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    奧科平板切割打樣機上的四軸運動控制器的應用


    瀏覽數∶242 日期∶2015-10-12 10:17:55


     

      在機械加工過程中,板材切割常用方式有手工切割、半自動切割機切割及電腦切割打樣機切割。手工切割靈活方便,但手工切割質量差、尺寸誤差大、材料浪費大、后續加工工作量大,同時勞動條件惡劣,生產效率低。半自動切割機中仿形切割機,切割工件的質量較好,由于其使用切割模具,不適合于單件、小批量和大工件切割。其它類型半自動切割機雖然降低了工人勞動強度,但其功能簡單,只適合一些較規則形狀的零件切割。電腦全自動切割相對手動和半自動切割方式來說,可有效地提高板材切割地效率、切割質量,減輕操作者地勞動強度。

      本文介紹的是眾為興公司研制的由MC4140CUT四軸運動控制器控制的全自動
    平板切割機控制系統,其中切割打樣機為東莞奧科公司生產的平板切割打樣機,控制器為眾為興公司MC4140CUT四軸運動控制器。它實現了平板切割機的自動控制,適應了材料切割的自動控制的需要。整個控制系統的實物圖如圖5.1所示。

      1 系統構成

      整個
    切割機系統的框架原理圖見5.1.1。

      對于控制精度要求不大的平板切割機,系統采用步進電機實現。利用MC4140CUT四軸運動控制器實現時,控制系統構成: MC4140CUT四軸運動控制器,步進驅動器Q2-BYG403M,56BYGHM611A二相混合式步進電機。

     。1)控制器采用的四MC4140CUT,液晶+按鍵屏,128X64點陣圖形液晶顯示屏 256M超大容量存儲空間;該控制器是整個系統的“大腦”,整個系統的反應速度,加工精度,靈活與敏捷程度都取決于控制器輸出的脈沖頻率與周期等模擬量,而這些模擬量最終取決于控制器本身。所以,它是控制系統的核心。

     。2)步進驅動器是整個系統的中間環節,驅動器的好壞是系統性能好壞的決定性因素之一。文中討論了采用眾為興生產的Q2BYG403步進驅動器實現該系統。

     。3)步進電機也可以采用眾為興的實現,文中采用56BYGHM611A實現。

      控制器內部是由四塊集成芯片組成,電源控制集成芯片,ARM工控主板,運動控制集成芯片和顯示器集成芯片,前三者的關系是:ARM工控主板為核心板,相當于“大腦”它控制運動控制集成芯片,而這里的電源控制芯片是為它們提供電源的。

     。1)輸入輸出板是提供控制器與外界設備的接口的集成電路系統。這里集成了輸入/輸出接口,USB接口,串行接口等等。

     。2)電源板用于將220V交流電轉化為控制器可以接受的電源范圍,一般為5—12V。

     。3)顯示器集成電路板用于集成包括顯示器驅動器在內的顯示器驅動電路。

     。4)主控板,自不必說,是整個控制器的核心主板,它上面集成有很多芯片,包括ARM主控CPU,兩片擴展的FLASH,CPLD,一片SDRAM等等。正是這些電子IC器件,構成了控制系統的控制部分,即整個人工智能系統的“大腦”。

    系統構成與控制原理圖如圖5.1.3所示。

     。1)顯示器,這里采用按鍵屏,控制器內部顯示器板集成電路板上集成了按鍵屏驅動電路和驅動器。

     。2)嵌入式CPU,MC4140CUT四軸運動控制器內部集成了ARM主CPU芯片,采用ARM7TDMI為內核的ARM主CPU,其內部資源很豐富 ,包括有UART,DMA,BDMA,看門狗定時器,ADC,JATG接口,LCD控制器,中斷控制器,ⅡC總線,ⅡS總線,SIO總線。RTC實時時鐘,通用I/O等資源。

     。3)DSP專用運動控制芯片ADT-MC814,控制器采用四軸運動控制專用芯片,此運動控制芯片ADT-MC814中集成有中斷/指令/處理模塊和線性,圓弧,位模式三大插補控制模塊。運動控制的指令經過ARM主CPU發出后,由此模塊經過處理發送相應的脈沖給電機驅動器以驅動電機運轉。

