彈性針布磨針機磨頭伺服位置自動控制系統研究
2017-5-27 來源：江南大學 輕工過程先進控制教育部重點實驗 作者：徐久益，惠晶，傅錫林
摘要：為了解決彈性針布磨針機磨頭手動調距操作復雜、定位尺寸精密度低的問題，提出應用伺服電機調距的新型磨頭位置自動控制系統，并介紹其結構、工作原理、硬件實現及軟件設計方法。指出：該系統采用 ＰＬＣ 作主控制器，伺服傳動系統作執行驅動機構，通過 ＰＬＣ 控制器與人機界面通信，實現了彈性針布與磨頭間距的柔性化調整；新系統定位精度達到１μｍ，并具有適應性強、操作簡單、產品質量好等優點。
關鍵詞：彈性針布；磨針機；ＰＬＣ；伺服；位置控制
彈性針布是梳理機用重要的梳理器材，關乎著梳理機的高產、高效與優質［１］，其質量一般由其平整度、銳利度、表面粗糙度、耐磨度和清晰度來評定，其中平整度和銳利度最為重要［２］。高精度的彈性針布磨針機是制造高質量彈性針布的保證，其磨礪尺寸的控制是生產彈性針布的重要環節［３］。
筆者介紹磨頭伺服位置控制系統，由伺服電機調節磨頭與針布間的距離，通過編寫位置控制算法，實現了磨頭位置尺寸的自動化控制，且系統定位過程操作簡單、控制精度高，對彈性針布有非常理想的磨礪效果，為整個彈性針布生產線的自動化控制創造了條件，有利于提高針布行業的整體水平。
１.磨頭位置自動控制系統的結構
磨針機磨頭位置自動控制系統結構如圖 １ 所示。系統采用 ＰＬＣ作控制核心，伺服電機作執行元件，脈沖旋轉編碼器（ＰＧ）作檢測元件，Ｅ－ＶＩＥＷ 型觸摸屏為人機界面，通過 ＦＸ２Ｎ－４８５－ＤＢ 型通訊擴展模塊實現系統信息交流。當磨針機磨頭位置確定時，由觸摸屏給定位置信號，ＰＬＣ 計算并輸出脈沖信號到伺服驅動器，伺服電機可根據脈沖量和脈沖頻率來調節磨頭的位移量，旋轉編碼器反饋當前位置信號到 ＰＬＣ，ＰＬＣ通過位置控制算法來改變其輸出脈沖，從而改變伺服電機的轉速，實現預定的運動軌跡。當定位完成時，伺服電機停止。
圖１ 磨頭位置自動控制系統
磨頭位置自動控制系統以磨針基準線為參考線，通過控制磨頭相對于基準線的位移量，精確控制磨頭砂輪和彈性針布之間的距離。錫林滾筒徑向是磨頭與彈性針布調距的移動方向，調距即磨頭沿導軌上的滾珠絲杠縱向移動，磨頭在縱向導軌上的位置只能在一定范圍內進行調節，即根據系統的需要設定磨頭起點、終點限位。為適應不同型號針布的磨礪加工要求，每次磨針結束后都需將磨頭手動復位。為避免伺服系統錯誤地發出定位完成信號，在定位過程中，ＰＬＣ 需連續３ 次讀出定位完成信號，才能判為定位完成。
１.１磨頭位置自動控制線性跟蹤
伺服系統在數控指令的控制下輸出位移、角度等運動信號，以實現預定的運動軌跡。伺服系統將被控對象的位置與目標位置間的距離保持在允許的偏差范圍之內，這種控制過程稱為位置自動控制 ＡＰＣ［４］。
在彈性針布磨針機控制系統中，磨頭縱向的位置控制主要是通過精確控制伺服電機轉速來實現。作者是按照梯形速度圖來實現速度控制的，如圖 ２所示。在理想情況下，反饋速度完全跟蹤命令速度，位置偏差量幾乎為零。在實際控制中，由于傳動裝置響應滯后等因素的影響，系統反饋速度會滯后于命令速度，導致位置偏差量增大；因此，在磨頭位置控制中加入速度前饋校正環節，通過調節速度前饋系數來減小跟蹤誤差。圖２為速度前饋校正前后速度曲線對比。
圖２ 速度前饋校正前后速度曲線對比
１．２ 磨頭位置自動控制理想模型
磨頭位置自動控制系統中，理想定位的要求是在最短時間內完成符合精度要求的定位動作。在磨針工序中要將精密度放在首位，即要求在最短的時間內完成最大控制精度的定位動作。磨頭位置自動控制系統理想定位過程如圖３所示 。設定位置偏差為Ｓ，初始位置偏差為Ｓ０，伺服
圖３ 磨頭位置自動控制系統理想定位過程
電機最大加速度為ａｍａｘ，最大速度為ｖｍａｘ。為了使磨頭裝置能夠盡快到達設定的位置，要盡量使磨頭裝置處于最大速度狀 態。為 了保證調 節時間盡量短，執行電機以最大加速度啟動，并以最大負加速度停機，從而使磨頭恰好停在目標位置。理想定位情況下，加速階段的速度為：
１.３ 新型位置控制算法
新型磨頭位置的控制要求定位精度高且不出現超調，系統可采用“分段減速控制”的方法實現該要求。在位置控制系統中，ＡＰＣ算法可簡單表示為：
