基于PLC和伺服电机的精密定位技术研究

1、传感器与微系统(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300072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PLC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

2、校正中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号: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

6、觉检测以非接触、高精度、便于实现自动检测等特点1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2。相比之下,用可编程序逻辑控制器(PLC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3,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,PLC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PLC稳定可靠的优势。难点在于能否达到要求的控制精

7、度。本文采用PLC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CCD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1。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。PC机为系统的主控制器,为人机信息交互接口。PLC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(60个中,测量时,PLC控制交流伺服电机,驱动二维工作台移动,带动CCD相机定位在载物台上

8、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PLC进行下一步操作。收稿日期:2010 04 06*基金项目:国家高档数控机床科技重大专项计划资助项目(2009ZX04014 092 64第12期 龙国煊,等:基于PLC和伺服电机的精密定位技术研究 图1 检测仪系统组成F ig1 Compositi on o fm ea s ure m ent s y ste m测量时要求每一点定位完成后,X,Y方向上相机光学中心与圆孔中心的偏差不超过50 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15 m,工作台与载物台安装误差最大15

9、 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20 m。2 工作台驱动系统设计工作台采用导程为5mm无间隙精密丝杠和精度为P5级滚动轴承;PLC为西门子S7 200系列CPU224CN型;伺服驱动器选用松下M INA S A4系列;交流伺服电机为松下M S M D012P1U型。驱动系统设计主要包括PLC与驱动器的硬件连接、PLC控制程序设计、PLC通信设计和驱动器参数设置。2.1 硬件连接这里用PLC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4。工作台的X,Y 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PLC的I/O口与驱动器的控制I/O接口

10、的连接。驱动器使用到的控制I/O口有:脉冲输入(PULS,电机方向控制(S I GN,计数器清零(CL与脉冲静止输入(I NH4个输入口,伺服准备结束(S RDY,伺服警报(ALM与定位结束(CO IN3个输出口。脉冲输入接到PLC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PLC输入口和驱动器的正负限位输入(C W L和CC W L中,作为工作台保险和复位之用。PLC总需8路输出和10路输入,每个伺服驱动器的控制线使用9路。PLC剩下的I/O用来控制其他对象。2.2 PLC程序设计PLC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

11、量模式PLC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。CPU224CN型PLC可以通过Q0.0和Q0.1输出最高频率达20k H z的PTO或P WM脉冲信号,不受CPU扫描式工作方式的影响2。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 M B67和S M B77控制,通过S MW68S M D172和S MW78S M D172设图2 PLC程序流程图Fig2 F low chart of PLC programm i ng定脉冲参数,通过S M B66和S M B76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

12、的参数通过特殊寄存器在PLC的V存储区中设置,当执行脉冲输出指令PLS时,CPU自动读取V存储区中多段脉冲的参数后输出脉冲。PLC通过端口Q0.0和Q0.1分别给工作台X,Y方向的驱动器输出频率为20k H z的PTO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 PLC与PC通信设计考虑到仪器成本和设计的灵活性,PLC采用灵活方便的自由口通信方式,PC用VC+6.0的W I N32AP I串口通信函数,完成计算机与西门子PLC的通信系统设计5。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99.999%高精度检错能力的CRC校验

13、,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F ig3 F l ow chart of comm unica tion2.4 驱动器设置松下M I NA S A系列交流伺服驱动器可以接收最高2M pps的外部脉冲输入。有位置控制、速度控制、转矩控制65传感器与微系统 第29卷和全闭环控制4种工作模式6。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 .02=0:位置控制模式;P r .04=0,Pr .66=1:行程限位开关有效;P r .41=0,P r .42=3:指令脉冲和指令方向的组合方式;P r .43=0:禁止外部脉冲输入有效;P r .4E =0:允许

14、偏差计数器清零;P r .48-4B 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10000个脉冲。与工作台移动距离的关系为1个脉冲对应0.5 m 的移动量。3 零点校正方法设计1,6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50 m 。如图4所示,每次测量60个为一批,O 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0.1mm,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

15、精度,这里利用检测仪自身的高精度CCD 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Fig 4 P ri nciple of zero point cali brati on如图中,在待定位阵列点区域(点160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B 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PLC ,然后,在B 1段进行位移补偿。每一批测量完成后回到O 点,等待下一批测量。.在圆心偏差为0.1mm 内,图像处理中圆心拟合误差为3 m,在B 1,可以实现最小一个脉冲(0.5 m 的补偿,不受三段式脉冲控制中电机

16、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 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100mm ,任选靠近电机侧的一点为测量起点(0mm 点,每移动20mm(对应PLC 40000个脉冲用双频激光测量仪测量一次,正向(0100mm 测完6个点后,依次反向(1000mm 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PLC 脉冲补偿后X 轴(Y 轴只给结果的实验数据处理结果如表1。表1 X 轴实验数据Tab 1 Experi m en

17、tal data of X ax i s目标位置(mm移动方向平均偏差X ( m标准偏差S i( mX i -2S i ( mX i +2S i ( m重复定位精度( 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从表1中可以得出,工作台定位精度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 .单向重复定位精度为6R =(4S i ma x =(R i m ax =4.9 m .Y 轴补偿线性误差后定位精度为7.2 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10 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PLC 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