LabVIEW怎么做复杂的多轴运控系统(设计思路实现).docx

1.abVIEW怎么做复杂的多轴运控系统（设计思路实现）运动控制技术在国民经济和国防建设中所起的作用及其应用的范围越来越大。在工业生产中，运动控制系统既用于提高产品质量，也用于提高产品的产量。运动控制技术正在不断地深入到各个领域并迅速地向前推进，其应用范围已经涵盖了几乎所有的工业领域。随着近年来工业的发展，对各种机械性能和产品质量要求的逐渐提高，针对一台电机的控制已经不能完成一些复杂轨迹的生成，这就需要人们协调控制多台电机，由此产生了多轴运动控制系统。1.abVIEW是美国Nl公司开发的一种图形化编程语言，其功能强大，具有编程直观、简便、快捷的特点，正受到越来越多编程人士的青睐，尤其是非软件专业人员。本文采用“PC+运动控制卡”的设计方案，设计了基于1.abVlEW的多轴运动控制系统，并提出了通过1.abVIEW与外部代码进行连接的ACtiVeX技术，调用运动控制卡所提供的函数，开发了实时多轴运动控制系统软件，满足了实际工作的需求。Ol系统硬件的设计本文采用“PC+运动控制卡”模式对多轴运动控制系统进行设计。这样构造的多轴运动控制系统只需根据对被控制对象的控制要求，在WindoWS环境下设计符合用户操作的人机界面和功能程序，就可达到多轴运动控制的目的。整个多轴运动控制系统的硬件由PC机、运动控制卡、电动机、驱动器、执行机构等部分组成,PC机和运动控制卡通过PCI总线进行通信,且在PC机上利用1.abVlEW软件开发平台进行上层控制软件的设计开发，其系统结构与原理示意如图K此多轴运动控制系统是典型的上、下位机结构，便于对多轴运动控制的协调和管理提高控制的实时性PC机作为上位机，可完成对多轴运动的位置、加速度、速度等参数进行设定，完成对人机界面管理、信息显示和预处理等非实时处理任务。运动控制卡为下位机，接收来自PC机的控制信号并进行实时处理，实现运动控制算法，并根据作业的要求和传感器件的信号进行必要的逻辑微数学运算，为各电机提供正确的控制信号以完成所要求的多轴运动，且可向PC机实时返回当前运动的位置、速度等参数，以便在PC机上可经过软件编程实现运动轨迹图像的显不。图1多轴运动控制系统结构与原理示意图Fig.lStructureandprinciplediagramofmulti-axismotioncontrolsystem此多轴运动控制系统以专用的运动控制卡为独立的标准部件，运动控制卡采用的是美国Parkerhan-nifin公司生产的最新系列运动控制卡ACR1505,与同类产品相比其具有较高的性能，尤其在控制精度速度和易操作性方面表现优异，多用于较高性能的运动控制。它采用32字节浮点DSP,具有120MFOPS的处理能力，有4个30MHZ编码器的输入，使用Pel总线和上位机通信能够对四轴伺服或步进电机进行控制。电机和驱动器均采用上海鸣志公司生产的高性能产品。传感器采用增量式脉冲编码器，用于闭环伺服系统的位置检测这样可以明显缩短设计和开发周期提高系统的性能。将运动控制卡以插卡形式嵌入PC机，即构成“PC+运动控制卡”模式多轴运动控制系统。这样将PC的信息处理能力和开放式的特点与运动控制卡的运动轨迹控制能力有机结合在起，使得该多轴运动控制系统具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点。02系统软件的开发在系统的控制软件方面，通过在PC机上用1.abVIEW软件来设计开发了多轴运动控制系统的控制界面和控制程序。在系统控制界面中输入多轴运动的目标位置加速度、速度等运动控制参数，ACR1505运动控制卡就会根据此信息控制电机的运动，完成对运动轨迹的规划和对实时运动位置坐标的读取。本文采用1.abVlEW作为上位PC机软件系统的开发平台，编程方便，人机交互界面直观友好，摒弃了传统开发工具的复杂性，在提供强大功能的同时保证了系统灵活性。1.abVlEW提供了ActiveX外部程序接口能力，通过ActiveX能够方便地调用运动控制卡中的程序、控件等。通过ACtiVeX自动化1.abVIEW既可以作为客户端，也可以作为服务器作为客户端，1.abVIEW可以调用ActiveX自动化服务器中的ACtiVeX对象，获得其属性和方法，用户可以应用这些属性和方法进行编程。本文就是在1.abVIEW平台上通过ActiveX技术调用运动控制卡所提供的ActiveX自动化服务器程序中的AetiVeX对象,进行进一步的编程处理,从而实现对多轴运动的位置速度、加速度等的控制以及插补等运动控制算法的实现，完成对多轴运动控制系统的控制功能的快速开发，大大缩短了开发周期。