基于PLC伺服電機(jī)精確定位系統(tǒng)應(yīng)用研究

1、. . . 基于PLC伺服電機(jī)的精確定位系統(tǒng)應(yīng)用研究摘要：在PLC伺服發(fā)電機(jī)傳統(tǒng)的零點(diǎn)定位中，往往會(huì)出現(xiàn)計(jì)算的偏差以與定位的準(zhǔn)確度失靈，因此需要采用合理方法提升其定位精度。本文針對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于伺服電機(jī)的對(duì)于平面具體坐標(biāo)的準(zhǔn)確把握監(jiān)控，研究了利用PLC為主導(dǎo)的輔助伺服電機(jī)的平面運(yùn)動(dòng)控制，在成本上盡可能地削減，提高定位的精度以與實(shí)現(xiàn)了低速漸變的控制。通過視覺檢測(cè)的特征分析直接對(duì)儀器進(jìn)行校正，不僅在控制的便利性上大大提高，而且也對(duì)精度進(jìn)行了極大的提高，從而全面的推動(dòng)了伺服發(fā)電機(jī)的精確定位系統(tǒng)的進(jìn)一步延伸與發(fā)展。關(guān)鍵詞：PLC;精確定位系統(tǒng)；視覺檢測(cè)；伺服電機(jī)1 引言在一些精密機(jī)械工業(yè)的生產(chǎn)中，精

2、確性是影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的主要因素，尤其是在機(jī)械表，儀表等大量使用細(xì)小精密的零件的加工行業(yè)中，如何對(duì)細(xì)小零件的組裝位置進(jìn)行入微細(xì)致的檢測(cè)始終是一個(gè)較大的難題。為了實(shí)現(xiàn)精密工業(yè)的產(chǎn)量提高，在精密機(jī)械的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中引入自動(dòng)檢測(cè)環(huán)節(jié)成了研究的主要著力點(diǎn)，在這之中引入了基于PLC的伺服電機(jī)精確定位系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)這一主要功能。華南理工大學(xué)的阮安正教授在淺析工業(yè)基于PLC的伺服電機(jī)定位運(yùn)動(dòng)一文中對(duì)與當(dāng)前國外的PLC伺服電機(jī)定位系統(tǒng)進(jìn)行了簡要的分析，在近些年國家的大力號(hào)召下，制造業(yè)進(jìn)行了全面的產(chǎn)業(yè)升級(jí)，機(jī)器逐漸代替過去的人力在工業(yè)中扮演著重要的作用，廣泛地應(yīng)用于電機(jī)和其他動(dòng)力系統(tǒng)的控制。而在國際上的一些學(xué)術(shù)期刊中

3、則是大多對(duì)于松下，三菱，西門子幾家公司所生產(chǎn)的PLC為主要的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，重點(diǎn)對(duì)于基于PLC的伺服電機(jī)精確定位系統(tǒng)對(duì)于精度，成本，效率等標(biāo)準(zhǔn)研究進(jìn)行了深入的研究，而在結(jié)構(gòu)上較為墨守成規(guī)2。外對(duì)于鋼坯標(biāo)識(shí)系統(tǒng)的開發(fā)研究進(jìn)行的比較早，技術(shù)比較先進(jìn)，產(chǎn)品比較成熟，設(shè)備自動(dòng)化的程度也比較高。目前在鋼坯標(biāo)識(shí)領(lǐng)域占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的企奧地利的NUMTEC公司早在2004年推出了可以進(jìn)行定位的伺服發(fā)電機(jī)，它作為一個(gè)單體標(biāo)識(shí)設(shè)備，操作較為簡單，只需要在液晶控制面板上設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)即可工作，縮短了工程人員現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間，節(jié)省了大量的人力物力3本文采用了PLC為主導(dǎo)輔助伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)一種精確定位系統(tǒng)可用于精密工業(yè)，實(shí)現(xiàn)在低速

