基于運動控制卡的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)自動下線系統(tǒng)設(shè)計

王毅可，趙彤彤，劉彩云，楊益奎，董玉德

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥230009；2.安徽安凱華夏汽車零配件制造有限公司，安徽 合肥230601）

0 引 言

中型卡車在日常生活中的應(yīng)用日益普遍，目前我國的中型卡車駕駛室已經(jīng)平頭化，為了便于發(fā)動機的維修保養(yǎng)，要求駕駛室能夠向前翻轉(zhuǎn).由于中型卡車駕駛室太重，單憑人力無法實現(xiàn)駕駛室的翻轉(zhuǎn)，因此必須要借助于翻轉(zhuǎn)機構(gòu)［1］.

運動控制技術(shù)的發(fā)展是推動新的產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù).文獻［2］采用VC＋＋6.0調(diào)用運動控制卡的庫函數(shù)的方法控制多軸步進電機，研究按預(yù)定的運動軌跡及運動參數(shù)作定位的控制系統(tǒng)方式實現(xiàn).文獻［3］研究運用Lab VIEW控制步進電機的運動控制方法與實現(xiàn).文獻［4］研究開放化設(shè)計以及采用DSP、ISP和CPLD設(shè)計的多軸運動控制器.本文利用PCI 1010運動控制卡軟硬件集成功能，實現(xiàn)與上位機通信并對系統(tǒng)進行監(jiān)控，同時接收傳感器信號，發(fā)出控制信號.采用“PC＋運動控制卡”控制模式，利用PC硬件平臺構(gòu)建設(shè)備的控制系統(tǒng)，利用運動控制卡達到接收信號、發(fā)送指令控制運動的效果，設(shè)計并制造了一套翻轉(zhuǎn)機構(gòu)自動下線系統(tǒng)，從而提高企業(yè)生產(chǎn)線的自動化水平.

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體方案設(shè)計

根據(jù)生產(chǎn)線的現(xiàn)狀，要達到自動下線的要求，設(shè)備需要滿足橫向移動和縱向的垂直起吊，以及翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的自動抓取功能.同時需要滿足各個運動結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)運動，保證系統(tǒng)能夠在規(guī)定的時間內(nèi)完成這一系列的動作.通過對這些功能的分析以及結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)線的運行結(jié)構(gòu)，自動下線系統(tǒng)的總體設(shè)計方案如圖1所示.當(dāng)翻轉(zhuǎn)機構(gòu)裝配完成之后，運動到達傳感器1的位置后，伺服電機帶動跑車做水平橫向運動、氣缸伸出并執(zhí)行將翻轉(zhuǎn)機構(gòu)利用電磁鐵吸附或者抓舉（此處采用電磁鐵吸附的方法），然后氣缸回收帶動整個翻轉(zhuǎn)機構(gòu)橫向運動，完成工件的水平轉(zhuǎn)運；最后經(jīng)過觸發(fā)傳感器3后氣缸再次伸出并保持電機運動狀態(tài)，觸發(fā)傳感器4后電機停止運動、電磁鐵斷電釋放將翻轉(zhuǎn)機構(gòu)安放于生產(chǎn)線旁傾斜的傳送帶，然后氣缸收回電機反向運動到達初始位置，等待執(zhí)行下一次下線操作.整個自動下線系統(tǒng)需要能夠?qū)τ谏a(chǎn)線中工件位置進行自動感知.系統(tǒng)中，通過安裝于生產(chǎn)線的傳感器實現(xiàn)整個自動下線系統(tǒng)的信號感知.

1.2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于以上系統(tǒng)方案設(shè)計，針對系統(tǒng)的執(zhí)行部件的設(shè)計，需要將各個動作執(zhí)行部分連接起來，組成一個系統(tǒng)，完成設(shè)計要求.整套設(shè)備的機械執(zhí)行部分如圖2所示，圖2中顯示了需要控制的運動結(jié)構(gòu)：1為伺服電機（MSME082S1）控制的電動跑車，實現(xiàn)橫向運動功能；2為氣缸電磁閥（SDPC4V230C－08），控制氣缸的伸出收回功能；3為電磁鐵（H1205040）吸附工件；4為限位開關(guān)，輔助完成動作執(zhí)行；5為翻轉(zhuǎn)機構(gòu)軸承.由于翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的型號多樣，在對于不同型號的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)進行下線時會遇到翻轉(zhuǎn)機構(gòu)質(zhì)量不平衡的狀態(tài)，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中添加了兩側(cè)的導(dǎo)向平衡結(jié)構(gòu)，可以有效地保持運動中的平穩(wěn)狀態(tài).翻轉(zhuǎn)機構(gòu)型號多樣的另一個表現(xiàn)為支撐臂的跨度多樣.為了適應(yīng)這種情況，電磁鐵安裝于一個固定于氣缸上的導(dǎo)軌中保證了電磁鐵的橫向可移動性.同時導(dǎo)軌的兩側(cè)有兩個導(dǎo)向桿，可以起到防止氣缸轉(zhuǎn)動的效果.根據(jù)以上方案所做的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足了不同產(chǎn)品型號的自動下線需求.

