焊枪小车步进电机驱动程序设计.pdf
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nullý \ Ð ! !o 6 l Ú É È z î ñ ½ ! 9康null 丽, 汤null 楠, 穆向阳(西安石油大学电子工程学院, 西安 710065)K null 1 : 针对焊管自动焊接系统的焊缝跟踪控制, 提出了基于 PC I- 9118HR多功能卡的焊枪位置步进电机控制方案通过 D elphi 7. 0编写的控制程序产生步进电机控制脉冲,由 PC I-9118HR输出步进电机转向和转速的控制信号,完成焊枪对中控制任务结果表明, 该方法具有较好的实时性、快速性和较强的实用性1 o M : 焊缝跟踪; 驱动控制; 步进电机; 方波脉冲Ï m s Ë | : TG409null Ó D S ½ : Bnull Ó c I | : 1001- 3938 ( 2008) 02- 0055- 040null - null ý在焊缝跟踪系统中, 跟踪精度在很大程度上是由执行机构的性能和响应速度决定的一般来说,焊枪小车机构的行走控制都是通过电机驱动来实现的,属于小型电动伺服控制系统工程中,驱动电机一般采用普通的直流伺服电动机或步进电机, 其功能是将外加直流信号或脉冲信号变成相应的角位移或直线位移, 它是控制系统中应用广泛的一种执行元件。
步进电机的动作与控制脉冲有关,通过控制脉冲信号控制相绕组的开通与关断, 从而使电机步进动作无论是采用市售步进电机驱动器, 还是自制相绕组开通 /关断主电路,或是采用软件脉冲分配器的方案,都必须通过适当的运算提供步进电机的脉冲控制信号[ 1]本设计提出直接由计算机通过 Delph i软件中的定时器产生焊枪驱动脉冲方波信号, 同时设计了相应的控制软件和一个简单的人机交互界面,通过主要控制参数调整方波脉冲频率,使焊枪小车以期望的速度向指定的方向和位置移动null null 由 CAD做出的辊型轮廓数据经专用程序转化为适合 CNC加工的数控指令代码,经计算机通讯接口直接送入数控机床为了消除热处理变形,采用了热处理后的精加工由于设计时就考虑了安装调试基准, 平辊采用相同的轴向长度,立辊采用相同的高度,使得调整工作简单可靠,且有较高的精度6null ² null ( 1)异型钢管是以圆管为母管, 按照拓扑关系确定变形关系的 2)采用计算机技术, 可以快速准确地进行迭代计算,确定各个变形过程的轮廓关系 3)变形量及各个体素的压缩量, 要根据成型机的实际情况进行分配和调整 4)对于特殊截面,需要考虑迭代计算后轮廓的闭合优化,根据截面特点确定成型基准及方位。
I Ó D :[ 1] SEDLM AIER A. Form ing Round Tube to Special Shaped:Software Solutions for Determ ing and Des igning H ighnullQuality Roll Tools and Draw ing R ings[ J]. Tube & P ipeTechnology, 1998( 3): 66- 69.[ 2] LIU J Y, SEDLM AIER A. The Application & Developnullm ent of a CAD /CAM System for Rollform ing[ C ] TUnullBETECH 98! . Shangha:i [ s. n. ], 1998: 103- 107.[ 3]小奈弘,刘继英. 冷弯成型技术 [M ]. 北京: 化学工业出版社, 2008: 130- 135.T e º : 刘继英, 男, 博士, 北京北方工业大学教授, 中国钢协冷弯型钢协会副理事长收稿日期: 2007- 10- 24编辑:罗null 刚∀55∀焊管∀第 31卷第 2期∀ 2008年 3月1null É È z î " d1. 1null 系统组成及工作原理步进电机驱动系统主要由主机、步进电机驱动单元和步进电机三部分组成。
1)主机部分null 以工控机为核心,包括驱动控制软件考虑到焊接控制系统中还包括焊接电流、电弧电压等检测和控制量的输入输出任务,故采用PC I- 9118HR多功能卡来实现控制脉冲的输出 2)步进电机驱动单元null 选用与步进电机匹配的驱动器 SM 520 3)步进电机null 根据设备驱动的要求选用57BYGH混合式步进电机,其主要性能见表 1V 1null 57BYGH É È ö 1 / · S步距角 /( #)步距精度 /%最大温升 /∃机身尺寸 /( mm % mm % mm )1. 8& 5 80 76% 56 % 56引线数 /根转动惯量 /( g∀ m2 )质量 /g6根( 2根电源线, 4根控制信号线)480 1 000视觉传感式焊缝跟踪系统工作过程如图 1所示,系统主要由工控机、步进电机及驱动电路、PC I- 9118HR卡、CCD摄像头等,构成一个闭环控制系统m 1null j $ . Ë T o õ 6 " d在焊接系统中, CCD视频传感器与焊枪安装于同一直线位置上,由 CCD传感器检测焊枪与焊缝的位置关系。