4、的環(huán)境下對(duì)于精度的精確控制的低成本平面運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)的可行性研究和設(shè)計(jì)，在精度的要求上以微米級(jí)為主要的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。在具體的研制過程中引入了視覺檢測(cè)技術(shù)，使用了具有高精度的CDD相機(jī)來完成對(duì)于精密零件的視覺采集，通過事先設(shè)置的多個(gè)參考點(diǎn)定位特征點(diǎn)來進(jìn)行檢測(cè)修正，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)3。2 研究方法2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)由圖1所示。在系統(tǒng)的主要控制位置上采用的是計(jì)算機(jī)來進(jìn)行系統(tǒng)和用戶之間的主要交互接口，完成系統(tǒng)對(duì)用戶命令的理解和用戶對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的了解。PLC在系統(tǒng)中完成對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的主要控制，主要是對(duì)其下兩個(gè)伺服電機(jī)進(jìn)行邏輯控制。在檢測(cè)時(shí)，將待測(cè)的零件置于載物臺(tái)上的60個(gè)矩陣孔中。開始測(cè)

5、量時(shí)，伺服電機(jī)在PLC的控制下驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)行平面上的二維移動(dòng)，其上的CDD照相機(jī)就能在電機(jī)的帶動(dòng)下對(duì)載物臺(tái)上的每個(gè)零件進(jìn)行定位4，一旦定位，就會(huì)完成相機(jī)對(duì)每個(gè)零件進(jìn)行圖像的采集，并將采集到的圖像發(fā)送給PC端進(jìn)行圖像的處理工作，由PC程序判斷零件是否符合要求，并完成對(duì)PLC下一步運(yùn)動(dòng)命令的指示。在對(duì)每個(gè)零件進(jìn)行定位時(shí)候要求工作臺(tái)對(duì)于零件做到精確定位的要求，相機(jī)的焦點(diǎn)中心和矩陣孔的中心小孔在X,Y兩個(gè)維度上的偏差不能超過±50um，一旦偏差過大，工作臺(tái)會(huì)自動(dòng)對(duì)相機(jī)的位置進(jìn)行校正。對(duì)于矩陣孔和載物臺(tái)的硬件誤差要求上都不得超過15um，因此工作臺(tái)的零點(diǎn)自動(dòng)校正的誤差加上其自身的定位精度的誤差

6、不能超過20um。Fig. 1 mechanism diagram of inspection system2.2 工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究工作臺(tái)使用的絲桿為5mm導(dǎo)程無間隙型精密絲桿，滾動(dòng)軸承采用P5精度級(jí)別?？刂七\(yùn)動(dòng)的PLC采用西門子生產(chǎn)的S7-200系列，CPU選用的是224CN型號(hào)。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用的是松下制造的M NAS A4系列，而伺服電機(jī)本身的選用采用同公司生產(chǎn)的MSMD012PIU型號(hào)伺服電機(jī)5。整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括控制電路的硬件連接，PLC控制程序的邏輯設(shè)計(jì)，PLC與PC之間通訊設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)器各項(xiàng)參數(shù)調(diào)整。是整個(gè)精度控制系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，主要為PLC接收從PC出傳送來的運(yùn)動(dòng)指令，并

7、在自身控制程序的運(yùn)行下驅(qū)動(dòng)電機(jī)將相機(jī)精確地移動(dòng)到相應(yīng)的X,Y坐標(biāo)上，實(shí)現(xiàn)零件的精確定位功能。2.3 硬件的連接在使用時(shí)，使用PLC中的高速脈沖輸出功能，配合伺服電機(jī)的中的位置控制模式來完成精確定位系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)。工作臺(tái)上采用兩個(gè)伺服電機(jī)來完成X，Y方向上的移動(dòng)功能，每個(gè)伺服電機(jī)都配備電機(jī)驅(qū)動(dòng)器用于完成PLC對(duì)其的驅(qū)動(dòng)和控制6。PLC的I/O口與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器關(guān)于控制的I/O端口之間進(jìn)行連接，具體端口列表如表1所示：Table 1 drive port tableEquipmentDriverPortPLUS(Pulse input)SIGN(Motor direction control)CL（c

8、ounter reset） NH（Pulse static input） S-RDY(End of servo)ALM（Servo alarm） CON（End of the positioning） CWL&CCWL(Positive and negative limit input)驅(qū)動(dòng)器的PLUS端口連接到PLC的Q0.0和Q0.1端口用于PLC對(duì)伺服電機(jī)的控制脈沖指令的發(fā)出。驅(qū)動(dòng)器的CWL和CCWL端口以與PLC的輸入口分別接到工作臺(tái)兩軸的兩個(gè)限位開關(guān)上，使得工作臺(tái)的啟動(dòng)和關(guān)閉具有保險(xiǎn)和復(fù)位的功能。PLC的全部I/O端口包含有8個(gè)輸出端口和10個(gè)輸入端口，其中兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器分別

