一种基于数字孪生的运动控制实训装置、系统及方法与流程

1.本发明属于数字孪生技术领域，特别是涉及一种基于数字孪生的运动控制实训装置、系统及方法。


背景技术：

2.数字孪生机电一体化设计平台的核心是：数字制造，数字化制造是指在数字化技术和制造技术融合的背景下，并在虚拟现实、计算机网络、快速原型、数据库和多媒体等支撑技术的支持下，根据用户的需求，迅速收集资源信息，对产品信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划和重组，实现对产品的设计、功能的仿真以及原型制造整个制造全过程，进而快速生产出达到用户性能要求的产品，因此，数字化制造是智能制造的基础，没有数字化制造的基础，智能化就是空中楼阁，数字化制造在我国制造业由自动化向智能化的转型中，具有极其重要的战略意义。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种基于数字孪生的运动控制实训装置、系统及方法，通过实训桌上部署集成运动控制系统，利用上位机或者可编程自动化控制器进行运动方案定制，根据选择的方案控制三轴伺服运动装置的进行实训，解决了现有的运动控制实训方案少、实训效果不佳的问题。
4.为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
5.本发明为一种基于数字孪生的运动控制实训装置，包括实训桌、集成运动控制系统和设置在实训桌上的控制面板；
6.所述集成运动控制系统包括可编程自动化控制器、sercos接口、数字式运动控制模块、伺服驱动器、电机和执行机构；所述可编程自动化控制器通过sercos接口依次与数字式运动控制模块、伺服驱动器和电机连接；
7.所述上位机通过sercos接口与伺服驱动器连接，sercos为串行实时通信系统，避免了冗长的程序和杂乱的信号线,使系统具有高效、精确的运动控制能力；sercos为一种专门门用于数字伺服和传动系统的现场总线接口和数据交换协议,能够实现工业控制计算机与数字伺服系统、传感器和可编程控制器之间的实时数据通信。
8.所述执行机构为三轴伺服运动装置；所述执行结构内置有多个处理器，用于接收可编程自动化控制器和上位机下发的顺序控制和过程控制指令；所述执行机构与控制面板电性连接；所述控制面板内置有多个预定功能指令，用于直接控制执行机构执行指令对应的运动功能。
9.作为一种优选的技术方案，所述三轴伺服运动装置有x轴、y轴和z轴组成；所述x轴、y轴和z轴均由伺服电机、联轴器和丝杠组成；所述伺服电机通过联轴器与电机相连的丝杠和导向杆电性连接。
10.作为一种优选的技术方案，所述x轴固定在实训桌桌面上；所述x轴为两个平行轴
x1轴和x2轴；所述y轴垂直于x轴，且固定在随x轴旋转而沿x轴方向运动的两个滑块上；所述z轴垂直于x轴和y轴构成的平面，并固定在沿y轴运动的滑块上。
11.作为一种优选的技术方案，所述z轴上安装有随z轴移动的滑块，且该滑块上安装有夹具，可以用来固定画笔或刻刀等来模拟绘图仪或雕刻机等多种设备；这样的综合控制x、y、z三轴电机的旋转即可实现三自由度空间的定位。
12.本发明为一种基于数字孪生的运动控制实训系统，包括实训桌和上位机；
13.所述实训桌上安装有三轴伺服运动装置和数字式运动控制模块；所述三轴伺服运动装置内置有多个处理器；所述处理器通过实训桌背板的无源数据总线来获取上位机下发的指令；所述数字式运动控制模块包括数字量输入模块和模拟量i/o模块、通信模块和特殊功能模块；所述处理器通过数字量输入模块接收外部控制信号；所述处理器通过通信模块与上位机通信连接。
14.作为一种优选的技术方案，所述数字式运动控制模块通过sercos接口与三轴伺服运动装置连接；所述三轴伺服运动装置上安装有多个伺服电动机。
15.作为一种优选的技术方案，所述数字式运动控制模块通过sercos接口与四台伺服驱动器构成一个通信回路；所述伺服驱动器通过电缆与伺服电动机连接，实现对伺服电机的实时控制；所述伺服电动机上安装有光电编码器、带差动线驱动数据和换向信号和磁释放抱闸器。
16.作为一种优选的技术方案，所述实训桌上部署有控制面板；所述控制面板的按钮与数字量输入模块的接点连接；所述处理器获取数字量输入模块的指令，控制伺服电机运动，实现3轴独立运动，也可以实现2轴或者3轴协同运动；控制面板的按钮的启动和停止按钮控制伺服驱动器的使用和禁止；置零按钮可以将各轴当前位置设置为坐标原点；运动控制按钮使伺服装置按照预先编制好的轨迹运动。
