基于PLC和伺服电机的精密定位技术研究.pdf

6 4 传感器与微系统 T r a n s d u c e r a n d Mi c r o s y s t e m T e c h n o l o g i e s 2 0 1 0年 第 2 9卷 第 l 2期 基于 P L C和伺服 电机的精密定位技术研 究 龙 国煊 ，王仲 ，杨 纯 天 津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室 ， 天津 3 0 0 0 7 2 摘 要针对擒纵轮视觉检测仪中对平面阵列点精确定位的实际需求， 采用 P L C和交流伺服电机实现了 一 种低速 、 高定位精 度 、 低成 本的二维运动控制 ， 工作台定位精度达到微米量级 。结合视觉检测特点 ， 以视 觉参考特征点， 代替传统零点校正方法， 实现检测仪自动零点校正。该仪器已运行于工业现场。 关键词精密定位；可编程序逻辑控制器；视觉检测；交流伺服电机； 零点校正 中图分 类号 T P 2 7 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 - 9 7 8 7 2 0 1 0 1 2 - 0 0 6 4 - 0 3 ⋯n ●● ‘ -- l 0■1 t udy 0 t pr e c l s l O n pos i t i o ni ng t e c hno l og y ba S e n 0n PLC a n d s e r v o m o t o r LONG Gu n x u a n，W ANG Zh o n g，YANG Ch u n S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f P r e c i s i o n Me a s u r i n g T e c h n o l o g y a n d I n s t r u me n t s T i a n j i n U n i v e r s i t y ， T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 ， C h i n a Abs t r a c t As t he p l a na r a r r a y p o i n t s p o s i t i o n i n g r e q ue s t s t o b e pr e c i s e i n t h e e s c a p e wh e e l v i s i o n me a s ur e me n t s y s t e m， a l o w s p e e d， l o w C O S t ， t w o d i me n s i o n a l mo t i o n c o n t r o l p l a t f o r m w i t h h i g h p o s i t i o n i n g p r e c i s i o n i s r e a l i z e d， w h i c h i S s e e d b y P L C a n d AC s e o mo t o r ． T h e p r e c i s i o n o f t h e s e r v i c e p l a t f o r m c a n r e a c h t h e l e v e l o f mi c r o n ． Me a n wh i l e， c o n s i d e r i ng t h e f e a t u r e s i n v i s i o n me a s u r e me n t ， a me t ho d a d o pt i n g r e f e r e nc e c ha r a c t e r i s t i c po i n t i s u s e d， whi c h ma ke s t he p l a tfo r m ’S z e r o l i n e c a l i b r a t i n g a u t o ma t i c a l l y， i n s t e a d o f u s i n g t h e t r a d i t i o n a l z e r o l i ne c a l i b r a t i n g me t ho d ． At p r e s e n t ， t he i ns t r u me nt ha s b e e n o p e r a t e d i n t h e i n d us t r i a l f i e l d． Ke y wo r d sp r e c i s e p o s i t i o n i n g；PLC；v i s u a l i ns p e c t i o n；AC s e rvo mo t o r ；z e r o ～ po i n t c a l i b r a t i o n 0 引 言 在机械手表等精密机械制造行业， 需要对大批量的高 精度微型零件进行检测。