     。4)RAM,ARM主CPU集成有8/16KHZ的RAM,但是它不能滿足系統運行大型程序,存儲特別是由于運算和RTOS的多任務調度以及文件系統的運行都將產生大量的堆棧、全局變量和局部變量,而且由于系統內置軟PLC的運行也將占用一部分RAM空間,所以必須擴展一個RAM,此芯片外部擴展了一個8M的SDRAM。

     。5)CPLD,該控制器外部集成了CPLD用于存儲數據,該CPLD內部集成了32個通用邏輯單元。用于存儲控制信號和數據等信息。

     。6)FLASH,控制器主控板上集成了兩片FLASH,一片2M的NOR FLASH,一片256M的NAND FLASH,主要用于存儲系統運行所需的程序代碼,語言字庫,需要斷電和長期保存的系統參數,軟/硬件限位參數等等。

     。7)DOM全名DISK ON MODULE,泛指IDE電子硬盤,由控制單元(Controller)和存儲單元(FashIC)組成,簡單的說就是用固態電子存儲芯片陣列而制成的硬盤,可以使用PC機直接輸入程序,數據,也可以通過控制器輸入程序,數據。

     。8)RS232通信,RS-232C(Recommended Standard-RS)串行接口是計算機與外設之間以及計算機與測試系統之間最簡單、最普遍的連接方法,采用25線連接器。其最高的單向數據傳輸率為20kbps,此時的最大傳輸距離為15米。適當降低速率,其最大傳輸距離可達60米。但它只是一對一的傳輸,僅用于簡單或低速的系統,這里用于PC機和控制器之間的串行接口。

      其中ARM工程主板采用嵌入式結構,是ARM7系列嵌入式CPU,內核為ARM7TDMI。

      ARM處理器的三大特點是:耗電少功能強、16位/32位雙指令集和眾多合作伙伴。ARM商品模式的強大之處在于它在世界范圍有超過100個的合作伙伴。ARM是設計公司,本身不生產芯片。采用轉讓許可證制度,由合作伙伴生產芯片。

      當前ARM體系結構的擴充包括: 為了改善代碼密度,采用Thumb 16位指令集; DSP應用的算術運算指令集;Jazeller允許直接執行Java字節碼。

      ARM處理器系列提供的解決方案有:無線、消費類電子和圖像應用的開放平臺;存儲、自動化、工業和網絡應用的嵌入式實時系統;智能卡和SIM卡的安全應用。

      ARM處理器本身是32位設計,但也配備16位指令集。當前有5個產品系列——ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和SecurCore。

      ARM7系列是優化了用于對價位和功耗敏感的消費應用的低功耗的32位核,具有:

    1. 嵌入式ICE-RT邏輯;
    2. 非常低的功耗;
    3. 三段流水線和馮•諾依曼結構,提供0.9MIPS/MHz。

      平板切割打樣機系統中的驅動器為奧科公司的M542系列驅動器,使用40VDC系列中的Q2BYG403可以進行代替,5.1.4為它的實物圖。

      具有特點:可驅動兩相四、六、八輸出線混合式步進電機;雙極恒流斬波方式,斬波頻率20KHZ;光電隔離信號輸入,輸入信號與TLL兼容;靜止時自動減流,最大驅動相電流3.5A;電流方便可調,細分精度可任意選擇;運行平穩,高加速特性;高速大力矩輸出;過壓、過流、過溫保護;單脈沖/雙脈沖控制模式選擇。

      可以用于封切機、剪板機、切管機、玻璃切割機、切帶機、商標印刷機、數控鉆銑機、鉆孔植毛機、雕刻機、彈簧機、繞線機等需要精確定位的控制系統。

    Q2BYG403細分可根據SW1的1、2開關設定,如表5.1—a所示:

      設置相應的細分后,根據步進角可以計算出電機的轉速,眾為興公司電機的步距角為1.8°,也就是說如果細分設定為A,則電機轉速為(360/1.8)*A,就是200A分/轉,例如,當細分設計為2時,電機轉速即為400分/轉。

    此步進驅動器采用差分式接線,其接線圖如圖5.1.5所示。

    輸入信號波形與時序如圖5.1.6所示。

      平板切割打樣機中步進電機為奧科公司產品M542系列步進電機,可以用眾為興公司的56mm系列步進電機56BYGHM611A替代,56BYGHM611A是眾為興生產的56MM系列步進電機的一種,技術參數見表5.1—b。