17.本发明为一种基于数字孪生的运动控制实训方法，包括如下步骤：
18.步骤s1：上位机向实训桌下发运动控制实训方案；
19.步骤s2：数字式运动控制模块接收运动指令，发送至数字式运动控制模块的处理器；
20.步骤s3：处理器通过伺服驱动器控制三轴伺服运动装置的伺服电机控制三轴执行相应运动；
21.步骤s4：处理器将伺服电机的工作参数通过编码器反馈给伺服驱动器；
22.步骤s5：伺服驱动器通过网络接口传输至上位机；
23.步骤s6：上位机以运行速度、加速度以及角位移方式显示在人机交互界面上。
24.作为一种优选的技术方案，所述步骤s1中，运动控制实训方案还可以通过可编程自动化控制器进行自定义，并通过控制面板选择自定义的方案。
25.上位机采用上位机控制系统工作时,可以通过pc机上的人机界面向处理器发送启动、停止等命令,还可以设置电机速度。处理器根据上位机命令执行用户程序,控制伺服电机的运动。另一方面,电机的工作参数可通过编码器反馈给伺服驱动器,进而通过传输模块传递给上位机。上位机可以以运行速度、加速度、以及角位移等形式显示在人机界面上,实时监控各轴的运动位置；系统中的pc机还可以用来配置系统参水的调试程序。
26.本发明具有以下有益效果：
27.(1)本发明通过实训桌上部署集成运动控制系统，利用上位机或者可编程自动化控制器进行运动方案定制，根据选择的方案控制三轴伺服运动装置的进行实训，提高实训效果和多样性；
28.(2)本发明通过三轴伺服运动装置的四台伺服电动机控制实训装置进行运动，综合控制x、y、z三轴电机的旋转即可实现三自由度空间的定位，同时在电机上安装光电编码器、带差动线驱动数据和换向信号、抱闸器来提高定位的精准度。
29.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本发明的一种基于数字孪生的运动控制实训装置结构示意图；
32.图2为本发明的一种基于数字孪生的运动控制实训方法流程图。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
34.请参阅图1所示，本发明为一种基于数字孪生的运动控制实训装置，包括实训桌、集成运动控制系统和设置在实训桌上的控制面板；
35.集成运动控制系统包括可编程自动化控制器、sercos接口、数字式运动控制模块、伺服驱动器、电机和执行机构；可编程自动化控制器通过sercos接口依次与数字式运动控制模块、伺服驱动器和电机连接；
36.上位机通过sercos接口与伺服驱动器连接，sercos为串行实时通信系统，避免了冗长的程序和杂乱的信号线,使系统具有高效、精确的运动控制能力；sercos为一种专门门用于数字伺服和传动系统的现场总线接口和数据交换协议,能够实现工业控制计算机与数字伺服系统、传感器和可编程控制器之间的实时数据通信。
37.执行机构为三轴伺服运动装置；执行结构内置有多个处理器，用于接收可编程自动化控制器和上位机下发的顺序控制和过程控制指令；执行机构与控制面板电性连接；控制面板内置有多个预定功能指令，用于直接控制执行机构执行指令对应的运动功能。
38.三轴伺服运动装置有x轴、y轴和z轴组成；x轴、y轴和z轴均由伺服电机、联轴器和丝杠组成；伺服电机通过联轴器与电机相连的丝杠和导向杆电性连接。
39.x轴固定在实训桌桌面上；x轴为两个平行轴x1轴和x2轴；y轴垂直于x轴，且固定在随x轴旋转而沿x轴方向运动的两个滑块上；z轴垂直于x轴和y轴构成的平面，并固定在沿y轴运动的滑块上。
40.z轴上安装有随z轴移动的滑块，且该滑块上安装有夹具，可以用来固定画笔或刻
刀等来模拟绘图仪或雕刻机等多种设备；这样的综合控制x、y、z三轴电机的旋转即可实现三自由度空间的定位。
41.本发明为一种基于数字孪生的运动控制实训系统，包括实训桌和上位机；
42.实训桌上安装有三轴伺服运动装置和数字式运动控制模块；三轴伺服运动装置内置有多个处理器；处理器通过实训桌背板的无源数据总线来获取上位机下发的指令；数字式运动控制模块包括数字量输入模块和模拟量i/o模块、通信模块和特殊功能模块；处理器通过数字量输入模块接收外部控制信号；处理器通过通信模块与上位机通信连接。
43.数字式运动控制模块通过sercos接口与三轴伺服运动装置连接；三轴伺服运动装置上安装有多个伺服电动机。
44.数字式运动控制模块通过sercos接口与四台伺服驱动器构成一个通信回路；伺服驱动器通过电缆与伺服电动机连接，实现对伺服电机的实时控制；伺服电动机上安装有光电编码器、带差动线驱动数据和换向信号和磁释放抱闸器。
