一种用于多点模调形的多个直流电机的调形控制单元的制作方法

专利名称：一种用于多点模调形的多个直流电机的调形控制单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种分时分步电机控制单元，具体地说是涉及一种用于柔性多 点模调形的多个直流电机的分时分步调形控制单元。
(二)
背景技术：
当前，将多点成形技术、飞机蒙皮拉形工艺、计算机辅助设计和现代机电 控制技术融为一体的可重构柔性多点蒙皮拉形系统逐渐应用于航空生产等领 域。在该系统中，柔性多点模具是一个极其重要的部分。柔性多点模具是一个 基于模块化设计的装置它由多个同种规格的调形体组合而成，其工作原理是 将传统的实体模具离散成为一系列规则排列、高度可调的钉柱，利用各个钉柱 的顶端形成的包络面来构成所需要的模面。在生产实际当中，通常把直流电机 的旋转运动通过联轴器、丝杠转换为钉住的直线运动来驱动钉柱上下运动，从 而得到形状可调的包络面——即所需要的柔性多点模具的模面。由此可见，如 何实现高效率、低成本的控制驱动钉柱的电机，就成了可重构柔性多点蒙皮拉 形系统的一个关键。
在现有的技术中，驱动钉柱的电机大多采用如图1所示的控制流程PC机 中装有PCI控制卡和控制软件，是信息综合处理中心；直流伺服电机直接驱动 钉柱，并且电机会给PC机一个实时的反馈，如电机的转速和位置等状态信息； 通过控制软件的参数设置来设定电机的转速、钉住的目标位置(即为电机的目 标位置)；PC机经由电机控制单元来控制钉住的驱动电机的运转，从而驱动了 钉柱的上下运动。这是一个闭环的控制过程，能实现精确的自动化、智能化控 制。通常在PC机的RS232串口和PCI扩展控制卡接口引出两条控制信号总线， 可分别命名CAN Bus和PCI Bus,控制软件与电机控制单元的通讯就通过CAN Bus和PCI Bus来实现。PCI控制卡常见采用台湾研华科技的PCI-1730工制卡， 电机控制单元常见采用瑞士 maxon motor公司EPOS电机控制单元，驱动电机常见采用maxon motor公司的直流伺服电机。这些元器件的价格都是比较昂贵 的，其中，尤以电机控制单元为甚。
相应于以上的控制流程，常见的电机控制解决方案有以下两种。 一是串行 控制方式，其方案为如图2所示，PC机向电机控制单元发出指令，再由电机 控制单元来控制电机的运转，电机带动钉柱a上下运动；当钉柱a的驱动完成 后，再来实现对钉柱b的驱动；如此反复，单一的驱动电机依次实现了全部钉
柱的驱动。二是并行控制方式，其方案为如图3所示，每一个钉柱都对应着
一个电机控制单元和一个电机，PC机可同时向每个电机控制单元发出指令，使 所有的电机同时运转，从而同时实现了全部钉柱的驱动。
但是，串行控制方式有着先天的弱点。 一是控制速度慢，单一电机依次实 现对多个钉住的驱动，耗费的时间多，效率低下。二是使用起来很繁琐，安装 起来很不方便。钉柱的驱动部分是一个独立的装置，与柔性多点模具并不是一 个整体。在调整所需要的模面时，钉柱驱动装置作用于柔性多点模具；在调整 完成之后，柔性多点模具和钉柱驱动装置脱离，然后才能将柔性多点模具安装 到可重构柔性多点蒙皮拉形系统中。每调整一次模面，就得重复一次上述工作。 而且，这还导致零部件耗费的安装空间大，不方便生产运输和安装使用。并行 控制方式虽然控制速度快、效率高、集成性好，但是它也有不足之处因为柔 性多点模具的钉柱数量大，需要的电机的数目和电机控制单元的数目也大，导 致成本高昂，不利于可重构柔性多点蒙皮拉形系统的应用和推广。

发明内容-
为了克服串行控制方式的控制速度慢的缺点，并避免并行控制方式成本过 高的不足，本发明提出了一种分时分步控制多个电机的调形控制方式，能够以 较低的成本实现对电机的较快控制。
