彭亞楠，楊春梅，陳仕國(guó)，胡立華，陳學(xué)永

（福建農(nóng)林大學(xué)　機(jī)電工程學(xué)院，福州350002）

基于光纖位移傳感器的曲面零件隨動(dòng)系統(tǒng)

彭亞楠，楊春梅，陳仕國(guó)，胡立華，陳學(xué)永

（福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福州350002）

設(shè)計(jì)了一款以光纖位移傳感器為采集裝置的新型曲面零件隨動(dòng)系統(tǒng)，并對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了模糊PID控制。系統(tǒng)以三菱PLC為控制系統(tǒng)載體，以顧美MT系列觸摸屏為人機(jī)界面，以步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力輸出模塊，實(shí)現(xiàn)了曲面零件表面輪廓的隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)。MATLAB/simulink仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于常規(guī)PID控制，模糊PID控制能有效減少步進(jìn)電機(jī)的失步和震蕩，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。該系統(tǒng)具有成本低廉、人機(jī)交互便利和拓展性強(qiáng)等特點(diǎn)。

光纖位移傳感器；模糊PID；步進(jìn)電機(jī)；simulink

隨著工業(yè)制造水平的不斷提高，光纖制造技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。光纖傳感器也因?yàn)槠渑c傳統(tǒng)的傳感器相比有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可卷曲、無(wú)電感、抗腐蝕、靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)而得到越來(lái)越多的應(yīng)用［1-3］。光纖位移傳感器可以作為傳光元件和感知元件，且以光作為信息載體，具備極高的響應(yīng)速度，可用于實(shí)時(shí)的位移測(cè)量［4］。PLC作為工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱之一［5］，具有掃描周期短、邏輯運(yùn)算能力強(qiáng)、功能全面、穩(wěn)定性好等一系列特性，能為本系統(tǒng)提供有力的控制支撐，且控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，有利于降低成本。本文設(shè)計(jì)了一款以光纖位移傳感器為采集裝置的新型曲面零件隨動(dòng)系統(tǒng)，并對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了模糊PID控制。該系統(tǒng)具有成本低廉、人機(jī)交互便利和拓展性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1　反射式光纖位移傳感器

反射式光纖位移傳感器的測(cè)量原理如圖1所示。探測(cè)部分主要由發(fā)射光纖和接收光纖組成，光通過(guò)發(fā)射光纖射出，經(jīng)過(guò)工件表面反射形成反射光錐，由接收光纖接收其與反射光錐相交部分的光，即圖中的陰影部分，通過(guò)光檢測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。圖中陰影部分的面積和接收的光強(qiáng)隨光纖端面與工件表面的距離變化而變化，故可根據(jù)接收到的光強(qiáng)大小實(shí)現(xiàn)對(duì)位移的測(cè)量。反射式光纖位移傳感器的輸出曲線如圖2所示。

圖1　反射式光纖位移傳感器測(cè)量原理圖

圖2　反射式光纖位移傳感器輸出曲線

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)原理

以“曲面-曲線-點(diǎn)集”的遞歸分解次序來(lái)進(jìn)行曲面的測(cè)量，把曲面零件的外形輪廓測(cè)量轉(zhuǎn)化為點(diǎn)的測(cè)量。通過(guò)PLC控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)光纖位移傳感器實(shí)現(xiàn)高精度的三維運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。通過(guò)深圳市誠(chéng)控電子有限公司的DAM-7021型采集器將光纖位移傳感器所輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號(hào)，以提供PLC控制程序的數(shù)據(jù)源，在PLC進(jìn)行分析判斷之后，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)按照所設(shè)置的要求做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)滾柱絲桿模塊組將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。

圖3　系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)框圖

操作時(shí)先定一個(gè)運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)，建立好XYZ坐標(biāo)系，并調(diào)整好光纖位移傳感器的位置，使其處于自身檢測(cè)范圍內(nèi)，然后按照?qǐng)D4所示的運(yùn)動(dòng)示意圖進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。在X方向上運(yùn)動(dòng)到邊緣之后，由對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)觸發(fā)使其沿Y方向運(yùn)動(dòng)，通過(guò)多次的類(lèi)似往復(fù)運(yùn)動(dòng)完成整個(gè)零件的掃描。主運(yùn)動(dòng)流程如圖5所示。

