基于PLC的空间定位控制系统.pdf

基 于 P L C 的 室问定侄控 制 季统 口袁冬生 口陆林海 口朱方文 上 海 大 学 机 械 工 程 与 自动 化 学 院上 海2 0 0 0 7 2 摘 要 位 置控制是 可编程序逻辑控制器的重要 应用。 现采 用 P L C作为运行主控 单元解决 了送靶机构 的空间定位 问 题 。提 出 了一 种 基 于 P L C 多轴 运 动 空 间定 位 控 制 系统 方 案 ， 并 通 过 P L C的 程 序 设 计 对 控 制 系统 进 行 了软 件 设 计 ， 实 际应 用 中取 得 了 良好 的 效 果 。 关 键 词 送 靶 机 构P L C空 间 定位 多轴 控 制 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 f 2 0 1 1 0 6 0 0 3 3 0 3 在 很 多 工 程 领 域 ，空 间 定 位 是 不 可 缺 少 的 一 项 控 制 技 术 。 近 年 来 ， 空 间 定 位 技 术 在 机 器 人 导 航 、 精 密 工 业 测 量 、 数 控 机 床 、 军 事 等 多 方 面 都 得 到 广 泛 应 用 。 空 间 定 位 的 自动 化 控 制 受 到 了 高 度 的 重 视 并 对 此 进 行 了 深 入 研 究 ⋯ 。 本 文 介 绍 某 工 程 项 目 中 的 靶 丸 空 间 定 位 系 统 ． 它 是 基 于 P L C构 成 的 控 制 系 统 ， 按 照 预 先 设 定 的 空 间 位 置 ， 由 控 制 系 统 自 行 进 行 控 制 。 把 目标 靶 丸 送 到 所 设 定 的 位 置 ， 实 现 了 控 制 过 程 的 自动 化 。P L C 作 为 工 业 环 境 的 主 要 控 制 器 ， 在 生 产 实 际 中 大 量 应 用 ， 其 范 围 涵 盖 了 顺 序 及 其 逻 辑 控 制 、 过 程 控 制 、 位 置 控 制 等 领 域 [ z ] P L C 配 合 步 进 电 机 驱 动 单 元 、 CC D 摄 像 头 视 觉 反 馈 单 元 、 专 业 伺 服 单 元 已 经 广 泛 应 用 于 高 精 度 位 置 控 制 ， 通 过 软 件 实 现 多 轴 切 换 控 制 ， 可 得 到 稳 定 良 好 的 解 决 方 案 l 4 1 送靶机构 结构简 介 送 靶 机 构 是 实 验 装 置 的 重 要 组 成 部 分 ，靶 架 具 有 6个 自 由度 的 调 整 功 能 ， 即 三 维 平 移 加 三 维 旋 转 ． 实 现 送 入 、 调 整 、 精 密 定 位 靶 丸 于 靶 心 位 置 。送 靶 机 构 的 结 构 如 图 1所 示 ， 送 靶 机 构 采 用 两 级 伸 展 结 构 下 层 大 行 程 和 上 层 大 行 程 ， 以 缩 短 总 长 度 。下 层 大 行 程 和 上 层 X 大 行 程 运 动 分 别 由 步 进 电 机 驱 动 精 密 滚 珠 丝 杠 传 动 ， 以 实 现 把 靶 架 从 辅 助 真 空 室 送 入 真 空 靶 球 室 中 ； 粗 调 结 束 后 ， 磁 性 固定 器 工 作 ， 锁 定 靶 架 的位 置 。三 维 平 移 工 作 台 分 别 由 3个 微 位 移 电 机 驱 动 。实 现 靶 架 、Y、 Z 3个 方 向 的 平 移 微 调 靶 架 的 头 部 可 绕 3个 坐 标 轴 旋 转 ， 分 别 由 3个 微 位 移 电 机 驱 动 ． 以 实 现 靶 丸 的 姿 态 调 整 。 2靶 丸的空间定位 靶 丸 安 装 在 靶 架 头 部 末 端 ， 是 由特 殊 材 料 制 成 的 ， 靶 丸 形 状 不 固 定 ， 有 圆饼 、 球 、 长 方 体 等 。在 辅 助 真 空 室 换 好 靶 丸 后 ， 通 过 真 空 微 位 移 电 机 驱 动 丝 杠 ， 从 而 驱 动 下 层 和 上 层 两 级 大 行 程 移 动 台 ， 把 靶 架 送 到 真 空 靶 球 室 ，这 样 就 把 靶 丸 初 步 定 位 到 靶 心 含 有 位 置 偏 差 ； 磁 性 固 定 器 动 作 ， 使 靶 架 吸 附 在 支 撑 架 上 ， 保 持 住 靶 架 的 位 置 。