基于三菱Q系列的多軸伺服隨動寫字系統

紀旭 黃光攀 杜浩鑫

關鍵詞 書寫 系列 伺服隨動

隨著科技的不斷發展和人工智能技術的成熟，伺服系統憑借優異的性能被廣泛應用于各個領域[1] 。目前，對伺服隨動控制的定位速度和定位精度等性能指標有了更高要求，因此，對伺服隨動控制的研究具有實際意義和實用價值。本系統基于Q02UPLC 與定位模塊實現位置、速度控制，驅動裝置組合實現復雜的邏輯控制和運動控制。依靠程序設計簡化筆跡數據存儲，采用全閉環控制方式，提高系統精度，將多軸伺服隨動系統應用于漢字書寫[2] 。

1系統總體設計

1.1系統設計要求

多軸伺服隨動寫字系統的控制對象主要由三個互相垂直運動的絲杠和一條傳送帶組成，分別實現X，Y 和Z 三個方向上的運動，其中X，Y 兩軸負責X?Y平面運動，Z 軸負責上下運動，傳送帶沿X 軸方向移動紙張[3] 。

系統設計要求：（1）系統能夠快速、流利的書寫出漢字;（2）系統在X?Y 平面上能實現任意直線或圓弧插補運動;（3）系統書寫的漢字具有良好的可視性。

1.2系統設計思路

借鑒五筆輸入的思想，利用拆字方法將漢字拆成偏旁和筆畫，并在程序設計中建立偏旁、筆畫數據庫。根據系統設計要求，系統程序流程如圖1 所示。

將漢字的32 個基本筆畫和67 個偏旁部首，選用增量式圓弧插補或增量式直線插補的運動方式收錄到定位數據表中，并標明序號。輸入筆畫和偏旁對應的序號后還不能確定準確的漢字，如“人”和“入”字，具有相同的筆畫但落筆的位置不同組成的字符含義不同。為了準確書寫出期望的字符，借鑒機器人的位置記錄方法。將寫字區域構成二維坐標系并進行點位均分，記錄各點位的數據并以絕對運動方式存儲到定位表格中，寫字區域分布的疏密決定字符書寫的形象性。

2硬件設計

Q 系列PLC 是三菱公司在A 系列PLC 基礎上開發的中型或大型PLC， 智能化程度更高，其最大輸入輸出點數達到了4096 個，程序最大存儲器容量可達252K，其性能水平居世界領先地位。為達到控制要求，系統采用三菱Q02UPLC 作為主控制器，控制3臺伺服電機和1 臺變頻電機實現字符書寫功能。其中，1 臺伺服電機在Z 軸上做起筆、落筆運動;2 臺伺服電機在二維坐標系X?Y 平面上做任意曲線運動;1臺變頻電機帶動傳送帶移動紙張。交流伺服控制系統大多采用半閉環控制方式，其無法克服或補償傳動鏈上的間隙及誤差[4] 。采用西門子1214PLC 作為從控制器，記錄增量式編碼器數據并傳輸到觸摸屏模擬2 臺伺服電機在X?Y 平面上的有效軌跡，同時將增量式編碼器數據傳送給三菱Q02UPLC 構成全閉環控制體系，以彌補傳動鏈上的間隙及誤差。

3參數和軟件設計

3.1伺服參數設置

3.2人機交互界面設計

該設計采用的威綸通品牌觸摸屏需在EBpro 軟件中對人機交互界面進行設計。在手動操縱界面下可對各軸進行原點回歸，正反轉，錯誤復位等操作，還可設定各軸的運行速度、位置等參數。在軌跡模擬區，根據輸入字體代碼和字體位置來確定書寫期望漢字內容，并將書寫的有效筆跡動態模擬出來，顯示在人機交互界面上，實現人與PLC 之間各種符號和動作的雙向信息交換[5] 。

3.3PLC 程序設計

三菱Q 系列PLC 采用GX WORKS2 軟件進行程序設計及相關智能功能模塊參數設置等。在GXWORKS2 中創建項目時，工程類型選擇結構化編程，不指定編程語言進行程序設計。用ST 語言與梯形圖混合編程方式簡化程序，使編寫的程序通俗易懂、執行效率高、可視效果強。控制思想轉換用ST 語言編寫相應程序，在威綸通觸摸屏中輸入字體代碼（WW）和字體位置數據（LL），主控制器獲取（WW）數據后由低到高位每兩位存儲在AA[i]數組中，位置數據（LL）按同樣的方式存儲在CC[ii]數組中。分別執行AA[ii]和CC[ii] 中定位表格數據完成字符書寫。AA[ii]表示第ii 個筆畫或偏旁對應定位表格中的運動方式，CC[ii]表示第ii 個筆畫或偏旁存儲在定位表格中的絕對落筆位置，部分ST 語言如圖3 所示。

三菱Q 系列PLC 的伺服指令相對較多，控制伺服程序設計主要采用ZP.PSTRT 專用定位指令進行快速原點回歸、絕對定位、相對定位等操作，更改專用定位指令的啟動編號即可精確運動到確定位置。

用TIA Portal V15.1 軟件對西門子1214PLC 進行增量式編碼器計數程序編寫，將X，Y，Z 軸編碼器數據經人機交互界面間接傳送給主控制器形成閉環控制。主控器根據編碼器數據與期望位置進行比較，對機械傳動過程中出現的一系列誤差進行補償，提高寫字系統的精度。

4設計實現

本系統通過在人機交互界面上輸入所寫字體的筆畫或偏旁代碼（WW）和字體位置數據（LL），主控制器執行相應程序即可快速書寫出期望的字符。如書寫“伺”字所需輸入的偏旁數據為“39293440”，位置數據為“02030813”，其中“39”代表“亻”對應的位置為02、“29”代表“”對應的位置為03、“34”代表“一”對應的位置為08、“40”代表“口”對應的位置為13。系統寫出的“伺”字如圖4 所示。部分筆畫、偏旁對應的數據如表1 所列。

5結語

多軸伺服隨動寫字系統滿足控制要求，通過更改運動數據編號靈活調用定位表格中的筆畫軌跡，完成絕大部分筆畫和偏旁的書寫。將筆畫軌跡編號與落筆位置編號一一對應，能夠準確書寫出較為復雜的字符。對于更為復雜的字符書寫可以采用全字符筆跡收錄，將該字符的全部筆跡連續收錄到定位表格中，只需順序調用表格編號便可完成該字符的書寫。多軸伺服隨動寫字系統合理的應用了伺服控制技術中直線和圓弧插補運動方式，簡化程序設計和提升系統運行速度，改進了書寫速度和字符可視度，充分體現了伺服隨動系統的強大特性。本文對多軸伺服隨動控制技術在各領域的應用具有一定的參考價值。