本发明属于大尺寸晶体环形抛光加工领域，特别涉及一种环抛机的多电机运动控制系统。
背景技术
在大尺寸晶体环形抛光加工领域中，大尺寸晶体的面形精度要求较高，环形抛光机中工件运动轨迹复杂，抛光盘运动必须低速平稳，盘面面型测量过程尽量快捷准确，盘面面型修整过程尽量简洁高效，这就对环形抛光机的多电机控制系统提出了操作方便、控制稳定、加工高效的协同控制要求。
目前对于多电机的运动控制多基于单片机芯片设计控制电路，控制系统成本较低，维护和使用较为方便。但对于多个不同类型的电机，特别是强调各个电机之间的协调控制和高效配合方面，单片机芯片控制电路开始显示出其不足。
美国ni公司研制的labview(laboratoryvirtualinstrumentengineeringworkbench的简写，中文名叫《实验室虚拟仪器工程工作台》)软件，以“软件就是仪器”为宗旨，主要应用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等领域，适用于多种不同的操作系统平台，编程方便，人机交互界面直观友好，具有强大的数据可视化分析和控制能力。2016年7月，范志华等在期刊《农业与技术》上发表“基于labview的步进电机控制系统设计”一文，该系统基于labview实现控制步进电机的正反转过程并实时调节步进电机运行速度和时间，但该系统只控制一台步进电机，没有涉及其他多台步进电机或不同类型的电机。如果应用在大尺寸晶体环形抛光领域，较难解决多个电机的控制问题。中国专利cn105141204a公开了“一种基于labview的多电机控制系统”，该系统利用上位机和运动控制卡对多个步进电机进行控制并被应用在视觉测量领域，但该系统控制多个步进电机，没有涉及其他不同种类的电机，如果应用在大尺寸晶体环形抛光领域，较难解决不同类型电机的协同控制问题。因此，需要一种多电机运动控制系统实现对环形抛光机的多台不同种类电机的协同控制。
技术实现要素：
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能克服大尺寸晶体平面环形抛光加工过程中不同类型的多个电机协同配合问题的环抛机的多电机运动控制系统及其控制方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种环抛机的多电机运动控制系统，包括主电源、工控机、运动控制模块、驱动模块、电机模块、变频器模块和数据采集卡；所述的运动控制模块包括运动控制卡a、运动控制卡b和运动控制卡c，所述的驱动模块包括伺服驱动器a、伺服驱动器b、伺服驱动器c、伺服驱动器d、直线电机驱动器、5相步进驱动器和akd伺服驱动器；所述的变频器模块包括变频器a和变频器b；所述的电机模块包括工件进给伺服电机、工件转动伺服电机、修正盘进给变频电机、修正盘转动变频电机、车刀径向伺服电机、车刀轴向伺服电机、测头径向直线电机、测头轴向步进电机和主轴直驱电机；所述的主电源与工控机连接；
所述的工控机分别与运动控制卡a的输入端、运动控制卡b的输入端、运动控制卡c的输入端和数据采集卡的输出端连接；
所述的运动控制卡a的输出端分别与伺服驱动器a、伺服驱动器b、变频器a和变频器b的输入端连接；所述的伺服驱动器a、伺服驱动器b、变频器a和变频器b的输出端分别与工件进给伺服电机、工件转动伺服电机、修正盘进给变频电机和修正盘转动变频电机连接；
所述的运动控制卡b的输出端分别与伺服驱动器c和伺服驱动器d的输入端连接，所述的伺服驱动器c和伺服驱动器d的输出端分别与车刀径向伺服电机和车刀轴向伺服电机连接；
所述的运动控制卡c的输出端分别与直线电机驱动器、5相步进驱动器和akd伺服驱动器的输入端连接，所述的直线电机驱动器、5相步进驱动器和akd伺服驱动器的输出端分别与测头径向直线电机、测头轴向步进电机和主轴直驱电机连接；
所述的数据采集卡的输入端与电机模块各电机的状态信号输出接口相连接；