圖1 總體設(shè)計方案圖Fig.1 Overall design scheme

圖2 機械結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Mechanical body figure

1.3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

根據(jù)設(shè)計方案，控制系統(tǒng)的整體控制流程如圖3所示.從圖3可以看出，工業(yè)控制計算機通過運動控制卡實現(xiàn)對于伺服電機、電磁鐵和電磁閥的控制，同時實現(xiàn)對光電傳感器和限位、急停開關(guān)的信號采集.傳感器作為整個系統(tǒng)的反饋器件，通過位置感知來達到對于整個系統(tǒng)的運動操作和狀態(tài)變化的控制作用.通過運動控制卡中的通用輸出信號來控制電磁閥、電磁鐵，為了防止氣缸伸出與翻轉(zhuǎn)機構(gòu)撞擊卡死的現(xiàn)象出現(xiàn)，在電磁鐵上安裝限位開關(guān)，控制氣缸的伸出位置，起到防止撞擊卡死保護機械結(jié)構(gòu)的目的.

（1）信號采集電路設(shè)計 PCI1010運動控制卡具有通用輸入端口，輸入端口為低電平有效.輸入的端口給定的信號為控制信號，需要將這些信號轉(zhuǎn)換成可以直接控制電磁閥、電磁鐵的電壓.根據(jù)圖4（a）所示.從圖4（a）可以看出，輸入信號的轉(zhuǎn)換是將外部的高低電壓信號，轉(zhuǎn)換為運動控制卡可以識別的信號.電路就可以使外部電壓信號轉(zhuǎn)換為運動控制卡可以接收的信號，該電路嚴格的分開了外部控制執(zhí)行部件的電路和信號控制電路，可以有效地達到排除信號干擾的目的.

電路的工作原理：當(dāng)外部傳感器（E3F－DS30C4）未被觸發(fā)的時候，引腳2處于高電平狀態(tài)，電路中P5為接線口，其中引腳1，3給傳感器供電，這樣光耦PC817中的引腳1，2就沒有電流流過，引腳3，4之間也沒有電流流過，5V的信號電壓通過限流電阻R20加載在運動控制卡的輸入端口上.運動控制卡的輸入端口為低電平有效，所以運動控制卡不執(zhí)行動作.

當(dāng)外部傳感器被觸發(fā)的時候，引腳2處于低電平狀態(tài)，這樣光耦中引腳1，2就有電流流過，引腳3，4之間也就有電流流過，R20的下端相當(dāng)于和地之間相連，Control5的信號為低電平.運動控制卡的輸入端口為低電平有效，基于此運動控制卡將采集到的信號傳遞到Lab VIEW程序中.

圖3 整體控制流程圖Fig.3 The whole control flow chart

（2）驅(qū)動控制電路設(shè)計 PCI1010運動控制卡具有通用輸出端口，輸出端口為低電平有效.輸出的信號為控制信號，需要將這些信號轉(zhuǎn)換成可以直接控制電磁閥、電磁鐵的電壓.實現(xiàn)該種輸出信號轉(zhuǎn)換的電路就是圖4（b）所示的電路.Control7接運動控制卡的輸出信號端口，運動控制卡的輸出端口初始狀態(tài)為高電平.

該電路就可以使運動控制卡的控制信號轉(zhuǎn)變?yōu)橥獠靠刂齐妷?，控制?zhí)行部件電磁鐵和電磁閥，該電路嚴格的分開了外部控制執(zhí)行部件的電路和信號控制電路，達到了降低或消除信號干擾、保護運動控制卡的目的.

圖4 控制電路圖Fig.4 Control circuit diagram

電路的工作原理：初始狀態(tài)的時候，由于運動控制卡給出高電平的時候，此時光耦PC817是處于關(guān)閉狀態(tài)，此時光耦3，4引腳處于斷開狀態(tài).這樣場效應(yīng)管Q1的柵極施加電壓為24V，此時漏極和源極處于導(dǎo)通狀態(tài)，場效應(yīng)管處于工作的狀態(tài)下，使得電磁繼電器K1的線圈就有電流流過，電磁繼電器處于接通狀態(tài).此時電磁閥和電磁鐵通電.

