王智強(qiáng)，彭勇剛，韋 巍

(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州310027)

0 引言

精密注塑成型是用控制精密螺桿的運(yùn)動來間接控制模腔送料的速度和壓力，以確保成品的質(zhì)量。產(chǎn)品質(zhì)量不僅體現(xiàn)在外形尺寸上，同樣對制品的密度、應(yīng)力，以及表面都有相應(yīng)的要求。對于精密注塑機(jī)來說，位移控制無疑是最為重要的一部分，它直接影響塑料制品的質(zhì)量，而由其表征的速度也關(guān)系著制品的內(nèi)在品質(zhì)和生產(chǎn)效率。比如在射膠時，用于控制射膠螺桿的位移來控制熔融物料的用量，以保證精密注塑計(jì)量準(zhǔn)確;準(zhǔn)確控制開鎖模是精密注塑的必要條件，若位置不夠準(zhǔn)確，則可能產(chǎn)生不完全合模，不能完成注塑。此外，為了得到密度均勻，應(yīng)力小的塑料制品，必須嚴(yán)格控制速度來滿足注塑工藝要求［1］。如必須在熔融狀態(tài)將物料快速充滿整個模腔，如果此時射膠速度變慢，充模時間長，制品容易產(chǎn)生冷接縫，密度不均，應(yīng)力大等缺陷。但是，若是射膠速度過快，熔融物料容易在澆注口處形成不規(guī)則的流動，并造成空氣吸入和排氣不良等現(xiàn)象而直接影響制品的表面質(zhì)量。因此，有效控制注射位置及其表征的速度對于精密注塑來說是非常重要的。

然而，對于傳統(tǒng)的注塑機(jī)來說，位移傳感器往往采用電子尺，其原理與電位器相似，其結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，故廣泛用于注塑機(jī)上。但電子尺的參考電壓將直接影響信號精度，在注塑加工現(xiàn)場，會有復(fù)雜的電磁和電壓波動干擾，對測量精度影響甚大;另一方面，對于大型注塑機(jī)，須配備的電子尺必定很長，有的長達(dá)2500 mm，甚至更長。對于精密注塑機(jī)來說，位移控制精度要達(dá)到0.01～0.1 mm，這里以1000 mm的尺子為例，對應(yīng)電壓值為0.5 mV，這樣就提高了AD采樣分辨率的要求，增加了PCB布線的難度，同時對電源也提出了更高的要求。此外，傳統(tǒng)注塑機(jī)的位置尺還存在穩(wěn)定性差、重復(fù)性差、易磨損、安裝復(fù)雜等問題。因此，將非接觸式的磁致伸縮式位移傳感器應(yīng)用于注塑機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)大尺度范圍內(nèi)的精密測量，同時該傳感器還配備有CAN，SSI等數(shù)字接口，采用數(shù)字傳輸，最大程度上減少了精度在傳輸過程中的損失。

1 磁致伸縮測量原理

磁致伸縮技術(shù)原理如圖1，它利用2個不同的磁場相交產(chǎn)生一個應(yīng)變脈沖信號，然后，計(jì)算這個信號被探測所需要的時間周期，換算出準(zhǔn)確的絕對位置。這2個磁場一個來自傳感器外面的活動磁鐵，另一個來自傳感器頭部固有的電子部件產(chǎn)生的電流脈沖。當(dāng)2個磁場相遇時，所產(chǎn)生的一個應(yīng)變脈沖會以聲波的固定速度返回電子部件的感測線圈，通過測量電流脈沖從產(chǎn)生到感測到返回的應(yīng)變脈沖所需的時間，再乘以聲波的速度，便能準(zhǔn)確地計(jì)算出位置磁鐵的變動。利用此法所得的是絕對位置讀數(shù)，免除了放大器環(huán)節(jié)，因而不存在信號漂移或變值的情況，而且不需要定期重新標(biāo)定。同時，非接觸式的測量消除了機(jī)械磨損的問題，保證了最佳的重復(fù)性和持久性。此外，該傳感器非常適合在內(nèi)置高壓的液壓或氣動環(huán)境中使用，具有很強(qiáng)的抗震性能，且測量誤差最大為50μm，整體線性度不超過10μm，且采用數(shù)字接口傳輸，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性能。不僅如此，該傳感器兼具測量速度的功能，為注塑過程的速度控制提供了方便，并節(jié)省CPU的處理時間。

