开放式控制系统（精选12篇）
开放式控制系统 篇1
1 引言 (Introduction)
开方机是晶体硅片加工环节中使用的一种重要设备, 用于将从铸锭炉中生产出的硅锭切割成硅棒。它是一种通过金属丝的高速往复运动, 把磨料带入工件加工区域进行研磨, 将晶体硅等硬脆材料一次同时开成方形柱。与刀锯片、砂轮片等切割方式相比, 开方机具有精密窄切缝、效率高、成本低、设备使用寿命长和环境污染小等特点。开方机的工作台通过收、放线轮及导轮形成交叉线网回路, 如图1所示。待加工的硅锭置于剖方室的底部平台上, 加工时砂浆喷嘴喷出的砂浆覆盖在线网上, 在工作台下压的过程中, 钢线携带砂浆高速运转, 达到切割硅锭的目的。
开方机的主体结构由剖方室、绕线室、冷却系统、电控柜和操作台五部分组成。剖方室为摆放硅锭和剖方时的可封闭加工室;绕线室为钢线收放、排丝和张力调节的可封闭舱室;冷却系统主要由浆料冷却、搅拌和抽送等装置组成。
该设备的收、放线卷的控制是控制中的关键, 它的控制效果直接关系到张力的稳定程度和钢线的扭曲断线几率。因此伺服控制系统的选型和设计关系到整机的性能和成败, 据此经多方比较, 我们最终采用了德国倍福公司的基于PC控制技术的开放式自动化控制系统作为本设备的控制系统。
倍福的CX系列嵌入式PC, 将PC技术和I/O级模块化技术相结合, 构成一种可以安装于DIN导轨的单元, 结合了工业PC和硬件PLC环境, 可以根据现有任务对模块化控制系统进行配置[1]。结合TwinCAT自动化软件, CX嵌入式PC成为一个功能强大的IEC61131-3PLC, 它还可以操控运动控制任务, 根据所需的周期时间不同, 可以控制多个伺服轴。CX系列嵌入式PC因而成为一个用单个硬件实现PLC、运动控制和可视化任务的控制器, 在Windows CE平台下, 借助操作系统的实时能力, 以高级语言编写的用户任务可以在TwinCAT运行的情况下进行实时处理。
2 控制系统的架构与配置 (The structure and configuration of the control system) [2]
该设备的控制对象主要为12个伺服轴 (4个放线轮、2个张力调节轴、2个排线轴、2个绕线轴、2个主进给轴) 、张力、砂浆温度、砂浆流量、砂浆抽送和保护装置等。
控制系统硬件采用德国倍福公司的整体解决方案, 选用CX1030嵌入式PC、CP6901触摸屏及相应的电源模块、I/O端口模块、AX5118、AX5203、AX2070、AX5206伺服驱动器、AM3083、AM3032、AM3052、AM3073伺服电机和EL3202测温模块。
EtherCAT是德国倍福公司提出的开放式实时以太网, 具有高速、高有效数据率的特点, 支持几乎所有的拓扑结构。它控制100个输入输出数据均为8个字节的伺服轴只需要100微秒, 1000个I/O的刷新只需要30微秒, 特别适用于开方机这种轴数多、实时性要求高的控制场合。
3 程序设计 (Programming)
本设备采用倍福TwinCAT PLC Control软件作为上层用户控制程序的开发环境。采用基于IEC61131-3标准的结构化文本 (ST) 、梯形图 (LD) 、顺序功能图 (SFC) 、功能块 (FBD) 、指令表 (IL) 等五种语言进行混合编程, 同时结合基于PLCopen库运动控制模块 (如MC_power、MCCamIn、MC_ MoveVelocity等MC功能块) , 来实现各种运动控制和基本程序控制。在进行伺服电机控制时, 通过编程实现电机初始化、使能、耦合和驱动等。
程序代码分为若干个Pous, 分别进行伺服使能、数据初始化、耦合、驱动和张力控制。为实现张力控制, 特别编写了张力控制功能块, 该功能块主要动作为5轴耦合和PID调节。将张力的检测值和设定值输入到TwinCAT自带的PID功能模块FB_BasicPID, 并设置好相关的PID参数, 得到实时的PID输出, 以该输出与预设的偏置之和, 作为张力轴与收放线轴的耦合比, 以此调节相关轴的线速度, 达到张力控制的目的。如图2所示为程序主流程图。
程序入口为Main Pous, Main程序包含数据初始化、工艺自动运行控制、排丝动作的数据计算等功能, 程序的实时运行数据定时存入Novram存储器中, 以实现突然掉电等意外情况发生后重新运行时, 可接原来的状态继续运行。
程序界面设计使用TwinCAT PLC Control中的Visualization功能来实现, 包含手动设置、自动运行、参数设置、工艺设置、报警状态查询等主要窗口。
4 模拟调试 (Simulation)
在TwinCAT System Manager中将相关模块进行配置, 并定义相关的轴名称和参数。在载入有TwinCAT PLCControl生成的tpy文件后, 即可将PLC程序中定义的输入输出变量、运动轴与实际硬件模块的端口进行映射, 可在无实际硬件的情况下, 对PLC程序进行模拟调试。对于运动轴的调试还可使用TCatScopeView程序进行监视并对多个轴的实时线速度进行对比[3]。
本程序调试时因张力控制无法真实检测, 因此对张力使用随机函数在一定范围内进行模拟, 通过TCatScopeView程序观察到各个轴的线速度拟合性非常理想, 能够满足设备在此方面的要求。
5 结论 (Conclusion)
该控制系统通过相关软件的模拟运行, 达到了我们的预期效果, 能够满足开方机的运动控制和压力控制要求。这种基于PC的开放式控制系统在硬件搭配、软件编写和调试过程中表现了易于硬件系统易于配置、软件编写简单、调试方便的特点, 能够满足中小型系统的控制要求, 并大大减少设计人员的开发和调试时间。
参考文献
[1]德国倍福自动化有限公司.TwinCAT PLC编程手册 (2011更新版) [Z].
[2]黎状声, 等.基于XFC极速控制技术的CTS运动控制系统.兵工自动化, 2011, 30 (11) :68-77.
[3]徐伟, 等.金刚石多线切割设备在SiC晶片加工中的应用.电子工艺技术, 2011, 33 (1) :50-52.
开放式控制系统 篇2
开放式创新
海尔集团
海尔建立了以全球十大研发中心和HOPE开放式创新平台为载体，线上线下互动融合的开放创新生态系统。
一、海尔全球十大研发中心
目前，海尔布局了中国、美国、日本、欧洲、新西兰五大研发中心，并购GEA后，通过整合GEA美国、GEA韩国、GEA上海、GEA印度、GEA墨西哥研发中心，目前共拥有全球十大研发中心。
二、海尔开放创新平台HOPE（Haier Open Partnership Ecosystem）
海尔开放创新平台（hope.haier.com）称之为HOPE平台，是海尔与全球伙伴交互创新需求、寻求优秀解决方案的网络平台，通过与全球伙伴知识共享、资源共享，建立专业领域的个人圈子，打造全球创新交互的社区。
1、HOPE平台定位 全球最大的迭代引领并联生态圈平台。
2、HOPE平台宗旨
①文化理念：开放、合作、创新、分享。
②运营理念：以创新技术市场为导向、以需求与资源的自动匹配为使命、以各方价值最大化为目标。
③服务理念：为平台使用者提供个性化精准匹配服务。
3、HOPE平台使命
①传递全球前沿技术创新动态；
②整合各类解决方案及智慧；
③征集全球创意，并将创意落地变成产品；
④帮助技术需求者对接全球优质解决方案；
⑤推动智能家居、物联网及智慧家电的技术创新。
4、HOPE平台业务说明
①通过技术提供方与技术需求方的自动匹配，将技术转化为产品，缩短产品研发和市场化的周期；
②通过商业智能实现智能分析与匹配，为用户推荐与匹配需求、资源和技术资讯；
③通过平台交互，技术方、资源方、普通用户给予产品创意更多的建议和意见，以便于开发者搜集更多实际的、市场化的方向，并不断扩散产品影响力；
④吸引极客深度参与交互，寻找第一批合作者和粉丝；
⑤平台将提供关于市场分析、融资孵化、硬件开发、软件开发、大数据、工业设计、生产供应、渠道销售等所有环节的资源。
5、HOPE平台目标群体
①创新技术专业领域：权威研发性机构，研究机构，高校，个人技术专家(教授、学者、学生等)。
②创新产品落地与孵化：初创企业，极客团队，风投、创投基金等，工程师。
6、HOPE平台商业模式
①针对风险投资者的合作方式：促成投资者投资的初创公司授权技术，获得技术授权的使用费；促成投资者投资的初创公司合作开发新产品，分享新产品的收益；海尔经过评估，参与到投资者投资的初创公司，并投放该公司的产品到中国市场；投资者投资的初创公司成为海尔的供货商，并签署长期合作伙伴协议。
②针对技术中介/技术咨询公司的合作方式：推荐资源，根据海尔需求，推荐问题解决资源，通过验证达成合作；技术代理，并成为该技术在和海尔谈判的全权代表；海尔代理，成为海尔外部技术资源的代理商。
③针对大学研发人员的合作方式：项目合作，研究成果产业化，促进产学研结合，提供研发经费；共建联合实验室，设定投入与产出，促成高校成果转化；专利合作，高校专利成果产业化，可进行授权或买断；专家聘任，参与海尔研发，定向跟踪技术领域趋势，给予资金补贴；纵向课题合作，共同申报、承担科技项目；孵化加速，海尔为创新成果市场化提供用户资源，助其拥有者申请风投资金注入；CVC投资，针对海尔产业领域内的技术成果，海尔直接通过CVC投资。
④针对初创公司的合作方式：专利合作，专利成果产业化，可进行授权或买断；孵化加速，海尔为创新成果的市场化提供用户资源，帮助创新成果拥有者申请风投资金注入；CVC投资，针对海尔产业领域内的技术成果，海尔直接通过CVC投资。
⑤针对公司资源网络的合作方式：推荐资源，根据海尔需求，推荐问题解决资源给海尔；技术代理，代理技术和技术资源，并成为该技术在和海尔谈判的全权代表；海尔代理，通过申请，成为海尔外部技术资源的代理商。
