基于PLC的丝杠回程误差检测和补偿方法.pdf

第 1 1期 2 0 1 5年 1 1月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o du l a r M a c h i ne To o l Aut o ma t i c M a n uf a c t u r i ng Te c h ni q ue NO． 1 1 Nov ．2 01 5 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 5 1 1 0 0 6 5- 0 2 D O I 1 0 ． 1 3 4 6 2 ／ j ． c n k i ． mm t a mt ． 2 0 1 5 ． 1 1 ． 0 1 9 基于 P L C的丝杠回程误差检测和补偿方法 术 刘媛媛 ， 1 ． 无锡科 技职业 学院 机 电学院， 江苏 无锡 2 1 4 0 2 8 ； 2 ． 江南大 学 自动化研 究所， 江苏 无锡 2 1 4 1 2 2 摘要 为了克服梯形丝杆螺母传动换向时回程误差对定位精度的影响 ， 对 直角型机械手的定位 问题 进行 了研 究， 提 出了一种基 于 S 7 ． 2 0 0 P L C的定位控制方法， 可以快速检测丝杆 某一位置处的回程误 差， 并通过修改程序参数达到克服回程误差， 实现准确定位的目的。 关键词 丝杆螺母传动 ； 回程误差 ； MA P库 中图分类号 T H1 6 1 ； T G 5 0 6 文献标识码 A De t e c t i o n a n d Co m p e n s a t i o n M e t hod o f Sc r e w Hy s t e r i s i s Er r o r Ba s e d o n PLC LI U Yu a n． y u a n ， 1 ． E l e c t r o m e c h a n i c a l S c h o o l ， Wu x i P r o f e s s i o n a l C o l l e g e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Wu x i J i a n g s u 2 1 4 0 2 8 ， C h i n a ； 2 ． I n s t i t u t e o f A u t o m a t i o n ， J i a n g n a n U n i v e r s i t y ， Wu x i J i a n g s u 2 1 4 1 2 2 ， C h i n a Abs t r a c t I n o r d e r t o o v e r c ome t h e i n flu e nc e o n p o s i t i o n i n g a c c u r a c y c a u s e d b y the h y s t e r i s i s e r r o r wh e n a t r a d e z o i da l s c r e w n ut d r i v e c h a n g e i t s d i r e c t i o n，thi s p a p e r t a k e s t h e p o s i t i o n i n g p r o b l e m o f o r t h o g o n al ma n i p u l a t o r a s the r e s e a r c h o b j e c t ， i n t r o d u c e s a p o s i fi o mn g c o n tr o l s y s t e m u s i n g 7 - 2 0 0 P L C， w h i c h c a n q u i c k - l y d e t e c t s c r e w h y s t e r i s i s e r r o r i n a l o c a t i o n，o v e r c o me h y s t e r i s i s e r r o r b y c h a n g i n g the p r o g r a m p ara me t e r s， a n d f ma l l y a c h i e v e the pu r p o s e o f a c c u r a t e p o s i t i o n i n g． Ke y wo r dss c r e wn u t d r i v e；h ys t e r i s i s e r r o r； M AP s e r v l i b 0 引言 准确的定位控制在 自动化生产线中有着广泛 的 应用 ， 由步进或伺 服 电机带动丝杆螺母 实现定位移 动是较常见的传动方式 。