本发明一种用于多点模调形的多个直流电机的调形控制单元，由以下部分 组成，如图4所示 一个电机控制单元， 一个译码器，若干个直流电机、收发 器、继电器，若干个接线端子和接头；其中，收发器和继电器的数量分别为直 流电机数量的一倍和二倍。系统启动后，PC机发送指令给电机控制单元，并一 直为电机编码器提供使能信号；译码器根据PCI Bus传送来的信号选通某一个
收发器，这里假设选通了 1号收发器，与其对应的直流电机称为1号电机,l号
电机可以向电机控制单元发送自己的状态信息；同时，1号收发器选通了与其 对应的两个继电器，于是电机控制单元发出的控制信号可以经过该两个继电器 传递至1号电机。由此，1号电机与电机控制单元的双向通讯打通。1号电机的 编码器通过1号收发器向电机控制单元发送自己的运动状态信息，电机控制单 元把该信息通过CAN Bus传送给PC机；PC机把1号电机的运动状态信息与 控制软件设定的参数结合起来自动处理，处理结果有两种情况； 一种情况是PC 机认为1号电机尚未运转到预定位置，则通过CAN Bus向电机控制单元发送指 令继续控制1号电机运转，电机控制单元通过继电器把该指令发送给1号电机， 使1号电机继续运转到指定位置；另一种情况是PC机认为1号电机已经到达 预定位置，则通过PCI总线向译码器发送指令来选通其他电机对应的收发器如 2号收发器，来控制2号电机运转到达预定位置，其控制流程同上。如此，调 形控制单元每时刻控制一个电机，依次能控制其范围内所有电机的运动状态， 从而实现了对多个电机分时分步控制的功能。
其中，电机控制单元可采用瑞士 maxon motor公司的有刷电机控制单元 EPOS 24/1;译码器可采用常见的3-8线译码器；收发器可采用常见的三态双向 总线收发器；直流电机可采用maxon motor公司的空心杯有刷直流电机DC motor,并且在一个调形控制单元中，直流电机的数量太大或太小都不能达到期 望的效果， 一般取在4个至20个之间，在本发明的一个实施例中优选的数量是 8个；继电器可采用常见的干簧继电器；接线端子和接头可采用常见的平板式 接线端子和屏蔽式插头。
通常，柔性多点模具采用模块化的设计，即把若干个钉柱组合到一起，称 为一个调形模块，若干个调形模块组成一个柔性多点模具。当采用了上述的调 形控制单元后，柔性多点模具可以如此构建，如图5所示假设柔性多点模具 含有N个调形模块，每一个调形模块使用一个调形控制单元。并且，每一个调 形模块内部含有若干个(假设为M个)钉柱和电机，使电机和钉柱一一对应。
由以上叙述可知，依托本发明搭建的柔性模具釆用的是一种复合式的控制 方式它同时实现了N个电机的并行控制；在每一个调形模块内部，M个电机 是被分时分步控制、依次运转的。该调形系统控制N个电机、驱动N个钉柱的
耗时是上述串行控制方式的N分之一、是上述并行控制方式的M倍，所需的 电机控制单元的数量是上述串行控制方式的N倍、是上述并行控制方式的M 分之一。电机控制单元的价格是很昂贵的，而本发明所需要的译码器、收发器、 继电器等元器件都是非常廉价的常见产品，所以这种复合式的控制方式能够使 得效率和制造成本有一个最优的均衡。
并且，由于调形控制单元的结构简单，体积很小，可以使得调形模块的空 间结构如此设计上层为紧密排列的钉柱，调形控制单元安装在钉柱的下方； 调形控制单元仅占据了很小的空间，调形模块的体积几乎仍旧等于钉住的体积， 这样就节省了空间；由钉柱和调形控制单元组成的调形模块浑然一体，则由调 形模块组成的柔性多点模具即为一个整体，这使得柔性多点模具在可重构柔性 多点蒙皮拉形系统中只需要安装一次，不需要进行硬件的拆卸、安装就可以随 时调节不同的模面，非常便于使用。这些都使得柔性多点模具的柔性得到充分 的体现。
本发明一种应用于多点模调形的多个直流电机的调形控制单元，其优点和 功效在于
1. 本发明仅需借助若干个廉价的元器件，就能实现对多个电机的分时分步 控制，大大节省了价格昂贵的电机控制单元，具备较好的经济性；