运动控制卡ACR1505提供一个名为“Co-mACRsrvr”的ActiveX自动化服务器，这个ACtiVeX自动化服务器包含了4个可供调用的ACtiVeX对象，分别为StatUS（状态）、ContrOl（控制）、terminal（终端）和UtiHty（效用）,这些ACtiVeX对象提供了对运动控制卡操作的多种属性和方法。例如status提供了可以获取运动控制状态信息和相关数据的属性和方法;ContrOl提供了可以实现对运动控制参数如速度、位置等数据进行设置等用于控制功能实现的属性和方法。1.abVIEW可以通过调用这些ACtiVeX对象，并对它的属性和方法进行访问，实现对运动控制卡的多种控制和操作功能。其主要实现过程如图2所示。图2系统软件开发方法Fig.2Exploitationmethodofsystemsoftware03控制程序的实现要实现多轴运动控制程序，就要通过ACtiVeX自动化，将1.abVIEW作为自动化客户端，将运动控制卡提供的函数作为自动化服务器，实现1.abVIEW对运动控制卡提供的ACtiVeX对象的调用，并访问它的属性和方法。1.abVIEW中提供了丰富的有关ActiveX操作的函数，这些函数位于其程序框图的功能模板上的Connectvity-ActiveX面板上。其中主要函数有：AutomationOpen用于打开ActiveX对象，获得对象的Reference；PropertyNode用于读取或设置ActiveX对象的属性；InVOkeNode用于调用ActiveX对最提供的方法。1.abVlEW作为自动化客户端操作ActiveX对象，首先要将运动控制卡提供的软件包中名为ComACRSrvtotlb的文件拷贝到1.abVIEW软件的文件目录下。然后将AutomationOpen函数放置到1.abVIEW程序框图中，打开对ActiveX自动化功能的引用，并在此函数左上角的AutomationRefnum端子处创建一个与其相连的AUtOmatiOnRefnUm控件，由此控件进行ACtiVeX对象的选择和调用。将一个或多个方法（或属性）节点函数InvokeNode（或PropertyNOdeS）放置到程序框图中，并将AUtOmatiOnOPen函数右端的AUtOmationRefnUm输出与方法（或属性）节点的Referenceinput端连接就可以完成对该对象的方法（或属性）的访问了。访向一个ActiveX对象的多个属性和方法，要将各节点顺次首尾连接。本文设计出一个能完成多轴运动功能的程序。此程序分两个部分，分别为运动控制部分和运动显示部分。其中完成两轴运动控制的程序前面板如图3所示。选接的试J，cn*V运动速冬,Irm¼运动模式选舞）20Y位笈cm图3前面板界面Fig3Frontpanelinterface运动控制部分程序通过对control对象中的属性和方法的访问编程，并通过前面板对多轴运动的速度、加速度运动目标位置和运动模式的设置，完成对多轴运动的控制。通过运动模式选择按钮可对多轴运动控制系统的运动模式进行选择，可实现绝对运动和相对运动两种运动模式。绝对运动是将输入的目标位置参数作为新运动的绝对运动距离；相对运动是将此参数值作为新运动相对当前位置的运动距离。运动显示部分通过调用StatUS对象中的属性和方法进行编程，实现对多轴运动的实时位置坐标读取和运动轨迹显示功能。此外本程序还增加了通信连接测试和错误报告显示的功能，可通过连接测试指示灯的亮灭来显示相应的ACtiVeX对象是否被1.abVIEW程序正确调用。若控制过程中出现错误，可在错误报告栏中查看错误报告，以便作出相应处理。下面将对这两部分程序进行进一步说明：对CErd河象的JH性和方法的访l三lBO8k11TSCEIICctfrdQJ-T»aTrnpc11耳T»QTDdaQX-图4多轴运动控制程序植图Fig4MUItiTXkmotioncontrolNOCkdiagram运动控制部分的程序框图如图4所示。其中fMoveACC>fMoveVE>bMoveAbsolute属性分别用来设置运动的加速度、速度和模式。COnneCt方法用来设置控制卡与PC机的通信方式，将其设定为PCI总线方式。MoVe方法用来对运动位置和参加运动的轴数进行设置。对St*ud寸象的属性和方法的访问SuxBRf4信连按同断开连接II疝gITestCoanectDiicocDectConnect(Status:tl1GCtACRCUftortfI2WOrequest3SP12288GrtACRQwttxnrequeftK慎二itMn国国DHf*sto_人一.KISutus，nTrwksportCTDdeXI2<yg图5位坐标的读取及轨迹图形显示的程序框图FigJBlockdiagramofreadingpositioncoordinateanddisplayingtrackgraph运动显示部分的程序框图如图5所示。