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應(yīng)用設(shè)計(jì)

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ADT-MC020在全閉環(huán)激光打標(biāo)系統(tǒng)中的應(yīng)用

ADT-MC020在全閉環(huán)激光打標(biāo)系統(tǒng)中的應(yīng)用

[摘 要]∶本文介紹了基于ADT-MC020嵌入式數(shù)控控制器通過(guò)串口和PC機(jī)通信,設(shè)計(jì)通過(guò)光柵尺反饋的雙閉環(huán)控制系統(tǒng),分析了精確定位誤差的原因及其解決方法。該系統(tǒng)已用于游標(biāo)卡尺激光打標(biāo)和精確送料裝置中。
[關(guān)鍵詞]∶嵌入式 MC020 串口通信 光柵尺 雙閉環(huán) 伺服 精確定位 激光打標(biāo)


1 引言
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展,嵌入式控制系統(tǒng)作為裝備工業(yè)的大腦快速地被應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)中。
嵌入式控制系統(tǒng)由于其體積小、性價(jià)比高、針對(duì)性強(qiáng)、抗干擾能力好等特點(diǎn)快速不斷地進(jìn)入了數(shù)控行業(yè)各個(gè)領(lǐng)域。
游標(biāo)卡尺由于是一種精密地測(cè)量?jī)x器,那么其生產(chǎn)的廠家對(duì)卡游標(biāo)尺本身的刻度打標(biāo)要求就非常高?,F(xiàn)代化生產(chǎn)中必須要考慮生產(chǎn)效率,而生產(chǎn)效率又與操作方便、生產(chǎn)速度等因素相關(guān)。本文設(shè)計(jì)了采用PC機(jī)上位機(jī)發(fā)控制指令,下位機(jī)是ADT-MC020嵌入式數(shù)控控制器控制伺服加光柵尺的雙閉環(huán)控制系統(tǒng),滿足了以上要求。

2 工作原理
首先在上位機(jī)(PC機(jī),以下稱上位機(jī))編輯好要加工的數(shù)據(jù)文件,然后通過(guò)上位機(jī)的串口向下位機(jī)(MC020嵌入式控制器,以下稱下位機(jī))發(fā)送指令,下位機(jī)接收到正確的指令后,開(kāi)始向伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令,當(dāng)伺服運(yùn)行到位后,下位機(jī)通知上位機(jī)繼續(xù)發(fā)下一個(gè)命令,以此循環(huán)。

工作流程圖如圖1所示。



3 游標(biāo)卡尺激光打標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
(1) 上位機(jī)系統(tǒng)
上位機(jī)控制系統(tǒng)是由VC開(kāi)發(fā)的控制軟件,在上位機(jī)上可以按使用者的要求,先通過(guò)一些簡(jiǎn)單的設(shè)定,系統(tǒng)便可以生成需要的圖形。比如卡尺刻度之間的間隔,激光打的刻度線的長(zhǎng)短,工制還是英制或兩者都有。生成好圖形客戶可以先預(yù)覽,看是否滿足要求。
在選擇好循環(huán)打標(biāo)或單次打標(biāo)后,按開(kāi)始按鈕后,計(jì)算機(jī)便通過(guò)串口發(fā)出規(guī)原點(diǎn)命令,下位機(jī)接收到回原點(diǎn)命令后,馬上執(zhí)行回原點(diǎn)的任務(wù),當(dāng)回到原點(diǎn)后,發(fā)信號(hào)給上位機(jī),上位機(jī)馬上控制振鏡和激光發(fā)生器打出0刻度線(刻度線的長(zhǎng)短在上面生成的圖形中已經(jīng)規(guī)定),等打完0刻度線后,上位機(jī)馬上發(fā)出再走一個(gè)刻度的命令,在下位機(jī)通過(guò)一系列的調(diào)整,保證精度后,重復(fù)上面的動(dòng)作。
整個(gè)系統(tǒng)控制流程結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。


