作者：姚利民 www.crtmotion.com
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摘要：利用科瑞特自動(dòng)化DMC300A運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制的高效加速、高速運(yùn)行、高精準(zhǔn)的直線插補(bǔ)功能，實(shí)現(xiàn)了高速繞線機(jī)的控制需求；利用DMC300A控制器的寄存器器指令、運(yùn)算指令，實(shí)現(xiàn)了繞線機(jī)對(duì)不同規(guī)格產(chǎn)品靈活更改參數(shù)的需求；利用DMC300A控制器開放的顯示指令，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備運(yùn)行時(shí)狀態(tài)信息的顯示需求。
關(guān)鍵詞：DMC300A運(yùn)動(dòng)控制器 步進(jìn)電機(jī) 繞線機(jī) 直線插補(bǔ) 科瑞特自動(dòng)化；
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1. 引言
二十一世紀(jì)以來，各類科學(xué)技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展；在我國(guó)國(guó)內(nèi)，神五、神六已成功升空，但自動(dòng)化設(shè)備的普及與技術(shù)更新卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于時(shí)代的發(fā)展。在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，半自動(dòng)化、手工勞作等需要大量人工的現(xiàn)象仍普遍存在。在本人所在的珠三角地區(qū)為例，雖然屬于國(guó)內(nèi)工業(yè)化、自動(dòng)化最發(fā)達(dá)的地區(qū)，但是幾乎所有的工業(yè)區(qū)仍是以大量的手工操作工為主要生產(chǎn)力的工廠構(gòu)成；在招工越來越難招、工人最低工資不斷提高的現(xiàn)實(shí)情況下，通過對(duì)原有生產(chǎn)設(shè)備控制系統(tǒng)的技術(shù)升級(jí)，以提高設(shè)備的自動(dòng)化水平、提高設(shè)備的生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品的合格率，已成為刻不容緩的企業(yè)生存的必然選擇。
科瑞特自動(dòng)化DMC系列運(yùn)動(dòng)控制器是專門針對(duì)涉及定長(zhǎng)、定位、圖形曲線加工的生產(chǎn)、測(cè)試等自動(dòng)化設(shè)備研發(fā)設(shè)計(jì)的專業(yè)型高端通用運(yùn)動(dòng)控制器，功能強(qiáng)大、使用簡(jiǎn)單，可完全替代“PLC+文本顯示”，并替代市場(chǎng)上已有的步進(jìn)電機(jī)專用型非專業(yè)控制系統(tǒng)。
經(jīng)對(duì)東莞某照明產(chǎn)品廠鎢絲高速繞線設(shè)備的控制實(shí)踐，無論生產(chǎn)效率、產(chǎn)品合格率、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定型各方面均取得了良好的效果，相比原有設(shè)備性能有了質(zhì)的飛越，現(xiàn)已批量使用，并極具推廣價(jià)值。
2. DMC300A運(yùn)動(dòng)控制器簡(jiǎn)介
DMC300A控制器采用高性能“DSP+FPGA”主控，系統(tǒng)資源豐富、功能強(qiáng)大、使用簡(jiǎn)單：
l 32M存儲(chǔ)空間：支持768個(gè)程序、768個(gè)參數(shù)組，每個(gè)參數(shù)組包括4096個(gè)參數(shù)，程序和參數(shù)組可任意對(duì)應(yīng)，即理論上支持768×768個(gè)產(chǎn)品規(guī)格；
l 完全的三軸數(shù)控系統(tǒng)：支持任意兩軸直線、圓弧插補(bǔ)，每軸帶兩個(gè)硬件限位點(diǎn)；
