光纖連接器研磨機伺服控制系統設計

喻偉闖，羅曉曙，楊春慧

（廣西師范大學 電子工程學院，廣西 桂林 541004）

光纖連接器是光纖通信網絡中應用最廣泛的光無源器件，其核心部件是光纖插針[1]。光纖連接器制造過程中的一道重要工序就是利用光纖連接器研磨機對陶瓷插針端面進行研磨。為了使光纖插針端面與研磨砂輪按要求接觸研磨，涉及到研磨機操作臺X、Y、A 3個軸方向上的重復定位運動控制。伺服控制系統是光纖連接器研磨機的一個重要組成部分。

伺服電機能將輸入的電信號轉變成角位移或角速度輸出，具有運行穩定、無自傳和快速響應等特性，在伺服控制系統中作為執行元件。

ED200伺服放大器是一種智能化的伺服電機控制器，能提供速度、位置和力矩的全數字化控制[2]。PLC的使用可以提高伺服控制系統的穩定性，增強系統的抗干擾能力；觸摸屏的使用可以提供清晰的人機操作界面。

本設計的研磨機伺服控制系統由伺服電機、ED200伺服放大器、PLC和觸摸屏4部分組成，將它們的優點結合起來，極大地提高了光纖連接器的研磨質量和成品率。

1 伺服系統的組成結構及工作原理

伺服系統是用來控制被控制對象的某種狀態，使其能自動地、連續地、精確地復現輸入信號變化規律的一種自動控制系統[3]。由于光纖連接器插針的芯徑很細，為了按照倒角要求研磨出較理想的端面，操作臺 X、Y、A 3個軸方向的重復定位誤差必須控制在一定的范圍內。ED200伺服放大器采用高響應矢量控制，具有高精度的電流檢出能力，可以實現高精度、高速度和穩定進給，能很好滿足系統的控制要求。

光纖連接器研磨機伺服控制系統是一個閉環控制系統。圖1是其閉環伺服系統框圖，系統將輸出位移與設定進行比較，自動對位置環參數、速度環參數、電流環參數以及勵磁參數進行調整，使目標位置與實際位置趨于一致，從而達到精確定位的目的。

圖1 研磨機閉環伺服系統框圖

2 伺服系統設計

2.1 系統的硬件設計

本設計在硬件上選用Kinco公司的S23型兩相伺服電機、ED200型伺服放大器以及三菱公司FX2N系列PLC和GOT1000觸摸屏。

光纖連接器伺服控制系統硬件結構如圖2所示。研磨過程中涉及到水平、垂直和旋轉3種運動，分別由X、Y、A 3個軸的伺服電機和伺服放大器控制。3個軸的連接與控制方式類似，圖中為PLC與一個軸的伺服放大器相連的情況。

圖2 研磨機伺服系統硬件結構圖

ED200伺服放大器是一款智能型全數字伺服驅動器，驅動器內部集成了驅動、控制、總線、I/O等功能，內部可以存儲256段程序，每段程序又都可以存儲一種運動曲線，包含加速度、減速度、最大速度、目標位置等重要的運動曲線參數，通過8個I/O口，實現最多128種運動曲線直接調用[2]。利用ED200提供的通訊功能，外部控制器PLC可以調用ED200內部存儲的256段程序并通過觸摸屏人機界面的數據輸入窗口直接修改驅動器內部系統參數。

2.2 系統的軟件設計

研磨機伺服系統的軟件設計包括ED200內部對象 （目標位置、速度、加速度、減速度、找原點方式以及工作模式等）賦值和PLC編程控制。

ECO2WIN是ED200伺服放大器專用編程軟件，采用順序編程（Sequencer Programming）的方法對放大器內部的對象賦值。由于研磨過程多次涉及到定位，因而工作模式選用位置控制模式（絕對/相對位置模式），該模式下要定義的對象如表1所示。

