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基于運動控制的平面玻璃打磨設備控制系統設計

論文編號: 所屬欄目:智能科學 發布日期:2020年06月28日 論文作者:博士 論文網
摘要:目前,現有的平面玻璃打磨設備大多功能單一,不具備手動、自動和示教等綜合性的功能。而且打磨時以單一的打磨軌跡為主,打磨后的玻璃容易發生鏡面反射和具有磨削紋路。而玻璃的鏡面反射和磨削紋路嚴重影響了用戶的使用。因此設計一套消除磨削紋路,減少鏡面反射,提高打磨精度,具有自動,手動和示教多功能的平面玻璃打磨設備的控制系統具有重要的意義。本次研究主要通過運動控制器,規劃平面玻璃打磨設備的打磨軌跡,實現打磨設備的手動,示教,自動打磨等功能。利用的機械結構的硬件設備為已設計開發出的平面玻璃磨床。控制設備采用兩種方式,一是采用固高控制卡GTS卡與工控機結合,二是采用固高科技運動控制器GUS。編程軟件采用VS2015和OtoStudio,主要內容包括:分別利用兩種控制器實現磨床的自動、手動、回零等操作;分別對XY平臺組成的磨床的路徑進行規劃,設計不同的打磨軌跡,分析不同的軌跡對打磨效果的影響;采用多種打磨軌跡結合的方法,消除由單一軌跡帶來的紋路。
關鍵詞:平面玻璃;軌跡規劃;運動控制器;打磨
 
目前工業中常見的打磨辦法有機械打磨,手工打磨這兩種,手工打磨較為靈敏便利,廣泛的實用性,然而勞動力強度較大,加工效率偏低,品質不太穩定。而機械打磨較于手工打磨效率高、打磨品質好,勞動力強度又低,同時也可以改善勞動條件等,所以機械打磨設施的應用更為普遍。但已有的磨床打磨軌跡比較單一,存在精度不高的困境。同時單一的打磨軌跡使打磨后的玻璃容易發生鏡面反射,存在磨削紋路,影響使用。而且已有的玻璃磨床功能單一,不能完全滿足用戶對綜合性功能的需求。因此需要設計一套具有多種功能結合,且可以進行軌跡設計的打磨設備的控制系統。

一、 平面玻璃打磨設備硬件組成

平面玻璃打磨設備硬件主要包括三個方面:位置固定的主軸磨頭砂輪,XY可移動平臺,控制箱三個部分,簡明示意圖見圖1。
 
圖1 平面玻璃打磨設備硬件示意圖
主軸:旋轉,配備打磨平面玻璃的磨頭;
XY可移動平臺:連接兩臺伺服電機,由電機帶動實現XY方向的移動。平臺上放待打磨的玻璃,玻璃由真空吸盤固定。平臺底部由氣缸控制,可以進行升降;
控制箱:電氣設備與控制器。

1.XY可移動平臺

平臺主要由固定平面玻璃的夾具和可上下左右移動的運動部件兩大部分構成。夾具采用的是真空吸盤,可移動的部分則由控制器、驅動器、伺服電機、氣缸,氣動閥等組成完成。平臺的上下移動通過氣缸控制,在XY平面上的移動主要通過控制器、驅動器和伺服電機實現,形成控制器→雙驅動器→雙伺服電機這樣的控制環節。

2.控制器

本次設計采用兩套控制器,分別是GTS 4軸運動控制器和GUS 運動控制器。
GTS 4軸運動控制器核心由數字信號處理(DSP)和可編程門陣列(FPGA)組成,對于控制計算這方面性能高效。
GTS卡(見圖2)與對應端子板組合成的,GTS卡插在主機中然后通過PCI總線連接到4軸端子板的CN17端子口上。
 
圖2 GTS-40-PV(G)-PCI的側視圖(左)和俯視圖
端子板面板上的接口有(見圖3):
①軸信號接口(CN1-CN4);
②通用IO號HOME(回零)信號和LIMIT(限位)信號接口(CN9-1和CN9-2);
③輔助編碼器接口(CN12和CN13);
④HSIO接口(CN14);
⑤模擬輸入接口(CN19);
⑥手輪MPG接口(CN20)
GUS控制器可實現點位、同步、PT、PVT等多種運動。而且帶硬件捕獲,編碼器輸入,脈沖量輸出等功能,外觀圖如下圖所示。
 
