毕业设计（论文）-工业机器人的电控系统设计与实现

本科毕业设计（论文）说明书本科毕业设计（论文）说明书 工业机器人的电控系统设计与实现工业机器人的电控系统设计与实现 学学 院院 机械工程学院机械工程学院 专业班级专业班级 0909 机械工程及自动化机械工程及自动化 6 6 班班 学生姓名学生姓名 学生学号学生学号 指导教师指导教师 提交日期提交日期 20132013 年年 5 5 月月 2929 日日 I 摘摘 要要 本研究课题是基于应用在汽车物流实验当中的四轴工业机械手，电控系统采用 了固高公司的 GUC 系列工控机作为上位机，并采购了台达伺服驱动器作为下位机， 围绕着上下位机，结合各相关电控元件，从中配置台达伺服驱动器与固高工控机的 参数，搭建起整套电控系统。 本课题主要介绍台达驱动器的调试配置和固高一体机的调试配置，确定 GUC- 400-EXX-M01-L3 型号的 GUC 运动控制器的接口定义并设计和制作通用端子板，再结 合各相关的电控元件，搭建起整套电控系统，从而配置台达伺服驱动器和固高工控 机的参数。然后再通过通信电缆的参数配置，尤其电子齿轮比的设置，来实现上下 位机的联调。 目前工业机器人技术已成为世界各发达国家竞相发展的高技术，其发展水平已 成为衡量一个国家技术发展程度的重要标志之一。工业机器人技术研究、制造和应 用的水平从一个侧面表现了国家的科技水平和经济实力，因而受到各国的重视。 关键词关键词：工业机械手，上下位机，电控系统 AbstractAbstract In this paper, multivariable predictive control algorithm and its application to the control of the environmental test device are introduced particularly. The temperature and humidity control system of the environmental test device is characterized as long time delay and severe coupling. Therefore, the routine PID control effect is unsatisfactory. In this case, the simulation of the temperature and humidity control of the environmental test device based on multivariable predictive control algorithm is made. Currently the robot technique has become the high technique that each flourishing nation in world develops competitively, the level of development has become one of the important markings that measure a national technique development degree. The robot technique research, manufacturing and applied levels are from a side token the level of the science and technology and economic powers of the nation, as a result it was subjected to the value of all countries. Key wards: welding robot, arm, wrist, harmonic reducer , AC servo motor III 目录目录 摘摘 要要I AbstractAbstract.II 第一章第一章 绪绪 论论.1 1.1 选题背景.1 1.2 国内外形势.1 1.3 主要研究工作.1 1.4 本文安排.2 第二章第二章 台达驱动器的调试配置台达驱动器的调试配置3 2.1 台达驱动器的电路搭建.3 2.2 台达驱动器的参数配置.5 2.2.1 面板显示及操作.5 2.2.2 参数设定流程.6 2.2.3 状态显示.7 2.2.4 异常状态记录显示操作.9 2.3 寸动模式的调试（即空载 JOG 测试）10 2.4 单机软件应用界面的调试12 2.5 本章小结14 第三章第三章 固高一体机的调试配置固高一体机的调试配置.15 3.1 固高一体机的电路搭建15 3.1.1 电机控制系统的基本组成15 3.1.2 GUC 运动控制器电源连接图16 3.1.3 专用输入、输出连接方法16 3.1.4 编码器输入连接方法17 3.1.5 控制输出信号连接方法18 3.1.6 通用数字量输入/输出连接方法.20 3.1.7 模拟量输入连接方法21 3.2 固高一体机的参数配置21 3.2.1 Demo 介绍.21 3.2.2 控制器配置22 3.2.3 运动控制功能的测试23 IV 