目前行业内通用检测方法为依靠 传统投影仪， 人工目视评判。视觉检测以非接触、 高精度、 便于实现自动检测等特点⋯引人期待。擒纵轮视觉检测 仪是为高精度、 大批量 、 自动检测手表零件擒纵轮而研制 的。检测仪中的精密二维移 动工作 台为重要组成部 分 ， 本 文介绍一种低成本、 全自动、 高精度的二维控制系统设计。 多轴 、 复杂的运动控制 通常采用运 动控 制卡或 工控机 作为控制单元， 速度快， 精度高， 但成本高， 维护复杂 。 相 比之下 ， 用可编程序 逻辑控制 器 P I C 作 为运 动控 制单 元 ， 可 以完成对步进 电机 、 伺服 电机等的控制 ， 应用 在运 动相对简单、 速度较低的条件下， 具有成本低、 设计简单的 优势。同时， P L C还可作为仪器中非运 动控制的控制单 元， 简化仪器设计 ， 发挥 P L C稳定可靠的优势。难点在于 能否达到要求的控制精度 。 本文采用 P L C和交流伺服电机实现了一种低速 、 高精 度、 低成本的二维运动控制， 工作台定位达到微米级精度。 此外， 结合实际， 利用检测仪中用来采集微型零件图像的高 精度 C C D相机， 检测工作台上预置的特征参考点， 替代传 统使用机械零点开关或者光栅尺的方法， 实现了工作台的 自动零点校正功 能 。在保证精度 要求的前提 下， 充分利 用仪器本身资源 ， 节约成本。 1系统结构 擒纵轮视觉检测仪 系统组 成如图 1 所 示。P C机为系 统的主控制器， 为人 机信息 交互接 口。P L C为运 动控制系 统的控制单元， 控制2个交流伺服电机。被测零件摆放在 载物台的阵列孔 6 0个 中， 测量时， P L C控制交流伺服电 机 ， 驱动二维工作台移动， 带动 C C D相机定位在载物台上 阵列孔中每一个待测零件上方。定位完成后触发相机采集 图像 。计算机对 图像进行处理 ， 并判断零件是否合格 ， 通 知 P L C进行下一步操作。 收稿 日期 2 0 1 0 - 0 4 - 0 6 ％基金项 目 国家高档数控机床科技重大专项计划 资助项 目 2 0 0 9 Z X 0 4 0 1 4 -09 2 第 1 2期 龙国煊， 等 基于 P L C和伺服电机的精密定位技术研究 图 1 检测仪 系统组成 Fi g 1 Co mp o s i t i o n o f me a s ur e me nt s y s t e m 测量 时要求 每一点 定位完 成后 ， ， l ， 方 向上相机 光学 中心与圆孔中心的偏差不超过 5 0 m， 且系统要具有 自动零 点校正功能 。其 中 ， 阵列孔位置误 差最大 1 5 m， 工作 台与 载物台安装误差最大 1 5 m 所 以， 工作 台零 点校 正误差 和 工作台定位误差总和最大不能超过 2 0 m。 2 工作 台驱动 系统设计 工作台采用导程为 5 m m无 间隙精密丝 杠和精 度为 P 5 级滚动轴 承 ； P L C为西 门子 7 - 2 0 0系列 C P U 2 2 4 C N型 ； 伺 服驱动器选 用松下 MI N A S A 4系列 ； 交流伺 服 电机 为松 下 MS MD 0 1 2 P 1 U型。驱动系统设计主要包括 P L C与驱动器 的硬件连接、 P L C控制程序设计 、 P L C通信设计和驱动器参 数设 置。 2 ． 1 硬 件 连接 这里用 P L C的高速脉冲输 出功能和交流伺服 电机的位 置控制模式来设计工作台的驱动系统 。工作台的 ， l ， 2个方 向各使 用一个 驱 动器 和电机 ， 系统 的硬 件连 接主要 是 P L C的 I ／ 0口与驱动器的控制 I ／ 0接 口的连接 。驱动器 使用到 的控制 I ／ O 口有 脉 冲输入 P U L S ， 电机 方 向控制 S I G N ， 计数器清零 C L 与脉冲静止输入 I N H 4个输入 口， 伺服准备结束 S - R D Y ， 伺服警报 A L M 与定位结束 C O I N 3个输出口。脉冲输入接到 P L C的 Q0 ． 0和Q0 ． 1 ， 其他接到普通 I ／ O口。工作 台两轴各有 2个限位 开关连接 到 P L C输入 口和驱 动器 的正负 限位 输入 C WL和 C C WL 中， 作为 工 作 台 保 险 和 复位 之 用 。P L C总 需 8路 输 出 和 1 0路输入 ， 每个伺服驱 动器 的控制 线使 用 9路 。P L C剩 下 的 1 ／ O用来 控制其他对象 。 2 ． 2 P L C程序设计 P L C程序主要 由连续测 量控 制 、 单件 测量 控制 零点 校 正、 通信等部分组成。检测仪 2种测量模式 P L C的工作流 程 如图 2所示 。 驱动器可 以接 收外部 脉 冲指令输 入 和编 码器 反馈 的 方 波信号 。