接 着 进 行 靶 架 的 精 确 定 位 ． 首 先 由装 在 靶 球 赤 道 平 面 的 3个 CC D 摄 像 头 检 测 靶 架 头 部 的 靶 丸 与 球 心 的 位 置 偏 差 ， C CD 拍 摄 到 的 位 置 偏 差 信 号 传 送 给 上 位 机 ，上 位 机 经 过 信 号 处 理 把 位 置 偏 差 分 解 成 、y、 分 量 和 姿 态 偏 差 、 、 分 量 ，再 转 换 成 脉 冲 数 传 送 给 P L C， P L C 控 制 靶 架 的 6个 微 位 移 电 机 调 整 相 机械制造 4 9 卷 第 5 6 2期 2 0 1 1 ／ 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 应 的量 。调 整 好 后 再 由 CC D 摄 像 头 检 测 偏 差 ， 重 复 上 面 的 步 骤 ． 直 至 到 达 没 定 的 位 置 。 这 个 调 整 过 程 是 一 个 逐 渐 逼 近 靶 心 的 过 程 。 靶 心 的 调 准 范 丽 三 维 平 移 工 作 台 、 y、 Z平 移 范 ． 围 为 △ △y 5 mm， 分 辨 率 为l t x r n ／ s t e p； 绕 靶 架 的 旋 转 范 围 为 6 0 。 ， 其 余 两 维 旋 转 范 围 3 。 ， 分 辨 率 为 1 ／ s t e p 。靶 架 头 部 靶 丸 的 位 置 坐 标 函 数 与 、 _y 、 O y 、 这 6个 变 量 有 关 ， 即 P x ， Y ， - 厂 ， Y， ， ， ， ， 坐 标 原 点 设 为 真 空 靶 球 室 的 球 心 。 2 ． 1 O y 、 机 械 手 靶 架 前 端 的 两 维 旋 转 、 机 械 手 的 结 构 如 图 2 所 示 ， 西1 2中 心 球 固定 不 动 ， 5架 子 可 以偏 摆 ， 当 驱 动 电 机 向 上 运 动 时 ， 推 动 5架 子 绕 西l 2 中 心 球 旋 转 一 个 角 度 ． 从 而 达 到 y、 Z方 向 靶 丸 的 姿 态 调 整 。 的 调 整 如 图 3所 示 ， 靶 丸 离 机 械 手 顶 面 距 离 为 9 0 mm， O y 电 机 向 上 移 动 v 0， 机 械 手 绕 】 ／ 轴 旋 转 ， 头 部 靶 丸 的 位 置 坐 标 在 、 y 方 向 改 变 ， 1 9 0 s i n ； l 9 0 9 0 c o s 8 y ； L 、 0 1 5 t a n 8 ∞ 同 理， 的 调 整 可 推 导 为 2 9 0 s i n ； 1 9 0 90c os ； L 01 5t a n 。 广 土 L _ J { ／ Z Y ‘ 一1 S 机 ▲图 2 O y 、 机械手结构 ▲图 3 O y 机械手调整运动示意图 通信 接口 X0 0 0 X0 01 ’ ． I X0 0 2 各 电机限位开关 编码器 A、 B、 Z相 X0 o 3 X0 0 4 Y0 0 0 Y0 01 Y0 0 2 Yo 0 3 Y0 0 4 Y0 0 5 Y0 0 6 Y0 o 7 Y01 0 2． 2 转 台 转 台 的 结 构 如 图 4所 示 ， 电 机 工 作 驱 动 蜗 轮 蜗 杆 副 传 动 ，从 而 使 连 接 套 绕 轴 旋 转 ， 当 转 台 绕 轴 旋 转 时 ， 头 部 靶 丸 的 位 置 坐 标 不 变 ， 只 调 整 靶 丸 在 轴 的 姿 态 ， 即 y 2 0； 2 0； 2． 3 三 维 平 移 工 作 台 当 靶 架 的 机 械 结 构 确 定 后 ． 三 维 平 移 工 作 台 在 、 l ， 、 Z方 向 分 别 移 动 、 Y 、 ，靶 架 头 部 靶 丸 也 在 、 y、 Z 方 向平 移 相 同 的 位 移 量 ，且 某 一 个 分 量 的 改 变 不 会 影 响 其 它 两 个 分 量 的 变 化 。 综 合 以 上 分 析 可 得 靶 丸 的 坐 标 函 数 表 达 式 1 x 2x90s i n0y 90si n 一3 ， y, z3 Y y 1 6 v 2 y 90 9 0 c o s -3。 O y ， 3 。 