3.2.4 IO 功能的测试.24 3.3 本章小结25 第四章第四章 固高一体机的通用端子板固高一体机的通用端子板.27 4.1 通用端子板的设计27 4.1.1 输出信号的控制28 4.2 通用端子板的原理图28 4.3 通用端子板的技术参数29 4.3 本章小结30 第五章第五章 配置上下位机的通信参数配置上下位机的通信参数.31 5.1 搭建电控柜的电控系统31 5.1.1 外部电源31 5.1.2 电控系统原理图32 5.2 上下位机联调32 5.2.1 通信电缆的参数32 5.2.2 电子齿轮比37 5.2.3 检出器输出脉冲设定39 5.2 本章小结39 结论结论.40 参考文献参考文献.42 附录附录.43 致谢致谢.46 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.11.1 选题背景选题背景 工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人，是一种能自 动定位、可重复编程、多功能、多自由度的操作机。它能搬运材料、零件或加持工 具，广泛应用在人在工业生产中，能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业， 或是危险、恶劣环境下的作业。本研究课题背景是建立在广州学院机器人应用研究 所所研发出的四轴工业机械手，并将其应用在汽车物流实验室的教学实验当中。工 业机器人在许多生产领域的使用实践证明，它在提高生产自动化水平，提高劳动生 产率和产品质量以及经济效益，改善工人劳动条件等方面，有着令世人瞩目的作用， 引起了世界各国和社会各层人士的广泛关注。在新的世纪，工业机器人必将得到更 加快速的发展和更加广泛的应用。 1.21.2 国内外形势国内外形势 随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人 的应用范周还在不断地扩大，已从汽车制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如 采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统维护维修机器人等各种非制造行业。此外， 在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域机器人的应用也越来越多，如无人侦察机 (飞行器)、直角坐标机器人、医疗机器人、家政服务机器人等均有应用实例。机器 人正在为提高人类的生活质量发挥着重要的作用。鉴于此，工业机器人可以说是节 约劳动生产力，提高产量的尤物，是人类机械化提高的一个重要标志。和计算机、 网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。 我国工程机械行业应用工业机器人较晚，目前处于引进消化阶段。为了适应工 业生产系统向大型、复杂、动态和开放方向发展的需要，国际机器人界都在加大科 研力度对机器人技术进行深入研究。从工业机器人技术发展趋势看，智能化控制技 术将是工业机器人技术发展的主要方向。 1.31.3 主要研究工作主要研究工作 通过收集资料熟读台达交流伺服驱动器的产品说明书，进行电路搭建和调试配 置。然后熟读固高一体机的产品说明书，进行电路搭建和调试配置。然后根据动作 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 2 要求绘制固高一体机的通用输入及通用输出端子板。之后再结合上下位机，设计电 控柜的电控原理图。最后通过配置上下位机的通信参数，搭建电控系统。另外，还 要翻译一篇与论文相关的外文资料。 1.41.4 本文安排本文安排 这次课题的研究主要分七个阶段完成。 第一阶段（2013.1.12 前）是查阅设计相关资料和文献，完成开题报告。第二 阶段（2013.3.8 前）是确定方案，完成台达驱动器的电路搭建、参数配置、寸动模 式的调试和单机软件应用界面的调试。第三阶段（2013.4.19 前）是完车成高一体 机的单路搭建和参数配置，绘制固高一体机的通用输入及通用输出端子板。第四阶 段（2013.5.10 前）是结合上下位机，设计电控柜的电控原理图；配置上下位机的 通信参数，搭建电控柜的电控系统。第五阶段（2013.5.18 前）是进行上下位机联 调，翻译有关英文资料，撰写毕业设计论文。第六阶段（2013.5.25 前）是毕业论 文定稿，整理、完善毕业设计，答辩资格审查。第七阶段（2013.6.1 前）是完成毕 业设计答辩。 第二章 台达驱动器的调试配置 3 第二章第二章 台达驱动器的调试配置台达驱动器的调试配置 本研究课题是基于应用在汽车物流实验当中的四轴工业机械手，电控系统采用 了固高公司的 GUC 系列工控机作为上位机，并采购了台达伺服驱动器作为下位机， 围绕着上下位机，结合各相关电控元件，从中配置台达伺服驱动器与固高工控机的 参数，搭建起整套电控系统。 2-1 电控系统原理图 工业机器人的电控系统设计与实现必须考虑以下方面的要求： （1）系统优越性：系统结构清晰，安装、操作简单，适用于各类使用环境，系 统运行稳定性好。 （2）时效性：实时监控伺服驱动器和马达的运行状况。 （3）准确性：系统定位准确，偏差小，以达到较高的精度要求。 2.12.1 台达驱动器的电路搭建台达驱动器的电路搭建 台达驱动器的电路是由控制电路和主回路组成。主电路：由三角插头接通交流 电源 220V主控开关交流接触器主触头交流伺服驱动器交流伺服电机。控制 回路：由三角插头电源（接通交流电源 220V）的火线（L 线）主控开关急停开 关停止按钮（常闭开关按钮）启动按钮（常开开关按钮）交流接触器线圈 三角插头的零线（N 线）。 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 4 图 2-2 台达驱动器的电路原理图 电路工作原理如下：当电机 M 要运行时，合上主控开关，按下启动按钮 SB2， 交流接触器 KM 通电并自锁，此时交流接触器主触头接通，交流伺服驱动器上电驱动 电机 M 正常运行。当电机 M 要停止运行时，按下停止按钮 SB1，交流接触器 KM 断电， 交流接触器主触头断开，交流伺服驱动器断电，电机 M 停止运行。当出现故障或其 他紧急情况是，可按下急停开关，控制回路立马断电，电机 M 紧急停止。 图 2-3 台达驱动器的电路实物图 连接控制电路的优点： （1）假如不连接控制电路，单靠主控开关或刀闸开关来控制，在线路连接比较 远时，控制很不方便。 第二章 台达驱动器的调试配置 5 （2）在停电时，主控开关或刀闸开关没有及时关掉或忘记关掉，在下一次有电 时，因为没有关掉开关，线路接通会造成严重事故（电机突然在运转），当然此次 实践只是单单调试而已，不会发生严重事故。 （3）有了控制电路，控制方便，操作安全，像一些比较完美的电路会接热继电 器在电机的三相上，其中常闭触头接于控制电路中，当电机有一根线断开（电机照 常运转），很难发现电机出现事故，热继电器因为过流产生热，从而使常闭触头断 开，继而导致控制线路断电，交流接触器线圈断电，主电路也同时断电，实现的安 全保障。当然交流接触器也有起失压和欠压的保护作用。 2.22.2 台达驱动器的参数配置台达驱动器的参数配置 2.2.12.2.1 面板显示及操作面板显示及操作 面板显示及操作主要说明 ASDA-B2 系列伺服驱动器的面板状态显示及各项操作 说明。 图 2-4 面板各部名称 表 2-1 面板各部功能 名称功能 显示器五组七段显示器用于显示监视值、参数值及设定值。 电源指示灯主电源回路电容量的充电显示。 MODE 键切换监视模式/参数模式/异常显示，在编辑模式时，按MODE 键可跳 出到参数模式。 SHIFT 键参数模式下可改变群组码。编辑模式下闪烁汉字左移可用于修正较高 的设定汉字值。监视模式下可切换高/低位数显示。 UP 键变更监视码、参数码或设定值。 DOWN 键变更监视码、参数码或设定值。 SET 键显示及储存设定值。监视模式下可切换 10/16 进制显示。 在参数模式下，按 SET 键可进入编辑模式。 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 6 2.2.22.2.2 参数设定流程参数设定流程 图 2-5 参数设定流程 (1) 驱动器电源接通后，显示器会先持续显示监视变数符号约一秒钟。然后才 进入监控模式。 (2) 按 MODE 键可切换参数模式监视模式异常模式，若无异常发生则略过 异常模式。 (3) 当有新的异常发生时，无论在任何模式都会马上切到异常显示模式下，按 下 MODE 键可切换到其他模式，当连续 20 秒没有任何键被按下，则会自动切换回异 常模式。 (4) 在监视模式下，若按下 UP 或 DOWN 键可切换监视变数。此时监视变数符号 会持续显示约一秒钟。 (5) 在参数模式下，按下 SHIFT 键时可切换群组码。UPDOWN 键可变更后二 汉字参数码。 (6) 在参数模式下，按下 SET 键，系统立即进入编辑设定模式。显示器同时会 显示此参数对应的设定值，此时可利用 UPDOWN 键修改参数值，或按下 MODE 键脱 离编辑设定模式并回到参数模式。 (7) 在编辑设定模式下，可按下 SHIFT 键使闪烁汉字左移，再利用 UPDOWN 快速修正较高的设定汉字值。 (8) 设定值修正完毕后，按下 SET 键，即可进行参数储存或执行指令。 (9) 完成参数设定后，显示器会显示结束代码SAVED，并自动回复到参数模 式。 第二章 台达驱动器的调试配置 7 2.2.32.2.3 状态显示状态显示 （1）储存设定显示：当参数编辑完毕，按下 SET 储存设定键时，面板显示器 会依设定状态持续显示设定状态符号一秒钟。 表 2-2 储存设定显示说明 显示符号内容说明 设定值正确储存结束（Saved）。 只读参数，写入禁止（Read-Only）。 密码输入错误或未输入密码（Locked）。 设定值不正确或输入保留设定值（Out of Range）。 伺服启动中无法输入（Servo On）。 此参数须重新开机才有效（Power On）。 （2）小数点显示 表 2-3 小数点显示说明 显示符号内容说明 高/低位指示：当资料为32 位10 进位显示时，用来指示目 前显示为高位或是低位部份。 负号：当资料以 10 进位显示时，最左边的两个小数点代表 负号，不论16/32 位资料皆同。