⑥针对极客的合作方式：推荐资源，资源推荐。根据海尔需求，推荐问题解决资源给海尔；海尔代理，极客可以通过申请，成为海尔外部技术资源的代理商；海尔代理，通过申请，成为海尔外部技术资源的代理商。
7、HOPE平台优势
①海尔集团及其技术团队是HOPE平台强有力的背书；
②海量信息数据库及技术专家的权威方案，给予用户专业的支持和帮助；
③HOPE平台为创新技术的供需双方提供新合作、新交互方式；
④为用户精准匹配符合需求的技术团队或产品生产方。
8、HOPE平台生态
HOPE平台彻底打破了用户和资源之间的阻隔，目前已经成为中国最大的创新开放社区，也是亚洲最大的创新资源配置平台。现在这个开放创新平台面向全球，建立了超过200万家一流资源的资源网络，超过10万家资源在平台注册，每月交互产生创意超过500个，每年成功孵化创新项目超过200个。
在该平台上形成了空气生态圈、美食生态圈、洗护生态圈、用水生态圈、健康生态圈等7大生态圈，通过用户与合作伙伴之间的交互持续不断产生引领的创新成果和颠覆的用户体验。
在这个平台上，不同的创新机构互相吸引，协同创新。有美国麻省理工、斯坦福等顶尖大学，有中科院、德国弗莱恩霍夫协会等顶尖的创新机构，有新创的小型技术公司，也有老牌的创新企业，甚至包括很多互联网企业，所有人为了创造美好的用户体验共同努力。
HOPE平台自身使用了大数据、深度学习等智能技术，大大提升了资源配置效率。平台后台数据可以根据全球技术热力图和用户痛点热力图进行叠加匹配，迅速识别出用户的痛点在全球有哪些资源能够满足他的需求，然后把这些方案反馈回来，用创意方案跟用户去交互创新。
9、HOPE平台的构建——三大版块、五大能力
HOPE平台上分三大版块：社区交互、创意转化和技术匹配。
社区交互：通过社区的运营，平台吸引了大批用户参与各种活动的交互，积累了用户流量以后，通过后台的数据分析与整理，能够全面了解用户使用家电过程中，对各种电器产品的需求，再加工整理，快速转化成产品规划。同时，大用户流量，也能够为创意验证提供阵地和可靠的用户验证基础。
技术匹配：目前HOPE平台已经注册了10万+技术资源，而且每个技术资源都是带着技术方案上平台的，这些技术方案结构化的数据为大数据匹配提供良好的数据基础，任何的用户需求提到平台后，通过后台的大数据匹配，都能够快速精准的匹配到合适的解决方案，这使海尔可以快速推出满足用户需求的新产品。
创意转化：HOPE平台上已经拥有了大量的用户需求信息和技术方案信息，再将这两者进行加工整理，就形成多种可行性产品方案，再加上海尔的六大转化基金的支撑，不断推出满足需求的产品并进行产品的迭代创新。
通过以上的三大版块，HOPE平台构建了五大核心能力，并由此支撑平台快速发展，实现快速的创新和颠覆。
能力1：捕捉最新的行业技术动态。除了HOPE平台大数据爬虫系统之外，HOPE平台有专家分析团队，能够对最新科技情报进行系统的分析，第一时间推送趋势分析，为小微提供决策支持。
能力2：建立专业的交互圈子。在家庭生活相关的各类技术领域，HOPE平台都聚集着几十乃至数百个一流专家，这些专家都在线与用户和资源方交互，从而打造出一个个的细分技术领域交互的圈子，每一个圈子都是解决一类技术问题的子生态圈。
能力3：持续产出各类颠覆性创意并孵化。平台上的发烧友用户和技术大咖不断交互出各种创意。参与创意交互的用户或者资源，都能够获得未来上市产品收益的分享。
能力4：快速精准匹配全流程资源。HOPE强大的搜索匹配引擎，能够快速将后台资源库、方案库、需求库、创意库进行配对，匹配精准度高达70%。
能力5：创意转化全流程支持。海尔为创客提供从创意的提出、交互、孵化，到产业化、营销等全产业链条上的支持。
三、海尔通过各种分享机制和创新伙伴分享市场价值
1、共建专利池。海尔已与DOW、利兹大学等共建专利池，共同纳入的专利数量达到100件以上，联合运营获取专利授权收入。迄今海尔已经和合作伙伴共建了7个专利池，其中2个专利池上升为国家标准。
2、模块商参与前端设计，超利分享。E公司是一家专注于制冷解决方案的公司，凭借优秀的设计能力，和海尔一起开发出极受用户欢迎的产品，成功成为海尔供应商。这种模式比传统的模式提高整体产品研发效率的30%，新产品开发时间缩短70%。目前已有超过50%的模块商参与到前端研发过程中，未来海尔所有供应商将全部参与到产品前端研发过程，实现全流程的交互研发。
3、投资孵化。美国某大学孵化出的C公司，拥有固态制冷技术模块顶尖技术，并且处于孵化融资阶段。海尔参与该公司前期孵化、融资及技术的产业化，成功孵化出全球首款真正静音的固态制冷酒柜。
4、联合实验室，成果分享。海尔与D公司、L公司等成立技术研发联合实验室，双方共同投入基本的运营费用，从各个领域实现技术的开放性，实现双方技术的交互与应用共享，技术研发的成果双方共同拥有，产品上市后价值分享。
5、成为供应商伙伴获取收益。具备交互用户、模块化设计、模块化检测、模块化供货四个能力的资源，可享有优先供货权，即优先保障享有70%-100%的供货配额。同时享有6-12个月的反超期。例如S公司参与天樽空调研发，参与前端模块研发，同时具备供货能力，在量产后直接享受80%的模块供货配额。
开放式控制系统 篇3
摘要：现有单片机实验装置不能为“时间上开放、空间上开放和内容上开放”的实验教学理念提供支撑，为此研制了一套开放式单片机电气控制综合实验教学平台。该实验平台由核心实验电路板、通用实验箱和实验对象三个层次实验装置组合而成。核心实验电路板为实验空间的转移提供了较大的自由度，通用实验箱为实验内容的开放提供了良好的自主性，电气类测量与控制实验对象便于实现面向工程应用的设计性、系统性实验。批量用于实验教学的实践表明，该实验平台为提高学生工程应用能力和创新能力提供了有力的支撑。
关键词：开放式；单片机；电气控制；实验平台
作者简介：杨风开（1964-），男，江西九江人，华中科技大学电气学院，高级工程师；徐慧平（1984-），女，湖北新洲人，华中科技大学电气学院，工程师。（湖北?武汉?430074）
中图分类号：G642.423?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）27-0089-02
在单片机实验教学改革的过程中，确定了“时间上开放、空间上开放和内容上开放”的开放式实验教学理念。空间上的开放，就是要让学生既可以在实验室做实验，也可以在寝室等其他地方做实验；内容上开放，就是要提供充分的实验条件，让学生能够自主设计实验内容。时间上的开放基本上属于实验室管理的范畴，空间和内容上的开放，则必须有一定的硬件条件支撑。[1]
基于开放式实验教学理念，开始寻求采购实验教学装置，结果没有找到合适的现成的实验教学装置。现有的单片机实验教学装置，普遍存在三方面的不足：一是实验装置体积较大，造价较高，不适合让学生带回寝室做实验，不能为实验空间的延伸、拓展提供支撑；二是装置上的电路连接基本固定，电路模块较少，不能满足自主设计实验内容的要求，不能为实验内容的开放提供必要的支撑；三是配套的电气测量与控制对象较少，不利于将实验教学与工程实际相结合。[2，3]
针对这一现状，决定自行研制一套开放式单片机电气控制综合实验平台，采用组合式架构，便于学生在寝室做实验，实现空间上的开放；提供充足的接口电路模块，并且可以按照自己设计的电路自行搭接控制信号，便于实验内容的开放；开发出较多的电气测量与控制实验对象，便于将实验教学和电气工程实际相结合，让学生能够设计出完整的基于单片机的电气测量和控制系统，形成系统性的概念，进一步拓展实验内容的开放性。
一、组合式实验教学平台架构
实验教学平台由三个层次实验装置组合而成，其组成架构如图1所示。第一个层次是核心实验电路板（简称核心板），不同核心板上配备不同的CPU，目前已经开发出MCS-51单片机核心板和TMS320LF2407型DSP核心板。第二个层次是通用接口电路实验箱，在实验箱上配备了较为齐全的接口电路模块。第三个层次是各种电气测量和控制实验对象。
通用接口电路实验箱为基本的配置，实验室每个实验台位配一套。核心实验板可以根据实验需要配插到通用实验箱上在实验室做实验，做不同的实验（MCS-51单片机实验或DSP实验），可以配插相应的核心板。核心板的数量远多于实验箱的数量，冗余核心板学生可以借回寝室或拿到其他实验室做实验。电气测量和控制对象有若干种，每种的台（套）数远少于实验箱的数量，学生可以根据需要选择不同的测量控制实验对象，与通用实验箱结合做实验。
二、核心实验板
核心板的基本设计理念是：既具有体积小、造价低、使用方便的特点，又能满足开放性、兼容性实验教学的需要。核心板的电路结构反映了设计理念。
1.核心板的特点
核心板的特点是体积小（印制电路板面积为100×100mm2）、造价较低，不需外接实验电源，连接到电脑的USB接口就可以做实验，便于学生借出实验室进行实验，从而实现实验室空间上的开放。核心板包括CPU及少量接口电路，可以独立完成一定数量的实验，也可以方便地与实验箱或实验对象连接扩展更多的实验。核心板可以提供散件供学生自行焊接安装，并可以根据学生需要有条件地发给学生。
2.MCS-51核心板结构
MCS-51核心实验板电路结构如图2所示，包括SST89E58RD型MCS-51系列单片机，USB和RS232串行通讯接口，发光二极管、LED数码管、按键、A/D和D/A转换器件等。为减小印刷电路板面积，核心实验板上的数码管采用动态显示方法，A/D和D/A转换均选用串行接口器件。[4]
核心实验板可以采用USB接口自带的+5V电源工作，也可以利用通用实验箱上的+5V电源供电。MCS-51核心实验板上的外设接口电路，使用了单片机的P1口和P3口。P1口和P3口的各个引脚，可以用于控制核心板本身的外设器件，也可以通过核心板上的插针，连接到其他的外部控制电路，或者通过与通用实验箱连接的插座，用于对通用实验箱上电路模块的控制。改变核心板上拨码开关的位置，可以设定P1口和P3口各引脚用于核心板内部或外部。