9、使用9個(gè)端口，PLC多出來的端口用于其他模塊的控制和交流7。3 討論與分析3.1 PLC程序設(shè)計(jì)PLC的主要程序?yàn)闇y(cè)量控制模塊，其中還還包括在單件零件測(cè)量上出現(xiàn)誤差之后的自動(dòng)校正程序以與用于與PC之間進(jìn)行主從機(jī)通訊的通訊程序。以與檢測(cè)儀的兩種不同的工作模式。驅(qū)動(dòng)器的輸入輸入端可以接收有PLC發(fā)送來的脈沖指令，實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的控制信息傳送，還能接收編碼器發(fā)回的波形模擬信號(hào)的反饋信息。CPU224CN型的PLC具有自主的輸出PTO以與PWN信號(hào)的功能，通過Q0.0以與Q0.1兩個(gè)端口可以輸出最高頻率為20kHz的信號(hào)，并且不會(huì)受到CPU的不同工作方式的限制。這一功能在對(duì)于各種電機(jī)的調(diào)速實(shí)

10、用中得到了廣泛的使用，對(duì)于直流和交流電機(jī)的調(diào)壓中也有不少的應(yīng)用。PLC脈沖輸出使用的寄存器包括SMB67和SMB77，脈沖參數(shù)的設(shè)置使用了SMW68SMD172以與SMW78SMD172來完成8。對(duì)于脈沖狀態(tài)則是使用了SMB66和SMB76來進(jìn)行脈沖狀態(tài)的反應(yīng)起到了對(duì)脈沖輸出的檢測(cè)作用。其中脈沖具有兩種輸出模式：單段式和多段式。多段式的脈沖指令為PLS，當(dāng)CPU讀取到相應(yīng)的多段式指令時(shí)，就會(huì)自動(dòng)地尋址到多段式的存儲(chǔ)區(qū)中的參數(shù)，將參數(shù)送入CPU，多段式存儲(chǔ)區(qū)利用PLC的V存儲(chǔ)區(qū)來擔(dān)任9。PLC的Q0.0和Q0.1口分別用于對(duì)兩個(gè)相交方向上的電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出PTO脈沖，使用的

11、工作頻率一般采用20kHz、三段式脈沖，使得工作臺(tái)能夠正常穩(wěn)定地運(yùn)作。PLC控制流程圖如圖2所示：Fig. 2 PLC control flow chart3.2PLC與PC的主從機(jī)通訊 在具體的控制程序設(shè)計(jì)中，為了使得系統(tǒng)的功能更加具有靈活性和可拓展性，同時(shí)盡量避免系統(tǒng)的復(fù)雜化以與使用復(fù)雜控制單元而引起的高成本的后果，使用了自由通訊的主從機(jī)通訊方式，將誤差判斷和控制運(yùn)動(dòng)的功能分別給予PC和PLC兩個(gè)邏輯單元去完成。PC端口通過調(diào)用串口通信函數(shù)WN 32 API來實(shí)現(xiàn)串口通信的功能，主要使用了較為基礎(chǔ)同時(shí)也功能完善的C+語言進(jìn)行編寫，更便于適應(yīng)基層的硬件結(jié)構(gòu)，該函數(shù)能較好地完成PC機(jī)與PLC之

12、間的連接工作，實(shí)現(xiàn)主從機(jī)通訊。在機(jī)間通訊采用了數(shù)據(jù)幀形式進(jìn)行信息的傳遞，并且采用了能極大程度避免數(shù)據(jù)幀出錯(cuò)的CRC循環(huán)校驗(yàn)法10，通過在數(shù)據(jù)幀的尾部加上一段適合長度的冗余校驗(yàn)碼，就能避免接收端收下出錯(cuò)的數(shù)據(jù)幀，這種方法可以達(dá)到99.999%程度上的錯(cuò)誤規(guī)避。同時(shí)在發(fā)生錯(cuò)誤幀時(shí)設(shè)置一個(gè)錯(cuò)誤重發(fā)機(jī)制，盡量減少數(shù)據(jù)幀的丟失。通訊程序如圖3所示；Fig. 3 PLC and PC communication program structure3.3 驅(qū)動(dòng)器設(shè)置驅(qū)動(dòng)器采用了外部脈沖輸入的方式進(jìn)行信息的傳入，實(shí)驗(yàn)中采用的MINA-S-A系列伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是松下公司生產(chǎn)，能接收高達(dá)2Mpp外部脈沖輸入，分為