16 进位显示一律为正，不 显示负号。 （3）警示信息显示 表 2-4 储存设定显示说明 显示符号内容说明 驱动器产生错误时，显示警示符号AL及警示代码 nnn。其代表含意请参考第七章 P0-01 参数说明，或第十 一章异常排除。 （4）正负号设定显示 表 2-5 正负号设定显示说明 显示符号内容说明 进入编辑设定模式时，可按下UPDOWN 键来增减显示的内 容值。SHIFT 键可改变欲修正的进位值（此时进位值会呈现 闪烁状态）。 SHIFT 键连续按2 秒，可切换正（+）、负（-）符号。若切 换正负符号后，参数值超出范围，则不切换。 （5）监控显示 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 8 驱动器电源输入时，显示器会先持续显示监控显示符号约一秒钟。然后才进入 监控模式。在监控模式下可按下 UP 或 DOWN 键来改变欲显示的监视变数，或可直接 修改参数 P0-02 来指定监视代码。电源输入时，会先显示 ASDB2。当：P0-02 值为 4，然后再显示脉冲指令输入脉冲数。 表 2-6 监控显示说明 P0-02 设定值监控显示符号内容说明单位 0电机反馈脉冲数（电子齿轮之后） （使用者单位） user unit 1脉冲指令输入脉冲数（电子齿轮 之后）（使用者单位） user unit 2控制指令脉冲与反馈脉冲误差数 （使用者单位） user unit 3电机反馈脉冲数（编码器单位） （16 万 Pulse/rev） pulse 4脉冲指令输入脉冲数（电子齿轮 之前）（编码器单位） pulse 5误差脉冲数（电子齿轮之后） （编码器单位） pulse 6脉冲指令输入频率Kpps 7电机转速r/min 8速度输入指令Volt 9速度输入指令r/min 10扭矩输入指令Volt 11扭矩输入指令% 12平均扭矩% 13峰值扭矩% 14主回路电压Volt 15负载电机惯性比（附注：如显 示 130，则真正惯量为 13.0） 0.1times 16IGBT 温度C 17共振频率（低位就是第一共振点， 高位就是第二共振点） Hz 第二章 台达驱动器的调试配置 9 18相对于编码器 Z 相的绝对脉冲 数，也就是 Z 相原点处的数值为 0 往前往后转为正负 5000 pulse - 19映射参数#1：显示参数 P0-25 的 内容（由 P0-35 指定映射的目 标） - 20映射参数#2：显示参数 P0-26 的 内容（由 P0-36 指定映射的目 标） - 21映射参数#3：显示参数 P0-27 的 内容（由 P0-37 指定映射的目 标） - 22映射参数#4：显示参数 P0-28 的 内容（由 P0-38 指定映射的目 标） - 23监视变数#1：显示参数 P0-09 的 内容（由 P0-17 指定监视变数 代码） - 24监视变数#2：显示参数 P0-10 的 内容（由 P0-18 指定监视变数 代码） - 25监视变数#3：显示参数 P0-11 的 内容（由 P0-19 指定监视变数 代码） - 26监视变数#4：显示参数 P0-12 的 内容（由 P0-20 指定监视变数 代码） - 2.2.42.2.4 异常状态记录显示操作异常状态记录显示操作 进入参数模式 P4-00 P4-04 后，按下 SET 键，可显示对应的错误历史记录 码。 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 10 图 2-6 异常状态记录显示操作 2.32.3 寸动模式的调试（即空载寸动模式的调试（即空载 JOGJOG 测试）测试） JOG 寸动方式来试运行电机及驱动器，使用者可不需要接额外配线这是非常方 便的。为了安全起见，寸动速度建议在低转速下进行，寸动模式以所设定的寸动速 度来作等速度移动，以下是我们的说明。 （1）STEP 1：可以使用软件设定伺服启动，也可以设定参数 P2-30 辅助机能 设为 1，此设定为软件强制伺服启动，还可以设置 DI（数字输入）设定伺服启动。 从实践操作和总结的过程中，就会发现 DI1DI9 由参数 P2-10 P2-17、P2-36 参数 来设置，而且是自由设置，比如可以规定 P2-10 设为 DI1DI9 中的任意一个，就是 设置参数要改变。但我们按规定来（一一对应，P2-10 就对应 DI1）就会少走弯路。 以下对 P2-10 参数进行详解。 P2-10P2-10 DI1DI1 数字输入接脚 DI1DI1 功能规划 通讯地址 0214H0214H 0215H0215H 初值： 101101 控制模式： ALLALL 单位： - - 设定范围： 0 0 015Fh015Fh（后两码为 DIDI 码） 资料大小： 16bit16bit 显示方式： HEXHEX （十六进制） 参数功能： 第二章 台达驱动器的调试配置 11 图 2-7 参数功能 输入功能选择：所代表的功能请参考下表 表 2-7 输入功能选择 输入接点设定值 常开 a 接点1 常闭 b 接点0 （P2-11P2-11 P2-17P2-17 和 P2-36P2-36）功能规划设定值参照 P2-10P2-10 来设。当参数重新修正 后，请重新启动电源以确保功能正常运作。 