二維工作臺控制系統設計及精度分析

陳昌華， 許瑛

（南昌航空大學飛行器工程學院，南昌330063）

二維工作臺控制系統設計及精度分析

陳昌華， 許瑛

（南昌航空大學飛行器工程學院，南昌330063）

對二維工作臺控制系統進行了研究，采用滾珠絲桿副和直線滾動導軌副的傳動方式，選用直線光柵尺作為工作臺的反饋元件，控制系統的核心為工控機和運動控制卡，利用固高GE400運動控制卡發出脈沖信號控制伺服驅動器對工作臺機械部分進行實時的操控。在VC++6.0設計環境下開發工作臺的控制軟件，實現了多軸控制。使用雙頻激光儀獲得工作臺的系統誤差曲線，采取水平分割的方法對誤差曲線進行分割，獲得各區間的誤差補償數據，通過軟件控制對工作臺各行程區間進行誤差補償，通過理論計算和實驗測得補償后的數據對比，驗證了該補償方法的可靠性，對于提升二維工作臺的精度具有積極的意義。

二維工作臺；控制系統；誤差補償

0 引言

二維工作臺是手機外殼檢測設備中不可或缺的自動化檢測儀器。近年來，隨著我國手機行業迅速發展和手機性能多元化需求的不斷提高，對二維工作臺的檢測精度和效率提出了更高的要求。由于早期的工作臺采用的是硬件式控制方式，數控裝置中的輸入、運算、插補運算以及控制功能均由集成電路或晶體管等器件組成［1］，這樣的控制方式柔性差，通用性低。筆者采用軟件式控制方式，工作臺的主要功能可通過軟件來實現。本文首先對X-Y工作臺硬件結構進行了設計和選型，在VC++6.0設計環境下編寫了軟件模塊，著重分析了二維工作臺的各種誤差來源，利用軟件式控制的優越性，提出了一種對誤差曲線進行水平分割來實現誤差補償的方法；同時設計了工作臺的精度測試實驗，通過理論分析結果與實驗結果對比，驗證了逆向誤差數值補償的正確性，為同類二維工作臺今后的設計提供參考。

1 系統硬件結構

1.1 系統整體結構

二維工作臺通過定制模具將手機外殼真空吸附在其上，檢測時，垂直于二維工作臺的檢測邦頭會向下運動到略高于產品底部的位置，邦頭上附有傳感器，二維工作臺會先后在X和Y方向做直線運動，檢測邦頭上的傳感器會接收到反饋信號，軟件會記錄此時安裝在X、Y方向光柵尺的數據，邦頭在整個檢測過程中是不運動的，所以產品尺寸主要是通過測量二維工作臺控制模具在X、Y方向上的移動距離而達到的，從而檢驗產品是否達到精度標準。由此，工作臺的定位精度決定了設備是否能夠有效篩選出不良品的功能，所以二維工作臺要求實現定位精度達10 μm，以保證產品合格率的把關。本文中工作臺的驅動方式為伺服電機與滾珠絲桿配合，X、Y軸工作行程均為200 mm，最大移動速度為30 mm/s，最大移動加速度10 mm/s2，重復定位精度5 μm，工作臺采用雙零級精密大理石為底座。通過選擇適合系統的運動控制卡和光柵尺等部件，調用控制卡函數庫，在VC++6.0設計環境下編寫程序，選擇符合精度要求的光柵尺進行工作臺位置的實時反饋，從而達到閉環控制的目的。

由于對于產品尺寸精度要求很高，而工作臺的系統誤差又是不可避免的，為了將誤差控制在許可的范圍內，這里利用了軟件式控制方法柔性高的特點，首先通過使用雙頻激光測量儀測出系統誤差曲線；而后對工作臺的誤差曲線進行分析，利用水平分割的方法對設備的系統誤差進行補償。如圖1所示為二維工作臺的機械部件簡圖，工作臺控制系統的基本配置如下：工控機，GE400運動控制卡，伺服電機，二維工作臺機械部分，光柵尺和電源等。控制卡安裝在工控機主板插槽上，通過工控機的操作系統調用函數庫中相應的運動控制函數發出操作指令，經過控制卡產生高頻脈沖序列，脈沖序列的頻率可以控制轉速，通過脈沖數量控制電機的位置。使用光電傳感器來控制工作臺的行程，當控制卡的IO接口讀取到傳感器的信號后，控制電機停止達到安全限位的目的。系統結構圖如圖2所示。