圖2 控制流程結(jié)構(gòu)圖
(2) 串口通信
① 串口通信協(xié)議
通信協(xié)議是指通信雙方共同遵守的交換數(shù)據(jù)的格式。現(xiàn)在我們制定的通信協(xié)議只需考慮信息在線路中的傳輸規(guī)則。
本文所使用的串口通信協(xié)議如表1所示。這樣上、下位機(jī)的相互通信就得以實(shí)現(xiàn)。


 表1 通信協(xié)議幀格式
② 串口通信的程序流程圖如圖3所示。
本系統(tǒng)中,上位機(jī)在得到按鈕信號(hào)或得到下位機(jī)發(fā)回到位得信號(hào),上位機(jī)就可以隨時(shí)發(fā)出讓下位機(jī)執(zhí)行的指令;而上位機(jī)接收下位機(jī)指令是采用查詢的方式,看下位機(jī)是否有給它發(fā)新信息;
下位機(jī)MC020接收和發(fā)送信息都是利用串口中斷,當(dāng)自己接收到新信息或要向上位機(jī)發(fā)送新信息,都將進(jìn)入串口中斷服務(wù)子程序。這樣利用中斷處理異步事件,使之與上位機(jī)收、發(fā)信息同步,而又不影響做其他工作。


圖3 串口通信流程圖
(3) 下位機(jī)系統(tǒng)
下位機(jī)是本系統(tǒng)中精度的控制者和保證者,它關(guān)系到游標(biāo)卡尺最后打標(biāo)是否合格。
如圖2所示,首先下位機(jī)在接收到上位機(jī)的位置命令后,經(jīng)過(guò)校驗(yàn)和處理發(fā)給了伺服驅(qū)動(dòng)器,伺服設(shè)成位置控制模式,伺服電機(jī)本身帶有光電編碼器,它會(huì)反饋伺服電機(jī)走的位置是否與下位機(jī)的給定值相等,進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié),這便構(gòu)成了位置環(huán)1。但位置環(huán)1只是反應(yīng)了伺服走的位置,也就是伺服電機(jī)轉(zhuǎn)的圈數(shù),但如果絲桿、導(dǎo)軌等有誤差,就不能反應(yīng)出來(lái),即不能反應(yīng)目標(biāo)位置的最終情況,所以位置環(huán)1只是半閉環(huán)。
加上光柵尺檢測(cè)目標(biāo)的最后位置,并把這個(gè)位置反饋給下位機(jī)MC020控制器,MC020再與上位機(jī)的給定位置值進(jìn)行比較,再次進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié),這樣構(gòu)成了位置環(huán)2,最終使目標(biāo)達(dá)到上位機(jī)給定的命令值的位置,從而完成精確定位。
游標(biāo)卡尺打標(biāo)的雙環(huán)精確定位流程圖如圖4所示。


