基于PLC和伺服電機(jī)的精密定位技術(shù)研究

1、傳感器與微系統(tǒng)(T ransducer and M i c rosyste m T echno l og i es 2010年第29卷第12期基于PLC和伺服電機(jī)的精密定位技術(shù)研究*龍國(guó)煊,王 仲,楊 純(天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300072摘 要:針對(duì)擒縱輪視覺(jué)檢測(cè)儀中對(duì)平面陣列點(diǎn)精確定位的實(shí)際需求,采用PLC和交流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)了一種低速、高定位精度、低成本的二維運(yùn)動(dòng)控制,工作臺(tái)定位精度達(dá)到微米量級(jí)。結(jié)合視覺(jué)檢測(cè)特點(diǎn),以視覺(jué)參考特征點(diǎn),代替?zhèn)鹘y(tǒng)零點(diǎn)校正方法,實(shí)現(xiàn)檢測(cè)儀自動(dòng)零點(diǎn)校正。該儀器已運(yùn)行于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。關(guān)鍵詞:精密定位;可編程序邏輯控制器;視覺(jué)檢測(cè);交流伺服電機(jī);零點(diǎn)

2、校正中圖分類(lèi)號(hào):TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1000 9787(201012 0064 03Study of precision positioni ng technology based onPLC and servo motor*LONG Guo xuan,WANG Zhong,YANG Chun(State K ey L aboratory of Prec isi on M eas u ri n g T echno l ogy and Instrum en ts T ian ji n U niversity,T ian ji n300072,Ch inaAbstract:A s

3、 the p l anar array po ints positi on i ng requests to be prec i se i n t he escape whee l v i s i on m easure m entsyste m,a low speed,l ow co st,t w o di m ens i ona lm otion control platfor m w ith high positi on i ng prec i sion i s realized,w hich is served by PLC and AC servom otor.The precisi

4、on o f t he serv ice platfor m can reach t he level o f m icron.M ean w hil e,consi der i ng the features i n v i s i on m easurem ent,a me t hod adopting re ference character i stic po i nt i sused,wh ich m akes the platf o r m s ze ro li ne cali brati ng auto m aticall y,i nstead o f usi ng t he t

5、rad iti ona l zero li necali brati ng m ethod.A t present,the i nstru m en t has been opera ted i n t he i ndustrial fi e l d.K ey word s:prec i se position i ng;PLC;v i sua l i nspection;A C se rvo mo tor;zero po i nt ca li b ration0 引 言在機(jī)械手表等精密機(jī)械制造行業(yè),需要對(duì)大批量的高精度微型零件進(jìn)行檢測(cè)。目前行業(yè)內(nèi)通用檢測(cè)方法為依靠傳統(tǒng)投影儀,人工目視評(píng)判。視

6、覺(jué)檢測(cè)以非接觸、高精度、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)等特點(diǎn)1引人期待。擒縱輪視覺(jué)檢測(cè)儀是為高精度、大批量、自動(dòng)檢測(cè)手表零件擒縱輪而研制的。檢測(cè)儀中的精密二維移動(dòng)工作臺(tái)為重要組成部分,本文介紹一種低成本、全自動(dòng)、高精度的二維控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。多軸、復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制通常采用運(yùn)動(dòng)控制卡或工控機(jī)作為控制單元,速度快,精度高,但成本高,維護(hù)復(fù)雜2。相比之下,用可編程序邏輯控制器(PLC作為運(yùn)動(dòng)控制單元,可以完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等的控制3,應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)相對(duì)簡(jiǎn)單、速度較低的條件下,具有成本低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。同時(shí),PLC還可作為儀器中非運(yùn)動(dòng)控制的控制單元,簡(jiǎn)化儀器設(shè)計(jì),發(fā)揮PLC穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢(shì)。難點(diǎn)在于能否達(dá)到要求的控制精