1 6 2z90-90c os -60。 0 60。 3 控 制系统结构 系 统 采 用 0MRoN 小 型 P L C 为 主 控 单 元 ， 与 上 位 机 通 信 是 通 过 P L C 的 通 信 接 口 RS 一 2 3 2 C实 现 ， 控 制 系 统 结 构 如 图 5所 示 。 电 机 驱 动 器1控 制 步 进 电 机M1 、 M2、 M3； 电 机 驱 动 器 2控 制 步 进 电 机M4、 M5、 M6； 电 机 驱 动 器3控 制 步 进 电 机 M7、 M8、 M9；其 中 Ml 、 M2分 别 为 下 层 和 上 层 大 行 程 移 动 台 步 进 电 机 ， M3为 磁 性 固 定 器 步 进 电 机 ． M4、 M5、 M6分 别 为 三 维 平 移 工 作 台 微 位 移 电 机 。 M7、 M8 、 M9为 靶 架 头 部 三 维 旋 转 微 位 移 电机 。 4控制 系统的软件 实现 C H O脉冲输 出 C H 0方向控制 C H 0使能 C H1脉冲输出 C Hl方向控制 C Hl使能 ． ． ． ． ．． ． ． ． ． 一 C H2脉冲输出 C H2方向控制 C H2使能 ▲图 5 控制系统结构 2 0 1 1 ／ 6 机械制造 4 9卷 第5 6 2期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 基于 NUR B S插补的整体叶轮数控加工 口刘民杰 口王金城 口董庆运 。 1 ． 天津大学仁爱学院 机械工程系 天津3 0 1 6 3 6 2 ． 天津职业技 术师范大学 机械工程学 院 天津3 0 0 0 7 2 摘要 在 对比分析 N U R B S曲线插补技 术j } 口 传统数控机床 采用的插补 方法特 点的基础上 ， 说 明 了N U R B S曲线插补 技 术在 曲面加 工方 面的优越性 进 而对整体 叶轮 的叶片采 用非均 匀有理 B样条 N U R B S 进行曲线 、 曲面拟合 ， 对整体叶轮 数 控 加 工 工 艺进 行 了规 划 ． 实现 了 NURB S插 补 方 式 的整 体 叶轮 数 控 加 工 。 关键词 NU RB S插补整体叶轮数控加工 中图分类号 T H1 6 2 ； T G 5 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 1 1 0 6 0 0 3 5 ～ 0 4 Ab s t r a c t T h e a d v a n t a g e s o f NUR BS i n t e r p o l a t i o n we r e i l l u s t r a t e d b y c o mp a r i n g a n d a n a l y z i n g t h e c h a r a c t e ri s t i c s o f N URBS a n d t h e i n t e rp o l a t i o n me t h o d u s e d i n t r a d i t i o n a l n u me r i c a l c o n t r o l ma c h i n e t o o l s ． T h e n ，NURB S wa s a d o p t e d i n c u r v e a n d s u r f a c e f i t t i n g f o r t h e b l a d e s o f i n t e g r a l i mp e l l e r s ．T h e t e c h n o l o g i c a l p r o c e s s o f n u me ric a l c o n t r o l ma c h i n i n g o f i n t e g r a l i mp e l l e r s b a s e d o n NURB S w a s p r e s e n t e d Ke y W o r d s NUR BS I n t e r p o l a t i o n I n t e g r a l I mp e l l e r Nu me r i c a l Co n t r o l M a c h i n i n g 整 体 叶 轮 叶 片 较 薄 ， 而 且 叶 片 曲 面 形 状 复 杂 ， 要 得 到 符 合 要 求 的 加 工 精 度 和 表 面 质 量 难 度 较 大 ，需 要 在 数 控 加 工 工 艺 和 叶 片 曲 面 的描 述 及 曲 线 插 补 算 法 上 进 行 规 划 和 选 择 。 