1、基于PLC伺服電機的精確定位系統應用研究摘要：在PLC伺服發電機傳統的零點定位中，往往會出現計算的偏差以及定位的準確度失靈，因此需要采用合理方法提升其定位精度。本文針對于實際應用中對于伺服電機的對于平面具體坐標的準確把握監控，研究了利用PLC為主導的輔助伺服電機的平面運動控制，在成本上盡可能地削減，提高定位的精度以及實現了低速漸變的控制。通過視覺檢測的特征分析直接對儀器進行校正，不僅在控制的便利性上大大提高，而且也對精度進行了極大的提高，從而全面的推動了伺服發電機的精確定位系統的進一步延伸與發展。關鍵詞：PLC;精確定位系統；視覺檢測；伺服電機1 引言在一些精密機械工業的生產中，精確性是影響產

2、品質量和產量的主要因素，尤其是在機械表，儀表等大量使用細小精密的零件的加工行業中，如何對細小零件的組裝位置進行入微細致的檢測始終是一個較大的難題。為了實現精密工業的產量提高，在精密機械的生產環節中引入自動檢測環節成了研究的主要著力點，在這之中引入了基于PLC的伺服電機精確定位系統來實現這一主要功能。華南理工大學的阮安正教授在淺析工業基于PLC的伺服電機定位運動一文中對與當前國內外的PLC伺服電機定位系統進行了簡要的分析，在近些年國家的大力號召下，制造業進行了全面的產業升級，機器逐漸代替過去的人力在工業中扮演著重要的作用，廣泛地應用于電機和其他動力系統的控制。而在國際上的一些學術期刊中則是大多對

3、于松下，三菱，西門子幾家公司所生產的PLC為主要的實驗對象，重點對于基于PLC的伺服電機精確定位系統對于精度，成本，效率等標準研究進行了深入的研究，而在結構上較為墨守成規【2】。外對于鋼坯標識系統的開發研究進行的比較早，技術比較先進，產品比較成熟，設備自動化的程度也比較高。目前在鋼坯標識領域占有絕對優勢的企奧地利的NUMTEC公司早在2004年推出了可以進行定位的伺服發電機，它作為一個單體標識設備，操作較為簡單，只需要在液晶控制面板上設置相應的參數即可工作，縮短了工程人員現場調試時間，節省了大量的人力物力【3】本文采用了PLC為主導輔助伺服電機來實現一種精確定位系統可用于精密工業，實現在低速的

4、環境下對于精度的精確控制的低成本平面運動工作臺的可行性研究和設計，在精度的要求上以微米級為主要的實現目標。在具體的研制過程中引入了視覺檢測技術，使用了具有高精度的CDD相機來完成對于精密零件的視覺采集，通過事先設置的多個參考點定位特征點來進行檢測修正，實現檢測環節的自動化設計2 / 153。2 研究方法2.1 系統結構設計檢測系統的具體結構由圖1所示。在系統的主要控制位置上采用的是計算機來進行系統和用戶之間的主要交互接口，完成系統對用戶命令的理解和用戶對系統狀態的了解。PLC在系統中完成對運動系統的主要控制，主要是對其下兩個伺服電機進行邏輯控制。在檢測時，將待測的零件置于載物臺上的60個矩陣孔

5、中。開始測量時，伺服電機在PLC的控制下驅動工作臺進行平面上的二維移動，其上的CDD照相機就能在電機的帶動下對載物臺上的每個零件進行定位4，一旦定位，就會完成相機對每個零件進行圖像的采集，并將采集到的圖像發送給PC端進行圖像的處理工作，由PC程序判斷零件是否符合要求，并完成對PLC下一步運動命令的指示。在對每個零件進行定位時候要求工作臺對于零件做到精確定位的要求，相機的焦點中心和矩陣孔的中心小孔在X,Y兩個維度上的偏差不能超過±50um，一旦偏差過大，工作臺會自動對相機的位置進行校正。對于矩陣孔和載物臺的硬件誤差要求上都不得超過15um，因此工作臺的零點自動校正的誤差加上其自身的定位

6、精度的誤差不能超過20um。Fig. 1 mechanism diagram of inspection system2.2 工作臺驅動系統設計與研究工作臺使用的絲桿為5mm導程無間隙型精密絲桿，滾動軸承采用P5精度級別。控制運動的PLC采用西門子生產的S7-200系列，CPU選用的是224CN型號。伺服電機驅動器采用的是松下制造的M NAS A4系列，而伺服電機本身的選用采用同公司生產的MSMD012PIU型號伺服電機5。整個驅動系統包括控制電路的硬件連接，PLC控制程序的邏輯設計，PLC與PC之間通訊設計，驅動器各項參數調整。是整個精度控制系統的核心環節，主要為PLC接收從PC出傳送來的運