所述的工控机安装基于labview平台和研华通用api函数框架开发的数据处理系统，所述的数据处理系统包括常用功能模块、工件及修正盘运动控制模块、盘面面型测量模块、机床状态显示模块、盘面面型修整模块和急停模块；
所述的常用功能模块由运动控制卡开关、驱动器开关、液压油泵和水冷机启动开关、复位开关、状态显示灯和电机状态显示栏组成，运动控制卡开关实现对运动控制卡的开启及关闭；驱动器开关实现对各个驱动器单元的开启及关闭；液压油泵和水冷机启动开关实现对液压油泵和水冷机的开启及关闭，随后实现主轴直驱电机的开启及关闭；复位开关实现对机床错误的重新设置和停止其运动；状态显示灯实现对机床各个关键部分状态的监控；电机状态显示栏对所有电机的状态进行实时监控并反馈到用户操作界面中；
所述的工件及修正盘运动控制模块由工件运动控制模块和修正盘运动控制模块组成，工件运动控制模块对工件进给伺服电机和工件转动伺服电机进行独立控制，包括实现工件的左右摆动和旋转运动；修正盘运动控制模块对修正盘进给变频电机和修正盘转动变频电机进行独立控制，包括实现修正盘的左右摆动和旋转运动；
所述的盘面面型测量模块由测量起点控制模块、参数输入模块、测量控制模块及参数显示模块组成，测量起点控制模块实现测量起点的点对点灵活控制；参数输入模块实现对测量参数及要求的输入；测量控制模块实现对测量动作的控制；参数显示模块实现对测量参数的实时显示；
所述的机床状态显示模块对机床的工件进给伺服电机、工件转动伺服电机、修正盘进给变频电机、修正盘转动变频电机、车刀径向伺服电机、车刀轴向伺服电机、测头径向直线电机、测头轴向步进电机和主轴直驱电机的状态进行实时显示，便于在操作过程中及时发现问题并通过调试解决；
所述的盘面面型修整模块由修整参数输入模块、修整控制模块及修整参数显示模块组成，修整参数输入模块实现对修整参数及要求的输入；修整控制模块实现对修整动作的控制；修整参数显示模块实现对修整参数的实时显示；
所述的急停模块优先级最高，内嵌于常用功能模块、工件及修正盘运动控制模块、盘面面型测量模块、机床状态显示模块和盘面面型修整模块中，当电机状态异常时，操作人员按下急停按钮触发此模块，迅速停止各个电机的所有动作。
一种环抛机的多电机运动控制系统的控制方法，包括以下步骤：
a、数据处理系统通过labview的定时结构和事件结构预先设置好各个布尔按钮值变化时触发的事件分支并明确触发各个事件分支的条件；
b、数据采集卡在定时结构的设置下按时对电机模块的各电机的状态进行扫描，将数据传至布尔数组中，实现对电机模块的各电机状态的实时监控；
c、数据处理系统触发labview事件结构启动运动控制模块和驱动模块的各驱动器；
d、运动控制模块的参数信息发生改变时，数据处理系统的定时结构扫描所有预设事件分支，将改变之后的参数信息和所有触发各事件分支的条件相比较，将匹配成功的事件结构分支中包含的脉冲、方向和频率等控制信息及命令通过工控机传输至运动控制模块中；
e、运动控制模块按照事件分支中包含的控制信息及命令向对应电机的驱动器输出脉冲信号和方向信号，实现对对应电机的精确控制。
本发明的有益效果是：
本发明基于labview平台和研华通用api函数框架开发了多电机运动控制系统，通过工控机对控制指令进行高速处理，通过运动控制卡对不同类型的多个电机的控制和数据采集卡对机床各部分状态的监控实现不同类型的多个电机的协同控制，避免了电机之间的相互干渉。控制程序层次感强，操作与维护方便。与利用单片机、plc等设备进行运动控制及测量相比具有更好的可维护性与稳定性，可准确平稳地对多个伺服电机、步进电机、变频电机、直线电机和主轴直驱电机进行控制，提高了控制效率。
附图说明
图1为控制系统硬件逻辑关系示意图。
图2为数据处理系统的组成示意图。
图3为工控机操作界面示意图。
图4为常用功能模块流程示意图。
图5为工件及修正盘运动控制模块流程示意图。
图6为盘面面型测量模块流程示意图。
图7为盘面面型修整模块流程示意图。
图8为软件总体模块操作流程示意图。