      5.2 技術構成

      我們所關注的核心技術主要是系統控制部分的核心技術,此系統的控制部分包括MC4140CUT運動控制器,Q2-BYG403M驅動器。核心技術構成:自動加減速定量驅動技術,直線和圓弧插補技術,多軸驅動技術。圖5.2.1是技術構成圖。

      恒速驅動,即定速驅動,就是以不變的速度輸出驅動脈沖。如果設定驅動速度小于初始速度,就沒有加/減速驅動,而是定速驅動。當搜尋原點、編碼器Z相等信號后如果立即停止的話,不必進行加/減速驅動,而是一開始就運行低速的定速驅動。做到定速驅動,下列參數應預先設定:范圍,初始速度,驅動速度。定速驅動的示意圖如圖5.2.2所示。

      直線加/減速驅動是線性地從驅動的初始速度加速到指定速度。定量驅動時,加速的計數器記錄加速所累計的脈沖數。當剩余輸出脈沖數少于加速脈沖后,就開始自動減速。減速時將用指定的加速度線性地減速至初始速度。

      為了直線加/減速驅動,下列參數需預先設定:范圍R,以加速度A加速或者減速,減速度D加/減速度個別設定時的減速度,初始速度SV,驅動速度V。其示意圖如圖5.2.3所示。

      MC4140CUT不僅支持對稱直線加/減速驅動,而且它還支持非對稱直線加/減速驅動,S曲線加/速驅動。

      對于垂直方向移動對象物,有重力加速度的負擔,所以在這樣加速度和減速度不同的非對稱直線加減速的定量驅動中,最好能夠變更上下移動的加速度和減速度。此時可以運行自動減速,事先不用設定手動減速點。圖5.2.4是加速度比減速度大的例子,圖5.2.5是減速度比加速度大的例子。

      另外跟通常的直線加減速驅動一樣需要設定下述的參數:范圍R,加速度A,減速度D,初始速度SV,驅動速度V。

      驅動速度加/減速時,可線性地增加/減少加速度以產生S型速度曲線,S曲線加/減速驅動的運行如圖5.2.6所示。

      驅動開始加速時,加速度以指定的加速度增加率K從0線性增加到A。因此,這個速度曲線成為二次級拋物線(a區間)。加速度達到指定數值A后保持此數值,這時速度曲線是直線型的,速度在加速中(b區間)。目標速度V和當前速度的差值比隨著時間的增加而減少時,加速度趨向0。減少率和增加率相同,指定的加速度的負增長率K線性地減少,這時速度曲線成為二次拋物線(C區間)。筆者定義這種部分時間加速度固定的加速驅動為S曲線加速驅動。

      MC4140CUT內部集成了ADT-854運動控制卡,它支持2-3軸直線插補,圓弧插補,還支持連續插補。所謂插補,實際上是進行起點和終點之間數據點的“密化”。一般計算機數控系統均具有直線和圓弧插補功能,即插補出起點至終點之間各點的坐標值。

      插補是計算機數控中最重要的計算任務。圖5.2.7是插補在數控系統中的位置,插補計算又必須是實時的,即必須在有限的時間內完成計算任務。插補程序的運行時間和計算精度影響著整個CNC系統的性能指標。就目前普遍應用的算法而言,可分為兩大類。

      脈沖增量插補,即行程標量插補,比較典型的算法有逐點比較法和DDA(數字微分分析器)等。插補的結果是產生單個的行程增量,以一個個脈沖的方式輸出。采用脈沖增量插補輸出的數控系統,其進給速率主要受插補程序所用時間的限制。主要應用在以步進電機作為驅動元件的開環數控系統。

      數據采樣插補,即時間標題插補,比較典型的算法有二階遞歸法和擴展DDA等。它是計算出插補周期內各個坐標軸的增量值,適用于交直流電機伺服驅動的數控系統。插補程序計算出增量值后,還需繼續算出跟隨誤差和速度指令,輸出給伺服系統。一般而言插補周期和位置采樣周期一致,也可以不一致。典型的插補和位置采樣周期為10ms,采用數據采樣插補算法后,插補程序的時間負荷已不再是限制進給速度的主要原因,速度上限將取決于圓弧弦線誤差以及伺服系統的特性。該直線插補和圓弧插補采用的就是脈沖增量插補中的逐點比較法實現。