C P U 2 2 4 C N型 P L C可 以通过 Q O ． 0和 Q o ． 1 输 出 最高频率达 2 0 k H z的 P T O或 P WM脉冲信号， 不受 C P U扫 描 式工作方式 的影响 。广泛应用 于直流 、 交流 的调速 ， 调 压控制 中。脉冲输出功能分别 由特殊寄存器 S MB 6 7和 S MB 7 7控制 ， 通过 S MW6 8 一 S MD 1 7 2和 S M W7 8 ～ S MD 1 7 2设 塑 ● 囱 [ 一 接收 P C信息 二 判 断测 量模式 批量测量模式 二工二 零点校正 堑 型匡 丝 皇 童 焦I 叵匿 圃 ● Y 查亟卫 一 图 2 PLC程 序 流 程 图 F i g 2 Fl o w c h a r t o f PLC pr o g r a mm i n g 定脉冲参数 ， 通过 S MB 6 6和 S MB 7 6 监控脉 冲输 出状态 。脉 冲速率可采用单段式或多段式。多段式脉冲各段的参数通 过特殊寄存器在 P L C的 V存储区中设置 ， 当执行脉冲输出 指令 P L S时， C P U自动读取 V存储区中多段脉冲的参数后 输 出脉冲。 P L C通过端 口Q O ． 0和 Q O ． 1分别给工作台 ， l ， 方向的 驱动器输出频率为 2 0 k H z的 F F O脉冲。为使工作台平稳 移 动 ， 这里采用三段式脉 冲来控制伺服 电机 。 2 ． 3 P L C与 P C通信 设 计 考虑到仪器成本 和设计 的灵 活性 ， F L C采 用灵 活方便 的 自由 口通信方 式 ， P C用 V C 6 ． 0的 WI N 3 2 A P I串 口 通信 函数 ， 完成 计算 机 与西 门子 P L C的通 信 系统 设计 。 为克服信息 传输 中由于信 道本身的原因或周 围环境噪声 的 影响而导致的信息传输错误， 这里 ， 采用具有 9 9 ． 9 9 9％高 精度检错能力的 C R C校验， 并且建立检错重发机制。通信 流程如 图 3所示 。 图 3 通信流程图 Fi g 3 F l ow c h a r t o f c o mmun i c a t i o n 2． 4驱 动 器 设 置 松 下 MI N A S A系列 交 流 伺 服 驱 动器 可 以接 收 最 高 2 Mp p s 的外部脉冲输入。有位置控制、 速度控制 、 转矩控制 传 感 器 与 微 系 统 第 2 9卷 和全 闭环控制 4种工作模式 。 根据需要 ， 这里选用位置控制模式 ， 该模式参数设置如 下 P r ． 0 2O 位置控制模式 ； P r ． 0 4 0 ， P r ． 6 61 行程限位 开关有效 ； P r ． 4 1 0 ， P r ． 4 2 3 指令脉冲和指令方 向的组合 方式 ； P r ． 4 3 0 禁 止外部脉 冲输入有效 ； P r ． 4 E0 允许偏 差计数器清零 ； P r ． 4 8 --4 B为驱动器对外部输 入脉 冲进行分 倍频的参数设置， 这里采用默认值， 不做分倍频处理， 电机 每转一圈须外部输入 1 0 0 0 0个脉冲。与工作台移动距离的 关系为 1 个脉冲对应 0 ． 5 p , m的移 动量 。 3 零点校正方法设计 检测仪在测量过程 中 ， 每一点定位完成后 ， 要求 X， Y方 向上相机光学 中心与 圆孔 中心 偏差不超过 5 0 m。如 图 4 所示 ， 每次测量 6 0个为一批 ， 0点为工作台 限位 开关位置 ， A点为每批测量的起止位置 。如果 每一批测量 完成不进行 零点校正 ， 不断累积 的误差有 可能超过 总误差要 求。限位 开关的重复精度只有 0 ． 1 m m， 不能作为工作台复位的参考 点 。为保证工作 台在 每一批测 量 中都有 很好 的定位精度 ， 这里利用检测仪 自身的高精度 C C D相机， 在每一批测量之 前进行一次 自动快速的误差校正。 图 4零点 校 正 原 理 Fi g 4 Pr i n c i pl e o f z e r o p o i n t c a l i br a t i o n 如图 中， 在待定位阵列点 区域 点 1 6 0 外设一个位置 固定 的圆孔 B作特 征参考位置 。每一批 测量从 A点开 始 ， 在位置 采集 圆孔 图像 ， 图像经过计算机处理 ， 拟合 圆心后 计算偏差 ， 把偏差传 送给 P L C， 然 后 ， 在 B 一 1段进 行位移 补 偿。每一批测量完成后 回到 0点 ， 等待下一 批测量 。 ． 在 圆 心偏 差为 0 ． 1 m m内 ， 图像处理 中圆心 拟合误差 为 3 p , m， 在 B - 1 ， 可以实现最小一个脉冲 0 ． 5Ix n t 的补偿 ， 不受三段式 脉冲控 制 中电机最小 启动 量的影 响 ， 从 而提 高补偿 精度 。 实验表明 补偿后相机定位在 1 点的误差不超过5 m。 