全部I/O口各引脚分别接到一排插针上，可通过排线连接到其他应用电路；同时均连接到与通用实验箱连接的插座上，可用于跟实验箱上电路模块连接。
3.DSP核心板结构
DSP核心实验板电路结构如图3所示，包括TMS320LF2407型DSP，USB和RS232串行通讯接口，发光二极管、LED数码管、按键、RAM和D/A转换器件等，其中有部分电路与MCS-51核心板相同。TMS320LF2407型DSP片上含有16路模拟输入的10位A/D转换电路，所以在DSP核心板上没有设计A/D转换电路。由于做DSP实验时，一般需要处理较多的数据，所以在DSP核心实验板上扩展了64kW的RAM存储器。[5]
USB接口的电源电压为5V，而TMS320LF2407型DSP工作电源电压为3.3V，为此图3中增加了一套电源转换电路，该电路同时用于产生CPU复位信号。此外，TMS320LF2407型DSP一般用JTAG接口进行硬件仿真调试和在线编程，所以在图3中增加了一套USB-JTAG信号转换电路模块。
三、通用实验箱
通用实验箱上包括单片机、DSP接口实验所要求的各种外设和接口电路模块。这些电路模块的功能，有少部分与核心板上的电路功能类似，但是采用不同的器件型号或接口工作方式，以便与核心板功能互补，增强电路设计时的选择性。
1.通用实验箱的组成
为了增强实验内容的可选择性，满足设计性实验的需要，通用实验箱与核心实验板上的电路功能有部分相同，但是工作方式或者接口控制方式不一样。比如：数码管显示电路，核心实验板上为动态显示方式，通用实验箱上为静态显示方式；A/D和D/A接口电路，核心实验板上为串行接口，通用实验箱上为并行接口。实验箱中预留接口电路模块，实验时可以按照自主设计的电路，自行连接。通用实验箱上的外设和接口电路非常丰富，基本上囊括了各种《单片机原理及应用》教材上列举的所有外设接口。这就为学生自主设计实验内容提供了硬件上的支撑。[6，7]
2.通用实验箱的结构
实验箱上的电路连接线分单芯连线和8芯排线两种。当需要将两组8根线同时连接时，可以采用8芯排线。为了提高连线的可靠性，实际使用的是16芯排线，两两并联到一起，代替8芯排线用。单芯连线端子中，采用不同颜色接线端子区分信号类型，红色为输出端子，黄色为输入端子，蓝色为输入/输出端子，绿色为地线。为了便于与外电路连接，放置了若干个桥接端子，可以一端连接实验箱内部电路，另一端连接外电路。所有电源端子，既可以连接到通用板上的电路，也可以连接到外电路。为了便于自行扩展外电路，实验箱上放置了两块小面包板。在面包板上自行搭接的电路，可以很方便地通过桥接线连接到实验箱上的电路。
各接口电路模块，都留有控制信号插孔，实验时可以自主设计电路原理图，用导线搭接出所设计的电路。实验箱从电路结构和外观布局上，都为实验内容的开放及综合性、设计性实验的开设创造了有利的条件。[8]
四、电气类测量控制实验对象
在通用实验箱之外，配备一定种类的电气测量、控制实验对象，以供学生做设计性、系统性实验时选用，增强学生对工程实际的了解。实验室测量控制对象其实是工程实际中测量控制对象的缩小版或者模型。在设计开发时，融入了以下几个设计理念：
1.反映工程特性
由于体积、结构等限制，不可能将工程实际中的实物搬到教学实验室来，但是实验模型必须能够真实反映工程实际中测量对象的特性。比如变电站电压无功自动控制模型，就能够反映变电站电压无功的测量、控制特性，用实验模型开发出的变电站电压无功控制系统，可以直接拿到工程实际中加以应用。
2.适合教学实验
各种测量控制对象上，配有必要的驱动或信号调理电路，留有与通用实验箱上一致的连线插孔，便于实验的开展。
3.便于比对
测量控制对象上，配有另外一套独立的测量和显示电路，便于学生实验时，与自己的实验结果进行比对和验证。
根据以上设计要求，目前已经设计出电动机数字调速系统、变电站电压无功自动控制模型、风能发电并网控制模型、可变电网谐波源、配网低压无功补偿控制系统等。实验时可以将实验箱与这些电气类测量控制对象连接，获得与工程实际相近的实验结果。[9]
五、结束语
开放式单片机电气控制综合实验平台于2009年开发出样机。经试用修改后，2010年批量生产10台通用实验箱，用于实验教学试点。通过试用后加以改进，2011年又生产20台继续试用。2012年经过反复试用、完善后，累计生产、改造出70台，全部装备单片机实验室，用于2009级480名本科生的“单片机原理及应用”课程实验及课程设计，以及少量本科生、研究生的毕业设计。
三年多的实验教学改革试点和实验教学实践表明，开放式单片机电气控制综合实验教学平台可提高学生的专业兴趣，培养学生的工程应用及设计能力，受到了学生普遍的好评。
参考文献：
[1]俞远志,张立庆,傅晓航.开放性实验教学模式的实践与思考[J].实验室研究与探索,2012,31(3):153-155.
[2]孙书芳,张家海,陈海霞.单片机教学中学生应用能力的培养[J].中国电力教育,2011,(35):141-144.
[3]张鑫,朱智林,张岩,等.在单片机教学中培养大学生的创新能力[J].中国电力教育,2010,(3):92-93.
[4]代芬,王卫星,邓小玲,等.单片机综合实验开发板设计[J].实验室研究与探索,2010,29(8):213-215.
[5]裴荣,卜雄洙,牛国柱,等.基于工程的DSP课程实验设计研究[J].实验技术与管理,2011,28(8):96-99.
[6]汪建.单片机原理及应用技术[M].武汉:华中科技大学出版社,
2012:199-281.
[7]杨风开.DSP原理及应用[M].武汉:华中科技大学出版社,2012:180-232.
[8]郑兰菊.单片机课程中单片机实验教学探究[J].中国电力教育,2011,
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[9]石爱平,杜玉杰.高校单片机实验教学系统的设计[J].电气电子教学学报,2010,32(1):84-85.
开放式控制系统 篇4
开放式控制器的发展趋势是以PC为基础[4]、采用面向对象的模块化设计方法构造系统,基于PC的开放式控制器主要分为4类:单PC控制模式;双PC控制模式;PC+DSP运动控制卡的控制模式;PC+分布式控制器的控制模式[5]。
1 系统平台选择
合理地选择硬件、软件开发平台是支撑开放式控制系统的前提条件,搭建一个既能满足系统功能需求、又能提供丰富的开发资源,便于系统二次开发和升级换代的硬件、软件平台是开发中的首要任务。
1.1 硬件平台选择
进入1990年代以来,以DSP技术为核心的多轴运动控制技术得到了快速的发展,DSP的集成性、兼容性和高速性,为设计新型的机器人控制器提供了有力的支持,据此我们选择PC+DSP运动控制卡的控制模式,系统硬件电路原理结构框图如图1所示。
图1中EMAC600是由PC和以Motorola DSP56002为核心的多轴运动控制器PMAC2A-PC/104构成的嵌入式多轴运动控制系统,它们之间通过PC104总线方式连接。PC104总线模块之间采用堆栈式连接,即以“针”和“孔”形式层叠连接,这种层叠封装具有极好的抗震性,而且4mA总线驱动即可使模块正常工作,减少了电源消耗。EMAC600具有标准的接线端口,如表1所示,可以方便地连接安川数字式交流伺服驱动器,实现电动机转速、转矩信号的输出以及编码器位置反馈信号的采集,控制各个轴互相联动,进行完全协调的运动。
1.2 软件平台选择
软件作为焊接机器人系统的重要组成部分,决定了系统的功能和使用的方便性,目前机器人控制技术的研究已经由硬件过渡到了软件,所以系统软件平台的选择至关重要,操作系统选用稳定性、可靠性均较好的Windows XP作为操作系统。
Visual Studio是微软公司推出的完整开发环境,它包含一个集成开发环境和高级C#编译器,提供的强大工具包可以使用户轻松设计和编写C#程序。C#是一种新的编程语言,相对其它编程语言,C#具有精确、简单、类型安全的优点,是一种可以跨平台的语言,是C/C++家族中第一个面向对象的语言,与C++比较,C#的优势在于完全支持组件的开发模式,支持版本封装,这就可以帮助开发人员减少代码量和代码出错的机会,缩短开发周期。因此,本设计选用C#程序设计语言,在Microsoft Visual Studio 2005下进行开放式机器人控制系统的软件开发。
2 软件设计方案
遵循逐步细分、信息重用和继承、高内聚低耦合、一致性、开放性5个基本设计原则,结合系统开放性、可移植性的要求,运用面向对象方法进行开放式机器人控制系统软件开发。
2.1 功能需求分析
面向对象的软件开发方法综合了结构抽象和功能抽象的特性,方便软件系统的模块化设计,同时还能实现软件系统的可扩充性、多态性,便于修改[6]。面向对象的建模分3个层次描述和实现,分别是:系统级、控制单元级和基本类级。基本类是将控制系统功能细分得到的最小功能单元,是组合整个软件系统的最小单位。所有基本类有机地组合形成软件系统的类体系,再通过功能相关原则组合基本类,形成控制单元,而所有控制单元构成了开放式机器人软件系统。
我们研制的五自由度关节型焊接机器人,以焊接作业为主要应用对象,因此从焊接机器人的作业条件、运动轨迹、作业顺序入手进行需求分析,操作者可以根据作业要求和作业结果对作业目标值进行设定和修正,直到满足作业要求为止,然后机器人按照操作者的操作进行作业。根据上述系统功能需求分析,对控制系统软件结构进行模块化的规划和优化,将系统功能划分到不可再分的离散逻辑单元,并且保证各种功能模块既相互独立又能协调工作,总结出开放式焊接机器人控制系统软件功能模块框图如图2所示。
2.2 软件总体结构
