实验一系统认知与基本运动控制 1. 实验目的 1) 掌握运动控制系统的组成和基本工作原理 ; 2) 了解运动控制器伺服驱动器和伺服电机的基础知识 ; 3) 实现伺服驱动器的启

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计巴
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1 基于 LabVIEW 的运动控制系统实验指导书上海理工大学机械工程学院专业实验中心 2014 年 11 月 1

2 实验一系统认知与基本运动控制 1. 实验目的 1) 掌握运动控制系统的组成和基本工作原理 ; 2) 了解运动控制器伺服驱动器和伺服电机的基础知识 ; 3) 实现伺服驱动器的启动和停止 ; 4) 实现运动控制轴的切换 ; 5) 实现伺服电机的速度控制 (Jog 控制 ); 6) 实现伺服电机回原点和光电开关检测 ; 7) 进一步掌握 LabVIEW 循环结构条件结构和事件结构, 建立数据流概念, 掌握布尔控件的机械动作, 学习程序错误处理 2. 运动控制系统 2.1 系统构成运动控制系统由一套台式计算机,1 个运动控制器 ( 卡 ),2 个伺服驱动器, 1 个直线电机,1 个伺服电机 + 滚珠丝杠传动装置组成运动控制器为 PCI 卡, 安装在计算机主板上, 可以实现 2 轴控制, 其中 0 轴为直线电机, 1 轴为滚珠丝杠台式机上运行 LabVIEW 程序, 通过动态链接库实现各种运动控制功能 2.2 运动控制系统工作原理 1) 人机界面 : 一般由上位机或触摸屏完成人机交互功能, 本系统为 LabVIEW 编程环境, 通过编程实现对运动控制器的参数设置运动控制等 2) 运动控制器 : 是整个系统的核心, 其功能主要是接收运动控制信号及参数, 做出运算, 把控制输出送到相应的伺服驱动器 3) 伺服驱动器 : 受控于运动控制器, 接收到运动控制指令后, 按指令要求, 2

3 控制电机等执行机构完成动作 4) 执行机构 : 受控于伺服驱动器, 是整个系统的动力源系统中每一个动作都来自这里, 所说的运动控制, 其实也就是对执行机构的控制, 本系统的执行机构是伺服电机和直线电机 5) 反馈装置 : 反馈装置是运动控制系统中比不可少的组成部分, 一般都安装在执行机构上, 本系统是编码器 ( 伺服电机 ) 和直线光栅 ( 直线电机 ), 可以对执行机构的位置速度等进行测量并反馈到伺服驱动器 2.3 运动控制基本步骤 1) 硬件初始化 (Initialize Hardware): 初始化安装在 PC 的运动控制卡 2) 设定控制轴编号 (Set Axis No): 编号从 0 开始, 一般 2 轴编号为 0,1 3) 参数设定 (Set Parameters): 设定 Unit/Pulse, 脉冲输出方式等参数 4) 启动伺服驱动器 (Servo On) 5) 原点检测 (Home Search): 进行移送机械部的原点检测 6) 绝对位置驱动 (Move Absolute Position): 以绝对位置命令移动 7) 相对位置驱动 (Move Relative Position): 以相对位置命令移动 8) 连续驱动 (Move Continuously): 按一定的速度连续移动 9) 监控指令位置及实际位置 (Monitor Command Position and Actual Position): 监控指令位置及实际位置 10) 监控输入接点信号 (Monitor Input Signals): 监控限位传感器等的输入信号 11) 关闭伺服驱动器 (Servo Off) 12) 结束硬件 (Hardware Closing): 结束 ( 解除 ) 硬件后从程序退出 3