CCD摄像头采集到的图像经图像采集卡输入到工控机中并进行处理,得到焊缝中心与焊枪之间的偏差距离偏差距离即为带动焊枪运动的焊接小车在焊接过程中所要行走的距离,由图像处理及控制运算软件计算得出,经 PC I- 9118HR多功能卡发出控制信号到步进电机驱动器驱动器完成脉冲分配和功率放大功能, 控制步进电机起动并带动焊枪及摄像头运行到焊缝中心位置即系统首先以每秒 20帧的速率采集焊接过程的实时图像,并通过智能化的算法进行图像的比对,计算位置偏差及控制输出控制算法将以脉冲方波的形式输出控制信号, 通过 PC I- 9118卡输出到步进电机驱动器, 控制步进电机的移动和转向, 从而使步进电机带动焊枪移动到达焊缝中心位置,实现焊枪焊缝的自动对中[ 2]1. 2null PCI- 9118HR多功能卡在光电控制设备系统中, 为满足各分系统同工控机之间的实时通讯, 需要用到各种专用的硬件设备,它们对总线接口和传输的要求日渐提高,如高数据传输率、支持即插即用、低传输延时等PC I总线作为一种低成本、高性能的局部总线协议,支持线性突发传输,传送过程不需主机干预,目前被广泛应用在高速数据通信和采集中自动焊接系统包含了几种不同的输入输出信号,所以选用 ADLINK公司生产的 PC I- 9118HR多功能卡。
PCI- 9118HR卡是一款多功能的数据采集卡,相对于一般的方波产生电路, 具有使用方便、可控性高、有利于计算机程序控制等优点,其 4个数字量 I/O通道便于实现步进电机的启动 /停止、正转 /反转控制2null e Å ð Ø根据焊缝跟踪系统设计原理,在自动工作状态下,由 CCD传感器得到的焊接过程图像作为闭环控制的反馈信号,首先经由相应的图像处理得到焊枪实际位置及其与焊缝中心的偏差,然后再经过预订的控制算法计算出为满足系统动态控制指标要求所需要焊枪运动的方向、距离和速度输出步进电机的控制脉冲以完成焊缝自动对中的控制任务根据实际情况可以选择手动或者自动工作状态,系统运行监控界面如图 2所示在手动工作状态下,可以由操作员在主机上直接输入要求焊枪运动方向、距离和速度,由软件转换为相应的脉冲序列输出,如图 3所示控制程序流程如图 4所示2. 1null 步进电机的转向控制步进电机的转向是通过送入电动机绕组的脉冲顺序来控制的程序根据电机运动方向信号,∀56∀ 焊null 管null null null null null null null null null null null null null null null null null 2008年 3月null通过驱动器按相应的顺序给步进电机的各相绕组通电、断电, 方便地实现对电机的转向控制[ 3]。
控制软件根据偏差值的正负来判断步进电机的运动方向偏差数据写入 PC I卡时, 工控机根据方向判断位 b来控制步进电机的转向当 b=1时,步进电机向左移动;当 b= 2时,步进电机向右移动;当 b= 0时,步进电机停止2. 2null 位移量控制根据步进电机运行到目标位置的距离, 由电机的脉冲当量计算出步进电机运行到目标位置所需脉冲的个数, 根据需要的运行响应时间再得到脉冲输出的频率,如果没有失步存在,当执行机构达到目标位置时, CCD传感器所测偏差为零, 则停止输出步进电机控制脉冲序列信号,步进电机停止运行由 CCD传感器测得焊枪运动到焊缝中心所需的距离,即电机所需的位移量 L后,工控机根据 L值求取一定脉冲当量下输出所需的脉冲个数N,并且使计数器从零开始计数,每遇到一个奇数,使 n加 1,当 n =N 时脉冲停止这样就可以实现位置的精确控制在界面图形中可以同步显示实际行进的脉冲个数 n绝对位置参数由 CCD摄像头对采集到的图像信息处理后得出,第二个参数偏差距离与步进电机的转向有关焊接小车的简要控制程序如下:procedure TForm 1. T im er1T im er( Sender: TOb ject);null var ,i n, m, Pnull begin:i = 0;n: = 0;P: = 0;w hile i< = m dobeginnull if( round( i/2) = ( i/2) ) then P: = P+ 1null else P: = P- 1;null DO_W ritePort( card, 0, P); * 偶数输出高电平,奇数输出低电平null end;null n: = n+ 1; * 计算实际输出脉冲个数null end;null if :i = m;null else b: = 0; * 到达目标位置, 电机停止*null :i = i+ 1;end;null end∀57∀null 第 31卷第 2期null null null null null null null null null 康null 丽等:焊枪小车步进电机驱动程序设计在上述程序段中 m为根据偏差数据转换后传输到步进电机驱动系统的值; n为实际脉冲个数; P是脉冲值,可为任意值。
Round函数是求整函数, 所以由程序段可以看出: 当 i为偶数时,写入端口的值为∋ 1(,即对应工控机输出的高电平;当 i为奇数时,写入端口的值为∋ 0(,即对应工控机的低电平由于 n值是不断循环变化的, 所以写入端口的值在∋ 0(、∋ 1(之间变化, 实现高低电平的转换,从而实现方波驱动步进电机运动2. 3null 步进电机的速度控制为了保证控制精度和运行速度,用软件对步进电机进行加减速控制,除了在偏差很小和要求焊枪运行速度较慢的情况,都要利用变速控制程序使输出脉冲按升频、恒速和降频的过程输出为此需要输出控制程序改变输出时钟脉冲的时间间隔升速时,使脉冲信号逐渐加密;减速时,使脉冲信号逐渐稀疏[ 4]软件用定时器方式来控制电机变速,即不断改变定时器间隔的大小,一般用离散法来逼近理想的升降速曲线[ 5- 6 ]确定定时器的时间间隔通过试验进行调整,控制程序如下:procedure TForm 1. T rackBar1Change( Sender: TObnullject);null begintim er1. Enab led: = false;tim er1. Interva:l = 1 000- TrackBar1. Position*10;tim er1. Enab led: = true;可以根据偏差值m转换出速度值, 通过程序改变 TrackB ar中的 Position。