其中主要通过status对象的GetACRCustom方法对控制卡返回的运动位置坐标等参数进行读取。设定对位置坐标每IOmS记录一下此多轴运动控制系统当前的运动位置坐标，并生成运动轨迹图。本文采用“PC+运动控制卡”的多轴运动控制系统方案设计了基于1.abVlEW的多轴运动控制系统，并在1.abVlEW软件平台上对多轴运动控制系统的控制程序进行了开发。目前.，很多运动控制程序的开发多采用VB、VC+等软件编写,有时编写界面就占了程序编写工作的很大一部分，不利于效率的提高。本文利用1.abVIEW界面易操作性以及1.abVIEW可以调用ActiveX等功能，实现了在1.abVIEW软件平台下系统运动控制程序的快速开发。这种方法能够避免繁琐的界面编程，缩短周期，提高效率。此系统己经在水浸C扫描成像超声无损检测运动系统中得到应用,经试验测定,此系统的定位精度为±0.065mm300mm,重复精度为±0.05mm,分辨率为0.01mm,具有较高的控制精度和性能。附参考：基于1.abVlEW控制的桌面四轴机器人设计随着中国制造业的转型升级，各级企业机器换人项目的开展，以最做低的成本替换劳动力成为企业的殷切期盼。当前企业主流的做法是将六轴工业机器人运用于生产线中，替换以往工人的搬运、安装、涂胶等工作，六轴工业机器人成本较昂贵，不太适应于小企业的应用。在工业生产中，仍有很多劳动工人在从事着非常简单的工作，这部分工作通常使用四轴机器人可以完成。桌面四轴机器人的设计和研究机器人，包括一个完整的机器人系统包括机械、硬件和软件部分。设计时需要考虑结构、控制系统设计、运动学分析等部分。通过调试桌面四轴工业机器人功能达到了预期的效果。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃,应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置。从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械人的发展，使得机器人离我们日常生活越来越近。说到机器人，大家可能都会想到ABB、KUKA等国外老牌的企业生产研发的大型工业机械人，他们一般外形粗笨、充满力量，但是随之而来的还有价格高,不接地气等劣势，从而达不到消费级。在这种情况的驱使下，一种轻型的机器人桌面机器人，被国内外的机器人团队作为创业目标和工具，已在机器人产业形成了后起之势。桌面机器人能够轻松完成各种的日常动作，给面包涂果酱，为咖啡加糖，写毛笔字，操作电脑键盘，甚至穿针引线等，工业机器人末端装上3D打印喷头，它还能变身为一台桌面级3D打印机，使用塑料和食物类材料能够实现常规的3D打印。1机器人机构设计本文介绍桌面四轴机器人是由四个自由度组成的机构,其中三个自由度需要电机驱动。有一个无驱动自由度，它的动作是使执行部件通过连杆在机器人运动中能够保水平。Il机器人转盘云台设计如图1云台转盘所示，其中包括步进电机，转盘，平面滚针和相关的法兰和垫板组成。如此的做法是为了电机带动上层连杆运动时可以提高它的载重和降低对电机的损害。42步进电机轴与机箱相连接，步进电机与转盘内环相连，内环一端与两个平面滚针相连接，而另一端又与上层连接。当电机旋转时，由于轴是与机箱相连接，所以电机自身的转动带动转盘内环旋转，转盘内环由于与上层相连接，从而带动上层做一个旋转的运动。如图1所示，1步进电机是一个带减速箱的步进电机，减速箱减速比10,步进电机保持扭矩0.6N.m,电流1.96A,电阻1.9C。P=I2*R公式21Tl=9549×Pn公式22T2=T1*1O公式23由以上公式2-1,2-2,2-3可求出额定功率P=0.007KW,n=l11.405rpm,输出转矩T2=6N.mo2转盘内环，3转盘外环，3转盘外环与4外环垫板相连接。由于内环与外环之间轴向、横向都存在很大的间隙，在运动的过程中由于离心力的作用，会使转盘转动时不同心。而且1步进电机是直接与6电机法兰相连接，他们之间属于刚性连接。再者上层的连杆机构中心是偏向一边，在电机带动上层转动时对转盘的受力永远压向一边。如果在长时间高强度工作，对电机轴的影响可能会导致电机轴弯曲，从而损坏电机。需要解决的问题：间隙，受力。为了解决这些问题，把内环通过垫板连接两个平面滚针，两个平面滚针之间是与外环连接的4外环垫板。