圖4　運(yùn)動(dòng)示意圖

圖5　主運(yùn)動(dòng)流程圖

通過(guò)圖2可以發(fā)現(xiàn)，反射式光纖位移傳感器的輸出可以分為前坡部分和后坡部分，前坡部分的靈敏度較高，后坡部分的靈敏度雖然比不上前坡部分，但是可以用在大量程且對(duì)靈敏度要求相對(duì)不高的場(chǎng)合。對(duì)于某一信號(hào)輸出值，傳感器離工件表面的位移值既有可能在前坡位置，也有可能在后坡位置，要準(zhǔn)確判定所處位置，可利用輸出曲線中峰值的唯一性來(lái)間接判定。但在實(shí)際運(yùn)用中，零件的表面粗糙度、紋理方向、材質(zhì)、缺陷及劃痕等都會(huì)對(duì)輸出結(jié)果產(chǎn)生影響［6］，即對(duì)于同一位移值，這些參數(shù)的不同會(huì)導(dǎo)致不同的輸出結(jié)果。通過(guò)對(duì)這些曲線的研究發(fā)現(xiàn)，雖然對(duì)于同一位移值的不同參數(shù)的輸出結(jié)果不同，但其峰值始終在某一位移值左右，即不同參數(shù)的輸出曲線的峰值所對(duì)應(yīng)的位移值基本相同，即便它們的峰值不同。故只要找出每一點(diǎn)輸出曲線中的峰值，使光纖位移傳感器所檢測(cè)到的值處在峰值左右，那么光纖位移傳感器的端面距零件表面所有檢測(cè)點(diǎn)的位移值也就基本相同，通過(guò)記錄步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件外形輪廓的檢測(cè)，并最終實(shí)現(xiàn)跟隨效果。系統(tǒng)的峰值檢測(cè)程序流程如圖6所示。

2.2觸摸屏設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所選擇的觸摸屏為顧美MT6070H型觸摸屏（7英寸TFT液晶屏），具有232通信口、485通信口等常用端口，功率為5 W，能滿足本系統(tǒng)使用。觸摸屏的設(shè)計(jì)界面如圖7所示。

圖6　峰值檢測(cè)程序流程圖

圖7　觸摸屏設(shè)計(jì)界面

在圖7中，（a）為系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的首頁(yè)；（b）為系統(tǒng)手動(dòng)控制界面，通過(guò)不同按鈕實(shí)現(xiàn)不同方向的運(yùn)動(dòng)，并可進(jìn)行兩檔調(diào)速，同時(shí)顯示了當(dāng)前三維坐標(biāo)的坐標(biāo)值；（c）為系統(tǒng)自動(dòng)控制界面，可輸入自動(dòng)模式運(yùn)行中控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)及頻率；（d）為系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面，進(jìn)行手動(dòng)控制時(shí)的參數(shù)設(shè)置；（e）為系統(tǒng)的報(bào)警記錄界面，主要實(shí)現(xiàn)報(bào)警顯示及記錄功能。當(dāng)出現(xiàn)警報(bào)時(shí)，相關(guān)界面的報(bào)警燈就會(huì)開(kāi)啟，系統(tǒng)自動(dòng)切斷步進(jìn)電機(jī)輸出。

3　步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)優(yōu)化

步進(jìn)電機(jī)是一種能直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频碾姍C(jī)，在正常的條件下，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和運(yùn)動(dòng)停止位置只取決于所接收到的脈沖頻率及脈沖數(shù)，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖時(shí)，就會(huì)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度值即步距角，由于其跟蹤性能好、無(wú)積累誤差而常常被用于位移及角度的精確控制［7］。但步進(jìn)電機(jī)可能存在的失步與超步現(xiàn)象，使得開(kāi)環(huán)系統(tǒng)在一定程度上無(wú)法保證其控制精度，常規(guī)的PID控制存在著對(duì)步進(jìn)電機(jī)這類(lèi)非線性系統(tǒng)控制效果不好的問(wèn)題。

模糊控制是一種非線性的控制，通過(guò)將規(guī)則的條件、操作等模糊化，使控制器能運(yùn)用模糊推理實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整，能很好地解決常規(guī)PID控制精度不高的問(wèn)題［8］。本文以模糊PID控制優(yōu)化步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，與常規(guī)PID控制進(jìn)行了比較，并用MATLAB 的simulink模塊進(jìn)行了仿真。