當(dāng)運動控制卡的輸出端口是低電平，所以光耦PC817是處于打開狀態(tài)，就是光耦的發(fā)光部分是處于工作的狀態(tài)下的，因此U7的右邊電路是導(dǎo)通的，相當(dāng)于場效應(yīng)管（RF3205）Q1的柵極直接接地，此時場效應(yīng)管處于不工作的狀態(tài)下，使得電磁繼電器K1的線圈就沒有電流流過，電磁繼電器處于打開狀態(tài).此時電磁閥和電磁鐵不通電.

2 Lab VIEW控制程序

2.1 軟件設(shè)計流程

考慮到翻轉(zhuǎn)機構(gòu)下線裝置在執(zhí)行下線功能時，因為生產(chǎn)線上的工件與機構(gòu)初始化的位置是相對確定的，所以將程序流程控制分為初始化和自動操作兩部分，同時為了解決在自動運行中出現(xiàn)故障的問題，添加了手動操作界面，可以手動控制系統(tǒng)的各個運動部分，通過手動控制可以實現(xiàn)自動操作之外的更多的依據(jù)現(xiàn)場需求的功能.針對于初始化界面所完成的任務(wù)；因為翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的型號多樣，針對于每一種型號以及生產(chǎn)線的檔位，運動機構(gòu)相對于生產(chǎn)線上翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的初始位置都有所不同，初始化可以實現(xiàn)針對于當(dāng)前的產(chǎn)品型號與生產(chǎn)線檔位機構(gòu)處于正確的位置，保證自動下線程序的準確運行.

2.2 自動操作

自動操作的原理為：Lab VIEW通過讀取傳感器信號來判斷自動下線裝置的位置信息，同時結(jié)合伺服電機的信息來確定下一步所要執(zhí)行的步驟.其中伺服電機和傳感器的信息獲取，都是通過Lab VIEW調(diào)用運動控制卡的DLL讀取狀態(tài)寄存器獲取狀態(tài)位的信息，包括電機的邏輯/實位計數(shù)器、電機的輸出脈沖、加速度信號、正負限位信號等，在獲取狀態(tài)位信息之后，進行邏輯判斷然后仍然通過調(diào)用DLL的方式發(fā)送指令控制電機、氣缸和電磁鐵的動作執(zhí)行.程序自動操作流程如圖5所示.

圖5 自動操作流程圖Fig.5 Automatical operation flow chart

2.3 狀態(tài)位獲取

為了最大程度的利用運動控制卡板卡資源，運動控制卡提供了狀態(tài)寄存器.可以通過調(diào)用Lab VIEW的庫函數(shù)，配置讀取運動控制卡的狀態(tài)寄存器信息，如PCI1010－GetRR0Status.PCI1010總共提供了RR0、RR1、RR2、RR3等4個狀態(tài)寄存器，對應(yīng)于運動控制卡的37個接口.圖7（a）利用狀態(tài)寄存器讀取電機的運動狀態(tài)，同時還可以配置庫函數(shù)PCI1010－ReadCV讀取當(dāng)前電機輸出脈沖速度等，將電機、傳感器、氣缸、電磁鐵等的工作狀態(tài)以及位置信息通過配置相應(yīng)的庫函數(shù)將其信息轉(zhuǎn)化為布爾或數(shù)字信號至Lab VIEW中保存，框圖中共獲取了11個狀態(tài)量.

2.4 程序狀態(tài)轉(zhuǎn)移

將Lab VIEW獲取的狀態(tài)位信息轉(zhuǎn)換為布爾變量，然后將這些布爾變量創(chuàng)建為有序的布爾數(shù)組.運用labview所提供的“布爾數(shù)組至數(shù)值轉(zhuǎn)換”函數(shù)，將這些布爾變量所構(gòu)成的布爾數(shù)組轉(zhuǎn)換為整形數(shù)值，然后再將數(shù)值鏈接至“條件結(jié)構(gòu)”.由每個數(shù)值對應(yīng)的布爾條件組合，在對應(yīng)的條件分支中執(zhí)行相應(yīng)的動作，從而完成邏輯的控制.圖6為狀態(tài)轉(zhuǎn)變圖，圖7為對應(yīng)的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)框圖.