依据系统软件功能模块的划分,按照逐步细分的原则完成整个系统主框架程序的设计,它主要完成系统的初始化、信号输入输出、参数传递、伺服电机操作、示教运行、在线控制、系统状态监测等任务。主进程在系统上电后便自动开始运行,只有当电源断开时,才停止运行,它采用中断方式响应各个模块的请求信号,根据中断请求信号优先级的高低依次响应相应的模块,系统软件总体结构如图3所示。
应用程序启动时,首先要加载PMAC生产商提供的PComm32.dll动态链接库,建立应用程序到PMAC的驱动通道,然后通过直接调用PComm32.dll中已有的库函数来实现对机器人各关节伺服电机的控制和电机编码器信号的采集,通信结束时,关闭应用程序到PMAC的驱动通道,释放PComm32.dll占用的资源,完成主进程和通信进程之间的信息交换。
2.3 运动控制函数模块
运动控制函数模块包括正运动学分析、逆运动学分析,采用传统的DenavitHartenberg(D-H)方法建立机器人的正运动学模型,采用符号计算法建立机器人的逆运动学模型。通过实例化一个Matrix矩阵类数据类型的对象T,按照矩阵运算的基本规则进行运算,实现D-H坐标变换矩阵计算的实例代码如下所示,正运动学分析界面如图4所示。
当点击“计算”按钮时,机器人状态量和位置量会显示在“输出结果”控件内对应的只读文本框中,然后点击“计算结果保存”按钮,就可以将上述机器人状态量和机器人位置量的输出结果保存到在SQL环境下robot数据库的Robot Position数据表中,如图5所示,以下代码实现在SQL环境下连接数据库并保存数据,如果数据保存成功,则自动弹出如图4中所示的“保存成功”对话框。
当点击图4正运动学分析界面中“新增自由度”按钮时,系统自动弹出如图6所示的新增自由度对话框,在对话框右上方通过ComboBox控件选择新增自由度的数目,选择后按“回车键”确认,此时会在该对话框左边“输入机器人关节量”控件内自动显示出相应数目的新增关节名称及其对应参数的输入文本框,用于输入机械本体自由度大于5时新增关节的D-H参数。通过这种独立地增加新模块的方法,能够方便地实现多于五自由度的机械本体的正运动学分析。
2.4 在线监控模块
在线监控界面如图7所示,它是机器人最重要的人机对话通道,该模块主要功能是通过在“在线指令输入栏”中输入指定的在线指令,实现PMAC对伺服电机的控制和状态查询,并在监控界面左上方RichTextBox控件中显示PMAC的返回信息,如通信状态、电机激活状态、变量地址等。PMAC常用在线指令如表2所示。
当从主界面进入在线监控界面时,应用程序自动检测PC和PMAC之间是否通信成功,如果通信成功,则在返回信息栏显示“与PMAC通信成功!”,同时使能Timer控件,实现伺服电机位置、速度的实时监测;如果通信不成功,则在返回信息栏显示“与PMAC通信失败!”,同时在右侧的状态监测窗口中对应的文本框内显示“No Response”。
使用在线指令获得电机位置、速度的单位分别是:cts、cts/s,其中cts是PMAC的“内部计数单位”,一个没有具体量纲的内部单位,其对应的具体量纲取决于所用编码器的分辨率、后置电路的信号处理方式以及机械传动系统的螺距、齿距或导程。cts到毫米的转换公式如下所示:
cts/(Ix08*32)/轴比系数=mm
其中,“轴比系数”表示电机带动的执行机构直线运动1mm电机编码器的脉冲数。
3 软件测试
PMAC2A-PC/104的基板能够直接控制4个伺服电机,4个以上的伺服电机是通过附加板实现控制的,所以当伺服电机个数<5时可以直接使用在线指令控制,而第5个伺服电机需要进行定义后才能够使用在线指令控制,定义代码如下所示。
经过定以后,在“在线指令输入栏”输入“#5J={常量}”,即手动进给至指定位置,观察监测窗口的实时数据是否与每次手动进给的指令值一致。表3是电机位置实测表,其中“指令值”是上述在线指令中输入的“常量值”,“实际值”是在观测窗口中显示的实时数据,“误差值”是二者差的绝对值。所以,从表3的“误差值”一栏可以清楚地说明软件系统的准确度和精确度满足设计要求。
4 结 语
利用C#编程语言,完成了PC+DSP运动控制器构建的开放式机器人控制系统软件设计。整体软件结构紧凑,使用和维护方便,对构建基于PC+DSP运动控制器的开放式控制系统具有一定的通用性,根据不同机械本体的不同应用需求,能够快速地添加、删除、修改相应功能的软件模块来满足实际需求,充分体现了系统的开放性和可移植性,大大地缩短了机器人控制系统软件的开发周期,最终使得系统只需要做最小的改动就能够应用到许多不同的场合。
参考文献
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开放式数控系统的现状与发展 篇5
AECOM的微型阵列打印机，是指用来在显微镜载片上存放高密度网格排列的cDNA、染色体组DNA或其它类似的生物物质的专用仪器，主要由一台计算机控制的高精、高速三轴开放式数控系统和一个独特的笔尖组件组成。
3.2生物芯片扫描设备
开放式控制系统 篇6
摘 要：随着“互联网+”在教育领域的应用，理实一体化课程在职业教育应用广泛，构建相应的学习、教学空间成为当下流行趋势，作者根据学习空间课堂教学管理实现的功能，应用UML分析设计B/S结构的系统模型，建立开放课堂教学管理系统，实现对象类的定义、对象类的动态建模及物理建模，有利于提高教学管理系统的开放性、稳定性、可重用性。
关键词：开放课堂教学管理；UML；学习空间；动态建模
中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2016）11-0062-03
一、引言
2016年地平线报告提出学习空间重构的重要性，这就要求各院校建立新的教与学空间。高等职业教育变革的主要体现之一是采用理实一体化的教学课程模式，利用现代教育技术，将理论与实践，教与学，教室、工作室、实训室，知识、技能等一体化。系统从学习空间教学角度出发，采用.NET框架和MVC模式开发开放课堂教学管理系统，既能够实现学习空间动态、开放的教学，同时对职业院校学习空间的综合管理具有重要作用。从学习空间教学的角度出发，使用UML对开放课堂教学管理系统建设内容进行分析建模。系统合理规划，功能完善，方便师生共同使用，减少相关工作人员的工作量；实现学习空间上的资源共享，激发学习者的学习动机，学生完成社会性交互，促进学生主动参与，提升学习效果；学习空间管理方面，减轻管理员工作，采用信息系统的管理模式，学习空间主要实现项目课程的安排，师生通过访问服务器可以方便地查询、提交有关教学资源。
二、系统结构
系统根据教学需求把用户分为四类，有教师用户、学生用户、系统管理员用户、学习空间管理员用户。针对具体的用户，系统根据用户数据库提供的信息设置相应的权限和功能。学生使用这个系统可以运用个人密码登录，然后在线查看课程安排时间、地点，浏览工作项目信息，提交项目报告，修改个人信息，评定其他学生的工作项目，查看自己项目课程成绩；教学一线的教师登录这个系统主要是查询本人授课的班级，所在的地点、时间，评定学生学习空间平时的课程成绩，跟踪学生的互动信息，记录学生在开放课堂的表现，修改个人资料，申请使用学习空间并查看结果，申请设备，发布及管理项目报告资源；学习空间的管理人员登录系统进行学习空间项目信息管理，管理耗材信息，管理设备信息，检索并分配学习空间，审核学习空间申请，查看学习空间申请及学习空间安排；系统管理员登录本系统设置学习空间、学生、教师基本信息，设置工作项目设备信息，维护公告信息、学习空间排课系统等。
系统使用ASP.NET MVC模式来实现模型应用程序核心，实现在数据库中存取数据的功能，视图一方面将模型的数据接收并传递给用户，另一方面将用户的数据和请求传递给模型和控制器，控制器负责处理用户之间的交互，MVC将模型、显示和控制进行了分离，使一个模型可以具有多个显示视图，使应用更加方便。系统面向全体用户具有信息发布功能，能够完成项目提交、评定等功能，系统可以实现教师申请学习空间的请求，教师根据自己的教学计划合理安排教学并作具体分配，避免学习空间安排冲突，开放课堂教学管理系统结构如图1所示。
三、用例图
系统采用UML 在需求分析阶段的建模步骤，根据系统需求，从用户的角度描述出系统的功能，作为用例图执行时系统与操作者的一个交互过程，在捕获用户需求后，使用用例图对系统静态结构进行建模，定义系统的参与者，划分用例，建立用例图。
1.系统管理员用例图
系统管理员的主要需求是保障系统的正确运行，同时进行系统运行过程中基础数据的维护以及管理配置，具体包括基本信息配置，学习空间课程信息维护，系统用户数据管理，学习空间排课系统维护、实现、信息的发布，系统登录等。通过调查分析，学习空间课程信息维护包括项目课程信息导入，项目课程信息查询，项目课程信息添加、修改、删除等，参与查询项目课程信息的用户包括学生、教师、学习空间管理员等。将每个业务用例都绘制出相应的活动图，活动图用于研究实现一个工作过程、多个对象之间的合作，再将其中的各种“活动”整合，图2为系统管理员用例图：
2.学习空间课程教师用例图
学习空间课程教师登录系统，可以查询学习空间的设备情况、学习空间课程的申请情况，预约申请学习空间、设备、耗材，上传项目任务单，管理学生项目报告等，系统存储师生在学习空间的教学资源，为学生在线主动学习提供了有力保障，图3为学习空间课程教师用例图：
3.学生用例图
学生登录系统，一方面提交项目报告，查看项目课程成绩，进行自评互评，修改个人资料信息，查看课程安排，与系统管理员、课程教师、学生之间进行信息交流；另一方面系统及时记录学生学习过程并及时反馈给教师，教师可以随时随地了解学生的学习情况，图4为系统学生用例图：
四、系统的类
