劉媛媛

(1.無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，江蘇 無(wú)錫　214028；2.江南大學(xué) 自動(dòng)化研究所，江蘇 無(wú)錫　214122)

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基于PLC的絲杠回程誤差檢測(cè)和補(bǔ)償方法*

劉媛媛1,2

(1.無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，江蘇 無(wú)錫214028；2.江南大學(xué) 自動(dòng)化研究所，江蘇 無(wú)錫214122)

為了克服梯形絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)換向時(shí)回程誤差對(duì)定位精度的影響，對(duì)直角型機(jī)械手的定位問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出了一種基于S7-200PLC的定位控制方法，可以快速檢測(cè)絲桿某一位置處的回程誤差，并通過(guò)修改程序參數(shù)達(dá)到克服回程誤差，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位的目的。

絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)；回程誤差；MAP庫(kù)

0　引言

準(zhǔn)確的定位控制在自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)中有著廣泛的應(yīng)用，由步進(jìn)或伺服電機(jī)帶動(dòng)絲桿螺母實(shí)現(xiàn)定位移動(dòng)是較常見(jiàn)的傳動(dòng)方式。絲桿在正反換向運(yùn)行時(shí)將產(chǎn)生回程誤差，影響傳動(dòng)的精度，常常采用機(jī)械調(diào)整方法來(lái)減小或消除絲桿軸向間隙[1]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)絲桿回程誤差補(bǔ)償方法的研究主要集中于數(shù)控機(jī)床滾珠絲桿螺距誤差的補(bǔ)償問(wèn)題，并針對(duì)不同的數(shù)控系統(tǒng)提出相應(yīng)的解決方法[2-4]。對(duì)于未安裝數(shù)控系統(tǒng)的控制設(shè)備的絲桿回程誤差檢測(cè)和補(bǔ)償方法鮮有文獻(xiàn)研究，本文在不外加機(jī)械調(diào)整機(jī)構(gòu)的前提下，利用PLC軟件編程的方法檢測(cè)回程誤差并彌補(bǔ)其對(duì)定位精度造成的影響。

1　定位控制系統(tǒng)構(gòu)成

本課題研究的直角型機(jī)械手X、Z軸方向利用兩相式步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)梯形絲桿螺母副實(shí)現(xiàn)位置移動(dòng)，采用西門(mén)子S7-200系列PLC作為控制器，連接觸摸屏實(shí)時(shí)顯示狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手從料站到倉(cāng)庫(kù)倉(cāng)位間的自動(dòng)取放料控制，其定位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。本課題要求機(jī)械手能夠準(zhǔn)確定位到倉(cāng)庫(kù)倉(cāng)位，從而實(shí)現(xiàn)物料的取放動(dòng)作，機(jī)械手以X、Z軸兩個(gè)方向的坐標(biāo)原點(diǎn)為參考點(diǎn)，再定位移動(dòng)相應(yīng)的距離至指定倉(cāng)位。如果用高速脈沖串輸出PTO(Pulse Train Output)，找坐標(biāo)原點(diǎn)編程困難且不準(zhǔn)確，較常用的方法是采用位控模塊EM253或西門(mén)子脈沖輸出指令MAP庫(kù)。本課題采用MAP庫(kù)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的定位控制[5-6]。

圖1　定位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2　MAP庫(kù)編程定義

200系列PLC本體PTO提供了應(yīng)用庫(kù)MAP SERV Q0.0 和 MAP SERV Q0.1，分別用于Q0.0和Q0.1的脈沖串輸出。MAP庫(kù)各個(gè)塊的功能簡(jiǎn)要介紹如下：

