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彈性針布磨針機(jī)磨頭伺服位置自動控制系統(tǒng)研究

2017-5-27 來源：江南大學(xué) 輕工過程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn) 作者：徐久益，惠晶，傅錫林

摘要：為了解決彈性針布磨針機(jī)磨頭手動調(diào)距操作復(fù)雜、定位尺寸精密度低的問題，提出應(yīng)用伺服電機(jī)調(diào)距的新型磨頭位置自動控制系統(tǒng)，并介紹其結(jié)構(gòu)、工作原理、硬件實(shí)現(xiàn)及軟件設(shè)計方法。指出：該系統(tǒng)采用ＰＬＣ作主控制器，伺服傳動系統(tǒng)作執(zhí)行驅(qū)動機(jī)構(gòu)，通過ＰＬＣ控制器與人機(jī)界面通信，實(shí)現(xiàn)了彈性針布與磨頭間距的柔性化調(diào)整；新系統(tǒng)定位精度達(dá)到１μｍ，并具有適應(yīng)性強(qiáng)、操作簡單、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：彈性針布；磨針機(jī)；ＰＬＣ；伺服；位置控制

彈性針布是梳理機(jī)用重要的梳理器材，關(guān)乎著梳理機(jī)的高產(chǎn)、高效與優(yōu)質(zhì)［１］，其質(zhì)量一般由其平整度、銳利度、表面粗糙度、耐磨度和清晰度來評定，其中平整度和銳利度最為重要［２］。高精度的彈性針布磨針機(jī)是制造高質(zhì)量彈性針布的保證，其磨礪尺寸的控制是生產(chǎn)彈性針布的重要環(huán)節(jié)［３］。

筆者介紹磨頭伺服位置控制系統(tǒng)，由伺服電機(jī)調(diào)節(jié)磨頭與針布間的距離，通過編寫位置控制算法，實(shí)現(xiàn)了磨頭位置尺寸的自動化控制，且系統(tǒng)定位過程操作簡單、控制精度高，對彈性針布有非常理想的磨礪效果，為整個彈性針布生產(chǎn)線的自動化控制創(chuàng)造了條件，有利于提高針布行業(yè)的整體水平。

１.磨頭位置自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

磨針機(jī)磨頭位置自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖１所示。系統(tǒng)采用ＰＬＣ作控制核心，伺服電機(jī)作執(zhí)行元件，脈沖旋轉(zhuǎn)編碼器（ＰＧ）作檢測元件，Ｅ－ＶＩＥＷ型觸摸屏為人機(jī)界面，通過ＦＸ２Ｎ－４８５－ＤＢ型通訊擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息交流。當(dāng)磨針機(jī)磨頭位置確定時，由觸摸屏給定位置信號，ＰＬＣ計算并輸出脈沖信號到伺服驅(qū)動器，伺服電機(jī)可根據(jù)脈沖量和脈沖頻率來調(diào)節(jié)磨頭的位移量，旋轉(zhuǎn)編碼器反饋當(dāng)前位置信號到ＰＬＣ，ＰＬＣ通過位置控制算法來改變其輸出脈沖，從而改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動軌跡。當(dāng)定位完成時，伺服電機(jī)停止。

圖１　磨頭位置自動控制系統(tǒng)

磨頭位置自動控制系統(tǒng)以磨針基準(zhǔn)線為參考線，通過控制磨頭相對于基準(zhǔn)線的位移量，精確控制磨頭砂輪和彈性針布之間的距離。錫林滾筒徑向是磨頭與彈性針布調(diào)距的移動方向，調(diào)距即磨頭沿導(dǎo)軌上的滾珠絲杠縱向移動，磨頭在縱向?qū)к壣系奈恢弥荒茉谝欢ǚ秶鷥?nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，即根據(jù)系統(tǒng)的需要設(shè)定磨頭起點(diǎn)、終點(diǎn)限位。為適應(yīng)不同型號針布的磨礪加工要求，每次磨針結(jié)束后都需將磨頭手動復(fù)位。為避免伺服系統(tǒng)錯誤地發(fā)出定位完成信號，在定位過程中，ＰＬＣ需連續(xù)３次讀出定位完成信號，才能判為定位完成。

１.１磨頭位置自動控制線性跟蹤

伺服系統(tǒng)在數(shù)控指令的控制下輸出位移、角度等運(yùn)動信號，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動軌跡。伺服系統(tǒng)將被控對象的位置與目標(biāo)位置間的距離保持在允許的偏差范圍之內(nèi)，這種控制過程稱為位置自動控制ＡＰＣ［４］。

