研控步进电机在表带抛光中的应用

1 引言 制造业是我国国民经济的重要组成部分。随着经济的发展，客户对加工工艺提出新的要求，之前的手工作业很难达到客户的工艺标准。如何从手工作业逐步转为自动化控制生产，是国内制造业需要考虑的问题。运动控制技术的成熟，为制造业实现自动化提供了便利。表带抛光机的投用，就是基于运动控制技术的成熟而提升钟表抛光行业自动化层次的一种举措。 2 工艺要求 表带的几何形状共有三种：直线型、直线+圆弧、直线+直线，如图1： 图1 每次只抛光其中一种，排成三列，抛完第一列后转入第二列，然后第三列。抛光轮压在工件表面做往复运动，并需向厚度方向进给，在前进或后退过程中，曲线接合处不能有明显停顿；往复次数、进给量由客户决定，操作人员只需输入参数L、R、θ、X、Y、往复次数、进给量即可；抛光过程中可中途停下，收到相关指令后继续跑完未完成的次数；作业完毕自动回到原点，等待下一次抛光指令。 3 系统控制方案 由上述工艺要求可见，当中牵涉到定位与运动轨迹的问题。步进电机可将外部输入脉冲转换为角位移，且不存在累积误差，可实现精确定位，两台步进电机可实现X-Y平面的插补，而且步进电机价格较低，因此，控制系统主要由下列器件构成： 1）运动控制器 1台 2）驱动器 2台 3）步进电机 2台 控制系统接线图如图2所示 图2 控制器是整个控制系统的核心，负责协调外设运转，监控外部I/O，接收键盘输入，并通过显示液晶实现人机交互；运动轨迹插补算法亦由控制器底层程序完成。插补算法有逐点比较插补、DDA插补、时间分割法插补等，在此采用逐点插补，其原理如下： 1）直线插补： 图3 如图3，假设OA为待走直线，O为起点，A为终点，对于直线OA上任一点(X,Y)，存在如下关系:X/Y = Xe/Ye 直线上点Pi（Xi，Yi）偏差函数Fi =Yi Xe -XiYe可理解为 若Fi= 0，表示加工点位于直线上； 若Fi> 0，表示加工点位于直线上方； 若Fi< 0，表示加工点位于直线下方。 采用偏差函数的递推式（迭代式）由前一点计算后一点 若规定Fi>=0，向 +X 方向走一步 Xi+1 = Xi +1 Fi+1 = XeYi –Ye(Xi +1)=Fi –Ye 若规定Fi<0，向+Y 方向走一步，则有 Yi+1 = Yi +1 Fi+1 = Xe(Yi +1)-YeXi =Fi +Xe 通过判断插补或进给的总步数判别是否到达直线终点 2）圆弧插补 图4 如图4第一象限圆弧，点A在圆外，点B在圆上，点C在圆内，则有如下关系： Ａ（Ｘ，Ｙ）点处有：Ｘ2＋Y2＞Ｒ2 　 Ｘ2＋Y2－R2＞0 Ｂ（Ｘ，Ｙ）点处有：Ｘ2＋Y2＝Ｒ2 Ｘ2＋Y2－R2＝0 Ｃ（Ｘ，Ｙ）点处有：Ｘ2＋Y2＜R2 Ｘ2＋Y2－R2＜0 原始的偏差计算公式为：Ｆ＝Ｘ2＋Y2－R2（Ｘ，Ｙ为当前插补点动态坐标）。 显然，Ｆ＜0时，须朝＋Y向走一步；Ｆ≥0时，须－Ｘ向走一步。为方便汇编编程和提高计算速度，对偏差Ｆ的计算公式加以简化： 插补点位于Ａ、Ｂ点时，走完下一步（－Ｘ）：动态坐标变为（Ｘ＝Ｘ－１，Ｙ＝Ｙ），新偏差变为Ｆ＝（Ｘ－１）2＋Y2－R2＝Ｆ－２Ｘ＋１。 插补点位于Ｃ点时，走完下一步（＋Ｙ）：动态坐标变为（Ｘ＝Ｘ，Ｙ＝Ｙ＋１），新偏差变为Ｆ＝Ｘ2＋(Y+1)2－R2=Ｆ＋２Ｙ＋１。 因此， 走完－Ｘ后：偏差计算公式为Ｆ＝Ｆ－２Ｘ＋１，动态坐标修正为Ｘ＝Ｘ－１； 走完＋Ｙ后：偏差计算公式为Ｆ＝Ｆ＋２Ｙ＋１，动态坐标修正为Ｙ＝Ｙ＋１。 驱动器接收控制器发来的信号，经驱动放大后驱动电机运行。此处采用细分驱动器，一方面可减低震动和噪音，另一方面也可相应提高精度. 步进电机则把脉冲转换为角位移，并通过滚珠螺杆转化为直线运动，进而实现插补 4 运行效果 系统自投用以来，运行效果良好。此前表带抛光均手工完成，工人劳动强度大，产品一致性难以保证，品质因人而异，不好控制；转为机器生产后，提高了生产效率，产品品质易于控制，减少人员流动对产品的影响，降低劳动强度，且易于操作。 5 结束语 步进电机成本低，精度高，随着运动控制技术的成熟，被广泛应用于纺织、雕刻、抛光等行业以及旧机床改造。驱动器细分技术的应用，大大缩短步进与侍服的差距，促进自动化行业的发展。