多種直線運動規(guī)律實驗模擬及特性檢測平臺

羅 浩，胡旭東，彭來湖，張少民

(1.浙江理工大學 機械與自動控制學院，浙江 杭州 310018; 2.海寧紡織機械有限公司，浙江 嘉興 314400)

多種直線運動規(guī)律實驗模擬及特性檢測平臺

羅 浩1，胡旭東1，彭來湖1，張少民2

(1.浙江理工大學 機械與自動控制學院，浙江 杭州 310018; 2.海寧紡織機械有限公司，浙江 嘉興 314400)

主要介紹一款多種直線運動規(guī)律實驗模擬及特性檢測平臺的開發(fā)和應用.檢測平臺的下位機采用三菱FX3G系列PLC，對執(zhí)行元件實現(xiàn)精準控制；上位機采用普通計算機，實現(xiàn)檢測和監(jiān)控.通過控制電機模擬直線運動，實時檢測運動的位移、速度和加速度等參數(shù)，分析不同直線運動規(guī)律下的運動特性.測試實驗達到了模擬測量運動學參數(shù)的目的.

可編程控制器；直線運動；檢測平臺

隨著電機驅動技術和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，把直線運動規(guī)律應用到實際工程中已成為控制領域研究的重要課題[1].以直線運動單元為核心的自動化機械設備已被廣泛地應用于現(xiàn)代工業(yè)領域，國內外許多自動化設備都采用電機作為驅動元件，來實現(xiàn)形式多樣的直線運動，如紡織機械、輕工機械、冶金機械、醫(yī)療機械、機器人、3D打印機等[2-3].

目前，電機轉動到直線移動的轉換廣泛采用滾珠絲杠.它具有精度高、效率高和可逆性好等特點，不但可以將旋轉的運動轉化為往返線性的直線運動，而且滾珠絲杠的機械效率可達到95%以上，能夠對工件實現(xiàn)精準控制[4-5].因此可以認為，滾珠絲杠為直線運動的發(fā)展奠定了堅實的基礎.然而到目前為止，國內外還沒有一款基于直線運動規(guī)律的測試平臺.因此，開發(fā)這類平臺對直線運動教學和運動學參數(shù)測量具有巨大的現(xiàn)實意義和工程價值[6].

本文研究的多種直線運動規(guī)律實驗模擬和特性檢測平臺以直線運動單元為控制對象，用PLC驅動電機轉動，帶動滾珠絲杠上的移動滑塊工作，從而模擬具有不同運動規(guī)律的直線運動，通過位移傳感器實時測量直線運動的位移、速度和加速度等參數(shù)，用上位機的軟件進行檢測分析，并呈現(xiàn)特性分析結果.

1 平臺的總體設計

多種直線運動規(guī)律實驗模擬及特性檢測平臺主要由FX3G系列PLC、步進電機及其驅動器、接近開關、光柵位移傳感器、計算機系統(tǒng)、實驗臺機座和各類低壓電器等組成(圖1).圖2所示為直線運動單元結構.它作為實驗的主要控制對象，包括步進電機、聯(lián)軸器、精密滾珠絲杠、直線導軌滑臺、接近開關和光柵位移傳感器等.

圖1 多種直線運動規(guī)律實驗模擬及特性檢測平臺結構

圖2 直線運動單元結構

平臺的下位機以PLC作為核心的控制單元.平臺上位機的人機交互界面是用QT(Qt Creator)軟件開發(fā)的.該平臺的設計嚴格執(zhí)行行業(yè)標準和國家標準，各模塊的獨立性較好，達到了平臺的智能化測試要求.它具有以下特點：①安全性好；②可靠性強,抗干擾能力強，對溫度、濕度和周圍環(huán)境要求較低；③其人機交互界面簡潔易懂且操作方便，很大程度上減少了操作者工作量；④由于平臺的軟硬件布局和結構合理，其設計遵循實用簡單的原則，因此平臺故障很容易被排除，不僅方便了維護，而且降低了大量的人員派遣費用.