图中：1-主电源，2-工控机，3-数据采集卡，4-运动控制卡a，5-运动控制卡b，6-运动控制卡c，7-伺服驱动器a，8-伺服驱动器b，9-变频器a，10-变频器b，11-伺服驱动器c，12-伺服驱动器d，13-直线电机驱动器，14-5相步进驱动器，15-akd伺服驱动器，16-工件进给伺服电机，17-工件转动伺服电机，18-修正盘进给变频电机，19-修正盘转动变频电机，20-车刀径向伺服电机，21-车刀轴向伺服电机，22-测头径向直线电机，23-测头轴向步进电机，24-主轴直驱电机。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式，但本发明的具体实施方式仅是示意性而不是限制性的，凡利用本发明说明书及附图相关内容所作的等效结构或控制流程及思想，或直接或间接地运用在其他相关领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
如图1-7所示，一种环抛机的多电机运动控制系统，包括主电源1、工控机2、运动控制模块、驱动模块、电机模块、变频器模块和数据采集卡3；所述的运动控制模块包括运动控制卡a4、运动控制卡b5和运动控制卡c6，所述的驱动模块包括伺服驱动器a7、伺服驱动器b8、伺服驱动器c11、伺服驱动器d12、直线电机驱动器13、5相步进驱动器14和akd伺服驱动器15；所述的变频器模块包括变频器a9和变频器b10；所述的电机模块包括工件进给伺服电机16、工件转动伺服电机17、修正盘进给变频电机18、修正盘转动变频电机19、车刀径向伺服电机20、车刀轴向伺服电机21、测头径向直线电机22、测头轴向步进电机23和主轴直驱电机24；所述的主电源1与工控机2连接；
所述的工控机2分别与运动控制卡a4的输入端、运动控制卡b5的输入端、运动控制卡c6的输入端和数据采集卡3的输出端连接；
所述的运动控制卡a4的输出端分别与伺服驱动器a7、伺服驱动器b8、变频器a9和变频器b10的输入端连接；所述的伺服驱动器a7、伺服驱动器b8、变频器a9和变频器b10的输出端分别与工件进给伺服电机16、工件转动伺服电机17、修正盘进给变频电机18和修正盘转动变频电机19连接；
所述的运动控制卡b5的输出端分别与伺服驱动器c11和伺服驱动器d12的输入端连接，所述的伺服驱动器c11和伺服驱动器d12的输出端分别与车刀径向伺服电机20和车刀轴向伺服电机21连接；
所述的运动控制卡c6的输出端分别与直线电机驱动器13、5相步进驱动器14和akd伺服驱动器15的输入端连接，所述的直线电机驱动器13、5相步进驱动器14和akd伺服驱动器15的输出端分别与测头径向直线电机22、测头轴向步进电机23和主轴直驱电机24连接；
所述的数据采集卡3的输入端与电机模块各电机的状态信号输出接口相连接；
所述的工控机2安装基于labview平台和研华通用api函数框架开发的数据处理系统，所述的数据处理系统包括常用功能模块、工件及修正盘运动控制模块、盘面面型测量模块、机床状态显示模块、盘面面型修整模块和急停模块；
所述的常用功能模块由运动控制卡开关、驱动器开关、液压油泵和水冷机启动开关、复位开关、状态显示灯和电机状态显示栏组成，运动控制卡开关实现对运动控制卡的开启及关闭；驱动器开关实现对各个驱动器单元的开启及关闭；液压油泵和水冷机启动开关实现对液压油泵和水冷机的开启及关闭，随后实现主轴直驱电机24的开启及关闭；复位开关实现对机床错误的重新设置和停止其运动；状态显示灯实现对机床各个关键部分状态的监控；电机状态显示栏对所有电机的状态进行实时监控并反馈到用户操作界面中；
所述的工件及修正盘运动控制模块由工件运动控制模块和修正盘运动控制模块组成，工件运动控制模块对工件进给伺服电机16和工件转动伺服电机17进行独立控制，包括实现工件的左右摆动和旋转运动；修正盘运动控制模块对修正盘进给变频电机18和修正盘转动变频电机19进行独立控制，包括实现修正盘的左右摆动和旋转运动；
