替代傳統(tǒng)的鼠標和鍵盤，在一體電腦中安裝驅(qū)動程序和控制電路正常運行后，能夠完全勝任傳統(tǒng)的鼠標和鍵盤的工作。3、能夠安裝美國微軟公司(Microsoft)的操作系統(tǒng),例如Windows XP。4、能夠基于一體電腦的硬件和微軟公司(Microsoft)的操作系統(tǒng)運行功能強大的組態(tài)軟件，例如iFIX，并且利用組態(tài)軟件能夠開發(fā)用于運動控制系統(tǒng)的應用軟件。5、能夠基于一體電腦的硬件和微軟公司(Microsoft)的操作系統(tǒng)運行微軟公司(Microsoft)的應用軟件Visual C++或Visual C#，并且利用這兩個應用軟件開發(fā)用于運動控制系統(tǒng)的應用軟件。6、能夠基于一體電腦的硬件和微軟公司(Microsoft)的操作系統(tǒng)運行微軟公司(Microsoft)的數(shù)據(jù)庫軟件，數(shù)據(jù)庫軟件包括Access或SQLServer,這兩個數(shù)據(jù)軟件用來保存運動控制系統(tǒng)工作時候的數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權利要求1所述基于直線電機、一體電腦和PLC的多軸運動控制系統(tǒng)，其特征是:PLC(Programmable Logic Controller,可編程邏輯順序控制器)可以采用兩種方式實現(xiàn):1、購買帶有運動控制模塊的PLC，PLC可以選用美國的AB、GE的PLC，或者德國的西門子(SIEMENS)的PLC，或者日本歐姆龍(OMRON)、三菱(MITSUBISHI)品牌的PLC，或者臺灣系列的PLC。2、自制PLC(Programmable Logic Controller,可編程邏輯順序控制器)，其硬件電路板的功能結(jié)構(gòu)為:輸入端口 +光電隔離+CPU+ISP在線調(diào)試端口 +通訊模塊+運動控制模塊+光電隔離+功率放大+輸出端口。其中,CPU可以米用兩種方式實現(xiàn),一種是基于51單片機或PIC單片機，另外一種是ARM單片機或DSP+嵌入式操作系統(tǒng)，嵌入式操作系統(tǒng)應該是工業(yè)級別、高度穩(wěn)定的操作系統(tǒng)，例如UCOS-1I操作系統(tǒng)、Vxworks操作系統(tǒng)。其中，運動控制模塊采用兩種方式實現(xiàn)，一種是基于運動控制芯片實現(xiàn)運動控制算法，例如MCX312、MCX314，另外一種是采用CPLD / FPGA芯片開發(fā)運動控制算法。其中，通訊端口采用RS232或RS485或USB實現(xiàn)。其中，功率放大采用繼電器或三極管或MOS管或晶閘管實現(xiàn)，三極管和MOS管采用開路輸出。
4.根據(jù)權利要求1所述基于直線電機、一體電腦和PLC的多軸運動控制系統(tǒng)，其特征是:直線電機系統(tǒng)由直線電機和直線電機驅(qū)動器兩部分組成，直線電機系統(tǒng)接受來自PLC的控制信號，同時將直線電機的一些數(shù)字信號反饋給PLC，這里所說的直線電機系統(tǒng)是多個電機組成的聯(lián)合系統(tǒng)，例如X軸、Y軸、Z軸、U軸、V軸，通過多軸的聯(lián)合組成多軸的運動控制系統(tǒng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高精度的控制。
【文檔編號】G05B19/418GK103809560SQ201410026995
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年1月20日 優(yōu)先權日:2014年1月20日
【發(fā)明者】李鑫 申請人:李鑫