4 3. 实验步骤 3.1 运行 LabVIEW 程序 ; 3.2 新建一个 VI, 命名为运动控制 1, 保存在 D 盘根目录 ; 3.3 建立第一个 While 循环在程序框图中建立一个 while 循环结构, 设置循环时间 200ms, 在前面板添加停止按钮, 将名称改为程序退出, 机械动作设为单击时转换 ; 在程序框图中将程序退出按钮连接在 while 的循环条件接线端 ( 红色 ) 3.4 运动控制初始化 1) 通过以下四个函数 ( 子 VI) 实现运动控制的初始化工作序号函数名称功能 1 库初始化.vi 初始化运动控制卡的动态链接库, 并判断初始化结果 2 AxmInfoIsMotionModule.vi 检测运动控制卡是否安装在 PCI 插槽 3 AxmInfoGetAxisCount.vi 检测运动控制卡能控制的轴数 4 LoadParaAll.vi 调用运动控制卡的设置参数 2) 初始化函数在程序中的位置 : 由于初始化工作只需要执行一次, 因此可以放在 While 循环的外侧自动执行一次 3) 在前面板添加 3 个方形指示灯, 分别命名为库初始化成功安装运动控制卡和调入参数结果, 添加一个 I32 长整型显示控件, 命名为轴数 4) 在程序框图中添加初始化子 VI, 点击右键, 用选择 VI 的方法, 函数位置 :D:\ 运动控制卡函数库 \ 初始化函数库, 选择库初始化.vi AxmInfoIsMotionModule.vi AxmInfoGetAxisCount.vi 和 LoadParaAll.vi 子 VI 5) 添加 2 个条件结构 : 添加条件结构的目的是检测每个初始化 VI 的返回值, 例如 : 只有当库初始化成功为真时才能执行下一个函数 AxmInfoIsMotionModule.vi, 如果库初始化成功为假, 则进入错误处理程序, 程序不会继续执行, 而是退出 4 个子 VI 的参数或返回值如下 : 4

5 子 VI 库初始化 AxmInfoIsMotionModule AxmInfoGetAxisCount LoadParaAll 输出接线端子名称调用成功 upstatus lpaxiscount 返回类型 6) AxmInfoIsMotionModule.vi 函数的输出为 32 位无符号整型, 需要转换成布尔量转换方法 : 添加函数 \ 编程 \ 布尔 \ 数值至布尔数组转换, 添加函数 \ 编程 \ 数组 \ 索引数组, 索引值为常量 0, 将索引数组输出连接至布尔指示灯 7) 用错误输出和错误输入 ( 黄色粗线 ) 将几个子 VI 连接起来 8) 条件结构为假时表示初始化失败, 在 ( 编程 \ 对话框与用户界面 \) 添加简易错误处理器, 错误代码等于 10( 错误代码是自己定义的, 每个错误的代码是不同的 ), 粉色错误源输入端添加库初始化失败, 对话框类型选择 continue or stop mesage 当库初始化失败后, 会弹出一个对话框, 显示错误内容和代码, 然后程序退出 9) 自己完成第二个条件结构为假时的错误处理 5

6 9) 初始化成功结果 : 程序运行后,3 个灯为绿色, 轴数等于控制轴切换和伺服驱动器启停 1) 在前面板添加布尔输入控件 ( 经典 \ 经典布尔 \ 水平开关 ), 命名为控制轴切换控件的属性中添加文本显示, 开时文本为 1 轴, 关时文本为 0 轴可改变控件的颜色 2) 在前面板添加 2 个开关, 分别命名为直线电机伺服驱动器和滚珠丝杠电机伺服驱动器 3) 在 While 循环中添加事件结构, 在事件结构边框上点击右键添加事件分支 : 分别添加值改变事件 : 直线电机驱动器值改变和滚珠丝杠电机驱动器值改变 6

7 4) 在程序框图中添加函数 AxmSignalServoOn.vi(D:\ 运动控制卡函数库 \ 位置驱动操作函数库 ) 函数作用启动和停止伺服驱动器输入端 laxisnol 选择哪个控制轴, 本系统有 2 个轴, 用 0 和 1 表示输入端 uonoff 启动和停止伺服驱动器, 伺服驱动器启动并不是让电机运动, 而是电机做好运动准备了 5) 滚珠丝杠电机驱动器控件通过布尔值至 (0,1) 值转换连接至 AxmSignalServoOn 函数的 uonoff 接线端同理连接直线电机驱动器控件直线电机驱动器的 laxisno 接线端输入值为 0( 表示 0 轴 ); 滚珠丝杠电机驱动器的 laxisno 接线端输入值为 1( 表示 1 轴 ); 事件结构左侧的类型时间等可以缩小至左下角 7

