基于PLC和伺服電機的精密定位技術(shù)研究

1、傳感器與微系統(tǒng)(T ransducer and M i c rosyste m T echno l og i es 2010年第29卷第12期基于PLC和伺服電機的精密定位技術(shù)研究*龍國煊,王 仲,楊 純(天津大學精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室,天津300072摘 要:針對擒縱輪視覺檢測儀中對平面陣列點精確定位的實際需求,采用PLC和交流伺服電機實現(xiàn)了一種低速、高定位精度、低成本的二維運動控制,工作臺定位精度達到微米量級。結(jié)合視覺檢測特點,以視覺參考特征點,代替?zhèn)鹘y(tǒng)零點校正方法,實現(xiàn)檢測儀自動零點校正。該儀器已運行于工業(yè)現(xiàn)場。關(guān)鍵詞:精密定位;可編程序邏輯控制器;視覺檢測;交流伺服電機;零點

2、校正中圖分類號:TP273 文獻標識碼:A 文章編號:1000 9787(201012 0064 03Study of precision positioni ng technology based onPLC and servo motor*LONG Guo xuan,WANG Zhong,YANG Chun(State K ey L aboratory of Prec isi on M eas u ri n g T echno l ogy and Instrum en ts T ian ji n U niversity,T ian ji n300072,Ch inaAbstract:A s

3、 the p l anar array po ints positi on i ng requests to be prec i se i n t he escape whee l v i s i on m easure m entsyste m,a low speed,l ow co st,t w o di m ens i ona lm otion control platfor m w ith high positi on i ng prec i sion i s realized,w hich is served by PLC and AC servom otor.The precisi

4、on o f t he serv ice platfor m can reach t he level o f m icron.M ean w hil e,consi der i ng the features i n v i s i on m easurem ent,a me t hod adopting re ference character i stic po i nt i sused,wh ich m akes the platf o r m s ze ro li ne cali brati ng auto m aticall y,i nstead o f usi ng t he t

5、rad iti ona l zero li necali brati ng m ethod.A t present,the i nstru m en t has been opera ted i n t he i ndustrial fi e l d.K ey word s:prec i se position i ng;PLC;v i sua l i nspection;A C se rvo mo tor;zero po i nt ca li b ration0 引 言在機械手表等精密機械制造行業(yè),需要對大批量的高精度微型零件進行檢測。目前行業(yè)內(nèi)通用檢測方法為依靠傳統(tǒng)投影儀,人工目視評判。視

6、覺檢測以非接觸、高精度、便于實現(xiàn)自動檢測等特點1引人期待。擒縱輪視覺檢測儀是為高精度、大批量、自動檢測手表零件擒縱輪而研制的。檢測儀中的精密二維移動工作臺為重要組成部分,本文介紹一種低成本、全自動、高精度的二維控制系統(tǒng)設(shè)計。多軸、復雜的運動控制通常采用運動控制卡或工控機作為控制單元,速度快,精度高,但成本高,維護復雜2。相比之下,用可編程序邏輯控制器(PLC作為運動控制單元,可以完成對步進電機、伺服電機等的控制3,應(yīng)用在運動相對簡單、速度較低的條件下,具有成本低、設(shè)計簡單的優(yōu)勢。同時,PLC還可作為儀器中非運動控制的控制單元,簡化儀器設(shè)計,發(fā)揮PLC穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢。難點在于能否達到要求的控制精

7、度。本文采用PLC和交流伺服電機實現(xiàn)了一種低速、高精度、低成本的二維運動控制,工作臺定位達到微米級精度。此外,結(jié)合實際,利用檢測儀中用來采集微型零件圖像的高精度CCD相機,檢測工作臺上預置的特征參考點,替代傳統(tǒng)使用機械零點開關(guān)或者光柵尺的方法,實現(xiàn)了工作臺的自動零點校正功能1。在保證精度要求的前提下,充分利用儀器本身資源,節(jié)約成本。1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)擒縱輪視覺檢測儀系統(tǒng)組成如圖1所示。PC機為系統(tǒng)的主控制器,為人機信息交互接口。PLC為運動控制系統(tǒng)的控制單元,控制2個交流伺服電機。被測零件擺放在載物臺的陣列孔(60個中,測量時,PLC控制交流伺服電機,驅(qū)動二維工作臺移動,帶動CCD相機定位在載物臺上