7、度。本文采用PLC和交流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)了一種低速、高精度、低成本的二維運(yùn)動(dòng)控制,工作臺(tái)定位達(dá)到微米級(jí)精度。此外,結(jié)合實(shí)際,利用檢測(cè)儀中用來(lái)采集微型零件圖像的高精度CCD相機(jī),檢測(cè)工作臺(tái)上預(yù)置的特征參考點(diǎn),替代傳統(tǒng)使用機(jī)械零點(diǎn)開(kāi)關(guān)或者光柵尺的方法,實(shí)現(xiàn)了工作臺(tái)的自動(dòng)零點(diǎn)校正功能1。在保證精度要求的前提下,充分利用儀器本身資源,節(jié)約成本。1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)擒縱輪視覺(jué)檢測(cè)儀系統(tǒng)組成如圖1所示。PC機(jī)為系統(tǒng)的主控制器,為人機(jī)信息交互接口。PLC為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制單元,控制2個(gè)交流伺服電機(jī)。被測(cè)零件擺放在載物臺(tái)的陣列孔(60個(gè)中,測(cè)量時(shí),PLC控制交流伺服電機(jī),驅(qū)動(dòng)二維工作臺(tái)移動(dòng),帶動(dòng)CCD相機(jī)定位在載物臺(tái)上

8、陣列孔中每一個(gè)待測(cè)零件上方。定位完成后觸發(fā)相機(jī)采集圖像。計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理,并判斷零件是否合格,通知PLC進(jìn)行下一步操作。收稿日期:2010 04 06*基金項(xiàng)目:國(guó)家高檔數(shù)控機(jī)床科技重大專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2009ZX04014 092 64第12期 龍國(guó)煊,等:基于PLC和伺服電機(jī)的精密定位技術(shù)研究 圖1 檢測(cè)儀系統(tǒng)組成F ig1 Compositi on o fm ea s ure m ent s y ste m測(cè)量時(shí)要求每一點(diǎn)定位完成后,X,Y方向上相機(jī)光學(xué)中心與圓孔中心的偏差不超過(guò)50 m,且系統(tǒng)要具有自動(dòng)零點(diǎn)校正功能。其中,陣列孔位置誤差最大15 m,工作臺(tái)與載物臺(tái)安裝誤差最大15

9、 m所以,工作臺(tái)零點(diǎn)校正誤差和工作臺(tái)定位誤差總和最大不能超過(guò)20 m。2 工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作臺(tái)采用導(dǎo)程為5mm無(wú)間隙精密絲杠和精度為P5級(jí)滾動(dòng)軸承;PLC為西門(mén)子S7 200系列CPU224CN型;伺服驅(qū)動(dòng)器選用松下M INA S A4系列;交流伺服電機(jī)為松下M S M D012P1U型。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括PLC與驅(qū)動(dòng)器的硬件連接、PLC控制程序設(shè)計(jì)、PLC通信設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置。2.1 硬件連接這里用PLC的高速脈沖輸出功能和交流伺服電機(jī)的位置控制模式來(lái)設(shè)計(jì)工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4。工作臺(tái)的X,Y 2個(gè)方向各使用一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和電機(jī),系統(tǒng)的硬件連接主要是PLC的I/O口與驅(qū)動(dòng)器的控制I/O接口

10、的連接。驅(qū)動(dòng)器使用到的控制I/O口有:脈沖輸入(PULS,電機(jī)方向控制(S I GN,計(jì)數(shù)器清零(CL與脈沖靜止輸入(I NH4個(gè)輸入口,伺服準(zhǔn)備結(jié)束(S RDY,伺服警報(bào)(ALM與定位結(jié)束(CO IN3個(gè)輸出口。脈沖輸入接到PLC的Q0.0和Q0.1,其他接到普通I/O口。工作臺(tái)兩軸各有2個(gè)限位開(kāi)關(guān)連接到PLC輸入口和驅(qū)動(dòng)器的正負(fù)限位輸入(C W L和CC W L中,作為工作臺(tái)保險(xiǎn)和復(fù)位之用。PLC總需8路輸出和10路輸入,每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器的控制線使用9路。PLC剩下的I/O用來(lái)控制其他對(duì)象。2.2 PLC程序設(shè)計(jì)PLC程序主要由連續(xù)測(cè)量控制、單件測(cè)量控制零點(diǎn)校正、通信等部分組成。檢測(cè)儀2種測(cè)

