基于控制卡的絎縫機(jī)主從電機(jī)同步實(shí)現(xiàn)

晏春雨

[摘? ? 要]新型絎縫機(jī)針?biāo)蟛捎盟欧姍C(jī)同步運(yùn)行是必然趨勢，并且已經(jīng)在市場中被應(yīng)用。本文基于研為運(yùn)動(dòng)控制卡提出并實(shí)現(xiàn)了一種絎縫機(jī)針?biāo)箅姍C(jī)主從同步運(yùn)行方案。并且在此硬件基礎(chǔ)上開發(fā)了上位機(jī)軟件。通過對(duì)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的測試驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了同步運(yùn)行幾個(gè)參數(shù)的探討性研究。最后通過實(shí)際絎縫測試驗(yàn)證了參數(shù)設(shè)置的合理性以及該方案的可靠性。

[關(guān)鍵詞]iMC404E;運(yùn)動(dòng)控制卡;主從同步;同步參數(shù)

[中圖分類號(hào)]TS941.5 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）03–0–03

[Abstract]It is an inevitable trend that the needle shuttle of new quilting machine runs synchronously with servo motor and has been applied in the market. Based on the function of motion control card， this paper proposes and realizes a master-slave synchronous operation scheme of quilting machine needle shuttle motor. On the basis of this hardware， the upper computer software is developed. Through the test and verification of the actual running state， the exploratory research on several parameters of synchronous operation is realized. Finally， the rationality of parameter setting and the reliability of the scheme are verified by actual quilting test.

[Keywords]iMC404E; motion control card;? master-slave synchronization; parameter of? synchronization

1 概述

絎縫機(jī)主軸分為上機(jī)頭與下機(jī)座，上機(jī)針往復(fù)運(yùn)動(dòng)與機(jī)座旋梭高速旋轉(zhuǎn)需要嚴(yán)格的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系才能保證絎縫勾線精度以及較低的斷線率。傳統(tǒng)絎縫機(jī)通過一個(gè)異步電機(jī)帶動(dòng)復(fù)雜花鍵軸機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)硬連接，上位機(jī)通過RS485串口控制變頻器，其優(yōu)點(diǎn)是同步剛性優(yōu)異。有噪音大、精度保持性差、最高轉(zhuǎn)速低、絎縫效率低等缺點(diǎn)。以前在電氣上不容易實(shí)現(xiàn)軟同步，這也是不得已而為之的方案?，F(xiàn)在伺服電機(jī)各種硬件板卡性能的提升讓兩個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)無硬連接的軟同步成為主流方案。

基于伺服電機(jī)高可控性的基礎(chǔ)，電氣同步具有高速高效、靜音、精度保持性好以及傳動(dòng)鏈極簡諸多優(yōu)點(diǎn)使其淘汰機(jī)械式同步成為必然。絎縫機(jī)針?biāo)笸竭\(yùn)行的本質(zhì)是兩電機(jī)轉(zhuǎn)速和相對(duì)位置一致，理想狀態(tài)下兩電機(jī)相對(duì)位置完全一致就能保證機(jī)針和旋梭相對(duì)位置一致從而保證勾線穩(wěn)定性。如果偏差過大則會(huì)導(dǎo)致勾線不成功跳線以及浮線。實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)同步運(yùn)行的控制方式分類很多，對(duì)于絎縫機(jī)這一類經(jīng)濟(jì)型系統(tǒng)常見以下三種方案：總線式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、控制卡實(shí)現(xiàn)、伺服驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

本文基于研為4軸以太網(wǎng)接口iMC4xxE/A系列運(yùn)動(dòng)控制卡，實(shí)現(xiàn)通用伺服驅(qū)動(dòng)的同步運(yùn)行。并且基于實(shí)際測試斷線率以及相關(guān)報(bào)警，確定了比較合理的同步參數(shù)閾值。并且最終在絎縫機(jī)上實(shí)際驗(yàn)證了該方案的可行性與可靠性。