7、動指令，并在自身控制程序的運行下驅動電機將相機精確地移動到相應的X,Y坐標上，實現零件的精確定位功能。2.3 硬件的連接在使用時，使用PLC中的高速脈沖輸出功能，配合伺服電機的中的位置控制模式來完成精確定位系統的具體實現。工作臺上采用兩個伺服電機來完成X，Y方向上的移動功能，每個伺服電機都配備電機驅動器用于完成PLC對其的驅動和控制6。PLC的I/O口與電機驅動器關于控制的I/O端口之間進行連接，具體端口列表如表1所示：Table 1 drive port tableEquipment Driver Port PLUS(Pulse input) SIGN(Motor direction con

8、trol) 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) 驅動器的PLUS端口連接到PLC的Q0.0和Q0.1端口用于PLC對伺服電機的控制脈沖指令的發出。驅動器的CWL和CCWL端口以及PLC的輸入口分別接到工作臺兩軸的兩個限位開關上，使得工作臺的啟動和關閉具有保險和復位的功能。PLC的全部I/O端口包含有8個輸出端口和10個輸入端口

9、，其中兩個電機驅動器分別使用9個端口，PLC多出來的端口用于其他模塊的控制和交流7。3 討論與分析3.1 PLC程序設計PLC的主要程序為測量控制模塊，其中還還包括在單件零件測量上出現誤差之后的自動校正程序以及用于與PC之間進行主從機通訊的通訊程序。以及檢測儀的兩種不同的工作模式。驅動器的輸入輸入端可以接收有PLC發送來的脈沖指令，實現PLC對電機驅動模塊的控制信息傳送，還能接收編碼器發回的波形模擬信號的反饋信息。CPU224CN型的PLC具有自主的輸出PTO以及PWN信號的功能，通過Q0.0以及Q0.1兩個端口可以輸出最高頻率為20kHz的信號，并且不會受到CPU的不同工作方式的限制。這一功

10、能在對于各種電機的調速實用中得到了廣泛的使用，對于直流和交流電機的調壓中也有不少的應用。PLC脈沖輸出使用的寄存器包括SMB67和SMB77，脈沖參數的設置使用了SMW68SMD172以及SMW78SMD172來完成8。對于脈沖狀態則是使用了SMB66和SMB76來進行脈沖狀態的反應起到了對脈沖輸出的檢測作用。其中脈沖具有兩種輸出模式：單段式和多段式。多段式的脈沖指令為PLS，當CPU讀取到相應的多段式指令時，就會自動地尋址到多段式的存儲區中的參數，將參數送入CPU，多段式存儲區利用PLC的V存儲區來擔任9。PLC的Q0.0和Q0.1口分別用于對兩個相交方向上的電機的驅動器進行控制，對電機驅動

11、器輸出PTO脈沖，使用的工作頻率一般采用20kHz、三段式脈沖，使得工作臺能夠正常穩定地運作。PLC控制流程圖如圖2所示：Fig. 2 PLC control flow chart3.2PLC與PC的主從機通訊 在具體的控制程序設計中，為了使得系統的功能更加具有靈活性和可拓展性，同時盡量避免系統的復雜化以及使用復雜控制單元而引起的高成本的后果，使用了自由通訊的主從機通訊方式，將誤差判斷和控制運動的功能分別給予PC和PLC兩個邏輯單元去完成。PC端口通過調用串口通信函數WN 32 API來實現串口通信的功能，主要使用了較為基礎同時也功能完善的C+語言進行編寫，更便于適應基層的硬件結構，該函數能較

12、好地完成PC機與PLC之間的連接工作，實現主從機通訊。在機間通訊采用了數據幀形式進行信息的傳遞，并且采用了能極大程度避免數據幀出錯的CRC循環校驗法10，通過在數據幀的尾部加上一段適合長度的冗余校驗碼，就能避免接收端收下出錯的數據幀，這種方法可以達到99.999%程度上的錯誤規避。同時在發生錯誤幀時設置一個錯誤重發機制，盡量減少數據幀的丟失。通訊程序如圖3所示；Fig. 3 PLC and PC communication program structure3.3 驅動器設置驅動器采用了外部脈沖輸入的方式進行信息的傳入，實驗中采用的MINA-S-A系列伺服電機驅動器是松下公司生產，能接收高達2

13、Mpp外部脈沖輸入，分為4種工作模式，分別針對于速度、位置、轉矩以及全封閉環境進行控制。在本次實驗中主要采用了其對位置進行精確控制的功能來完成對于精確定位系統設計的研究。表2是位置控制模式下各類參數的設置：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