13、4種工作模式，分別針對(duì)于速度、位置、轉(zhuǎn)矩以與全封閉環(huán)境進(jìn)行控制。在本次實(shí)驗(yàn)中主要采用了其對(duì)位置進(jìn)行精確控制的功能來完成對(duì)于精確定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究。表2是位置控制模式下各類參數(shù)的設(shè)置：Table 2 parameter settings for position control modePortNameParameterEffectPr 02Control mode0Position control modePr 04Stroke limit switch0Stroke limit switch ONPr 661Pr 41Combination0Instruction and pulse dir

14、ectionPr 423Pr 43External pulse input is prohibited0External pulse input is prohibited ONPr-4EThe deviation counter to be clear0Allow the deviation counter to be clearPr 48-4BThe external pulse input is dividedDefaultDo not do multiple frequency processing當(dāng)外部輸入的外部脈沖達(dá)到10000個(gè)時(shí)，電機(jī)部就完成了一圈的運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)工作

15、臺(tái)上的電動(dòng)軸完成了0.5um的位移量。因此可以通過對(duì)輸入脈沖的精確控制從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)上運(yùn)動(dòng)的精確控制。3.4 零點(diǎn)校正方法設(shè)計(jì)當(dāng)測(cè)量過程中，發(fā)現(xiàn)了檢測(cè)儀上相機(jī)的焦點(diǎn)中心與矩陣孔的孔心之間的偏差在二維平面上均沒有超過了50um則判斷改點(diǎn)的位置合格沒有出現(xiàn)偏差。零點(diǎn)校正原理如圖3所示：Fig. 3 principle of zero correction一個(gè)載物臺(tái)的矩陣類一次可以檢測(cè)60個(gè)零件，O點(diǎn)位置為工作臺(tái)上的傳感器開關(guān)位置，因此A點(diǎn)即為檢測(cè)定位的起點(diǎn)位置。如果沒有進(jìn)行事先的零點(diǎn)校正，由于每次批量檢測(cè)都會(huì)累積一些細(xì)微的誤差，一旦每次誤差得不到與時(shí)的糾正就會(huì)在最終影響到總誤差的要求，而O點(diǎn)限位

16、開關(guān)的精度只能達(dá)到0.1mm，不能為工作臺(tái)的復(fù)位點(diǎn)提供參考值。為了保證每次測(cè)量前都能事先糾正上次測(cè)量留下來的細(xì)小偏差，在每次檢測(cè)前都由工作臺(tái)帶動(dòng)檢測(cè)儀上CCD相機(jī)對(duì)載物臺(tái)的60個(gè)零件進(jìn)行快速的掃描，從而進(jìn)行預(yù)先的誤差校正處理。如圖3零點(diǎn)校正原理圖所示，B點(diǎn)處于待測(cè)矩陣列之外，用于對(duì)圓孔中心的位置進(jìn)行參考值得提供，每次測(cè)量時(shí)，CCD相機(jī)先在待測(cè)零件上方一次停留，用焦點(diǎn)中心模擬零件中心位置，同時(shí)將圖像以與B點(diǎn)的參數(shù)一起傳送給PC端進(jìn)行誤差的判定，PC端運(yùn)行判斷程序后將運(yùn)動(dòng)的控制指令返回給PLC，由PLC繼續(xù)發(fā)送指令驅(qū)動(dòng)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器去驅(qū)動(dòng)電機(jī)在B點(diǎn)到待測(cè)零件段進(jìn)行誤差的調(diào)整。調(diào)整完畢后相機(jī)回到O點(diǎn)繼

17、續(xù)下一批零件的測(cè)量調(diào)整。當(dāng)圓心滿足偏差值小于0.1mm同時(shí)在PC端的圖像處理時(shí)圓心的擬合誤差為30um時(shí)，驅(qū)動(dòng)器也能產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)于0.5um的脈沖輸入，從而不受到電機(jī)的最小啟動(dòng)電壓的影響驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行誤差的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了將定位精度以與調(diào)整精度延展到微米級(jí)以下的精度值設(shè)計(jì)。3.5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 在實(shí)驗(yàn)中，為了證明工作臺(tái)的精度調(diào)整確實(shí)達(dá)到了實(shí)驗(yàn)預(yù)先期望的精度水平，在實(shí)驗(yàn)中采用了分辨率為0.1um的雙頻激光測(cè)量儀來記錄工作臺(tái)每次移動(dòng)的精度圍。工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)圍能為0100mm，在實(shí)驗(yàn)中，選取電機(jī)所在一側(cè)為測(cè)量起點(diǎn)，記錄為零點(diǎn)，當(dāng)PLC輸出40 000個(gè)脈沖時(shí)，即工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)了20mm，激光測(cè)量儀就對(duì)運(yùn)動(dòng)

