1．系統(tǒng)概述：
以工控機為核心，結(jié)合現(xiàn)有使用的控制系統(tǒng)及交流變頻器和伺服電機的種類，針對焊接機器人用數(shù)控焊接變位機的控制問題，應(yīng)用研華三軸運動控制卡pcl-832作為控制核心，建立了機器人用數(shù)控焊接變位機的高精度控制系統(tǒng)。 研究分析了焊接變位機的位置控制精度、速度和運動軌跡的控制過程，給出了負(fù)載變化和速度變化的位置控制結(jié)果，其結(jié)果滿足與弧焊機器人配合使用的精度要求。

2．系統(tǒng)配置：
基于多軸運動控制卡的伺服控制系統(tǒng)硬件組成如圖1所示：


系統(tǒng)包括：
1）pc總線工控機。選用基于ｐｃ總線的工控機ipc-610，該機擁有標(biāo)準(zhǔn)16位數(shù)據(jù)總線及組態(tài)靈活的板塊化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可根據(jù)需要配置板卡。
2）三軸交流伺服運動控制卡。三軸交流伺服運動控制卡pcl-832集成了碼盤計數(shù)器和12位的ｄ/ａ輸出，使用數(shù)字微分分析技術(shù)dda(digital differential analysis)，實現(xiàn)了高精度位置控制。特殊設(shè)計的同步信號保證三軸的同步控制，可以完成三軸線性插補或兩軸圓弧插補計算，1ms伺服控制更新，12位模擬量輸出，滿刻度為±10ｖ。能夠?qū)崿F(xiàn)精確位置控制，而且每軸都有其獨立的位置控制芯片，可以實現(xiàn)三臺交流伺服電機的完全獨立控制。本文的數(shù)控焊接變位機系統(tǒng)僅使用了其中的兩個通道。
3）開關(guān)量輸入/輸出板。開關(guān)量輸入/輸出板包括pcl-724和pcld-885。本系統(tǒng)選用的pcl- 724是數(shù)字i/o卡，24通道，實現(xiàn)內(nèi)置plc功能。通過它與機器人通訊，驅(qū)動pcld-885繼電器輸出板實現(xiàn)繼電輸出功能，主要用于與外部焊接控制器、傳感器的通訊、控制器面板指示燈開滅以及錯誤報警等。
4）伺服驅(qū)動裝置、位置檢測裝置、執(zhí)行機構(gòu)和氣缸定位裝置。

3．控制系統(tǒng)設(shè)計
3.1 位置控制過程
1）數(shù)字微分分析(dda)
dda插補控制過程是pcl-832卡工作的核心，見圖2。為了協(xié)調(diào)控制多軸伺服系統(tǒng)，各軸同時從t1時刻開始發(fā)送位置控制給定信號，同時在t2時刻結(jié)束給定信號的發(fā)送。t1與t2之間的時間區(qū)間定義為一個dda循環(huán)。循環(huán)時間由軟件設(shè)定。


dda循環(huán)中的每一個脈沖代表伺服電機轉(zhuǎn)動ｎ度，即代表一個位置給定�？梢栽谲浖袆討B(tài)地設(shè)定每個dda循環(huán)中的脈沖數(shù)，每個dda循環(huán)中的脈沖總數(shù)就反映了在該循環(huán)中位置改變的總量。對交流變頻器連續(xù)的脈沖輸出，在宏觀上表現(xiàn)為平穩(wěn)的位置改變。將脈沖發(fā)往ｃｍｄ+或ｃｍｄ-通道決定了電機的轉(zhuǎn)向，以上的所有工作均由卡上內(nèi)置的運動ｄｓｐ芯片完成，僅需在一個dda循環(huán)開始前將位置信息寫入運動控制芯片的緩沖區(qū)而已。
dda循環(huán)時間代表了控制脈沖序列的開始與結(jié)束時間段，為了保證多軸的協(xié)調(diào)控制，所有的軸使用了同一個dda循環(huán)時間。軟件設(shè)定dda循環(huán)時間可由以下公式(1)計算：
dda循環(huán)時間=0.512ms×寄存器中預(yù)設(shè)置

(1)寄存器中的預(yù)設(shè)置可以通過向dda寄存器的地址中寫入值的方法實現(xiàn)，由于dda寄存器是12位寄存器，因此寫入的最大值為4095，而最小值規(guī)定為2。根據(jù)式(1)，可知dda循環(huán)時間的設(shè)置范圍為1～2000ｍｓ。dda循環(huán)時間越短，則控制軟件的實時性越好，但如果dda循環(huán)時間取得太小，其ｃｐｕ占用率太高，則其它實時控制模塊無法正常運行，故各實時任務(wù)的執(zhí)行頻率應(yīng)依據(jù)其優(yōu)先級和最壞情況下的運行時間來選取。
2）位置閉環(huán)控制過程 pcl-832卡使用比例閉環(huán)控制獲得可靠的控制效果。卡中內(nèi)建了速度反饋環(huán)和偏移量機制來消除在輸入很小時而產(chǎn)生的靜態(tài)誤差。圖3為pcl- 832運動控制卡的功能模塊示意圖。


dda發(fā)生器通過ｃｍｄ+和ｃｍｄ-通道產(chǎn)生連續(xù)的給定脈沖。此控制脈沖與編碼盤產(chǎn)生的反饋脈沖在比較器中進行比較，其結(jié)果送入比例控制器后，由比例控制器輸出控制脈沖，控制脈沖送入誤差計數(shù)器，誤差計數(shù)器實時驅(qū)動ｄ/ａ轉(zhuǎn)換單元，完成閉環(huán)位置控制。當(dāng)dda循環(huán)發(fā)生器被軟件激活后，在下一個dda循環(huán)開始的上升沿，pcl-832將產(chǎn)生一個中斷，在中斷程序中，將dda脈沖緩沖區(qū)中的預(yù)設(shè)值ｎ送入dda發(fā)生器。數(shù)目為ｎ個脈沖的脈沖序列將在下一個dda循環(huán)中產(chǎn)生。在控制軟件中，必須在當(dāng)前dda循環(huán)完成前，將預(yù)設(shè)值送入dda脈沖緩沖區(qū)，否則在下一個dda循環(huán)中將沒有脈沖輸出。
dda發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖與反饋的碼盤脈沖經(jīng)比較器比較后送入誤差計數(shù)器。根據(jù)轉(zhuǎn)動方向的不同，誤差計數(shù)器的輸出上升或下降，由于誤差計數(shù)器直接驅(qū)動ｄ/ａ輸出，因此ｄ/ａ的輸出隨誤差計數(shù)器的輸出變化而變化，使變頻器驅(qū)動電機做出相應(yīng)的響應(yīng)。當(dāng)整個控制過程完成后，誤差計數(shù)器的值應(yīng)該為零。在非正