所述的盘面面型测量模块由测量起点控制模块、参数输入模块、测量控制模块及参数显示模块组成，测量起点控制模块实现测量起点的点对点灵活控制；参数输入模块实现对测量参数及要求的输入；测量控制模块实现对测量动作的控制；参数显示模块实现对测量参数的实时显示；
所述的机床状态显示模块对机床的工件进给伺服电机16、工件转动伺服电机17、修正盘进给变频电机18、修正盘转动变频电机19、车刀径向伺服电机20、车刀轴向伺服电机21、测头径向直线电机22、测头轴向步进电机23和主轴直驱电机24的状态进行实时显示，便于在操作过程中及时发现问题并通过调试解决；
所述的盘面面型修整模块由修整参数输入模块、修整控制模块及修整参数显示模块组成，修整参数输入模块实现对修整参数及要求的输入；修整控制模块实现对修整动作的控制；修整参数显示模块实现对修整参数的实时显示；
所述的急停模块优先级最高，内嵌于常用功能模块、工件及修正盘运动控制模块、盘面面型测量模块、机床状态显示模块和盘面面型修整模块中，当电机状态异常时，操作人员按下急停按钮触发此模块，迅速停止各个电机的所有动作。
如图1-8所示，一种环抛机的多电机运动控制系统的控制方法，包括以下步骤：
a、数据处理系统通过labview的定时结构和事件结构预先设置好各个布尔按钮值变化时触发的事件分支并明确触发各个事件分支的条件；
b、数据采集卡3在定时结构的设置下按时对电机模块的各电机的状态进行扫描，将数据传至布尔数组中，实现对电机模块的各电机状态的实时监控；
c、数据处理系统触发labview事件结构启动运动控制模块和驱动模块的各驱动器；
d、运动控制模块的参数信息发生改变时，数据处理系统的定时结构扫描所有预设事件分支，将改变之后的参数信息和所有触发各事件分支的条件相比较，将匹配成功的事件结构分支中包含的脉冲、方向和频率等控制信息及命令通过工控机2传输至运动控制模块中；
e、运动控制模块按照事件分支中包含的控制信息及命令向对应电机的驱动器输出脉冲信号和方向信号，实现对对应电机的精确控制。
本发明的实施例如下：
如图1所示，本发明使用四个带有编码器的伺服电机、两个变频电机、一个测头径向直线电机22、一个测头轴向步进电机23和一个主轴直驱电机24等九个电机；其中，两个伺服电机实现工件的主动进给和转速控制，两个变频电机实现修正盘的旋转运动和进给运动，两个伺服电机实现车刀的径向和轴向运动，一个测头径向直线电机22实现测头的径向运动，一个测头轴向步进电机23实现测头的轴向运动，二者相互配合完成盘面面型的测量动作，一个主轴直驱电机24带动液压转台实现抛光盘的低速平稳旋转运动。本发明采用工控机2作为上位机并使用运动控制卡、数据采集卡3作为下位机，其中上位机基于labview语言环境进行图形化编程，开发周期短，信息处理能力强，开放程度高。各个电机之间协调配合，互不干涉却互有联系，可以快速高效地实现对大尺寸晶体的环形抛光加工
如图1-8所示，本发明的系统开机后，优先检测急停模块是否被触发，若急停模块已被触发，则锁存当前状态直至急停模块脱离触发状态；若急停模块未被触发，系统将先进入常用功能模块，通过labview的定时结构和事件结构预先设置好各个布尔按钮值变化时触发的事件分支，数据采集卡3在定时结构的设置下按时对所有硬件的状态进行扫描，将数据传至布尔数组中打开所有运动控制卡、数据采集卡3和各个驱动器、变频器后，系统并行进入工件及修正盘运动控制模块、盘面面型测量模块、机床状态显示模块和盘面面型修整模块，在前面板用户界面的数据值发生改变时，系统将所有预设事件结构中的触发条件和此数据值作比较，将匹配成功的事件结构分支中包含的控制信息及命令通过工控机2传输至运动控制卡中，运动控制卡按照事件分支中包含的控制信息及命令向对应电机的驱动器输出脉冲信号和方向信号，实现对特定电机的精确控制；在此过程中，机床状态显示模块不断检测机床各部分的状态并将信号传输至数据采集卡3中，直至操作过程结束。