8 3.6 速度控制 (Jog) 1) 在前面板添加 3 个单精度输入控件, 分别命名为速度加速度和减速度, 速度初值为 50, 加速度初值为 200, 减速度初值为 200; 2) 添加 2 个布尔开关控件, 机械动作为保持转换直到释放分别命名为 Jog+ 和 Jog- ; Jog+ 开时文本为正向运动, 关时文本为停止,Jog- 开时文本为负向运动, 关时文本为停止 3) 在程序框图事件结构中添加 Jog+ 鼠标按下事件, 添加函数 AxmMoveVel.vi (D:\ 运动控制卡函数库 \ 位置驱动操作函数库 ),AxmMoveVel.vi 子 VI 的功能是用速度控制电机的运动, 不能指定电机的运动位置, 此 VI 的蓝色输入端连接控制轴切换输入控件将速度加速度和减速度 3 个控件连接到 AxmMoveVel.vi 的 3 个橙色输入端 (LabVIEW 中蓝色线表示整数, 橙色线表示浮点数 ) 4) 在程序框图事件结构中添加 Jog+ 鼠标释放事件, 添加函数 AxmMoveSStop.vi (D:\ 运动控制卡函数库 \ 位置驱动操作函数库 ), 此函数的作用是让电机停止运动函数的蓝色输入端连接控制轴切换输入控件即通过鼠标控制电机的运动, 鼠标按键按下电机开始运动, 鼠标按键抬起电机停止 8

9 5) 自己完成 Jog - 鼠标按下事件和 Jog - 鼠标释放事件思考 :Jog- 是让电机反方向运动, 如何实现? 3.7 程序退出 1) 在事件结构中添加程序退出值改变事件添加顺序结构, 按顺序添加关闭驱动器 ( 函数 AxmSignalServoOn.vi), 00 表示关闭 0 轴驱动器,10 表示关闭 1 轴伺服驱动器 ( 第 2 个 0 表示关闭伺服驱动器 ) 延时 ( 因为驱动器的关闭需要时间 ) 和退出在最后的顺序结构中, 将 2 个驱动器的控件状态恢复为 False( 目的 : 实际的伺服驱动器关闭了, 对应的控件也要关闭恢复到假的状态 ) 2) 用错误输入和输出连线将 VI 连接起来, 在 while 循环右侧添加关闭库.vi (D:\ 运动控制卡函数库 \ 关闭函数库 ), 右键点击关闭库的输出端, 创建错 9

10 误显示 3.8 第二个 While 循环 1) 在程序框图中添加第二个 while 循环结构, 设置循环时间为 50ms, 在前面板添加布尔按钮, 名称改为循环 2 退出 2) 思考并完成 : a) 如何用第一个 While 循环的程序退出按钮实现两个 While 循环的同时退出 ; b) 隐藏循环 2 退出 ; c) 实现程序启动后循环 2 退出的状态为假, 不然当程序第二次启动后, 上一次循环 2 退出的状态为真, 会导致第二个 While 循环不能工作 3.9 位置状态检测 1) 在前面板添加 3 个单精度显示控件, 分别命名为命令位置实际 ( 反馈 ) 位置和位置偏差 ; 为了使前面板简洁, 在程序框图中, 右键点击错误输出, 执行隐藏显示控件 2) 在程序框图 While 循环 2 中添加函数 AxmStatusGetCmdPos.vi 和 AxmStatusGetActPos.vi(D:\ 运动控制卡函数库 \ 检测状态函数库 ); 将命令位置显示控件连接到 AxmStatusGetCmdPos.vi 的橙色输出端, 将实际 ( 反馈 ) 位置显示控件连接到 AxmStatusGetActPos.vi 的橙色输出端序号函数名称功能 1 AxmStatusGetCmdPos.vi 返回电机的命令位置 ( 运动控制卡发出的位置信息 ) 2 AxmStatusGetActPos.vi 返回电机的实际位置 ( 由传感器反馈到伺服驱动器, 再返回到运动控制卡 ) 3) 由于采用了传感器检测信号的细分技术, 所以 GetActPos 子 VI 返回值的 2 倍等于 = 实际 ( 反馈 ) 位置位置, 因此偏差 = 命令位置 - 实际位置 x2 将计算出的位置误差连接到位置偏差显示控件 10