l IO接口充足：16個(gè)輸入、8個(gè)輸出，邏輯關(guān)系在程序中確定，功能可完全自定義；
l 高速高性能：支持每軸200KHz脈沖頻率，標(biāo)準(zhǔn)的梯形加速曲線；
l 人機(jī)交互便捷：內(nèi)嵌鍵盤模塊、128×64點(diǎn)陣液晶顯示，提供顯示指令，用戶可靈活控制顯示；
l 高性能內(nèi)核模塊：系統(tǒng)提供一套完整的指令系統(tǒng)，支持用戶進(jìn)行便捷的二次編程，對(duì)于非標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)，完全優(yōu)越于G代碼編程；
l 編程方便：可在PC機(jī)編程下載用戶程序，或在鍵盤上直接編程；
3. 原設(shè)備控制系統(tǒng)分析
該繞線機(jī)設(shè)備原配備了產(chǎn)自臺(tái)灣的控制系統(tǒng)，主要針對(duì)照明產(chǎn)品的鎢絲高速繞線。控制系統(tǒng)構(gòu)成包括：專用數(shù)控控制器、交流電機(jī)、200線編碼器、86系列步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器各一套；
控制原理：交流電機(jī)帶動(dòng)繞線旋轉(zhuǎn)，并將旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)至200線編碼器，編碼器脈沖信號(hào)接入控制器，通過預(yù)先設(shè)置的參數(shù)，將編碼器脈沖數(shù)字過濾接入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，完成步進(jìn)電機(jī)對(duì)排線的控制。
現(xiàn)實(shí)情況：該系統(tǒng)針對(duì)連續(xù)一致型鎢絲繞線需求，雖然效率較低，但基本可以滿足要求；但對(duì)當(dāng)前越來越多的分段間隔繞線需求，繞線速率最大不超過500轉(zhuǎn)/分，并且繞制產(chǎn)品不良率過高，合格率僅有87％左右，極大地增加了后續(xù)加工的壓力，總體效率極低，致使該廠由于此問題，有定單也不敢接；提升設(shè)備性能迫在眉睫！
技術(shù)分析：由于原系統(tǒng)控制構(gòu)架的天生缺陷，出現(xiàn)這種現(xiàn)象在所難免：?jiǎn)栴}主要出在排線電機(jī)（步進(jìn)電機(jī)）速度太低；步進(jìn)電機(jī)是一種剛性的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)電路一般采用開環(huán)控制，因此步進(jìn)電機(jī)只能以較低速啟動(dòng)，并經(jīng)加速逐步達(dá)到較高的運(yùn)行速度，否之，步進(jìn)電機(jī)將出現(xiàn)丟步的現(xiàn)象，進(jìn)而失去控制；
原系統(tǒng)對(duì)排線步進(jìn)電機(jī)的控制是通過被動(dòng)地對(duì)接收到的編碼器脈沖進(jìn)行數(shù)字濾波，該編碼脈沖在設(shè)備運(yùn)行時(shí)由于繞線電機(jī)的勻速運(yùn)轉(zhuǎn)，脈沖頻率固定；因此對(duì)于連續(xù)一致型繞線，雖然啟動(dòng)時(shí)繞制了不合格品，但由于交流電機(jī)亦由低速啟動(dòng)，對(duì)于排線電機(jī)來講，自然得到了一個(gè)加速過程，雖加速不太理想，但畢竟能達(dá)到一個(gè)較高的速度，因此在此中情況下，系統(tǒng)勉強(qiáng)可行；但對(duì)分段間隔繞線，無論硬件或是軟件都很難通過對(duì)一固定頻率脈沖的數(shù)字濾波達(dá)到滿足步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行特性的脈沖信號(hào)，并且還要滿足設(shè)定的間隔繞制參數(shù)。因此，要“質(zhì)的提高”優(yōu)化設(shè)備性能，必須優(yōu)化系統(tǒng)控制框架。
4. 應(yīng)用DMC300A的系統(tǒng)分析
