第一章 绪论

1.1 设计内容

本文章旨在设计并开发一套三维轨迹规划与控制的三维雕刻机系统，系统主要涵盖的功能有如下几点：

• 手动功能：包括如各轴点动，主轴启停，正反转控制，速度设定等；
• 参数设置功能：各轴运动脉冲当量、轴初始速度、加速度、运行速度等设置；
• 自动加工功能：能够读取G代码，解释并翻译给正运动控制器调用运动函数，如三轴插补函数；
• 状态显示、动态加工轨迹显示：各轴运动位置、运动速度显示，模拟刀具加工轨迹显示（用到OpenGL，三维绘图动态链接库）；
• 报警及保护：各轴限位开关配置，急停、伺服报警、门开关信号检测及保护（MFC主控程序中调用Ontimer函数，定时检测，并及时做出保护）

经过不断的调试和加工，可以使用该雕刻机系统完成一个浮雕工艺品的实际加工。

1.2 本文内容安排

本文主要内容为三维轨迹规划与控制系统设计，内容安排如下所示：

• 第一章为绪论，主要介绍本次设计的内容、要求，并为全文脉络做了梳理；
• 第二章为运动控制系统及控制平台概述，主要介绍了运动控制的基本定义和应用，对三维总线式立体加工平台和数控加工机床坐标系也做了较为详细的介绍与解释说明；
• 第三章为EtherCAT总线技术简介，分析了EtherCAT总线技术的基本原理，特点，与其他总线技术相比的优势，总结了此次设计采用EtherCAT总线技术的优点；
• 第四章为伺服驱动器与变频器的基本原理与接线，分别介绍了伺服驱动器和西门子V20变频器的定义、工作原理、性能参数以及接线情况；
• 第五章为基于Qt的上位机软件设计，是整篇文章的重点，分别从控制器连接模块开发、参数设置模块开发、实时状态模块开发、手动模式开发、自动模式开发、OpenGL3D界面展示及改进、ui界面开发总结、特色功能开发这些方面来展开叙述，完整详细地介绍了开发的流程与细节；
• 第六章为G代码的生成与使用，首先介绍了ArtCAM软件，然后详细介绍了G代码的生成流程与使用要点；
• 第七章为作品展示，展示了本次设计雕刻出的“龙凤”两块作品，并做了一定的分析；
• 第八章为总结，总结了设计中遇到的问题，学到的知识及个人的心得体会。

第二章 运动控制系统及控制平台概述

2.1 运动控制系统概述

运动控制通常是指在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，实现机械运动的精密控制。随着制造业的快速升级，降低人工成本和缩减制造成本的需求与日俱增，促使着工业运动控制技术不断进步，出现了诸如全闭环交流伺服驱动系统、直线电机驱动技术、可编程计算机控制器、运动控制器、运动控制卡等许多先进的实用技术。

一个典型的运动控制系统主要由上位计算机、运动控制器、驱动器、伺服（步进）电机、执行机构和反馈装置来构成，如下图所示。

图2.1 运动控制系统结构图

运动控制器是以中央逻辑控制单元为核心、以传感器为信号元件，以电机/动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置，主要用于对机械传动装置的位置、速度进行实时的控制管理，使运动部件按照预期的轨迹和规定的运动参数完成相应的动作。本次实习，我们使用ZMC运动控制器，支持PC直接在线控制，非常便捷，易于使用。

目前，运动控制技术由面向传统的数控加工行业专用运动控制技术而发展为具有开放结构、能结合具体应用要求而快速重组的先进运动控制技术。与此相适应，运动控制器从以单片机、微处理器为核心或以专用芯片(ASIC)为核心处理器的运动控制器，发展到了基于PC总线的以DSP和FPGA作为核心处理器的开放式运动控制器。这种开放式运动控制器，充分利用DSP的计算能力，进行复杂的运动规划、高速实时多轴插补、误差补偿和运动学、动力学计算，使得运动控制精度更高、速度更快、运动更加平稳；充分利用DSP和FPGA技术，使系统的结构更加开放，可根据用户的应用要求进行客制化的重组，设计出个性化的运动控制器。