圖1 磁致伸縮原理Fig 1 Principle of magnetostrictive displacement sensor

2 系統(tǒng)總體框架與硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體框架

注塑機(jī)控制系統(tǒng)采用ARM+DSP雙核控制，ARM負(fù)責(zé)人機(jī)交互，DSP負(fù)責(zé)底層實(shí)際控制［2］。位移傳感器具有模擬電壓信號，SSI和CAN等數(shù)字接口，本系統(tǒng)采用CAN接口，使DSP與多路位移傳感器構(gòu)成CAN總線網(wǎng)絡(luò)，通過編程可以實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)的位移進(jìn)行定時采樣，設(shè)置零點(diǎn)等，為注塑機(jī)精密控制提供了足夠的采樣精度。

圖2為注塑機(jī)關(guān)于位置控制的系統(tǒng)框圖。位移傳感器將注塑過程中的位置、速度信號，如，開模位置、開模速度、射膠位置、射膠速度等轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過CAN接口送入DSP控制器。DSP將位置信號通過串口發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時顯示，同時，根據(jù)傳感器輸出的位移和速度數(shù)據(jù)，控制DA輸出和相應(yīng)的開關(guān)輸出，進(jìn)而改變液壓閥，從而達(dá)到位移和速度控制的目的。

圖2 注塑機(jī)位置控制系統(tǒng)Fig 2 Position control system for injection molding machine

本系統(tǒng)中的微處理器采用Ti的DSP和Atmel的ARM構(gòu)成上、下位機(jī)系統(tǒng)。下位機(jī)系統(tǒng)以高性能的DSP為核心控制器，主頻最高可達(dá)150 MHz，并通過16位AD，DA轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高精度、高速度。上位機(jī)系統(tǒng)以ARM為核心，提供鍵盤，顯示屏等人機(jī)接口，方便用戶操作。此外，系統(tǒng)外擴(kuò)以I2C接口的EEPROM用于存儲用戶數(shù)據(jù)和系統(tǒng)參數(shù)，包括位置傳感器零點(diǎn)、使用量程及其他注塑過程參數(shù)等，這些參數(shù)皆可以通過用戶界面進(jìn)行修改。

2.2 傳感器與控制器接口設(shè)計(jì)

傳感器與DSP采用CAN總線通信，如圖3所示。DSP中集成了CAN總線控制器，只需要設(shè)置1個CAN驅(qū)動器就可以和位移傳感器方便的互聯(lián)。

圖3 基于CAN總線的傳感器連接圖Fig 3 Connection diagram of sensors based on CAN bus

CAN總線是一種多主串行通信協(xié)議，具有很強(qiáng)的干擾能力，可以應(yīng)用在電磁干擾比較大的場合，非常適合工業(yè)現(xiàn)場［3］。它具有高級別的安全性，可以有效地支持分布式實(shí)時控制，通信速率最高可達(dá)1Mbps。CAN協(xié)議內(nèi)核CPK的功能主要有2個:根據(jù)CAN協(xié)議對總線上的接收到的信息進(jìn)行解碼，向接收緩沖器發(fā)送解碼后的消息，以及根據(jù)CAN協(xié)議對CPU需要發(fā)送的消息進(jìn)行編碼并通過發(fā)送緩沖發(fā)送出去。而消息控制器則是對接收緩沖器里的消息進(jìn)行判定，以決定是否把消息送給CPU還是直接丟棄。CAN 2.0總線規(guī)范定義了2種不同的數(shù)據(jù)格式，具有11位標(biāo)識符的標(biāo)準(zhǔn)幀和29位標(biāo)識符的擴(kuò)展幀。位移傳感器與DSP之間采用具有11位標(biāo)識符的標(biāo)準(zhǔn)幀傳送，其幀格式如表1所示。