在彈性針布磨針機(jī)控制系統(tǒng)中，磨頭縱向的位置控制主要是通過精確控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。作者是按照梯形速度圖來實(shí)現(xiàn)速度控制的，如圖２所示。在理想情況下，反饋速度完全跟蹤命令速度，位置偏差量幾乎為零。在實(shí)際控制中，由于傳動裝置響應(yīng)滯后等因素的影響，系統(tǒng)反饋速度會滯后于命令速度，導(dǎo)致位置偏差量增大；因此，在磨頭位置控制中加入速度前饋校正環(huán)節(jié)，通過調(diào)節(jié)速度前饋系數(shù)來減小跟蹤誤差。圖２為速度前饋校正前后速度曲線對比。

圖２　速度前饋校正前后速度曲線對比

１．２　磨頭位置自動控制理想模型

磨頭位置自動控制系統(tǒng)中，理想定位的要求是在最短時間內(nèi)完成符合精度要求的定位動作。在磨針工序中要將精密度放在首位，即要求在最短的時間內(nèi)完成最大控制精度的定位動作。磨頭位置自動控制系統(tǒng)理想定位過程如圖３所示。設(shè)定位置偏差為Ｓ，初始位置偏差為Ｓ０，伺服

圖３　磨頭位置自動控制系統(tǒng)理想定位過程

電機(jī)最大加速度為ａｍａｘ，最大速度為ｖｍａｘ。為了使磨頭裝置能夠盡快到達(dá)設(shè)定的位置，要盡量使磨頭裝置處于最大速度狀態(tài)。為了保證調(diào) 節(jié)時間盡量短，執(zhí)行電機(jī)以最大加速度啟動，并以最大負(fù)加速度停機(jī)，從而使磨頭恰好停在目標(biāo)位置。理想定位情況下，加速階段的速度為：

１.３　新型位置控制算法

新型磨頭位置的控制要求定位精度高且不出現(xiàn)超調(diào)，系統(tǒng)可采用“分段減速控制”的方法實(shí)現(xiàn)該要求。在位置控制系統(tǒng)中，ＡＰＣ算法可簡單表示為：

越慢，加速度越大。實(shí)際上，調(diào)距過程中的一個重要內(nèi)容就是整定減速點(diǎn)和減速點(diǎn)開始的減速曲線。在整定過程中，可根據(jù)磨削工藝要求的尺寸精度，定出控制的死區(qū)，即在達(dá)到死區(qū)的范圍時，輸出速度為零，使被控對象在慣性的情況下滑到精度區(qū) Ｓ１，并在精度區(qū)的范圍內(nèi)停下來，則Ｓ１即系統(tǒng)規(guī)定的磨頭定位精度。通常這個工作需要結(jié)合實(shí)際自動位置控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及控制機(jī)構(gòu)來完成。從圖４中可以看出，控制的關(guān)鍵在于２個減速點(diǎn)（Ｓ２，Ｓ３）和精度區(qū)Ｓ１的選取。

２.控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

２．１　系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制器ＰＬＣ是整個磨頭控制系統(tǒng)的核心，其控制功能強(qiáng)、可靠性高、配置靈活、體積小、質(zhì)量輕，而且使用方便，在我國已廣泛地應(yīng)用于自動化控制的各個領(lǐng)域。ＰＬＣ接收現(xiàn)場各類操作指令、各種狀態(tài)信號的反饋以及人機(jī) 界面Ｅ－ＶＩＥＷ的實(shí) 時參數(shù) 設(shè) 定。ＰＬＣ上電時，其內(nèi)部寄存器數(shù)值與特殊寄存器的功能進(jìn)行初始化，將人機(jī)界面Ｅ－ＶＩＥＷ面板中設(shè)置的數(shù)據(jù)，通過ＲＳ－４８５串口通訊改變ＰＬＣ內(nèi)部寄存器值；再經(jīng) ＰＬＣ內(nèi)部計算處理、通過ＲＳ－４８５總線輸出給伺服驅(qū)動器；同時，伺服驅(qū)動器也將電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)經(jīng) ＲＳ－４８５總線傳遞給ＰＬＣ。控制系統(tǒng)電氣原理如圖５所示。