11 3.10 电开关状态检测 1) 在前面板添加 4 个指示灯 (\ 现代 \ 布尔 ), 分别命名为 +End Limit -End Limit Home 和 In Motion 2) 在程序框图 While 循环 2 中添加函数 AxmHomeReadSignal.vi ( D:\ 运动控制卡函数库 \Home Search) 检测原点传感器信号变化添加函数 AxmSignalReadLimit.vi 实现正负极限位置的检测 ; 添加函数 AxmStatusReadInMotion.vi 表示运动的正在进行 ( D:\ 运动控制卡函数库 \ 检测状态函数库 ) 序号函数名称功能 1 AxmHomeReadSignal.vi 返回原点处的光电开关状态, 例如光被挡住, 则表明电机回到了原点位置 2 AxmSignalReadLimit.vI 返回 2 个极限位置光电开关的状态, 如 +End Limit 为真, 即表示电机达到了正极限位 3 AxmStatusReadInMotion.vi 返回值表示电机是否在运动, 如果返回值为真, 表示电机正在运动中, 如果返回值为假, 则表示电机处于停止状态上述 3 个函数的输入端连接至控制轴切换此 3 个函数的输出为 32 位无符号整型, 需要转换成布尔量 11

12 3.11 电机回原点 (Home Search) 1) 在前面板添加开关 Home Search, 机械动作设为单击时转换 2) 在事件结构中添加 Home Search 值改变事件 ; 添加函数 AxmHomeSetStart.vi (D:\ 运动控制卡函数库 \Home Search), 函数的功能是让电机回到原点将函数 AxmHomeSetStart.vi 的蓝色接线端连接至控制轴切换, 利用局部变量将 Home Search 开关动作执行非操作 ( 目的 : 按下此按钮后自动恢复初始状态 ) 3.12 程序运行与调试 1) 程序运行, 控制轴切换在 0 轴位置时, 点击直线电机伺服驱动器, 绿灯亮时表示启动 2) 用 Home Search 让电机回原点, 观察 Home 指示灯是否亮起 3) 然后用鼠标按住 Jog+ 控件, 直线电机会向正方形运动, 鼠标抬起, 运动停止, 用鼠标按住 Jog 控件, 直线电机会向负方形运动, 鼠标抬起, 运动停止 4) 再次点击直线电机伺服驱动器关闭驱动器 5) 控制轴切换在 1 轴位置时, 用上述方法控制伺服电机 + 滚珠丝杠 6) 可以用探针方法和高亮运行分别观察程序的数据流动情况 4. 实验报告内容 1) 实验目的 2) 运动控制系统构成及工作原理 ; 3) 运动控制的基本步骤 ; 4) 伺服驱动器作用和连接示意图 ; 5) 运动控制器具体参数指标 6) 程序前面板和程序框图的截图 5. 实验报告要求 1) 字节工整, 不抄袭 2) 必须使用标准实验报告纸手写, 打印的程序截图装订在实验报告中, 纸张小于实验报告纸, 实验 5 和实验 6 装订在一起 12

13 3) 实验报告封面 : 课程名称 : 机械测试与控制综合实验 4) 实验报告以班级为单位交, 按照学号顺序叠放班长要单独在一张纸上写清楚交报告人数和未交报告人数, 希望班长认真负责 5) 不符合要求扣分 13