系统在建模过程中，以用例模型为输入，以MVC模式识别系统类、类的属性和操作，对类进行划分建立初步模型，之后确定类的属性和操作以及类之间的联系。Model部分包括后台的逻辑操作，访问数据库中的类，在.NET中写成独立的类文件，最后建立开放课堂教学管理系统的类图，系统的类分别是用户类、系统管理员类、学生类、教师类、项目类、班级类、学习空间类、院系类、专业类、排课类，图5为开放课堂教学管理系统的类图，每类的功能介绍如下：
用户类：用户类是所有类的父类，包括的属性有登录名、密码、用户邮箱等，方法有getAccount（）（获取登录账号）以及changePass（）（修改密码）。
系统管理员类：主要负责系统运行过程中基础数据的维护以及用户的管理配置，除了继承父类的属性和方法，管理员有自己的属性、电话号码。还有自己的方法：cerftfyUpload（）（文件的上传认证）、updaPageInfor （）（更新页面信息）、addUser（）（添加用户）和deleteUser（）（删除用户）等。
学生类：主要负责参与学习空间项目课程学生的基本信息的事务管理，除了继承父类的属性和方法，还包括学号、姓名、性别、年级、专业、班级编号、系部编号、电话、学生类别、邮箱等。对学生信息事务管理的主要操作有updateStuInfo（）（更新个人信息）等。
教师类：包括学习空间管理员与项目课程的教师，主要负责教师基本信息的事务管理，除了继承父类的属性和方法，还包括教师编号、教师姓名、性别、教授的课程、职称、系部编号、类别、电话等，对教师信息事务管理的主要操作有updateCourInfo（）（更新课程介绍）、updateTchIntro（）（更新教师介绍信息）等。
项目类：主要负责教师学生项目基本信息的事务管理，工作项目基本信息事务管理的主要操作有issue（）（项目发布）、delete（）（项目删除）和modify（）（项目修改）等。对项目课程事务管理的主要操作有修改项目课程信息的方法modify（），主要属性包括项目编号、课程编号、项目名称、项目总课时数、项目要求、课程名称、任务单号、专业编号、课程标准、考核类型、学习空间编号、用户类别、学习者特征、分组人数、首开时间、教学目的等。
班级类：主要负责班级的事务管理，主要属性包括班级编号、班级名称、专业编号等，对班级事务管理的主要操作有修改班级信息的方法modify（）等。
学习空间类：主要负责理实一体化学习空间基本信息的事务管理，主要属性包括学习空间编号、学习空间名称、负责教师编号、房间号、容纳人数、电脑数、是否分配等，对学习空间事务管理的主要操作有修改学习空间信息的方法modify（）。
院系类：主要负责系部信息管理，主要属性包括院/系编号、院/系名称等，对院/系事务管理的主要操作有修改院系信息的方法modify（）等。
专业类：主要负责专业信息管理，主要属性包括专业编号、专业名称等，对专业事务管理的主要操作有修改专业信息的方法modify（）等。
排课类：主要负责排课结束后的课表相关元素信息管理，主要属性包括学习空间编号、项目编号、教师编号、教学周次、教学日次、教学节次、项目批次、容纳上课人数等，对排课事务管理的主要操作有自动排课autoCourse（）、手动排课manualCourse（）、冲突检测conflictDetection（）、统计分析statisAnalysis（）、报表输出reportOut（）等。
五、开放课堂教学管理系统中对象的动态建模
系统的动态建模的主要作用是描述个对象间消息的实时变换和相互作用等，开放课程教学管理系统，系统中内部对象间的通信采用UML建模方式进行描述，系统从用户的主要用例间的交互出发，在用例图的基础上建立时序图。具体的动态建模的流程是：系统管理员进行验证后登录系统，对学生、教师、课程的信息进行管理；学习空间管理员进行验证后登录系统，可查看课程、课程项目信息，审批预约申请，查询学习空间设备；学生进行验证后登录系统，可以对项目课程信息和考核成绩进行查询，就学生个人信息进行个性化设置等；教师进行验证后登录系统，可以查看项目课程、学生信息，同时也可对教师的个人信息进行个性化设置和实时观察学生的学习过程等。
六、结束语
开放课堂教学管理系统以高职院校理实一体化课程的学习空间为基础，结合学习空间教学管理的工作流程，开发Web应用系统，采用统一建模语言UML在系统中的应用，提出系统的静态和动态结构，系统经过反复调试使用，目前运行稳定，各基本条件设置较为满足，达到合理分配学习空间资源的效果，满足院校学习空间教学管理系统的优化与实现。
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开放式控制系统 篇7
开放式数控系统应具有可配置性,可配置性使得用户能根据自身需求配置相应的功能,无需进行额外的系统升级或功能开发,能大大提高系统对不同用户的适用性并且降低新系统开发时间[1,2]。运动控制作为机床的核心部分,该部分的可配置为系统可配置的重点,运动控制可配置的研究对开发可配置开放式数控系统具有重要的现实意义和广阔的应用前景。
国外主流数控系统,虽然实现了部分功能开放,但运动控制部分仍为封闭,而且存在可配置性差、开发难度大和成本高等问题。国内研究的数控系统具有一定的可配置性,但运动控制部分仍然不能实现可配置。
文中所研究的开放式数控系统具有低成本、可配置等特点,采用了基于RCS库的通信机制实现数控系统命令和状态的传输,阐述了共享内存缓冲区的建立及系统运动控制配置的方式。
1开放式数控系统的结构
开放式数控系统的结构是实现系统可配置的关键,具体数控功能的设计及其配置都基于其结构框架。合理的结构将能最大限度地提高系统的软硬件性能并能实现系统的可重构、可配置。
1.1数控系统体系结构
考虑到目前PC机的性能有限,提出了PC + 可编程I / O卡的体系结构,如图1所示。该体系结构的主要思路是合理地划分PC机承担的数控功能和可编程I/O接口卡承担的数控功能,将数控系统中大部分控制功能由PC机上运行的软件来实现,只有精插补、位置控制、信号转换等小部分实时性强的功能由可编程硬件实现。该体系结构减少了数控系统的硬件规模,消除复杂冗余的硬件电路,不仅能有效地降低系统开发成本,又可以解决PC机用于高速加工、大数据量处理时负担过重的问题。
1.2数控系统软件架构
采用Linux操作系统在用户状态下提供的多进程 /多线程编程技术来实现数控系统的多任务并行处理,将PC机上的数控系统软件封装为人机界面和任务管理两个进程,如图2所示。用户可通过人机界面进行数控程序编写、系统配置、轨迹仿真和状态监视等,任务管理进程为系统的核心进程,包括任务协调管理模块、运动控制模块和I / O控制模块等。进程之间或者线程之间采用共享内存缓冲区进行命令和状态的读写。
1.3运动控制配置需求分析
运动控制模块主要完成各种曲线、自由曲面等的运动规划和粗插补控制。根据运动控制的需求,定义了以下配置参数:
上述运动控制配置参数为运动控制基本参数,可进行扩展补充。其中加减速控制算法参数中以“0”表示直线加减速算法,“1”表示指数加减速算法,“2”表示S型加减速算法。为了保证机床使用的安全性,用户使用过程中只能对加减速算法进行配置,其他配置则需由机床厂商或者开发者进行。
2通信机制
通信机制是数控系统运行的基本要求,也是实现运动控制的前提条件。考虑开放式数控系统通用性要求,采用了基于RCS( real - time control system,RCS) 库的通信机制。RCS库是由NIST( 美国国家标准与技术研究院) 开发,采用面向对象的方法,用C + + 类封装代码,将程序抽象化,易于理解和使用的软件库。可从网上免费获取最新的RCS库开放源代码,它支持Linux、Windows等多种操作系统软件平台和跨平台通信[3]。
2. 1 RCS
通过RCS库提供的通信管理系统CMS( communication management system,CMS ) 和中性消 息语言NML ( neutral message language,NML) 两个不同层次的通信机制[4],实现了数控系统的命令和状态的传输。利用NML中性消息语言统一定义数控系统的命令和状态数据,并建立NML共享内存缓冲区( 命令缓冲区、状态缓冲区) 实现进程间或者线程间的数据传输,如图2所示。
2.2建立共享内存缓冲区
缓冲区的创建通过定义NML类的对象来实现[5]。 NML类定义为NML ( NML _ FORMAT _ PTR f _ ptr,char * buf,char* proc,char* file) ,其中,f_ptr是格式化函数的地址,格式化函数是CMS实现不同类型数据传输的函数; buf是所用缓冲区的名字; proc是应用程序进程的名字; file是配置文件名。共享内存的属性信息在配置文件定义,CNC命令通道缓冲区的定义如下:
NML* cnc Cmd Channel = new NML ( cnc Format," cnc Command" ," cncmain" ," cncnml" ) ;/ / 命令通道缓冲区
3运动控制配置实现
为了简化配置过程,在系统自动加工界面设置了运动控制参数设置窗口,如图3所示。
对于S型加减速算法,当确定系统最大速度vm,最大加速度am,加加速度J这3个参数就可确定程序段整个运行过程。其中最大速度反映了系统的最大运行能力,最大加速度反映了系统的最大加减速能力,加加速度反映了系统的柔性,该参数与系统柔性成反比,若取大,则冲击大,极限情况下取无穷大,S曲线加减速即退化为直线加减速。若取小,则系统的加减速过程时间长,可以根据系统的需要及性能进行选取。
通过对运动控制参数设置窗口的参数进行设置,如表1所示。
采用表1的数据分别对图3中的“CNC”字样进行了仿真,得出的插补点数分别为52 052、56 001、67 969,并输出相应的速度曲线,以反映不同的配置对机床运行速度和运行情况的影响,图4,图5,图6中上半部分为速度总体走势图,下半部分为截取其中( 0.5 ~1.5) ×103区间的局部视图。