45.实训桌上部署有控制面板；控制面板的按钮与数字量输入模块的接点连接；处理器获取数字量输入模块的指令，控制伺服电机运动，实现3轴独立运动，也可以实现2轴或者3轴协同运动；控制面板的按钮的启动和停止按钮控制伺服驱动器的使用和禁止；置零按钮可以将各轴当前位置设置为坐标原点；运动控制按钮使伺服装置按照预先编制好的轨迹运动。
46.请参阅图2所示，本发明为一种基于数字孪生的运动控制实训方法，包括如下步骤：
47.步骤s1：上位机向实训桌下发运动控制实训方案；
48.步骤s2：数字式运动控制模块接收运动指令，发送至数字式运动控制模块的处理器；
49.步骤s3：处理器通过伺服驱动器控制三轴伺服运动装置的伺服电机控制三轴执行相应运动；
50.步骤s4：处理器将伺服电机的工作参数通过编码器反馈给伺服驱动器；
51.步骤s5：伺服驱动器通过网络接口传输至上位机；
52.步骤s6：上位机以运行速度、加速度以及角位移方式显示在人机交互界面上。
53.步骤s1中，运动控制实训方案还可以通过可编程自动化控制器进行自定义，并通过控制面板选择自定义的方案。
54.上位机采用上位机控制系统工作时,可以通过pc机上的人机界面向处理器发送启动、停止等命令,还可以设置电机速度。处理器根据上位机命令执行用户程序,控制伺服电机的运动。另一方面,电机的工作参数可通过编码器反馈给伺服驱动器,进而通过传输模块传递给上位机。上位机可以以运行速度、加速度、以及角位移等形式显示在人机界面上,实时监控各轴的运动位置；系统中的pc机还可以用来配置系统参水的调试程序。
55.本实施例的一个具体应用为：
56.本技术文件基于数字孪生的运动控制实训装置为一综合性的试验台，旨在为学生提供一个综合的实践环境。运动控制实训装置采用工业侣型材搭建而成的实训桌面；该实训装置采用了工业上常用的自动化控制元件，包含有可编程控制器、气动元件、步进电机、交流伺服电机、变频器等等。它是一个集plc控制、定位控制、变频控制、工控组态技术于一
体的理想教学实训装置。通过plc编程可实现较复杂的运行轨迹控制等实训，满足机械制造及自动化、机电一体化、自动化、电气工程等专业的《机电传动与控制》、《可编程控制技术》、《运动控制》、《机电一体化技术》、《检测与转换技术》等课程开设实训课。
57.上位机上的实训方案包括：
58.方案一：步进电机及驱动器的使用
59.1.步进电机及驱动器的选型；
60.2.步进电机及驱动器控制回路的接线；
61.3.步进电机驱动器的设置；
62.4.plc控制步进电机的程序编写；
63.5.步进电机运行与调试；
64.方案二：伺服电机及驱动器的使用
65.1.伺服电机驱动器及伺服电机的选型
66.2.伺服电机驱动器及伺服电机的接线
67.3.伺服电机驱动器参数设置
68.方案三：触摸屏的使用
69.1.触摸屏的安装
70.2.触摸屏供电电路连接
71.3.触摸屏组态界面制作
72.4.触摸屏与plc通信参数设置
73.方案四：电气控制电路的安装和plc编程
74.1.plc步进电机驱动器及伺服电机驱动器电气电路连接
75.2.plc步进电机驱动器的二轴定位控制程序编写
76.3.基于plc的步进电机二轴定位与伺服电机主轴对位控制程序编写4.基于伺服绝对位置系统的主轴对位控制程序编写
77.5.基于触摸屏控制二轴高速同步运转程序编写
78.方案五：变频器的使用
79.1.变频器功能参数设置与操作
80.2.变频器报警与保护功能
81.3.多段速度选择变频调速
82.4.外部端子点动控制
83.5.外部端子遥控控制
84.6.控制电机正反转运动控制
85.当上位机缺少实训的方案时，操作人员可以通过可编程自动化控制器来自定义方案，来进行实训，同时实训成功的方案也可以上传到上位机的方案库，以供其他操作员下载使用。
86.值得注意的是，上述系统实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
87.另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述各实施例方法中的全部或部分步骤
是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，相应的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。
88.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。