圖4 雙位置環(huán)定位程序流程圖

4 位置誤差產(chǎn)生原因及解決方案
(1) 原點(diǎn)誤差
運(yùn)動(dòng)控制中,現(xiàn)在很多機(jī)器上安裝的原點(diǎn)開(kāi)關(guān)一般是機(jī)械式的或光電開(kāi)關(guān),機(jī)械開(kāi)關(guān)本身有一定的彈性變形范圍,而且用久了后彈片的彈性系數(shù)和機(jī)械磨損帶來(lái)的位置偏差都將發(fā)生變化;光電感應(yīng)開(kāi)關(guān)本身有一定的感應(yīng)范圍,即左邊沿到右邊沿的范圍;而每次電機(jī)以一定的速度回到原點(diǎn)時(shí),在其慣性的作用下不可能剛好停在開(kāi)關(guān)的感應(yīng)邊沿上。
基于以上原因,我們可以讓電機(jī)先以一個(gè)較高的速度回到原點(diǎn)開(kāi)關(guān)的感應(yīng)范圍內(nèi),再讓電機(jī)以一個(gè)較低的速度向離開(kāi)原點(diǎn)的方向走,下位機(jī)控制器實(shí)時(shí)檢測(cè),當(dāng)發(fā)現(xiàn)電機(jī)一離開(kāi)原點(diǎn)開(kāi)關(guān)馬上停止;接著讓電機(jī)以一個(gè)很低的速度向原點(diǎn)開(kāi)關(guān)的方向走,下位機(jī)控制器實(shí)時(shí)檢測(cè),當(dāng)發(fā)現(xiàn)電機(jī)一碰到原點(diǎn)開(kāi)關(guān)馬上停下來(lái)。
用以上方法,既可以讓電機(jī)以高速回零,提高效率,又保證將每次回零的誤差降到最低。而對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)講,每次打標(biāo)的起點(diǎn)都一致。
(2) 控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器脈沖匹配產(chǎn)生的誤差
下位機(jī)控制器把位置值按脈沖的個(gè)數(shù)發(fā)給執(zhí)行單元伺服驅(qū)動(dòng)器的寄存器中,但伺服電機(jī)以不同的速度走,走完所有的脈沖所用的時(shí)間就不同,如果在伺服電機(jī)還沒(méi)真正停穩(wěn)的時(shí)候去讀光柵尺檢測(cè)的實(shí)際位置值,再把這個(gè)偏差發(fā)給伺服,伺服降超過(guò)命令給定值。
而且由于伺服沒(méi)真正的停下來(lái),這時(shí)去檢測(cè),可能檢測(cè)的是一個(gè)中間值,而這個(gè)中間值有可能就在精度要求的范圍內(nèi),進(jìn)而控制器跳出對(duì)精度的調(diào)整,但伺服電機(jī)還在走,當(dāng)其真正停下來(lái)時(shí)位置勢(shì)必引起偏差。

基于以上原因,基本可用兩種方法解決。第一,可以用伺服驅(qū)動(dòng)器上的定位完成信號(hào)輸出給下位機(jī)控制器,讓下位機(jī)控制器知道下面伺服真正走到位了。但要注意:很多伺服驅(qū)動(dòng)器并不是等所有的脈沖都發(fā)完才輸出這個(gè)信號(hào),而是當(dāng)達(dá)到一定脈沖數(shù)時(shí)就輸出此信號(hào),所以必須把伺服驅(qū)動(dòng)器中此控制定位完成的脈沖數(shù)調(diào)到一個(gè)恰當(dāng)值。第二,就是給電機(jī)發(fā)了校正脈沖后適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)一段時(shí)間,延時(shí)后再去檢測(cè)光柵尺的實(shí)際位置,然后再去校正。
由于游標(biāo)卡尺打標(biāo)本身要求精度高,如果電機(jī)多走出幾個(gè)脈沖,那它的偏差就多幾個(gè)μm,是不允許的,所以必須控制好偏差的調(diào)節(jié)。
(3) 光柵尺的安裝即環(huán)境溫度造成的讀數(shù)誤差
本系統(tǒng)的精度就是依靠光柵尺做最后保證,那光柵尺本身的精度就至關(guān)重要。首先光柵尺的安裝要保持光柵尺內(nèi)部的玻璃刻線條與運(yùn)行的導(dǎo)軌平行,光柵尺的讀數(shù)滑塊連的運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)的運(yùn)行軌道要與光柵尺內(nèi)部的玻璃刻線條保持平行。而支撐滑臺(tái)的導(dǎo)軌和絲桿本身的質(zhì)量自然也要有保證。
令一個(gè)方面就是環(huán)境溫度對(duì)最后測(cè)量的影響,由于溫度的變化會(huì)造成光柵尺內(nèi)部玻璃刻線條的熱脹冷縮的變化,以致造成最后讀書(shū)偏差。所以一定的溫度。

5 結(jié)束語(yǔ)
  隨著國(guó)家制造業(yè)的不斷發(fā)展,對(duì)國(guó)家的裝備業(yè)要求也越來(lái)越高,尤其在快速定位和精度要求較高的系統(tǒng)中,對(duì)定位精度就提出更高的要求。本設(shè)計(jì)方案在游標(biāo)卡尺激光打標(biāo)中獲得了成功應(yīng)用。
參考文獻(xiàn):
【1】 徐建軍主編。MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用及接口技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2003。
【2】 郭慶鼎,王成元。交流伺服系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社。1996。
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