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案例頻道1 簡(jiǎn)介
1 . 1 系統簡(jiǎn)介
系統為普通糟孔蔭罩刻蝕線(xiàn)，主要包括開(kāi)卷部分、刻蝕腔體部分、第一水洗部分、電解剝離部分、最終水洗部分和最后的烘干及撕邊部分。
1 . 1 系統簡(jiǎn)介
系統為普通糟孔蔭罩刻蝕線(xiàn)，主要包括開(kāi)卷部分、刻蝕腔體部分、第一水洗部分、電解剝離部分、最終水洗部分和最后的烘干及撕邊部分。
表面有光致抗刻蝕劑的成卷鋼帶，在開(kāi)卷部分被拉開(kāi)，并送人刻蝕腔體。腔體刻蝕液為FeC13 , 與鋼帶的無(wú)光抗部分反應，形成槽孔。第一水洗的作用為?？涛g，將蔭罩表面的FeC13 均勻地完全去除。剝離部分用于剝離鋼帶表面的光抗，剝離液為NaOH 。最終水洗除去鋼帶表面的NaOH 和雜質(zhì)。烘干部分烘干鋼帶表面的水分，防止生銹。之后鋼帶進(jìn)人撕邊機，撕去蔭罩四周的廢邊?？涛g生成的工藝過(guò)程如圖1 所示。
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開(kāi)卷 |
→ |
刻蝕 |
→ |
第一水洗 |
→ |
電解剝離 |
→ |
最終水洗 |
→ |
烘干 |
→ |
撕邊 |
圖1 刻蝕生產(chǎn)線(xiàn)工藝過(guò)程
刻蝕腔體部分為整個(gè)系統的關(guān)鍵，其刻蝕的效果直接影響到產(chǎn)品的合格率。整個(gè)刻蝕過(guò)程有6 個(gè)腔體，每個(gè)腔體中有上下兩對噴嘴，分別由兩臺電機控制，電機控制噴嘴來(lái)回擺動(dòng)。因此整個(gè)刻蝕部分由12 臺電機組成。由于電機不斷來(lái)回擺動(dòng)，這里稱(chēng)之為搖擺電機。
1 . 2 搖擺電機運動(dòng)簡(jiǎn)介
根據工藝要求電機必須按照一定軌跡運行，而且不同的電機運行軌跡有所區分。由于對運行曲線(xiàn)的高要求，搖擺電機的控制選用了B&R 的PCC 及ACOPOS 伺服控制器。
在上位機，工作人員給定一條軌跡上的16 個(gè)點(diǎn)，如圖2 所示，其中橫軸為位置，縱軸為速度。12 臺電機每臺都有一條設定的曲線(xiàn)。PCC 除了完成對電機的起動(dòng)、停止、運行等邏輯控制外，主要的功能就是控制電機按一定的軌跡運動(dòng)，使得這個(gè)軌跡同時(shí)經(jīng)過(guò)所設定的16 個(gè)點(diǎn)，并且保證電機運行的平穩。由于要求快速響應和高控制精度，搖擺部分使用同步伺服電機進(jìn)行運動(dòng)控制。之前使用東芝公司的PLC ，有擺動(dòng)不平滑的問(wèn)題，因此改用B&R 開(kāi)發(fā)的高性能控制器PCC 。PCC 在控制器中使用嵌人式操作系統，且設備層網(wǎng)絡(luò )采用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，可以實(shí)現非常高的實(shí)時(shí)控制要求。
圖2 搖擺電機軌跡點(diǎn)設置
2 B&R PCC 及ACOPOS 伺服
2 . 1 B&R PCC 硬件配置
搖擺部分采用了B&R 2005 , 2005 系列CPU 是B&R 第四代控制系統SG4 ，采用的是Intel 處理 器，包括了電源模塊、CPU 模塊、數字輸入輸出模塊。其中CPU 的PCI 總線(xiàn)插槽中插人了Power Link 網(wǎng)絡(luò )適配器。若采用PowerLink 串聯(lián)，最多只能串聯(lián)10 臺伺服控制器，本系統采用Power Link IF786 及一個(gè)HUB 將12 臺電機分成兩條串聯(lián)支路進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。數字輸人模塊用于起動(dòng)、停止、緊急停止、12 臺電機的Readay 、找原點(diǎn)信號輸人。數字輸出用于電機運行、電機故障、12 臺電機尋找原點(diǎn)的狀態(tài)指示。
