摘要：機(jī)電一體化精確定位裝置的電控部分以可編程邏輯控制器作為控制核心，發(fā)送指令改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度、轉(zhuǎn)動方向。為了實現(xiàn)快速、精確定位，一方面需要做好電控部分硬件設(shè)備的選型，包括可編程邏輯控制器、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、觸摸屏與通信光纜等；另一方面還要科學(xué)分配可編程邏輯控制器的輸入/輸出口（Input/Output，I/O），以及設(shè)計電控程序等，進(jìn)一步提高精確定位裝置的使用效果。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化精確定位裝置步進(jìn)電機(jī)通信線纜

中圖分類號：TP273

SelectionandDesignoftheElectronicControlPartforMechatronicsPrecisePositioningDevice

WUSenlin

HubeiLightIndustryTechnologyInstitute，Wuhan，HubeiProvince，430070China

Abstract：Theelectroniccontrolpart?;ofthemechatronicsprecisepositioningdeviceusesaprogrammablelogiccontrollerasthecontrolcoretosendinstructionstochangethemotor'srotationalspeedanddirection.Inordertoachievefastandprecisepositioning，ontheonehand，itisnecessarytoselectthehardwareequipmentfortheelectricalcontrolpart，includingprogrammablelogiccontrollers，steppermotors，servomotors，touchscreens，andcommunicationopticalcables;Ontheotherhand，itisnecessarytoscientificallyallocatetheInput/Output（I/O）portsofprogrammablelogiccontrollersanddesignelectricalcontrolprogramstofurtherimprovetheeffectivenessofprecisepositioningdevices.

KeyWords：Mechatronics;Precisepositioningdevice;Steppermotor;Communicationcables

機(jī)電一體化實現(xiàn)了加工制造的自動化，精確定位裝置作為機(jī)電一體化產(chǎn)品的組成部分，采用閉環(huán)控制模式，首先通過人機(jī)交互界面編輯指令，經(jīng)過PLC將指令轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的控制信號，然后驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)以特定的速度、方向轉(zhuǎn)動，并帶動絲杠轉(zhuǎn)動。位于前端的傳感器會實時監(jiān)測位置信號，并將信號重新反饋給PLC。PLC將設(shè)定位置與當(dāng)前位置進(jìn)行對比，根據(jù)兩者的差值重新生成調(diào)控指令，改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。重復(fù)上述過程，直到實際位置與設(shè)定位置完全相同，實現(xiàn)了精確定位。在上述閉環(huán)控制過程中，電控部分可編程控制器、步進(jìn)電機(jī)以及觸摸屏的選型與設(shè)計，是決定定位效果的關(guān)鍵因素。

1精確定位裝置電控部分硬件的選型

1.1可編程邏輯控制器的選型

可編程邏輯控制器是精確定位裝置電控部分的核心，綜合考慮性能、功耗以及穩(wěn)定性等因素，選擇了三菱FX3U-64MT/DS作為精確定位裝置的主控制器。該元件采用集成化設(shè)計，尺寸小巧（200mm×90mm×85mm）、穩(wěn)定性好。工作電壓為直流24V，內(nèi)置64個I/O口，其中32個為輸入點，32個為輸出點，功能豐富。有6個頻率為10kHz上的高速計數(shù)器，3個128kB的高速通信編程口，具備較強(qiáng)的通信能力。為了滿足精確定位的需要，在FX3U-64MT/DS的基礎(chǔ)上加裝了1個用于定位的擴(kuò)展單元，該單元采用FX2N-1PG脈沖發(fā)生器，可以向伺服步進(jìn)馬達(dá)提供最大100KPPS的脈沖，利用4個I/O口與FX3U-64MT/DS可編程邏輯控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。FX2N-1PG脈沖發(fā)生器有12個端子，包括用于執(zhí)行機(jī)器原位返回操作的端子，用于連接24V直流電源的端子，以及用于輸出前向脈沖的端子等。