11、量模式PLC的工作流程如圖2所示。驅(qū)動(dòng)器可以接收外部脈沖指令輸入和編碼器反饋的方波信號(hào)。CPU224CN型PLC可以通過(guò)Q0.0和Q0.1輸出最高頻率達(dá)20k H z的PTO或P WM脈沖信號(hào),不受CPU掃描式工作方式的影響2。廣泛應(yīng)用于直流、交流的調(diào)速,調(diào)壓控制中。脈沖輸出功能分別由特殊寄存器S M B67和S M B77控制,通過(guò)S MW68S M D172和S MW78S M D172設(shè)圖2 PLC程序流程圖Fig2 F low chart of PLC programm i ng定脈沖參數(shù),通過(guò)S M B66和S M B76監(jiān)控脈沖輸出狀態(tài)。脈沖速率可采用單段式或多段式。多段式脈沖各段

12、的參數(shù)通過(guò)特殊寄存器在PLC的V存儲(chǔ)區(qū)中設(shè)置,當(dāng)執(zhí)行脈沖輸出指令PLS時(shí),CPU自動(dòng)讀取V存儲(chǔ)區(qū)中多段脈沖的參數(shù)后輸出脈沖。PLC通過(guò)端口Q0.0和Q0.1分別給工作臺(tái)X,Y方向的驅(qū)動(dòng)器輸出頻率為20k H z的PTO脈沖。為使工作臺(tái)平穩(wěn)移動(dòng),這里采用三段式脈沖來(lái)控制伺服電機(jī)。2.3 PLC與PC通信設(shè)計(jì)考慮到儀器成本和設(shè)計(jì)的靈活性,PLC采用靈活方便的自由口通信方式,PC用VC+6.0的W I N32AP I串口通信函數(shù),完成計(jì)算機(jī)與西門(mén)子PLC的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)5。為克服信息傳輸中由于信道本身的原因或周?chē)h(huán)境噪聲的影響而導(dǎo)致的信息傳輸錯(cuò)誤,這里,采用具有99.999%高精度檢錯(cuò)能力的CRC校驗(yàn)

13、,并且建立檢錯(cuò)重發(fā)機(jī)制。通信流程如圖3所示。圖3 通信流程圖F ig3 F l ow chart of comm unica tion2.4 驅(qū)動(dòng)器設(shè)置松下M I NA S A系列交流伺服驅(qū)動(dòng)器可以接收最高2M pps的外部脈沖輸入。有位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制65傳感器與微系統(tǒng) 第29卷和全閉環(huán)控制4種工作模式6。根據(jù)需要,這里選用位置控制模式,該模式參數(shù)設(shè)置如下:P r .02=0:位置控制模式;P r .04=0,Pr .66=1:行程限位開(kāi)關(guān)有效;P r .41=0,P r .42=3:指令脈沖和指令方向的組合方式;P r .43=0:禁止外部脈沖輸入有效;P r .4E =0:允許

14、偏差計(jì)數(shù)器清零;P r .48-4B 為驅(qū)動(dòng)器對(duì)外部輸入脈沖進(jìn)行分倍頻的參數(shù)設(shè)置,這里采用默認(rèn)值,不做分倍頻處理,電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈須外部輸入10000個(gè)脈沖。與工作臺(tái)移動(dòng)距離的關(guān)系為1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)0.5 m 的移動(dòng)量。3 零點(diǎn)校正方法設(shè)計(jì)1,6檢測(cè)儀在測(cè)量過(guò)程中,每一點(diǎn)定位完成后,要求X,Y 方向上相機(jī)光學(xué)中心與圓孔中心偏差不超過(guò)50 m 。如圖4所示,每次測(cè)量60個(gè)為一批,O 點(diǎn)為工作臺(tái)限位開(kāi)關(guān)位置,A 點(diǎn)為每批測(cè)量的起止位置。如果每一批測(cè)量完成不進(jìn)行零點(diǎn)校正,不斷累積的誤差有可能超過(guò)總誤差要求。限位開(kāi)關(guān)的重復(fù)精度只有0.1mm,不能作為工作臺(tái)復(fù)位的參考點(diǎn)。為保證工作臺(tái)在每一批測(cè)量中都有很好的定位

