基于PLC伺服電機(jī)的精確定位系統(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)的零點定位中，往往會出現(xiàn)計算的偏差以及定位的準(zhǔn)確度失靈，因此需要采用合理方法提升其定位精度。本文針對于實際應(yīng)用中對于伺服電機(jī)的對于平面具體坐標(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)的平面運動控制，在成本上盡可能地削減，提高定位的精度以及實現(xiàn)了低速漸變的控制。通過視覺檢測的特征分析直接對儀器進(jìn)行校正，不僅在控制的便利性上大大提高，而且也對精度進(jìn)行了極大的提高,從而全面的推動了伺服發(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；伺服電機(jī)1 引言在一些精密機(jī)械工業(yè)的生產(chǎn)中，精確性是影響產(chǎn)

2、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較大的難題。為了實現(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)中引入自動檢測環(huán)節(jié)成了研究的主要著力點，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)定位運動一文中對與當(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召下,制造業(yè)進(jìn)行了全面的產(chǎn)業(yè)升級，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)和其他動力系統(tǒng)的控制.而在國際上的一些學(xué)術(shù)期刊中則是大多對

3、于松下，三菱,西門子幾家公司所生產(chǎn)的PLC為主要的實驗對象，重點對于基于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)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】.外對于鋼坯標(biāo)識系統(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)備自動化的程度也比較高。目前在鋼坯標(biāo)識領(lǐng)域占有絕對優(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),它作為一個單體標(biāo)識設(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)場調(diào)試時間，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)來實現(xiàn)一種精確定位系統(tǒng)可用于精密工業(yè)，實現(xiàn)在低速的

4、環(huán)境下對于精度的精確控制的低成本平面運動工作臺的可行性研究和設(shè)計,在精度的要求上以微米級為主要的實現(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)置的多個參考點定位特征點來進(jìn)行檢測修正,實現(xiàn)檢測環(huán)節(jié)的自動化設(shè)計3。2 研究方法2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計檢測系統(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)中完成對運動系統(tǒng)的主要控制，主要是對其下兩個伺服電機(jī)進(jìn)行邏輯控制.在檢測時，將待測的零件置于載物臺上的60個矩陣孔中。開始測量

5、時,伺服電機(jī)在PLC的控制下驅(qū)動工作臺進(jìn)行平面上的二維移動，其上的CDD照相機(jī)就能在電機(jī)的帶動下對載物臺上的每個零件進(jìn)行定位4，一旦定位，就會完成相機(jī)對每個零件進(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PLC下一步運動命令的指示。在對每個零件進(jìn)行定位時候要求工作臺對于零件做到精確定位的要求，相機(jī)的焦點中心和矩陣孔的中心小孔在X，Y兩個維度上的偏差不能超過±50um,一旦偏差過大，工作臺會自動對相機(jī)的位置進(jìn)行校正.對于矩陣孔和載物臺的硬件誤差要求上都不得超過15um，因此工作臺的零點自動校正的誤差加上其自身的定位精度的誤差不

6、能超過20um。Fig。 1 mechanism diagram of inspection system2.2 工作臺驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計與研究工作臺使用的絲桿為5mm導(dǎo)程無間隙型精密絲桿，滾動軸承采用P5精度級別?？刂七\動的PLC采用西門子生產(chǎn)的S7200系列，CPU選用的是224CN型號。伺服電機(jī)驅(qū)動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型號伺服電機(jī)5.整個驅(qū)動系統(tǒng)包括控制電路的硬件連接，PLC控制程序的邏輯設(shè)計，PLC與PC之間通訊設(shè)計，驅(qū)動器各項參數(shù)調(diào)整.是整個精度控制系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，主要為PLC接收從PC出傳送來的運動指令，并在自

7、身控制程序的運行下驅(qū)動電機(jī)將相機(jī)精確地移動到相應(yīng)的X,Y坐標(biāo)上,實現(xiàn)零件的精確定位功能.2。3 硬件的連接在使用時,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)的具體實現(xiàn)。工作臺上采用兩個伺服電機(jī)來完成X，Y方向上的移動功能,每個伺服電機(jī)都配備電機(jī)驅(qū)動器用于完成PLC對其的驅(qū)動和控制6。PLC的I/O口與電機(jī)驅(qū)動器關(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（cou