1.2步進(jìn)電機(jī)的選型

選擇步進(jìn)電機(jī)時，除了要滿足結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、運行穩(wěn)定等基本要求外，還要從精確定位功能出發(fā)考慮以下兩點：一是步進(jìn)電機(jī)的最大靜力矩必須滿足傳動系統(tǒng)在空載狀態(tài)下實現(xiàn)快速啟動的力矩要求；二是步進(jìn)電機(jī)的啟動矩頻特性、工作矩頻特性，必須滿足傳動系統(tǒng)在正常工況下對于啟動力矩、啟動頻率的要求[1]。綜上，在精確定位裝置的電控部分中選擇了FL86STH118-6004A型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，最大徑向負(fù)載215N，最大軸向負(fù)載80N；步距角2.2°，保持轉(zhuǎn)矩96kg·cm，定位轉(zhuǎn)矩3.6kg·cm，轉(zhuǎn)動慣量2580g·cm2。該步進(jìn)電機(jī)選用冷軋高硅片作為主體材料，能夠有效減少磁損和降低溫升，在延長設(shè)備使用壽命的基礎(chǔ)上還能降低電機(jī)堵轉(zhuǎn)、異常振動等問題的發(fā)生率，對提高精確定位裝置的電控效果有積極幫助。

1.3觸摸屏的選型

觸摸屏為精確定位裝置電控部分提供了人機(jī)交互功能，既可以直觀、實時顯示位置信息，又能方便工作人員編輯和發(fā)送控制指令[2]。在選擇觸摸屏?xí)r，除了滿足界面簡潔、操控靈活、堅固耐用等基本要求外，還要考慮觸摸屏與可編程邏輯控制器之間的兼容性。基于上述要求，選擇了MT4414T彩色觸摸屏，分辨率800×480，CPU頻率750MHz，擁有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳送和處理能力；亮度320cd/m2，觸控面板采用4線精密電阻網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)置512kB的配方存儲器；額定電壓為直流24V，額定功率3.6W，待機(jī)狀態(tài)下功率僅為0.5W，能耗極低。通過RS485通信接口將MT4414T觸摸屏與FX3U-64MT/DS可編程邏輯控制器連接，一方面可以將可編程邏輯控制器處理后的信息發(fā)送給觸摸屏并進(jìn)行顯示，另一方面也能通過觸摸屏向可編程邏輯控制器發(fā)送指令。

1.4通信線纜的選型

在精確定位裝置的電控部分，需要在可編程邏輯控制器與步進(jìn)電機(jī)、觸摸屏等設(shè)備之間實現(xiàn)通信，保證位置調(diào)控效率。考慮到機(jī)電一體化產(chǎn)品的運行環(huán)境中存在干擾，為了提高抗干擾能力、保證通信質(zhì)量，必須要科學(xué)選擇通信線纜。同時，由于精確定位裝置的主控制器已經(jīng)確定選用FX3U-64MT/DS單片機(jī)，該元件采用RS485專用通信，因此選擇的通信線纜必須與RS485通信接口有良好的兼容性。綜上，在電控部分的設(shè)計中選擇了施耐德（Schneider）通信線纜，該線纜可自定義是否使用專用傳輸控制協(xié)議，如果將B15位設(shè)為“1”，表示使用傳輸控制協(xié)議；反之，將B15位設(shè)為“0”，表示不使用傳輸控制協(xié)議。為了保證信號波特率和通信格式的一致性，利用特殊數(shù)據(jù)寄存器對通信線纜中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行通信格式（如奇偶性、頭字符、校驗碼等）處理[3]。

1.5光纖傳感器的選型

在機(jī)電一體化產(chǎn)品的使用過程中，要想實時獲取裝置的當(dāng)前位置，需要利用傳感器獲取位置信息，并同步發(fā)送給可編程邏輯控制器。在傳感器的選型上，需要同時滿足位置檢測精確性、信號傳遞高效性等要求?；诖?，在電控部分的設(shè)計中選擇了E3X-DA-S/E3X型光纖傳感器。其工作原理是利用待測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠▍⒘窟M(jìn)行調(diào)制，并得到相應(yīng)的調(diào)制信號。通過光纖將該調(diào)制信號發(fā)送到光探測器，完成解調(diào)處理，獲得待測量值。光纖傳感器的優(yōu)勢在于將待測信號轉(zhuǎn)換成光信號進(jìn)行傳送、處理，保證了信號即便是在長距離傳輸過程中也不會發(fā)生明顯的損耗，從而提高了最終處理結(jié)果的精確性。

