自動(dòng)封裝系統中運動(dòng)控制的設計與實(shí)現

摘要：針對現代化工業(yè)加工和自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上廣泛采用的3軸運動(dòng)控制系統的控制要求及特點(diǎn)，詳細介紹ACR1505型多功能運動(dòng)控制卡的組成、特點(diǎn)及應用，是由PC+運動(dòng)控制器+伺服電機組成的控制系統。其中基于DSP和復雜可編程邏輯器件(CPLD)的運動(dòng)控制器充分發(fā)揮了。DSP的快速數據運算能力和CPLD的硬件管理功能，詳細討論了控制系統硬件平臺和軟件系統的設計與實(shí)現方法。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)封裝系統；機器人；DSP；運動(dòng)控制；設計

1 引言
在現代化工業(yè)加工及自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上經(jīng)常要使用諸如加工中心、機器人之類(lèi)的需要進(jìn)行多軸協(xié)同控制的自動(dòng)化設備。對于這些設備，一種比較常見(jiàn)的控制方式是采用“計算機+運動(dòng)控制卡+驅動(dòng)器”的方法，即通過(guò)計算機軟件控制專(zhuān)用運動(dòng)控制卡來(lái)控制驅動(dòng)器，達到控制自動(dòng)化設備的目的。其中，3坐標運動(dòng)控制是多軸協(xié)同控制中最常見(jiàn)且能完成絕大多數任務(wù)要求的一種形式。本文介紹．PARKER公司的ACRl505型運動(dòng)控制卡的特點(diǎn)及其應用。

2 自動(dòng)封裝系統
2．1 機械系統
自動(dòng)封裝系統的任務(wù)是首先抓取蓋片A，接著(zhù)在蓋片A正面上涂膠，然后反轉180下移動(dòng)，壓到基片上，完成封裝過(guò)程。

自動(dòng)封裝系統主要由移動(dòng)大平臺、自動(dòng)涂膠機構、自動(dòng)布貼機構、控制系統4部分組成。系統的主體結構設計采用了3自由度的橋架式機器人，數字控制器作為控制系統的核心，實(shí)時(shí)控制X、Y、Z軸的運動(dòng)，同時(shí)通過(guò)輸出開(kāi)關(guān)量控制電磁閥的開(kāi)啟與關(guān)閉，完成抓取、反轉、滴膠、加壓的整個(gè)封裝過(guò)程。

自動(dòng)封裝系統的控制系統工作流程如下：
(1)在移動(dòng)平臺一端設有“定位槽”，控制X導軌先使“翻轉定位槽”裝置移動(dòng)到平板最外端，然后將蓋片A背面向上放到“定位槽”內，該定位槽內每個(gè)對應單元格的位置上有真空吸孔，通過(guò)控制真空閥實(shí)現蓋片A的吸附固定。

(2)抓取蓋片A固定后，控制x導軌運動(dòng)，將“翻轉定位槽”定位在平板待封裝基片B的正上方，采用真空吸盤(pán)吸附方式將基片A抓取槽翻轉180，使基片A的背面正對布貼位置，并處于等待滴膠狀態(tài)。

(3)自動(dòng)滴膠系統由1個(gè)3自由度直角坐標機器人控制“翻轉定位槽”帶動(dòng)一排針頭將膠滴到固定好的蓋片A的正面上。

(4)通過(guò)節流閥控制氣缸使“翻轉定位槽”緩慢向下運動(dòng)，使蓋片A與基片B保持一定的接觸壓力與接觸時(shí)間，同時(shí)控制噴嘴的電磁閥打開(kāi)并對蓋片A均勻地施加設定的壓力。

(5)停止抽真空。

(6)布貼完成后，進(jìn)行下一組蓋片的定位放置，以此類(lèi)推。

2．2 運動(dòng)控制系統
結合自動(dòng)布貼系統的特點(diǎn)，選用“PC+運動(dòng)控制器+伺服電機”的運動(dòng)控制形式，功能結構框圖如圖1所示。運動(dòng)控制器利用高性能微處理器(以DSP為主)及復雜可編程邏輯器件(CPLD)實(shí)現多個(gè)伺服電機的多軸協(xié)調控制，具體就是將實(shí)現運動(dòng)控制的底層軟件和硬件集成在一起，使其具有伺服電機控制所需的各種速度和位置控制功能，這些功能可通過(guò)計算機方便地調用。計算機的主要功能是根據具體裝置的運動(dòng)控制類(lèi)型優(yōu)化指令形式，它屬于上層控制。伺服電機及其驅動(dòng)器是主要的執行部件，具體完成運動(dòng)控制。運動(dòng)控制卡根據上層計算機給出的指令，結合具體的伺服系統類(lèi)型，將其指令轉化為伺服電機的運動(dòng)。