圖6 程序狀態(tài)轉(zhuǎn)變圖Fig.6 Program state transition diagram

圖7 自動操作程序?qū)崿F(xiàn)框圖Fig.7 Automatic operation procedure block diagram

圖7（a）為通過讀取運動控制卡的狀態(tài)寄存器信息轉(zhuǎn)變?yōu)椴紶栕兞浚约霸诳刂平缑嬷性O(shè)置的布爾變量組成布爾數(shù)組，這些布爾變量包括了傳感器的感知與否、伺服電機是否運動、運動的方向、速度大小、氣缸的限位開關(guān)以及電機的限位信息等11個信號.將這些采集到的信號轉(zhuǎn)換為布爾數(shù)組，繼而再轉(zhuǎn)換為數(shù)值，通過這些數(shù)值作為條件結(jié)構(gòu)的控制量，在條件結(jié)構(gòu)中控制不同的動作執(zhí)行部件的運動.同時為了提高程序的可讀性，條件結(jié)構(gòu)中僅對于伺服電機進行控制，對于電磁鐵與電磁閥的控制需要另建一個條件分支結(jié)構(gòu).因為對于條件分支結(jié)構(gòu)的觸發(fā)變量均為由布爾數(shù)組所轉(zhuǎn)化的整型數(shù)值，通過圖7（b）中框圖區(qū)域4所示的設(shè)置一個“與”的邏輯操作，進行數(shù)字運算然后將狀態(tài)位信息轉(zhuǎn)換為二進制的“與或非”運算，最終實現(xiàn)將這兩個并行分支條件結(jié)構(gòu)的同步處理.圖7（b）所示的即為觸發(fā)“145”分支所要執(zhí)行的操作.“145“分支對應(yīng)的消息為，在電機正向運行時，傳感器2被觸發(fā)；需要執(zhí)行的的操作為提升氣缸（對應(yīng)框圖區(qū)域5），電機加速到程序設(shè)定的值（對應(yīng)框圖區(qū)域3）.圖7（b）區(qū)域1對應(yīng)的為對于自動下線系統(tǒng)檔位調(diào)節(jié)模塊的控制實現(xiàn)，區(qū)域2為對于緊急停止等危險情況處理實現(xiàn).在程序中為了保證連續(xù)運行，如圖7（a）所示“自動操作”是在一個“While”循環(huán)中進行的，所以在進行運動控制時，對于動作執(zhí)行部件的變量設(shè)置，都添加了移位器存器確?！皐hile”循環(huán)執(zhí)行之后，所有變量初始化，能夠正確進行下一次的自動下線操作.

2.5 程序界面

程序的操作界面分為3部分，對應(yīng)于程序的初始化、自動操作和手動操作的功能實現(xiàn).其中自動操作為程序的主要工作界面，負責(zé)將翻轉(zhuǎn)機構(gòu)總成從生產(chǎn)線上自動取下來的任務(wù).自動操作界面如圖8所示，主要由5部分組成：電機、傳感器工作狀態(tài)顯示部分，檔位型號選擇部分，電機調(diào)節(jié)顯示部分，故障處理部分（氣缸、電磁鐵、電機控制部分）和運行、緊急停止、程序結(jié)束按鈕控制部分.通過設(shè)置檔位和型號參數(shù)，點擊運行即可運行自動下線程序，出現(xiàn)故障時可以通過設(shè)置的物理按鈕急停，然后程序界面中操作相應(yīng)的機構(gòu)進行故障處理，排除之后即可繼續(xù)執(zhí)行自動操作.程序操作界面簡潔，操作簡單.

圖8 自動操作界面Fig.8 Automatic operation interface

3 結(jié)束語

通過對于卡車翻轉(zhuǎn)機構(gòu)生產(chǎn)線生產(chǎn)現(xiàn)狀及需求的分析，提出基于運動控制卡的新型翻轉(zhuǎn)機構(gòu)自動下線系統(tǒng)開發(fā)方法，系統(tǒng)控制采用模塊化開發(fā)方式，實現(xiàn)了對于多種產(chǎn)品型號、多檔位等的自動下線需求.系統(tǒng)硬件控制電路包括伺服電機、電磁鐵與電磁閥等的控制，通過采用光耦、屏蔽雙絞線等元器件進行的電路設(shè)計使得系統(tǒng)更加的穩(wěn)定可靠.同時，Lab VIEW模塊化程序的編制，實現(xiàn)了自動下線的需求，若進一步地將程序模塊整合可對下線系統(tǒng)的自動化水平再一次的提高.

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