Q0_X_CTRL，參數(shù)定義和控制；

Q0_X_MoveRelative，執(zhí)行一次相對(duì)位移運(yùn)動(dòng)；

Q0_X_MoveAbsolute，執(zhí)行一次絕對(duì)位移運(yùn)動(dòng)；

Q0_X_MoveVelocity，按預(yù)設(shè)速度運(yùn)動(dòng)；

Q0_X_Home，尋找參考點(diǎn)位置；

Q0_X_Stop，停止運(yùn)動(dòng)[7-8]。

編程調(diào)試時(shí)，首先編寫(xiě)手動(dòng)程序?qū)C(jī)械手進(jìn)行定位移動(dòng)，在Q0_0 _CTRL中定義X軸當(dāng)前位置C-Pos對(duì)應(yīng)脈沖值存在VD1000中，如圖2所示，同時(shí)用觸摸屏實(shí)時(shí)顯示VD1000中的脈沖值，將倉(cāng)庫(kù)每個(gè)倉(cāng)位X軸的坐標(biāo)位置記錄下來(lái)，倉(cāng)位Z軸坐標(biāo)位置參照以上方法。然后編寫(xiě)自動(dòng)程序，機(jī)械手可以根據(jù)物料的種類(lèi)不同自動(dòng)定位到相應(yīng)的倉(cāng)位，即移動(dòng)到指定的X、Z軸坐標(biāo)位置。

圖2　Q0_0 _CTRL參數(shù)定義

3　回程誤差檢測(cè)系統(tǒng)

當(dāng)機(jī)械手移動(dòng)方向改變時(shí)，由于存在絲桿回程誤差，按手動(dòng)測(cè)量得到的倉(cāng)位坐標(biāo)脈沖數(shù)不能讓機(jī)械手移動(dòng)到準(zhǔn)確的位置。在無(wú)機(jī)械調(diào)整裝置的前提下，可以通過(guò)調(diào)節(jié)程序參數(shù)的方法達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。

圖3　X軸回程誤差檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

誤差檢測(cè)的方法如下：以X軸為例回程誤差檢測(cè)系統(tǒng)如圖3所示，在手動(dòng)狀態(tài)下，讓X軸移動(dòng)到某一位置點(diǎn)A，將微動(dòng)開(kāi)關(guān)SM3安裝在機(jī)械手X軸底座上，引起微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作的滾輪的位置如圖3所示。首先設(shè)定步進(jìn)電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，按下啟動(dòng)按鈕電機(jī)旋轉(zhuǎn)，并停止于A(yíng)位置處，記錄下滾輪所對(duì)應(yīng)的刻線(xiàn)位置點(diǎn)和VD1000的脈沖值n1。再次按下啟動(dòng)按鈕，步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)正向旋轉(zhuǎn)，此時(shí)無(wú)間隙誤差，工作臺(tái)直接移動(dòng)，微動(dòng)開(kāi)關(guān)SM3的常開(kāi)觸點(diǎn)連接PLC輸入口I1.0，滾輪帶動(dòng)杠桿機(jī)構(gòu)使動(dòng)作簧片位移到臨界點(diǎn)時(shí)常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，I1.0有信號(hào)時(shí)調(diào)用Q0_0_Stop，讓X軸停止運(yùn)動(dòng)[8]。再次記錄VD1000的脈沖值n2，n1和n2的差值就是在A(yíng)位置處從電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到停止，機(jī)械手工作臺(tái)的實(shí)際位移量對(duì)應(yīng)的脈沖值，記為n3。

與上述過(guò)程相似，設(shè)定步進(jìn)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)并停于位置A，記錄VD1000的脈沖值n4。設(shè)定旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎?，按下啟?dòng)按鈕，X軸步進(jìn)電機(jī)接收脈沖信號(hào)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，因回程誤差的存在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后不會(huì)立即帶動(dòng)工作臺(tái)面移動(dòng)，克服回程誤差后工作臺(tái)移動(dòng)并壓合SM3，工作臺(tái)停止移動(dòng)，記錄VD1000的脈沖值n5，n4和n5的差值，記為n6，就是在A(yíng)位置處回程誤差與工作臺(tái)位移量之和所對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)。

利用觸摸屏實(shí)時(shí)觀(guān)察X軸位移對(duì)應(yīng)的脈沖值的變化。脈沖值的變化量所對(duì)應(yīng)的X軸的實(shí)際位移量與微動(dòng)開(kāi)關(guān)位移量的差值就是絲桿在這一位置的回程誤差。計(jì)算說(shuō)明：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)步數(shù)400，觸摸屏VD1000脈沖變化量N=n6-n3，絲桿導(dǎo)程L=2mm，回程誤差Δ(mm)計(jì)算公式：

