基于PLC運(yùn)動(dòng)控制的平面磁場圖景繪制儀

由佳欣，羅福彪，趙冰心，梁慧敏

(1．電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省哈爾濱150001;2．桂林航天電子有限公司廣西壯族自治區(qū)桂林541002)

1 引言

磁場圖景的繪制一直以來使用手工播撒磁粉或使用稀疏磁針陣列來獲取，效率較低，自動(dòng)化程度不高，較難適應(yīng)不同形狀磁體的測繪，且存在重復(fù)性差的問題［1］。隨著對電磁機(jī)構(gòu)空間靜磁場及永磁體研究的深入，需要獲得不同形狀永磁體、以及含永磁的機(jī)電元件的磁場圖景進(jìn)行定性分析，因此需要研制自動(dòng)化的平面磁場圖景繪制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的自動(dòng)化測繪［2］。

運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)作為機(jī)電一體化的關(guān)鍵組成部分，正由面向傳統(tǒng)的數(shù)控加工行業(yè)專用控制技術(shù)而發(fā)展為具有開放結(jié)構(gòu)、能結(jié)合具體應(yīng)用要求而快速重組的先進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)［3－5］。包括全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、可編程邏輯控制器(PLC)技術(shù)及運(yùn)動(dòng)控制卡技術(shù)等幾種具有代表性的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)都有著靈活而廣泛的應(yīng)用;其中PLC更具有運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)靈活，外圍設(shè)備更易于擴(kuò)展、重構(gòu)的特點(diǎn)［6－8］。

本文將PLC的運(yùn)動(dòng)控制功能應(yīng)用于磁場圖景繪制儀的平面位置控制中，在基于PLC的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)之上，通過合理的硬件設(shè)計(jì)配合伺服電機(jī)與控制單元，組合成為適合進(jìn)行磁場測繪的二維運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)自動(dòng)播撒裝置和圖像采集裝置，實(shí)現(xiàn)對平面磁場的自動(dòng)化測繪;磁場繪制儀為永磁體磁場的研究提供了一種定性分析的輔助手段，在永磁體磁場研究及元器件設(shè)計(jì)等方面具有實(shí)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

2．1 磁場圖景繪制系統(tǒng)電控部分設(shè)計(jì)

磁場圖景繪制系統(tǒng)電控部分設(shè)計(jì)的核心是運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)。運(yùn)動(dòng)控制的電控部分主要包括:PLC控制平臺(tái)、伺服模塊、伺服驅(qū)動(dòng)器以及伺服電機(jī)。

運(yùn)動(dòng)控制部分的控制過程為:PC與PLC控制平臺(tái)的處理器通過RS232串口實(shí)現(xiàn)通訊，將PLC程序下載至處理器中，控制器上的伺服模塊通過光纖與被控的交流伺服驅(qū)動(dòng)器串接成一個(gè)通信回路，伺服驅(qū)動(dòng)器通過機(jī)械旋鈕分配好各自的節(jié)點(diǎn)號，然后經(jīng)電纜與運(yùn)動(dòng)控制中各軸電機(jī)建立控制通道，運(yùn)動(dòng)控制的電控部分的接線如圖1所示。

圖1 運(yùn)動(dòng)控制部分的總體接線圖

其中，Mx1、Mx2、My、Mz分別代表各個(gè)控制軸。

2．2 系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制的機(jī)械部分是本系統(tǒng)的主要控制對象，它是自動(dòng)播撒磁粉裝置運(yùn)動(dòng)的載體，通過控制x，y，z軸的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。運(yùn)動(dòng)框架及控制軸示意圖如圖2所示。

圖2 運(yùn)動(dòng)框架示意圖

x、y、z軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)包括伺服電機(jī)、通過聯(lián)軸器與電機(jī)相連的絲杠以及導(dǎo)向桿。x方向是由兩個(gè)平行電機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的。z軸裝配于y軸上，通過絲杠傳動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)在y方向的運(yùn)動(dòng)。播撒磁粉及回收裝置安裝在z軸上，通過z軸電機(jī)控制上下的運(yùn)動(dòng)以及與x、y軸電機(jī)控制的平面運(yùn)動(dòng)相配合，完成播撒磁粉工作。三維運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)械部分如圖3所示。

使用水平測量計(jì)調(diào)整機(jī)械設(shè)備的水平度，即保證x－y軸平面處于水平位置，減小由于磁場圖景平面水平度不佳而造成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差。