8、nter reset）NH（Pulse static input）SRDY（End of servo)ALM（Servo alarm)CON（End of the positioning）CWL&CCWL（Positive and negative limit input）驅(qū)動器的PLUS端口連接到PLC的Q0。0和Q0。1端口用于PLC對伺服電機(jī)的控制脈沖指令的發(fā)出。驅(qū)動器的CWL和CCWL端口以及PLC的輸入口分別接到工作臺兩軸的兩個限位開關(guān)上，使得工作臺的啟動和關(guān)閉具有保險和復(fù)位的功能。PLC的全部I/O端口包含有8個輸出端口和10個輸入端口，其中兩個電機(jī)驅(qū)動器分別使用9個端口,

9、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PLC的主要程序為測量控制模塊，其中還還包括在單件零件測量上出現(xiàn)誤差之后的自動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)動器的輸入輸入端可以接收有PLC發(fā)送來的脈沖指令，實現(xiàn)PLC對電機(jī)驅(qū)動模塊的控制信息傳送，還能接收編碼器發(fā)回的波形模擬信號的反饋信息。CPU224CN型的PLC具有自主的輸出PTO以及PWN信號的功能,通過Q0.0以及Q0.1兩個端口可以輸出最高頻率為20kHz的信號,并且不會受到CPU的不同工作方式的限制。這一功能在對于各種電機(jī)的調(diào)速實用中得到了廣泛

10、的使用,對于直流和交流電機(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,就會自動地尋址到多段式的存儲區(qū)中的參數(shù),將參數(shù)送入CPU，多段式存儲區(qū)利用PLC的V存儲區(qū)來擔(dān)任9。PLC的Q0。0和Q0。1口分別用于對兩個相交方向上的電機(jī)的驅(qū)動器進(jìn)行控制，對電機(jī)驅(qū)動器輸出PTO脈沖，使用的工作頻率一般采

11、用20kHz、三段式脈沖,使得工作臺能夠正常穩(wěn)定地運作。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，同時盡量避免系統(tǒng)的復(fù)雜化以及使用復(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動的功能分別給予PC和PLC兩個邏輯單元去完成.PC端口通過調(diào)用串口通信函數(shù)WN 32 API來實現(xiàn)串口通信的功能，主要使用了較為基礎(chǔ)同時也功能完善的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之間的連接工作,實

12、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)幀出錯的CRC循環(huán)校驗法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碼,就能避免接收端收下出錯的數(shù)據(jù)幀,這種方法可以達(dá)到99。999%程度上的錯誤規(guī)避.同時在發(fā)生錯誤幀時設(shè)置一個錯誤重發(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)動器設(shè)置驅(qū)動器采用了外部脈沖輸入的方式進(jìn)行信息的傳入，實驗中采用的MINA-SA系列伺服電機(jī)驅(qū)動器是松下公司生產(chǎn)，能接收高達(dá)2Mpp外部脈沖輸入，分為4種工作模式,分別

13、針對于速度、位置、轉(zhuǎn)矩以及全封閉環(huán)境進(jìn)行控制。在本次實驗中主要采用了其對位置進(jìn)行精確控制的功能來完成對于精確定位系統(tǒng)設(shè)計的研究。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 directionPr

14、423Pr 43External pulse input is prohibited0External pulse input is prohibited ONPr4EThe deviation counter to be clear0Allow the deviation counter to be clearPr 484BThe 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個時，電機(jī)內(nèi)部就完成了一圈的運動，與此同時，電機(jī)帶動工作臺上的電動軸完成了0

15、。5um的位移量。因此可以通過對輸入脈沖的精確控制從而實現(xiàn)對工作臺上運動的精確控制.3.4 零點校正方法設(shè)計當(dāng)測量過程中，發(fā)現(xiàn)了檢測儀上相機(jī)的焦點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則判斷改點的位置合格沒有出現(xiàn)偏差。零點校正原理如圖3所示:Fig。 3 principle of zero correction一個載物臺的矩陣類一次可以檢測60個零件,O點位置為工作臺上的傳感器開關(guān)位置,因此A點即為檢測定位的起點位置。如果沒有進(jìn)行事先的零點校正，由于每次批量檢測都會累積一些細(xì)微的誤差，一旦每次誤差得不到及時的糾正就會在最終影響到總誤差的要求，而O點限位開關(guān)的精度只能達(dá)到0

16、。1mm,不能為工作臺的復(fù)位點提供參考值。為了保證每次測量前都能事先糾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帶動檢測儀上CCD相機(jī)對載物臺的60個零件進(jìn)行快速的掃描，從而進(jìn)行預(yù)先的誤差校正處理。如圖3零點校正原理圖所示，B點處于待測矩陣列之外,用于對圓孔中心的位置進(jìn)行參考值得提供,每次測量時,CCD相機(jī)先在待測零件上方一次停留，用焦點中心模擬零件中心位置，同時將圖像以及B點的參數(shù)一起傳送給PC端進(jìn)行誤差的判定，PC端運行判斷程序后將運動的控制指令返回給PLC，由PLC繼續(xù)發(fā)送指令驅(qū)動給電機(jī)驅(qū)動器去驅(qū)動電機(jī)在B點到待測零件段進(jìn)行誤差的調(diào)整。調(diào)整完畢后相機(jī)回到O點繼續(xù)下一批零件的測量調(diào)

