基于光纖位移傳感器的曲面零件隨動系統

彭亞楠，楊春梅，陳仕國，胡立華，陳學永

（福建農林大學　機電工程學院，福州350002）

基于光纖位移傳感器的曲面零件隨動系統

彭亞楠，楊春梅，陳仕國，胡立華，陳學永

（福建農林大學機電工程學院，福州350002）

設計了一款以光纖位移傳感器為采集裝置的新型曲面零件隨動系統，并對步進電機進行了模糊PID控制。系統以三菱PLC為控制系統載體，以顧美MT系列觸摸屏為人機界面，以步進電機為動力輸出模塊，實現了曲面零件表面輪廓的隨動運動。MATLAB/simulink仿真實驗結果表明，相對于常規PID控制，模糊PID控制能有效減少步進電機的失步和震蕩，提高了系統的響應速度和穩定性。該系統具有成本低廉、人機交互便利和拓展性強等特點。

光纖位移傳感器；模糊PID；步進電機；simulink

隨著工業制造水平的不斷提高，光纖制造技術得到了迅速的發展。光纖傳感器也因為其與傳統的傳感器相比有著結構簡單、可卷曲、無電感、抗腐蝕、靈敏度高、抗電磁干擾能力強等一系列優點而得到越來越多的應用［1-3］。光纖位移傳感器可以作為傳光元件和感知元件，且以光作為信息載體，具備極高的響應速度，可用于實時的位移測量［4］。PLC作為工業自動化的三大支柱之一［5］，具有掃描周期短、邏輯運算能力強、功能全面、穩定性好等一系列特性，能為本系統提供有力的控制支撐，且控制系統整體結構相對簡單，有利于降低成本。本文設計了一款以光纖位移傳感器為采集裝置的新型曲面零件隨動系統，并對步進電機進行了模糊PID控制。該系統具有成本低廉、人機交互便利和拓展性強等特點。

1　反射式光纖位移傳感器

反射式光纖位移傳感器的測量原理如圖1所示。探測部分主要由發射光纖和接收光纖組成，光通過發射光纖射出，經過工件表面反射形成反射光錐，由接收光纖接收其與反射光錐相交部分的光，即圖中的陰影部分，通過光檢測器將光信號轉換為電信號。圖中陰影部分的面積和接收的光強隨光纖端面與工件表面的距離變化而變化，故可根據接收到的光強大小實現對位移的測量。反射式光纖位移傳感器的輸出曲線如圖2所示。

圖1　反射式光纖位移傳感器測量原理圖

圖2　反射式光纖位移傳感器輸出曲線

2　系統設計

2.1系統運動原理

以“曲面-曲線-點集”的遞歸分解次序來進行曲面的測量，把曲面零件的外形輪廓測量轉化為點的測量。通過PLC控制步進電機的運動，進而帶動光纖位移傳感器實現高精度的三維運動，系統的運動結構框圖如圖3所示。通過深圳市誠控電子有限公司的DAM-7021型采集器將光纖位移傳感器所輸出的電壓信號轉化為數字量信號，以提供PLC控制程序的數據源，在PLC進行分析判斷之后，通過步進電機驅動器控制步進電機按照所設置的要求做旋轉運動，并通過滾柱絲桿模塊組將步進電機的旋轉運動轉換為直線運動。

圖3　系統的運動結構框圖

操作時先定一個運動的起始點，建立好XYZ坐標系，并調整好光纖位移傳感器的位置，使其處于自身檢測范圍內，然后按照圖4所示的運動示意圖進行運動。在X方向上運動到邊緣之后，由對射式光電開關觸發使其沿Y方向運動，通過多次的類似往復運動完成整個零件的掃描。主運動流程如圖5所示。

圖4　運動示意圖

圖5　主運動流程圖

通過圖2可以發現，反射式光纖位移傳感器的輸出可以分為前坡部分和后坡部分，前坡部分的靈敏度較高，后坡部分的靈敏度雖然比不上前坡部分，但是可以用在大量程且對靈敏度要求相對不高的場合。對于某一信號輸出值，傳感器離工件表面的位移值既有可能在前坡位置，也有可能在后坡位置，要準確判定所處位置，可利用輸出曲線中峰值的唯一性來間接判定。但在實際運用中，零件的表面粗糙度、紋理方向、材質、缺陷及劃痕等都會對輸出結果產生影響［6］，即對于同一位移值，這些參數的不同會導致不同的輸出結果。通過對這些曲線的研究發現，雖然對于同一位移值的不同參數的輸出結果不同，但其峰值始終在某一位移值左右，即不同參數的輸出曲線的峰值所對應的位移值基本相同，即便它們的峰值不同。故只要找出每一點輸出曲線中的峰值，使光纖位移傳感器所檢測到的值處在峰值左右，那么光纖位移傳感器的端面距零件表面所有檢測點的位移值也就基本相同，通過記錄步進電機運動的數據，實現對零件外形輪廓的檢測，并最終實現跟隨效果。系統的峰值檢測程序流程如圖6所示。

2.2觸摸屏設計

本系統所選擇的觸摸屏為顧美MT6070H型觸摸屏（7英寸TFT液晶屏），具有232通信口、485通信口等常用端口，功率為5 W，能滿足本系統使用。觸摸屏的設計界面如圖7所示。

圖6　峰值檢測程序流程圖

圖7　觸摸屏設計界面

在圖7中，（a）為系統啟動時的首頁；（b）為系統手動控制界面，通過不同按鈕實現不同方向的運動，并可進行兩檔調速，同時顯示了當前三維坐標的坐標值；（c）為系統自動控制界面，可輸入自動模式運行中控制步進電機的脈沖數及頻率；（d）為系統參數設置界面，進行手動控制時的參數設置；（e）為系統的報警記錄界面，主要實現報警顯示及記錄功能。當出現警報時，相關界面的報警燈就會開啟，系統自動切斷步進電機輸出。