圖1 二維工作臺機械部件簡圖

圖2 系統結構圖

1.2 GE400運動控制卡介紹

由圖2可以看出，GE400運動控制卡起到了將軟件控制信號傳達給伺服驅動器控制伺服電機的功能。控制卡軸控信號輸出接口共有4路，根據不同工作條件設定的輸出方式為模擬電壓輸出或者脈沖輸出，其中脈沖代表走的長度，頻率代表速度；模擬量的大小對應電機的速度與位置。每軸均可以獨立進行脈沖和方向信號的反饋，實時控制電機的轉速和方向［2］。同時，其基于CPCI總線的可插拔式設計使得控制卡可以方便地與工控機配合［5］，大大降低了在調試過程中對硬件的要求，由此選用了該控制卡在VC++環境下根據動態鏈接庫完成對X、Y向伺服電機的編程操控。

1.3 反饋元件的介紹

根據圖1知道，工作臺在運動時，通過X、Y向光柵尺可以實時定位工作臺所處位置，所以光柵尺的精度對于產品的檢測結果有很大的影響，直線光柵尺是通過記錄靜止光柵尺和運動光柵尺相對運動產生的摩爾條紋數量來測量位移的。本文選擇了德國海德漢LIP372系列直線光柵尺，分辨率為0.001 μm，符合我們的設計要求。

1.4 工作臺機械部分介紹

在圖1中可以看到，工作臺的機械部分主要由工作臺基座上的X、Y向傳動系統組成，其工作方式主要是通過X、Y向伺服電機帶動滾珠絲桿副，控制絲桿副上安裝板的運動，以推動產品模具連接塊的運動。工作臺的機械部分是自動檢測機的重要組成部分，由于要滿足設備小型化、無間隙、高精度和低摩擦的要求，所以X、Y向傳動系統采用了滾珠絲桿副、直線滾動導軌副的傳動方式，這樣的配合方式摩擦系數小，傳動效率高，比常規的絲桿螺母副提高了3～4倍［7］。

2 系統軟件開發

GE400運動控制器提供DOS下的C語言函數庫和Windows下的動態鏈接庫。用戶只要調用函數庫中的指令，即可以實現運動控制器的各種功能。選擇了在Windows XP系統下利用VC++6.0進行軟件的編程。進行編程工作時將產品配套的動態鏈接庫、頭文件和lib文件復制到工程文件夾中，需要調用時在應用程序文件中加入函數庫頭文件的聲明，即可在Visual C++中調用其中的任何函數了。

2.1 程序設計流程

在Windows環境下的軟件開發是一種基于消息的程序設計模式。本次二維工作臺的消息機制是由工控機發送消息指令給運動控制卡，運動控制卡同時接收終端傳感器的反饋信號并轉換成數據顯示在軟件界面上。程序控制流程分為以下幾步：

1）板卡初始化。在調用控制卡函數庫之前，首先要對函數庫進行初始化。初始化函數為GT_Open和GT_ Rest，GT_Open負責打開運動控制器，和運動控制器建立通訊。GT_Reset使運動控制器的所有寄存器恢復到默認狀態。

2）設置控制軸工作方式，運動控制卡包含“模擬電壓輸出”和“脈沖輸出”兩種輸出方式，上電默認為模擬電壓輸出。調用指令GT_CtrlMode可以切換軸輸出方式。函數GT_SetAcc設定制定控制軸加速度，GT_SetVel設定制定控制軸的目標速度，GT_Upadate指令刷新控制軸參數。

3）判定產品是否在許可誤差范圍內，經過傳感器接收到尺寸數據，與標準值進行比對，判定產品的合格與否，若不合格會報警提示不良品，合格則退出并釋放函數庫，結束單次循環。

2.2 人機界面

控制系統的操作界面利用了VC++面向對象的方法，界面包含了設置馬達速度、測試標準值、負偏差以及正偏差等功能；可以實現對每個電機的運動模式、齒輪比、位置、邏輯限位、速度和加速度的設定；界面可以良好地讀取和顯示各傳感器的反饋信號及工作臺的運行位置等。軟件具有良好的可移植性，在印刷、激光切割以及AOI等測試領域進行適當完善后均可得到良好地應用。