表 2-8 参数功能设定 数字输入参数设定值符号功能定义说明CN1 Pin No DI1P2-10=101SON伺服启动DI1-=9 DI2P2-11=109TRQLM扭矩限制DI2-=10 DI3P2-12=114SPD0速度指令选择DI3-=34 DI4P2-13=115SPD1速度指令选择DI4-=8 DI5P2-14=102ARST异常重置DI5-=33 DI6P2-15=122NL(CWL)反向运行禁止极限DI6-=32 DI7P2-16=123PL(CCWL)正向运行禁止极限DI7-=31 DI8P2-17=121EMGS紧急停止DI8-=30 DI9P2-36=0Disabled此 DI 功能无效DI9-=12 这里说明一下为什么可以用 DI（数字输入）来手动控制，看上面的功能参数的 “输入接点：属性为 a 或 b 接点”,“0 ：设定输入接点为常闭 b 接点，1 ：设 定输入接点为常开 a 接点”看一下 P2-10=101 的设定值，只要把值改为 001 即把前 面的“1”改为“0”就实现伺服自动启动啦，其他参数依样画葫芦，跟设定 P2-10 参数一样。没注意发现是不知道这个奇怪的功能的，这也是在后面“空载的速度测 试”也要用到的，它可以用软件版（用 PC）来调机，也可以用上面的方法来手动版 调机。上面 3 种伺服启动自己选。 （2）STEP 2：设定参数 P4-05 为寸动速度（单位：r/min），将欲寸动速度设 定后，按下 SET 键后，驱动器将进入 JOG 模式 ，在里面按上下键就可以实现电机 的正反转啦！ 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 12 当你按到 P4-05 里面时，有个速度让你自己设定，初值是 20，就是 20r/min， 可以设定最高速度 3000r/min，设定好之后就会出现按一下 SET 键就会出现一个这 样的“JOG”界面，这就是寸动界面，在这个界面按 UP 和 DOWN 键就会出现电机正反 转运动。 （3）STEP 3：按下 MODE 键时，即可脱离 JOG 模式，不能继续操作电机的正反 转，如果还继续的话，就按上面步骤重新操作。 在下面范例中寸动速度有初值 20r/min 调整为 100r/min。 图 2-8 操作示意图 2.42.4 单机软件应用界面的调试单机软件应用界面的调试 在中达官方网站 http:/ 下载 ASDA 全系列伺服调机软件适用：A、A+、AB、B 、A2、B2 的安装软件包，具体安装 见安装说明书（自带的）。然后要安装 USB 驱动，安装时要根据要求来安装,不然会 丢失一些数据，致使调机不顺畅。打开之后有一行操作工具栏见图 选择数据IO/寸动控制， 会出现下面界面：未交流伺服驱动器的显示状态和连接交流伺服驱动器状态。 第二章 台达驱动器的调试配置 13 图 2-9 未交流伺服驱动器的显示状态 图 2-10 连接交流伺服驱动器的显示状态 “编辑 DI/O 功能项目”这一块的 DI1-DI9（DO1-DO9 不管）设置根据“表 1”来设定，可以手动设定也可以软件设定。像 DI6、DI7、DI9 设值为 0，故显示 “不作用”。用软件设置后，其数值会写入伺服器，不信的可以手动查一下伺服器 的内容，比如你将 DI8 起初设置为“0”，然后在软件上面设置 DI8 为“马达紧急停 止”之后查一下伺服器的参数 P2-17 是不是由 0 变到 121。还有一些不懂的操作可 以该软件的工具栏“说明”的“参数使用说明”。但这“编辑 DI/O 功能项目”一块 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 14 先不看，具体后面在“空载的速度测试 ”软件版调试会详细说明。那么现在只看界 面的“寸动”模块。勾选“强制伺服 ON”就启动伺服器，在“寸动速度”输入速度 值，就可以实现高低速调节。点击就可以实现正反转。 至于“方向反转”可以不理。 2.52.5 本章小结本章小结 本章主要是根据电路原理图进行台达驱动的电路搭建，搭建完控制电路后，就 进行台达驱动器的参数配置。完成这些任务后，进行寸动模式的调试，即空载 JOG 调试，这是在操作面板上操作的。最后介绍了单机软件应用界面的调试，进行交流 伺服驱动器控制。 第三章 固高一体机的调试配置 15 第三章第三章 固高一体机的调试配置固高一体机的调试配置 3.13.1 固高一体机的电路搭建固高一体机的电路搭建 3.1.13.1.1 电机控制系统的基本组成电机控制系统的基本组成 使用固高科技生产的GUC 系列运动控制器，搭建一个完整的电机控制系统时， 一般需要以下几部分器件组成：1、GUC 系列运动控制器；2、步进电机或伺服电机； 3、步进电机或伺服电机驱动器；4、驱动器电源；5、+24V 直流电源（用于GUC 系 列运动控制器及接口板电源）；6、原点开关、正/负限位开关（根据系统需要可选） ；7、显示器、输入设备或专用人机界面（根据系统需要可选）；8、IO 扩展模块 （根据系统需要可选）。 伺服电机既可以选择交流伺服电机也可以选择直流伺服电机。采用控制伺服电 机时： 如果使用的是GUC-X00-XXV 运动控制器的模拟量输出功能时，电机驱动器应设 置为速度控制方式。 