由图4与图5可知,在同样的加加速度下,不同的加减速算法得出的速度曲线不同。S型加减速算法所得出的速度曲线较直线型加减速算法得出的速度曲线平滑,而加加速度的降低,虽然可以使得机床运动更加平滑,但加工速度有所降低,如图5和图6所示。
综上,运动控制参数的设置实现了机床运动控制的可配置,验证了文中运动控制配置方式的有效性。
4结语
开放式控制系统 篇8
1.验证性实验偏多, 而设计性实验偏少, 不符合创新型人才培养的要求。
2.采用电子元器件及技术较为落后。对基础性教育不利, 无法适应当前教学的需要。
3.不利于学生适应性训练。实验内容简单、陈旧, 难以提高学生分析问题和解决问题的能力。
4.系统性、综合性较差。不利于学生综合素质的培养。使得教学不能跟上通信技术的发展。因此, 研制一种性价比较高的信号与系统教学与研究系统显得尤为迫切和必要[1,2,3,4,5,6]。
一、研发“信号与系统教学与研究系统”的目的和意义
1.培养学生的工程实践应用能力;
2.培养学生的职业素养和综合技能;
3.培养学生的创新能力;
4.全面提升通信专业的人才培养质量;
5.提高教师的科研能力。
二、“信号与系统教学与研究系统”的组成
信号与系统教学与研究系统主要包含如下模块:
1.基本运算单元;
2.信号的合成;
3.线性时不变系统;
4.零输入响应与零状态响应;
5.二阶串联谐振、二阶并联谐振;
6.有源与无源滤波器;
7.PAM传输系统
8.FDM传输系统;
9.PAM抽样定理;
10.二阶网络状态矢量;
11.RC振荡器;
12.一阶网络;
13.二阶网络;
14.反馈系统应用;
15.二次开发模块;
16.信号产生模块;
17.MATLAB开放可编程设计与应用模块。
三、“信号与系统教学与研究系统”的主要特点
本文所设计的信号与系统教学与研究系统, 与市场现有通信专业实验设备相比有以下优点。
1.紧扣教学大纲:保证基本内容, 同时使重点内容更加突出。《信号与系统》教学与研究系统是以高等教育出版社的《信号与系统》 (郑君里等) 教材为背景, 这样使本系统更具教学性、通用性。
2.实验的简洁性:由于这门课是一门基础课, 很多学生对电子类实验设备、仪器仪表还不太熟悉, 因而要求设计一些简单而又能突出基本性原理的实验内容。
3.实验的模块化:在ZH5004“信号与系统”实验箱中, 对每一个实验单元均以一小模块来完成, 电路在ZH5004型“信号与系统”实验箱的相应模块中画出, 使老师、学生一目了然。
4.实验的可观察性:系统的暂态过程、系统在各种输入信号下的特性是“信号与系统”课程的一个重要方面, 而这些实验结果的观察对于一般实验设备来说需配备复杂的信号源与性能较好的测量仪器 (如存贮示波器) 。这对实验室的建设与实验的开设的要求都是很高的。为此系统本身提供了丰富的信号源与可操作的测量手段, 使实验室的建设经费大大降低, 让实验室老师更易开设实验, 让学生更容易学习基本知识。同时系统中也可根据老师的要求进行信号设计。
5.实验的可扩展性:学生在实验一般实验的同时, 可以利用二次开发模块提供的基本元件改变实验中的某些元件参数, 进一步开拓学生的思路。
6.实验的启发性:同以往一般实验设备不同, 在系统中除了安排大量的测试项目外, 还在实验思考一栏中按排了具有一定启发性、一定深度与扩展性的实验内容, 供老师与学有余力的学生进行操作。
7.实验模块的互连性:《信号与系统》教学与研究系统中, 对某些实验模块进行互连可以构成新的实验系统, 这可以大大提高学生学习的兴趣, 增强实验效果。
8.实验箱的可开发性:在《信号与系统》教学与研究系统中, 提供了二次开发模块, 学生可根据老师的要求, 以信号与系统的知识自行进行实验设计, 提高学生的动手能力。基于以上这些新特点, 《信号与系统》教学与研究系统将在教学中起到应有的作用。
信号与系统教学与研究系统采用模块化的设计及综合性的设计, 让学生熟悉当今通信系统的组成和所采用的先进的相关技术等;帮助学生在通信领域建立一个较为完整的架构体系。本系统着重体现在测试和设计上, 目的是加强基础性教育、增强适应性训练、注重人才综合素质的培养, 对通信系统概念有正确的常识性的理解, 提高实践能力, 为今后对新设备的操作、维护奠定一个良好的基础。本系统完全能够满足高等院校通信工程专业、电子信息专业的教学与研究需求。
摘要：针对《信号与系统》课程涉及的新技术、新理论发展很快, 知识结构也更加综合, 学生的学习理解难度增大, 教师的教学方式也要不断更新, 设计出了具有综合性强、实践性好, 且具有先进性、开放性、典型性、创新性、灵活性、可扩展性的《信号与系统教学与研究系统》。此系统既可以满足学生的实验、实训、课程设计、毕业设计的使用, 又可以满足教师的科研要求;从而提高学生理论联系实际和工程实践的能力, 提高教师的科研水平。
关键词：开放式,应用,HDB3码,创新能力
参考文献
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开放式实验系统实现 篇9
系统分为实验室硬件系统,数据传递软件,网站预约管理系统两部分。
1.1 实验室硬件系统
1.1.1 监控系统
该系统采用java编写,用网线与电脑连接。充分利用摄像头商家提供的sdk,编辑程序调用.dll文件,实现视频监控的功能,具体操作步骤如下:
初始化sdk,通过回调函数对设备进行注册与登陆登录服务器成功后,进行相应的参数配置,然后开始连接视频,获取摄像头传输的视频流,客户端通过网络连接视频源可进行预览、存储等操作。 获取的视频可以存储在本地计算机上,用作录像回放。录像的下载也可以分两种方式进行操作:第一种是按时间进行下载,第二种是按录像文件进行下载。两种方式的结合有利于监控录像的调取研究以及相应的追责。Sdk中写有相应的报警模块,通过调取此函数实现相应的报警功能。例如:视频移动报警、视频丢失、端口报警和遮挡报警等。此系统除了实现一般的功能之外,还可以实现客户端和设备的语音数据对讲和语音数据获取。操作完成后需要注销客户登陆,以及释放相应的sdk资源。这样整个操作过程结束,充分做到了“有声有色”。
1.1.2 IC卡读取系统
IC卡是此系统的核心,该系统采用的IC卡就是学生所用校园卡,每张校园卡都对应一个唯一的卡号,由单独的数据表进行存储,预约系统预约存储的是对应的学号,学号对应独一的卡号。在每个实验室的门口,都有一个读卡器,学生或者教师预约后刷卡进入实验室,读卡器上面有一个显示屏,刷卡时显示对应的座位,实验等信息,此时所对应的座位由单片机控制上电供预约者进行实验。如果是老师预约的整个教室,教室的所有座位都会上电供班级实验使用。系统还有一项报警功能,当实验设备被损坏,检测装置将信息反馈给单片机处理,单片机处理后驱动报警装置发出警报,并通过网络第一时间上报实验室管理人员进行处理。当班级实验或者自主实验即将结束时,系统将提示实验时间,超过时间将自动断电。学生、教师通过刷卡离开,系统自动将记录保存。
1.2 数据传递软件
该数据库传递软件起到一个媒介的作用。学生或者教师预约实验室时数据已经存入数据库,该软件实现从数据库中提取出相应的数据,将这些数据通过网线传输至单片机的存储结构中进行存储(如24c512 等),该软件还能通过判断数据表中相应字符的变化来判断数据是否更新,如果更新,也将更新单片机中的数据。该软件采用java编写,一直运行检测数据的变化。
1.3 网站预约管理系统
该系统采用asp.net4.0,sqlserve2008 完成,网站分为教师、学生、管理员三种用户,该系统预约全部精确到座位。
1.3.1 学生用户
学生用户登录时,学生可以进行对具体时间实验室的座位进行预约,但是在同一时间只能预约一个座位,学生的预约可以是在老师的安排下的预约,也可以是自己预约进行研究性实验,学生自己预约的实验自己可以进行查询、修改、删除等操作,并且可以以excel的格式导出预约信息方便查看。实验结束时,学生直接编辑实验报告进行提交,在资金充足的情况下也可以通过扫描纸质报告进行提交。
1.3.2 教师用户
教师用户登录时,教师拥有预约整个实验室和预约单个座位的权利。如果教师所需预约的实验室被单个学生预约,教师可以通过系统留言板告知学生后等待学生删除,然后预约整个实验室。老师同样也可以导出excel,查询、修改、删除自己的预约结果,并且还可以操作学生的预约结果,但这前提是必须在学生允许的情况下。对于班级学生提交的报告,教师进行批改给出成绩,通知给各学生。班级对应的教师有一个单独的留言板,学生在此可以向老师请教问题,提出建议等。
1.3.3 管理员用户
管理员用户登陆时,管理员可以进行关于学生老师的任何操作,更新网站公告栏也是管理员的责任。管理员登陆后可以对后台留言板进行回复,删除等功能,本网站还有一个视频监控功能,是通过监控软件实现(此信息将在下文提及),管理员可以通过此功能随时监控实验室情况,对教室的上课质量有很好的了解,对损坏实验设备的学生或者教师进行追责显得更方便。当然管理员也可以设置可预约时间,只有在可预约时间内教师和学生才可以进行对实验的预约操作。
2 结论
该系统充分的把预约网络和IC卡硬件结合在一起,构建一个完全开放的实验室预约系统,有利于当今大学的发展以及大学生的培养,有利于实验室的管理,有利于实验室器材的充分利用。
参考文献
[1]刘天颖,蔡振江,王宾宾,高立艾.基于IC卡的开放性单片机实验室管理系统[J],科技信息,2010(01).
[2]戴上平,等.ASP.NET 4完全自学手册[M].北京:机械工业出版社,2009.
[3]廖新彦,ASP NET交互式Web数据库设计[M].北京:中国铁道出版社,2004.
[4]王国荣,ASP net网页制作教程[M],华中科技大学出版社,2002.
[5]高云,崔艳春,SQL Server 2008数据库技术实用教程,北京:清华大学出版社,2011.