越慢，加速度越大。實際上，調距過程中的一個重要內容就是整定減速點和減速點開始的減速曲線。在整定過程中，可根據磨削工藝要求的尺寸精度，定出控制的死區，即在達到死區的范圍時，輸出速度為零，使被控對象在慣性的情況下滑到精度區 Ｓ１，并在精度區的范圍內停下來，則 Ｓ１即系統規定的磨頭定位精度。通常這個工作需要結合實際自動位置控制的執行機構以及控制機構來完成。從圖４中可以看出，控制的關鍵在于２個減速點（Ｓ２，Ｓ３）和精度區Ｓ１的選取。
２.控制系統實現
２．１ 系統硬件設計
控制器 ＰＬＣ是整個磨頭控制系統的核心，其控制功能強、可靠性高、配置靈活、體積小、質量輕，而且使用方便，在我國已廣泛地應用于自動化控制的各個領域。ＰＬＣ接收現場各類操作指令、各種狀態信號的反饋 以 及 人 機 界 面 Ｅ－ＶＩＥＷ 的 實 時 參 數 設 定。ＰＬＣ上電時，其內部寄存器數值與特殊寄存器的功能進行初始化，將人機界面 Ｅ－ＶＩＥＷ 面板中設置的數據，通過 ＲＳ－４８５ 串口通訊改變 ＰＬＣ 內部寄存器值；再經 ＰＬＣ內部計算處理、通過 ＲＳ－４８５總線輸出給伺服驅動器；同時，伺服驅動器也將電機運行狀態經 ＲＳ－４８５總線傳遞給 ＰＬＣ。控制系統電氣原理如圖５所示。
通過計算，實際的輸入輸出量Ｉ／Ｏ 點數不超過３２點，因 此 可 以 選 擇 三 菱 系 列 的 ＦＸ２Ｎ－３２ＭＴ 型ＰＬＣ。ＦＸ２Ｎ－３２ＭＴ 型 ＰＬＣ 屬 于 晶體管 輸 出 型 ，它除具有一般邏輯控制與運算功能外，還具有高速脈沖計數輸入功能，ＰＬＳＹ 高速脈沖串直接輸出（Ｙ０、Ｙ１口）、ＲＡＭＰ 電機變頻軟啟動／軟制動及其它特殊處理 功 能，可以對伺服電機進行位置控制［５］。ＰＬＣ輸入端外部接線，如圖６所示。
通過分析可知，ＰＬＣ 的輸入需要占用１２個輸入端子，端子分類及其功能定義，見表１。磨頭裝置由高精度的交流伺服電機驅動，新型系 統選用安川公司制造的ＳＪＤＥ－０４ＡＰＡ型伺服驅
表１ ＰＬＣ輸入端子功能定義
動器及其相應的ＳＪＭＥ－０４ＡＭＡ 型伺服電機作為執行電機［６］。伺服驅動器設置為“位置控制”方式，指令脈沖輸入 方式采用 “ＳＩＧＮ＋ＰＬＵＳ”脈沖 信號形式，在控制方式上加入命令跟蹤控制與前饋校正控制，可以提高對輸入脈沖命令的響應速度，對輸入命令最大程度跟蹤，減小了位置偏差量。如果將電機軸與負載側的機械減速比設為 ｍ／ｎ，則可由下式求出電子齒數比的設定值：
文4
表２ 電子齒數比的設定
通過人機界面 Ｅ－ＶＩＥＷ，可利用 ＦＸ－ＰＣＳ－ＤＵ和 ＷＩＮ－Ｃ組態軟件設計主畫面、參數設定、狀態信息、報警信息和幫助等畫面。通過 ＲＳ－４２２ 與 ＰＬＣ通信，可對磨頭位置參數在線修改，當彈性針布尺寸規格改變時，通過觸摸屏就能調整不同針布對應的磨頭位置，而不需要調節任何機械結構，提高了系統的自動化程度和精密度。
２．２ 系統控制軟件設計
系統控 制軟件由 ３ 部分組 成，即 ＰＬＣ 控 制 程序、觸摸屏———ＰＬＣ 通訊程序和觸摸屏組態軟 件。因篇幅所限，在此僅給出 ＰＬＣ 控制系統流程圖，根據新型控制算法和磨頭位置控制系統的實際情況，設計的磨頭自動定位控制系統流程，如圖７所示。ＰＬＣ上電后，先初始化系統運行狀態和相關變量，然后進入主循環。在自動運行條件下，若檢測系統處于就緒狀態，則根據觸摸屏設定的位置值計算出所需的脈沖數，再通過編碼器反饋的信號讀出已運行的脈沖數，而 ＰＬＣ內部則計算出系統剩余的脈
圖７ 磨頭自動定位控制系統流程沖數。
當下壓裝置尚未處于定位位置附近時，根據剩余脈沖數來判斷系統是處于勻速段、第一減速段還是第二減速段，ＰＬＣ 則根據相應階段，發出相應頻率的脈沖；當處于定位位置附近時，為保證定位準確，系統需連續３次讀出定位完成信號，才能判為定位完成，然后系統清除偏移脈沖，程序停止運行。
３.結論
新型磨頭位置自動控制系統，代替手動調節磨頭橫移裝置來設定磨削間距的傳統模式，采用高性能ＰＬＣ及相關用戶軟件程序、高精度伺服電機位置控制，顯著提高了位置尺寸控制的精密度，并實現了磨削間距的柔性化調整 。新系統的尺寸控制精密度可達１μｍ，能夠滿足各尺寸規格彈性針布齒條的生產要求。
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