2 系統(tǒng)控制配置與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與基本電路

上述提到的三種伺服電機(jī)同步方式，總線式同步采用CAN、profibus或者工業(yè)以太網(wǎng)等總線通信方式，由于通信速率高硬件功能強(qiáng)大，這種方式能達(dá)到很高的同步運(yùn)行精度，不過相對(duì)成本也比較高;控制卡同步和伺服驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)同步以上位機(jī)脈沖方式控制驅(qū)動(dòng)，其中伺服驅(qū)動(dòng)同步只需要上位控制器（或控制卡）一個(gè)軸通道就可以實(shí)現(xiàn)，由于沒有位置反饋給上位機(jī)，同步精度難以保證與監(jiān)控。

綜上所述，本文采用具有龍門同步功能的四軸以太網(wǎng)運(yùn)動(dòng)控制卡來實(shí)現(xiàn)針?biāo)箅姍C(jī)同步運(yùn)行以及反饋位置采集進(jìn)而實(shí)現(xiàn)誤差監(jiān)控。本文選用控制卡型號(hào)為IMC404E，具有四個(gè)通道可以編程，實(shí)現(xiàn)四個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)控制。伺服選用松下NEW-E系列750W驅(qū)動(dòng)以及電機(jī)，伺服驅(qū)動(dòng)型號(hào)為MCDJT3220，伺服電機(jī)型號(hào)為MHMJ082G1U。

對(duì)于龍門式結(jié)構(gòu)設(shè)備如龍門銑床、激光切割機(jī)等設(shè)備需要雙邊雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)[3]，需要兩個(gè)電機(jī)精確同步運(yùn)行才能達(dá)到即實(shí)現(xiàn)精確定位又不會(huì)因?yàn)橥匠顚?dǎo)致機(jī)械干涉卡死的功能。針對(duì)這種需求，一部分運(yùn)動(dòng)控制卡開發(fā)了兩電機(jī)同步運(yùn)行的功能函數(shù)，控制卡使用者通過高級(jí)語言調(diào)用相關(guān)函數(shù)實(shí)現(xiàn)兩電機(jī)同步運(yùn)行的功能又稱為龍門同步功能。本文基于IMC404E的龍門同步功能實(shí)現(xiàn)了針?biāo)箅姍C(jī)同步運(yùn)行。

圖1為本文同步控制系統(tǒng)示意圖，其中XY兩個(gè)通道用于實(shí)現(xiàn)絎縫機(jī)軌跡控制，通道軸3軸4用于針?biāo)箅姍C(jī)同步控制，當(dāng)兩軸同步以后，上位機(jī)把這兩個(gè)軸當(dāng)成一個(gè)同步軸來控制。該控制卡同步功能采用的是主從跟隨模式，其中軸4是機(jī)頭機(jī)針軸也是同步軸主軸，軸3是機(jī)座旋梭軸也是同步軸從軸?？刂瓶ㄖ鬏S同時(shí)接收電機(jī)驅(qū)動(dòng)反饋的實(shí)時(shí)位置信號(hào)，通過電機(jī)實(shí)時(shí)位置誤差動(dòng)態(tài)調(diào)整兩電機(jī)的相對(duì)位置。

2.2 同步運(yùn)行的軟件程序?qū)崿F(xiàn)

本文基于VC++編寫上位機(jī)軟件，結(jié)合控制卡提供的函數(shù)庫在軟件中實(shí)現(xiàn)絎縫機(jī)所有功能。IMC404E控制卡與同步相關(guān)的寄存器參數(shù)如表1所示。

使能同步功能只需要設(shè)置以上參數(shù)就可以。其中errwin是誤差補(bǔ)償閾值，errlim是報(bào)警誤差閾值，兩者單位都是脈沖數(shù)。對(duì)控制卡的所有操作指令本質(zhì)上都是對(duì)控制卡寄存器的讀寫，對(duì)于16位寄存器，控制卡提供的功能函數(shù)是：

int PKG_IMC_SetParam16（IMC_HANDLE handle，short paramloc，short data，int axis，int fifo）

該函數(shù)參數(shù)說明：

handle：設(shè)備句柄，是上位機(jī)調(diào)用控制卡函數(shù)的指針。

paramloc：表示當(dāng)前被寫入的寄存器地址。

data：當(dāng)前寫入的16 位整型數(shù)據(jù)。

axis：當(dāng)前寄存器所屬的軸號(hào);如果是全局寄存器，則將 axis 設(shè)為 0。

fifo：指令順序執(zhí)行存放的通道，先放入的指令先執(zhí)行。

所以同步功能使能代碼及注釋如下：

PKG_IMC_SetParam16（m_handle，mainaxis，3，2，SEL_QFIFO）;//軸3跟隨軸4運(yùn)動(dòng)。

PKG_IMC_SetParam16（m_handle，kp，0.1，2，SEL_QFIFO）;//誤差超過糾偏閾值時(shí)以0.1的比例系數(shù)進(jìn)行糾正。