2 平臺工作原理

平臺直線運動單元的控制連接如圖3所示.該單元通過編程控制步進電機及精密滾珠絲杠，精密滾珠絲杠上的移動滑塊按照控制要求做往返運動；并且可自動監(jiān)控移動滑塊的運動規(guī)律，顯示和輸出特征參數(shù)，繪制實時動態(tài)曲線.這些特征參數(shù)包括移動滑塊的實時位移、速度和加速度等.

圖3 直線運動單元的控制連接圖

圖4所示為平臺控制的組成框圖.用于平臺上位機人機交互界面開發(fā)的QT軟件具有C++圖形界面程序的開發(fā)框架，功能強大，跨平臺性好，而且整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)通信方便，支持232、422和485通信.PLC的通信模式有很多，但只要按照擬定的通信協(xié)議正確編寫程序，再通過USB-RS422電纜鏈接PLC，就可通過軟件編程實現(xiàn)串口通信，讀寫PLC中數(shù)據(jù)寄存器的內容，在人機交互界面上顯示實時監(jiān)控的信息.

圖4 平臺控制的組成框圖

平臺控制測量過程包括：通過PLC編程控制步進電機的轉動速度和方向，實現(xiàn)移動滑塊在直線軌道上按照一定規(guī)律做直線往復運動；同時光柵位移傳感器將移動滑臺位移對應的數(shù)字脈沖量輸入PLC計數(shù)器端口，并存儲在PLC的寄存器內；在人機交互界面讀取寄存器內數(shù)據(jù)，便可以獲取移動滑臺位移值si；定義一個固定時間t，計算t時間內讀取的脈沖數(shù)，得到對應速度值vi；對vi在某固定時間內微分，得到加速度值ai；通過獲取的數(shù)據(jù)分析移動滑塊的運動規(guī)律，在界面上顯示采集到的實時數(shù)據(jù)，并通過曲線擬合輸出動態(tài)的特性曲線.

3 PLC控制和檢測流程

本平臺選擇的FX3GA-40MT芯片屬于日本三菱公司第三代PLC產(chǎn)品，價格相對低廉，但可以搭建步進等小型定位控制平臺.PLC的編程簡單，通?？刹捎锰菪螆D方式編寫程序[7].

3.1移動滑塊回零點控制和檢測

為了實現(xiàn)步進電機速度和方向的精準控制，需要制定移動滑塊回零點控制和檢測的流程(圖5).移動滑塊回零點相關程序包括移動滑塊復位程序、控制電機轉動程序和零點信號檢測程序.

圖5 移動滑塊回零點控制和檢測的流程

3.2直線運動單元信號檢測

圖6所示為直線運動單元信號檢測的流程.直線運動單元的接近開關在平臺中主要功能有兩個：①作為直線運動平臺零點信號的感應元件；②作為運動平臺行程限位信號的感應元件，即起行程保護的作用.

圖6 直線運動單元信號檢測的流程

3.3位移、速度和加速度測量

圖7所示為位移、速度和加速度測量的流程.平臺利用光柵尺測量移動滑塊實時的位移，PLC接收光柵尺發(fā)出的脈沖信號并存儲在數(shù)據(jù)寄存器內.對位移量數(shù)據(jù)進行處理，可獲取位移與時間的關系，得到實時的速度值和實時的加速度值.

圖7 位移、速度和加速度測量的流程

4 測試軟件開發(fā)與人機交互界面設計

為了方便觀察、控制和操作，整個上位機平臺軟件的設計以QT作為載體.測試軟件開發(fā)的整體構架如圖8所示.運用QT開發(fā)人機交互界面，用戶可以直接對軟件界面進行操作.界面數(shù)據(jù)從PLC單元讀入，曲線圖通過數(shù)據(jù)擬合而成.QT程序主要包括界面美觀設計、通訊設置、串口配置、上位機讀寫操作、實時數(shù)據(jù)顯示、動態(tài)曲線繪制、曲線的擬合、數(shù)據(jù)的保存和打印、歷史數(shù)據(jù)存儲等內容[8].