對(duì)于繞線系統(tǒng)，尤其是間隔繞線需求，最優(yōu)的方案就是利用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行直線插補(bǔ)，但這是以控制系統(tǒng)的高速高精度為前提的。
對(duì)于DMC300A系統(tǒng)，高速、高精度都不成問題。DMC300A系統(tǒng)在直線插補(bǔ)的情況下，可以控制步進(jìn)電機(jī)在500毫秒左右的時(shí)間加速至3000轉(zhuǎn)/分鐘。
去掉交流電機(jī)和編碼器，改為兩軸步進(jìn)系統(tǒng)，通過直線插補(bǔ)完成繞線過程。
對(duì)于連續(xù)一致型繞線，只需設(shè)置一段直線插補(bǔ)；對(duì)于分段間隔繞線，有多少則設(shè)幾段直線插補(bǔ)；實(shí)際應(yīng)用為一段緊密繞線（CAP，對(duì)繞制圈數(shù)、長(zhǎng)度有要求），一段跳躍（GAP，要求繞制圈數(shù)越少越好，長(zhǎng)度有要求）；利用DMC300A的高精準(zhǔn)直線插補(bǔ)性能，實(shí)現(xiàn)均勻排線。
參數(shù)輸入接口設(shè)置為：操作者設(shè)置繞線速度（轉(zhuǎn)/分）、GAP速度（轉(zhuǎn)/分）、CAP長(zhǎng)度、CAP圈數(shù)、GAP長(zhǎng)度、GAP圈數(shù)；
顯示功能：運(yùn)行中顯示當(dāng)前CAP長(zhǎng)度、圈數(shù)，GAP長(zhǎng)度、圈數(shù)；
啟停控制：“Run”接地有效時(shí)運(yùn)行程序，“IN0”接地有效時(shí)啟動(dòng)加工、“Stop”接地有效時(shí)停止加工過程；
報(bào)警檢測(cè)：“IN1”對(duì)斷線進(jìn)行檢測(cè)判斷，如果發(fā)生斷線，系統(tǒng)停止工作；
5. 電機(jī)控制功能的實(shí)現(xiàn)
實(shí)際系統(tǒng)中，將繞線軸定義為X軸，排線軸定義為Y軸；排線軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用32細(xì)分，即控制器發(fā)6400個(gè)脈沖，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，排線30mm；繞線軸步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)器采用8細(xì)分，即控制器發(fā)1600個(gè)脈沖，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，即繞線一圈；
繞線速度的設(shè)定：僅需在直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)指令插入速度指令即可；但是需要在程序中將速度設(shè)定值轉(zhuǎn)換為脈沖頻率設(shè)置值：（速度為S0010 單位：轉(zhuǎn)/分鐘）
MOVM M10, S10
MUL M10, 1600
DIV M10, 60
經(jīng)過計(jì)算，M10中數(shù)值即為脈沖頻率值；
同理，GAP速度的設(shè)定：
MOVM M10, S11
MUL M10, 1600
DIV M10, 60
經(jīng)過計(jì)算，M10中數(shù)值即為脈沖頻率值；
直線插補(bǔ)時(shí)，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)距離由GAP/CAP段、兩個(gè)電機(jī)總的運(yùn)動(dòng)圈數(shù)、根據(jù)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)計(jì)算決定；（GAP 段：GAP圈數(shù)S0012，GAP長(zhǎng)度 S0001 ）
MOVM M20, S12
MUL M20, 1600
MOVM M21, S1
MUL M21, 6400
DIV M21, 30
經(jīng)過計(jì)算，指令“LINID 3, M20, M21”即可實(shí)現(xiàn)GAP段運(yùn)動(dòng)；
同理，CAP段： CAP圈數(shù)S0013，CAP長(zhǎng)度 S0002 計(jì)算如下：
MOVM M22, S13
MUL M22, 1600
