基于PLC伺服电机的精确定位系统应用研究

1、精选文档基于PLC伺服电机的精确定位系统应用争辩摘要：在PLC伺服发电机传统的零点定位中，往往会消灭计算的偏差以及定位的精确度失灵，因此需要接受合理方法提升其定位精度。本文针对于实际应用中对于伺服电机的对于平面具体坐标的精确把握监控，争辩了利用PLC为主导的帮助伺服电机的平面运动把握，在成本上尽可能地削减，提高定位的精度以及实现了低速渐变的把握。通过视觉检测的特征分析直接对仪器进行校正，不仅在把握的便利性上大大提高，而且也对精度进行了极大的提高，从而全面的推动了伺服发电机的精确定位系统的进一步延长与进展。关键词：PLC;精确定位系统；视觉检测；伺服电机1 引言在一些精密机械工业的生产中，精确性

2、是影响产品质量和产量的主要因素，尤其是在机械表，仪表等大量使用细小精密的零件的加工行业中，如何对细小零件的组装位置进行入微细致的检测始终是一个较大的难题。为了实现精密工业的产量提高，在精密机械的生产环节中引入自动检测环节成了争辩的主要着力点，在这之中引入了基于PLC的伺服电机精确定位系统来实现这一主要功能。华南理工高校的阮安正教授在浅析工业基于PLC的伺服电机定位运动一文中对与当前国内外的PLC伺服电机定位系统进行了简要的分析，在近些年国家的大力号召下，制造业进行了全面的产业升级，机器渐渐代替过去的人力在工业中扮演着重要的作用，广泛地应用于电机和其他动力系统的把握。而在国际上的一些学术期刊中则

3、是大多对于松下，三菱，西门子几家公司所生产的PLC为主要的试验对象，重点对于基于PLC的伺服电机精确定位系统对于精度，成本，效率等标准争辩进行了深化的争辩，而在结构上较为墨守成规【2】。外对于钢坯标识系统的开发争辩进行的比较早，技术比较先进，产品比较成熟，设备自动化的程度也比较高。目前在钢坯标识领域占有确定优势的企奥地利的NUMTEC公司早在2004年推出了可以进行定位的伺服发电机，它作为一个单体标识设备，操作较为简洁，只需要在液晶把握面板上设置相应的参数即可工作，缩短了工程人员现场调试时间，节省了大量的人力物力【3】本文接受了PLC为主导帮助伺服电机来实现一种精确定位系统可用于精密工业，实现

4、在低速的环境下对于精度的精确把握的低成本平面运动工作台的可行性争辩和设计，在精度的要求上以微米级为主要的实现目标。在具体的研制过程中引入了视觉检测技术，使用了具有高精度的CDD相机来完成对于精密零件的视觉采集，通过事先设置的多个参考点定位特征点来进行检测修正，实现检测环节的自动化设计3。2 争辩方法2.1 系统结构设计检测系统的具体结构由图1所示。在系统的主要把握位置上接受的是计算机来进行系统和用户之间的主要交互接口，完成系统对用户命令的理解和用户对系统状态的了解。PLC在系统中完成对运动系统的主要把握，主要是对其下两个伺服电机进行规律把握。在检测时，将待测的零件置于载物台上的60个矩阵孔中。

5、开头测量时，伺服电机在PLC的把握下驱动工作台进行平面上的二维移动，其上的CDD照相机就能在电机的带动下对载物台上的每个零件进行定位4，一旦定位，就会完成相机对每个零件进行图像的采集，并将采集到的图像发送给PC端进行图像的处理工作，由PC程序推断零件是否符合要求，并完成对PLC下一步运动命令的指示。在对每个零件进行定位时候要求工作台对于零件做到精确定位的要求，相机的焦点中心和矩阵孔的中心小孔在X,Y两个维度上的偏差不能超过±50um，一旦偏差过大，工作台会自动对相机的位置进行校正。对于矩阵孔和载物台的硬件误差要求上都不得超过15um，因此工作台的零点自动校正的误差加上其自身的定位精度