      直線插補和圓弧插補的功能已經在前述有所介紹,這里就不在贅述。

      沒有連續插補功能的控制卡,如果需要在上一插補點結束后繼續下一插補,只能不斷查詢上一插補是否完成,然后輸出下一插補的數據,如果上位機的速度較慢,或者上位機運行多任務操作系統,在兩次插補之間就會出現停頓,會影響插補的效果,并且插補速度很難提高。ADT854卡帶有連續插補功能,可以很好的解決這一問題,它可在上一插補未結束時,輸出下一插補的數據,即使在很慢的電腦上,也可達到好的效果。連續插補是直線→圓弧插補→直線插補→…這樣在每個插補節點之間不停地驅動。在連續插補驅動中,先讀取連續插補的允許寫入狀態和插補驅動狀態,如果插補未結束并且允許寫入,即可寫入下一插補命令。因此,在連續插補過程中從連續插補驅動開始至結束的時間必須長于設定下一個插補節點的數據和命令的時間。

      MC4140CUT控制器中的ADT-854運動控制卡不僅支持上述插補功能,而且它還支持使用直線或S 曲線加/減速驅動(只可做直線插補)運行插補的功能。

      在直線插補中可以運行直線加/減速驅動及S曲線加減速驅動減速,在圓弧插補、位模式插補中只能用手動減速的直線加/ 減速驅動不能使用S曲線加/減速驅動及自動減速在連續插補中,只能用手動減速的直線加/減速驅動,不能用S曲線加/減速驅動及自動減速。在連續插補中,要事先設定手動減速點,此手動減速點設定在運行減速的最終節點上,并設定從X軸輸出的基本脈沖的數值。連續插補時,先把減速設定為無效,然后開始插補驅動,在要減速的最終插補節點上,在寫入插補命令之前,寫入允許減速命令。開始最終插補節點的驅動時,減速才有效。從最終插補節點的開始計算主軸輸出的基本脈沖數大于手動減速點的數值時,減速就開始。

      比如從插補節點1至5的連續插補中,在最終節點5上用手動減速的話,有下述的程序。

      由從節點5 開始的X軸基本脈沖數的數值來設定手動減速點,比如假定減速化費2,000 脈沖,在節點5上輸出的基本脈沖的總脈沖數是5000的話,手動減速點就為5000-2000=3000。開始至停止一定要在1個節點內運行減速,減速停止的最終插補節點需要從其X或Z軸輸出的基本脈沖總數要大于在減速中花費的脈沖數。

      它支持三軸聯動,包括X軸、Y軸、Z軸,分別代表
    切割機也位機的不同方向的運動,其中X軸代表刀臺的前后方向的運動,Y軸代表刀位左右方向的運動,Z軸代表刀位上下換刀的運動。其實物圖如圖5.3.7所示。

      這里的平板切割打樣機只是由來試驗的,所以使用圓珠筆來代替刀具。由上圖可知,刀架臺在X軸方向,Y軸方向,Z軸方向的運動整體有機結合起來,完成一次對材料的切割任務。

      5.4 功能與實現

      在這里主要介紹一下
    奧科平板切割機的換刀功能的實現,其刀架臺內部結構如圖5.4.1所示。

      實際上,切換刀是由Z軸電機轉動帶動兩個機械聯動裝置上下運動從而實現的,為了實現換刀功能,必須有傳感器的信息反饋。這里的光電控制開關就是實現這一反饋功能的傳感器,它可以實現速度信息的反饋功能。其實物圖如圖5.4.2所示。

      工作臺在X,Y軸的聯動,Z軸兩工具刀的互換,三軸獨自運動,就像左右手的運動一樣,相互協作,做為一個有機的整體,共同完成平板切割的任務。

      5.5 結論

      實際上,MC4140CUT運動控制器不僅適用于
    平板切割機控制系統,還有點膠機,四軸焊接機等等控制系統。好的運動控制器的選擇有的時候可以使得整個控制系統達到很好的工作效果。眾為興公司的控制器產品并不追求高精度,豪華舒適的效果,但是,它可以滿足大眾追求實用性和價格低廉的要求。MC4140CUT就是這樣的一種產品,它在TP3340的基礎上做了適當的改進,增加了存儲容量和部分插補功能,可以很好的實現一些對精度要求不高的控制系統,ARM嵌入式控制系統的使用使得自動化變的簡單而又可行性高,使得機電一體化更加成為可能,使得工業自動化控制成為炙手可熱的行業。實踐證明,MC4140CUT四軸運動控制器在平板切割打樣機上的應用,使得平板切割效率大為提高。難怪有人說,運動控制器帶來了第三次工業革命。

     

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