3 系統硬件設計與實(shí)現
由于DSP具有高達數10MHz的數據吞吐能力和短至幾十ns的指令周期，非常適合于大量數據的高速數據采集系統和實(shí)時(shí)控制系統。采用基于DSP的運動(dòng)控制器與PC一起構成控制系統，它可以將Windows強大的圖形用戶(hù)接口、多任務(wù)能力、強大的硬件和軟件兼容能力與基于DSP的運動(dòng)控制器的伺服、插補和實(shí)時(shí)計算能力結合在一起，為用戶(hù)提供高速、高精度和低成本的現代化控制。

3．1系統組成
基于DSP的ACR1505型多軸運動(dòng)控制卡使用120MHz、32字節浮點(diǎn)TMS320VC33型DSP作為CPU，提供了全新的高性能技術(shù)和Windows平臺。它是高性能伺服運動(dòng)控制器，通過(guò)靈活的高級語(yǔ)言能同時(shí)控制1-4個(gè)軸(最多可擴展到8個(gè)軸)，既可單步執行程序，也可執行存儲于控制器內部的運動(dòng)程序和PLC程序，還可以進(jìn)行伺服環(huán)更新及以串口、并口、總線(xiàn)3種方式與上位機和多個(gè)控制卡進(jìn)行通信?？刂葡到y的硬件結構如圖2所示。

核心DSP主要完成位置和速度的PID控制、插補迭代運算、開(kāi)關(guān)量輸入，輸出PLC控制等實(shí)時(shí)性要求高的任務(wù)，以及程序和數據存儲及上下位機的通信。采用復雜可編程邏輯器件(CPLD)來(lái)進(jìn)行外設的尋址和最終信號的輸出。由于其極短的傳輸延遲、大量的用戶(hù)可用I／O口、內部連線(xiàn)和可編程資源較為豐富，因而可以實(shí)現復雜的時(shí)序和組合邏輯，能大大簡(jiǎn)化系統的硬件設計。同時(shí)由于其不可讀，與DSP配合使用具有較好的軟件保密性能，并且編程簡(jiǎn)單方便，通過(guò)修改CPLD的軟件程序而不改變硬件就能方便實(shí)現系統的升級。模擬量控制電路將速度信號數字量用D／A轉換器轉換成一10V~+10V的模擬信號，輸出接模擬信號輸入的電機伺服驅動(dòng)模塊。反饋電路是由CPLD構成的4路12位可逆脈沖計數器，接收差分光電編碼器信號，對編碼脈沖進(jìn)行循環(huán)計數。通信電路通過(guò)PCI接口器件與PC的PCI總線(xiàn)相連，實(shí)現高速數據傳輸。

系統的工作過(guò)程如下：電機反饋信號取白與電機同軸的光電編碼器產(chǎn)生的A相和z相脈沖，經(jīng)由CPLD構成的正交脈沖計數器循環(huán)記錄脈沖數。DSP定時(shí)讀取計數器的計數值，計算各電機的當前速度和位置，并通過(guò)由插補程序計算出的進(jìn)給指令計算電機跟蹤的誤差，通過(guò)增量式PID算法求出發(fā)給電機的控制信號，輸出到DAC，經(jīng)驅動(dòng)器驅動(dòng)伺服電機。在控制運算間隙，DSP完成和上位機的通信，取得指令，并將電機的狀態(tài)信息反饋給上位機。