上位機與PCC 可以通過(guò)RS232 與以太網(wǎng)進(jìn)行通信。RS232 作為編程口。以太網(wǎng)作為實(shí)時(shí)通信口，用于數據的上傳與下載。將上位機設定的運動(dòng)曲線(xiàn)實(shí)時(shí)傳給PCC ，同時(shí)將實(shí)際運動(dòng)位置、速度、電流及故障信息傳給上位機。
圖3 給出了一臺電機的伺服控制器與共他硬件設備的連接圖。電機控制器采用了B&R ACOPOS 伺服控制器。伺服控制器插人了Power Link 模塊AC112 ，用于和前后兩臺伺服控制器相連；AC122 為旋轉編碼器模塊，用于電機的速度與位置檢測。ACOPOS 1090 本身提供了溫度信號檢
測（T ＋、T 一），抱閘信號輸出（B 一、B + ) 和其他控制信號。在現場(chǎng)，同時(shí)安裝了三個(gè)光耦給定電機運行的正向極限位置、反向極限位置和原點(diǎn)位置。在運行前電機首先找到原點(diǎn)光耦所在位置定為O 位，然后根據設定曲線(xiàn)運行。而正、反向極限光耦信號起到了保護作用，當光耦給出信號時(shí)，伺服將給出極限故障信息并且停止運行。
圖3 伺服控制器與外圍連線(xiàn)
2 . 2 ACOPOS 伺服控制方式
ACOPOS 的伺服控制如圖4 所示，大致可以分為四個(gè)部分：初始值處理、位置控制、速度控制、實(shí)際值檢測。在初始處理時(shí)，根據給定的位置及最大允許速度和最大允許加速度，給出一個(gè)理想的定位過(guò)程，即得出加速、恒速、減速段，不同位置時(shí)的速度也相應得到。位置控制主要有比例調節、比例調節限制p _ max 、積分限制i _ max 和積分調節。比例調節后的值為k* △s ，若k* △s > p _ max ，則v_ p ﹦P _ max ；若k* △s ﹤﹣p _ max ，則v _ P ＝ ﹣p ＿max 。同理i _max 用干限制積分調節值，v _i 。速度調節為一般的PI調節得到控制電流值送入矢量控制器，對電機進(jìn)行控制。而電機的實(shí)際位置通過(guò)編碼器得到。
圖4 伺服控制框圖
3 B&R PCC 軟件系統
整個(gè)軟件系統可分為過(guò)程可視化接口（PVI ) 和Automation Studio。PVI 用于與上位機的通信，Automation Studio 則用于PCC 的邏輯控制與運動(dòng)控制等的編程。
3 . 1 PVI 通信
PVI 是所有Windows 應用程序訪(fǎng)問(wèn)貝加萊工業(yè)控制器的統一接口。使用PVI ，用戶(hù)在開(kāi)發(fā)通信程序時(shí)不需要花大量時(shí)間考慮底層的通信過(guò)程，也不需要調用復雜而繁瑣的Winsock API 函數，只需 在邏輯結構上進(jìn)行簡(jiǎn)單的配置即可訪(fǎng)問(wèn)PCC上的變量。PVI 的最大特點(diǎn)就是能夠使用程序直接操作PCC任務(wù)中的變量，因此必須給每一個(gè)過(guò)程變量在PVI Manager 中的映射指定唯一的路徑。
PVI 是所有Windows 應用程序訪(fǎng)問(wèn)貝加萊工業(yè)控制器的統一接口。使用PVI ，用戶(hù)在開(kāi)發(fā)通信程序時(shí)不需要花大量時(shí)間考慮底層的通信過(guò)程，也不需要調用復雜而繁瑣的Winsock API 函數，只需 在邏輯結構上進(jìn)行簡(jiǎn)單的配置即可訪(fǎng)問(wèn)PCC上的變量。PVI 的最大特點(diǎn)就是能夠使用程序直接操作PCC任務(wù)中的變量，因此必須給每一個(gè)過(guò)程變量在PVI Manager 中的映射指定唯一的路徑。
