由佳欣，羅福彪，趙冰心，梁慧敏

(1．電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省哈爾濱150001;2．桂林航天電子有限公司廣西壯族自治區(qū)桂林541002)

1 引言

磁場(chǎng)圖景的繪制一直以來使用手工播撒磁粉或使用稀疏磁針陣列來獲取，效率較低，自動(dòng)化程度不高，較難適應(yīng)不同形狀磁體的測(cè)繪，且存在重復(fù)性差的問題［1］。隨著對(duì)電磁機(jī)構(gòu)空間靜磁場(chǎng)及永磁體研究的深入，需要獲得不同形狀永磁體、以及含永磁的機(jī)電元件的磁場(chǎng)圖景進(jìn)行定性分析，因此需要研制自動(dòng)化的平面磁場(chǎng)圖景繪制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的自動(dòng)化測(cè)繪［2］。

運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)作為機(jī)電一體化的關(guān)鍵組成部分，正由面向傳統(tǒng)的數(shù)控加工行業(yè)專用控制技術(shù)而發(fā)展為具有開放結(jié)構(gòu)、能結(jié)合具體應(yīng)用要求而快速重組的先進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)［3－5］。包括全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、可編程邏輯控制器(PLC)技術(shù)及運(yùn)動(dòng)控制卡技術(shù)等幾種具有代表性的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)都有著靈活而廣泛的應(yīng)用;其中PLC更具有運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)靈活，外圍設(shè)備更易于擴(kuò)展、重構(gòu)的特點(diǎn)［6－8］。

本文將PLC的運(yùn)動(dòng)控制功能應(yīng)用于磁場(chǎng)圖景繪制儀的平面位置控制中，在基于PLC的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)之上，通過合理的硬件設(shè)計(jì)配合伺服電機(jī)與控制單元，組合成為適合進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)繪的二維運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)自動(dòng)播撒裝置和圖像采集裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)平面磁場(chǎng)的自動(dòng)化測(cè)繪;磁場(chǎng)繪制儀為永磁體磁場(chǎng)的研究提供了一種定性分析的輔助手段，在永磁體磁場(chǎng)研究及元器件設(shè)計(jì)等方面具有實(shí)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

2．1 磁場(chǎng)圖景繪制系統(tǒng)電控部分設(shè)計(jì)

磁場(chǎng)圖景繪制系統(tǒng)電控部分設(shè)計(jì)的核心是運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)。運(yùn)動(dòng)控制的電控部分主要包括:PLC控制平臺(tái)、伺服模塊、伺服驅(qū)動(dòng)器以及伺服電機(jī)。

運(yùn)動(dòng)控制部分的控制過程為:PC與PLC控制平臺(tái)的處理器通過RS232串口實(shí)現(xiàn)通訊，將PLC程序下載至處理器中，控制器上的伺服模塊通過光纖與被控的交流伺服驅(qū)動(dòng)器串接成一個(gè)通信回路，伺服驅(qū)動(dòng)器通過機(jī)械旋鈕分配好各自的節(jié)點(diǎn)號(hào)，然后經(jīng)電纜與運(yùn)動(dòng)控制中各軸電機(jī)建立控制通道，運(yùn)動(dòng)控制的電控部分的接線如圖1所示。

圖1 運(yùn)動(dòng)控制部分的總體接線圖

其中，Mx1、Mx2、My、Mz分別代表各個(gè)控制軸。

2．2 系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制的機(jī)械部分是本系統(tǒng)的主要控制對(duì)象，它是自動(dòng)播撒磁粉裝置運(yùn)動(dòng)的載體，通過控制x，y，z軸的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。運(yùn)動(dòng)框架及控制軸示意圖如圖2所示。

圖2 運(yùn)動(dòng)框架示意圖

x、y、z軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)包括伺服電機(jī)、通過聯(lián)軸器與電機(jī)相連的絲杠以及導(dǎo)向桿。x方向是由兩個(gè)平行電機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的。z軸裝配于y軸上，通過絲杠傳動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)在y方向的運(yùn)動(dòng)。播撒磁粉及回收裝置安裝在z軸上，通過z軸電機(jī)控制上下的運(yùn)動(dòng)以及與x、y軸電機(jī)控制的平面運(yùn)動(dòng)相配合，完成播撒磁粉工作。三維運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)械部分如圖3所示。

使用水平測(cè)量計(jì)調(diào)整機(jī)械設(shè)備的水平度，即保證x－y軸平面處于水平位置，減小由于磁場(chǎng)圖景平面水平度不佳而造成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差。