2. 依托本发明可以构建一种复合式的控制电机的调形系统，能够以较快的 速度控制电机、驱动钉柱，具备较高的生产效率和综合比较优势；
3. 采用本发明作为驱动装置时，柔性多点模具的调形单元的体积几乎未见 增加，使得具有自动调形功能的柔性多点模具能够成为一个有机的整体，在方 便调节不同模面的同时又省去了不少拆卸、搬运、安装的繁重工作，节省空间 又省时省力；
4. 本发明层次分明，结构简单，功能清晰，使用和维修都非常方便，使得 模具的柔性得到了充分体现，利于工厂实际生产的应用。
(四)


图1电机控制流程 图2串行控制方式示意图
图3并行控制方式示意图
图4本发明调形控制单元框图
图5柔性多点模具复合式的调形系统框图
图6本发明调形控制单元线路图
图中标号及符号说明如下
CAN Bus——CAN总线接口
EPOS24/1——电机控制单元
Relayl——继电器
Motorl Pins——电机信号接线端子
74LS245 1——三态双向总线收发器
PCI Bus— Power DC-Rday2——
74LS138-Switch~
-PCI总线接口R 一直流电源
陽继电器
一3-8线译码器
-带阻开关
具体实施例方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图通过一个优选的实施例对本发明进 行详细说明。本实施例选自某可重构柔性多点蒙皮拉形系统，该蒙皮拉形系统
由以下部分组成一套PC机及控制软件， 一套系统控制信号总线， 一个柔性
多点模具。该柔性多点模具由35个调形模块组成，每个调形模块里含有1个调 形控制单元、8个钉柱和8个电机。本实施例即为每个调形模块中的调形控制 单元。
如图4所示，本发明一种用于多点模调形的多个直流电机的调形控制单元， 由以下部分组成 一个电机控制单元， 一个译码器，若干个直流电机、收发器、 继电器，若干个接线端子和接头；其中，收发器和继电器的数量分别为直流电 机数量的一倍和二倍。
本实施例含有如下元器件，如图6所示l个直流电源接口 Power DC, 1 个带阻开关R Switch, 1个电机控制单元EPOS 24/1 ， 1个3-8线译码器74LS138, 1个CAN总线接口 CAN Bus, 1个PCI总线接口 PCI Bus, 8个8路同相三态 双向总线收发器74LS245 (标号为74LS245 1至74LS245 8，图6中只画出了 74LS245 1 )， 8个电机信号接线端子Motor Pins (标号为Motorl Pins至Motor8 Pins，图6中只画出了 Motorl Pins), 16个继电器DSS41A05 (标号为Relayl 至Relayl6，图6中只画出了 Relayl和Relay2)。实际上，8个74LS245、 8个
Motor Pins和16个Relay可分为8组，每组含有1个74LS245、 1个Motor Pins 和2个Relay,并且每组元器件的引脚定义和电气连接是完全类似的。因此， 在图6中，只画出了第一组，即74LS245 1、 Motorl Pins以及Relayl和Relay2。 以上元器件均可以从市场上直接采购，并可以得到相关的技术资料。在制作本 实施例时，可以把所有的元器件布置在两块层叠的电路板上，这样就节省了空 间，便于将本发明内嵌到调形模块中，使得柔性多点模具能够形成有机的整体。 图6中标示了调形控制单元各个元器件引脚的定义和各个元器件之间的电气连 接，下面将详细讲述之。
Power DC为直流电源，分别给EPOS 24/1 ， 74LS245, 74LS138和Relay 供电，具体连接方式见图6中这4种元器件的引脚的定义。画图时为了整洁美 观，图6中部分元器件的供电引脚并未连接起来，但实际应用中仍需连接。