17、整。當(dāng)圓心滿足偏差值小于0.1mm同時在PC端的圖像處理時圓心的擬合誤差為30um時,驅(qū)動器也能產(chǎn)生一個相當(dāng)于0。5um的脈沖輸入，從而不受到電機(jī)的最小啟動電壓的影響驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行誤差的調(diào)整，實現(xiàn)了將定位精度以及調(diào)整精度延展到微米級以下的精度值設(shè)計.3.5實驗數(shù)據(jù)分析在實驗中，為了證明工作臺的精度調(diào)整確實達(dá)到了實驗預(yù)先期望的精度水平，在實驗中采用了分辨率為0。1um的雙頻激光測量儀來記錄工作臺每次移動的精度范圍。工作臺的運動軸的運動范圍能為0100mm，在實驗中，選取電機(jī)所在一側(cè)為測量起點，記錄為零點,當(dāng)PLC輸出40 000個脈沖時，即工作臺運動了20mm,激光測量儀就對運動軸位置進(jìn)行一次采樣

18、記錄,先進(jìn)行正方向遞增測量，采樣0，20，40，60,80,100mm6個標(biāo)本，再反方向遞減測量采樣同樣數(shù)值的6個標(biāo)本,一個采樣10個來回共60個采樣點數(shù)據(jù)，記錄在PLC處理之后的運動軸誤差補償之后的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) i2Si(µm） i+2Si（µm） Repeat

19、ed positioning accuracy （µm） 0+0。81.2-1。63。34.93。60。72。15.13.020+0。90。7-0。42.22。6-4。11。21。66.54。940+0。61。21.72。94.64.30。82。65。93.360+0。30.61。60。92。52。90。22.43。41。080+1.70。4-2。51。01.51。40.2 1.11.70.6100+0。60.41。30。21.53.10.61。94。32。4從表中的實驗數(shù)據(jù)可以分析工作臺的定位精確度,設(shè)工作臺的定位精確度為A,則有以下式：A=maxXi+2Si(1）其中A為定位精確

20、度Xi為測量中X軸的變化值。Si為實驗定位精度的變化值。其中一趟的實驗定位精度為S,有如下式子：（2）在同樣的實驗條件下對Y軸進(jìn)行相同實驗分析可得,Y軸的A值為7.2um，S值為5.5um,綜合實驗的最初設(shè)想來看,工作臺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)計中對于在低速環(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)通過實驗數(shù)據(jù)的論證和完備的設(shè)計過程，基本上滿足了實驗初期的設(shè)計要求。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)的圖像采集能力以及PC端對圖像進(jìn)行深度處理的功能，能夠?qū)α慵钠顥l件有一個初步的判定,從而實現(xiàn)了獨特的零點自動校正原理，來實現(xiàn)

21、預(yù)先對于待測零件的零點校正，使零件在移動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)開始了較為廣泛的應(yīng)用，而與此同時有關(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)的工作效率以及工作能力，在此次的研究中，我們將伺服發(fā)電機(jī)與計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)了再度的融合，更好地利用計算機(jī)技術(shù)推動伺服發(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的運動控制分開的精確定位處理系統(tǒng)在未來的工業(yè)自動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

22、 the Making and Transporting Device of Automatic Vegetable Pot Machine Based on PLCJ. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2017.2 Panwei L I. Application of PLCbased Integral Separation PID Control System in Precision Straightening Hydraulic PressJ. Machine Tool & Hydraulics， 2015.3 L

23、ong H E， Polytechnic C A. Design of automatic welding system for irregular space curve based on S7300 PLCJ。 Modern Electronics Technique， 2015。4 Zhang H， Mo C S。 Research of the Simple Three Axis Numerical Control System Based on PLC and Touch ScreenJ。 Scitech Innovation and Productivity， 2016。5 Ma X， Ding W, Yang F, et al. A positioning compatible multiservice transmission system based on the integration of VLC and PLCC/ Wireless Communications and Mobile Computing Conference。 IEEE, 2015:480484。6 CHEN Xi, HU Yaqiao， CHAI Chenchen. Design and Realization of Automatic Filling