表1 CAN數(shù)據(jù)幀格式Tab 1 CAN bus data frame format

1位起始域，11位標(biāo)識符(COB－ID)，1位遠(yuǎn)程傳送請求位，6位控制位構(gòu)成控制域，0～8個字節(jié)的數(shù)據(jù)域，其長度由控制位來決定，15位CRC校驗(yàn)碼構(gòu)成校驗(yàn)域，3位ACK構(gòu)成應(yīng)答域，以及7位0構(gòu)成結(jié)束域。

DSP具有32個郵箱用來收發(fā)數(shù)據(jù)，且每個郵箱都可以配置成發(fā)送或者接收方式，標(biāo)識符、幀數(shù)據(jù)長度都可以配置，同時還有一個可編程接收濾波器屏蔽寄存器，可以接收總線上具有不同標(biāo)識符的消息，兼具消息保護(hù)功能［4］。

2.3 CAN接口通信協(xié)議

DSP與傳感器構(gòu)成主從模式，通信數(shù)據(jù)主要有3種格式:網(wǎng)絡(luò)管理數(shù)據(jù)(network management，NMT)，服務(wù)數(shù)據(jù)對象(service data object，SDO)，過程數(shù)據(jù)對象(process data object，PDO)［5，6］。

NMT指的是DSP作為CAN網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器端，對傳感器等客戶端進(jìn)行控制的服務(wù)指令。所有基于CAN協(xié)議的客戶端都必須支持NMT服務(wù)，一個CAN網(wǎng)絡(luò)只能有一個NMT服務(wù)器，它可以對CAN網(wǎng)絡(luò)的任意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行啟動、停止、復(fù)位，或?qū)φ麄€網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行復(fù)位。除此之外，它還可以采用定期或者心跳功能對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)督，以保證各節(jié)點(diǎn)工作正常。其指令格式為COB－ID—CS—NodeID，依次代表的含義是，11位網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符，具體服務(wù)(如，啟動節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入預(yù)工作狀態(tài))，節(jié)點(diǎn)號(傳感器節(jié)點(diǎn)號，0表示對所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行操作)。例如:復(fù)位所有傳感器，指令則為0x000－0x01－0x0.

SDO的數(shù)據(jù)部分包含8個字節(jié)，主要是用來配置CAN網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)傳感器的的參數(shù)，如在CAN網(wǎng)絡(luò)中的傳感器的節(jié)點(diǎn)號、通信波特率，還有如位移傳感器的零點(diǎn)、最大值限位點(diǎn)、數(shù)據(jù)更新計(jì)數(shù)器等。除此之外，通過讀取相應(yīng)的SDO可以獲得傳感器本身的一些參數(shù)信息，如，位置采樣刻度、最低最高工作溫度等，這些參數(shù)都是只讀信息，不能更改。所有SDO都是基于傳感器的對象手冊(OD)，包含有index，subindex，type，default value，comment等內(nèi)容。OD 中含有很多參數(shù)，但是需要更改的很少，如，本系統(tǒng)中的傳感器僅僅用到設(shè)置零點(diǎn)，更新時間，節(jié)點(diǎn)ID，波特率。例如:對傳感器設(shè)置零點(diǎn)(傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)為1，由OD可知，零點(diǎn)數(shù)據(jù)的index為0x6010，subindex為0x01)，因此，指令代碼為COBID—Service—index—subindex—Data(4 個字節(jié))，即為0x601—0x23—0x10—0x60—0x01—Data(低字節(jié)在前)。

PDO過程數(shù)據(jù)對象，主要用來傳送實(shí)時的數(shù)據(jù)，如，本傳感器就可以實(shí)時的傳送當(dāng)前的位置、速度信息。其格式由傳感器定義，前4個字節(jié)構(gòu)成32位數(shù)，表示當(dāng)前的位置，第5，6個字節(jié)構(gòu)成16位的速度信息，第7個字節(jié)為狀態(tài)信息。要傳送PDO數(shù)據(jù)，這里有2種方法，第1種為同步方式，即主機(jī)發(fā)送COB－ID為0x80，數(shù)據(jù)長度為0的遠(yuǎn)程幀，從機(jī)回應(yīng)PDO數(shù)據(jù)。第2種是異步方式，即通過SDO設(shè)置計(jì)數(shù)器時間，然后啟動節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)就會定時向主機(jī)發(fā)送PDO數(shù)據(jù)。