圖3  GUS-400 控制器外觀圖

3驅動器

伺服驅動器的主要作用是針對伺服電機運轉控制而對應生產的一種控制器。
本課題中使用的XY移動平臺主要的是所選取的是固高科技GTHD系列高性能伺服驅動器,它的硬件與軟件采用創新設計,可對所有主流永磁電機進行高性能控制。

 

二、基于GUS控制器的磨床控制系統軟件設計

1.控制系統主程序流程

基于GUS控制器的磨床控制系統主要由三個模塊構成,包括手動功能,回零功能和自動功能。手動模塊中設計有點位運動模式和Jog運動模式;回零模塊設計有X軸回零和Y軸回零,回零方式為正向尋找原點信號;自動模塊設計用到插補運動,直線插補和圓弧插補運動,使打磨設備可移動平臺完成N型和圓弧型軌跡打磨。采用的軟件為GUS控制器中使用的OtoStudio。該軟件基于IEC61131-3工業控制語言的組態軟件,標準編程工具,具有開放性、擴展性、模塊化等特點。
主程序流程如圖4所示:

圖4 基于GUS控制器的磨床主程序流程圖
    

2.磨床的手動功能

磨床的手動功能,可以設置XY平臺的點位運動和JOG運動。點位運動完成的軌跡是點到點的直線運動,JOG運動可實現連續運動。在可視化界面上的手動動能模塊上,啟動和停止按鈕,可實現磨床的手動運行。程序界面和軟件流程圖如圖5、6所示。
 
圖5 可視化手動功能圖
 
圖6手動功能程序流程圖
 

3.磨床的回零功能


圖7 回零模塊流程圖
在系統的軟件設計中,回零功能很重要。磨床啟動后,準備開始打磨時,需要可移動平臺回到原點位置,從而建立統一的坐標系。如遇到突發狀況,打磨時,中途斷電后。再次啟動,也需要可移動平臺就回到原點。如圖7所示,就是本次回零模塊設計的流程圖。

4.磨床的自動功能


圖8 自動模塊流程圖
在系統軟件設計中,采用插補運動實現可移動平臺自動打磨的功能,流程圖如8所示。
而插補運動有兩種,圓弧插補和直線插補。直線插補方式中,兩點間的插補沿著直線的點群來逼近。圓弧插補是給出兩端點間的插補數字信息,以一定的算法計算出逼近實際圓弧的點群,控制刀具沿這些點運動,加工出圓弧曲線。
GUS運動控制器的插補運動模式具有以下功能:
①可以實現直線插補和圓弧插補
②可以同時有兩個坐標系進行插補運動
③ 每個坐標系含有兩個緩存區,可以實現緩存區暫停、恢復等功能
④具有緩存區延時和緩存區數字量輸出的功能
⑤能夠實現小線段高速平滑的連續軌跡運動
 
打磨軌跡如圖9所示:
 
圖9 N型和圓弧型軌圖
 


三、基于GTS控制卡的磨床控制系統軟件設計

1.控制系統功能

基于GTS控制卡和工控機結合,構成控制系統另一種方案的硬件基礎。在windows平臺上采用VS2015的C++進行研發設計。在此基礎上,平面玻璃磨床的控制系統主要的功能有如下幾個方面:
①自動模式:實現磨床的自動運行,可按照預設軌跡,速度等參數運行;
②手動模式:實現磨床的手動運行,在手動模式下,可以進行磨床的調試,校正等操作;
③示教模式:錄入參數,設置磨床運行軌跡等;
④設置模式:設置控制器IO端口等外設參數;
⑤統計模式:記錄日期,檢修等信息。
 

2.磨床示教模式

  示教模式的主要功能是設置玻璃,磨頭,伺服電機速度,主軸速度及XY平臺的軌跡等參數,形成文件后保存,作為自動模式的文件被調用。
實現的主要功能包括:
①玻璃尺寸設置
②磨頭尺寸設置
③XY平臺中X、Y平臺的移動速度
④主軸移動速度
⑤磨床的運動軌跡規劃
    在示教模式中,主要研究XY平臺的軌跡規劃。本課題采用直線軌跡和曲線軌跡兩種方式結合的規劃。