以“Leetro”品牌的DM4250E二相四線(xiàn)制步進(jìn)電機(jī)為例，設(shè)定細(xì)分?jǐn)?shù)2，步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)步數(shù)400，絲桿導(dǎo)程L=2mm，理論上誤差補(bǔ)償?shù)木瓤蛇_(dá)到5μm，如果增大步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)，則理論上誤差補(bǔ)償精度還可提高。鑒于本檢測(cè)系統(tǒng)微動(dòng)開(kāi)關(guān)的定位精度不高，故本方法實(shí)際的誤差檢測(cè)精度適用于一般精度的梯形絲桿螺母的準(zhǔn)確定位，如生產(chǎn)線(xiàn)環(huán)節(jié)中的定位控制，不適用于高精度的滾珠絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)的螺距誤差補(bǔ)償[9-10]。

4　回程誤差的編程補(bǔ)償

經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，這根梯形絲桿的回程誤差大約是1/4個(gè)絲桿導(dǎo)程，根據(jù)這個(gè)原理，在編寫(xiě)自動(dòng)運(yùn)行程序時(shí)，通過(guò)修改X軸坐標(biāo)存儲(chǔ)位VD500和Z軸坐標(biāo)存儲(chǔ)位VD504的值對(duì)回程誤差進(jìn)行補(bǔ)償。在方向改變時(shí)增加或減少100個(gè)脈沖，用軟件方法來(lái)彌補(bǔ)硬件的問(wèn)題。

圖4為機(jī)械手X軸的運(yùn)動(dòng)示意圖，右側(cè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)SM1作為坐標(biāo)原點(diǎn)，向左運(yùn)動(dòng)為正向，向右運(yùn)動(dòng)為反向。圖中虛線(xiàn)處為二號(hào)倉(cāng)位X軸坐標(biāo)位置。手動(dòng)程序中機(jī)械手自坐標(biāo)原點(diǎn)向左運(yùn)動(dòng)，測(cè)得二號(hào)倉(cāng)位對(duì)應(yīng)的VD1000中脈沖值為18600。在機(jī)械手自動(dòng)控制中，要求機(jī)械手移動(dòng)到物料站抓料，然后返回到二號(hào)倉(cāng)位放料，在正向切換到反向運(yùn)行時(shí)設(shè)定X軸坐標(biāo)存儲(chǔ)位VD500值為18600-100=18500，反向多退回100脈沖的位置以彌補(bǔ)回程誤差。如果是由反向切換到正向，則VD500應(yīng)設(shè)定為18600+100=18700。下圖5是自動(dòng)程序中2號(hào)倉(cāng)位的X、Z軸定位程序。

圖4　X軸運(yùn)動(dòng)示意圖

圖5　X、Z軸自動(dòng)定位程序(部分)

5　結(jié)論

本文以直角型機(jī)械手X、Z軸定位移動(dòng)為研究對(duì)象，通過(guò)PLC編程調(diào)試的方法測(cè)量絲桿在某一位置的回程誤差大小，并在機(jī)械手自動(dòng)控制程序中通過(guò)修改程序參數(shù)的方法達(dá)到彌補(bǔ)絲桿回程誤差的目的。實(shí)踐證明該方法方便有效，并可以根據(jù)要求實(shí)時(shí)快速地檢測(cè)絲桿任一位置處的回程誤差值。

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(編輯李秀敏)

Detection and Compensation Method of Screw Hysterisis Error Based on PLC

LIU Yuan-yuan1,2

(1.Electro-mechanical School, Wuxi Professional College of Science and Technology,Wuxi Jiangsu 214028,China；2.Institute of Automation, Jiangnan University, Wuxi Jiangsu 214122, China)

In order to overcome the influence on positioning accuracy caused by the hysterisis error when a tradezoidal screw-nut drive change its direction, this paper takes the positioning problem of orthogonal manipulator as the research object, introduces a positioning control system using S7-200 PLC, which can quickly detect screw hysterisis error in a location, overcome hysterisis error by changing the program parameters, and finally achieve the purpose of accurate positioning.

screw- nut drive; hysterisis error；MAP serv lib

1001-2265(2015)11-0065-02DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.11.019

2015-05-07；

2015-06-04

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金項(xiàng)目資助(BY2014023-36);無(wú)錫市名師工作室專(zhuān)項(xiàng)資金(錫教高職[2015]38號(hào))

劉媛媛(1983—)，女，山東濱州人，無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院講師，博士研究生，研究方向?yàn)榭刂评碚摵涂刂萍夹g(shù)的綜合應(yīng)用，(E-mail)lyy19831125@126.com。

TH161;TG506

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