基于PLC伺服電機(jī)的精確定位系統(tǒng)應(yīng)用研究

1、精選文檔基于PLC伺服電機(jī)的精確定位系統(tǒng)應(yīng)用爭辯摘要：在PLC伺服發(fā)電機(jī)傳統(tǒng)的零點(diǎn)定位中，往往會(huì)消滅計(jì)算的偏差以及定位的精確度失靈，因此需要接受合理方法提升其定位精度。本文針對于實(shí)際應(yīng)用中對于伺服電機(jī)的對于平面具體坐標(biāo)的精確把握監(jiān)控，爭辯了利用PLC為主導(dǎo)的幫助伺服電機(jī)的平面運(yùn)動(dòng)把握，在成本上盡可能地削減，提高定位的精度以及實(shí)現(xiàn)了低速漸變的把握。通過視覺檢測的特征分析直接對儀器進(jìn)行校正，不僅在把握的便利性上大大提高，而且也對精度進(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)一步延長與進(jìn)展。關(guān)鍵詞：PLC;精確定位系統(tǒng)；視覺檢測；伺服電機(jī)1 引言在一些精密機(jī)械工業(yè)的生產(chǎn)中，精確性

2、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，如何對細(xì)小零件的組裝位置進(jìn)行入微細(xì)致的檢測始終是一個(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)檢測環(huán)節(jié)成了爭辯的主要著力點(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。華南理工高校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)一文中對與當(dāng)前國內(nèi)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)器漸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)的把握。而在國際上的一些學(xué)術(shù)期刊中則

3、是大多對于松下，三菱，西門子幾家公司所生產(chǎn)的PLC為主要的試驗(yàn)對象，重點(diǎn)對于基于PLC的伺服電機(jī)精確定位系統(tǒng)對于精度，成本，效率等標(biāo)準(zhǔn)爭辯進(jìn)行了深化的爭辯，而在結(jié)構(gòu)上較為墨守成規(guī)【2】。外對于鋼坯標(biāo)識(shí)系統(tǒng)的開發(fā)爭辯進(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)域占有確定優(yōu)勢的企奧地利的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，操作較為簡潔，只需要在液晶把握面板上設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)即可工作，縮短了工程人員現(xiàn)場調(diào)試時(shí)間，節(jié)省了大量的人力物力【3】本文接受了PLC為主導(dǎo)幫助伺服電機(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)

4、在低速的環(huán)境下對于精度的精確把握的低成本平面運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)的可行性爭辯和設(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技術(shù)，使用了具有高精度的CDD相機(jī)來完成對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)行檢測修正，實(shí)現(xiàn)檢測環(huán)節(jié)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)3。2 爭辯方法2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)檢測系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)由圖1所示。在系統(tǒng)的主要把握位置上接受的是計(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)對用戶命令的理解和用戶對系統(tǒng)狀態(tài)的了解。PLC在系統(tǒng)中完成對運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的主要把握，主要是對其下兩個(gè)伺服電機(jī)進(jìn)行規(guī)律把握。在檢測時(shí)，將待測的零件置于載物臺(tái)上的60個(gè)矩陣孔中。

5、開頭測量時(shí)，伺服電機(jī)在PLC的把握下驅(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程序推斷零件是否符合要求，并完成對PLC下一步運(yùn)動(dòng)命令的指示。在對每個(gè)零件進(jìn)行定位時(shí)候要求工作臺(tái)對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)對相機(jī)的位置進(jìn)行校正。對于矩陣孔和載物臺(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

6、的誤差不能超過20um。Fig. 1 mechanism diagram of inspection system2.2 工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與爭辯工作臺(tái)使用的絲桿為5mm導(dǎo)程無間隙型精密絲桿，滾動(dòng)軸承接受P5精度級(jí)別。把握運(yùn)動(dòng)的PLC接受西門子生產(chǎn)的S7-200系列，CPU選用的是224CN型號(hào)。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接受的是松下制造的M NAS A4系列，而伺服電機(jī)本身的選用接受同公司生產(chǎn)的MSMD012PIU型號(hào)伺服電機(jī)5。整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括把握電路的硬件連接，PLC把握程序的規(guī)律設(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)精度把握系統(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

