一种单喷头3D打印装置的运动控制系统设计 VIP免费

本章小结本章从三坐标工作台的研究背景入手，分别从运动控制理论与运动控制器的研究现状来引出运动控制系统的研究现状及发展趋势，并简略概述了本文的研究内容。第二章运动控制系统设计本文主要围绕三坐标工作台运动控制系统进行研究。作为研究的基础，本章根据课题技术要求及三坐标工作台控制原理确定了其运动控制系统总体结构，并在此基础上分析了运动控制系统的组成，从而完成了三坐标工作台运动控制系统的设计。技术要求本课题所设计的喷涂手的运动控制系统为实现3D打印材料的精确喷涂，相关的技术要求如下。(1)功能要求制系统应有利于3D血管打印的功能实现和临床应用推广，结构紧凑，布线美观，控制灵活。(2)尺寸要求基于其打印对象的尺寸，我们选择较小的工作台，300mm*400mm。(3)定位精度及运动速度要求打印精度范围为±1mm，打印速度能匹配喷口的出料速度。三坐标工作台控制原理控制方式有很多种，本课题中三坐标工作台采用全闭环位置控制方式，艮P:运动控制器采集到光栅尺反馈的脉冲从而获得位置信息，在PID的作用下形成闭环控制，即位置闭环PID控制[9];编码器将电机轴输出的转速信号发送给驱动器从而达到对系统运动速度的反馈及控制，形成速度闭环控制；在伺服驱动器内，通过对伺服电机的电流检测增益调节形成电流闭环控制，即电流环。在各种反馈中，位置反馈可以提供较高的精度，但其稳定性较差；而速度反馈虽然无法得到较高的控制精度，但其控制平稳，使得控制系统具有较好的稳定性。因此，将运动控制器用来接收位置反馈信号，伺服驱动器用来接收速度反馈信号，这样便能确保得到较高的控制精度的同时也能使控制系统运行的更为稳定。如图所示为三坐标工作台的控制原理图。在图中标出了三环控制和运动控制系统基本组成的对应关系，这里采用的是一种常用的伺服电机驱动模式一一速度控制模式(即电机驱动器包括速度环和电流环)，而其他的伺服电机驱动模式包括位置控制模式、力矩控制模式等等图2.1坐标工作台控制原理图控制系统最内层为电流环，通过电流检测增益调节将电流信号作为输入传递到电流调节器中，平稳控制伺服驱动器达到稳定输出、恒流启动制动的目的。电流环控制的是电机转矩，所以在转矩模式下驱动器的运算量最小，动态响应最快[40]，速度环可以增强控制系统位置控制的稳定性。增量型编码器来检测采集速度信息，可以将正交编码信号传递给伺服驱动器或者运动控制器；对于某些高速运动控制器，编码器可以直接传递速度信号，但这种方案对控制人员的编程要求增高。在任何模式都必须使用电流环，电流环是控制的根本[41]。位置环控制是通过运动控制器接收光栅尺检测到的实际位置信号来实现的。由PC机发出的控制指令传送给伺服控制模块，经过作用后将输出的电信号指令发送给电机驱动器，同时驱动电机进行工作。电机中的编码器及光栅尺将工作台和电机的相关信息如速度、位移量等也反馈给主控制器，达到全闭环伺服控制的效果。运动控制系统总体结构设计本文采用工控机作为上位计算机，再辅以显示器、键盘等外设配置，不仅能满足系统的控制要求，也能给用户提供一个友好的操作平台。计算机通过RS-485/232通信协议将控制指令发送给运动控制器，运动控制器接收到相应指令后通过模拟量输出卡将数字量转化为模拟电压量输出，伺服驱动器接收该模拟电压指令从而驱动电机带动工作平台完成预定的动作。其中，伺服驱动器工作在速度控制模式，位置闭环由运动控制器完成。在这种工作模式下系统对各环节接收的指令都具有极快的响应速度，但缺点是对现场干扰较敏感，调试稍复杂。三坐标工作台运动控制系统的总体结构如图所示，其中运动控制器可同时控制X轴、Y轴及Z轴运动，也可以单独控制。图2.2动控制系统总体结构图运动控制系统组成根据本课题的技术要求，这里采用全闭环运动控制系统以便及时对产生的误差进行补偿，从而有效的提高运动控制系统的定位精度。电机及驱动器在工业控制中，最常用的两种电机为步进电机和伺服电机，这两种电机(2.1)在实际应用中主要存在着如下两方面的差异。从基本结构来说：步进电机中包含有大量的由永磁体或电流产生的磁极，一般至少为50到100个；相比之下...