基于PLC的丝杠回程误差检测和补偿方法.pdf

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第 1 1期 2 0 1 5年 1 1月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o du l a r M a c h i ne To o l Aut o ma t i c M a n uf a c t u r i ng Te c h ni q ue NO. 1 1 Nov .2 01 5 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 5 1 1 0 0 6 5- 0 2 D O I 1 0 . 1 3 4 6 2 / j . c n k i . mm t a mt . 2 0 1 5 . 1 1 . 0 1 9 基于 P L C的丝杠回程误差检测和补偿方法 术 刘媛媛 , 1 . 无锡科 技职业 学院 机 电学院, 江苏 无锡 2 1 4 0 2 8 ; 2 . 江南大 学 自动化研 究所, 江苏 无锡 2 1 4 1 2 2 摘要 为了克服梯形丝杆螺母传动换向时回程误差对定位精度的影响 , 对 直角型机械手的定位 问题 进行 了研 究, 提 出了一种基 于 S 7 . 2 0 0 P L C的定位控制方法, 可以快速检测丝杆 某一位置处的回程误 差, 并通过修改程序参数达到克服回程误差, 实现准确定位的目的。 关键词 丝杆螺母传动 ; 回程误差 ; MA P库 中图分类号 T H1 6 1 ; T G 5 0 6 文献标识码 A De t e c t i o n a n d Co m p e n s a t i o n M e t hod o f Sc r e w Hy s t e r i s i s Er r o r Ba s e d o n PLC LI U Yu a n. y u a n , 1 . E l e c t r o m e c h a n i c a l S c h o o l , Wu x i P r o f e s s i o n a l C o l l e g e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , Wu x i J i a n g s u 2 1 4 0 2 8 , C h i n a ; 2 . I n s t i t u t e o f A u t o m a t i o n , J i a n g n a n U n i v e r s i t y , Wu x i J i a n g s u 2 1 4 1 2 2 , C h i n a Abs t r a c t I n o r d e r t o o v e r c ome t h e i n flu e nc e o n p o s i t i o n i n g a c c u r a c y c a u s e d b y the h y s t e r i s i s e r r o r wh e n a t r a d e z o i da l s c r e w n ut d r i v e c h a n g e i t s d i r e c t i o n,thi s p a p e r t a k e s t h e p o s i t i o n i n g p r o b l e m o f o r t h o g o n al ma n i p u l a t o r a s the r e s e a r c h o b j e c t , i n t r o d u c e s a p o s i fi o mn g c o n tr o l s y s t e m u s i n g 7 - 2 0 0 P L C, w h i c h c a n q u i c k - l y d e t e c t s c r e w h y s t e r i s i s e r r o r i n a l o c a t i o n,o v e r c o me h y s t e r i s i s e r r o r b y c h a n g i n g the p r o g r a m p ara me t e r s, a n d f ma l l y a c h i e v e the pu r p o s e o f a c c u r a t e p o s i t i o n i n g. Ke y wo r dss c r e wn u t d r i v e;h ys t e r i s i s e r r o r; M AP s e r v l i b 0 引言 准确的定位控制在 自动化生产线中有着广泛 的 应用 , 由步进或伺 服 电机带动丝杆螺母 实现定位移 动是较常见的传动方式 。