MOVM M23, S2
MUL M23, 6400
DIV M23, 30
經(jīng)過計(jì)算，指令“LINID 3, M22, M23”即可實(shí)現(xiàn)CAP段運(yùn)動(dòng)；
6. 參數(shù)設(shè)置的實(shí)現(xiàn)
產(chǎn)品規(guī)格相關(guān)的參數(shù)為：繞線速度、GAP速度、CAP圈數(shù)、CAP距離、GAP圈數(shù)、GAP距離，共6個(gè)參數(shù)。DMC300A最多支持768×4個(gè)參數(shù)可以以可視參數(shù)的方式進(jìn)行設(shè)置。即DMC300A控制器待機(jī)狀態(tài)下，按‘參數(shù)鍵’出現(xiàn)如下圖所示界面（翻頁(yè)顯示另一個(gè)）：
左邊文字為由Windows系統(tǒng)自帶的畫圖工具繪制的圖片，下載至控制器；右邊為四個(gè)S寄存器數(shù)值輸入?yún)^(qū)，分別對(duì)應(yīng)的S寄存器序號(hào)可以在圖片下載時(shí)指定。
圖片一四個(gè)S寄存器分別指定為：S0010、S0011、S0012、S0001；
圖片二四個(gè)S寄存器分別指定為：S0013、S0002、S0004、S0004
（下載圖片時(shí)對(duì)S寄存器序號(hào)指定的方法請(qǐng)參考《DMC控制器說明書》）。
7. 狀態(tài)信息顯示的實(shí)現(xiàn)
應(yīng)用DMC300A控制器實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行時(shí)顯示信息較為簡(jiǎn)單：將所要顯示的文字、圖片信息繪制為128×64點(diǎn)陣大小的圖片，下載至控制器，在控制器編程時(shí)使用顯示指令，在適當(dāng)?shù)牡胤讲迦爰纯伞?/div>
在本設(shè)備應(yīng)用時(shí)，預(yù)先繪制如下圖片：
將這兩個(gè)畫面分別下載至控制器狀態(tài)畫面1、2；
DISPLAY 0,0,0
DISPLAY 6,S13,4
DISPLAY 6,S2,5
DISPLAY 6,S12,6
DISPLAY 6,S1,7
實(shí)現(xiàn)了對(duì)畫面一及對(duì)應(yīng)的數(shù)值的顯示，顯示結(jié)果如右圖；
DISPLAY 0,1,0
DISPLAY 6,S10,4
DISPLAY 6,S11,5
DISPLAY 6,M0,6
DISPLAY 6,M1,7
實(shí)現(xiàn)了對(duì)畫面二及對(duì)應(yīng)的數(shù)值的顯示，顯示結(jié)果如右圖；
將這兩組顯示指令作為顯示模塊在程序循環(huán)中更替顯示，
即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行時(shí)狀態(tài)信息的顯示功能。
8. 效果及結(jié)論
經(jīng)DMC300A運(yùn)動(dòng)控制器系統(tǒng)改造的鎢絲繞線機(jī)，經(jīng)實(shí)際工廠使用并測(cè)試，生產(chǎn)產(chǎn)品合格率在99.97%左右；整機(jī)效率較原系統(tǒng)提升3.4倍；24套系統(tǒng)3個(gè)月的使用時(shí)間內(nèi)(平均每天工作11.3小時(shí))，故障率為0。
針對(duì)目前人工成本日逐提高、產(chǎn)品規(guī)格越來越多、產(chǎn)品參數(shù)要求越來越嚴(yán)格，及時(shí)提高設(shè)備的性能以提升公司的競(jìng)爭(zhēng)力已成為眾多生產(chǎn)廠商的不二選擇，而為生產(chǎn)設(shè)備配備專業(yè)的數(shù)控系統(tǒng)將是這所有的問題得以解決的最簡(jiǎn)捷的方法。DMC系列專業(yè)控制器的出現(xiàn)專為解決此類問題。
9. 參考文獻(xiàn)
【1】 《CRT-DMC控制器說明書》：深圳市科瑞特自動(dòng)化產(chǎn)品手冊(cè)
10. 版權(quán)說明
版權(quán)歸深圳市科瑞特自動(dòng)化技術(shù)有限公司所有，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處！