2.2 三维总线式运动控制实验平台概述

2.2.1 三维总线式立体加工平台

试验台由三部分组成：三轴XYZ旋转主轴三位雕刻机械、电气部分呢、控制部分。如下图所示为加工平台的总体概览。

图2.2 加工平台总览

雕刻机由 XYZ 三轴滚珠丝杠+导轨组成，滚珠丝杠把伺服电机的旋转运动变成直线运动。丝杠旋转一圈的运动距离是 5mm（丝杠导程）。滚珠丝杠是工具机械和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。下图为雕刻机的结构示意图。

图2.3 雕刻机结构示意图

电气部分包含3个迈信 EP3E-GL1A8-EC 总线型伺服驱动器，2个200W伺服电机，1个带抱闸伺服电机。西门子变频器6SL3210-5BB17-5UV1+800W高速主轴电机。急停开关、门限位开关，XY 三轴左右限位开关。三个伺服电机编码器旋转一周产生217个脉冲。

控制部分采用正运动EtherCAT运动控制器，支持60/30个EtherCAT/RTEX数字伺服轴，支持EtherCAT/RTEX/脉冲3种类型轴混合插补。支持ZBasic多任务编程，支持直线插补、圆弧插补、螺旋线插补、空间圆弧、支持速度前瞻，电子齿轮、电子凸轮、运动叠加、比较输出、支持多任务，多轴组，多机械手协同运动。

2.2.2 数控加工机床坐标系

在数控编程时为了描述机床的运动，简化程序编制的方法及保证记录数据的互换性，数控机床的坐标系和运动方向均已标准化，ISO和我国都拟定了命名的标准。机床坐标系（Machine Coordinate System）是以机床原点O为坐标系原点，并遵循右手笛卡尔直角坐标系建立的由X、Y、Z轴组成的直角坐标系。如下图所示。

图2.4 右手笛卡尔坐标系

其中，坐标原则有：遵循右手笛卡尔坐标系；永远假设工件是静止的，刀具相对于工件运动；刀具远离工件的方向为正方向。

第三章 EtherCAT总线技术简介

传统以太网的通信过程是每个节点接收、处理、转发数据包按次序进行。 EtherCAT 改造了这个过程，在特殊硬件 IP 核的帮助下，EtherCAT可以同时传输和处理以太网数据包。每个从站节点都有现场总线内存管理单元FMMU（Fieldbus Memory Manage Unit），FMMU的功能是对经过从站节点的数据包进行地址分析，如果发现该数据包中有属于本节点的数据则会读取该数据并同时转发报文至下一个设备。同样地，在报文经过的时候也可以插入数据。读取→插入→转发数据的整个过程都由硬件来完成， 因此报文传输的实时性将由具体物理层器件的性能决定。通常报文在每个节点处只有几纳秒的延迟，这使得通信的循环周期时间大大缩短，系统整体的通信效率不再受到从站所采用的处理器的响应时间影响。EtherCAT 运行原理如下图所示。

图3.1 EtherCAT运行原理

EtherCAT巧妙利用了以太网全双工通信的特点，最终形成了主从式的环形逻辑拓扑结构。实质上，每个EtherCAT 网段都可以看作一个可以接收并发送以太网报文的独立的以太网设备，只不过它没有类似的以太网控制器和处理器，取而代之的是按照特定拓扑结构级联的 EtherCAT从站。

EtherCAT这种开放式工业以太网现场总线技术有着如下的优势：

• 第一，系统结构简单、拓扑结构灵活、数据传输高效，长距离传输时信号不易受干扰；
• 第二，EtherCAT 总线技术是在传统商用以太网技术的基础上改造而来的，因此与标准以太网有着很好的兼容性；
• 第三，具有良好的同步性能，同步精度可小于1us，同步抖动可达到 20ns以下，这对于自动化控制领域来说有着举足轻重的优势。

因此，本实验采用的总线技术为EtherCAT总线技术。

预告

下一篇将介绍伺服驱动器与变频器的基本原理与接线以及基于Qt的上位机软件设计。