4 实验 与分析 为测定工作 台能否达 到预期 的精度要求 ， 用分 辨率为 0 ． 1 p u m 的双频激光测量仪来测量工 作台的移动精度 。工作 台每轴行程为 1 0 0 h i m， 任 选靠近 电机侧 的一点 为测 量起点 0 n l l n 点 ， 每移动2 0 r n m 对应 P L C 4 0 0 0 0个脉冲 用双频激 光测量仪测量一次， 正向 0 1 0 0 i n l n 测完 6个点后 ， 依次反 向 1 0 0 0 m m 测量 6个点 ， 往复测量 5次 。分别对每个点 5 次测量数据进行处理 ， 对丝杠线性误差进行 P L C脉冲补偿后 轴 Y轴只给结果 的实验数据处理结果如表 1 。 表 1 轴 实验数据 Ta b 1 Ex p e rime n t a l d a t a o fX- a x i s 目标位臂 r m m 平均偏 差 标 准偏差 s 一2 s x i 2 s i 重复定位 移动方 向 g- m g- m m g- m 精度 m 0 8 l 2 1 6 3 ． 3 4 9 3 6 0 7 2 l 5 l 3 ． 0 0 9 0 7 -0 4 2 2 2 6 4 l 1 2 1 ． 6 6 5 4 9 0 6 1 2 -1 7 2 9 4 ． 6 4 3 0 8 2 6 5． 9 3 ． 3 一0 3 0 6 1 6 0． 9 2 5 2 9 0 2 2 4 3 ． 4 1 ， 0 1 7 0 4 2 5 一 l 0 1 5 1 4 0 2 1 1 1 ． 7 0 ． 6 0 6 0 4 -1 3 0 2 1 ． 5 3 1 0 6 1 9 4 ． 3 2 4 从表 l中可以得出， 工作台定位精度 ] Am a x [ f 2 S f； I 2 S 』] 一 mi n [ X f- 2 S 1； 』- 2 S 』] 9 ． 0 Ix m ． 单 向重复定位精度为 R 4 5 ⋯ R ⋯ 4 ． 9 I．u m ． y轴补偿线性误差后定位精度为 7 ． 2 p , m， 重复定位精 度为 5 ． 5 m。从实验的结果可 以看 出 工作台精度达到 1 0 m以内， 满足设计要求。 5结束语 本文所设计的二维工作台已经应用在擒纵轮视觉检测 仪上进行 阵列点 的 自动定位 ， 定位精 度达到微 米级 的设计 要求 ， 系统运行稳定 。这 种采用 P L C和伺服 电机实现精 确 定位 的控制原理和利用视觉参考特征点进行零点校 正的方 法 ， 可以推广到其他精密视觉检测 系统 中， 具有较好 的应用 价值 。 参 考文献 [ 1 ] 刘一 凡． 基于 视 觉定 位 的微 小 芯片 插 片机 控制 系 统 的研 究[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 8 ， 3 6 1 1 9 4--9 6 ． [ 2] 陈兴平 ， 郝新， 张曾科 ， 等． 多轴运 动控制器及其应 用 [ J ] ． 仪器仪表学报 ， 2 0 0 1 ， 2 2 4 1 3 4--1 3 6 ． [ 3 ] 胡佳丽 ， 闫宝瑞 ， 张安震 ， 等． 7 - 2 0 0 P L C在 伺服电机位 置控 制 中的应用[ J ] ． 自动化仪表 ， 2 0 0 9 ， 3 0 1 2 3 8-- 4 1 ． [ 4 ] 冯奇斌 ． 一种用于尺寸测量 的数控二维测量 装置 [ J ] ． 合肥 工 业大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 0 ， 2 3 6 1 0 7 0--1 0 7 2 ． [ 5 ] 李现勇． V i s u a l C串 口通信技术与工 程实践[ M] ， 北京 人 民邮电出版社 ， 2 0 0 4 2 9 9--3 0 2 ． [ 6 ] C h e n S h a n g t i n g ， Q i a n X i a o y a o ， Z h o u Mi n g ． R e s e a r c h o f a u t o m a t i o n s t e e l t a p e me a s u r e me n t s y s t e m b a s e d o n P L C a n d c o mp u t e r v i s i o n t e c h n o l o g y [ C] ／ ／I E E E Wo r d C o n g r e s s o n S o ft w a r e E n g i n e c r i n g ， 2 0 0 9 2 5 1--2 5 4 ． [ 7 ] 周权． 擒纵轮 半 自动视觉 检测仪数控 系统 的研制 [ D] ． 天 津 天津大学 ， 2 0 0 8 6 ． 作者简介 龙 国煊 1 9 8 4一 ， 男 ， 侗族 ， 贵州天柱人 ， 硕士研究 生， 主要研 究方 向为 P L C控制技术 、 精密测控技术及仪器智能化 。 0 舯 ∞ ∞ 舯 ㈣