如果使用的是GUC-X00-XXV 运动控制器的脉冲量输出功能时，电机驱动器应设 置为位置控制方式，且控制器和驱动器的脉冲模式设置要一致。 如果使用的是GUC-X00-XXG 运动控制器，电机驱动器应选为位置控制方式，且 控制器和驱动器的脉冲模式设置要一致。 采用GUC 运动控制器的控制系统典型组成部分见图3-1，由运动控制器、人机界 面（触摸屏）、IO扩展模块、驱动器和电机组成。 图 3-1 采用 G UC 运动控制器组成的控制系统框图 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 16 3.1.23.1.2 GUCGUC 运动控制器电源连接图运动控制器电源连接图 GUC 系列运动控制器为用户提供了构成PC 系统的标准输入输出设备接口，如 VGA、PS2、USB 等，用户可将显示器、键盘，鼠标等通用输入输出设备连接到这些 接口上以组成PC 系统。此外用户还需要提供一个24V，至少3A 的直流电源为其供电。 直流电源接到控制器POWER 接口上，接通后控制器上的2 个LED 指示灯亮起，表明 GUC 运动控制器已上电工作。 另外在电源接口上提供了一个与GUC 运动控制器外壳连通的PE（保护地）接口， 用户可根据自己的电器系统需要，将其与其它外部地（机壳地、大地等）和（或） 运动控制器内部地（数字地、+24V 参考地）连通。电源连接如图3-2 所示。 图 3-2 GUC 运动控制器电源连接图 为了防止人身触电事故、保证电气设备正常运行，请务必将电源端子的 PE 端通 过接地线与大地保持良好连接！ 3.1.33.1.3 专用输入、输出连接方法专用输入、输出连接方法 GUC 系列运动控制器所提供的专用输入包括：驱动报警信号、原点信号和限位 信号，专用输出包括：驱动允许，驱动报警复位。 连接时应根据安全标准:1驱动器报警输入信号为常闭状态，（用户不用时， 请将该输入对OGND 短接）；2系统的限位开关须接成常闭状态；3原点开关为常 开状态。专用输入输出的连接原理见图3-2。 第三章 固高一体机的调试配置 17 图 3-3 专用输入、输出信号连接图 3.1.43.1.4 编码器输入连接方法编码器输入连接方法 GUC 系列运动控制器在每个轴上各提供一个编码器接口，此外还提供了12 个 辅助编码器接口（辅助编码器接口数量视具体型号而定）。以上编码器接口可兼容 双端输入和单端输入，连接方法见图3-4 和图3-5。本实验采用编码器双端输入信号， 用双绞线屏蔽电缆连接，提高抗干扰性能，稳定性更高。 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 18 图 3-4 编码器双端输入信号连接图 图 3-5 编码器单端输入信号连接图 3.1.53.1.5 控制输出信号连接方法控制输出信号连接方法 GUC 系列运动控制器控制电机驱动器时，可以工作于脉冲量或模拟量输出模 （视具体型号而定），用户可以通过软件指令在2 种输出模式之间相互切换（具体 请参看编程手册）。 （1） 模拟量输出连接方法 模拟量输出通过驱动器接口的PIN8 输出。参考地为+5V 电源地，电气接线图参 见图3-6。 第三章 固高一体机的调试配置 19 图 3-6 模拟量输出模式的电气接线图 (2) 脉冲输出连接方法 脉冲/方向输出信号通过驱动器接口的9、22、23、11 脚输出，参考地为+5V 电 源地。在脉冲信号输出方式下，有两种工作模式，一种是脉冲+方向信号模式，另一 种是正/负脉冲信号模式。默认情况下控制器输出脉冲+方向信号模式。用户可以通 过软件指令在两种脉冲输出方式之间相互切换（具体请参看编程手册）。本实验采 用脉冲+方向模式进行配置驱动器参数。 在脉冲+方向信号模式下，引脚23、11 输出差动的脉冲控制信号，引脚9、22 输出差动的运动方向控制信号。 在正/负脉冲模式下，引脚9、22 输出差动的正转脉冲控制信号，引脚23、11 输出差动的反转脉冲控制信号。 如果驱动器需要的信号不是差动信号，将相应信号接于上述差动信号输出的正 信号端（即引脚9、23），负信号端悬空。信号连接方法见图3-7、输出波形见图3- 8。 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 20 图 3-7 脉冲量控制输出信号连接图 图 3-8 脉冲量控制输出信号波形 3.1.63.1.6 通用数字量输入通用数字量输入/ /输出连接方法输出连接方法 GUC 系列运动控制器提供多路的通用数字量输入输出（具体路数视不同型号而 定）。当通用IO 的输出接感性负载时，应考虑连接用于反电势泄放的二极管。连接 方法见图3-9。 第三章 固高一体机的调试配置 21 图 3-9 通用输入/输出信号连接图 3.1.73.1.7 模拟量输入连接方法模拟量输入连接方法 GUC 系列运动控制器提供可选的模拟量输入功能（视具体型号而定）。连接方 法见图3-10。 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 22 图 3-10 模拟输入信号连接图 3.23.2 固高一体机的参数配置固高一体机的参数配置 GUC 系列运动控制器为用户提供了相应的硬件调试软件。以下介绍GUC-400-EXX 硬件测试（即参数配置）。 