平板檢測系統(tǒng)直線電機運動平穩(wěn)性研究

劉美津，黨學(xué)明，李 洋

（合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，合肥 230009）

平板檢測系統(tǒng)直線電機運動平穩(wěn)性研究

劉美津，黨學(xué)明，李 洋

（合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，合肥 230009）

當(dāng)前平板顯示技術(shù)與器件處于飛速發(fā)展階段，平板顯示屏的良率更是人們所關(guān)注的重點，保證平板顯示屏檢測過程中掃描的精準性至關(guān)重要。交待了平板顯示屏自動光學(xué)檢測系統(tǒng)中雙直線電機運動速度平穩(wěn)的重要性。給出了基于PLC的速度平穩(wěn)性測試系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。探討利用光柵搭建實時閉環(huán)控制系統(tǒng)，并在速度平穩(wěn)性測試平臺中對兩主軸分別在SVB與SVR運動模塊控制下進行測試實驗，測試結(jié)果表明，使用SVR進行電機運動控制平穩(wěn)性更佳。

平板顯示屏自動光學(xué)檢測系統(tǒng)；直線電動機；速度平穩(wěn)性；光柵尺；SVB；SVR

0 引言

如今自動控制技術(shù)高速發(fā)展，加之與微型計算機技術(shù)的配合日益完善，定位精度成為評判自動控制系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標[1]。傳統(tǒng)的直線運動驅(qū)動裝置已遠不能滿足現(xiàn)代控制系統(tǒng)的要求，隨著自控技術(shù)對定位精度的要求越來越高，直線電機的應(yīng)用日益廣泛[2]。

平板顯示屏自動光學(xué)檢測系統(tǒng)正是通過兩臺直線電機拖動的方式實現(xiàn)對液晶屏板的掃描檢測及缺陷分析。該檢測系統(tǒng)通過對平板玻璃或者液晶陣列的上下料、抓取、拖動、定位、掃描成像等一系列運動控制得到平板的高分辨率圖像，通過圖像處理系統(tǒng)進行良次品分類。其中電機拖動平板通過掃描區(qū)這一運動過程與檢測結(jié)果密切相關(guān)，電機運動速度的穩(wěn)定性會對成像結(jié)果造成巨大的影響，電機運動速度不均勻會導(dǎo)致缺陷的漏檢或成像失敗，所以平板檢測過程中兩臺主軸直線電機運動速度的平穩(wěn)性和可靠性是重要內(nèi)容[3]。為了得到準確清晰的掃描圖像，必須保證直線電機在到達掃描區(qū)之前已經(jīng)達到勻速運行狀態(tài)，且勻速過程中的速度波動性最小。為了達到這一目標，本文用系統(tǒng)運動控制器中內(nèi)置的兩種不同運動控制模塊（SVB和SVR）控制兩直線電機運行，通過對兩種不同的運動控制模式分別編程，比較在掃描過程中測得的速度數(shù)據(jù)并予以處理、分析，最終得出電機控制的最佳方法。

1 速度平穩(wěn)性測試系統(tǒng)的實現(xiàn)

1.1 測試平臺的構(gòu)建

圖1為研究所用的速度平穩(wěn)性測試系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)示意圖，圖中直線軸A1、B1配有直線無芯型伺服電機，其初級（動子）安裝在拖動液晶屏的滑塊上，次級（定子）固定在縱向?qū)к壍鬃?，使得該測試系統(tǒng)實現(xiàn)縱向進給[4]。光柵尺位移傳感器的讀數(shù)頭也被安裝在導(dǎo)軌滑塊上，其標尺光柵則安裝在導(dǎo)軌旁的機械臺內(nèi)壁，與伺服電機、比較線路、伺服放大線路等形成閉環(huán)伺服系統(tǒng)。此外，左右滑塊均裝有電磁閥和吸盤，主要對被測平板起夾持和固定作用。