圖3 三維運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)械仿真結(jié)構(gòu)圖

自動(dòng)播撒磁粉裝置安裝在運(yùn)動(dòng)控制機(jī)械框架的z軸上，基于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)在指定區(qū)域的磁粉播撒。自動(dòng)播撒磁粉裝置采用漏斗式結(jié)構(gòu)，將磁粉裝在磁粉漏斗中，通過編程控制z軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)，對漏斗口進(jìn)行開關(guān)控制，且通過上下移動(dòng)的范圍可以控制漏斗口間隙，從而控制磁粉播撒的量。

底板用來盛接播撒的磁粉，根據(jù)所測永磁體或電磁機(jī)構(gòu)來確定其總尺寸;底板總體尺寸為磁粉播撒最大范圍;在底板正中間預(yù)留出被測器件的空間，用于放置永磁體或電磁機(jī)構(gòu)。

3 PLC程序設(shè)計(jì)及上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3．1 控制主程序的編寫

系統(tǒng)中的PLC選用了AB公司的產(chǎn)品，軟件編程采用RSLogix5000，通訊軟件為RSLinx。

控制主程序主要完成全局控制功能，其中包括伺服驅(qū)動(dòng)器的使能與禁止、各軸電機(jī)清錯(cuò)與復(fù)位等。程序流程如圖4所示。

圖4 控制主程序流程圖

3．2 繪圖子程序的編寫

繪制子程序根據(jù)輸入的命令信號，繪制指定區(qū)域圖形。磁粉播撒需要均勻快速，結(jié)合本系統(tǒng)三軸運(yùn)動(dòng)控制及播撒磁粉裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇x軸往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)與y軸方向移動(dòng)運(yùn)動(dòng)配合，來實(shí)現(xiàn)整個(gè)指定區(qū)域的磁粉播撒。

實(shí)現(xiàn)三軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的主要指令為直線運(yùn)動(dòng)命令，該指令的最大特點(diǎn)為只需指定運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)、運(yùn)動(dòng)方向及運(yùn)動(dòng)方式等參數(shù)，而不需要各軸在實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)作信息，這樣就大大簡化了運(yùn)動(dòng)控制的編程工作。在指定區(qū)域播撒的運(yùn)動(dòng)就可以直接通過給出邊界處點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)組來實(shí)現(xiàn)。可根據(jù)指定的區(qū)域面積，多次試運(yùn)行得出x軸方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)范圍及y軸方向較為合適的位移間距。

運(yùn)動(dòng)控制思路:x、y軸初始位置設(shè)在要播撒磁粉的區(qū)域的原點(diǎn)，z軸初始位置是處于磁粉漏斗口關(guān)閉的狀態(tài)。上電后首先使能各軸的驅(qū)動(dòng)器，設(shè)定零點(diǎn)。在播撒磁粉之前，使z軸向上運(yùn)動(dòng)，即磁粉漏斗口處于打開狀態(tài);控制x、y軸的運(yùn)動(dòng)使得磁粉按照預(yù)定區(qū)域一排一排地播撒，并配合z軸運(yùn)動(dòng)以增加磁粉的流動(dòng)性;最后播撒完畢，回到零點(diǎn)，并使z軸向下運(yùn)動(dòng)，關(guān)閉磁粉漏斗口，為下一次播撒做準(zhǔn)備。繪制子程序的程序流程圖如圖5所示。

圖5 繪圖子程序流程圖

根據(jù)常見測量的尺寸參數(shù)，設(shè)計(jì)播撒磁粉區(qū)域的面積約為150mm×150mm。

圖6 播撒磁粉裝置x－y平面的運(yùn)動(dòng)路徑

根據(jù)直線運(yùn)動(dòng)指令的特點(diǎn)，將運(yùn)動(dòng)軌跡用運(yùn)動(dòng)點(diǎn)來表示，多次試驗(yàn)得出，較為合適的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)為x軸位置范圍150mm，y軸位置間25mm。將運(yùn)動(dòng)點(diǎn)從0到15進(jìn)行標(biāo)號，運(yùn)動(dòng)軌跡從0到15順序執(zhí)行，最后回到初始點(diǎn)0。播撒磁粉裝置x－y軸的運(yùn)動(dòng)路徑如圖6所示。