2.3 軟件的補償策略

二維工作臺的誤差來源比較復雜，主要包含工作臺、加工過程和檢測三個方面：1）工作臺底座、滾珠絲桿、螺母副和導軌等工作臺零部件在制造過程中引入的尺寸誤差及裝配過程中引入的裝配誤差；2）工作臺在負載下的變形及工作臺結構的力變形引起的定位誤差；3）具體工況中振動、濕度、溫度、氣流等因素引起的環境誤差及檢測誤差等［3］。由于二維工作臺的工作環境基本不變，所以主要的誤差來源是裝配誤差和定位誤差，由于該兩項誤差在產生之后基本保持恒定值，因此本文選擇使用分辨率0.1 μm的雙頻激光儀先測得二維工作臺的誤差曲線，然后選擇一種方法對誤差曲線進行分割，再通過軟件根據工作臺不同的行程區間進行分段補償，以達到控制工作臺誤差的目的。

圖3 系統誤差曲線圖

目前對于二維工作臺誤差的補償方法主要有垂直分割法和水平分割法，垂直分割法是以恒定的坐標間隔對單軸定位誤差曲線進行離散，這種方法可有效補償誤差測試點處的誤差，但由于不能將補償精度控制在一定范圍內，所以在這里將采用水平分割法，對系統誤差曲線進行劃分和精度補償，建立系統誤差曲線圖如圖3所示。圖中水平軸表示X軸的理論定位，垂直軸表示該位置上偏離理論位置的誤差值，E（x）為誤差曲線，△E（大于0）為誤差補償精度上限，Es為殘余誤差曲線。

由圖3可以看到，這里選取了7個補償點，水平軸上的補償點是根據平均劃分垂直軸的誤差曲線E（x）來決定的，補償點處的殘余誤差Es的值可以通過下式計算：

式（1）說明誤差補償點處的殘余誤差值與ε和△E的值有關。被分割后的誤差曲線E（x）可通過△E和Es表示如下：

式（2）為遞增誤差曲線，式（3）為遞減誤差曲線。現將系統誤差曲線E（x）與均割線的交點（x，i△E）定為補償點，以伺服馬達的最小脈沖當量為誤差修正量，有誤差修正量△E

工作臺正向運動時，通過逆向插補可知，補償點處于遞減誤差曲線時取“+”，處于遞增誤差曲線時取“-”。同理，當反向運動時符號取反。

理論上，若用多項函數來表示誤差曲線E（x），根據補償條件可以確定補償點的坐標位置。由于控制卡的插補周期為6 ms，誤差補償功能是通過對指定坐標位置通過控制螺距單元進行逆向數值補償完成的，由理論計算所確定的補償點，與實際控制所定位的坐標位置是有一定偏差的［4］，所以，殘余誤差Es由于插補周期的影響會超出±ε的范圍，△Es為實際補償位置偏離理論補償位置所引起的附加殘余誤差。

在考慮上述因素所帶來的影響后，可得到實際補償精度Ec：

±ε為補償精度指標；±3σ為工作臺原始重復測量精度。

在相應補償區間內，根據系統誤差曲線使用軟件進行對應區間的逆向數值補償，將誤差控制在實際補償精度±Ec范圍內。

2.4 定位精度指標

通過雙頻激光測量儀可以實測得到軸的實際移動位置，從而得到經過誤差補償后的定位精度。由于多次重復定位，誤差值會圍繞某平均值兩側做正太分布，該值反映了工作臺的系統誤差［6］。工作臺定位精度指標計算公式如下：

1）重復定位精度R。本次實驗將根據實驗次數n（n= 5），用下式計算標準偏差值S：

↑↓代表某次實驗從正向或反向向某一目標位置pi定位時，位置偏差標準的估算值。

由此可得各測量位的重復定位精度為：

其中i=1，2，…，n為軸上各測量位序號。

由上式可得軸重復定位精度為：

2）軸定位精度A。單向定位精度：

由此可得軸定位精度：

3）反向差值B。當工作臺從正反方向分多次向被測點移動時，會出現空回的情況，導致兩個方向的偏置位置誤差不相同，這種情況稱為反向差值［8］。這里用表示工作臺從正、反方向移動到目標位置。反向差值的公式為：