圖3 三維運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)械仿真結(jié)構(gòu)圖

自動(dòng)播撒磁粉裝置安裝在運(yùn)動(dòng)控制機(jī)械框架的z軸上，基于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)在指定區(qū)域的磁粉播撒。自動(dòng)播撒磁粉裝置采用漏斗式結(jié)構(gòu)，將磁粉裝在磁粉漏斗中，通過編程控制z軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)，對(duì)漏斗口進(jìn)行開關(guān)控制，且通過上下移動(dòng)的范圍可以控制漏斗口間隙，從而控制磁粉播撒的量。

底板用來盛接播撒的磁粉，根據(jù)所測(cè)永磁體或電磁機(jī)構(gòu)來確定其總尺寸;底板總體尺寸為磁粉播撒最大范圍;在底板正中間預(yù)留出被測(cè)器件的空間，用于放置永磁體或電磁機(jī)構(gòu)。

3 PLC程序設(shè)計(jì)及上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3．1 控制主程序的編寫

系統(tǒng)中的PLC選用了AB公司的產(chǎn)品，軟件編程采用RSLogix5000，通訊軟件為RSLinx。

控制主程序主要完成全局控制功能，其中包括伺服驅(qū)動(dòng)器的使能與禁止、各軸電機(jī)清錯(cuò)與復(fù)位等。程序流程如圖4所示。

圖4 控制主程序流程圖

3．2 繪圖子程序的編寫

繪制子程序根據(jù)輸入的命令信號(hào)，繪制指定區(qū)域圖形。磁粉播撒需要均勻快速，結(jié)合本系統(tǒng)三軸運(yùn)動(dòng)控制及播撒磁粉裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇x軸往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)與y軸方向移動(dòng)運(yùn)動(dòng)配合，來實(shí)現(xiàn)整個(gè)指定區(qū)域的磁粉播撒。

實(shí)現(xiàn)三軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的主要指令為直線運(yùn)動(dòng)命令，該指令的最大特點(diǎn)為只需指定運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)、運(yùn)動(dòng)方向及運(yùn)動(dòng)方式等參數(shù)，而不需要各軸在實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)作信息，這樣就大大簡(jiǎn)化了運(yùn)動(dòng)控制的編程工作。在指定區(qū)域播撒的運(yùn)動(dòng)就可以直接通過給出邊界處點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)組來實(shí)現(xiàn)?？筛鶕?jù)指定的區(qū)域面積，多次試運(yùn)行得出x軸方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)范圍及y軸方向較為合適的位移間距。

運(yùn)動(dòng)控制思路:x、y軸初始位置設(shè)在要播撒磁粉的區(qū)域的原點(diǎn)，z軸初始位置是處于磁粉漏斗口關(guān)閉的狀態(tài)。上電后首先使能各軸的驅(qū)動(dòng)器，設(shè)定零點(diǎn)。在播撒磁粉之前，使z軸向上運(yùn)動(dòng)，即磁粉漏斗口處于打開狀態(tài);控制x、y軸的運(yùn)動(dòng)使得磁粉按照預(yù)定區(qū)域一排一排地播撒，并配合z軸運(yùn)動(dòng)以增加磁粉的流動(dòng)性;最后播撒完畢，回到零點(diǎn)，并使z軸向下運(yùn)動(dòng)，關(guān)閉磁粉漏斗口，為下一次播撒做準(zhǔn)備。繪制子程序的程序流程圖如圖5所示。

圖5 繪圖子程序流程圖

根據(jù)常見測(cè)量的尺寸參數(shù)，設(shè)計(jì)播撒磁粉區(qū)域的面積約為150mm×150mm。

圖6 播撒磁粉裝置x－y平面的運(yùn)動(dòng)路徑

根據(jù)直線運(yùn)動(dòng)指令的特點(diǎn)，將運(yùn)動(dòng)軌跡用運(yùn)動(dòng)點(diǎn)來表示，多次試驗(yàn)得出，較為合適的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)為x軸位置范圍150mm，y軸位置間25mm。將運(yùn)動(dòng)點(diǎn)從0到15進(jìn)行標(biāo)號(hào)，運(yùn)動(dòng)軌跡從0到15順序執(zhí)行，最后回到初始點(diǎn)0。播撒磁粉裝置x－y軸的運(yùn)動(dòng)路徑如圖6所示。

