摘 要

本文设计的是三坐标直线平台的控制系统，设计的主要目的是在满足较高精度的要求下尽可能的实现直线平台多功能化，并在此设计基础上还能继续二次开发功能，使其可以用于精密加工系统、激光加工设备等领域。

本文设计的控制系统是以PMAC运动控制器为核心进行多轴联动控制，以直线电机直接驱动X-Y-Z三轴平台，并且三轴全部采用数字信号控制，以电主轴直接带动主轴工件或刀具，以光栅尺的反馈对三进给轴进行位置精度控制，同时对控制卡进行PID调试分析，将三坐标直线平台设计成一个精度较高的简单车削系统；通过改变电主轴的安装位置能实现车削或铣削或钻孔加工的相互转换，体现了直线平台多功能化；通过硬件接口将辅助加工设备集成到PMAC控制器，体现了二次开发功能，这需要更深一步的设计，在本次设计中并没有具体二次开发。

本文设计的控制系统是一个较为开放的控制系统，结构简单，功能多样化，可以为实验研究等提供可靠的实验平台。

关键字：PMAC控制卡；直线电机；位置闭环控制；电主轴；PID调试

Abstract

This paper is the design of control system of three axis linear platform, the main purpose of design is to meet the design requirements of high precision of the line as far as possible to achieve platform functionality, and based on this design can continue to develop two times, so that it can be used in the field of precision machining system, laser processing equipment etc..

This control system is based on PMAC motion controller as the core of multi axis control, X-Y-Z three axis platform directly driven by the linear motor, and the three axis with digital signal control, the workpiece or tool spindle directly driven by electric spindle, three axis of position precision control with feedback grating, and the PID card is analyzed, three linear coordinate platform design into a simple turning system is a high precision; conversion by changing the installation location of the motorized spindle can realize turning or milling or drilling, which reflects the linear function of the platform; auxiliary processing equipment is integrated into the PMAC controller through the hardware interface. Reflect the two development function, which requires the design further, in this design and no specific development two times.

The control system designed in this paper is a relatively open control system with simple structure and diversified functions. It can provide a reliable experimental platform for experimental research.

Key Words: PMAC control card; linear motor; position closed loop control; motorized spindle; PID debugging

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的和意义 1

1.2 开放式数控系统的国内外研究现状 2

1.3 研究的主要内容 2

第2章 三坐标直线平台控制系统的总体方案设计 4

2.1 设计要求 4

2.2 总体方案设计 4

2.2.1 系统原理结构 4

2.2.2 系统电路的设计方案 5

2.2.3 系统的控制方案设计 6

2.2.4 传动方案设计 6

第3章 三坐标直线平台控制系统硬件设计 7

3.1 三坐标直线平台的主电路设计 7

3.1.1 主电路设计说明 7

3.1.2 直线电机的选型 8

3.1.3 电主轴的选型 12

3.2 三坐标直线平台的主控制电路设计 14

3.2.1 主控制电路设计说明 14

3.2.2 PMAC运动控制卡和轴扩展卡的的介绍 17

3.2.3 驱动器选型 20

3.2.4 变频器选型 22

3.2.5 光栅尺选型 24

3.3 三坐标直线平台的辅助控制电路设计 25

3.3.1 辅助控制电路设计说明 25

3.3.2 开关电源的选择 28

3.3.3 辅助器件的选择 30

3.4 电主轴夹具设计 31

3.4.1 电主轴夹具的定位 32

3.4.2 电主轴夹具的夹紧 32

3.4.3 夹具体螺栓的校核 34

第4章 控制卡PID调试仿真和程序编写 36

4.1 PMAC运动控制卡的PID调试 36

4.1.1 比例增益 36

4.1.2 微分增益 37

4.1.3 积分增益 38

4.1.4 控制卡PID调试过程 40

4.2 程序编写 40

4.2.1 三进给轴回零程序 40

4.2.1 运动控制卡的部分PLC程序 42

第5章 总结与展望 46

参考文献 47

附录A 48

附录B 51

附B1 51

附B2 51

附B3 52

附B4 53

致谢 56

第1章 绪论

1.1 研究的目的和意义

目前传统的数控系统已经难满足我们特殊加工方式的需求；大部分数控系统都是专门设计的，控制系统是封闭式的，它们都有自己特定的编程语言，它们的语言无法相互通用，同时它们是非标准的通讯接口、非标准的硬件接口等，造成了数控系统的功能无法扩展和二次开发；使得我们无法加工一些特殊的材料和实现一些特殊的功能，功能受到了限制。

本文的三坐标直线平台在结构上以X、Y、Z三轴形成三维组合，其中X轴是作为支撑轴来使整个平台形成稳定架构，完成在三维空间内的运动操作，直线平台的主要结构形式如图1.1；它的控制系统是一个小型的开放式控制系统，作为一个小型的开放式控制系统，它的开放程度高、信息处理能力强，它可以根据自己的需求来改变直线平台的功能，通过改变主轴的位置和刀具的类型可以将直线平台改造成车床、铣床、钻床等；同时它在很大程度上提高加工的精度、软性来满足加工需求，它具有标准的接口，可以进行功能扩展和二次开发，它可以在原来的控制系统的基础上加入新的辅助器件控制，并且对原来的控制不会产生负面的影响，比如可以加入激光辅助加工的控制，可以加工一些高硬度、高脆性的材料（陶瓷和石英玻璃），这样使得机械加工的零件材料范围更加广以及加工刀具的使用寿命更长。