圖1 速度平穩(wěn)性測試系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)示意圖

速度平穩(wěn)性測試系統(tǒng)的運動控制功能框圖如圖2所示，系統(tǒng)的進給功能由運動控制器MP2300S實現(xiàn)，通過MECHATROLINK-Ⅱ總線實現(xiàn)兩軸連動實時同步控制，同時控制兩臺直線電機的往復(fù)進給運動。同時，MP2300S經(jīng)由路由器與上位機PC連接，實現(xiàn)信息交互與實時通訊。位置檢測系統(tǒng)采用光柵尺，對電機的速度及位置進行實時反饋。氣動系統(tǒng)由若干對平板起固定支撐作用的電磁閥及吸盤組成，通過對IO2310中的I/O口置復(fù)位控制[5]。

圖2 速度平穩(wěn)性測試系統(tǒng)的運動控制功能框圖

1.2 測試系統(tǒng)的運動控制模塊

SVB是一種利用MECHATROLINK對應(yīng)接口來控制伺服單元、步進電機驅(qū)動器、變頻器或分散I/O設(shè)備等產(chǎn)品的運動模塊。由于支持MECHATROLINK-Ⅱ，因此可進行位置、速度、轉(zhuǎn)矩和相位控制，并實現(xiàn)高精度的同步控制，是MP2300S內(nèi)置的標準運動模塊。它的每個模塊最多可連接21個從站（伺服最多可控制16軸），可利用自動配置功能，對連接于MECHATROLINK的從站設(shè)備進行自動分配，并通過網(wǎng)絡(luò)對伺服單元的參數(shù)進行管理。使用MECHATROLINK-Ⅱ時，可將MP2300S內(nèi)置SVB作為從站進行使用。

SVR又稱虛擬運動模塊，是一種提供無需與電機實際連接的虛擬軸接口的軟件模塊，為MP2300S的標準配置。它具有與內(nèi)置SVB相同結(jié)構(gòu)的固定參數(shù)、設(shè)定參數(shù)和監(jiān)視參數(shù)，可控制多達16軸的虛擬軸。SVR大致可用于以下兩種用途：

1）程序的測試：無需實際安裝電機，即可簡便地獲得結(jié)果。

2）指令的生成：當(dāng)需要只用于生成指令的運動模塊時（如：相位控制的主軸或多軸同步控制等），只需使用SVR，即可節(jié)約實軸的運動模塊[6]。

圖3為SVB、SVR作為運動控制模塊的系統(tǒng)構(gòu)成圖。

1.3 雙直線電機往復(fù)功能的實現(xiàn)

圖3 運動控制模塊的系統(tǒng)構(gòu)成圖

系統(tǒng)測試前需先對整個系統(tǒng)進行自動配置，使得所有硬件設(shè)備都反映在軟件中，并在軟件中對通訊模塊、運動模塊、I/O模塊的參數(shù)進行必要設(shè)置。修改PC的IP地址，使得其與MP2300S處于同一局域網(wǎng)，通過軟件連接運動控制器，在軟件定義模塊中對SVB、SVR等進行參數(shù)設(shè)置。其中各實軸的線路編號均為1，A1軸編號為2，運動寄存器編號為8080-80FF；B1軸編號為3，運動寄存器編號為8100-817F；SVR線路編號為2，軸編號為1，運動寄存器編號為8800-887F。

步驟一：運動固定參數(shù)設(shè)置

固定參數(shù)主要包括運動功能設(shè)定、伺服驅(qū)動器設(shè)定、編碼器設(shè)定的等相關(guān)參數(shù)，SVB與SVR設(shè)置相同。

步驟二：運動設(shè)定參數(shù)設(shè)置

設(shè)定參數(shù)主要包括運動運行設(shè)定、轉(zhuǎn)矩指令、速度指令、位置指令、加減速濾波器、原點復(fù)歸的等相關(guān)參數(shù)[6]。

2 測試原理及測試方法

2.1 速度采集原理

測試所使用的光柵為透射光柵，RGH22B為光柵尺的讀數(shù)頭，由光源、透鏡、指示光柵、光電元件以及驅(qū)動電路組成。

當(dāng)紅外發(fā)光二級管發(fā)出的光以一定角度照射到RGS20柵尺的刻劃面上，直接反射到透明的指示光柵上并透射過去，就在讀數(shù)頭的光電探測器平面上產(chǎn)生了正弦干涉條紋。