對于z軸方向，播撒磁粉裝置的初始位置時(shí)漏斗口處于閉合狀態(tài)，故開始播撒前，需要漏斗口處于打開狀態(tài)，即上電開始運(yùn)動(dòng)后，z軸需要向上運(yùn)動(dòng)至漏斗口打開?？紤]到播撒中z軸處于同一位置磁粉播撒的間斷現(xiàn)象，將播撒運(yùn)動(dòng)中z軸的位置設(shè)置為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即z軸會(huì)在上下位置單位反復(fù)小距離運(yùn)動(dòng)，以保證磁粉播撒的連續(xù)性。

3．3 上位機(jī)控制軟件

本系統(tǒng)的上位機(jī)控制軟件可以實(shí)現(xiàn)控制與信息反饋功能，如圖7所示。主要有三個(gè)組成部分:控制信號部分、演示部分和參數(shù)設(shè)置及監(jiān)控部分。軟件界面劃分為七個(gè)區(qū)域:主控制信號區(qū)、位置調(diào)試信號區(qū)、運(yùn)動(dòng)演示x－y平面區(qū)、運(yùn)動(dòng)演示x－z平面區(qū)、參數(shù)設(shè)置區(qū)、位置監(jiān)控區(qū)、狀態(tài)顯示區(qū)。

其中，主控制信號區(qū)主要是實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與禁止、運(yùn)動(dòng)軸的復(fù)位等的控制功能。位置調(diào)試信號區(qū)主要實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)x、y、z軸的位置控制，實(shí)現(xiàn)位置子程序的功能;運(yùn)動(dòng)演示x－y平面區(qū)可以實(shí)時(shí)顯示磁場圖景繪制系統(tǒng)在x－y軸平面的運(yùn)動(dòng)狀態(tài);狀態(tài)顯示區(qū)顯示各軸伺服電機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)指示;運(yùn)動(dòng)演示x－y平面區(qū)可以顯示x、y運(yùn)動(dòng)軸組件的位置、已磁粉播撒面積等。

圖7 人機(jī)界面

4 磁場圖景實(shí)測繪制

以某牌號FeCrCo條形永磁單體為例，永磁尺寸為60mm×10mm×6mm，測試截面為長度方向中心截面;在播撒磁粉前，需要預(yù)制形狀適合的平面底板，并聯(lián)合調(diào)整系統(tǒng)平臺(tái)的水平度;再調(diào)整圖像采集裝置位置，保證攝像頭平面與播撒磁粉底板平行，減小實(shí)驗(yàn)測量誤差。

經(jīng)過大量反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，磁粉在顆粒較大時(shí)流動(dòng)性較差，不能夠均勻地從漏斗口流出。故在選擇磁粉上，要盡量保證顆粒大小細(xì)小且均勻，本實(shí)驗(yàn)選擇300目的還原鐵粉，顆粒直徑在48um左右，鐵粉含量99．2%。磁場圖景繪制系統(tǒng)及運(yùn)行本系統(tǒng)所測量的條形永磁磁場分布圖景，如圖8所示。

圖8 磁場圖景繪制儀實(shí)物及儀器繪制的條形永磁體平面磁場圖景

由于實(shí)驗(yàn)測量中永磁會(huì)將其近距離的磁粉吸附，故無法看到永磁附近區(qū)域的磁力線分布，但通過上圖可以清晰的觀察到條形磁鐵的絕大部分區(qū)域的磁場圖景。

5 結(jié)論

(1)本文設(shè)計(jì)制作了平面磁場圖景繪制儀硬件平臺(tái)，其中包括三軸運(yùn)動(dòng)電控部分、機(jī)械部分、磁粉播撒裝置等，能夠?qū)崿F(xiàn)三軸運(yùn)動(dòng)控制及磁粉的自動(dòng)播撒。

(2)編寫的PLC控制程序?qū)崿F(xiàn)了軸位調(diào)試、三軸運(yùn)動(dòng)控制等功能，實(shí)現(xiàn)了控制設(shè)備在指定區(qū)域均勻快速播撒磁粉。編制的人機(jī)界面能夠方便快捷地實(shí)現(xiàn)播撒磁粉設(shè)備的啟動(dòng)、停止、軸位調(diào)試等功能，并對運(yùn)行中的設(shè)備狀態(tài)、磁粉播撒情況及相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)磁場圖景繪制儀的可視化管理。

(3)實(shí)際運(yùn)行該系統(tǒng)，通過固定的圖像拍攝裝置得到了某牌號條形永磁體中央截面的清晰磁場圖景，實(shí)測達(dá)到了預(yù)期的效果。

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