总线CAN Bus是由PC机RS232串口引出的。CAN Bus的5个输出信号 CAN-H、 CAN-L、 RXD、 TXD、 S GND依次连通到EPOS 24/1的输入端Jl Input 的1~5号引脚。CAN Bus实现了 PC机与EPOS 24/1之间的双向通讯。如图6 左上角所示，在进行CANBus的电气连接时，还要将R Switch串联到CAN-H 和Jl Input 1之间。R Switch中的开关S通常都是处于断开状态；但是，按照总 线协议的要求，参见图5，在最首端的调形模块a中和最末端的调形模块n中， R Switch中的开关S要置于连通状态。于是，对于本实施例而言，第l个和第 35个调形模块中的R Switch的开关S要处于连通状态，其余33个调形模块中 的R Switch的开关S要处于断开状态。
EPOS 24/1的引脚分3个部分输入端Jl,输出端J2和电源接口 J3。由图 4可以看出，EPOS 24/1接收PC机发出的指令并转发给电机，同时EPOS24/1 还接收电机发出的信息并转发给PC机，即EPOS 24/1是一个收发信息的通讯 中枢。
Motor Pins是电机DC motor的信号接线端子，与DC motorl对应的称为 Motorl Pins，与DC motor2对应的称为Motor2 Pins,其余6个DC motor对应 的信号接线端子的命名类此。Motorl Pins的引脚定义如下1、 4号引脚分别定 义为Motorl+和Motorl —，这是电机Motorl的马达的控制信号，分别连接到 Realyl的4号引脚和Realy2的4号引脚；2、 3号引脚分别定义为M VCC和MGND，这是电机DC Motorl的编码器的使能信号，分别连接到EPOS 24/1的 E2、 E3号引脚；事实上，8个电机的2、 3号引脚与EPOS24/1的E2、 E3都是 常通的，即电机编码器一直处于使能状态；5 10号引脚依次定义为TA—、 TA、 TB—、 TB、 TI—、 TI，这是电机DC Motorl的编码器发出的信号，依次连接 到74LS245 1的B2 B7号引脚，该信号包含了电机的运动状态信息。
16个继电器Relay的电气连接如下所述8个奇数号Relay的1号引脚都 与EPOS 24/1的输出端J3的El连接，8个偶数号Relay的1号引脚都与EPOS 24/1的输出端J3的E4连接；所有Relay的3号引脚都接5VGND; Rdayl的 2号、4号引脚分别连接到74LS245 1的AO号引脚和Motorl Pins的1号引脚； Relay2的2号、4号引脚分别连接到74LS245 1的Al号引脚和Motorl Pins的 4号引脚。其余14个Relay与7个Motor Pins、 7个74LS245的电气连接完全 类似这一组。当继电器Relay的2号、3号引脚之间有一对耦合的高低电压时， 其1号、4号引脚连通；连通后，EPOS 24/1通过Relay发送电机控制信号给电 机，参见图5左侧。
收发器74LS245 1的电气连接应该是这样的片选端OE—连接到74LS138 的Y0号弓I脚；B0、B1都接5 V+;B2~B7号引脚依次连接到Motorl Pins的5~10 号引脚；A0、 Al号引脚分别接到Rdayl的2号引脚和Rday2的2号引脚； A2 A7号引脚依次连接EPOS 24/1输出端J3的E5~E10号引脚。其余7个 74LS245与EPOS 24/1 、 7个Motor Pins、 14个Relay的电气连接完全类似这一 组。参见图5中间部分，当译码器74LS138选通了某一个收发器(假设选通了 74LS245 1)时，则与之对应的1号电机(即DC motorl,对应的是Motorl Pins) 的编码器可通过74LS245 1向EPOS 24/1发送电机DC Motorl的运动状态信息； 同时，74LS245 1选通了与之对应的两个继电器(即Relay 1和Relay2)， PC机 对电机DC Motorl的控制信号也可经由EPOS 24/1、 Rdayl和Relay2传送至电 机DC Motorl 。