RGH中的光電器件能實現(xiàn)莫爾條紋的電子細分與判向功能。將光敏器件獲得的光電信號送到差分放大器輸入端，將從差分放大器輸出的信號進行整形成1:1的方波。對方波的相位進行比較，對方波脈沖進行計數(shù)，即可獲得光柵尺的移動方向，也可在軟件中計算出光柵尺的速度和位移。

2.2 測試具體的過程

平板掃描過程中兩直線電機由靜止狀態(tài)加速到勻速狀態(tài)，勻速經(jīng)過掃描區(qū)后再減速停止。系統(tǒng)利用光柵搭建實時閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過輸出脈沖數(shù)，脈沖寬度和周期便能在軟件中計算出電機當(dāng)前運行速度，并進行實時監(jiān)控及反饋。使用SVB運動控制模塊控制電機的測試具體過程如下：

1）檢查設(shè)備、電路完好，開啟電源。

2）系統(tǒng)進行自動配置。

3）對SVB進行模塊構(gòu)成定義，并保存到flash。

4）導(dǎo)入編寫好的SVB測試程序控制直線電機運行，采集測試數(shù)據(jù)。

5）輸出數(shù)據(jù)，保存測試結(jié)果。

6）將650mm×550mm的液晶屏板放到兩直線電機上夾持固定。

7）再次運行測試程序，采集測試數(shù)據(jù)。

8）輸出數(shù)據(jù)，保存結(jié)果。

使用SVR運動控制模塊控制電機需對SVR進行模塊構(gòu)成定義，導(dǎo)入SVR程序，其余測試步驟與SVB測試步驟基本相同。

3 測試及數(shù)據(jù)處理

3.1 初始化

1）檢測電壓、氣壓是否達到標準。

2）清空與運動軸相關(guān)的運動參數(shù)、監(jiān)視參數(shù)。

3）清空所用寄存器。

3.2 回原點

原點為電機定位的參照起點，機械坐標為0。執(zhí)行原點復(fù)歸（ZRET）后，軸返回機械坐標系的原點。原點復(fù)歸方式有17種之多，本文選用一種較簡單的方式：C 相脈沖回原點。

SVR中的原點復(fù)歸，在執(zhí)行機械坐標系的初始化后，即被設(shè)置為原點復(fù)歸完成狀態(tài)并不執(zhí)行原點復(fù)歸動作。所以通過SVR測試電機運行平穩(wěn)行的試驗中，回原點方式與SVB相同。

3.3 測試及數(shù)據(jù)分析

運動程序MPM001由MESS指令調(diào)用，通過相對應(yīng)的任務(wù)管理寄存器控制其開始、暫停、停止、警報復(fù)位等。兩軸定位命令的編程采用絕對值（ABS）模式，設(shè)定移動目標的坐標即可完成定位。本實驗中兩軸運動行程為1.735m，由平臺的分辨率10um，相機的行頻36.5898kHz，可得掃描的時恒速度為V=36589.8×10um=0.365898m/s，加速時間為0.547s。

實驗一：無負載情況下SVB控制與SVR控制對電機速度平穩(wěn)性的影響

對主軸A1、B1編程，使其在運動行程為1.735m范圍內(nèi)，以0.365898m/s的速度進行4次往復(fù)進給。每次進給以10ms為采樣間隔采取電機勻速運動過程中的時恒速度樣本共400個。對4組樣本進行標準差誤差處理,保存數(shù)據(jù)。對SVR編程，使其在運動行程為1.735m范圍內(nèi)，以0.365898m/s的速度進行往復(fù)進給共4次。每次進給以10ms為采樣間隔采取電機勻速運動過程中的時恒速度樣本共400個。與SVB原理不同，SVR將記錄的虛擬位移實時映射到A1、B1的機械坐標系反饋位置參數(shù)上，實現(xiàn)主軸運行。對4組樣本進行標準差誤差處理并保存數(shù)據(jù)。以A1軸為例，所得數(shù)據(jù)如表1所示。