通過計算，實(shí)際的輸入輸出量Ｉ／Ｏ點(diǎn)數(shù)不超過３２點(diǎn)，因此可以選擇三菱系列的ＦＸ２Ｎ－３２ＭＴ型ＰＬＣ。ＦＸ２Ｎ－３２ＭＴ型ＰＬＣ屬于晶體管輸出型，它除具有一般邏輯控制與運(yùn)算功能外，還具有高速脈沖計數(shù)輸入功能，ＰＬＳＹ高速脈沖串直接輸出（Ｙ０、Ｙ１口）、ＲＡＭＰ電機(jī)變頻軟啟動／軟制動及其它特殊處理功能，可以對伺服電機(jī)進(jìn)行位置控制［５］。ＰＬＣ輸入端外部接線，如圖６所示。

通過分析可知，ＰＬＣ的輸入需要占用１２個輸入端子，端子分類及其功能定義，見表１。磨頭裝置由高精度的交流伺服電機(jī)驅(qū)動，新型系統(tǒng)選用安川公司制造的ＳＪＤＥ－０４ＡＰＡ型伺服驅(qū)

表１　ＰＬＣ輸入端子功能定義

動器及其相應(yīng)的ＳＪＭＥ－０４ＡＭＡ型伺服電機(jī)作為執(zhí)行電機(jī)［６］。伺服驅(qū)動器設(shè)置為“位置控制”方式，指令脈沖輸入方式采用 “ＳＩＧＮ＋ＰＬＵＳ”脈沖信號形式，在控制方式上加入命令跟蹤控制與前饋校正控制，可以提高對輸入脈沖命令的響應(yīng)速度，對輸入命令最大程度跟蹤，減小了位置偏差量。如果將電機(jī)軸與負(fù)載側(cè)的機(jī)械減速比設(shè)為ｍ／ｎ，則可由下式求出電子齒數(shù)比的設(shè)定值：

文4

表２　電子齒數(shù)比的設(shè)定

通過人機(jī)界面Ｅ－ＶＩＥＷ，可利用ＦＸ－ＰＣＳ－ＤＵ和ＷＩＮ－Ｃ組態(tài)軟件設(shè)計主畫面、參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)信息、報警信息和幫助等畫面。通過ＲＳ－４２２與ＰＬＣ通信，可對磨頭位置參數(shù)在線修改，當(dāng)彈性針布尺寸規(guī)格改變時，通過觸摸屏就能調(diào)整不同針布對應(yīng)的磨頭位置，而不需要調(diào)節(jié)任何機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的自動化程度和精密度。

２．２　系統(tǒng)控制軟件設(shè)計

系統(tǒng)控制軟件由３部分組成，即ＰＬＣ控制程序、觸摸屏———ＰＬＣ通訊程序和觸摸屏組態(tài)軟件。因篇幅所限，在此僅給出ＰＬＣ控制系統(tǒng)流程圖，根據(jù)新型控制算法和磨頭位置控制系統(tǒng)的實(shí)際情況，設(shè)計的磨頭自動定位控制系統(tǒng)流程，如圖７所示。ＰＬＣ上電后，先初始化系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)變量，然后進(jìn)入主循環(huán)。在自動運(yùn)行條件下，若檢測系統(tǒng)處于就緒狀態(tài)，則根據(jù)觸摸屏設(shè)定的位置值計算出所需的脈沖數(shù)，再通過編碼器反饋的信號讀出已運(yùn)行的脈沖數(shù)，而ＰＬＣ內(nèi)部則計算出系統(tǒng)剩余的脈

圖７　磨頭自動定位控制系統(tǒng)流程沖數(shù)。

當(dāng)下壓裝置尚未處于定位位置附近時，根據(jù)剩余脈沖數(shù)來判斷系統(tǒng)是處于勻速段、第一減速段還是第二減速段，ＰＬＣ則根據(jù)相應(yīng)階段，發(fā)出相應(yīng)頻率的脈沖；當(dāng)處于定位位置附近時，為保證定位準(zhǔn)確，系統(tǒng)需連續(xù)３次讀出定位完成信號，才能判為定位完成，然后系統(tǒng)清除偏移脈沖，程序停止運(yùn)行。

３.結(jié)論

新型磨頭位置自動控制系統(tǒng)，代替手動調(diào)節(jié)磨頭橫移裝置來設(shè)定磨削間距的傳統(tǒng)模式，采用高性能ＰＬＣ及相關(guān)用戶軟件程序、高精度伺服電機(jī)位置控制，顯著提高了位置尺寸控制的精密度，并實(shí)現(xiàn)了磨削間距的柔性化調(diào)整。新系統(tǒng)的尺寸控制精密度可達(dá)１μｍ，能夠滿足各尺寸規(guī)格彈性針布齒條的生產(chǎn)要求。

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