6、的误差不能超过20um。Fig. 1 mechanism diagram of inspection system2.2 工作台驱动系统设计与争辩工作台使用的丝杆为5mm导程无间隙型精密丝杆，滚动轴承接受P5精度级别。把握运动的PLC接受西门子生产的S7-200系列，CPU选用的是224CN型号。伺服电机驱动器接受的是松下制造的M NAS A4系列，而伺服电机本身的选用接受同公司生产的MSMD012PIU型号伺服电机5。整个驱动系统包括把握电路的硬件连接，PLC把握程序的规律设计，PLC与PC之间通讯设计，驱动器各项参数调整。是整个精度把握系统的核心环节，主要为PLC接收从PC出传送来的运动指

7、令，并在自身把握程序的运行下驱动电机将相机精确地移动到相应的X,Y坐标上，实现零件的精确定位功能。2.3 硬件的连接在使用时，使用PLC中的高速脉冲输出功能，协作伺服电机的中的位置把握模式来完成精确定位系统的具体实现。工作台上接受两个伺服电机来完成X，Y方向上的移动功能，每个伺服电机都配备电机驱动器用于完成PLC对其的驱动和把握6。PLC的I/O口与电机驱动器关于把握的I/O端口之间进行连接，具体端口列表如表1所示：Table 1 drive port tableEquipment Driver Port PLUS(Pulse input) SIGN(Motor direction contr

8、ol) CL（counter reset） NH（Pulse static input） S-RDY(End of servo) ALM（Servo alarm） CON（End of the positioning） CWL&CCWL(Positive and negative limit input) 驱动器的PLUS端口连接到PLC的Q0.0和Q0.1端口用于PLC对伺服电机的把握脉冲指令的发出。驱动器的CWL和CCWL端口以及PLC的输入口分别接到工作台两轴的两个限位开关上，使得工作台的启动和关闭具有保险和复位的功能。PLC的全部I/O端口包含有8个输出端口和10个输入端口，其

9、中两个电机驱动器分别使用9个端口，PLC多出来的端口用于其他模块的把握和沟通7。3 争辩与分析3.1 PLC程序设计PLC的主要程序为测量把握模块，其中还还包括在单件零件测量上消灭误差之后的自动校正程序以及用于与PC之间进行主从机通讯的通讯程序。以及检测仪的两种不同的工作模式。驱动器的输入输入端可以接收有PLC发送来的脉冲指令，实现PLC对电机驱动模块的把握信息传送，还能接收编码器发回的波形模拟信号的反馈信息。CPU224CN型的PLC具有自主的输出PTO以及PWN信号的功能，通过Q0.0以及Q0.1两个端口可以输出最高频率为20kHz的信号，并且不会受到CPU的不同工作方式的限制。这一功能在

10、对于各种电机的调速有用中得到了广泛的使用，对于直流和沟通电机的调压中也有不少的应用。PLC脉冲输出访用的寄存器包括SMB67和SMB77，脉冲参数的设置使用了SMW68SMD172以及SMW78SMD172来完成8。对于脉冲状态则是使用了SMB66和SMB76来进行脉冲状态的反应起到了对脉冲输出的检测作用。其中脉冲具有两种输出模式：单段式和多段式。多段式的脉冲指令为PLS，当CPU读取到相应的多段式指令时，就会自动地寻址到多段式的存储区中的参数，将参数送入CPU，多段式存储区利用PLC的V存储区来担当9。PLC的Q0.0和Q0.1口分别用于对两个相交方向上的电机的驱动器进行把握，对电机驱动器输

11、出PTO脉冲，使用的工作频率一般接受20kHz、三段式脉冲，使得工作台能够正常稳定地运作。PLC把握流程图如图2所示：Fig. 2 PLC control flow chart3.2PLC与PC的主从机通讯 在具体的把握程序设计中，为了使得系统的功能更加具有机敏性和可拓展性，同时尽量避开系统的简单化以及使用简单把握单元而引起的高成本的后果，使用了自由通讯的主从机通讯方式，将误差推断和把握运动的功能分别赐予PC和PLC两个规律单元去完成。PC端口通过调用串口通信函数WN 32 API来实现串口通信的功能，主要使用了较为基础同时也功能完善的C+语言进行编写，更便于适应基层的硬件结构，该函数能较好地