8、陣列孔中每一個待測零件上方。定位完成后觸發(fā)相機采集圖像。計算機對圖像進行處理,并判斷零件是否合格,通知PLC進行下一步操作。收稿日期:2010 04 06*基金項目:國家高檔數(shù)控機床科技重大專項計劃資助項目(2009ZX04014 092 64第12期 龍國煊,等:基于PLC和伺服電機的精密定位技術(shù)研究 圖1 檢測儀系統(tǒng)組成F ig1 Compositi on o fm ea s ure m ent s y ste m測量時要求每一點定位完成后,X,Y方向上相機光學中心與圓孔中心的偏差不超過50 m,且系統(tǒng)要具有自動零點校正功能。其中,陣列孔位置誤差最大15 m,工作臺與載物臺安裝誤差最大15

9、 m所以,工作臺零點校正誤差和工作臺定位誤差總和最大不能超過20 m。2 工作臺驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計工作臺采用導程為5mm無間隙精密絲杠和精度為P5級滾動軸承;PLC為西門子S7 200系列CPU224CN型;伺服驅(qū)動器選用松下M INA S A4系列;交流伺服電機為松下M S M D012P1U型。驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計主要包括PLC與驅(qū)動器的硬件連接、PLC控制程序設(shè)計、PLC通信設(shè)計和驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置。2.1 硬件連接這里用PLC的高速脈沖輸出功能和交流伺服電機的位置控制模式來設(shè)計工作臺的驅(qū)動系統(tǒng)4。工作臺的X,Y 2個方向各使用一個驅(qū)動器和電機,系統(tǒng)的硬件連接主要是PLC的I/O口與驅(qū)動器的控制I/O接口

10、的連接。驅(qū)動器使用到的控制I/O口有:脈沖輸入(PULS,電機方向控制(S I GN,計數(shù)器清零(CL與脈沖靜止輸入(I NH4個輸入口,伺服準備結(jié)束(S RDY,伺服警報(ALM與定位結(jié)束(CO IN3個輸出口。脈沖輸入接到PLC的Q0.0和Q0.1,其他接到普通I/O口。工作臺兩軸各有2個限位開關(guān)連接到PLC輸入口和驅(qū)動器的正負限位輸入(C W L和CC W L中,作為工作臺保險和復位之用。PLC總需8路輸出和10路輸入,每個伺服驅(qū)動器的控制線使用9路。PLC剩下的I/O用來控制其他對象。2.2 PLC程序設(shè)計PLC程序主要由連續(xù)測量控制、單件測量控制零點校正、通信等部分組成。檢測儀2種測

11、量模式PLC的工作流程如圖2所示。驅(qū)動器可以接收外部脈沖指令輸入和編碼器反饋的方波信號。CPU224CN型PLC可以通過Q0.0和Q0.1輸出最高頻率達20k H z的PTO或P WM脈沖信號,不受CPU掃描式工作方式的影響2。廣泛應(yīng)用于直流、交流的調(diào)速,調(diào)壓控制中。脈沖輸出功能分別由特殊寄存器S M B67和S M B77控制,通過S MW68S M D172和S MW78S M D172設(shè)圖2 PLC程序流程圖Fig2 F low chart of PLC programm i ng定脈沖參數(shù),通過S M B66和S M B76監(jiān)控脈沖輸出狀態(tài)。脈沖速率可采用單段式或多段式。多段式脈沖各段

12、的參數(shù)通過特殊寄存器在PLC的V存儲區(qū)中設(shè)置,當執(zhí)行脈沖輸出指令PLS時,CPU自動讀取V存儲區(qū)中多段脈沖的參數(shù)后輸出脈沖。PLC通過端口Q0.0和Q0.1分別給工作臺X,Y方向的驅(qū)動器輸出頻率為20k H z的PTO脈沖。為使工作臺平穩(wěn)移動,這里采用三段式脈沖來控制伺服電機。2.3 PLC與PC通信設(shè)計考慮到儀器成本和設(shè)計的靈活性,PLC采用靈活方便的自由口通信方式,PC用VC+6.0的W I N32AP I串口通信函數(shù),完成計算機與西門子PLC的通信系統(tǒng)設(shè)計5。為克服信息傳輸中由于信道本身的原因或周圍環(huán)境噪聲的影響而導致的信息傳輸錯誤,這里,采用具有99.999%高精度檢錯能力的CRC校驗

13、,并且建立檢錯重發(fā)機制。通信流程如圖3所示。圖3 通信流程圖F ig3 F l ow chart of comm unica tion2.4 驅(qū)動器設(shè)置松下M I NA S A系列交流伺服驅(qū)動器可以接收最高2M pps的外部脈沖輸入。有位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制65傳感器與微系統(tǒng) 第29卷和全閉環(huán)控制4種工作模式6。根據(jù)需要,這里選用位置控制模式,該模式參數(shù)設(shè)置如下:P r .02=0:位置控制模式;P r .04=0,Pr .66=1:行程限位開關(guān)有效;P r .41=0,P r .42=3:指令脈沖和指令方向的組合方式;P r .43=0:禁止外部脈沖輸入有效;P r .4E =0:允許