18、軸位置進(jìn)行一次采樣記錄，先進(jìn)行正方向遞增測(cè)量，采樣0，20,40,60,80,100mm6個(gè)標(biāo)本，再反方向遞減測(cè)量采樣同樣數(shù)值的6個(gè)標(biāo)本，一個(gè)采樣10個(gè)來回共60個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，記錄在PLC處理之后的運(yùn)動(dòng)軸誤差補(bǔ)償之后的X值數(shù)據(jù)，結(jié)果如表3所示：Table 3 experimental data of moving axleThe target location（mm） Direction of movementDeviation from the mean (µm)The standard deviation Si(µm) i-2Si(µm) i+2Si(

19、1;m) Repeated positioning accuracy (µm) 0+0.81.2-1.63.34.9-3.60.72.15.13.020+0.90.7-0.42.22.6-4.11.21.66.54.940+0.61.2-1.72.94.6-4.30.82.65.93.360+-0.30.6-1.60.92.5-2.90.22.43.41.080+-1.70.4-2.5-1.01.5-1.40.2 1.11.70.6100+0.60.4-1.30.21.5-3.10.61.94.32.4從表中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以分析工作臺(tái)的定位精確度，設(shè)工作臺(tái)的定位精確度為A，則有以下式：

20、A=maxXi+2Si（1）其中A為定位精確度Xi為測(cè)量中X軸的變化值。Si為實(shí)驗(yàn)定位精度的變化值。 其中一趟的實(shí)驗(yàn)定位精度為S，有如下式子：（2）在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)Y軸進(jìn)行一樣實(shí)驗(yàn)分析可得，Y軸的A值為7.2um，S值為5.5um，綜合實(shí)驗(yàn)的最初設(shè)想來看，工作臺(tái)符合了將精度壓縮在10um圍的目標(biāo)。4 結(jié)論 本設(shè)計(jì)中對(duì)于在低速環(huán)境下，具有高精確度，低成本的基于PLC的伺服電機(jī)精確定位系統(tǒng)通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的論證和完備的設(shè)計(jì)過程，基本上滿足了實(shí)驗(yàn)初期的設(shè)計(jì)要求。并且在相關(guān)的定位過程中引入了視覺檢測(cè)技術(shù)，利用CCD相機(jī)的圖像采集能力以與PC端對(duì)圖像進(jìn)行深度處理的功能，能夠?qū)α慵钠顥l件有一個(gè)初步的判

21、定，從而實(shí)現(xiàn)了獨(dú)特的零點(diǎn)自動(dòng)校正原理，來實(shí)現(xiàn)預(yù)先對(duì)于待測(cè)零件的零點(diǎn)校正，使零件在移動(dòng)的過程中能事先對(duì)誤差進(jìn)行修正。目前伺服發(fā)電機(jī)在各行業(yè)中都已經(jīng)開始了較為廣泛的應(yīng)用，而與此同時(shí)有關(guān)于伺服發(fā)電機(jī)的精準(zhǔn)定位系統(tǒng)的研究也慢慢的提上了日程，在這一研究過程中，只有充分調(diào)動(dòng)伺服發(fā)電機(jī)的定位準(zhǔn)確度，才可以全方位的提升伺服發(fā)電機(jī)的工作效率以與工作能力，在此次的研究中，我們將伺服發(fā)電機(jī)與計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了再度的融合，更好地利用計(jì)算機(jī)技術(shù)推動(dòng)伺服發(fā)電機(jī)的定位精確性提升，這種將PC的圖像判斷功能和PLC的運(yùn)動(dòng)控制分開的精確定位處理系統(tǒng)在未來的工業(yè)自動(dòng)化制造和精密儀器制造行業(yè)將大有可為。參考文獻(xiàn)1 Wang Z, Zh

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