开放式控制系统 篇10
关键词：数控机床,结构,多轴
1 多轴数控机床的结构形式及选择
五坐标通常是指在三个平动坐标轴基础上增加两个转动坐标轴 (A、B或A、C或B、C) , 且五个轴可以联动如图1所示。由于具有两个转动轴, 导致五坐标机床可以有很多种运动轴配置方案。由于五坐标机床具有两个回转坐标, 相对于静止工件来说, 其运动合成可使刀具轴线的方向在一定的空间内任意控制, 从而具有保持最佳切削状态及有效避免刀具干涉的能力, 因此, 五坐标加工又可以获得比三坐标加工更广的工艺范围和更好的加工效果, 特别是适合大型或直母类零件的高效高质量加工以及异型复杂曲面零件的加工, 他们可以归于三大结构类型:
1.1 刀具摆动型。
这种结构类型是指两个转动轴都作用于刀具上, 由刀具绕两个互相垂直正交的轴转动以使刀具能指向空间任意方向。这类机床的主要特点是摆动机构结构较复杂, 一般刚性较差, 但其运动灵活, 机床使用操作 (装卡工件) 较方便, 因而在大型龙门机床上广泛使用。
1.2 工作台回转型。
这种结构类型是指两个转动轴都作用于工件上, 根据运动的相对性原理, 它与由刀具摆动产生的效果在本质上是一样的, 这类机床的主要特点是其旋转工作台刚性容易保证, 工艺范围较广, 而且容易实现。但由于工件要随工作台在空间摆动, 因此这种结构适合于中小规格的机床用于加工体积不大的零件。
1.3 刀具与工作台回转型。
这种结构类型是指刀具与工件各具有一个转动运动, 两个回转轴在空间的方向都是固定的。这列机床的特点介于上述两类机床之间。
基于以上结构的分析, 由于工作台回转式机床结构简单, 工作台刚性容易保证, 并且适合于微小零件的加工, 因此选择这种结构作为五轴数控编程及数控系统搭建的基础。图1为数控系统结构图。
2 数控系统软件界面的研制
结合数控系统的主要功能部件, 对数控系统软件结构的分析。系统的主要功能模块图如图2所示。
下面详细介绍各主要模块的具体功能实现:
2.1 初始化模块。
系统初始化包括上、下位机建立通讯和初始化整个数控系统两部分。在启动了应用程序后, 调用Pcomm32种的函数Open Pmac-Device () (该函数已在VB工程模块中用声明动态连接库中函数的方法进行了声明。形如:Declare Function Open Pmacdevice Lib"Pmac.dll" (By Val PMAC As Long) As Long。本软件其他来自动态连接库中的函数也同样在模块中进行了声明) , 用来建立上、下位机的通讯, 如果返回值不为1, 则用消息框提示用户通讯没有正确建立及可能存在的错误, 如果返回值为1, 则正确建立通讯并允许进一步进行系统初始化。
系统首先设置Metric Flag=Ture和mintMode=1, 即系统初始化默认单位制为公制、工作方式为手动方式。然后下载系统重要文件, 主要包括系统重要I变量件配置文件、标准数控代码解释文件 (如:G代码, M代码解释文件) 等:
然后建立坐标系, 并对其内部轴进行定义, 如下所示:
控制器每发一个脉冲对应于行程是50nm, 选取的用户单位为mm, 所以对坐标轴进行缩放20000倍, 在坐标系1 (&1) 下, #1->20000x表示:将1号电机定义给坐标系下的x轴, 且用户单位为mm。其它电机定义意义相同。而对应于旋转轴用户单位为度, 意义相同。
2.2 实时状态显示模块。
该模块使本软件十分重要的模块, 主要用来完成系统的大部分实时显示任务, 下面具体介绍实现维系, 状态显示功能的方法和设计的函数。本模块主要实现了坐标轴给定位置, 速度的显示。其中举例说明位置显示实现的过程如下:
2.3 加工仿真模块。
由于PC机的配置已经越来越高, 并且仿真模块可以由非实时处理完成, 所以采用现有CAD/CAM软件完成这部分的功能, 这里采用UG的VERICUT仿真模块完成仿真功能, 这里需要用到VB中的应用程序连接的函数功能, 实现方式如下:
在这里可以对不同软件的加工模块进行调用, 从而有很大的灵活性和适用性, 可以精确的完成各种复杂零件的加工仿真。
2.4 程序操作模块。
该模块可以对运动程序进行编辑、下载。因此该模块至少应包含对文件进行操作的函数 (如:新建、打开、保存) , 同时应有下载、显示加工程序段的能力, 以下为下载功能实现的程序段:
3 结论
3.1 针对加工对象的特点, 对五轴数控机床的结构特点进行了分析, 并选择了双转台形式的机床结构形式。
3.2 完成了对基于PMAC控制的开放式数控系统的人机界面的编写, 并对其实现的功能进行了详细的介绍。
开放式控制系统 篇11
关键词：机电一体化;控制系统;开放体系;结构设计
中图分类号：TP 文献标识码：A 文章编号：1671-864X（2015）02-0074-01
机电一体化是集计算机技术、微电子技术及自动化技术等于一体的先进技术。机电一体化控制系统面向市场，能够满足不同产品的需求，对系统进行开放性的设计。在过去，一些应用软件还缺乏一定的可持续发展能力，这些软件的适用范围比较小，扩展起来十分困难。每个系统或产品的标准都是不一致的，使得这些比较传统的软件很难实现系统之间的相互融合，不能发挥出系统应有的作用。本研究即是要探讨一种新型的控制系统，对系统的体系结构进行开放性的设计，使机电一体化系统具有一定的扩展功能和实用意义。
一、开放体系结构设计
（一）开放体系结构的特征
一般来说，开放体系具有可移植性、可互操作性、档次皆宜性以及可互换性等特征。可移植性是指应用软件的使用和其使用的系统没有关系，也就是说应用软件可以在A系统所提供的环境下运行，也可以在B系统所提供的环境下运行;可操作性是指在集成的环境条件下，控制系统可以和不同的系统相互连接，实现协同工作;档次皆宜性是指控制系统规模与功能可以随着应用场合作出相应的改变或者调整;可互换性是指控制系统中各个部件按照功能及可靠性相互之间可以替代，在构成机电一体化控制系统开放体系结构的系统是不会受制于任何供应商，也不需要为版权费用付出沉重的代价。
（二）开放式体系结构的意义
开放式系统结构能满足客户的不同需求，针对不同的产品制定出不同的生产方案。开放式体系结构能够满足客户对于软件不同层次的需求。此外，从实用的角度进行分析，开放式体系结构的设计可以将各种各样的应用集成在一起，能够极大地降低用户访问时间和访问的成本。这种系统的功能更强大，还具有相对较低的价格。开放式体系结构的研究和发展能够反映出我国制造业领域的发展水平，而且能大大缩短我国制造业与发达国家水平之间的差距。
二、机电一体化控制系统开放体系中不同层次结构的设计
（一）典型的控制系统
典型的控制系统通常是由人机接口模块、输出或输入模块、基本的系统模块和专用的模块等部分组成。一般来说， 能够保证控制系统的最低端的软件模块称为基本的系统模块。与个人的电脑相比较而言， 微机系统更具有实时性， 而且能够很快的适应所使用环境， 比个人的电脑更具可靠性和使用价值， 基本的微机系统都具有比较低廉的价格， 当系统出现故障时， 修理起来也是比较便捷。输入或输出模块是链接人机接口和基本系统模块的中间环节， 而专用模块则是专门用于一种软件的模块， 其专用性比较强。
（二）系统层设计的开放化
我们可以根据控制系统软件层加载方式的不同分为2类：一类是系统的软件系统，另一类是硬件系统，2个系统之间存在很大的联系。这是根据不同的产品和不同的组合，把系统软件固化在系统硬件的ROM 中，因此在软件执行模式的基础上，还可根据软件系统的操作形式，将软件操作系统在RAM 中运行，或者直接在ROM 中操作。由于个人电脑的快速发展，PC技术逐渐被引入到PC的开放式数控系统进行操作，这样能够大大提高系统的控制效率。
（三）系统层与应用软件层之间的开放化设计
采用通用操作系统，可以保证系统的可靠性，通用操作系统已经得到了广泛的应用，人们通过以此系统为基础开发了很多软件，这些软件基于共同的系统接口可以避免重复编程，效益得到了极大地提高。通用操作系统的内部核心资料是公开的，因此掌握通用操作系统的细节，可以根据设计需要进行相关的重组，从而在应用软件层上开发出更好的软件。由于机电一体化是实时任务系统，简单的通用操作系统不能够完全满足要求，还需要采用实时多任务操作系统，比如AMX操作系统、VRTX嵌入式操作系统以及QNX操作系统等。
（四）应用软件层的开放化设计
应用软件层可以为操作人员提供良好的人机界面，可以将一些无关联的设备联系到一起，还可以提供资源管理程序的操作系统接口。对应用软件进行开放性的设计，这样可以进行开放性的控制。首先应基于开放式应用软件层，根据系统需要实现的功能，基于数据流的模块化设计方法，以实現数字控制系统的规划与设计，使控制系统的功能能够有效实现。然后，对应用层模块进行有效划分，将应用软件层的开放式人机界面和开放系统核心接口根据其需要实现的功能进行开放性的设计。应用软件的核心就是要实现实时控制，所以，对于系统的设计，其核心部分就是使应用软件完成实时控制和有效调度。最后，对于开放式体系结构的设计，所有的人机接口都应进行模块化控制，确保系统界面拥有一个统一的风格，加强操作人员的操作培训，使其操作技能不断的提高。
（五）接口控制层的开放化设计
接口控制层的开放化设计对于机电一体化控制系统开放体系结构设计来说是最重要和最关键的内容。一般来说，接口控制层主要是处理系统中一些比较复杂的问题，因为它在系统结构中控制的对象比较繁多， 不仅与总线相互连接着，还与一些其他的外部接口相连接在一起，因此，接口控制层的开放化设计对机电一体化控制系统体系非常重要，不可或缺。目前我国设计接口控制层的方法主要分为两种，一种是用直接的方式，另外一种是利用间接的方式。通过这两种方式对接口控制层进行设计，大大的提高了机电一体化控制系统的处理效率和工作质量。
三、结束语
在机电一体化控制系统开放化设计中，开放体系在层面上具有不同的结构设计，最重要的一点就是接口控制层的开放化设计。输出或输入模块、基本的系统模块和专用模块等组成部分的主要结构设计表现在应用软件层、系统层和接口控制层的开放化设计上。随着机电一体化应用范围的不断扩大， 机电控制的优越性得到了广泛认可，并且得到了快速发展， 为现代化工业的发展奠定了坚实的基础。
参考文献：
[1]罗贞平.机电一体化控制系统开放体系结构设计[J].中国高新技术企业，2011（09）.
[2]吴红霞，何炜，陆齐芳.机电一体化控制系统开放体系结构设计[J].轻工标准与质量，2014（03）.
