高精度送料裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計

郭北濤，趙呈龍

(沈陽化工大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧沈陽 110142)

隨著技術(shù)的進步，工業(yè)生產(chǎn)線對其送料裝置提出了越來越高的要求，如應(yīng)滿足送料的高精度和高效率。文中所設(shè)計的基于運動控制卡和PC機的控制方式充分發(fā)揮了伺服系統(tǒng)控制精度高、響應(yīng)速度快和運行平穩(wěn)等優(yōu)點，有效地提高了送料的精度和效率，滿足了生產(chǎn)廠家的控制要求［1］。

1 送料裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

送料裝置包括機械部分、控制部分、動力源、檢測部分和執(zhí)行元件，主要由伺服電機、滾珠絲杠、直線導(dǎo)軌和光柵尺等組成。簡化的送料裝置機械結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示［2］。

圖1 送料裝置機械結(jié)構(gòu)簡圖

在控制系統(tǒng)的設(shè)計方案中，PC機和運動控制卡構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)，圖2為基于運動控制卡搭建的送料裝置控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。在基于運動控制卡的送料系統(tǒng)控制方案中，PC機作為控制系統(tǒng)的中心部分，可以專注于人機界面、實時監(jiān)控和發(fā)送指令等系統(tǒng)管理工作;運動控制卡負(fù)責(zé)處理所有運動控制的細(xì)節(jié)，如升降速計算和行程控制等，且無需占用PC機資源。運動控制卡還提供了功能強大的運動控制軟件庫如C語言運動庫、Windows DLL動態(tài)鏈接庫等，讓用戶更快、更有效地解決復(fù)雜的運動控制問題［3］。

圖2 送料裝置控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

運動控制卡以PCI插卡形式嵌入PC機中，將PC機的信息處理能力和運動控制能力有機地結(jié)合到一起，具有開放性程度高、使用簡便、功能豐富、實時調(diào)整優(yōu)點突出、運動控制軌跡準(zhǔn)確、通用性好和可靠性高的優(yōu)點。運動控制函數(shù)庫為單軸及多軸的伺服或伺服控制提供了許多運動函數(shù)，如單軸運動、多軸獨立運動、多軸插補運動等。另外，為了配合運動控制系統(tǒng)的開發(fā)，還提供了以下輔助函數(shù)，如中斷處理、編碼器反饋、間隙補償，運動中變速等［4］。

運動控制卡嵌入到PC機中，其本身不能直接與普通的二四相、或三六相伺服電機連接，必須要有伺服電機細(xì)分驅(qū)動器作為功率級、相序發(fā)生單元。伺服電機細(xì)分驅(qū)動器的選型與伺服電機相關(guān)，比如電機的相數(shù)和工作電壓、電流等。通過PC上的人機交互界面設(shè)置系統(tǒng)的運動控制參數(shù)，軟件控制運動控制卡發(fā)送出脫機、方向速度脈沖給伺服電機細(xì)分驅(qū)動器控制伺服電機轉(zhuǎn)動。該系統(tǒng)采用Panasonic伺服驅(qū)動器，該驅(qū)動器有速度控制模式和位置控制模式，可以接收差分和光耦輸入，并有伺服報警、定位完成、速度到達(dá)、轉(zhuǎn)矩限制和速度限制等伺服電機控制的反饋信號［5］。

2 軟件設(shè)計

為滿足精確定位和大負(fù)荷平穩(wěn)運行等要求，與伺服電機直接相連的增量式碼盤用于速度反饋;安裝在工作臺上的直線光柵尺用于測量位置信號。對工作臺的位移進行實時采集測量并反饋到運動控制卡上進行閉環(huán)控制。相比于開環(huán)和半閉環(huán)控，制能部分消除絲杠的加工誤差和隨絲杠磨損出現(xiàn)的誤差，精度、速度及動態(tài)特性均有一定的優(yōu)越性［6］。

電機的運動控制是整個控制系統(tǒng)的核心，其流程如圖3所示。首先啟動系統(tǒng)，并進行系統(tǒng)初始化和設(shè)置相應(yīng)的運行參數(shù);其次，根據(jù)位置傳感器傳送的信號由上位機經(jīng)過判斷和運算，發(fā)出指令給運動控制卡;運動控制卡發(fā)送出脈沖信號給伺服電機細(xì)分驅(qū)動器繼而控制伺服電機轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)電機的運動控制［7］。

圖3 伺服電機控制流程圖

系統(tǒng)采用研華PCI-1240二軸運動控制卡，該卡提供了功能強大的Windows DLL動態(tài)鏈接庫程序。在運動函數(shù)庫中所使用到的函數(shù)主要有如下幾種:控制卡及軸設(shè)置函數(shù)，獨立運動和插補運動函數(shù)，制動函數(shù)，位置和狀態(tài)設(shè)置及查詢函數(shù)，I/O口操作函數(shù)，錯誤代碼函數(shù)。Visual C++6.0作為開發(fā)工具，利用PCI1240運動控制卡的Windows驅(qū)動程序以及API運動函數(shù)庫，實現(xiàn)PC機與運動控制卡的實時通信，可以高效地開發(fā)出運動控制系統(tǒng)軟件［8］。圖4為所開發(fā)的送料裝置軟件操作界面。

圖4 軟件操作界面

3 結(jié)束語

文中基于控制運動控制卡的送料裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對工件的精確定位和控制。系統(tǒng)具有硬件組建周期短、精度高、易于維護和實現(xiàn)的優(yōu)點。通過調(diào)用運動函數(shù)庫使得軟件開發(fā)周期大為縮短，并且具有良好的人機交互界面，在實際使用中運行良好。該系統(tǒng)可提高送料效率和精度，具有一定的通用性和推廣性。

［1］劉曉萌.定長送料系統(tǒng)多軸同步控制［D］.杭州:浙江大學(xué)，2012.

［2］殷悅，屈百達(dá).模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在數(shù)控全閉環(huán)系統(tǒng)位置控制上的應(yīng)用［J］.機床與液壓，2012，40(21):19 －22.

［3］王世紅，徐世許，張傳林.送料機定長送料的伺服控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.機械工程與自動化，2012(2):152－154.

［4］涂芬芬.基于運動控制卡的多軸機床控制系統(tǒng)［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2012，44(2):146－150.

［5］宋洋，王新，明軍.MPC08SP運動控制卡在煙把智能定位系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.計算機技術(shù)與發(fā)展，2010，20(12):185－188.

［6］廖代海.基于伺服控制的鋁型材生產(chǎn)線設(shè)計研究［D］.長沙:中南大學(xué)，2012.

［7］董震，張立新，胡學(xué)龍，等.基于運動控制卡的數(shù)控試驗臺設(shè)計與仿真［J］.農(nóng)業(yè)工程，2012(12):40－42.

［8］潘強，鞠玉濤.步進電機直線定位系統(tǒng)設(shè)計及仿真研究［J］.計算機仿真，2012，29(9):188 －190.