3.1模糊規(guī)則與隸屬度函數(shù)的建立

在建立模糊規(guī)則的過(guò)程中，通常把參數(shù)的變化范圍分為7部分，即負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大，主要表示了參數(shù)變化的程度與方向，相應(yīng)標(biāo)為｛NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB｝。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)歸納法，所選擇的模糊規(guī)則如圖8所示。在隸屬度函數(shù)的選擇上，選取了三角形隸屬函數(shù)，其分辨率、穩(wěn)定性能達(dá)到一個(gè)較好的平衡，可很好地適用于本系統(tǒng)。本系統(tǒng)所設(shè)置的隸屬度函數(shù)如圖9所示。

圖8　模糊規(guī)則

圖9　隸屬度函數(shù)

3.2simulink模型建立

在精度允許的范圍內(nèi)，忽略步進(jìn)電機(jī)中的互電感等高階分量，二相四線制步進(jìn)電機(jī)的傳遞函數(shù)［9］為

式中L為繞組自感，ia為A相電流，Zr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)，J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，D為電機(jī)黏滯阻尼系數(shù)。本系統(tǒng)所選步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)為：L=0.010 02 H，Zr=40，J=1.08 kg·cm2，ia=1.5，D=0.033。故本系統(tǒng)所選步進(jìn)電機(jī)的傳遞函數(shù)為

設(shè)置期望輸出角度為1.8°，分別建立常規(guī)PID控制模型和模糊PID控制模型。建立的常規(guī)PID控制模型如圖10所示，相應(yīng)的輸出結(jié)果如圖11所示。建立的模糊PID控制模型如圖12所示，相應(yīng)的輸出結(jié)果如圖13所示。從2條輸出曲線可以看出，模糊PID控制相比常規(guī)PID控制有著更快的響應(yīng)速度，且具有更小的超調(diào)量及更優(yōu)良的穩(wěn)定性，有利于減少震蕩及失步等現(xiàn)象的發(fā)生，提高控制精度。

圖10　常規(guī)PID模型

圖11　常規(guī)PID控制模型輸出曲線

圖13　模糊PID控制模型輸出曲線

圖12　模糊PID控制模型

4　結(jié)束語(yǔ)

以光纖位移傳感器為數(shù)據(jù)采集裝置、PLC為控制載體、觸摸屏為人機(jī)交流界面和步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力輸出裝置，設(shè)計(jì)了一套精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、系統(tǒng)可讀性?xún)?yōu)良和操作簡(jiǎn)單的曲面零件隨動(dòng)系統(tǒng)，并對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了模糊PID控制。仿真結(jié)果表明：該方法能有效地處理步進(jìn)電機(jī)這類(lèi)非線性系統(tǒng)，減少步進(jìn)電機(jī)震蕩現(xiàn)象的發(fā)生，提高了系統(tǒng)的控制精度。

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【責(zé)任編輯黃艷芹】

The Curved Surface Parts Servo System Based on Optical Fiber Displacement Sensor

PENG Yanan，YANG Chunmei，CHEN Shiguo，HU Lihua，CHEN Xueyong
（College of Mechanical and Electronic Engineering，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou 350002，China）

This paper designed a new type of curved surface parts servo system，which used the optical fiber displacement sensor as its collecting device.Using Mitsubishi PLC as the control carrier，using MT series touch screen as human-computer interface，and using stepper motor as the power output module，the system realized servo motion of the curved parts'surface profile.The MATLAB/ simulink simulated experiments showed that the fuzzy PID control could more effectively reduce stepper motor's out-of-step and shock and further improved the response speed and stability of the system than the conventional PID control.The system had the performances as low cost，convenient man-machine interaction and strong expansibility，etc.

fiber optical displacement sensor；fuzzy PID；stepper motor；simulink

TP275

A

2095-7726（2016）03-0037-05

2015-12-02

彭亞楠（1990-），男，湖南永州人，碩士研究生，研究方向：數(shù)字制造技術(shù)。

陳學(xué)永（1970-），男，福建龍巖人，副教授，博士，研究方向：機(jī)電一體化。