[3]李宁，马凯.机电一体化控制系统开放体系结构设计[J].机电信息，2014（33）.
开放式控制系统 篇12
1954年, 美国人乔治.德沃尔制造出第一台可编程机器人, 使机器人从概念逐步走向现实, 1962年, 美国万能自动化公司的第一台机器人在美国通用汽车公司 (GM) 投入使用, 标志着第一台机器人的诞生[1,2]。随着科技的发展, 机器人从只能简单记忆信息的一代机器人发展到了不仅具有感知能力, 甚至还能进行逻辑思维判断的智能机器人。
机器人控制系统作为机器人的核心, 是一种典型的多轴实时运动控制系统。传统的机器人控制系统的开发基本都是采用封闭式体系结构, 即采用专用计算机、专用操作系统、专用机器人语言和专用微处理器等。这种体系结构的控制器存在开发周期长, 制造和使用成本高, 升级换代困难, 无法添加控制系统的新功能等一些缺点[3]。目前, 控制系统主要采用微处理器型、FPGA/CPLD型和DSP型三种方式构成。
本文介绍了一种基于计算机可编程自动化控制器 (Computerized Programmable Automation Controller, 简称CPAC) 的六自由度开放式机器人控制系统, 在开发过程中可以利用CPAC的实时I/O控制、开放的架构、丰富的人机界面等优点[4]。该机器人控制系统具有良好的开放性和扩展性, 可以根据需要方便地进行功能扩展, 且能适应不同类型的工业机器人。此研究工作对于生产实际也具有一定的指导意义。
1 计算机可编程自动化控制器 (CPAC) 简介
CPAC是计算机可编程自动化控制器的简称, 它是固高科技有限公司推出的应用于工业装备控制的软硬件开发平台。CPAC硬件架构图如图1所示。
CPAC硬件平台由自动化控制器、人机界面、端子板和远程I/O模块四部分组成。自动化控制器 (GUC) 是将PC技术与运动控制技术相结合的产物。它以Intel标准X86架构的CPU和芯片组为系统处理器, 采用高性能DSP和FPGA作为运动控制协处理器。在实现高性能多轴协调运动控制和高速点位运动控制的同时, 也实现了普通PC机的所有基本功能。
C P A C软件平台 (O t o s t u d i o) 是一种基于I E C 6 1 1 3 1-3工业控制语言标准组态化、图形化的开发工具, 支持结构化文本 (ST) 、指令表语言 (IL) 、功能块图 (FBD) 、连续功能图 (CFC) 、梯形图 (LD) 、顺序功能图 (SFC) 等六种编程语言, 易于实现功能模块化。Otostudio集成了HMI编程工具, 便于进行人机界面的开发[5]。且Oto Studio包含有控制方案编辑器和仿真调试器, 可以进行离线仿真调试。
2 六自由度机器人控制系统软件设计
2.1 系统软件结构概述
六自由度机器人控制系统按功能模块主要分为人机界面模块、运动控制模块、文件模块以及信息反馈模块等4个模块, 机器人控制系统软件总体结构图如图2所示。其中人机界面模块主要由示教盒功能区、机器人坐标显示功能区、机器人示教操作功能区、关节参数功能区、示教列表操作功能区、关节状态功能区、手动控制功能区和状态反馈功能区组成。运动控制模块主要实现了机器人示教和再现等功能, 是整个系统的核心模块。文件模块主要实现文件的创建、导入、保存以及转换等功能, 而信息反馈模块的主要作用是实时采集和显示各个电机角度和机器人位姿状态, 以及显示驱动器和正负限位的报警状态, 还有伺服使能状态。本文将主要介绍运动控制模块实现的过程。
2.2 运动控制模块
运动控制模块是联系运动控制器操作的模块, 是整个机器人控制系统的核心。此模块又包含有机器人运动学运算模块、示教模块和再现模块3个子模块。其中运动学运算模块是其它两个子模块的基础。机器人运动学运算模块解决了点位运动轨迹、直线和圆弧运动轨迹等一些轨迹的规划问题, 以及在示教过程中控制机器人位姿变化时所用到的机器人正逆解问题。
2.2.1 示教模块
示教分为关节坐标示教和直角坐标示教两种, 其中关节坐标示教每次只使一个轴运动, 其它关节维持姿态不变。而直角坐标示教是指机器人相对于基坐标系 (X、Y、Z) 的直角坐标。直角示教时, 机器人沿着定义的X、Y、Z方向运动, 每次可能有多个轴参与运动。
机器人示教的实现大概分为以下五个步骤:
1) 通过功能块M C_M o v e A b s o l u t e (F U N) 使机器人手爪移动到一个示教点, 即机器人手爪运动轨迹上的一个关键中间点。在MC_Move Absolute (FUN) 这个功能块里, 调用库函数GT_Prf Jog () 将运动控制卡设置在JOG模式下, 调用库函数GT_Set Jog Prm () 设置Jog运动参数, 调用库函数GT_Set Vel () 设置目标速度, 调用库函数GT_Update () 启动Jog模式运动。
2) 通过功能块MC_Read Actual Position (FUN) 读取各个轴的当前位置并将读取的脉冲数量转化为关节坐标系下的角度值, 依此保存到数组Axis_Atl Pos[6]中, 功能块MC_Read Actual Position (FUN) 如图3所示。
3) 通过正向运动学模块Forward Kinematics
(F U N) , 将第二步中的已知数组A x i s_A t l P o s[6]中的变量值转化成直角坐标系下手爪的位置和方向, 并分别保存到数组Hand Curr Tn[3]和Hand Cur Angle[3, 3]中。其中Forward Kinematics (FUN) 这个模块主要是通过机器人正向运动学中的D-H矩阵法[6]来求得机器人手爪的位姿。
4) 根据机器人手爪的运动轨迹确定运动模式, 即直线为MOVL, 圆弧为MOVC, 延时为TIMER[7]。创建一个结构体TUORIALDATA的对象tuorial_data, 并把运动模式和第三步、第四步得到的数组Axis_Atl Pos[6]、Hand Curr Tn[3]和Hand Cur Angle[3, 3]的值保存到tuorial_data中, 然后再将tuorial_data保存为数组data T的一个元素。最后, 将这些值分别显示在控制界面的示教盒区域中。
5) 重复第一到第四步, 直到完成所有示教点的记录, 最后调用库函数Sys File Write () 将data T中的数据写入一个txt文档中, 完成示教。
2.2.2 再现模块
再现模块的程序流程如图4所示。首先, 把GUC的运动模式设置为PT模式, 此模式包含普通段、匀速段和停止段三种数据段类型, 在此使用普通段类型, 在该类型中, 整个速度曲线可以分为多段来实现速度规划[8]。其次, 从数组data T中读取一个元素或者从文件中读取一行数据并检查数据, 数据检查无误后, 再根据运动模式判断运动类型 (比如MOVC是圆弧轨迹运动, MOVL是直线轨迹运动, 而TIMER描述了定时时间) , 然后再根据运动类型来调用相对应的轨迹速度规划模块, 计算出手爪在各轨迹中间点的位置和姿态, 并调用逆向运动学模块Inverse Kinematics (FUN) 来计算出各轨迹中间点所对应的机器人六个轴的关节变量。最后, 按照上述流程循环读取数组data T中或者文件中的数据, 直到结束。
轨迹速度规划, 就是要改善机器人运动过程中的动态特性, 使机器人运行更加平稳。比如在直线轨迹路径下, 由示教模块可以得到机器人手爪在示教起始点A和终止点B的位姿, 通过逆向运动学模块Inverse Kinematics (FUN) 计算出手爪在A、B两点所分别对应的机器人六个轴的关节变量, 再由系统中设置的脉冲当量就可以将这六个轴的关节变量分别转化为相对应的脉冲值Pi (i=1…6) 。在控制界面中设置手爪的最大运行速度为Vmax, 再根据电机特性设定手爪匀加速到Vmax或者由Vmax匀减速到0的时间为t, 则由t、Vmax和LAB这三个值就可以求出匀加速阶段的加速度a、匀减速阶段的加速度-a和机器人在AB段运行的总时间T。根据Pi和T, 调用控制卡的库函数GT_Pt Data () , 将每个轴运动所需的数据发送到PT模式下的FIFO (缓存区) 中, 并同时调用控制卡中的库函数GT_Pt Start () 来启动该轴的运动。采用PT模式启动单轴运动程序如图5所示。
3 结论
在本文提出的基于CPAC仿真平台的六自由度机器人控制系统的开发过程中, 采用“PC+GUC (运动控制器) ”架构的开放式控制系统体系结构, 以“HMI+IPC”作为控制系统硬件平台, 采用window CE操作系统, 利用HMI工具编写了机器人控制系统的软件控制界面;利用CPAC软件平台所支持的文本编程语言 (ST) 、梯形图语言 (LD) 和顺序功能图 (SFC) 语言等工业标准语言, 完成了六自由度机器人控制系统的示教再现等基本内容的开发工作。
摘要：以PC和一体化运动控制器GUC作为CPAC的硬件开发平台, 并且采用遵从IEC61131-3工业控制语言标准的Otostudio作为CPAC的软件开发平台, 基于CPAC这一软硬件平台开发出六自由度开放式机器人控制系统。整个控制软件完成了人机界面、运动控制、文件操作以及信息反馈等功能设计。
关键词：CPAC,Otostudio,GUC,速度规划,运动控制,示教再现
参考文献
[1]徐歌.基于TMS320F2812的机器人控制系统的设计与实现[D].郑州:郑州大学, 2012.
[2]陈金.基于开放式结构的机器人控制系统研究和设计[D].合肥:合肥工业大学, 2004.
[3]胡鹏, 方康玲, 刘晓玉.基于PMAC的开放式机器人控制系统[J].微计算机信息, 2006, 42 (4-2) :171-173.
[4]深圳固高科技.CPAC OtoStudio帮助文档[Z].深圳:固高科技, 2011.
[5]深圳固高科技.OtoStudio编程手册[Z].深圳:固高科技, 2011.
[6]吴振彪王正家.工业机器人[M].武汉:华中科技大学出版社, 2006.
[7]周泽湘, 丁跃浇, 张敏工业机器人解释器的研究与设计[J].机械设计与制造, 2012, 12:154-156.