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基于运动控制的平面玻璃打磨设备控制系统设计

论文编号: 所属栏目:智能科学 发布日期:2020年06月28日 论文作者:知乎者也论文网
摘要:目前,现有的平面玻璃打磨设备大多功能单一,不具备手动、自动和示教等综合性的功能。而且打磨时以单一的打磨轨迹为主,打磨后的玻璃容易发生镜面反射和具有磨削纹路。而玻璃的镜面反射和磨削纹路严重影响了用户的使用。因此设计一套消除磨削纹路,减少镜面反射,提高打磨精度,具有自动,手动和示教多功能的平面玻璃打磨设备的控制系统具有重要的意义。本次研究主要通过运动控制器,规划平面玻璃打磨设备的打磨轨迹,实现打磨设备的手动,示教,自动打磨等功能。利用的机械结构的硬件设备为已设计开发出的平面玻璃磨床。控制设备采用两种方式,一是采用固高控制卡GTS卡与工控机结合,二是采用固高科技运动控制器GUS。编程软件采用VS2015和OtoStudio,主要内容包括:分别利用两种控制器实现磨床的自动、手动、回零等操作;分别对XY平台组成的磨床的路径进行规划,设计不同的打磨轨迹,分析不同的轨迹对打磨效果的影响;采用多种打磨轨迹结合的方法,消除由单一轨迹带来的纹路。
关键词:平面玻璃;轨迹规划;运动控制器;打磨
 
目前工业中常见的打磨办法有机械打磨,手工打磨这两种,手工打磨较为灵敏便利,广泛的实用性,然而劳动力强度较大,加工效率偏低,品质不太稳定。而机械打磨较于手工打磨效率高、打磨品质好,劳动力强度又低,同时也可以改善劳动条件等,所以机械打磨设施的应用更为普遍。但已有的磨床打磨轨迹比较单一,存在精度不高的困境。同时单一的打磨轨迹使打磨后的玻璃容易发生镜面反射,存在磨削纹路,影响使用。而且已有的玻璃磨床功能单一,不能完全满足用户对综合性功能的需求。因此需要设计一套具有多种功能结合,且可以进行轨迹设计的打磨设备的控制系统。

一、 平面玻璃打磨设备硬件组成

平面玻璃打磨设备硬件主要包括三个方面:位置固定的主轴磨头砂轮,XY可移动平台,控制箱三个部分,简明示意图见图1。
 
图1 平面玻璃打磨设备硬件示意图
主轴:旋转,配备打磨平面玻璃的磨头;
XY可移动平台:连接两台伺服电机,由电机带动实现XY方向的移动。平台上放待打磨的玻璃,玻璃由真空吸盘固定。平台底部由气缸控制,可以进行升降;
控制箱:电气设备与控制器。

1.XY可移动平台

平台主要由固定平面玻璃的夹具和可上下左右移动的运动部件两大部分构成。夹具采用的是真空吸盘,可移动的部分则由控制器、驱动器、伺服电机、气缸,气动阀等组成完成。平台的上下移动通过气缸控制,在XY平面上的移动主要通过控制器、驱动器和伺服电机实现,形成控制器→双驱动器→双伺服电机这样的控制环节。

2.控制器

本次设计采用两套控制器,分别是GTS 4轴运动控制器和GUS 运动控制器。
GTS 4轴运动控制器核心由数字信号处理(DSP)和可编程门阵列(FPGA)组成,对于控制计算这方面性能高效。
GTS卡(见图2)与对应端子板组合成的,GTS卡插在主机中然后通过PCI总线连接到4轴端子板的CN17端子口上。
 
图2 GTS-40-PV(G)-PCI的侧视图(左)和俯视图
端子板面板上的接口有(见图3):
①轴信号接口(CN1-CN4);
②通用IO号HOME(回零)信号和LIMIT(限位)信号接口(CN9-1和CN9-2);
③辅助编码器接口(CN12和CN13);
④HSIO接口(CN14);
⑤模拟输入接口(CN19);
⑥手轮MPG接口(CN20)
GUS控制器可实现点位、同步、PT、PVT等多种运动。而且带硬件捕获,编码器输入,脉冲量输出等功能,外观图如下图所示。
 