12、完成PC机与PLC之间的连接工作，实现主从机通讯。在机间通讯接受了数据帧形式进行信息的传递，并且接受了能极大程度避开数据帧出错的CRC循环校验法10，通过在数据帧的尾部加上一段适合长度的冗余校验码，就能避开接收端收下出错的数据帧，这种方法可以达到99.999%程度上的错误规避。同时在发生错误帧时设置一个错误重发机制，尽量削减数据帧的丢失。通讯程序如图3所示；Fig. 3 PLC and PC communication program structure3.3 驱动器设置驱动器接受了外部脉冲输入的方式进行信息的传入，试验中接受的MINA-S-A系列伺服电机驱动器是松下公司生产，能接收高达2Mp

13、p外部脉冲输入，分为4种工作模式，分别针对于速度、位置、转矩以及全封闭环境进行把握。在本次试验中主要接受了其对位置进行精确把握的功能来完成对于精确定位系统设计的争辩。表2是位置把握模式下各类参数的设置：Table 2 parameter settings for position control modePort Name Parameter EffectPr 02 Control mode 0 Position control mode Pr 04 Stroke limit switch 0 Stroke limit switch ON Pr 66 1 Pr 41 Combination 0

14、 Instruction and pulse direction Pr 42 3 Pr 43 External pulse input is prohibited 0 External pulse input is prohibited ON Pr-4E The deviation counter to be clear 0 Allow the deviation counter to be clear Pr 48-4B The external pulse input is divided Default Do not do multiple frequency processing 当外部

15、输入的外部脉冲达到10000个时，电机内部就完成了一圈的运动，与此同时，电机带动工作台上的电动轴完成了0.5um的位移量。因此可以通过对输入脉冲的精确把握从而实现对工作台上运动的精确把握。3.4 零点校正方法设计当测量过程中，发觉了检测仪上相机的焦点中心与矩阵孔的孔心之间的偏差在二维平面上均没有超过了50um则推断改点的位置合格没有消灭偏差。零点校正原理如图3所示：Fig. 3 principle of zero correction一个载物台的矩阵类一次可以检测60个零件，O点位置为工作台上的传感器开关位置，因此A点即为检测定位的起点位置。假如没有进行事先的零点校正，由于每次批量检测都会累积

16、一些微小的误差，一旦每次误差得不到准时的订正就会在最终影响到总误差的要求，而O点限位开关的精度只能达到0.1mm，不能为工作台的复位点供应参考值。为了保证每次测量前都能事先订正上次测量留下来的细小偏差，在每次检测前都由工作台带动检测仪上CCD相机对载物台的60个零件进行快速的扫描，从而进行预先的误差校正处理。如图3零点校正原理图所示，B点处于待测矩阵列之外，用于对圆孔中心的位置进行参考值得供应，每次测量时，CCD相机先在待测零件上方一次停留，用焦点中心模拟零件中心位置，同时将图像以及B点的参数一起传送给PC端进行误差的判定，PC端运行推断程序后将运动的把握指令返回给PLC，由PLC连续发送指令

17、驱动给电机驱动器去驱动电机在B点到待测零件段进行误差的调整。调整完毕后相机回到O点连续下一批零件的测量调整。当圆心满足偏差值小于0.1mm同时在PC端的图像处理时圆心的拟合误差为30um时，驱动器也能产生一个相当于0.5um的脉冲输入，从而不受到电机的最小启动电压的影响驱动电机进行误差的调整，实现了将定位精度以及调整精度延展到微米级以下的精度值设计。3.5试验数据分析 在试验中，为了证明工作台的精度调整的确达到了试验预先期望的精度水平，在试验中接受了辨别率为0.1um的双频激光测量仪来记录工作台每次移动的精度范围。工作台的运动轴的运动范围能为0100mm，在试验中，选取电机所在一侧为测量起点，