PKG_IMC_SetParam16（m_handle，win，100，2，SEL_QFIFO）;//誤差補(bǔ)償閾值是100個(gè)脈沖（默認(rèn)值）。

PKG_IMC_SetParam16（m_handle，errlim，1000，2，SEL_QFIFO）;//誤差報(bào)警閾值是1000個(gè)脈沖（默認(rèn)值）。

PKG_IMC_SetParam16（m_handle，mainptr，curvel，2，SEL_QFIFO）;//從軸跟隨主軸速度參數(shù)運(yùn)動(dòng)。

以上參數(shù)是從軸軸3的參數(shù)，需要注意的是，軸1、2、3、4對(duì)應(yīng)內(nèi)部的邏輯軸號(hào)是0、1、2、3。

圖2為主從控制原理框圖，上述程序使能同步功能以后，主軸電機(jī)接受上位機(jī)脈沖指令以設(shè)定速度運(yùn)轉(zhuǎn)，從軸接受相同脈沖跟隨主軸運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)控制卡接收到的主從編碼器反饋偏差的絕對(duì)值超過100個(gè)脈沖時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)為從軸需要補(bǔ)償，并且按照偏差和補(bǔ)償系數(shù)kp的乘積進(jìn)行補(bǔ)償跟隨，知道偏差重新小于100這個(gè)閾值。如果在負(fù)載激增或者其它特殊情況下，從軸和主軸誤差超過1000個(gè)脈沖，也就是1/10圈。此時(shí)認(rèn)為嚴(yán)重超限，系統(tǒng)置位錯(cuò)誤寄存器，相當(dāng)于輸出一個(gè)報(bào)警信號(hào)用于停止主從軸。

3 實(shí)際絎縫運(yùn)行測試結(jié)果以及同步關(guān)鍵參數(shù)確定

同步參數(shù)中errwin，errlim和kp是經(jīng)過實(shí)際測試取得的經(jīng)驗(yàn)值，過大或者過小都會(huì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。本文上位機(jī)軟件中開發(fā)了平均誤差監(jiān)控顯示界面，并且具備完善的報(bào)警提示功能。errwin 過小或者kp過大會(huì)導(dǎo)致調(diào)整過快或者超調(diào)加速度超限報(bào)警。errlim過小會(huì)導(dǎo)致頻繁停機(jī)，所以取默認(rèn)值1000?？刂平Y(jié)合實(shí)際驗(yàn)證幾個(gè)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。如表2表3所示：

通過以上圖表可以看出，在其他參數(shù)不變只改變一個(gè)值得情況下，初步可以確定kp設(shè)定值過小過大都會(huì)影響跟隨誤差，其取值在0.05～0.2左右。errwin取值小于30就會(huì)導(dǎo)致報(bào)警頻繁，其取值應(yīng)大于40且越小理論跟隨精度越高。當(dāng)然以上測試從統(tǒng)計(jì)學(xué)上來講數(shù)據(jù)量少，參數(shù)也并不精確，不過可以基本確定取值范圍?；谶@個(gè)范圍本文中errwin設(shè)定50，errlim設(shè)定1000和kp設(shè)定0.1，然后對(duì)這一組參數(shù)進(jìn)行大量實(shí)際測試與客戶現(xiàn)場使用，驗(yàn)證了該組取值完全能夠滿足絎縫機(jī)針?biāo)笸叫枨蟮慕W縫精度。

4 結(jié)語

本文基于控制卡提供的龍門同步功能以及相關(guān)函數(shù)實(shí)現(xiàn)了絎縫機(jī)上針?biāo)笸綉?yīng)用，并且根據(jù)測試結(jié)果確定了穩(wěn)定絎縫的同步參數(shù)取值范圍，最后結(jié)合實(shí)際絎縫加工驗(yàn)證了參數(shù)選取的合理性該同步方案的絎縫可靠性。

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