對(duì)于z軸方向，播撒磁粉裝置的初始位置時(shí)漏斗口處于閉合狀態(tài)，故開始播撒前，需要漏斗口處于打開狀態(tài)，即上電開始運(yùn)動(dòng)后，z軸需要向上運(yùn)動(dòng)至漏斗口打開?？紤]到播撒中z軸處于同一位置磁粉播撒的間斷現(xiàn)象，將播撒運(yùn)動(dòng)中z軸的位置設(shè)置為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即z軸會(huì)在上下位置單位反復(fù)小距離運(yùn)動(dòng)，以保證磁粉播撒的連續(xù)性。

3．3 上位機(jī)控制軟件

本系統(tǒng)的上位機(jī)控制軟件可以實(shí)現(xiàn)控制與信息反饋功能，如圖7所示。主要有三個(gè)組成部分:控制信號(hào)部分、演示部分和參數(shù)設(shè)置及監(jiān)控部分。軟件界面劃分為七個(gè)區(qū)域:主控制信號(hào)區(qū)、位置調(diào)試信號(hào)區(qū)、運(yùn)動(dòng)演示x－y平面區(qū)、運(yùn)動(dòng)演示x－z平面區(qū)、參數(shù)設(shè)置區(qū)、位置監(jiān)控區(qū)、狀態(tài)顯示區(qū)。

其中，主控制信號(hào)區(qū)主要是實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與禁止、運(yùn)動(dòng)軸的復(fù)位等的控制功能。位置調(diào)試信號(hào)區(qū)主要實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)x、y、z軸的位置控制，實(shí)現(xiàn)位置子程序的功能;運(yùn)動(dòng)演示x－y平面區(qū)可以實(shí)時(shí)顯示磁場(chǎng)圖景繪制系統(tǒng)在x－y軸平面的運(yùn)動(dòng)狀態(tài);狀態(tài)顯示區(qū)顯示各軸伺服電機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)指示;運(yùn)動(dòng)演示x－y平面區(qū)可以顯示x、y運(yùn)動(dòng)軸組件的位置、已磁粉播撒面積等。

圖7 人機(jī)界面

4 磁場(chǎng)圖景實(shí)測(cè)繪制

以某牌號(hào)FeCrCo條形永磁單體為例，永磁尺寸為60mm×10mm×6mm，測(cè)試截面為長(zhǎng)度方向中心截面;在播撒磁粉前，需要預(yù)制形狀適合的平面底板，并聯(lián)合調(diào)整系統(tǒng)平臺(tái)的水平度;再調(diào)整圖像采集裝置位置，保證攝像頭平面與播撒磁粉底板平行，減小實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差。

經(jīng)過大量反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，磁粉在顆粒較大時(shí)流動(dòng)性較差，不能夠均勻地從漏斗口流出。故在選擇磁粉上，要盡量保證顆粒大小細(xì)小且均勻，本實(shí)驗(yàn)選擇300目的還原鐵粉，顆粒直徑在48um左右，鐵粉含量99．2%。磁場(chǎng)圖景繪制系統(tǒng)及運(yùn)行本系統(tǒng)所測(cè)量的條形永磁磁場(chǎng)分布圖景，如圖8所示。

圖8 磁場(chǎng)圖景繪制儀實(shí)物及儀器繪制的條形永磁體平面磁場(chǎng)圖景

由于實(shí)驗(yàn)測(cè)量中永磁會(huì)將其近距離的磁粉吸附，故無(wú)法看到永磁附近區(qū)域的磁力線分布，但通過上圖可以清晰的觀察到條形磁鐵的絕大部分區(qū)域的磁場(chǎng)圖景。

5 結(jié)論

(1)本文設(shè)計(jì)制作了平面磁場(chǎng)圖景繪制儀硬件平臺(tái)，其中包括三軸運(yùn)動(dòng)電控部分、機(jī)械部分、磁粉播撒裝置等，能夠?qū)崿F(xiàn)三軸運(yùn)動(dòng)控制及磁粉的自動(dòng)播撒。

(2)編寫的PLC控制程序?qū)崿F(xiàn)了軸位調(diào)試、三軸運(yùn)動(dòng)控制等功能，實(shí)現(xiàn)了控制設(shè)備在指定區(qū)域均勻快速播撒磁粉。編制的人機(jī)界面能夠方便快捷地實(shí)現(xiàn)播撒磁粉設(shè)備的啟動(dòng)、停止、軸位調(diào)試等功能，并對(duì)運(yùn)行中的設(shè)備狀態(tài)、磁粉播撒情況及相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)圖景繪制儀的可視化管理。

(3)實(shí)際運(yùn)行該系統(tǒng)，通過固定的圖像拍攝裝置得到了某牌號(hào)條形永磁體中央截面的清晰磁場(chǎng)圖景，實(shí)測(cè)達(dá)到了預(yù)期的效果。

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