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第四章 伺服驱动器与变频器的基本原理与接线

4.1 伺服驱动器

伺服驱动器又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。本实习所采用的伺服驱动器为迈信EP3E伺服驱动器，具体标签如下图所示。

图4.1 EP3E伺服驱动器参数

伺服驱动器接线图如下图所示。

图4.2 EP3E伺服驱动器接线图

4.2 西门子V20变频器

变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。西门子V20变频器如下图所示。

图4.3 V20变频器

变频器接线图如下图所示。

图4.4 V20变频器接线图

该变频器采用Modbus协议进行通讯，在进行变频器频率设定及变化时，需要向Modbus相应的寄存器写入数值。但值得注意的是，写入的数值并不是设定的变频器的频率。而实要经过一定的转换，具体转换如下图所示：

图4.5 变频器设定频率计算

其中P2000代表以一个百分比或者16进制值显示/传递的频率值的基准频率；4000是16进制的常量，r2018则是我们写入寄存器的数值。也就是说设定的频率需要先与一个4000的16进制数相除，再乘以P2000所代表的基准频率才得到变频器的设定频率。

第五章 基于Qt的上位机软件设计

5.1 控制器连接模块开发

控制器连接是上位机首先要编写的一个模块。在对控制器进行操作时必须调用链接函数链接控制器，当链接成功后方可通过返回的句柄操作对应的控制器。与控制器链接的连接函数在ZAux库中也有所设计。利用ZMC_OpenEth(ipaddr，&g_haddle)函数链接控制器，返回值为0时表示链接成功，非零则表示失败。

具体连接控制器的模块编写按照如下步骤：

• 创建新的groupbox，并命名为“控制器连接”；
• 在groupbox引入combobox控件，并内置两个IP地址，分别是“0.0.1”和“192.168.0.11”；
• 引入两个pushbutton控件，分别命名为“连接”和“断开”；
• 编写用于连接的槽函数和断开的槽函数，主要是检测ZMC_OpenEth()函数的返回值，并修改ui上的显示；
• 编写连接失败后的警告窗口，并将窗口信息提示为“连接失败”；
• 对groupbox内的控件进行布局，尽可能地美观和人性化；
• 对控制器连接的功能进行测试，观察其是否能够连接到仿真器和实验室的控制器。

完成上述步骤的控制器连接开发并运行Qt上位机后，可以看到编写完成后的控制器连接界面如下图所示。

图5.1 控制器连接界面

5.2 参数设置模块开发

参数设置主要包括轴参数的初始化和加工速度及加速度方面的设置。实时状态模块主要用以展示XYZ轴三个轴的运动状态和实时速度、位置等，轴的实时状态对反映后期雕刻过程中的运行状态十分有用。

轴参数初始化设置包括XYZ轴的参数初始化设置。具体包括脉冲当量、正负限位和正负限位IO和回零IO等。

按照如下步骤进行轴参数初始化设置的开发：

• 新创建一个groupbox的对象用以装载各参数文本框；
• 创建一个QFormLayout的布局并新增六条LineEdit，内容分别对应“脉冲当量”、“正限位”、“负限位”、“正限位IO”等，并给定其默认值；
• 重复以上过程三次，或者建立循环实现，同时将groupbox的对象分别命名为“X轴”、“Y轴”、“Z轴”。
• 参数设置的模块开发类似上述轴参数初始化的设置，在此不再赘述。完成上述过程后，可以看到如下的模块显示：

图5.2 参数设置模块展示

5.3 实时状态模块开发

实时状态模块由于在显示雕刻机运行状态方面有重要的作用，因此该模块所在的groupbox继承于widget_right，与OpenGL3D模块在同一个展示界面。

• 按照如下步骤进行该模块的开发工作：
• 创建一个groupbox的对象用以装载各个参数文本框
• 创建一个QFormLayout的布局并新增三条横排内容，内容分别对应“状态”、“位置”、“速度“等，其中这三个的内容对应全局私有变量；
• 重复以上过程三次，或者建立循环实现，同时将groupbox的对象分别命名为“X轴”、“Y轴”、“Z轴”。
• 建立好上述显示模块后，后续还需要编写定时器事件，每隔一定时间更新上述各轴的实时状态，运行状态示例如下所示：