(1)平面直線軌跡

平面直線軌跡的設計,同平面內不重合的兩點確定一條直線,所以,只需要確定兩個不相同的點的位置,本課題采用Jog運動模式與直線插補運動模式規劃直線運動。
在Jog模式中,每個軸能夠單獨設置速率、加減速度、平滑參數等數據,可以單獨運動或停止。啟動Jog運動以后,根據設置的加速度加速到勻速持續運轉,在運動的時候能夠何時何地的修改運動參數。
直線插補運動模式中,兩個點之間的插補運動與沿著兩點之間的直線逼近運動。開始如果在具體路線的起點處沿著第一個軸向行走一小段距離(如轉一圈),發現停落點處于起點與重點直線的路線下方,則下一個線段沿第二個軸向行走一小段距離,倘若此時線段的停落點還處于起點與重點直線的路線下方,則繼續沿第二個軸向行走一小段距離,直到處于起點與重點直線的路線下方路線上方以后,再向第一個軸向走一小段。依此類推,直到運動到路線的最終停落點為止。這樣具體路線是由一段段的折線線段連續形成,即使是曲折的路線,倘若每一段行走的線段都處在允許范圍內,那么,這寫折線線段仍然是可以看似一條直線的,這就是直線插補運動。
Jog運動能夠做出的軌跡如下圖(圖10)所示,它是基于單個軸的運動模式。可直接設計移動距離、與移動速度、加速度、減速度等運動參數。
 
圖10點位運動軌跡示意圖
直線插補運動模式能夠做出的軌跡如下圖(圖11)所示,可基于單個軸或多個軸的運動模式。
 
圖11直線插補運動模式示意圖
上面的兩種運動模式軌跡較為單一,打磨玻璃平面時會存在不同的透光性,反光照面不均勻,不足以達到高要求,跟傳統的數控機床打磨出來的沒什么改變,基于此種情況,采用GTS控制卡,功能較為齊全,控制的兩個軸運動可實現曲線插補運動。

(2)平面曲線軌跡

平面曲線軌跡的設計,曲線是運動的點在運動時,方向不斷連續發生變化所構成的線,對于這種線段,XY移動平臺的兩個軸需要聯合一起運動,構成不一樣的線段,在GTS運動控制器中兩個軸一起組合運動的方式我們常用的是圓弧插補運動模式。
圓弧插補運動,圓弧插補是給出兩個數據點之間的位置信息,以特定的算法計算出接近位置要求圓弧曲線的線段,控制兩個XY軸沿這條線運動,運動出圓弧線段。這類插補只存在單獨一個平面。它能夠控制組合多個運動軸之間的插補運動,將數據段所描述曲線的各個數據點之間進行數據連續化,以此運轉出符合要求的路徑,如圖12所示。
 
圖12圓弧插補軌跡示意圖
這種模式可以根據需求,同時控制兩個軸運動,實現圓弧或圓形的運動軌跡。
 

3.磨床自動模式

  自動模式的主要功能是加載示教模式的文件,讓磨床按照示教模式下設置的參數和軌跡自動運行,同時記錄磨床工作時間等參數。
實現的主要功能包括:
①加載記錄磨床軌跡等參數的文件
②記錄磨床運行時間
③記錄磨頭使用時間
   程序界面如圖13:
 
圖13 磨床自動模式程序界面
    

4.磨床手動模式

    手動模式的主要功能是對磨床的參數進行校正,并且記錄矯正后的參數。
實現的主要功能包括:
①實現磨床XY平臺的點動運行,步長和速度可設。
②實現磨床XY平臺的連續運行,速度可設。
③回零操作。
④實現磨床XY平臺的升降等操作。
⑤報警顯示及清楚燈操作
   手動模式主要研究磨床XY平臺的點動,連續以及回零操作。
   程序界面如圖14:
 
圖14 磨床手動模式程序界面
點位運動下,各軸能夠獨立運動或停止。按下前、后、左、右的啟動按鈕,可移動平臺進行前后左右的移動,需要中途停止時,松開按鈕即可。連續運動模式下,設置步長參數,各軸按照相應的步長進行連續運動。點動和連續運動模式下,速度參數有三種方式,低速,中速和高速。
通過XY平臺的點動和連續運行,可以記錄平臺在X、Y方向的最大運行距離,校正平臺的中點位置,偏移位置等。
 
結語: 
本課題完成了平面玻璃打磨設備控制系統的設計,克服了已有磨床功能單一,不能形成自動化生產線的缺點;同時,增加了各種不同的打磨軌跡,減少了單一軌跡造成的磨削紋路和鏡面反射的產生;而且,預留操作界面,可供用戶加載自己設計的打磨軌跡,是程序的開放性更高,適用場合更廣泛。

參考文獻

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