ED200伺服驅動器每段程序都有一個相應的程序段號，在其列表內最多包含8個具有讀寫（RW）屬性的對象。調用一段程序后，該程序段內的所有指令會按照從上至下的順序依次執行，這就是順序編程思想。

圖3是Y軸伺服放大器控制伺服電機帶動操作臺進入入料點的參數設定窗口。程序段號為11，工作模式選擇位置模式中的絕對位置運動方式（設備狀態字60400010設定為0X003F），最大速度、加速度、減速以及目標位置值分別設定為 30 000、160 000、16 000 和 40 000。

圖3 順序編程圖

ED200伺服提供的觸發程序段的控制事件有輸入端口的邊沿信號觸發、內部編程設定的定時器時間到、兩個數值的比較結果為真、目標位置到達等，一些事件可以重復定義，所以一段程序可以執行一次也可以執行多次。同時，在一個程序段內又可以調用另外一個程序段。

在ECO2WIN軟件的數字輸入窗口可以設定ED200數字輸入端口DIN1～DIN8的邊沿信號所對應的程序段，實現從輸入口調用內部程序段的功能。設計中ED200數字輸入端口的信號由PLC提供，這樣就可以通過PLC間接對伺服電機進行控制。

光纖連接器插針體研磨的一個完整的單周期工序包括入料、研磨、出料以及伺服定位等操作，圖4為系統的軟件流程圖。其中，定位部分主要由ED200伺服放大器內部順序編程控制，并且通過PLC信號觸發程序段。研磨機整機系統由PLC編程控制，PLC采用梯形圖編程方法。

ED200支持兩線（半雙工）和4線（全雙工）的RS485通訊。PLC的通訊擴展模塊FX2N-485-BD與ED200進行RS485通訊，可以實現兩者間的數據交換。PLC程序采用梯形圖編寫，傳輸數據的地址及字節數用RS串行通訊指令設定[4-6]。接入觸摸屏后，通過觸摸屏的數據輸入窗口可以修改ED200內部程序段的目標位置值。

圖4 軟件設計流程圖

3 軟件調試

ECO2WIN帶有示波器功能，用來以動態曲線方式監控運行參數（如速度、位置和電流等），示波器對判斷電機的運動狀態和調節性能有著非常重要的作用，可以直觀地觀察電機的過沖、過載以及速度平穩性。圖5為A軸電機速度和位置的監控曲線。從圖5中可以看出，A軸電機轉動的最大速度為10 000 inc/s，最大位移為4 000 inc，工作模式為-1，通道1設定為“Actual position”，為速度曲線。通道2設定為“Actual velocity”，為位移曲線。

4 結束語

圖5 A軸電機速度和位置的監控曲線

光纖連接器插針體端面加工屬于高精密研磨，對研磨機伺服控制系統的定位精度提出了極高要求。本設計將ED200伺服驅動器、PLC和觸摸屏運用于光纖連接器研磨機伺服控制系統中，極大地提高了光纖連接器研磨效率。設計選用ED200伺服放大器，編程簡單，便于PLC控制。此外，利用通訊擴展模塊建立了PLC與ED200間的RS485通訊，系統控制參數可通過觸摸屏修改，靈活方便。實際結果表明，該系統應用于光纖連機器研磨機后，整機系統性能更加穩定、定位精度高，并且易于操作，提高了生產效率。

[1]馬天，黃勇.光纖連接器用氧化鋯陶瓷插針[J].成都大學學報：自然科學版，2002，21（4）:13-18.

[2]上海步科電氣有限公司.Kinco伺服驅動器使用手冊[Z].上海步科電氣有限公司，2008.

[3]羅士偉.基于伺服控制的光纖研磨運動系統的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學，2007.

[4]李建興.可編程控制器應用技術[M].北京:機械工業出版社，2004.

[5]廖常初.FX系列PLC編程及應用[M].北京:機械工業出版社，2005.

[6]劉守操，劉彥鵬，張雷剛.可編程控制器技術與應用[M].北京:機械工業出版社，2006.