14、 0 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 當

15、外部輸入的外部脈沖達到10000個時，電機內部就完成了一圈的運動，與此同時，電機帶動工作臺上的電動軸完成了0.5um的位移量。因此可以通過對輸入脈沖的精確控制從而實現對工作臺上運動的精確控制。3.4 零點校正方法設計當測量過程中，發現了檢測儀上相機的焦點中心與矩陣孔的孔心之間的偏差在二維平面上均沒有超過了50um則判斷改點的位置合格沒有出現偏差。零點校正原理如圖3所示：Fig. 3 principle of zero correction一個載物臺的矩陣類一次可以檢測60個零件，O點位置為工作臺上的傳感器開關位置，因此A點即為檢測定位的起點位置。如果沒有進行事先的零點校正，由于每次批量檢測都會

16、累積一些細微的誤差，一旦每次誤差得不到及時的糾正就會在最終影響到總誤差的要求，而O點限位開關的精度只能達到0.1mm，不能為工作臺的復位點提供參考值。為了保證每次測量前都能事先糾正上次測量留下來的細小偏差，在每次檢測前都由工作臺帶動檢測儀上CCD相機對載物臺的60個零件進行快速的掃描，從而進行預先的誤差校正處理。如圖3零點校正原理圖所示，B點處于待測矩陣列之外，用于對圓孔中心的位置進行參考值得提供，每次測量時，CCD相機先在待測零件上方一次停留，用焦點中心模擬零件中心位置，同時將圖像以及B點的參數一起傳送給PC端進行誤差的判定，PC端運行判斷程序后將運動的控制指令返回給PLC，由PLC繼續發送

17、指令驅動給電機驅動器去驅動電機在B點到待測零件段進行誤差的調整。調整完畢后相機回到O點繼續下一批零件的測量調整。當圓心滿足偏差值小于0.1mm同時在PC端的圖像處理時圓心的擬合誤差為30um時，驅動器也能產生一個相當于0.5um的脈沖輸入，從而不受到電機的最小啟動電壓的影響驅動電機進行誤差的調整，實現了將定位精度以及調整精度延展到微米級以下的精度值設計。3.5實驗數據分析 在實驗中，為了證明工作臺的精度調整確實達到了實驗預先期望的精度水平，在實驗中采用了分辨率為0.1um的雙頻激光測量儀來記錄工作臺每次移動的精度范圍。工作臺的運動軸的運動范圍能為0100mm，在實驗中，選取電機所在一側為測量起

18、點，記錄為零點，當PLC輸出40 000個脈沖時，即工作臺運動了20mm，激光測量儀就對運動軸位置進行一次采樣記錄，先進行正方向遞增測量，采樣0，20,40,60,80,100mm6個標本，再反方向遞減測量采樣同樣數值的6個標本，一個采樣10個來回共60個采樣點數據，記錄在PLC處理之后的運動軸誤差補償之后的X值數據，結果如表3所示：Table 3 experimental data of moving axleThe target location Direction of movementDeviation from the mean The standard deviation Si-2

19、Si (µm) i+2Si (µm) Repeated positioning accuracy （mm） (µm) i(µm) (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 從表中的實驗數據可以分析工作臺的定位精確度，設工作臺的定位精確度為A，則有以下式：A=maxXi+2Si （1）其中A為定位精確度Xi為測量中X軸的變化值。Si為實驗定位精度的變化值。 其中一趟的實驗定位精度為S，有如下式子： （2）在同樣的實驗條件下對Y軸進行相同實驗分析可得，Y軸的A值為7.2um，S值為5.5um，綜合實驗的最初設想來看，工作臺符合了將精度壓縮在10um范圍內的目標。4 結論 本設計中對于在低速環境下，

21、具有高精確度，低成本的基于PLC的伺服電機精確定位系統通過實驗數據的論證和完備的設計過程，基本上滿足了實驗初期的設計要求。并且在相關的定位過程中引入了視覺檢測技術，利用CCD相機的圖像采集能力以及PC端對圖像進行深度處理的功能，能夠對零件的偏差條件有一個初步的判定，從而實現了獨特的零點自動校正原理，來實現預先對于待測零件的零點校正，使零件在移動的過程中能事先對誤差進行修正。目前伺服發電機在各行業中都已經開始了較為廣泛的應用，而與此同時有關于伺服發電機的精準定位系統的研究也慢慢的提上了日程，在這一研究過程中，只有充分調動伺服發電機的定位準確度，才可以全方位的提升伺服發電機的工作效率以及工作能力，

22、在此次的研究中，我們將伺服發電機與計算機技術實現了再度的融合，更好地利用計算機技術推動伺服發電機的定位精確性提升，這種將PC的圖像判斷功能和PLC的運動控制分開的精確定位處理系統在未來的工業自動化制造和精密儀器制造行業將大有可為。參考文獻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

24、Zhang 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 Sy