PVI 通信的核心任務(wù)是建立過(guò)程變量的映像，建立的結果是每個(gè)映像都和網(wǎng)絡(luò )中唯一的一個(gè)變量一一對應。這個(gè)變量可以是一個(gè)基本類(lèi)型的數據，如整型變量，也可以是一個(gè)自定義類(lèi)型的數據，如結構體變量。這個(gè)映像包含了從應用程序所在工作站到變量所在任務(wù)的路徑信息。如果把控制器和模塊也當作通信中對象的話(huà)，每個(gè)映像路徑包括的對象有：基本對象（Pvi ) ；線(xiàn)對象（Line ) ；站對象( Station ) ； CPU 對象（CPU ) ；模塊對象（Module ) ；任務(wù)對象（Task ）和變量對象（Variable）。這個(gè)映射路徑由PVI Manager 統一管理，每個(gè)對象包含對象名，對象描述和存取參教。勸象名（包括路徑）是PVI 中的名字。對象名由用戶(hù)任意確定，對象描述必須與PCC 中待映射的變量名字一樣，PVI Manager 依靠對象描述找到具體的過(guò)程變量，實(shí)現映象關(guān)系。存取參數包括數據類(lèi)型說(shuō)明、刷新時(shí)間、事件類(lèi)型等。
在本系統中，伺服電機運行在16 個(gè)位置的速度是確定的，位置和速度均可以在上位機上設置，然后發(fā)送至PCC 。將這些數據封裝為一個(gè)結構體：
struct MotorCommset { float Position [16]；//16 個(gè)點(diǎn)的位置 float Speed [16] ；//16 個(gè)點(diǎn)的速度 int MotorNumber ；//標示當前設置的是第幾臺電機}；
3 . 2 Automation Stndio 編程
Automation Studio 為每個(gè)應用與程序提供了多種編程方法。包括：梯形圖LAD ，指令表IL ，結構文本ST ，順序功能圖SFC , AB , ANSIC 。其中ANSIC 是使用于新一代Automation Studio的功能強大的高級編程語(yǔ)言。利用ANSIC 編寫(xiě)的語(yǔ)言可以實(shí)現更高級的功能。在搖擺部分的電機控制中，利用了ANSIC 來(lái)實(shí)現曲線(xiàn)生成的功能。
3.2.1 對象建立
B&R 的伺服運動(dòng)控制采用了面向對象的控制方式，使用高級語(yǔ)言C 針對一個(gè)伺服控制器創(chuàng )建一個(gè)運用對象ax _ obj 后，可以利用針對此運動(dòng)對象創(chuàng )建的指針* p _ ax _ dat _ ，對電機完成不同的運動(dòng)控制。
ncalloc ( ncACP10MAN + ncPOWERLINK 一IF , ACP10 NONE , ncAXIS , l , ( UDINT ) &
ax _ obj ) ；
每臺伺服控制器在硬件上都有一個(gè)節點(diǎn)設置部分，可以設置各自的節點(diǎn)號。在命令ncalloc 中通過(guò)不同的ACP10_ NODE 可以為不同的伺服創(chuàng )建各自的運動(dòng)對象。
3.2.2 虛軸
在A(yíng)COPOS 的伺服中，針對每一臺伺服而創(chuàng )建的運動(dòng)對象，都有一個(gè)假想的軸，稱(chēng)之為虛軸。這個(gè)虛軸跟實(shí)軸一樣一方面能夠作為從軸，跟著(zhù)主軸完成同步軌跡。另一方面也能作為主軸，讓其他軸參與同步。由于虛軸的引人，使得一個(gè)伺服也能夠和自己的虛軸發(fā)生同步關(guān)系，即電機運行時(shí)以自己的虛軸作為主軸，實(shí)軸跟隨虛軸同步。