目前 一 般 的C NC 系 统 只 具 备 直 线 和 圆 收稿 日期 2 0 1 0年 l 2月 弧 插 补 能 力 ， 系 统 控 制 机 床 加 工 样 条 曲 线 时 ． 必 须 将 样 条 曲线 以直 线 段 或 圆 弧 段 逼 近 的 方 式 进 行 ．这 样 不 仅 程 序 量 大 、加 工 效 率 低 ．而 且 还 将 损 失 一 定 的加 工 精 度 ，使 叶 片 曲 面 的加 工 质 量 难 以 保 证 。 非 均 匀 有 理 B 样 条 No n Un i f o r m R a t i o n a l B S p l i n e ． NURB S 曲 线 插 P L C 程 序 主 要 包 括 系 统 初 始 化 程 序 、 下 层 X 和 上 层 移 动 台 控 制 程 序 、 磁 性 固 定 器 控 制 程 序 、 平 移 工 作 台 轴 、 Y 轴、 Z 轴 控 制 程 序 和 头 部 旋 转 、 、 控 制 程 序 ， 程 序 采 用 欧 姆 龙 软 件 CXP r o g r a mme r设 计 ． 程 序 流 程 图 如 图 6所 示 ． 系 统 公 共 程 序 主 要 完 成 系 统 初 始 化 、 电 机 相 位 补 偿 、 各 参 数 设 置 和 报 警 等 动 作 。 其 他 各 程 序 段 主 要 完 成 各 轴 的 位 移 、 速 度 、 加 速 段 的 控 制 。 上 位 机 向 P L C发 送 靶 架 与 靶 心 位 置 偏 差 数 据 ， 包 括 、 y、 偏 移 量 和 姿 态 、 、 角 度 偏 移 量 ， P L C根 据 这 些 数 据 控 制 相 应 工 作 台 步 进 电机 进 行 位 置 调 整 。 通 过 控 制 发 送 给 电机 的 脉 冲 数 达 到 位 置 控 制 ；通 过 控 制 机械制造4 9卷 第 5 6 2 期 脉 冲频 率 和 频 率 变 化 率 达 到 速 度 和 加 速 度 控 制 。 改 变 脉 冲方 向信 号 来 控 制 相 应 电 机 的 转 向 ；改 变 电 机 的 使 能 信 号 来 控 制 相 应 电 机 的 运 行 和 关 闭 。 5 结束语 采 用 上 述 方 法 ， 通 过 软 件 编 程 实 现 多 轴 控 制 ． 能 较 好 地 解 决 靶 丸 的空 间 精 确 定 位 问 题 ， 系 统 硬 件 简 单 。 可 靠 性 高 ， 性 价 比较 高 。 本 控 制 系 统 的 实 验 结 果 满 足 了靶 丸 的定 位 精 度 ， 取 得 了很 好 的 效 果 。 参 考 文 献 [ 1 ] 韩 勇， 任 晓扬． 基于 P I C单 片机空间定位 系统 的设 计 [ J J ． 仪 器仪表用户， 2 0 0 9 ， 1 6 1 3 3 3 4 ． [ 2 ] 王海， 李洪奎， 刘 晓东． 基于 P L C的多轴控制研究 [ J ] ． 中国工 程机械学报， 2 0 0 8 ， 6 4 4 7 0 4 7 2 ． [ 3 ] 殷华文， 于兆和， 马志 刚．P L C对 步进 电机的控制技术 『 J ] ． 组 合机床与 自动化加工技术，2 0 0 3 8 6 5 6 7 ． [ 4 ] 刘建峰． 基于 P A C的多轴运 动控制系统 的研 究 [ J ] ． 机械制 造与 自动化， 2 0 o 7 ， 3 6 6 1 2 5 1 2 7 ． 『 5 ] 闰帆 ， 许南 山 ， 彭 四伟． 基 于多摄像位 的空 间定 位系统的研 究与设 计[ J ] ． 微计算机信息， 2 0 1 0 2 6 2 0 8 2 1 0 ． △ 编 辑 功 成 201 1／6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m