丝杆在正反换向运行时将 产生 回程误差 ， 影响传动的精度 ， 常常采用机械调整 方法来减小或消除丝杆轴 向间隙 。目前 国内外对 丝杆 回程误差补偿方法的研究主要集中于数控机床 滚珠丝杆螺距误差 的补偿 问题 ， 并 针对不 同的数控 系统提 出相应 的解 决方法 。对于未安装 数控 系 统的控制设备 的丝杆 回程误差检测和补偿方法鲜有 文献研究 ， 本文在不外加机械调整机构 的前提下 ， 利 用 P L C软件编程的方法检测回程误差并弥补其对定 位精度造成的影响。 1 定位控 制 系统构成 本课题研究的直角型机械手 、 z轴方 向利用 两 相式步进电机带 动梯形丝杆螺母 副实现位置移动 ， 采用西 门子 7 - 2 0 0系列 P L C作为控 制器 ， 连接触 摸 屏实时显示状 态 ， 实现机械 手从 料站到仓库仓位 间 的 自动取放 料控制 ， 其定位 控制系统结构示意 图如 图 1 所示。本课题要求机械手能够准确定位 到仓库 仓位 ， 从而实现物料 的取放动作 ， 机械手 以 、 z轴两 个方 向的坐标原点为参考点 ， 再定位移动相应 的距 离至指定仓位 。如果用高速脉 冲串输 出 P T O P u l s e T r a i n O u t p u t ， 找坐标原点编程 困难且 不准确 ， 较 常 用的方法是采用位控模块 E M2 5 3或西 门子脉冲输出 指令 MA P库。本课题采用 M A P库实现步进 电机 的 定位控制 。 图 1定位控制系统结构示意图 收稿 日期 2 0 1 50 5 0 7 ； 修回 日期 2 0 1 5 0 6 0 4 基金项 目 江苏省产学研联合创新资金项 目资助 B Y 2 0 1 4 0 2 33 6 ； 无锡市名师工作室专项资金 锡教高I I [ 2 0 1 5 ] 3 8号 作者简介 刘媛媛 1 9 8 3 一 ， 女 ， 山东滨 州人， 无锡科技 职业学院讲师 ， 博 士研究生 ， 研究 方向为控制理 论和控制技术 的综合应用 ， Ema i l 1 y y 1 9 8 3 1 1 2 5 1 2 6． c o l n 。 6 6 组合机床与 自动化； 0 n - r 技术 第 1 1 期 r 一 VI10o0 ． 图 3 X轴 回程误差检测 系统示意图 误差检测的方法如下 以 轴为例回程误差检测 系统如 图 3所示 ， 在 手动状态下 ， 让 轴移 动到某一位 置点 A ， 将微动开关 S M 3安装在机械手 轴底座上， 引 起微动开关动作的滚轮的位置如图3所示。首先设定 步进电机正向旋转 ， 按下启动按钮电机旋转 ， 并停止于 A位 置处 ， 记录下滚 轮所 对应 的刻线位 置点 和 V D 1 0 0 0 的脉冲值 n 1 。再次按下启动按钮 ， 步进电机继续正向 旋转 ， 此时无 间隙误差 ， 工作 台直接移动， 微动开关 S M3的常开触点连接 P L C输人 口I 1 ． 0 ， 滚轮带动杠杆 机构使动作簧片位移到临界点时常开触点闭合 ， I 1 ． 0 有信号时调用 Q 0 0 一 S t o p ， 让 轴停止运动 J 。再次 记录 V D 1 0 0 0的脉冲值 ， n 1和 的差值就是在 A 位置处从 电机转动到停止， 机械手工作 台的实际位移 量对应的脉冲值， 记为 n 3 。 与上述过程相似， 设定步进电机反向旋转并停于 位置 A， 记录 V D 1 0 0 0的脉冲值 。设定旋转方 向为 正 ， 按下启动按钮 ， 轴步进电机接收脉冲信号开始旋 转 ， 因回程误差的存在步进电机转动后不会立即带动 工作台面移动 ， 克服回程误差后工作台移动并压合 S M 3 ， 工作 台停止移动， 记录 V D 1 0 0 0的脉冲值 n 5 ， 和 n 5的差值 ， 记为 ， 就是在 A位置处回程误差与工 作台位移量之和所对应的脉冲数。 