在A(yíng)COPOS 的伺服中，針對每一臺伺服而創(chuàng )建的運動(dòng)對象，都有一個(gè)假想的軸，稱(chēng)之為虛軸。這個(gè)虛軸跟實(shí)軸一樣一方面能夠作為從軸，跟著(zhù)主軸完成同步軌跡。另一方面也能作為主軸，讓其他軸參與同步。由于虛軸的引人，使得一個(gè)伺服也能夠和自己的虛軸發(fā)生同步關(guān)系，即電機運行時(shí)以自己的虛軸作為主軸，實(shí)軸跟隨虛軸同步。
這里伺服要完成曲線(xiàn)運動(dòng)，在設定的點(diǎn)之間有一個(gè)加速度突變的過(guò)程，因此為了保持電機的平穩運行，采用了虛軸運動(dòng)控制。虛軸是一個(gè)理論上的軸，因此可以應用數學(xué)模型，設定虛軸的運行軌跡。在相鄰兩個(gè)點(diǎn)之間，虛軸為勻加速，運動(dòng)到下一個(gè)點(diǎn)時(shí)以另外一個(gè)加速度進(jìn)行勻加速運動(dòng)。由于虛軸是假想的理論軸，加速的突變不會(huì )引起電機運行的不穩定。因此這里將虛軸設為主軸。由于虛軸和實(shí)軸的同步關(guān)系為位置同步，而非速度同步，當設定虛軸與實(shí)軸為l : 1 同步時(shí)，虛軸為主軸按既定曲線(xiàn)運動(dòng)，而實(shí)軸則不斷地跟隨虛軸的位置進(jìn)行運動(dòng)，因此對于實(shí)軸來(lái)說(shuō)虛軸的速度或加速度的突變并不會(huì )對電機產(chǎn)生影響，保證了電機運行的穩定性。
Automation studio 提供了專(zhuān)門(mén)的實(shí)軸與虛軸的關(guān)系設定文件，在虛軸進(jìn)行運動(dòng)之前，必須把這個(gè)文件下載到伺服，建立伺服的虛軸與實(shí)軸的關(guān)系之后，實(shí)軸才能跟隨虛軸運動(dòng)。
實(shí)軸與虛軸的關(guān)系設定文件名為“autogear ”。
實(shí)軸與虛軸的關(guān)系設定文件名為“autogear ”。
< Parameter ID = “503” Name = “ Cam automat ； Master axis ” Value = “412”Unit =““Remark =””[412ACP10PAR _ S _SET _VAX1S]
在autogear中，將412號參數（虛軸的位置）賦給503號參數（主軸設定）表明了將虛軸的位置作為主軸。
< Parameter ID = “519” Name = “ Cam automat ； Multiplication factor of master axis ” Value = “1000”Unit =““Remark =””/>
< Parameter ID = “520” Name = “ Cam automat ； Multiplication factor of slave axis ” Value = “1000”Unit =““Remark =””/>
將519 號參數（主軸系數）和520 號參數（從軸系數）值設為相同的大小，這里都設為1000 , 表明了從軸與主軸以1000 : 1000 進(jìn)行位置同步。
B&R 為伺服參數的上傳與下載提供了專(zhuān)門(mén)的通道，稱(chēng)之為SERVICE 通道。通過(guò)SERVICE 通道，既可以進(jìn)行單個(gè)參數的傳輸，也可以進(jìn)行參數塊的傳輸。將“autogear ”作為一個(gè)參數塊，通過(guò)SERVICE 通道下載到伺服后，虛軸與實(shí)軸的關(guān)系便建立了起來(lái)。