2精確定位裝置電控部分的設(shè)計

2.1輸入/輸出點的分配

電控部分的主控制器FX3U-64MT/DS通過RS485通信接口與驅(qū)動器連接，驅(qū)動器根據(jù)光纖傳感器采集到的數(shù)據(jù)判斷實時位置信息，并將位置信號通過RS485接口同步反饋給可編程邏輯控制器[4]。在接收信號后，可編程邏輯控制器會根據(jù)設(shè)定程序自動調(diào)整輸出脈沖的頻率與數(shù)量，并將脈沖信號發(fā)送給前端的執(zhí)行機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)，改變轉(zhuǎn)動速度和轉(zhuǎn)動方向，進(jìn)而實現(xiàn)對移動距離的動態(tài)和精準(zhǔn)調(diào)控。為了滿足上述電控要求，需要對FX3U-64MT/DS單片機(jī)的I/O口進(jìn)行合理分配，分配結(jié)果見表1，X表示輸入口，Y表示輸出口。

2.2觸摸屏的組態(tài)設(shè)計

在觸摸屏的開發(fā)與設(shè)計中，使用了與MT4414T觸摸屏配套的組態(tài)軟件進(jìn)行人機(jī)界面的開發(fā)。該軟件內(nèi)置圖形管理庫，提供了海量的靜態(tài)和動態(tài)圖形，并且提供圖形處理工具，開發(fā)人員可根據(jù)需要使用這些工具對圖形管理庫中的任意圖形進(jìn)行縮放、剪切等處理，以便于生成多種類型的應(yīng)用畫面，保證了人機(jī)界面的友好性。觸摸屏上電后顯示初始畫面，提供“定位參數(shù)設(shè)定”“伺服參數(shù)設(shè)定”以及“定位顯示”“自動定位”“報警復(fù)位”和“程序初始化”等操作功能，按下對應(yīng)的按鈕即可執(zhí)行相應(yīng)的功能[5]。以“定位參數(shù)設(shè)定”為例，點擊該按鈕后，跳轉(zhuǎn)至對應(yīng)的子頁面，可以手動設(shè)定定位目標(biāo)距離（前向）、定位目標(biāo)距離（后向）、設(shè)置運行速度、加減速時間等內(nèi)容。

2.3電控程序設(shè)計

精確定位裝置電控流程為：由可編程邏輯控制器發(fā)送運行指令，電源通電，步進(jìn)電機(jī)正常上電后開始啟動，并根據(jù)指令內(nèi)容進(jìn)行快速轉(zhuǎn)動。在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動過程中，傳感器實時采集行程信息，并判斷當(dāng)前行程是否達(dá)到設(shè)定行程的90%。如果判斷為“否”，則維持當(dāng)前轉(zhuǎn)速繼續(xù)運行，直到判斷結(jié)果為“是”，然后可編程邏輯控制器發(fā)送指令，使步進(jìn)電機(jī)的工況由“快轉(zhuǎn)”調(diào)整為“慢轉(zhuǎn)”，同時重新執(zhí)行一個判斷程序“當(dāng)前行程是否達(dá)到設(shè)定行程的98%”。如果判斷為“否”，維持當(dāng)前轉(zhuǎn)速繼續(xù)運行，指導(dǎo)判斷結(jié)果為“是”，然后可編程邏輯控制器發(fā)送指令，使伺服電機(jī)快轉(zhuǎn)，達(dá)到設(shè)定位置后伺服電機(jī)停轉(zhuǎn)，從而在電控模式下實現(xiàn)了精準(zhǔn)定位。電控程序設(shè)計如圖1所示。

3結(jié)語

機(jī)電一體化產(chǎn)品在實際應(yīng)用中必須要兼顧效率與精度，才能發(fā)揮機(jī)電一體化的應(yīng)用優(yōu)勢。特別是在制造業(yè)向高端轉(zhuǎn)型的背景下，對精確定位提出了更加嚴(yán)格的要求。在設(shè)計精確定位裝置時，應(yīng)當(dāng)對電控部分硬件部分進(jìn)行合理選型，同時對電控程序、人機(jī)交互等進(jìn)行科學(xué)設(shè)計。遵循穩(wěn)定性、易用性、性價比等原則，挑選符合要求的可編程邏輯控制器、步進(jìn)電機(jī)與觸摸屏、光纖傳感器，保證電控部分各組成元件之間的信息共享，提高了控制精度，保證精確定位裝置的應(yīng)用效果，對促進(jìn)機(jī)電一體化的發(fā)展也有積極幫助。

參考文獻(xiàn)

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