7、令，并在自身把握程序的運(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，協(xié)作伺服電機(jī)的中的位置把握模式來完成精確定位系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)。工作臺(tái)上接受兩個(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對其的驅(qū)動(dòng)和把握6。PLC的I/O口與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器關(guān)于把握的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 tableEquipment Driver Port PLUS(Pulse input) SIGN(Motor direction contr

8、ol) CL（counter 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對伺服電機(jī)的把握脈沖指令的發(fā)出。驅(qū)動(dòng)器的CWL和CCWL端口以及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

9、中兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器分別使用9個(gè)端口，PLC多出來的端口用于其他模塊的把握和溝通7。3 爭辯與分析3.1 PLC程序設(shè)計(jì)PLC的主要程序?yàn)闇y量把握模塊，其中還還包括在單件零件測量上消滅誤差之后的自動(dòng)校正程序以及用于與PC之間進(jìn)行主從機(jī)通訊的通訊程序。以及檢測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對電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的把握信息傳送，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以及PWN信號(hào)的功能，通過Q0.0以及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

10、對于各種電機(jī)的調(diào)速有用中得到了廣泛的使用，對于直流和溝通電機(jī)的調(diào)壓中也有不少的應(yīng)用。PLC脈沖輸出訪用的寄存器包括SMB67和SMB77，脈沖參數(shù)的設(shè)置使用了SMW68SMD172以及SMW78SMD172來完成8。對于脈沖狀態(tài)則是使用了SMB66和SMB76來進(jìn)行脈沖狀態(tài)的反應(yīng)起到了對脈沖輸出的檢測作用。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)當(dāng)9。PLC的Q0.0和Q0.1口分別用于對兩個(gè)相交方向上的電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行把握，對電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸

11、出PTO脈沖，使用的工作頻率一般接受20kHz、三段式脈沖，使得工作臺(tái)能夠正常穩(wěn)定地運(yùn)作。PLC把握流程圖如圖2所示：Fig. 2 PLC control flow chart3.2PLC與PC的主從機(jī)通訊 在具體的把握程序設(shè)計(jì)中，為了使得系統(tǒng)的功能更加具有機(jī)敏性和可拓展性，同時(shí)盡量避開系統(tǒng)的簡單化以及使用簡單把握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，將誤差推斷和把握運(yùn)動(dòng)的功能分別賜予PC和PLC兩個(gè)規(guī)律單元去完成。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

12、完成PC機(jī)與PLC之間的連接工作，實(shí)現(xiàn)主從機(jī)通訊。在機(jī)間通訊接受了數(shù)據(jù)幀形式進(jìn)行信息的傳遞，并且接受了能極大程度避開數(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，就能避開接收端收下出錯(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，盡量削減數(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)器接受了外部脈沖輸入的方式進(jìn)行信息的傳入，試驗(yàn)中接受的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)2Mp

13、p外部脈沖輸入，分為4種工作模式，分別針對于速度、位置、轉(zhuǎn)矩以及全封閉環(huán)境進(jìn)行把握。在本次試驗(yàn)中主要接受了其對位置進(jìn)行精確把握的功能來完成對于精確定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)的爭辯。表2是位置把握模式下各類參數(shù)的設(shè)置：Table 2 parameter settings for position control modePort Name Parameter EffectPr 02 Control mode 0 Position control mode Pr 04 Stroke limit switch 0 Stroke limit switch ON Pr 66 1 Pr 41 Combination 0

14、 Instruction and pulse direction Pr 42 3 Pr 43 External pulse input is prohibited 0 External pulse input is prohibited ON Pr-4E The deviation counter to be clear 0 Allow the deviation counter to be clear Pr 48-4B The external pulse input is divided Default Do not do multiple frequency processing 當(dāng)外部

15、輸入的外部脈沖達(dá)到10000個(gè)時(shí)，電機(jī)內(nèi)部就完成了一圈的運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)上的電動(dòng)軸完成了0.5um的位移量。因此可以通過對輸入脈沖的精確把握從而實(shí)現(xiàn)對工作臺(tái)上運(yùn)動(dòng)的精確把握。3.4 零點(diǎn)校正方法設(shè)計(jì)當(dāng)測量過程中，發(fā)覺了檢測儀上相機(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則推斷改點(diǎn)的位置合格沒有消滅偏差。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)即為檢測定位的起點(diǎn)位置。假如沒有進(jìn)行事先的零點(diǎn)校正，由于每次批量檢測都會(huì)累積