14 实验二复杂运动控制 1. 实验目的 1) 实现位置驱动伺服电机 (position drive ); 2) 实现绝对位置驱动和相对位置驱动 ; 3) 实现多轴位置驱动同步控制 ; 4) 画出位移曲线和速度曲线 ; 5) 实现往复控制 6) 创建子 VI 2. 实验步骤 2.1 打开实验一完成的程序 : 运动控制 1.vi(D 盘根目录 ); 2.2 位置驱动 (Position Drive) 1) 在前面板添加 2 个单精度输入控件, 分别命名为目标位置 1 和目标位置 2, 初值设为 200(mm) 与 10(mm), 此初值受电机的行程范围限制添加 2 个开关, 分别命名为 Move Target1 和 Move Target2, 机械动作设为单击时转换当点击 Move Target1 时, 电机运行到 200mm 位置, 当点击 Move Target2 时, 电机运行到 10mm 位置, 2) 在程序框图的事件结构中添加函数 Move Target1 值改变事件, 添加函数 AxmMoveStartPos.vi(D:\ 运动控制卡函数库 \ 位置驱动操作函数库 ), 此函数的功能是让电机以设定的速度和加速度运动到指定位置, 其 laxisno 输入端 14

15 连接到控制轴切换输入控件,dPos 输入端连接到目标位置 1 输入控件, 其余 3 个参数 dvel,daccel,ddecel 分别连接到速度加速度和减速度 3 个输入控件 ; 利用局部变量将 Move Target1 开关动作执行非操作 3) 同理加入 Move Target2 值改变事件再添加一个函数 AxmMoveStartPos.vi, 其 dpos 输入端连接到目标位置 2 输入控件, 其余同上, 利用局部变量将 Move Target2 开关动作执行非操作 2.3 急停 (Emergency Stop) 前面板添加按钮, 名称改为急停, 机械动作设为单击时转换 ; 程序框图中急停值改变事件, 在事件中添加函数 AxmMoveSStop.vi(D:\ 运动控制卡函数库 \ 位置驱动操作函数库 ), 其 laxisno 输入端连接到控制轴切换输入控件, 利用局部变量将 Stop 开关动作执行非操作, 此开关用于紧急停止 2.4 绝对位置和相对位置驱动在第二个 While 循环中加入函数 AxmMotSetAbsRelMode.vi(D:\ 运动控制卡函数库 \ 参数设置函数库 ), 此函数可以实现绝对位置驱动和相对位置驱动, 绝对位置驱动是以 Home 为原点, 相对位置驱动是以当前位置作为原点请自行完成并测试 2.5 多轴同步驱动 1) 在前面板添加 2 个开关 MultiAxisPos1 和 MultiAxisPos2, 其中一个实现双轴同步的进给, 另一个实现双轴同步的返回 2 ) 在程序框图事件结构中添加 MultiAxisPos1 值改变事件, 在事件中添加函数 AxmMoveStartMultiPos.vi 可以实现双轴同步控制, 此函数的输入是通过右键点击添加右键点击 larraysize 输入端, 创建常量, 输入数值 2, 表示轴矩阵维数为 2 右键点击 lpaxisno 输入端, 创建常量, 生成 2 维数组, 输入数值 0 和 1, 15

16 表示轴矩阵维数为 2 右键点击 dppos 输入端, 创建输入控件, 改名称为 dppos1, 将控件放在事件结构外侧, 然后连接同理输入 dpvel,dpaccel 和 dpdecel 在前面板将生成的二位数组控件拉开, 输入下列参考数据数组的第一列是直线电机数据, 第二组是伺服电机和滚珠丝杠数据 3)MultiAxisPos2 同理完成 MultiAxisPos2, 需要创建 dppos2( 初值设为 10,5), 其余速度, 加速度和减速度用上一步生成的控件 2.6 显示位移和速度在程序框图中, 自行完成显示位移和速度, 要求 : 1) 只有运动时才显示位移和速度信息 2) 利用对位移求导得到速度曲线逐点求导函数位置 :\ 函数 \ 信号处理 \ 逐点 \ 积分与微分 ( 逐点 )\ 求导 ( 逐点 ) 3) 思考求导的 dt 时间如何确定? 2.7 往复控制在前面板上添加按钮, 命名为往复控制, 机械动作设为单击时转 16