74LS138的电气连接如下使能端E3连接PCI Bus的101号引脚；输入端 A2、 Al、 AO号引脚分别连接到PCIBus的I02、 103、 104号引脚；输出端的 Y0 Y7依次连接到8片74LS245的片选端OE—;如图6中，YO连接的是 74LS245 1的片选端OE—。 PCI Bus是从PC机上的PCI 1730工控卡连接出来的总线。74LS138的功能是:根据PC机中的控制软件通过PCI Bus发出的信号， 在8个74LS245收发器中选通一个收发器(假设选通了 74LS245 1)并使之处 于由B向A传输信号的状态，则与74LS245 1对应的1号电机成为当前被控制 的电机。
以上元器件构成的电气连接在控制软件的控制下，将具有分时分步控制电 机运转的功能。下面将结合图5和图6说明。
EPOS 24/1根据接收到的CAN Bus信号启动并进行初始化，74LS138根据 PCI Bus的指令选通一个74LS245收发器，这里假定选通了 74LS245 1,于是电 机DC Motorl的编码器能够通过74LS245 1向EPOS 24/1发出自身的运动状态 信息，如DC Motorl的当前位置、当前速度等需要控制的信息，EPOS 24/1通 过CAN Bus向控制软件发回DC Motorl的运动状态信息；与此同时，74LS245 1选通了与之对应的两个继电器(即Relayl和Relay2)， PC机对DC Motorl的 控制信号也可经由EPOS 24/1 、 Relayl和Relay2传送至DC Motorl 。
控制软件根据事先设定的电机转速、电机的目标位置来处理DC Motorl的 信息之后，会出现两种情况。 一是当控制软件认为DCMotorl需要改变运动状 态时，控制软件通过CAN Bus向EPOS 24/1发出指令，使得EPOS 24/1的输出 端E1、 E4给DC Motorl发出控制信号，使DC Motorl按照设定的速度运转到 目标位置为止。二是当控制软件认为DC Motorl不需要改变位置时，控制软件 通过PCIBus向74LS138发出指令，使得74LS138改变输出信号，关闭当前的 74LS245 1的使能端并选中另外一个74LS245收发器，假定选通的是74LS245 2。 由于74LS245 1被下使能，DC Motorl就会停止与控制软件的通讯并停止运转， 而已经选通的74LS245 2将会使控制软件可以与电机DC Motor2进行通讯并控 制其运动状态，其控制过程同上所述。依此类推，控制软件通过一个调形控制 单元可以依次实现对8个电机的分时分步控制。当控制软件通过总线与多个调 形模块进行通讯时，则有多个电机被同时控制。由上述可知，每个钉柱的目标 位置、电机的转速等都可以在控制软件里设定，整个控制过程是自适应、全自 动的。
'通过以上系统构建，该可重构柔性多点蒙皮拉形系统依托本发明能够同时 控制35个调形模块，从而同时控制了 35个电机、驱动了 35个钉柱；在每一个
调形模块内部，分时分步的控制了8个电机的依次运转、8个钉柱的依次驱动。 而且，本发明巧妙的电路设计使得机械装置的设计也产生了巨大的优化。这些 特征都使得本发明具有控制效率较高、制造成本较低、柔性特点突出、层次清 晰、结构紧凑、便于使用维护等优点。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例， 本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加 或者替换，也应属于本发明的保护范围。
权利要求