2.5 實驗方法及結果

為了測定二維工作臺的定位精度，設計如下實驗。由于工作臺結構為上下層結構，下層Y向工作臺要承受上層X向工作臺和產品模具的重量，所以相對X向工作臺受力要大得多，又由于X、Y向工作臺結構是相同的，因此選擇Y向工作臺為實驗對象，測量范圍為200 mm，實驗時選取近電機側為起點，通過軟件發出指令移動到指定位置，用雙頻激光測量儀測量一次，每次測量4個點的數據（0 mm、40 mm…200 mm），在第6點處返回，反向同樣（200 mm、160 mm…0 mm），在第0點處返回。分別對每個測量位置的數據進行整理，結果見表1。根據式（6）～（10）可計算出Y向軸精度指標如表2所示。

由此可得到，軸的單向定位精度：

表1 工作臺Y向定位精度實驗數據 μm

表2 定位精度實驗數據處理結果 μm

重復定位精度：R＝（Ri）max=4.8 μm。

回程誤差：B＝|Bi|max=2.2 μm。

綜合以上數據可驗證，工作臺的定位精度高于10μm，重復定位精度高于5 μm，滿足了設計要求，可以保證設備在長時間工作的狀況下，保持很高的檢測精度，驗證了通過軟件進行誤差補償方法的可行性。

3 結語

1）設計了二維工作臺系統的整體結構及元器件選型，包括運動控制卡的控制方式和功能，反饋元件光柵尺的工作原理以及機械元件的運動方式等。分析了產生系統誤差的主要原因是裝配誤差和定位誤差。

2）重點研究了二維工作臺的控制方式，利用運動控制卡的函數庫在VC++的設計環境下編寫控制軟件，通過實驗的方法使用雙頻激光儀獲得工作臺的系統誤差曲線，選取水平分割的方法對誤差曲線進行了分割，根據軟件式控制柔性高的特點，對工作臺的誤差進行補償。

3）確定了測量定位精度的實驗方法，通過多次實驗采取數據的方式，驗證了誤差補償后的二維工作臺的精度。表明本文提出的控制方式對工作臺誤差曲線進行補償是有效的。為提高二維工作臺精度研究提供了參考。

［1］ 仇健，張凱，李鑫，等.國內外數控機床定位精度對比分析研究［J］.組合機床與自動化加工技術，2013（8）：1-4.

［2］ Xu Bin，Chen Nan，Che Huajun.An integrated method of multiobjective optimization for complex mechanical structure［J］. Advances in Engineering Software，2010，41（1）：277-285.

［3］ Zhong R，Wang Y B，Xu Y Z.Position sensorless control of switched reluctance motors based on improved neural network［J］.Electric Power Applications，2012，6（2）：111-121.

［4］ Huang Tian，Wang Panfeng，Zhao Xueman.Design of a 4-DOF hybrid PKM module for large structural component assembly［J］.CIRP Annals Manufacturing Technology，2010（59）：159-162.

［5］ Tian Y，Shirinzadeh B，Zhang D.Design and dynamics of a 3-DOF flexure-based parallel mechanism for micro/nano manipulation［J］.Microelectronic Engineering，2010（87）：230-241.

［6］ 趙潭羿，霍凱，陳志鴻.X-Y基于運動控制卡的等厚加工設備控制系統的研制［D］.北京：北京交通大學，2012.

［7］ 申遠，竺長安.大面積高精度衍射光柵刻劃機結構優化與控制研究［D］.合肥：中國科技大學，2012.

［8］ 侯飛，劉波，赫東鋒.劃片機工作臺精確定位控制技術研究［D］.西安：西安工業大學，2012.

（編輯：啟 迪）

Research on Control System Design and Accuracy Analysis of Planar Worktable

CHEN Changhua,XU Ying
（College of Aircraft Engineering,Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063，China）

The control system of planar worktable is studied.Ball screw pair and straight-line rolling guide set act as transmission component,linear grid ruler acts as the feedback component,industrial control computer and motion card act as the core of control system,in which motion card sends pulse signal to servo drivers for controlling the mechanical part.The control software is developed to realize the multi-axis control based on VC++6.0.The error curve of the worktable is obtained by using dual-frequency laser.The error curve is divided by horizontal partition to obtain the error compensation data of the interval region on worktable,then the errors of every region are compensated by software.Comparing with the design data,the credibility of error compensation data is verified,which has positive sense for promoting accuracy of planar worktable.

planar worktable;control system;accuracy compensation

TP 202

A

1002－2333（2014）04－0001－04

陳昌華（1990—），男，碩士研究生，研究方向為非標設備與運動控制；許瑛（1962—），女，教授，博士，研究方向為機械裝備設計及性能分析。

2014-01-16

江西省科技計劃支撐項目（51365042）