图5.3 实时状态模块展示

5.4 手动模式开发

手动模式的开发旨在能够利用按键实现雕刻平台XYZ轴各个方向的移动。这也为实现手动对刀实现了可实现的可能性。

按照如下步骤进行手动控制的开发：

• 新建一个groupbox对象，并命名为“手动控制”；
• 新建一个PushButton对象，这里以X轴正运动方向举例；
• 写出对应该PushButton对象的槽函数，包含pressed和released两种方式。按下时调用ZAux辅助函数库中的ZAux_Direct_Single_Vmove()函数，进行点动控制；
• 类似X轴正运动方向点动的开发，建立for循环实现XYZ轴共六个按键，并编写相对应的槽函数；
• 调用FontAwesome开源字体库，给pushbutton对象增加图标，FontAwesome网页如下图所示；
• 对上述按键进行布局，这里采用网格布局；

图5.4 FontAwesome开源字体库

以上完成后，可以看到手动模式的ui界面如下图所示：

图5.5 手动控制ui界面

经测试后，发现手动控制的效果良好，能够根据按键按下进行相应方向的移动，并由于编写过加减速模块，因此手动控制时可以看出在XYZ轴移动时，可以看出其存在加减速效果。

5.5 自动模式开发

自动模式的开发旨在能够在完成对刀之后，直接导入写好的G代码文件，按照指令自动完成各种雕刻任务。

按照如下步骤进行自动模式的开发：

• 新建一个PushButton对象，并命名为“导入文件”；
• 新建一个LineEdit对象，用来显示文件路径，新建一个TextEdit对象，用来显示文件内容；
• 新建六个PushButton对象，分别为“启动”、“暂停”、“继续”、“坐标清零+清屏”、“对刀点记忆”和“对刀点恢复”；
• 新建Label对象：G代码总数、进度、已用时间、剩余时间，并设置好进度条的取值范围；
• 写出所有PushButton对象的槽函数，均采用clicked方式。在“导入文件”的槽函数中，首先将G00设置为默认值，并且默认坐标移动为绝对值，将已用时间、剩余时间等信息均置零。然后根据获取文件信息、获取文件名字、获取文件后缀、获取文件绝对路径，逐行读取文件并放入文本框中，最后关闭文件。“暂停”的槽函数中，调用ZAux辅助函数库中的ZAux_Direct_MovePause函数停止刀具的运动；“继续”的槽函数中，调用ZAux辅助函数库中的ZAux_Direct_MoveResume函数来继续刀具的运动；“坐标清零”的槽函数中，调用ZAux辅助函数库中的ZAux_Direct_MoveAbs函数对刀具的三维坐标进行清零处理；“对刀点记忆”的槽函数中，调用ZAux辅助函数库中的ZAux_Direct_GetDpos函数来获取轴位置，再放回刀点记忆的数组中，若想要恢复对刀点，则同样调用ZAux_Direct_MoveAbs函数来进行恢复坐标；
• 调用FontAwesome开源字体库，给pushbutton对象增加图标；
• 对上述按键进行布局，这里采用网格布局。

以上完成后，可以看到自动模式的ui界面如下图所示：

图5.6 自动控制ui界面

导入一个简单的雕刻图案作为测试，可以发现对刀完成启动后，自动模式能实时显示G代码总数、已用时间（G代码已运行行数）和剩余时间（G代码未运行行数），同时进度条也能清楚地提醒用户当前的进度，剩下的三维显示部分在OpenGL3D界面展示中。

预告

下一篇将介绍基于Qt的上位机软件设计（下）以及G代码的生成与使用和作品展示。