圖8 測試軟件開發(fā)的整體構架

4.1PC機與PLC的通信程序

PC機與PLC的通信符合專有的通信協(xié)議.正確設置這兩者的波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶數(shù)校驗和停止位等參數(shù)，把它們的通信格式設置一致，就能實現(xiàn)PC機與PLC的通信.根據(jù)要求，用QT編寫的串口配置部分代碼如下：

mySerialPort->setBaudRate(QSerialPort::Baud9600);//波特率為9 600

mySerialPort->setDataBits(QSerialPort::Data7); //設置數(shù)據(jù)位為7

mySerialPort->setParity(QSerialPort::EvenParity); //奇偶數(shù)校驗為偶校驗

mySerialPort->setStopBits(QSerialPort::OneStop);//停止位為1

4.2上位機的讀寫操作程序

在PLC程序中規(guī)定數(shù)據(jù)寄存器的存放內容，如：D30存放步進電機驅動器的脈沖頻率；數(shù)據(jù)寄存器雙字節(jié)D6存放位移值；數(shù)據(jù)寄存器D8存放速度值；數(shù)據(jù)寄存器D9存放加速度值.編寫程序時遵循專有協(xié)議，就可以順利讀寫PLC數(shù)據(jù)寄存器內的數(shù)據(jù).根據(jù)要求，用QT編寫的讀取串口數(shù)據(jù)部分代碼如下：

temp.append(0x02);

temp.append(0x30);

temp.append(0x31);

temp.append(0x30);

temp.append(0x30);

temp.append(0x43);

temp.append(0x30);

temp.append(0x38);

temp.append(0x03); //串口請求讀取PLC寄存器數(shù)據(jù)D6、D7、D8和D9的內容

byte check = AndCheck(temp,1,temp.length());//計算和校驗碼

temp.append(IntToASCII(check>>4)); //寫入和校驗碼低四位并轉換成ASCII碼

temp.append(IntToASCII(check&0x0f)); //寫入和校驗碼高四位并轉換成ASCII碼

4.3人機交互界面設計

平臺的人機交互界面主要包括菜單欄、位移區(qū)、速度區(qū)、加速度區(qū)、顯示區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)和配置區(qū)(圖9).

圖9 平臺的人機交互界面

人機交互界面的功能模塊主要包括通信及數(shù)據(jù)采集模塊、樣式模塊和繪圖模塊(圖10).QT軟件封裝了大量用于繪制界面的類，通過 QT的信號和槽機制，可實現(xiàn)功能擴展，完成用戶界面設計.

圖10 人機交互界面的功能模塊

5 平臺的測試分析

該平臺總體設計科學合理，能進行8種常見運動規(guī)律的模擬實驗和特征檢測，還可以進行自定義運動檢測.軟件界面配置區(qū)實驗類型中包括等速運動規(guī)律、等加速等減速運動規(guī)律、3-4-5多項式運動規(guī)律、余弦運動規(guī)律、正弦運動規(guī)律、改進等速運動規(guī)律、改進正弦運動規(guī)律、改進梯形運動規(guī)律和自定義運動規(guī)律等選項(圖11).對于不同的測試實驗，只需對實驗類型中下拉框的實驗項進行選擇即可.

