基于三菱Q系列的多軸伺服隨動寫字系統(tǒng)

紀旭 黃光攀 杜浩鑫

關(guān)鍵詞 書寫 系列 伺服隨動

隨著科技的不斷發(fā)展和人工智能技術(shù)的成熟，伺服系統(tǒng)憑借優(yōu)異的性能被廣泛應用于各個領(lǐng)域[1] 。目前，對伺服隨動控制的定位速度和定位精度等性能指標有了更高要求，因此，對伺服隨動控制的研究具有實際意義和實用價值。本系統(tǒng)基于Q02UPLC 與定位模塊實現(xiàn)位置、速度控制，驅(qū)動裝置組合實現(xiàn)復雜的邏輯控制和運動控制。依靠程序設計簡化筆跡數(shù)據(jù)存儲，采用全閉環(huán)控制方式，提高系統(tǒng)精度，將多軸伺服隨動系統(tǒng)應用于漢字書寫[2] 。

1系統(tǒng)總體設計

1.1系統(tǒng)設計要求

多軸伺服隨動寫字系統(tǒng)的控制對象主要由三個互相垂直運動的絲杠和一條傳送帶組成，分別實現(xiàn)X，Y 和Z 三個方向上的運動，其中X，Y 兩軸負責X?Y平面運動，Z 軸負責上下運動，傳送帶沿X 軸方向移動紙張[3] 。

系統(tǒng)設計要求：（1）系統(tǒng)能夠快速、流利的書寫出漢字;（2）系統(tǒng)在X?Y 平面上能實現(xiàn)任意直線或圓弧插補運動;（3）系統(tǒng)書寫的漢字具有良好的可視性。

1.2系統(tǒng)設計思路

借鑒五筆輸入的思想，利用拆字方法將漢字拆成偏旁和筆畫，并在程序設計中建立偏旁、筆畫數(shù)據(jù)庫。根據(jù)系統(tǒng)設計要求，系統(tǒng)程序流程如圖1 所示。

將漢字的32 個基本筆畫和67 個偏旁部首，選用增量式圓弧插補或增量式直線插補的運動方式收錄到定位數(shù)據(jù)表中，并標明序號。輸入筆畫和偏旁對應的序號后還不能確定準確的漢字，如“人”和“入”字，具有相同的筆畫但落筆的位置不同組成的字符含義不同。為了準確書寫出期望的字符，借鑒機器人的位置記錄方法。將寫字區(qū)域構(gòu)成二維坐標系并進行點位均分，記錄各點位的數(shù)據(jù)并以絕對運動方式存儲到定位表格中，寫字區(qū)域分布的疏密決定字符書寫的形象性。

2硬件設計

Q 系列PLC 是三菱公司在A 系列PLC 基礎上開發(fā)的中型或大型PLC， 智能化程度更高，其最大輸入輸出點數(shù)達到了4096 個，程序最大存儲器容量可達252K，其性能水平居世界領(lǐng)先地位。為達到控制要求，系統(tǒng)采用三菱Q02UPLC 作為主控制器，控制3臺伺服電機和1 臺變頻電機實現(xiàn)字符書寫功能。其中，1 臺伺服電機在Z 軸上做起筆、落筆運動;2 臺伺服電機在二維坐標系X?Y 平面上做任意曲線運動;1臺變頻電機帶動傳送帶移動紙張。交流伺服控制系統(tǒng)大多采用半閉環(huán)控制方式，其無法克服或補償傳動鏈上的間隙及誤差[4] 。采用西門子1214PLC 作為從控制器，記錄增量式編碼器數(shù)據(jù)并傳輸?shù)接|摸屏模擬2 臺伺服電機在X?Y 平面上的有效軌跡，同時將增量式編碼器數(shù)據(jù)傳送給三菱Q02UPLC 構(gòu)成全閉環(huán)控制體系，以彌補傳動鏈上的間隙及誤差。