3.2.13.2.1 DemoDemo 介绍介绍 双击MCT2008 .exe，启动Demo。（以连续轨迹GUC-400-ESX 的DEMO 为例） 如果弹出如图3-11 所示提示对话框，请检查：1、控制器是否正确安装；2、控 制器驱动是否正确安装；3、是否存在其他程序正在对控制器进行操作； 图 3-11 打开控制器失败提示 启动Demo 后若通信正常，显示图3-12 Demo 的主界面，主要的操作通过主界面 上的几个菜单完成。 第三章 固高一体机的调试配置 23 图 3-12 Demo 主界面 “控制”菜单包括对控制器复位、多控制器环境下控制器的切换等。 “视图”菜单包括控制器支持的功能的对应菜单项，需要测试某个功能，则点 击对应的菜单项，将会弹出该功能的测试窗口。 “工具”菜单包括一些工具，如控制器配置等。 “窗口”菜单用于管理Demo 的子窗口,每弹出一个子窗口，将会在该菜单下生 成一个子项。 “帮助”菜单包括本Demo 的使用帮助文档（F1）。 3.2.23.2.2 控制器配置控制器配置 点击“工具”“控制器配置”，弹出控制器配置对话框，如图3-13 所示。 图 3-13 控制器配置对话框 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 24 控制器配置用于对控制器的某些选项进行配置，包括脉冲输出模式、限位、编 码器、Home、控制模式（仅对SV 卡）等。启动配置对话框，修改当前轴的相关配置， 切换轴号，修改其他轴的相关配置。通过配置对话框的“控制”“写入控制器状 态”将配置写入控制器使配置生效。 3.2.33.2.3 运动控制功能的测试运动控制功能的测试 1、启动Demo，根据实际情况完成对控制器的配置（如果是模拟量控制方式，请 先设置控制器的PID参数，建议在首次测试控制器时首先采用脉冲方式测试，且不要 连接负载），然后点击主对话框“视图”“轴状态”，弹出轴状态对话框，如果 状态正常（报警及限位对应的图标为绿色,如图3-14 所示），点击“伺服使能”按 钮，对应伺服电机将使能。 图 3-14 轴状态对话框 2、点击“视图”“立即指令运动”，弹出立即指令运动对话框，如图3-15 所示。切换到直线插补页，选择插补轴，输入插补位移值及其他的运动参数，点击 “启动运动”按钮，则相关插补轴将开始按照设定的参数运动。 图 3-15 立即指令运动对话框 第三章 固高一体机的调试配置 25 如果电机没有运动，请检查：1、消息对话框中是否有指令执行出错的信息弹出 （点击主对话框“控制”“消息框”弹出消息对话框）；2、参与插补的所有轴状 态是否都正常，而且已经伺服使能；3、请检查伺服驱动器的工作模式（如果是在脉 冲控制方式下，还包括脉冲模式）是否跟控制器的设置匹配。4、控制器跟接线端子 板、端子板跟伺服驱动器之间的线缆连接牢固可靠，接线端子板（如果有）、伺服 驱动器是否正常上电。 PID 参数的设置：点击“视图”“PID”，在弹出的PID 设置对话框上修改相 应的PID 参数，点击“更新”使设置生效。 3.2.43.2.4 IOIO 功能的测试功能的测试 启动Demo，点击主对话框“视图”“数字量输入”，弹出数字量输入测试对 话框，如图3-16 所示，改变对应端口上数字量输入位的状态，则该对话框上对应的 状态位图标的颜色将发生改变。 图 3-16 数字量输入测试面板 点击主对话框“视图”“数字量输出”，弹出数字量输出测试对话框，如图 3-17 所示。鼠标点击对应位的图标，对应的数字量输出位电平发生变化。 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 26 图 3-17 数字量输出测试面板 3.33.3 本章小结本章小结 在本章节中，针对 GUC 系列控制器，通过其电源连接图、专用输入和输出连接 电路图、编码器输入连接电路图、控制输出信号连接电路图、通用数字量输入/输出 连接电路图和模拟量输入连接电路图，搭建一个完整的上位机控制下位机的系统。 然后根据 GUC 系列运动控制器为用户提供相应的硬件调试软件，通过参数配置进行 调试。 第四章 固高一体机的通过端子板 27 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 28 第四章第四章 固高一体机的通用端子板固高一体机的通用端子板 GUC 系列运动控制器目前有有以下几种型号，分别为：GUC-400-EXX-M01- L3、GUC-400-EXX-M01-L2、GUC-X00-TXX-M01-L2、GUC-400-TSV-SCAN-M01-L3。其中 -L3 型运动控制器可直接连接驱动器和外部输入/输出设备。而-L2 型运动控制器需 要外接端子板才能与驱动器及外部输入/输出设备相连。 这次课题采用的GUC 系列运动控制器的型号是GUC-400-EXX-M01-L3，因此本章 节将具体介绍GUC-400-EXX-M01-L3型号的GUC 运动控制器的接口定义，以及所需外 接的端子板的具体型号及接口定义。 4.14.1 通用端子板的设计通用端子板的设计 GUC-400-EXX-M01-L3 型运动控制器是固高科技推出的一款4 轴通用型运动控制 器。