15、精度,這里利用檢測(cè)儀自身的高精度CCD 相機(jī),在每一批測(cè)量之前進(jìn)行一次自動(dòng)快速 的誤差校正。圖4 零點(diǎn)校正原理Fig 4 P ri nciple of zero point cali brati on如圖中,在待定位陣列點(diǎn)區(qū)域(點(diǎn)160外設(shè)一個(gè)位置固定的圓孔B 作特征參考位置。每一批測(cè)量從A 點(diǎn)開(kāi)始,在位置B 采集圓孔圖像,圖像經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理,擬合圓心后計(jì)算偏差,把偏差傳送給PLC ,然后,在B 1段進(jìn)行位移補(bǔ)償。每一批測(cè)量完成后回到O 點(diǎn),等待下一批測(cè)量。.在圓心偏差為0.1mm 內(nèi),圖像處理中圓心擬合誤差為3 m,在B 1,可以實(shí)現(xiàn)最小一個(gè)脈沖(0.5 m 的補(bǔ)償,不受三段式脈沖控制中電機(jī)

16、最小啟動(dòng)量的影響,從而提高補(bǔ)償精度。實(shí)驗(yàn)表明:補(bǔ)償后相機(jī)定位在1點(diǎn)的誤差不超過(guò)5 m 。4 實(shí)驗(yàn)與分析為測(cè)定工作臺(tái)能否達(dá)到預(yù)期的精度要求,用分辨率為0.1 m 的雙頻激光測(cè)量?jī)x來(lái)測(cè)量工作臺(tái)的移動(dòng)精度。工作臺(tái)每軸行程為100mm ,任選靠近電機(jī)側(cè)的一點(diǎn)為測(cè)量起點(diǎn)(0mm 點(diǎn),每移動(dòng)20mm(對(duì)應(yīng)PLC 40000個(gè)脈沖用雙頻激光測(cè)量?jī)x測(cè)量一次,正向(0100mm 測(cè)完6個(gè)點(diǎn)后,依次反向(1000mm 測(cè)量6個(gè)點(diǎn),往復(fù)測(cè)量5次。分別對(duì)每個(gè)點(diǎn)5次測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,對(duì)絲杠線性誤差進(jìn)行PLC 脈沖補(bǔ)償后X 軸(Y 軸只給結(jié)果的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表1。表1 X 軸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab 1 Experi m en

17、tal data of X ax i s目標(biāo)位置(mm移動(dòng)方向平均偏差X ( m標(biāo)準(zhǔn)偏差S i( mX i -2S i ( mX i +2S i ( m重復(fù)定位精度( m +-0.83.61.20.7-1.6 2.13.35.14.93.020+-0.94.10.71.2-0.4 1.62.26.52.64.940+-0.64.31.20.8-1.7 2.62.95.94.63.360+-0.3 2.90.60.2-1.6 2.40.93.42.51.080+-1.7 1.40.40.2-2.5 1.1-1.0 1.71.50.6100+-0.63.10.40.6-1.3 1.90.24.31

18、.52.4從表1中可以得出,工作臺(tái)定位精度7A =m ax X i !+2S i !;X i +2S i -m i n X i !-2S i !;X i -2S i =9.0 m .單向重復(fù)定位精度為6R =(4S i ma x =(R i m ax =4.9 m .Y 軸補(bǔ)償線性誤差后定位精度為7.2 m,重復(fù)定位精度為5.5 m 。從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出:工作臺(tái)精度達(dá)到10 m 以?xún)?nèi),滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。5 結(jié)束語(yǔ)本文所設(shè)計(jì)的二維工作臺(tái)已經(jīng)應(yīng)用在擒縱輪視覺(jué)檢測(cè)儀上進(jìn)行陣列點(diǎn)的自動(dòng)定位,定位精度達(dá)到微米級(jí)的設(shè)計(jì)要求,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。這種采用PLC 和伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)精確定位的控制原理和利用視覺(jué)參考特征點(diǎn)進(jìn)行零點(diǎn)校正的方法,可以推廣到其他精密視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)中,具有較好的應(yīng)用價(jià)值。參考文獻(xiàn):1 劉一凡.基于視覺(jué)定位的微