运动控制技术实验教学平台的开发

徐明旭, 呼 烨, 邹 青， 张 富， 朱晓翠

(吉林大学 机械科学与工程学院，吉林 长春 130025)



运动控制技术实验教学平台的开发

徐明旭, 呼 烨, 邹 青， 张 富， 朱晓翠

(吉林大学 机械科学与工程学院，吉林 长春 130025)

运动控制是数控加工设备和电子控制设备的关键技术，为满足现有运动控制技术实验教学需求，以XY工作台为主要结构，采用PC机+运动控制卡的控制模式，利用Visual C++ 2010开发了运动控制技术实验教学平台。该实验平台可以完成“直流伺服电机位置阶跃响应”、“二维插补原理及实现”、“单轴电机运动控制”等实验。本实验系统采用了模块化设计思想和工业化制造标准，具有广泛应用前景。该实验教学平台还为“卓越工程师教育培养计划”班的学生，预留了开发系统扩展功能的数据接口，以便充分发挥精英人才的自主学习和开拓创新能力。

运控控制；XY工作台； 数控； 实验教学

0 引 言

数控机床作为当今制造业广泛使用的高科技产品，已成为本科实践教学环节不可缺少的一部分。数控技术集成了多个学科和专业的知识，如精密/超精密加工、自动控制、数字电路、气压与液压传动、机械设计以及电力电子等[1]。针对机械类专业的实践教学，大部分院校开设了金工实习、CAD/CAM综合实验、数控加工与编程等实验课程, 不难看出，其侧重于机械设计、机械加工本身。另外，在机械类专业中也开设了单片机原理、微机控制、控制原理等大量非机械类课程, 但它们在实验教学上普遍缺乏有力的支撑；而且在实验内容设计方面，往往只是针对某一门课程的一个知识点进行实验验证[2]。这样的实验教学效果是，学生只是掌握了每一门课程中知识点，而没有将所学的机械类课程与非机械类课程的知识点综合起来。这样培养出来的学生，每个知识点都掌握了，但是当面对实际问题时，无法提供整体的解决方案。

为了满足机械类相关专业对机械运动和控制实验教学的需求，国内很多高校大都采用现有运动控制教学产品来组建实验平台。目前，比较常见的运动控制教学产品有美国LEGO 公司的RCX[3-4]、固高科技(香港)有限公司开发的GXYZ工作台[5]、广州双龙公司的SL积木式机器人和上海广茂达公司的能力风暴智能机器人等。这些产品的共同特点是屏蔽了底层的硬件细节[3], 并对底层运动控制系统主要功能及数控G代码编译动态库进行了封装，很难在原有基础上添加新的控制策略或扩展新的功能，无法与我国高校机械类专业开设的机电传动、单片机、数控技术、控制理论等课程的后续实践环节紧密结合。

为此，我们根据运动控制实验教学需求，研发了一种运动控制技术实验教学平台。该实验平台可以完成“直流伺服电机位置阶跃响应实验”、“ 二维插补原理及实现”，“单轴电机运动控制”等实验，同时，还预留了开发系统扩展功能的数据接口，可以根据需要进一步开发和升级。

1 实验教学平台的机械结构

实验教学平台采用滚珠丝杠传动的模块化XY工作台，用于实现目标轨迹和给定动作[6]。工作台的执行装置为交流伺服电机，安装在电机轴上的增量码盘充当位置传感器，用于间接测量工作台的移动距离(见图1)。

图1 实验教学平台机械结构

为了演示数控机床的直线、圆弧插补原理，实时记录工作台的运动轨迹和动作效果，同时工作台上还安装有绘图板和笔架装置，绘图板可擦写，笔架可以在程序的控制下抬起或落下，该动作通过电磁铁通、断电来实现，电磁铁的通断电信号由控制卡通过IO口给出。

2 实验教学平台控制系统构建

2.1 硬件设计

该控制系统以PC机、运动控制卡和信号输入/输出卡为基础，构建实验教学控制系统平台。该数控系统的硬件结构组成如图2所示，运动控制卡与PC 机通过PCI 接口连接，形成PC+运动控制卡双CPU 控制模式[7-9]。

图2 数控系统硬件结构组成图

PC 机主要负责人机交互、实时显示、参数设置和发送指令等系统管理工作，运动控制卡上专用CPU 负责对x、y轴两个运动方向步进电机的控制，接受PC机CPU的指令，处理所有运动控制的细节，例如：加减速计算、行程控制、多轴插补、脉冲和方向信号的输出等运动控制，实现实验教学平台的运动控制。信号输入/输出卡主要用于笔架升降装置的开关控制，同时完成对系统的输出状态、XY工作台的运动位置、电气开关状态、原点和限位开关等信号的检测；另一方面，将这些信号及时反馈给PC机，以完成实验教学平台控制系统的各种实时控制任务。

2.2 软件设计

该实验教学平台控制软件以Visual C++ 2010作为开发工具，采用面向对象和模块化思想进行开发。根据该实验平台的实际需求，该软件适用于多个实验内容，例如“直流伺服电机位置阶跃响应实验”、“二维插补原理及实现”、“单轴电机运动控制”等实验[10]，同时为后续新实验的开发提供数了据接口，软件控制流程图如图3所示。

运动控制卡在软件设计方面提供了运动控制DOS库函数，及适用于VC、VB、Delphi等Windows开发环境下的DLL函数库，并且底层封装了两轴运动控制系统的主要功能及数控G代码编译动态库，并可根据实际实验教学需求，动态配置相关实验模块[11]。在实际软件编程过程中，只需将这些函数库添加到主函数的头文件中，并把相应的DLL函数库添加到相应的文件夹中，这样可以根据需求来调用这些DLL函数，极大地简化了编程过程和软件结构[12-13]。