其通用端子板接口列表，也即是数值IO接口表定义见参见表4-1。 表 4-1 数字 IO 接口（Digital I/O）定义 引脚信号说明引脚信号说明 1EEO0通用输出32EEI9通用输入 2EEO3通用输出33EEI12通用输入 3EEO6通用输出34EEI15通用输入 4EEO9通用输出35保留保留 5EEO12通用输出36ELM1+限位信号 6EEO15通用输出37ELM2-限位信号 7保留保留38EEHOME0原点信号 8保留保留39EEHOME3原点信号 9EEI2通用输入40OGND+24V 电源地 10EEI5通用输入41OGND+24V 电源地 11EEI8通用输入42OGND+24V 电源地 12EEI11通用输入43EEO2通用输出 13EEI14通用输入44EEO5通用输出 14保留保留45EEO8通用输出 15ELM0-限位信号46EEO11通用输出 16ELM2+限位信号47EEO14通用输出 17ELM3-限位信号48保留保留 18EEHOME2原点信号49保留保留 19OGND+24V 电源地50EEI1通用输入 第四章 固高一体机的通过端子板 29 20OGND+24V 电源地51EEI4通用输入 21OGND+24V 电源地52EEI7通用输入 22EEO1通用输出53EEI10通用输入 23EEO4通用输出54EEI13通用输入 24EEO7通用输出55保留保留 25EEO10通用输出56ELM0+限位信号 26EEO13通用输出57ELM1-限位信号 27保留保留58ELM3+限位信号 28保留保留59EEHOME1原点信号 29EEI0通用输入60OVCC+24V 电源输出 30EEI3通用输入61OVCC+24V 电源输出 31EEI6通用输入62OVCC+24V 电源输出 4.1.14.1.1 输出信号的控制输出信号的控制 通用端子板的输出信号控制原理图如图 4-1。其中 OVCC 是 24V/5A 的开关电源开关 电源， 图 4-1 通用端子板的输出信号控制原理图 4.24.2 通用端子板的原理图通用端子板的原理图 由上一节通用端子板的设计可知，数字 IO 接口（Digital I/O）有：通用输出 端 16 个，通用输入端 16 个，限位信号端 8 个，原点信号端 4 个，24V 电源输出端 3 个，保留端 9 个，共 62 个端口，其原理图如图 4-1。 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 30 图 4-1 数字 IO 接口原理图 通用端子板的原理图和 PCB 板见附附录一和附录二。 4.34.3 通用端子板的技术参数通用端子板的技术参数 （1）光耦隔离 I/O 光耦的输入规格：隔离电压 5000V RMS，输入电压+12V+24VDC，输入电流 3.7mA7.6mA，传输延迟 HL 5us，LH 3us。 光耦输出规格为:隔离电压 5000V RMS，集电极开路输出,无上拉电阻，Vceo 50V，Veco 5V，Ic 30mA（标准型），Ic 200mA (-R 型)，平均输出延迟 8us。 （2）A/D (可选项) 经同步串行口与运动控制器相连，输入路数 8 路(单端双极性)，输入范围- 10V+10V，分辩率 12bit，精度+/-1bit，最高采样速率 50KHz (单路)。 （3）外部电源 外部电源电压为+24V，电流为 DC Icc=1.8A。 第四章 固高一体机的通过端子板 31 （4）外形尺寸 外形物理尺寸为 220mm132mm 4.34.3 本章小结本章小结 本章中的设计确定 GUC-400-EXX-M01-L3 型号的 GUC 运动控制器的接口定义， 同时确定电源接口（POWER）的定义、驱动器接口（AXIS1、AXIS2、AXIS3、AXIS4） 定义、模拟量输入输出接口（Analog）定义、 辅助编码器机器人技术与应用;2007 年 05 期 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 44 附录附录 附录一 附录 45 附录二 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 46 附录三 致谢 47 致谢致谢 当我完成这篇毕业论文的时候，心中倍感充实。大学生涯一晃而过，回首走过的岁月，感 慨良多。 在毕业设计进行的过程中得到指导老师李杞仪教授和吴少彬老师孜孜不倦的细心指导，给 予即使准确的指导和帮助。对于学术上严格把关，对于工作态度严格要求，至始至终以身作则， 鼓舞并引导着我们不断向前。在此，对指导老师表示衷心的感谢。 其次，要感谢这四年来教我知识的给位老师们，毕业论文能够顺利完成，你们都有很大的 功劳。还要向这四年大学生活期间所有帮助过我的同学们以及各位朋友们说一声谢谢。 最后，特别感谢我的父母、亲人们，这么多年他们从物质和精神上的付出和支持是我不断 前进的直接动力。 这次的毕业设计，对于培养我们理论联系实际的设计思想，训练综合运用机械和有关课程 的理论，结合生产实际要求和解决工程实际问题的能力，巩固加深和发展有关机械工程及自动 化方面的的知识等方面有重要的作用。 毕业之际，祝愿母校华南理工大学广州学院桃李满天下，机械工程学院人才辈出，蒸蒸日 上。