實驗二：帶負載情況下SVB控制與SVR控制對電機速度平穩(wěn)性的影響

實驗一完成后，將準備好的250×650的液晶屏板放在電機上夾持固定，導(dǎo)入SVB控制程序使電機在運動行程為1.735m范圍內(nèi)，以0.365898m/s的速度進行往復(fù)進給共4次。每次進給以10ms為采樣間隔采取電機勻速運動過程中的時恒速度樣本共400個。對4組樣本進行標準差誤差處理并保存數(shù)據(jù)。導(dǎo)入SVR控制程序使電機在運動行程為1.735m范圍內(nèi)，以0.365898m/s的速度進行往復(fù)進給共4次。每次進給以10ms為采樣間隔采取電機勻速運動過程中的時恒速度樣本共400個。對4組樣本進行比標準差誤差處理，并保存數(shù)據(jù)。以A1軸為例，所得數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 無負載情況下SVB、SVR兩種不同控制方法所得速度標準差對比

表2 帶負載情況下SVB、SVR兩種不同控制方法所得速度標準差對比

由表1、表2可知，有無負載對SVB及SVR控制的電機運動平穩(wěn)性影響較小，且對SVR控制的電機運動平穩(wěn)性幾乎無影響。經(jīng)過反復(fù)測量結(jié)果顯示直線軸的速度波動相差不大，平穩(wěn)性相當(dāng)。表1、表2中第一欄數(shù)據(jù)為4次往復(fù)運動中電機正方向運行速度所得標準差，第二欄數(shù)據(jù)為4次往復(fù)運動中電機反方向運行速度所得標準差，數(shù)值越大，波動性越大。兩表分別進行橫向?qū)Ρ龋傻贸鲭姍C正方向運行時平穩(wěn)性高于反方向運行時電機平穩(wěn)性。

圖4 SVB控制下電機正向運行時的運行軌跡

圖5 SVB控制下電機反向運行時的運行軌跡

圖6 SVR控制下電機正向運行時的運行軌跡

圖4、圖5均為SVB控制下A1軸電機運行軌跡。圖4為電機正向運行時的運行軌跡，圖中電機勻速運行前1/3階段速度稍有波動，圖5為電機反向運行的運動軌跡，電機在勻速運行后1/3階段速度有明顯波動?？梢婋姍C往返運行在同一位置出現(xiàn)速度波動，極有可能為運行導(dǎo)軌不平所致。而反向運行過程中速度波動較大的原因為電機減速接近停止狀態(tài)時的電機自控制。圖6為SVR控制下A1軸電機運行軌跡。軟件內(nèi)部映射關(guān)系十分復(fù)雜，導(dǎo)致電機速度接近勻速時產(chǎn)生自控制反映，趨近于勻速速度時間較慢，如圖6所示。

4 結(jié)論

1）有無負載對SVB及SVR控制的電機運動平穩(wěn)性影響較小，且對SVR控制的電機運動平穩(wěn)性影響相對更小。

2）系統(tǒng)誤差對測量結(jié)果造成很大影響，且對SVB控制的電機運動平穩(wěn)性影響較大，對SVR控制的電機運動平穩(wěn)性影響較小。

3）相等條件下SVR控制的電機運動平穩(wěn)性更好。

綜上所述，相比于SVB，使用SVR進行電機的運動控制更佳。但SVR的控制原理為內(nèi)部映射，具體映射方式不得而知，所以這種方法有一定風(fēng)險。

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Research on the operation smoothness of linear motor in AOI

LIU Mei-jin, DANG Xue-ming, LI Yang

TP273+.1;TP276

：A

1009-0134(2017)03-0077-04

2017-01-07

平板顯示屏自動光學(xué)檢測儀器的開發(fā)和應(yīng)用（2013YQ220749）

劉美津（1991 -），女，天津人，碩士研究生，研究方向為在線檢測與儀器智能化。