外环垫板中心有一轴套，轴套的作用是让平面滚针以轴套为中心旋转。通过这一系列的设计消除了轴向和横向的间隙，降低了电机的损伤，再者加大了载重能力。若想带动上层机构的旋转，还需要一个8机械臂旋转盘，8机械臂旋转盘与机箱之间的连接需要通过一个平面滚针连接。8机械臂旋转盘再与上层的电机支架相连接。电机旋转带动上层转动。1.2连杆机械臂设计臂驱动机构由两个步进电机组成，如图2所示。小臂驱动电机提供动力给小臂，它们之间的传动通过连杆实现。小臂驱动电机与30曲柄连接，小臂连杆一端与30曲柄连接，另一端与小臂连接。当小臂驱动电机转动通过30曲柄和小臂连杆传动，最终实现小臂的一个摆动。大臂驱动电机直接与大臂相连接，所以大臂转动直接驱动大臂摆动。除了以上最为巧妙的连杆机构在于使模块支架保持水平而不会受大臂小臂的影响。它是通过连杆固定杆与135连杆连接，其中三角连杆有三端，一端与小臂连接，另两端分别与135连杆和160连杆连接，最后160连杆与模块支架连接。从而使模块支架无论在何种运动之下都能够保持水平工作。2控制系统设计2.1 控制概况本项目的控制系统采用1.abVIEW平台开发上位机，下位机使用的是STM32单片机，它的控制原理是通过电脑上1.abVIEW所开发的上位机面板发送信息，单片机接收数据，并控制机器人的各个关节进行相应角度和反向的运动，利用连杆传动结构实现机器人的运动，具体的控制流程框图如图3所示。2.2 控制原理及应用通过在1.abVIEW中编写信息发送机制，在1.abVIEW上位机的控制面板设置笛卡尔坐标系的三个轴的控制标尺，通过选择控制尺的值来给下位机发送相应的坐标值。在1.abVIEW的程序上编写坐标点的储存机制和读取机制，并在1.abVIEW上位机的控制面板设置储存开关来对机器人的坐标点进行存储，设置特征按钮将坐标值添加上对应的特征信息，设置执行开关将所存的坐标值及特征信息发送给下位机。通过在下位机编写信息接收机制，下位机通过接收到坐标值和特征信息通过算法转换成机器人各关节所需要转过的角度值，控制机器人的各个关节上的步进电檄往对应的方向转动相应的角度值，从而使机器人终端来达到对应的坐标值。本机器人可对线路图形进行试教再现。2.3 机器人算法分析2.3.1 坐标转换算法通过几何算法就是抓住机器人系统的几何特征，运用几何的知识来求解。将机器人简化为如图6机器人简化图所示。从图4中可看出，机器人有一个基座旋转关节和三个转动关节组成，图中的实线为机器人的本体，虚线是为了方便几何计算而添加上的辅助线。其中关节2到基座的长度为dl,关节2到关节3长度为a2,关节3长度为a3这三个长度根据机器人设计工作范围计算得出。其中即为各关节由初始零位状态运动到目标位置时所旋转的角度。设基座为Z轴，向右为X轴，向前方为Y轴，建立一个坐标系，设目标物体的坐标为(x,y,z),l是第一个关节即基座关节旋转的角度，该坐标只与物体的X,y坐标有关，如图4的上部分，故有：和。2=01+兀有图4下半部分可看出关节2和4做了一修虚线，与关节2和3构成了一个三角形，设虚线长度为dis,并在4关节到1关节做一条垂直线，有此可得：(dl-z)2+x2+y2=diso这样在三角形内，根据余弦定理，可求得：这样：3=11-Phio在两条虚线和1关节轴构成的直角三角形内：故得：2=11-A-B由于机械结构的原因，此机器人关节4为从动关节，不需要进行控制就可以保持水平。通过此算法可得出对应姿态三个关节所需要的旋转的角度。2.3.2 平面曲线算法本机器人用到的曲线算法其实是采用圆弧拟合得出曲线，通过确定曲线上的节圆从而得到曲线，节圆又通过确定三个坐标值，联立圆的一般式，如图5为联立后得出的一般式三个系数的表达式。2.3.3 1.abVlEW控制界面设计机械手的上位机是在1.abVIEW平台上编写的，通过1.abVIEW自带的VISA库与下位机STM32通讯，将操控平面的坐标数据发给下位机，并且可将坐标点储存起来，当要执行试教的时候可以调出发给下位机，通过上位机的圆弧标志开关来设置圆弧试教段。图6为上位机控制界面。参考文献1濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计M.高等教育出版社，2013.冯清秀，邓星钟.机电传动控制M.华中科技大学出版社，2011.引陈周娟，宋瑞银，李虹.机械原理M.华中科技大学出版社，2013-12.4项有元，陈万米，邹国柱.基于D-H算法的自主机器人机械臂建模方法研究M.上海大学机电工程与自动化学院，沈金鑫.Arduino与1.abview开发实战IM.机械工业出版社，2013.6陈树学，刘萱.1.abVIEW宝典M.2011.