16、一些微小的誤差，一旦每次誤差得不到準(zhǔn)時(shí)的訂正就會(huì)在最終影響到總誤差的要求，而O點(diǎn)限位開關(guān)的精度只能達(dá)到0.1mm，不能為工作臺(tái)的復(fù)位點(diǎn)供應(yīng)參考值。為了保證每次測量前都能事先訂正上次測量留下來的細(xì)小偏差，在每次檢測前都由工作臺(tái)帶動(dòng)檢測儀上CCD相機(jī)對載物臺(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)處于待測矩陣列之外，用于對圓孔中心的位置進(jìn)行參考值得供應(yīng)，每次測量時(shí)，CCD相機(jī)先在待測零件上方一次停留，用焦點(diǎn)中心模擬零件中心位置，同時(shí)將圖像以及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)行推斷程序后將運(yùn)動(dòng)的把握指令返回給PLC，由PLC連續(xù)發(fā)送指令

17、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)連續(xù)下一批零件的測量調(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)了將定位精度以及調(diào)整精度延展到微米級(jí)以下的精度值設(shè)計(jì)。3.5試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 在試驗(yàn)中，為了證明工作臺(tái)的精度調(diào)整的確達(dá)到了試驗(yàn)預(yù)先期望的精度水平，在試驗(yàn)中接受了辨別率為0.1um的雙頻激光測量儀來記錄工作臺(tái)每次移動(dòng)的精度范圍。工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)范圍能為0100mm，在試驗(yàn)中，選取電機(jī)所在一側(cè)為測量起點(diǎn)，

18、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，激光測量儀就對運(yùn)動(dòng)軸位置進(jìn)行一次采樣記錄，先進(jìn)行正方向遞增測量，采樣0，20,40,60,80,100mm6個(gè)標(biāo)本，再反方向遞減測量采樣同樣數(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 movement Deviation from the mean (µm) The standard

19、deviation Si(µm) i-2Si (µm) i+2Si (µm) Repeated positioning accuracy (µm) 0 + 0.8 1.2 -1.6 3.3 4.9 - 3.6 0.7 2.1 5.1 3.0 20 + 0.9 0.7 -0.4 2.2 2.6 - 4.1 1.2 1.6 6.5 4.9 40 + 0.6 1.2 -1.7 2.9 4.6 - 4.3 0.8 2.6 5.9 3.3 60 + -0.3 0.6 -1.6 0.9 2.5 - 2.9 0.2 2.4 3.4 1.0 80 + -1.7 0.4

20、-2.5 -1.0 1.5 - 1.4 0.2 1.1 1.7 0.6 100 + 0.6 0.4 -1.3 0.2 1.5 - 3.1 0.6 1.9 4.3 2.4 從表中的試驗(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：A=maxXi+2Si （1）其中A為定位精確度Xi為測量中X軸的變化值。Si為試驗(yàn)定位精度的變化值。 其中一趟的試驗(yàn)定位精度為S，有如下式子： （2）在同樣的試驗(yàn)條件下對Y軸進(jìn)行相同試驗(yàn)分析可得，Y軸的A值為7.2um，S值為5.5um，綜合試驗(yàn)的最初設(shè)想來看，工作臺(tái)符合了將精度壓縮在10um范圍內(nèi)的目標(biāo)。4 結(jié)論 本設(shè)計(jì)中對于在低速環(huán)境下，具

21、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)通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的論證和完備的設(shè)計(jì)過程，基本上滿足了試驗(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技術(shù)，利用CCD相機(jī)的圖像采集力量以及PC端對圖像進(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)先對于待測零件的零點(diǎn)校正，使零件在移動(dòng)的過程中能事先對誤差進(jìn)行修正。目前伺服發(fā)電機(jī)在各行業(yè)中都已經(jīng)開頭了較為廣泛的應(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)的爭辯也漸漸的提上了日程，在這一爭辯過程中，只有充分調(diào)動(dòng)伺服發(fā)電機(jī)的定位精確度，才可以全方位的提升伺服發(fā)電機(jī)的工作效率以及工作力量，在

22、此次的爭辯中，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的圖像推斷功能和PLC的運(yùn)動(dòng)把握分開的精確定位處理系統(tǒng)在將來的工業(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, Zhu W, Li W. Research on the Making and Transporting Device of Automatic Vegetable Pot Machine Based on PLCJ. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2017.2 Panwei

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