图3  GUS-400 控制器外观图

3驱动器

伺服驱动器的主要作用是针对伺服电机运转控制而对应生产的一种控制器。
本课题中使用的XY移动平台主要的是所选取的是固高科技GTHD系列高性能伺服驱动器,它的硬件与软件采用创新设计,可对所有主流永磁电机进行高性能控制。

 

二、基于GUS控制器的磨床控制系统软件设计

1.控制系统主程序流程

基于GUS控制器的磨床控制系统主要由三个模块构成,包括手动功能,回零功能和自动功能。手动模块中设计有点位运动模式和Jog运动模式;回零模块设计有X轴回零和Y轴回零,回零方式为正向寻找原点信号;自动模块设计用到插补运动,直线插补和圆弧插补运动,使打磨设备可移动平台完成N型和圆弧型轨迹打磨。采用的软件为GUS控制器中使用的OtoStudio。该软件基于IEC61131-3工业控制语言的组态软件,标准编程工具,具有开放性、扩展性、模块化等特点。
主程序流程如图4所示:

图4 基于GUS控制器的磨床主程序流程图
    

2.磨床的手动功能

磨床的手动功能,可以设置XY平台的点位运动和JOG运动。点位运动完成的轨迹是点到点的直线运动,JOG运动可实现连续运动。在可视化界面上的手动动能模块上,启动和停止按钮,可实现磨床的手动运行。程序界面和软件流程图如图5、6所示。
 
图5 可视化手动功能图
 
图6手动功能程序流程图
 

3.磨床的回零功能


图7 回零模块流程图
在系统的软件设计中,回零功能很重要。磨床启动后,准备开始打磨时,需要可移动平台回到原点位置,从而建立统一的坐标系。如遇到突发状况,打磨时,中途断电后。再次启动,也需要可移动平台就回到原点。如图7所示,就是本次回零模块设计的流程图。

4.磨床的自动功能


图8 自动模块流程图
在系统软件设计中,采用插补运动实现可移动平台自动打磨的功能,流程图如8所示。
而插补运动有两种,圆弧插补和直线插补。直线插补方式中,两点间的插补沿着直线的点群来逼近。圆弧插补是给出两端点间的插补数字信息,以一定的算法计算出逼近实际圆弧的点群,控制刀具沿这些点运动,加工出圆弧曲线。
GUS运动控制器的插补运动模式具有以下功能:
①可以实现直线插补和圆弧插补
②可以同时有两个坐标系进行插补运动
③ 每个坐标系含有两个缓存区,可以实现缓存区暂停、恢复等功能
④具有缓存区延时和缓存区数字量输出的功能
⑤能够实现小线段高速平滑的连续轨迹运动
 
打磨轨迹如图9所示:
 
图9 N型和圆弧型轨图
 


三、基于GTS控制卡的磨床控制系统软件设计

1.控制系统功能

基于GTS控制卡和工控机结合,构成控制系统另一种方案的硬件基础。在windows平台上采用VS2015的C++进行研发设计。在此基础上,平面玻璃磨床的控制系统主要的功能有如下几个方面:
①自动模式:实现磨床的自动运行,可按照预设轨迹,速度等参数运行;
②手动模式:实现磨床的手动运行,在手动模式下,可以进行磨床的调试,校正等操作;
③示教模式:录入参数,设置磨床运行轨迹等;
④设置模式:设置控制器IO端口等外设参数;
⑤统计模式:记录日期,检修等信息。
 

2.磨床示教模式

  示教模式的主要功能是设置玻璃,磨头,伺服电机速度,主轴速度及XY平台的轨迹等参数,形成文件后保存,作为自动模式的文件被调用。
实现的主要功能包括:
①玻璃尺寸设置
②磨头尺寸设置
③XY平台中X、Y平台的移动速度
④主轴移动速度
⑤磨床的运动轨迹规划
    在示教模式中,主要研究XY平台的轨迹规划。本课题采用直线轨迹和曲线轨迹两种方式结合的规划。