18、记录为零点，当PLC输出40 000个脉冲时，即工作台运动了20mm，激光测量仪就对运动轴位置进行一次采样记录，先进行正方向递增测量，采样0，20,40,60,80,100mm6个标本，再反方向递减测量采样同样数值的6个标本，一个采样10个来回共60个采样点数据，记录在PLC处理之后的运动轴误差补偿之后的X值数据，结果如表3所示：Table 3 experimental data of moving axleThe target location （mm） Direction of movement Deviation from the mean (µm) The standard

19、deviation Si(µm) i-2Si (µm) i+2Si (µm) Repeated positioning accuracy (µm) 0 + 0.8 1.2 -1.6 3.3 4.9 - 3.6 0.7 2.1 5.1 3.0 20 + 0.9 0.7 -0.4 2.2 2.6 - 4.1 1.2 1.6 6.5 4.9 40 + 0.6 1.2 -1.7 2.9 4.6 - 4.3 0.8 2.6 5.9 3.3 60 + -0.3 0.6 -1.6 0.9 2.5 - 2.9 0.2 2.4 3.4 1.0 80 + -1.7 0.4

20、-2.5 -1.0 1.5 - 1.4 0.2 1.1 1.7 0.6 100 + 0.6 0.4 -1.3 0.2 1.5 - 3.1 0.6 1.9 4.3 2.4 从表中的试验数据可以分析工作台的定位精确度，设工作台的定位精确度为A，则有以下式：A=maxXi+2Si （1）其中A为定位精确度Xi为测量中X轴的变化值。Si为试验定位精度的变化值。 其中一趟的试验定位精度为S，有如下式子： （2）在同样的试验条件下对Y轴进行相同试验分析可得，Y轴的A值为7.2um，S值为5.5um，综合试验的最初设想来看，工作台符合了将精度压缩在10um范围内的目标。4 结论 本设计中对于在低速环境下，具

21、有高精确度，低成本的基于PLC的伺服电机精确定位系统通过试验数据的论证和完备的设计过程，基本上满足了试验初期的设计要求。并且在相关的定位过程中引入了视觉检测技术，利用CCD相机的图像采集力量以及PC端对图像进行深度处理的功能，能够对零件的偏差条件有一个初步的判定，从而实现了独特的零点自动校正原理，来实现预先对于待测零件的零点校正，使零件在移动的过程中能事先对误差进行修正。目前伺服发电机在各行业中都已经开头了较为广泛的应用，而与此同时有关于伺服发电机的精准定位系统的争辩也渐渐的提上了日程，在这一争辩过程中，只有充分调动伺服发电机的定位精确度，才可以全方位的提升伺服发电机的工作效率以及工作力量，在

22、此次的争辩中，我们将伺服发电机与计算机技术实现了再度的融合，更好地利用计算机技术推动伺服发电机的定位精确性提升，这种将PC的图像推断功能和PLC的运动把握分开的精确定位处理系统在将来的工业自动化制造和精密仪器制造行业将大有可为。参考文献1 Wang Z, Zhu W, Li W. Research on the Making and Transporting Device of Automatic Vegetable Pot Machine Based on PLCJ. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2017.2 Panwei

23、L I. Application of PLC-based Integral Separation PID Control System in Precision Straightening Hydraulic PressJ. Machine Tool & Hydraulics, 2015.3 Long H E, Polytechnic C A. Design of automatic welding system for irregular space curve based on S7-300 PLCJ. Modern Electronics Technique, 2015.4 Z

24、hang H, Mo C S. Research of the Simple Three Axis Numerical Control System Based on PLC and Touch ScreenJ. Sci-tech Innovation and Productivity, 2016.5 Ma X, Ding W, Yang F, et al. A positioning compatible multi-service transmission system based on the integration of VLC and PLCC/ Wireless Communications and Mobile Computing Conference. IEEE, 2015:480-484.6 CHEN Xi, HU Ya-qiao, CHAI Chen-chen. Design and Realization of Automatic Filling Sys