圖11 平臺中實驗類型的選項

圖12所示為平臺測試的流程.在實驗臺斷電狀態(tài)正確安裝平臺各機構，檢查機構安裝、通訊口和控制線連接，在安全可靠的狀態(tài)下給平臺通電并打開軟件界面，進入測試內容的主界面；設置正確的串口通信，使下位機與上位機通信正常，按下“復位”按鈕，讓工件滑塊移動到零點位置；在主界面上選擇實驗類型，按下“啟動電機”按鈕，步進電機按照軟件設置要求，通過精密滾珠絲杠帶動工件滑塊按選中的實驗類型在直線導軌上做慢速往復直線運動.與此同時，計算機通過PLC間接獲取光柵位移傳感器數(shù)據(jù)，軟件在測試過程中進行數(shù)據(jù)采樣，獲得移動滑塊的位移、速度和加速度數(shù)據(jù)，在界面上顯示這些數(shù)據(jù)(實時的位移、速度和加速度，以及它們對應的最大值)，并輸出動態(tài)的位移、速度和加速度曲線.改進正弦運動規(guī)律的實驗模擬如圖13所示.

圖12 平臺測試的流程

6 結束語

在多種直線運動規(guī)律實驗模擬及特性檢測平臺開發(fā)中，通過下位機PLC的程序設計，控制步進電機的速度和方向，把電機的旋轉運動轉化為移動滑塊的往返線性運動，并且在上位機PC機的軟件界面上完成控制操作、實時監(jiān)控和智能分析等任務.

該平臺能夠測試8種常見的運動規(guī)律，還能對自定義運動規(guī)律進行測試，不但豐富了直線運動規(guī)律種類，而且具有很高的擴展研究價值.該平臺的實驗對教學具有很好的示范效果，在實際工程中也具有應用價值.目前，已獲得了一定數(shù)量的平臺訂單，準備批量化生產(chǎn).但該平臺還需要進一步優(yōu)化，使其測試的范圍不斷擴大.

[1] 錢永明. 非對稱直線-余弦-直線運動規(guī)律及其在經(jīng)編機中的應用[J]. 紡織學報，2015，36(12):135-139.

[2] 薛瑞彬，蘇 中，張夏麗，等. 蛇形機器人直線運動的研究[J]. 北京信息科技大學學報，2011，26(5):65-69.

[3] 趙玉信. 基于直線運動單元的直角坐標機器人系統(tǒng)的研究[D]. 濟南:齊魯工業(yè)大學,2014:10-14.

[4] 王 飛，張 叢.高頻響一維直線電機運動平臺的研究與開發(fā)[J]. 機床與液壓，2017,45(10):57-59，14.

[5] 吳吉平，賀 兵，胡威林. 直線運動機構軌跡可靠性靈敏度分析[J]. 機械傳動，2016,40(6):140-143.

[6] 趙玉信，沈敏德.直線運動單元技術的應用研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J]. 山東輕工業(yè)學院學報，2013,27(4):54-58.

[7] 弭洪濤. PLC應用技術[M]. 2版. 北京:中國電力出版社,2004.

[8] 吳 迪. 零基礎學Qt4編程[M]. 5版. 北京:北京航空航天大學出版社,2010.

ExperimentalSimulationandCharacteristicDetectionPlatformforManyLinearMotionLaws

LUO Hao1,HU Xu-dong1,PENG Lai-hu1,ZHANG Shao-min2

(1.School of Mechanical Engineering and Automation,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018,China;2. Haining Textile Machinery Co.,Ltd.,Jiaxing 314400,China)

This paper mainly introduces the experimental simulation of various linear motion laws and the development and application of characteristic detection platform. The lower compute platform adopts MITSUBISHI FX3G series PLC to achieve precise control of actuators,the upper computer adopts the common computer to realize the detecting and monitoring of the whole process. Linear motion characteristics are obtained under different linear motion laws. The test results reach the purpose of simulative measuring kinematic parameters.

programmable logic controller; rectilinear motion; detection platform

2017-08-26

國家自然科學聯(lián)合基金重點資助項目(U1609205)

羅 浩(1989-)，男，湖南邵東人，碩士研究生，研究方向為工業(yè)自動控制.

1006-3269(2017)03-0018-06

TP23

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2017.03.005