另外，该软件还提供了开放式数据接口，学生可以根据各自实验要求，自主编程和开发专用的运动控制实验，让学生了解软件的底层细节，真正掌握运动控制方面的相关知识。

图3 控制软件流程图

2.3 控制系统人机界面设计

Visual C++ 2010提供了丰富的控件工具，极大地方便了人机界面设计。该控制系统人机界面设计的关键是控制代码编写及窗体设计。其中，控制代码编写主要是根据运动控制类型合理调用底层的DLL函数，并将运动参数传递给DLL函数，然后利用Visual C++ 2010编写可视化图形界面，实时显示电机各运动参数(速度、加速度、位置)曲线，并通过坐标映射实时显示实际的运动轨迹[14]。窗体设计的核心是控件的合理选择及控件事件的响应，在编写控件事件的响应时，需合理调用运动控制卡为用户提供的DLL函数库，以简化编程。

运动控制实验教学系统是一套集成的系统，包含多个实验内容，如图4、5所示。其中，图4为直流伺服电机实验界面，该界面可以完成“直流伺服电机位置阶跃响应实验”、 “单轴电机运动控制”等实验。在“直流伺服电机位置阶跃响应实验”中，通过设置PID参数和电机运动目标位置，点击“开始”按钮，电机开始运动，同时界面中实时绘制电机位置响应曲线；根据所选择的运动模式，通过合理设置加速度、速度、目标位置等参数，获得相应的实验结果，通过对实验结果的分析，得到不同实验参数对运动模式的影响规律。

图4 直流伺服电机实验界面

图5 二维插补实验界面

图5为二维插补实验界面，可以完成“二维插补原理及实现”实验，根据计算机图形学原理，开发了计算机屏幕仿真和实时动态显示模块，可以在实际插补实验之前，通过设置起点和终点坐标、加速度、合成速度、插补方式及x、y坐标刻度，预先在计算机上对实际插补过程进行仿真，以检验插补过程的正确性。另外，通过控制笔架的起落及x、y轴运动，在绘图板上绘制插补轨迹，同时，在计算机屏幕上实时显示插补过程，使学生通过计算机屏幕观察、监控实际的插补过程，及时处理有可能发生的意外情况，让学生更加真实、直观地了解数控插补原理及实现方法。

该软件除了可以完成上述实验以外，还为后续新实验的开发提供了开放的数据接口，例如后续还可以开发“PID控制器的基本控制作用”、“数控代码编程”等实验。

3 结 语

本文研究和开发的运动控制技术实验教学平台以XY工作台为基础，采用PC机+运动控制卡的控制模式，控制方式灵活。通过人机界面实现对XY工作台的控制，实时显示电机的运动参数及XY工作台的运动轨迹。实验教学平台的系统硬件结构简单，具有良好的可靠性和开放性，具有一定的二次开发功能。所开发的控制软件具有良好的人机交互界面及可移植性，便于教师和学生自主开发不同功能的应用程序。这些扩展功能为“卓越工程师教育培养计划”班级的学生创造了有利条件，有助于提高他们的自主学习能力及动手实践能力。

[1] 朱 胜,王 南.运动控制课程教学改革研究[J].教育，2013(7):50-51.

[2] 朱艺锋,郑 征,余发山,等.专业课程“运动控制系统”的课堂教学方法探析[J]. 实验室研究与探索，2013(11):374-377.

[3] 吴 钢,何岭松.简易运动控制实验教学平台的设计[J]. 实验技术与管理,2007(7)：79-85.

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[6] 朱晓明,徐 岩,赵晓丽,等.基于XY教学平台的汉字书写系统设计[J].实验室研究与探索, 2010，29(3):70-72.

[7] 邱润生,王惠荣.基于PC+运动控制卡的开放式数控系统的研究[J].宁夏工程技术, 2006，(4): 350-353.

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[12] 张 宏,李富平.基于PC+运动控制卡的开放式数控系统的研究[J].机械设计与制造,2008(6): 171-172.

[13] 柳叶青,邓振生,陈真诚,等.基于运动控制卡的控制系统的设计与实现[J].微计算机信息，2010(2-1):55-57.

[14] 赵有定,李 英.VC++数控插补可视化实现[J]. 机械工程师,2008(1):29-31.

Development of Motor Control Experiment Platform for Teaching

XUMing-xu,HUYe,ZOUQing,ZHANGFu,ZHUXiao-cui

(School of Mechanical Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130025, China)

Motor control plays an important role in CNC machine and electronic controls. In order to meet the demand of experimental teaching of motor control, a platform for experimental teaching of motor control was developed by using Visual C++ 2010.XY-stage is a key part in the platform. The control mode of platform is PC + motion control card synthetic control. Three or more experiment courses can be done using the platform, such as position step response of DC servo motor, the theory and realization of two-dimensional interpolation and motion control of single motor. The system of experiment platform is a good example of modular design and modern manufacturing standards, and has broad applying prospect. Several data interface was reserved for further development of extended functions in the system for students in Excellent Engineer classes, and could arouse them independent learning and innovation.

motor control;XY-stage; numerical control; experiment teaching

2015-09-14

吉林省高等教育教学研究课题；吉林大学实验技术项目(409020720062)

徐明旭(1984-)，男，河南周口人，硕士，助理工程师，从事数控技术、光学曲面加工研究。E-mail：xmx@jlu.edu.cn

TP 206+.1

A

1006-7167(2016)08-0079-03