3　步進電機運動優化

步進電機是一種能直接將數字脈沖信號轉變為角位移的電機，在正常的條件下，步進電機的轉速和運動停止位置只取決于所接收到的脈沖頻率及脈沖數，當步進電機驅動器接收到一個脈沖時，就會驅動步進電機旋轉一個固定的角度值即步距角，由于其跟蹤性能好、無積累誤差而常常被用于位移及角度的精確控制［7］。但步進電機可能存在的失步與超步現象，使得開環系統在一定程度上無法保證其控制精度，常規的PID控制存在著對步進電機這類非線性系統控制效果不好的問題。

模糊控制是一種非線性的控制，通過將規則的條件、操作等模糊化，使控制器能運用模糊推理實現對PID參數的自動調整，能很好地解決常規PID控制精度不高的問題［8］。本文以模糊PID控制優化步進電機的運動，與常規PID控制進行了比較，并用MATLAB 的simulink模塊進行了仿真。

3.1模糊規則與隸屬度函數的建立

在建立模糊規則的過程中，通常把參數的變化范圍分為7部分，即負大、負中、負小、零、正小、正中、正大，主要表示了參數變化的程度與方向，相應標為｛NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB｝。根據經驗歸納法，所選擇的模糊規則如圖8所示。在隸屬度函數的選擇上，選取了三角形隸屬函數，其分辨率、穩定性能達到一個較好的平衡，可很好地適用于本系統。本系統所設置的隸屬度函數如圖9所示。

圖8　模糊規則

圖9　隸屬度函數

3.2simulink模型建立

在精度允許的范圍內，忽略步進電機中的互電感等高階分量，二相四線制步進電機的傳遞函數［9］為

式中L為繞組自感，ia為A相電流，Zr為轉子齒數，J為轉子轉動慣量，D為電機黏滯阻尼系數。本系統所選步進電機的參數為：L=0.010 02 H，Zr=40，J=1.08 kg·cm2，ia=1.5，D=0.033。故本系統所選步進電機的傳遞函數為

設置期望輸出角度為1.8°，分別建立常規PID控制模型和模糊PID控制模型。建立的常規PID控制模型如圖10所示，相應的輸出結果如圖11所示。建立的模糊PID控制模型如圖12所示，相應的輸出結果如圖13所示。從2條輸出曲線可以看出，模糊PID控制相比常規PID控制有著更快的響應速度，且具有更小的超調量及更優良的穩定性，有利于減少震蕩及失步等現象的發生，提高控制精度。

圖10　常規PID模型

圖11　常規PID控制模型輸出曲線

圖13　模糊PID控制模型輸出曲線

圖12　模糊PID控制模型

4　結束語

以光纖位移傳感器為數據采集裝置、PLC為控制載體、觸摸屏為人機交流界面和步進電機為動力輸出裝置，設計了一套精度高、穩定性強、系統可讀性優良和操作簡單的曲面零件隨動系統，并對步進電機進行了模糊PID控制。仿真結果表明：該方法能有效地處理步進電機這類非線性系統，減少步進電機震蕩現象的發生，提高了系統的控制精度。

［1］BIEN F，CAMAC M，CAULFIELD H J，et al.Absolute Distance Measurements by Variable Wavelength Interferometry［J］.Applied Optics，1981，20（3）:400-403.

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［3］韋春玲，黃承義，馮杰.反射式光纖位移傳感器的研究［J］.國網技術學院學報，2014（2）：19-23.

［4］蘇珊，侯鈺龍，劉文怡，等.光纖位移傳感器綜述［J］.傳感器與微系統，2015（10）：1-3.

［5］崔起明，方明星，王亮敏，等.PLC、DCS、FCS三大控制系統基本特點與差異［J］.自動化技術與應用，2013（3）：91-93.

［6］楊慶華.反射式光強調制型光纖位移傳感器的研究及其在數字塞規中的應用［D］.成都：四川大學，2005.

［7］楊慧遠，焦志剛.基于西門子S7-300的步進電機定位控制系統設計［J］.機械工程與自動化，2015（6）：143-144.

［8］翟雁，郭陽寬，祝連慶，等.步進電機模糊PID閉環控制系統仿真研究［J］.現代電子技術，2015（11）：146-149.

［9］孫小旭.履帶式機器人系統的設計與研究［D］.沈陽：東北大學，2013.

【責任編輯黃艷芹】

The Curved Surface Parts Servo System Based on Optical Fiber Displacement Sensor

PENG Yanan，YANG Chunmei，CHEN Shiguo，HU Lihua，CHEN Xueyong
（College of Mechanical and Electronic Engineering，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou 350002，China）

This paper designed a new type of curved surface parts servo system，which used the optical fiber displacement sensor as its collecting device.Using Mitsubishi PLC as the control carrier，using MT series touch screen as human-computer interface，and using stepper motor as the power output module，the system realized servo motion of the curved parts'surface profile.The MATLAB/ simulink simulated experiments showed that the fuzzy PID control could more effectively reduce stepper motor's out-of-step and shock and further improved the response speed and stability of the system than the conventional PID control.The system had the performances as low cost，convenient man-machine interaction and strong expansibility，etc.

fiber optical displacement sensor；fuzzy PID；stepper motor；simulink

TP275

A

2095-7726（2016）03-0037-05

2015-12-02

彭亞楠（1990-），男，湖南永州人，碩士研究生，研究方向：數字制造技術。

陳學永（1970-），男，福建龍巖人，副教授，博士，研究方向：機電一體化。