1、本发明一种用于多点模调形的多个直流电机的调形控制单元，其特征在于该调形控制单元由以下部分组成一个电机控制单元，一个译码器，预定个直流电机、收发器、继电器，若干个接线端子和接头；其中，收发器和继电器的数量分别为直流电机数量的一倍和二倍；系统启动后，PC机发送指令给电机控制单元，并一直为电机编码器提供使能信号；译码器根据PCI Bus传送来的信号选通某一个收发器，这里假设选通了1号收发器，与其对应的直流电机称为1号电机，1号电机可以向电机控制单元发送自己的状态信息；同时，1号收发器选通了与其对应的两个继电器，于是电机控制单元发出的控制信号可以经过该两个继电器传递至1号电机；由此，1号电机与电机控制单元的双向通讯打通；1号电机的编码器通过1号收发器向电机控制单元发送自己的运动状态信息，电机控制单元把该信息通过CAN Bus传送给PC机；PC机把1号电机的运动状态信息与控制软件设定的参数结合起来自动处理，处理结果有两种情况；一种情况是PC机认为1号电机尚未运转到预定位置，则通过CAN Bus向电机控制单元发送指令继续控制1号电机运转，电机控制单元通过继电器把该指令发送给1号电机，使1号电机继续运转到指定位置；另一种情况是PC机认为1号电机已经到达预定位置，则通过PCI总线向译码器发送指令来选通其他电机对应的收发器如2号收发器，来控制2号电机运转到达预定位置，其控制流程同上；如此，调形控制单元每时刻控制一个电机，依次能控制其范围内所有电机的运动状态，从而实现了对多个电机分时分步控制的功能。
2. 根据权利要求1所述的用于多点模调形的多个直流电机的调形控制单 元，其特征是在于在实际使用时，基于本发明构建的柔性多点模具是根据蒙 皮零件的大小来选择预定数量的调形模块以拼合成尺寸合适的模具。
3. 根据权利要求1所述的用于多点模调形的多个直流电机的调形控制单 元，其特征是在于电机控制单元采用瑞士maxon motor公司的有刷电机控制 单元EPOS 24/1 。
4. 根据权利要求1所述的用于多点模调形的多个直流电机的调形控制单 元，其特征是在于译码器采用3-8线译码器。
5. 根据权利要求1所述的用于多点模调形的多个直流电机的调形控制单 元，其特征是在于收发器采用8路同相三态双向总线收发器。
6. 根据权利要求1所述的用于多点模调形的多个直流电机的调形控制单 元，其特征是在于调形控制单元中的直流电机采用瑞士maxon motor公司的 空心杯有刷直流电机maxon DC motor。
7. 根据权利要求1所述的用于多点模调形的多个直流电机的调形控制单 元，其特征是在于在一个调形控制单元中，直流电机的数量取在4个至20 个之间。
8. 根据权利要求7所述的用于多点模调形的多个直流电机的调形控制单 元，其特征是在于在一个调形控制单元中，直流电机的数量取为8个。
9. 根据权利要求1所述的用于多点模调形的多个直流电机的调形控制单 元，其特征是在于继电器采用常见的干簧继电器。
10. 根据权利要求1所述的用于多点模调形的多个直流电机的调形控制单 元，其特征是在于基于本发明构建的柔性多点模具的调形模块的空间结构如 此设计上层为紧密排列的钉柱，调形控制单元安装在钉柱的下方。
全文摘要
一种用于多点模调形的多个直流的调形控制单元，它由以下部分组成电机控制单元，译码器，直流电机、收发器、继电器，接线端子和接头。在每一个调形控制单元中，多个电机是被分时分步控制、依次运转的。依托本发明搭建的柔性模具含有多个调形控制单元，能同时实现多个电机的并行控制；这是一种综合了串行控制方式和并行控制方式优点的复合式控制方式，综合比较优势突出。并且，本发明结构紧凑、功能实用，能够充分体现柔性多点模具的柔性和易用性。
文档编号G05B19/414GK101339427SQ20081011814
公开日2009年1月7日 申请日期2008年8月13日 优先权日2008年8月13日
发明者李东升, 罗红宇, 源 黄 申请人:北京航空航天大学