strcpy (& DataDownload .parameter.data _ modul [0]，“autogear”)//所要下載的文件名p _ ax _ dat _ ＞network.service.data _adr ﹦(UDINT) & DataDownload // service通道ncaction ( ax _ obj , ncACP _ PAR + ncSERVICE , nc - DOWNLOAD )//虛軸、實(shí)軸設定下載， 一旦主軸與從軸的關(guān)系建立起來(lái)之后，只要對虛軸參數進(jìn)行操作，實(shí)軸就會(huì )跟隨虛軸位置進(jìn)行1:1 同步。而對于虛軸參數的操作同樣也可以通過(guò)SERVICE 通道進(jìn)行。
p _ ax _ dat _ > network.service.request.par _ id ﹦ACP10PAR _ CMD _ POS _ MOVE _ VAX1 //所要賦值的參數， p _ ax _ dat _ > network . service . data _ adr ﹦（UDINT ) & par _ dat //參數值，ncaction (ax _ obj , ncSERVICE , ncSET)//參數設置
3.2.3 程序設計
程序如圖5 所示，主要分為兩塊：一塊為總的邏輯控制部分，由梯形圖完成；另一塊為運動(dòng)控制部分，通過(guò)C 語(yǔ)言完成。
找原點(diǎn)時(shí)，電機統一向正向運行，若收到原點(diǎn)信號就停下，定為O 位；若收到正向極限信號就停下然后反方向運行，找到原點(diǎn)信號，定為0位。曲線(xiàn)運動(dòng)為一個(gè)子程序，點(diǎn)與點(diǎn)之間做勻加速運動(dòng)，通過(guò)位置的判斷，對虛軸進(jìn)行加速度的切換。
4 設計結果
利用B&R 的PCC 的PVI 完成了與上位機的通信。利用梯形圖進(jìn)行邏輯控制啟動(dòng)、停止、故障等。而高級語(yǔ)言C ，則實(shí)現了曲線(xiàn)的運用。并且在曲線(xiàn)運動(dòng)過(guò)程中，實(shí)時(shí)地將速度與位置信號傳給上位機，方便實(shí)時(shí)地觀(guān)測和調整曲線(xiàn)。
圖5 程序流程圖
目前，整條生產(chǎn)線(xiàn)已投入試生產(chǎn)，刻蝕效果良好。圖6 為伺服電機實(shí)時(shí)運動(dòng)曲線(xiàn)，伺服按正向運動(dòng)找到原點(diǎn)后開(kāi)始按到給定的點(diǎn)運動(dòng)。在相鄰的兩個(gè)點(diǎn)之間采用了勻加速運動(dòng)，按照位置進(jìn)行點(diǎn)與點(diǎn)的切換，改變各個(gè)曲線(xiàn)段的加速度。在運行過(guò)程中上位機對電機運行的實(shí)際位置與速度進(jìn)行隨機采樣，將采樣得到的點(diǎn)顯示在上位機界面上，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后可以看到電機實(shí)際運行的軌跡。由圖可知，實(shí)際運行中，都經(jīng)過(guò)設定的點(diǎn)。工藝要求的誤差為2mm ，而實(shí)際設計得到的結果誤差只有0.5mm ，性能大大提高。在高速運行時(shí)，如1min 運行40 個(gè)周期，電機仍然運行平穩，而工藝上只要求15 至30 個(gè)周期。
圖6 伺服電機實(shí)際運用曲線(xiàn)
采用了B&R 的PCC 使通信、控制、運動(dòng)變得更加方便、靈活、可靠。由于B&R 的PVI 功能，使通信方便，成為一個(gè)單獨的任務(wù)。利用Power - Link 實(shí)現了PCC 與12 臺伺服之間實(shí)時(shí)與快速的控制與傳輸。利用PCC 的高級語(yǔ)言C，方便地實(shí)現了曲線(xiàn)的生成。而利用B&R 特有的虛軸的概念，更使電機的運行平穩可靠。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號