3 基于傳感器的采樣程序設(shè)計(jì)

傳感器共有3種工作狀態(tài):初始狀態(tài)、預(yù)操作態(tài)、工作狀態(tài)。傳感器上電進(jìn)入初始狀態(tài)，從內(nèi)置的EEPROM中讀取其配置參數(shù)以進(jìn)入一個可知的狀態(tài)。當(dāng)所有參數(shù)均已完成初始化，則進(jìn)入預(yù)操作狀態(tài)，此時可以修改SDO參數(shù)，或者發(fā)送NMT啟動命令，使傳感器進(jìn)入工作狀態(tài)。當(dāng)傳感器進(jìn)入工作狀態(tài)就會向DSP定時發(fā)送數(shù)據(jù)，或者在收到DSP的遠(yuǎn)程同步幀后發(fā)送數(shù)據(jù)。由于注塑機(jī)的位置信號非常重要，其實(shí)時性也必須保證。因此，在程序設(shè)計(jì)時，必須實(shí)時取得當(dāng)前的準(zhǔn)確的位置信號，從而做出正確的判斷。注塑機(jī)各機(jī)構(gòu)中，只有開鎖模的移動速度最大，現(xiàn)今最快可達(dá)1 m/s，因此，為了配合CPU的速度和信號的實(shí)時性，采樣時間選擇為1 ms，可以將傳感器配置為異步方式，每1 ms向DSP傳送PDO的數(shù)據(jù)，DSP采用中斷的方式，實(shí)時地接收當(dāng)前的位置與速度信息，并用于注塑機(jī)的過程控制，同時將位置信息傳送給上位機(jī)實(shí)時顯示，軟件處理流程如圖4。

圖4 軟件流程圖Fig 4 Software flow chart

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用新型的傳感器與傳統(tǒng)電子尺在注塑機(jī)上進(jìn)行位移測量，對一個固定的位置以1ms的速度進(jìn)行采樣500次，圖5為磁致伸縮傳感器的位移測試結(jié)果，圖6為傳統(tǒng)傳感器的位移測試結(jié)果。這里僅以500 mm的電子尺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以看出:傳統(tǒng)的傳感器由于傳感器本身和電路設(shè)計(jì)，電源噪聲，放大器偏移，AD采樣精度損失等諸多因素，使得最終測量結(jié)果不很理想，誤差最大可達(dá)0.7 mm，若是尺子長度增加，誤差也會成倍增長。而基于磁致伸縮原理的傳感器因其省去了放大器，AD采樣等精度損失環(huán)節(jié)，同時傳感器自身具有很強(qiáng)的抗干擾能力，而且，采用CAN總線傳輸，減少了信號在轉(zhuǎn)換傳輸時的精度損失。從結(jié)果可以看出其采樣最大誤差僅為1個刻度，即5μm，具有很高的穩(wěn)定性和精確度。

5 結(jié)束語

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出:新型的傳感器具有較高的精度和穩(wěn)定性，適合用于精密注塑控制系統(tǒng)，且該傳感器有CAN總線數(shù)字接口，不但節(jié)省了許多信號處理環(huán)節(jié)，節(jié)省了許多硬件與軟件的消耗，同時也避免了由這些環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的誤差干擾，為精密注塑控制提供了良好的硬件平臺，為今后的算法設(shè)計(jì)提供了更多的基礎(chǔ)。

圖5 磁致伸縮傳感器采樣結(jié)果Fig 5 Sampling result of magnetostrictive displacement sensor

圖6 傳統(tǒng)傳感器采樣結(jié)果Fig 6 Sampling result of traditional displacement sensor

［1］鐘漢如.注塑機(jī)控制系統(tǒng)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［2］李軍生.基于DSP控制的液壓注塑機(jī)伺服控制系統(tǒng)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2009(6):143－147.

［3］劉立新.基于CAN總線的智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，2009(16):31－33.

［4］蘇奎峰，呂 強(qiáng)，耿慶峰，等.TMS320F2812原理與開發(fā)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［5］Boterenbrood H.CAN open high－level protocol for CAN－bus，Version3.0［S］.

［6］CIA Draft Standard 406，CAN open device profile for Encoders Version 3.0［S］.