3參數(shù)和軟件設計

3.1伺服參數(shù)設置

3.2人機交互界面設計

該設計采用的威綸通品牌觸摸屏需在EBpro 軟件中對人機交互界面進行設計。在手動操縱界面下可對各軸進行原點回歸，正反轉(zhuǎn)，錯誤復位等操作，還可設定各軸的運行速度、位置等參數(shù)。在軌跡模擬區(qū)，根據(jù)輸入字體代碼和字體位置來確定書寫期望漢字內(nèi)容，并將書寫的有效筆跡動態(tài)模擬出來，顯示在人機交互界面上，實現(xiàn)人與PLC 之間各種符號和動作的雙向信息交換[5] 。

3.3PLC 程序設計

三菱Q 系列PLC 采用GX WORKS2 軟件進行程序設計及相關(guān)智能功能模塊參數(shù)設置等。在GXWORKS2 中創(chuàng)建項目時，工程類型選擇結(jié)構(gòu)化編程，不指定編程語言進行程序設計。用ST 語言與梯形圖混合編程方式簡化程序，使編寫的程序通俗易懂、執(zhí)行效率高、可視效果強?？刂扑枷朕D(zhuǎn)換用ST 語言編寫相應程序，在威綸通觸摸屏中輸入字體代碼（WW）和字體位置數(shù)據(jù)（LL），主控制器獲取（WW）數(shù)據(jù)后由低到高位每兩位存儲在AA[i]數(shù)組中，位置數(shù)據(jù)（LL）按同樣的方式存儲在CC[ii]數(shù)組中。分別執(zhí)行AA[ii]和CC[ii] 中定位表格數(shù)據(jù)完成字符書寫。AA[ii]表示第ii 個筆畫或偏旁對應定位表格中的運動方式，CC[ii]表示第ii 個筆畫或偏旁存儲在定位表格中的絕對落筆位置，部分ST 語言如圖3 所示。

三菱Q 系列PLC 的伺服指令相對較多，控制伺服程序設計主要采用ZP.PSTRT 專用定位指令進行快速原點回歸、絕對定位、相對定位等操作，更改專用定位指令的啟動編號即可精確運動到確定位置。

用TIA Portal V15.1 軟件對西門子1214PLC 進行增量式編碼器計數(shù)程序編寫，將X，Y，Z 軸編碼器數(shù)據(jù)經(jīng)人機交互界面間接傳送給主控制器形成閉環(huán)控制。主控器根據(jù)編碼器數(shù)據(jù)與期望位置進行比較，對機械傳動過程中出現(xiàn)的一系列誤差進行補償，提高寫字系統(tǒng)的精度。

4設計實現(xiàn)

本系統(tǒng)通過在人機交互界面上輸入所寫字體的筆畫或偏旁代碼（WW）和字體位置數(shù)據(jù)（LL），主控制器執(zhí)行相應程序即可快速書寫出期望的字符。如書寫“伺”字所需輸入的偏旁數(shù)據(jù)為“39293440”，位置數(shù)據(jù)為“02030813”，其中“39”代表“亻”對應的位置為02、“29”代表“”對應的位置為03、“34”代表“一”對應的位置為08、“40”代表“口”對應的位置為13。系統(tǒng)寫出的“伺”字如圖4 所示。部分筆畫、偏旁對應的數(shù)據(jù)如表1 所列。

5結(jié)語

多軸伺服隨動寫字系統(tǒng)滿足控制要求，通過更改運動數(shù)據(jù)編號靈活調(diào)用定位表格中的筆畫軌跡，完成絕大部分筆畫和偏旁的書寫。將筆畫軌跡編號與落筆位置編號一一對應，能夠準確書寫出較為復雜的字符。對于更為復雜的字符書寫可以采用全字符筆跡收錄，將該字符的全部筆跡連續(xù)收錄到定位表格中，只需順序調(diào)用表格編號便可完成該字符的書寫。多軸伺服隨動寫字系統(tǒng)合理的應用了伺服控制技術(shù)中直線和圓弧插補運動方式，簡化程序設計和提升系統(tǒng)運行速度，改進了書寫速度和字符可視度，充分體現(xiàn)了伺服隨動系統(tǒng)的強大特性。本文對多軸伺服隨動控制技術(shù)在各領(lǐng)域的應用具有一定的參考價值。