17 换 ; 添加 1 个数值输入控件, 命名为往复次数, 数据类型为 I32, 颜色为蓝色在程序框图中, 添加 3 个嵌套的条件结构, 第 1 个条件结构的分支选择器为往复控制按钮, 在条件为真时, 执行第 2 个条件结构第 2 个条件结构的分支选择器为 In Motion 状态, 在条件为假时, 执行第 3 个条件结构第 3 个条件结构的分支选择器为往复次数除以 2 的余数是否等于零, 等于零执行 Move Target1 命令, 不等于零执行 Move Target2 命令每次执行完运动到指定位置后, 往复次数变量减 1, 然后赋值给本身的局部变量由于 Move Target1 与 Move Target2 命令是在事件结构中实现的, 因此在程序框图中的事件结构里, 右键点击 Move Target1 控件创建属性节点的值 ( 信号 ), 添加在第 3 个条件结构里, 可以实现 Move Target1 命令 17

18 2.8 往复控制停止思考 : 自行完成当往复次数等于零时, 往复控制自动停止, 实现方法有多种, 其中一种思路就是让往复控制按钮的状态为假保存此程序 2.9 创建子 VI (1) 新建一个 VI, 命名为 AxmMotGetMoveUnitPerPulse.VI (2) 函数原型 ( 下面截图是脉冲与运动最小单位之间关系的函数 ) (3) 在程序框图中, 鼠标右键选择 \ 函数 \ 互连接口 \ 库与可执行程序 \ 调用库函数 18

19 (4) 双击图标, 在库与路径中选择 :D:\ 运动控制卡函数库 \AXL.dll, 根据函数原型选择函数名 AxmMotGetMoveUnitPerPulse, 调用规范选择 stdcall(winapi), (5) 参数添加必须按照如下顺序添加 : 返回类型 laxisno dunit 和 dpulse 调用库函数的参数选项中, 名称 : 返回类型 ; 类型 : 数值, 数据类型 : 无符号 32 位整型 (6) 点击 + 图标, 添加参数, 名称 :laxisno, 类型 : 数值 ; 数据类型 : 有符号 32 位整型 ; 传递 : 值 19

20 (7) 点击 + 图标, 添加参数, 名称 :dunit, 类型 : 数值 ; 数据类型 :8 字节双精度 ; 传递 : 指针 (8) 点击 + 图标, 添加参数, 名称 :dpulse, 类型 : 数值 ; 数据类型 : 有符号 32 位整型 ; 传递 : 指针 (9) 子 VI 命名为 AxmMotGetMoveUnitPerPulse, 在程序框图中, 鼠标右键点击接线端子创建 2 个输入控件 ( 错误输入,lAxisNo), 3 个输出控件 ( 错误输出,dUnit,lPulse) 20

21 (10) 在程序框图的右上角, 右键点击, 选择编辑图标 (11) 图标编辑器的菜单中选择编辑 \ 清空用户图层 (12) 在图标文本中, 按照下图第一行输入 :Get; 第二行 :Unit; 第三行 :Per; 第四行 :Pulse 右面可以改变控件的颜色背景 (13) 在前面板上的右上角, 右键点击, 选择显示连线板 21

22 (14) 选择有 5 个接线端子的模式 (15) 点击模式的左上角端子, 然后再点击错误输入, 将错误输入与端子建立联系, 同理建立另外 4 个控件的关系保存程序 2.10 在事件结构中加入事件显示脉冲与运动单元之间的关系 2.11 调试程序, 运行成功后截屏 3. 实验报告要求 1) 本次实验目的 ; 2) 编码器辩向方法和倍频原理, 实验中用的是几倍频, 伺服电机编码器的分辨率是多少, 一般如何表示? 3) 直线电机上所用光栅的厂家型号材质和类型 ( 透射式反射式 ) 4) 控制器发出一个脉冲, 工作台移动的距离是多少? 如何验证?; 5) 程序前面板和程序框图截图, 贴在实验报告中 ; 6) 测控 (5)( 6) 实验后的感受和建议 22

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【主持人】：给大家介绍一下，这次的培训是我们画刊部的第三次培训，当然今天特别有幸请来著吊的摄影家李少白老师给我们讲课摄影中的陌生感和熟悉感看不见的故宫的作者李少白老师以此画册为例, 深刻分析和探讨摄影中的陌生感和熟悉感看不见的故宫这本画册最初设想分为四个章节第一章叫辉煌, 第二章叫梦想, 第三章叫神秘, 第四章叫飞歌为什么分四个

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