3．2 控制算法
運動(dòng)控制卡的控制采用增量式PID的控制算法。經(jīng)典的PID控制表達式為

其中，uk（t）為輸出函數，kP為比例系數，Ti為積分時(shí)間常數，Td為微分時(shí)間常數，e（t）為給定量和輸出量的偏差。

對(1)式進(jìn)行數字化離散處理后，可得到增量式PID算式：

式中，△ui為增量輸出，T為采樣周期，ei為當前的差值，ei-1為ei前一次的差值，ei-2為ei-1前一次的差值。

4 軟件設計
4．1“PC+運動(dòng)控制器”運動(dòng)控制軟件的特點(diǎn)
針對運動(dòng)控制卡開(kāi)發(fā)的運動(dòng)控制軟件在PC上運行，它由底層運動(dòng)控制軟件和用戶(hù)操作界面組成。底層運動(dòng)控制軟件告訴運動(dòng)控制器進(jìn)行直線(xiàn)和圓弧等插補運動(dòng)所需的所有參數及對I／O口進(jìn)行操作，同時(shí)接收運動(dòng)控制卡上返回的運動(dòng)狀態(tài)及輸入口狀態(tài)等參數。

運動(dòng)控制卡按接收到的指令自行控制伺服電機進(jìn)行插補運動(dòng)及對I/O口進(jìn)行操作。

用戶(hù)操作界面把操作員與底層運動(dòng)控制軟件連接起來(lái)，輸入所有運動(dòng)參數，控制運動(dòng)過(guò)程及顯示各種運動(dòng)狀態(tài)等。

4．2 軟件的設計與實(shí)現
軟件開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)是控制卡與PC的通信以及上層系統操作調度管理軟件的編制和故障診斷、參數輸入、程序編輯等非高實(shí)時(shí)性的任務(wù)功能的實(shí)現。由于控制卡提供了極其有效的開(kāi)放軟件包ACR-View和API函數，與控制卡通信和交換信息只需調用動(dòng)態(tài)鏈接庫acrownt．dll里面包含的函數庫里的相應功能函數或使用其提供的各種事件和方法，所以省去了繁重的通信驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，不必直接與控制卡硬件打交道，用Visual Basic語(yǔ)言即可方便的實(shí)現控制系統的操作。

在Windows操作系統下，以Visual Basic6.0為開(kāi)發(fā)工具，采用面向對象的編程方法，充分利用控制卡配套的動(dòng)態(tài)鏈接庫中的函數，開(kāi)發(fā)伺服控制系統軟件，實(shí)現了控制系統的基本功能?？蓪?shí)現的具體功能包括windows友好人機接口界面、系統初始化預處理、狀態(tài)監控、坐標位置和轉速的實(shí)時(shí)顯示、系統動(dòng)態(tài)參數化配置等。

軟件程序實(shí)現對電機位置的信號采集，對電機速度信號進(jìn)行PID算法控制，對多軸進(jìn)行插補運算，對被控對象的各種傳感器信號和控制開(kāi)關(guān)等多個(gè)開(kāi)關(guān)量進(jìn)行控制和監測，對DSP內部存儲器中的加工程序進(jìn)行管理?？梢詮纳衔粰C接收單獨的動(dòng)作指令，并對上位機進(jìn)行實(shí)時(shí)信息反饋，實(shí)現在自動(dòng)和手動(dòng)等多模式下運作。系統的初始化在A(yíng)CR-View設置的過(guò)程中完成，主要進(jìn)行控制卡參數的設置。系統的運行有許多狀態(tài)需要實(shí)時(shí)監控，這里利用timer定時(shí)器控件，在程序運行時(shí)，計時(shí)器控件每隔一定時(shí)間間隔產(chǎn)生一次Timer事件，周期性的控制某些操作?？刂破魈峁┛刹翆?xiě)存儲器來(lái)存儲用戶(hù)常用的參數、變量及數組，因此在進(jìn)行調試工作之前必須對一些固定不變的參數進(jìn)行設定，并且保存在可擦寫(xiě)存儲器中。這些參數包括電機類(lèi)型設定、編碼器反饋方式、極限位置設定和扭矩極限設定等，參數設置界面如圖3所示。設定這些參數的目的是確保系統不會(huì )出現飛車(chē)情況或者在出現異常情況的時(shí)候能夠保護系統。對于一些常常變化的參數，如PID參數、行程開(kāi)關(guān)極性、電機轉動(dòng)極性等，可以在調試過(guò)程中不斷進(jìn)行設置來(lái)達到最佳的控制效果。

5 結束語(yǔ)
基于PCI總線(xiàn)的“PC+運動(dòng)控制器+伺服電機”的數字化控制系統具有信息處理能力強、功能全面、高速、高精度、高可靠性、易擴展升級及易實(shí)現人機交互等優(yōu)勢，提高了運動(dòng)控制系統的可靠性，降低了成本，成效顯著(zhù)。