14、偏差計數(shù)器清零;P r .48-4B 為驅(qū)動器對外部輸入脈沖進行分倍頻的參數(shù)設(shè)置,這里采用默認值,不做分倍頻處理,電機每轉(zhuǎn)一圈須外部輸入10000個脈沖。與工作臺移動距離的關(guān)系為1個脈沖對應(yīng)0.5 m 的移動量。3 零點校正方法設(shè)計1,6檢測儀在測量過程中,每一點定位完成后,要求X,Y 方向上相機光學中心與圓孔中心偏差不超過50 m 。如圖4所示,每次測量60個為一批,O 點為工作臺限位開關(guān)位置,A 點為每批測量的起止位置。如果每一批測量完成不進行零點校正,不斷累積的誤差有可能超過總誤差要求。限位開關(guān)的重復精度只有0.1mm,不能作為工作臺復位的參考點。為保證工作臺在每一批測量中都有很好的定位

15、精度,這里利用檢測儀自身的高精度CCD 相機,在每一批測量之前進行一次自動快速 的誤差校正。圖4 零點校正原理Fig 4 P ri nciple of zero point cali brati on如圖中,在待定位陣列點區(qū)域(點160外設(shè)一個位置固定的圓孔B 作特征參考位置。每一批測量從A 點開始,在位置B 采集圓孔圖像,圖像經(jīng)過計算機處理,擬合圓心后計算偏差,把偏差傳送給PLC ,然后,在B 1段進行位移補償。每一批測量完成后回到O 點,等待下一批測量。.在圓心偏差為0.1mm 內(nèi),圖像處理中圓心擬合誤差為3 m,在B 1,可以實現(xiàn)最小一個脈沖(0.5 m 的補償,不受三段式脈沖控制中電機

16、最小啟動量的影響,從而提高補償精度。實驗表明:補償后相機定位在1點的誤差不超過5 m 。4 實驗與分析為測定工作臺能否達到預期的精度要求,用分辨率為0.1 m 的雙頻激光測量儀來測量工作臺的移動精度。工作臺每軸行程為100mm ,任選靠近電機側(cè)的一點為測量起點(0mm 點,每移動20mm(對應(yīng)PLC 40000個脈沖用雙頻激光測量儀測量一次,正向(0100mm 測完6個點后,依次反向(1000mm 測量6個點,往復測量5次。分別對每個點5次測量數(shù)據(jù)進行處理,對絲杠線性誤差進行PLC 脈沖補償后X 軸(Y 軸只給結(jié)果的實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表1。表1 X 軸實驗數(shù)據(jù)Tab 1 Experi m en

17、tal data of X ax i s目標位置(mm移動方向平均偏差X ( m標準偏差S i( mX i -2S i ( mX i +2S i ( m重復定位精度( m +-0.83.61.20.7-1.6 2.13.35.14.93.020+-0.94.10.71.2-0.4 1.62.26.52.64.940+-0.64.31.20.8-1.7 2.62.95.94.63.360+-0.3 2.90.60.2-1.6 2.40.93.42.51.080+-1.7 1.40.40.2-2.5 1.1-1.0 1.71.50.6100+-0.63.10.40.6-1.3 1.90.24.31

18、.52.4從表1中可以得出,工作臺定位精度7A =m ax X i !+2S i !;X i +2S i -m i n X i !-2S i !;X i -2S i =9.0 m .單向重復定位精度為6R =(4S i ma x =(R i m ax =4.9 m .Y 軸補償線性誤差后定位精度為7.2 m,重復定位精度為5.5 m 。從實驗的結(jié)果可以看出:工作臺精度達到10 m 以內(nèi),滿足設(shè)計要求。5 結(jié)束語本文所設(shè)計的二維工作臺已經(jīng)應(yīng)用在擒縱輪視覺檢測儀上進行陣列點的自動定位,定位精度達到微米級的設(shè)計要求,系統(tǒng)運行穩(wěn)定。這種采用PLC 和伺服電機實現(xiàn)精確定位的控制原理和利用視覺參考特征點進行零點校正的方法,可以推廣到其他精密視覺檢測系統(tǒng)中,具有較好的應(yīng)用價值。參考文獻:1 劉一凡.基于視覺定位的微