利用触摸屏实时观察 轴位移对应的脉冲值 的 变化。脉冲值的变化量所对应的 轴的实际位移量 与微动开关位移量的差值就是丝杆在这一位置的回程 误差。计 算说 明 步 进 电机 每转 步数 4 0 0 ， 触摸 屏 V D 1 0 0 0脉冲变化量 N n 6一 n 3 ， 丝杆导程 L 2 m m， 回 程误差 A m m 计算公式 △ 三 △ 蒜 三 以“ L e e t r o ” 品牌的 D M 4 2 5 0 E二相 四线制步进 电 机为例 ， 设定细分数 2 ， 步进电机每转步数 4 0 0 ， 丝杆导 程 L 2 ra m， 理论上误差补偿的精度可达到 5 ／ z m， 如果 增大步进电机细分数 ， 则理论上误差补偿精度还可提 高。鉴于本检测系统微动开关的定位精度不高， 故本 方法实际的误差检测精度适用于一般精度的梯形丝杆 螺母的准确定位 ， 如生产线环节中的定位控制 ， 不适用 于高精度的滚珠丝杆螺母传动的螺距误差补偿 。 。 4 回程误差的编程补偿 经过反复试验， 这根梯形丝杆的回程误差大约是 1 ／ 4 个丝杆导程， 根据这个原理， 在编写 自动运行程序 时， 通过修改 轴坐标存储位 V D 5 0 0和 轴坐标存储 位 V D 5 0 4的值对回程误差进行补偿。在方向改变时增 加或减少 1 0 0个脉冲， 用软件方法来弥补硬件的问题。 图4为机械手 轴的运动示意图， 右侧微动开关 S M1 作为坐标原点 ， 向左运动为正向， 向右运动为反 向。图中虚线处为二号仓位 轴坐标位置。手动程 序中机械手 自坐标原点向左运动 ， 测得二号仓位对应 的 V D 1 0 0 0中脉冲值为 1 8 6 0 0 。在机械手 自动控制中， 要求机械手移动到物料站抓料， 然后返 回到二号仓位 放料 ， 在正向切换到反 向运行时设定 轴坐标存储位 V D 5 0 0值为 1 8 6 0 01 0 01 8 5 0 0 ， 反向多退回 1 0 0脉冲 的位置 以弥补 回程误 差 。如 果是 由反 向切 换 到正 向 ， 则 V D 5 0 0应设定为 1 8 6 0 01 0 01 8 7 0 0 。下图 5是 自 动程序中 2号仓位的 、 z轴定位程序。 图4 X轴运动示意图 下转第 7 0页 7 0 组合机床与 自动化J j p - r 技术 第 1 1 期 图 1 0输 入控 制 量 对 比图 3和图7可见 仿真一的位移 阶跃响应 曲 线中均有一定的抖振现象 ， 且有稳态位置误差。仿真 二则有效消除了抖振现象 ， 且稳态位移响应无静差。 对比图4和 8可见 仿真一比仿真二不仅速度输出超 调大而且稳态输出误差也大。由上述仿真结果可见 ， 本文提出的加权积分增益滑模控制与 H 扰动补偿控 制相结合的复合控制方法使永磁直线电机伺服系统具 有 良好的动态特性和跟踪精度 ， 并且对 内部参数摄动 和外部非线性周期性推力扰动具有较强的鲁棒性。 4 结论 针对永磁直线电机伺服系统鲁棒控制问题， 本文 提出了基于加权积分增益滑模控制与 H 扰动补偿控 制相结合的复合控制方法。为使直驱伺服系统具有良 好的动态跟踪性能和极强的鲁棒性，本文提出了积分 型切换滑模变结构控制器。为解决滑模线附近的控制 抖振问题 ， 采用 了标准 H 控制理论设计 了扰 动补偿 器。该复合控制方法有效降低了电机内部参数变化和 推力波动对控制系统的影响。仿真结果表明所提出控 制方法提高了系统的抗干扰能力 ， 实现了永磁直线伺 服系统的高精度 、 高品质的控制要求。 [ 参考文献] [ 1 ]陈梁远， 李黎川．压缩机用直线电机及其关键技术发展 综述[ J ] ． 中国电机工程学报， 2 0 1 3 ， 3 3 1 5 5 25 7 ． [ 2 ]仇健 ， 张 凯 ， 李鑫．国内外数控机床定位精度对比分析研 究[ J ] ． 组合机床与 自动化加工术， 2 0 1 3 8 1 4 ． [ 3 ]杨俊友， 师光洲， 白殿春． 基于迭代学习的永磁直线伺服系统 扰动抑制[ J ] ． 组合机床与自动化加工术， 2 0 1 4 8 5 9 6 3 ． [ 4 ]李志军， 刘成颖， 孟凡伟．质量波动对永磁同步直线电机 控制器的影响及其补偿[ J ] ．