丝杆在正反换向运行时将 产生 回程误差 , 影响传动的精度 , 常常采用机械调整 方法来减小或消除丝杆轴 向间隙 。目前 国内外对 丝杆 回程误差补偿方法的研究主要集中于数控机床 滚珠丝杆螺距误差 的补偿 问题 , 并 针对不 同的数控 系统提 出相应 的解 决方法 。对于未安装 数控 系 统的控制设备 的丝杆 回程误差检测和补偿方法鲜有 文献研究 , 本文在不外加机械调整机构 的前提下 , 利 用 P L C软件编程的方法检测回程误差并弥补其对定 位精度造成的影响。 1 定位控 制 系统构成 本课题研究的直角型机械手 、 z轴方 向利用 两 相式步进电机带 动梯形丝杆螺母 副实现位置移动 , 采用西 门子 7 - 2 0 0系列 P L C作为控 制器 , 连接触 摸 屏实时显示状 态 , 实现机械 手从 料站到仓库仓位 间 的 自动取放 料控制 , 其定位 控制系统结构示意 图如 图 1 所示。本课题要求机械手能够准确定位 到仓库 仓位 , 从而实现物料 的取放动作 , 机械手 以 、 z轴两 个方 向的坐标原点为参考点 , 再定位移动相应 的距 离至指定仓位 。如果用高速脉 冲串输 出 P T O P u l s e T r a i n O u t p u t , 找坐标原点编程 困难且 不准确 , 较 常 用的方法是采用位控模块 E M2 5 3或西 门子脉冲输出 指令 MA P库。本课题采用 M A P库实现步进 电机 的 定位控制 。 图 1定位控制系统结构示意图 收稿 日期 2 0 1 50 5 0 7 ; 修回 日期 2 0 1 5 0 6 0 4 基金项 目 江苏省产学研联合创新资金项 目资助 B Y 2 0 1 4 0 2 33 6 ; 无锡市名师工作室专项资金 锡教高I I [ 2 0 1 5 ] 3 8号 作者简介 刘媛媛 1 9 8 3 一 , 女 , 山东滨 州人, 无锡科技 职业学院讲师 , 博 士研究生 , 研究 方向为控制理 论和控制技术 的综合应用 , Ema i l 1 y y 1 9 8 3 1 1 2 5 1 2 6. c o l n 。 6 6 组合机床与 自动化; 0 n - r 技术 第 1 1 期 r 一 VI10o0 . 图 3 X轴 回程误差检测 系统示意图 误差检测的方法如下 以 轴为例回程误差检测 系统如 图 3所示 , 在 手动状态下 , 让 轴移 动到某一位 置点 A , 将微动开关 S M 3安装在机械手 轴底座上, 引 起微动开关动作的滚轮的位置如图3所示。首先设定 步进电机正向旋转 , 按下启动按钮电机旋转 , 并停止于 A位 置处 , 记录下滚 轮所 对应 的刻线位 置点 和 V D 1 0 0 0 的脉冲值 n 1 。再次按下启动按钮 , 步进电机继续正向 旋转 , 此时无 间隙误差 , 工作 台直接移动, 微动开关 S M3的常开触点连接 P L C输人 口I 1 . 0 , 滚轮带动杠杆 机构使动作簧片位移到临界点时常开触点闭合 , I 1 . 0 有信号时调用 Q 0 0 一 S t o p , 让 轴停止运动 J 。再次 记录 V D 1 0 0 0的脉冲值 , n 1和 的差值就是在 A 位置处从 电机转动到停止, 机械手工作 台的实际位移 量对应的脉冲值, 记为 n 3 。 与上述过程相似, 设定步进电机反向旋转并停于 位置 A, 记录 V D 1 0 0 0的脉冲值 。设定旋转方 向为 正 , 按下启动按钮 , 轴步进电机接收脉冲信号开始旋 转 , 因回程误差的存在步进电机转动后不会立即带动 工作台面移动 , 克服回程误差后工作台移动并压合 S M 3 , 工作 台停止移动, 记录 V D 1 0 0 0的脉冲值 n 5 , 和 n 5的差值 , 记为 , 就是在 A位置处回程误差与工 作台位移量之和所对应的脉冲数。 利用触摸屏实时观察 轴位移对应的脉冲值 的 变化。脉冲值的变化量所对应的 轴的实际位移量 与微动开关位移量的差值就是丝杆在这一位置的回程 误差。