(1)平面直线轨迹

平面直线轨迹的设计,同平面内不重合的两点确定一条直线,所以,只需要确定两个不相同的点的位置,本课题采用Jog运动模式与直线插补运动模式规划直线运动。
在Jog模式中,每个轴能够单独设置速率、加减速度、平滑参数等数据,可以单独运动或停止。启动Jog运动以后,根据设置的加速度加速到匀速持续运转,在运动的时候能够何时何地的修改运动参数。
直线插补运动模式中,两个点之间的插补运动与沿着两点之间的直线逼近运动。开始如果在具体路线的起点处沿着第一个轴向行走一小段距离(如转一圈),发现停落点处于起点与重点直线的路线下方,则下一个线段沿第二个轴向行走一小段距离,倘若此时线段的停落点还处于起点与重点直线的路线下方,则继续沿第二个轴向行走一小段距离,直到处于起点与重点直线的路线下方路线上方以后,再向第一个轴向走一小段。依此类推,直到运动到路线的最终停落点为止。这样具体路线是由一段段的折线线段连续形成,即使是曲折的路线,倘若每一段行走的线段都处在允许范围内,那么,这写折线线段仍然是可以看似一条直线的,这就是直线插补运动。
Jog运动能够做出的轨迹如下图(图10)所示,它是基于单个轴的运动模式。可直接设计移动距离、与移动速度、加速度、减速度等运动参数。
 
图10点位运动轨迹示意图
直线插补运动模式能够做出的轨迹如下图(图11)所示,可基于单个轴或多个轴的运动模式。
 
图11直线插补运动模式示意图
上面的两种运动模式轨迹较为单一,打磨玻璃平面时会存在不同的透光性,反光照面不均匀,不足以达到高要求,跟传统的数控机床打磨出来的没什么改变,基于此种情况,采用GTS控制卡,功能较为齐全,控制的两个轴运动可实现曲线插补运动。

(2)平面曲线轨迹

平面曲线轨迹的设计,曲线是运动的点在运动时,方向不断连续发生变化所构成的线,对于这种线段,XY移动平台的两个轴需要联合一起运动,构成不一样的线段,在GTS运动控制器中两个轴一起组合运动的方式我们常用的是圆弧插补运动模式。
圆弧插补运动,圆弧插补是给出两个数据点之间的位置信息,以特定的算法计算出接近位置要求圆弧曲线的线段,控制两个XY轴沿这条线运动,运动出圆弧线段。这类插补只存在单独一个平面。它能够控制组合多个运动轴之间的插补运动,将数据段所描述曲线的各个数据点之间进行数据连续化,以此运转出符合要求的路径,如图12所示。
 
图12圆弧插补轨迹示意图
这种模式可以根据需求,同时控制两个轴运动,实现圆弧或圆形的运动轨迹。
 

3.磨床自动模式

  自动模式的主要功能是加载示教模式的文件,让磨床按照示教模式下设置的参数和轨迹自动运行,同时记录磨床工作时间等参数。
实现的主要功能包括:
①加载记录磨床轨迹等参数的文件
②记录磨床运行时间
③记录磨头使用时间
   程序界面如图13:
 
图13 磨床自动模式程序界面
    

4.磨床手动模式

    手动模式的主要功能是对磨床的参数进行校正,并且记录矫正后的参数。
实现的主要功能包括:
①实现磨床XY平台的点动运行,步长和速度可设。
②实现磨床XY平台的连续运行,速度可设。
③回零操作。
④实现磨床XY平台的升降等操作。
⑤报警显示及清楚灯操作
   手动模式主要研究磨床XY平台的点动,连续以及回零操作。
   程序界面如图14:
 
图14 磨床手动模式程序界面
点位运动下,各轴能够独立运动或停止。按下前、后、左、右的启动按钮,可移动平台进行前后左右的移动,需要中途停止时,松开按钮即可。连续运动模式下,设置步长参数,各轴按照相应的步长进行连续运动。点动和连续运动模式下,速度参数有三种方式,低速,中速和高速。
通过XY平台的点动和连续运行,可以记录平台在X、Y方向的最大运行距离,校正平台的中点位置,偏移位置等。
 
结语: 
本课题完成了平面玻璃打磨设备控制系统的设计,克服了已有磨床功能单一,不能形成自动化生产线的缺点;同时,增加了各种不同的打磨轨迹,减少了单一轨迹造成的磨削纹路和镜面反射的产生;而且,预留操作界面,可供用户加载自己设计的打磨轨迹,是程序的开放性更高,适用场合更广泛。

参考文献

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