中国电机工程学报， 2 0 1 2 ， 3 2 3 3 6 7 7 6 ． [ 5 ]甄文喜， 戴跃洪， 唐传胜．永磁同步直线电机伺服系统负 载扰动建模与抑制[ J ] ． 组合机床与 自动化加工术， 2 0 0 3 2 1 9 2 4 ． [ 6 ]A mi t V i l a s S a n t ，R a j a g o p a l K R ．P M s y n c h r o n o u s m o t o r s p e e d c o n t r o l u s i n g h y b ri d f u z z y P 1 w i t h n o v e l s wi t c h i n g f u n c t i o n s [ J ] ．I E E E T r a n s a c t i o n s o n M a g n e t i c s ， 2 0 0 9 ，4 5 1 0 4 6 7 2 4 6 7 5 ． [ 7 ]I J i u H u i x i a n ， L i S h i h u a ．S p e e d c o n t r o l f o r P MS M s e r v o s y s t e m u s i n g p r e d i c t i v e f u n c t i o n a l c o n t r o l a n d e x t e n d e d s t a t e o b s e r v e r [ J ] ．I E E E T r a n s a c t i o n s o n I n d u s t ri a l E l e c t r o n i c s ， 2 0 1 2 ， 5 9 2 1 1 7 1 1 1 8 3 ． [ 8 ]肖曙红， 李锻能， 张伯霖． 直线电机高速进给系统幽能优化研 究[ J ] ． 组合机床与自动化加工术， 2 0 2 2 3 2 6 ． [ 9 ]魏胜． 数控机床伺服系统原理分析与性能调整[ J ] ．组合 机床与 自动化加工技术 ， 2 O L O 5 8 1 8 5 ． [ 1 0 ]郭庆鼎， 王成元， 周美文， 等． 直线交流伺服系统的精密 控制技术[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 0 ． 编辑李秀敏 上接第6 6页 I 仓位2 l 图 5 、 Z轴 自动定位程序 部分 5 结论 本文以直角型机械手 、 z轴定位移动为研究对 象 ， 通过 P L C编程调试的方法测量丝杆在某一位置的 回程误差大小 ， 并在机械手 自动控制程序中通过修改 程序参数的方法达到弥补丝杆回程误差的 目的。实践 证明该方法方便有效 ， 并可以根据要求实时快速地检 测丝杆任一位置处的回程误差值。 [ 参考文献] [ 1 ]庞振基， 黄其圣．精密机械设计[ M] ．北京 机械工业出 版社 ， 2 0 0 3 ． [ 2 ]陈刚， 羌铃铃．数控系统中螺距补偿 的原理与设计[ J ] ． 机械制造与自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 4 1 2 5 2 8 ． [ 3 ]K ． E r k o r k m a z ，A ． K a m a l z a d e h ．H i g h b a n d w i d t h c o n t r o l o f b a l l s c r e w d ri v e s [ J ] ． C I R P A n n a l s Ma n u f a c t u ri n g T e c h n o l o g Y ， 2 0 0 6 ， 5 5 1 3 9 3 3 9 8 ． [ 4 ]G u e n t e r P r i t s c h o w，N i k o C r o o n ．B a l l s c r e w d ri v e s w i t h e n h a n c e d b a n d w i d t h b y m o d i fi c a t i o n o f t h e a x i a l b e a ri n g [ J ] ． C I R P A n n al s - 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