计 算说 明 步 进 电机 每转 步数 4 0 0 , 触摸 屏 V D 1 0 0 0脉冲变化量 N n 6一 n 3 , 丝杆导程 L 2 m m, 回 程误差 A m m 计算公式 △ 三 △ 蒜 三 以“ L e e t r o ” 品牌的 D M 4 2 5 0 E二相 四线制步进 电 机为例 , 设定细分数 2 , 步进电机每转步数 4 0 0 , 丝杆导 程 L 2 ra m, 理论上误差补偿的精度可达到 5 / z m, 如果 增大步进电机细分数 , 则理论上误差补偿精度还可提 高。鉴于本检测系统微动开关的定位精度不高, 故本 方法实际的误差检测精度适用于一般精度的梯形丝杆 螺母的准确定位 , 如生产线环节中的定位控制 , 不适用 于高精度的滚珠丝杆螺母传动的螺距误差补偿 。 。 4 回程误差的编程补偿 经过反复试验, 这根梯形丝杆的回程误差大约是 1 / 4 个丝杆导程, 根据这个原理, 在编写 自动运行程序 时, 通过修改 轴坐标存储位 V D 5 0 0和 轴坐标存储 位 V D 5 0 4的值对回程误差进行补偿。在方向改变时增 加或减少 1 0 0个脉冲, 用软件方法来弥补硬件的问题。 图4为机械手 轴的运动示意图, 右侧微动开关 S M1 作为坐标原点 , 向左运动为正向, 向右运动为反 向。图中虚线处为二号仓位 轴坐标位置。手动程 序中机械手 自坐标原点向左运动 , 测得二号仓位对应 的 V D 1 0 0 0中脉冲值为 1 8 6 0 0 。在机械手 自动控制中, 要求机械手移动到物料站抓料, 然后返 回到二号仓位 放料 , 在正向切换到反 向运行时设定 轴坐标存储位 V D 5 0 0值为 1 8 6 0 01 0 01 8 5 0 0 , 反向多退回 1 0 0脉冲 的位置 以弥补 回程误 差 。如 果是 由反 向切 换 到正 向 , 则 V D 5 0 0应设定为 1 8 6 0 01 0 01 8 7 0 0 。下图 5是 自 动程序中 2号仓位的 、 z轴定位程序。 图4 X轴运动示意图 下转第 7 0页 7 0 组合机床与 自动化J j p - r 技术 第 1 1 期 图 1 0输 入控 制 量 对 比图 3和图7可见 仿真一的位移 阶跃响应 曲 线中均有一定的抖振现象 , 且有稳态位置误差。仿真 二则有效消除了抖振现象 , 且稳态位移响应无静差。 对比图4和 8可见 仿真一比仿真二不仅速度输出超 调大而且稳态输出误差也大。由上述仿真结果可见 , 本文提出的加权积分增益滑模控制与 H 扰动补偿控 制相结合的复合控制方法使永磁直线电机伺服系统具 有 良好的动态特性和跟踪精度 , 并且对 内部参数摄动 和外部非线性周期性推力扰动具有较强的鲁棒性。 4 结论 针对永磁直线电机伺服系统鲁棒控制问题, 本文 提出了基于加权积分增益滑模控制与 H 扰动补偿控 制相结合的复合控制方法。为使直驱伺服系统具有良 好的动态跟踪性能和极强的鲁棒性,本文提出了积分 型切换滑模变结构控制器。为解决滑模线附近的控制 抖振问题 , 采用 了标准 H 控制理论设计 了扰 动补偿 器。该复合控制方法有效降低了电机内部参数变化和 推力波动对控制系统的影响。仿真结果表明所提出控 制方法提高了系统的抗干扰能力 , 实现了永磁直线伺 服系统的高精度 、 高品质的控制要求。 [ 参考文献] [ 1 ]陈梁远, 李黎川.压缩机用直线电机及其关键技术发展 综述[ J ] . 中国电机工程学报, 2 0 1 3 , 3 3 1 5 5 25 7 . [ 2 ]仇健 , 张 凯 , 李鑫.国内外数控机床定位精度对比分析研 究[ J ] . 组合机床与 自动化加工术, 2 0 1 3 8 1 4 . [ 3 ]杨俊友, 师光洲, 白殿春. 基于迭代学习的永磁直线伺服系统 扰动抑制[ J ] . 组合机床与自动化加工术, 2 0 1 4 8 5 9 6 3 . [ 4 ]李志军, 刘成颖, 孟凡伟.质量波动对永磁同步直线电机 控制器的影响及其补偿[ J ] .中国电机工程学报, 2 0 1 2 , 3 2 3 3 6 7 7 6 . [ 5 ]甄文喜, 戴跃洪, 唐传胜.永磁同步直线电机伺服系统负 载扰动建模与抑制[ J ] . 组合机床与 自动化加工术, 2 0 0 3 2 1 9 2 4 . [ 6 ]A mi t V i l a s S a n t ,R a j a g o p a l K R .P M s y n c h r o n o u s m o t o r s p e e d c o n t r o l u s i n g h y b ri d f u z z y P 1 w i t h n o v e l s wi t c h i n g f u n c t i o n s [ J ] .I E E E T r a n s a c t i o n s o n M a g n e t i c s , 2 0 0 9 ,4 5 1 0 4 6 7 2 4 6 7 5 . [ 7 ]I J i u H u i x i a n , L i S h i h u a .S p e e d c o n t r o l f o r P MS M s e r v o s y s t e m u s i n g p r e d i c t i v e f u n c t i o n a l c o n t r o l a n d e x t e n d e d s t a t e o b s e r v e r [ J ] .I E E E T r a n s a c t i o n s o n I n d u s t ri a l E l e c t r o n i c s , 2 0 1 2 , 5 9 2 1 1 7 1 1 1 8 3 . [ 8 ]肖曙红, 李锻能, 张伯霖. 直线电机高速进给系统幽能优化研 究[ J ] . 组合机床与自动化加工术, 2 0 2 2 3 2 6 . [ 9 ]魏胜. 数控机床伺服系统原理分析与性能调整[ J ] .组合 机床与 自动化加工技术 , 2 O L O 5 8 1 8 5 . [ 1 0 ]郭庆鼎, 王成元, 周美文, 等. 直线交流伺服系统的精密 控制技术[ M] . 北京 机械工业出版社, 2 0 0 0 . 编辑李秀敏 上接第6 6页 I 仓位2 l 图 5 、 Z轴 自动定位程序 部分 5 结论 本文以直角型机械手 、 z轴定位移动为研究对 象 , 通过 P L C编程调试的方法测量丝杆在某一位置的 回程误差大小 , 并在机械手 自动控制程序中通过修改 程序参数的方法达到弥补丝杆回程误差的 目的。实践 证明该方法方便有效 , 并可以根据要求实时快速地检 测丝杆任一位置处的回程误差值。 [ 参考文献] [ 1 ]庞振基, 黄其圣.精密机械设计[ M] .北京 机械工业出 版社 , 2 0 0 3 . [ 2 ]陈刚, 羌铃铃.数控系统中螺距补偿 的原理与设计[ J ] . 机械制造与自动化 , 2 0 1 5 , 4 4 1 2 5 2 8 . [ 3 ]K . E r k o r k m a z ,A . K a m a l z a d e h .H i g h b a n d w i d t h c o n t r o l o f b a l l s c r e w d ri v e s [ J ] . C I R P A n n a l s Ma n u f a c t u ri n g T e c h n o l o g Y , 2 0 0 6 , 5 5 1 3 9 3 3 9 8 . [ 4 ]G u e n t e r P r i t s c h o w,N i k o C r o o n .B a l l s c r e w d ri v e s w i t h e n h a n c e d b a n d w i d t h b y m o d i fi c a t i o n o f t h e a x i a l b e a ri n g [ J ] . C I R P A n n al s - M a n u f a c t u ri n g T e c h n o l o g y ,2 0 1 3 , 6 21 3 8 33 8 6 . [ 5 ]廖伟强, 何佳兵 , 李丽秀, 等.步进电机驱动滚珠丝杆传 动分析与应用[ J ] .机械传动, 2 0 1 4 , 3 8 1 2 1 7 11 7 3 . [ 6 ]刘媛媛, 张如萍, 张正和, 等. 基于伺服电机和 P L C的工作 台运动控制[ J ] . 机械工程与自动化, 2 0 1 2 4 1 2 61 2 8 . [ 7 ]刘颖君, 郭伟越.西门子 MA P库在三轴机械手定位控制 中的应用[ J ] . 装备制造技术 , 2 0 1 3 4 7 3 7 4 . [ 8 ]王莉莉. 基于 P L C控制的气动搬运机械手系统设计[ J ] . 电子科技 , 2 0 1 3 , 2 6 4 5 05 2 . [ 9 ]李继中.数控机床螺距误差补偿与分析[ J ] . 组合机床与 自动化加工技术 , 2 0 1 0 2 9 81 0 1 . [ 1 O ]刘焕牢.数控机床螺距误差 自动补偿技术[ J ] . 工具技 术 , 2 0 0 4 7 4 2 4 3 . 编辑李秀敏
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