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《控制与传动》
  本文论述了鞋楦扫描机的数控系统,运动控制卡,伺服系统和光栅尺构成控制系统。简要论述了运动控制卡,伺服系统和光栅尺的选择和控制。


  1 引言

  在全球制鞋业中,中国制鞋业可谓异军突起。短短的十多年,中国一跃升为全球最大的鞋类生产国和出口国。制鞋业的迅猛发展也带动了鞋楦业,鞋子的样式越来越多,就要求鞋楦也要不断翻新,这促成了鞋楦从耐用品变成易耗品。机械鞋楦机采用的是仿形加工的原理,它实现了鞋楦加工的批量生产,带来了鞋楦业的飞速发展。但是机械鞋楦机也有其不可避免的缺点:首先,从产品角度来讲,它加工出来的鞋楦的鞋帮两侧,总有几道较明显的纵痕,鞋楦很不光滑,这对于要求越来越高的制鞋业来说,是不能满足要求的;其次,机械鞋楦机在实现鞋楦的缩放时,需要工人凭经验手工调整机器,这对工人要求比较高;再次,也是最重要的,传统的加工方法无法建立工件尺寸的文件,也无法做任何的外形修改。

  2 数控鞋楦机的数字化逆向工程系统
          
  数控鞋楦机可以避免机械鞋楦机的缺点。数控鞋楦机采用数字化的逆向工程系统,数字化的逆向工程系统在对鞋楦模型进行三维扫描后,得到模型的三维数据文件,通过处理数据文件(如表面光滑处理,插值处理等),实现对鞋楦模型的缩放,并能改变鞋楦加工表面的螺旋线的螺距,从而改善加工表面的质量。同时,所得数据文件可以存入电脑,需要时可再调出来,同一类型的鞋楦只需扫描一次,管理非常方便。显然,这样的数字化逆向工程系统才是满足现代鞋楦业的发展的。数控鞋楦机的数字逆向工程流程图如图1所示:


  图1 数控鞋楦机的数字逆向工程流程图

  国外的数控鞋楦机到目前为止已经非常完善了,在实际应用中也得到极大肯定。我们国内由于种种原因,起步较晚,所以笔者所在实验室在参考国外机器的前提下,以实际应用作为主要目的,进行数控鞋楦机的研制,为国内在该领域的企业提供一些参考。该数控鞋楦机有两部分组成,一部分是扫描机,它通过扫描得到鞋楦的三维数据,另一部分是刻楦机,它利用扫描得到的三维数据加工出鞋楦。本文主要讨论鞋楦扫描机的控制系统设计,只有扫描得到的数据文件准确,才能保证加工出来的鞋楦的质量,因此鞋楦扫描机是实现鞋楦加工的基础和前提。

  3 鞋楦扫描机的扫描原理
          
  首先,简要介绍一下鞋楦扫描机的扫描原理,如下图2所示。


  图2 鞋楦扫描机的扫描原理图

  如上图所示,X轴带动鞋楦的自转,Y轴为指向鞋楦中心线,Z轴在鞋楦长度方向移动,即扫描轮移动的方向。鞋楦扫描机采用接触式测量方式,所用测量工具为扫描轮,它安装在Y轴方向,扫描轮靠在鞋楦上,其后面由气泵顶着,扫描轮随着鞋子的运动而前后移动,扫描轮后面的光栅尺采集鞋楦数据。

  4 鞋楦扫描机的控制系统概述

  鞋楦扫描机采用PC机作为上位机,利用面向对象的语言VC++进行软件设计、开发,通过运动控制卡驱动系统并采集三根轴的数据,得到扫描数据文件,以用于加工。上位机作为扫描机的操作界面,完成数据分析、处理以及对执行机构的控制等任务。运动控制卡作为控制核心,完成发送及接收脉冲。伺服电机接受板卡发送的脉冲,驱动各个轴运动,同时,伺服电机编码器反馈给运动控制。整个控制系统简图如下图3所示。


  图3 控制系统总框图

  下面主要介绍运动控制卡,伺服电机以及光栅尺的选择及控制。

  4.1 运动控制卡的选择及控制
          
  在扫描系统中,运动控制卡是整个系统的核心,因此选择合适的运动控制卡是很重要的。
          
  在扫描过程中,运动控制卡需要控制Z轴和X轴的伺服电机,运动控制卡不仅要发送脉冲给电机驱动器,同时接受伺服电机编码器反馈的脉冲数。运动控制卡还接受光栅尺反馈信号。由于是采集鞋楦三维的数据,采样点越密集,加工出来的产品越光滑。在本系统中,设定鞋楦转一圈需要采样几百个点,因此对运动控制卡的驱动输出脉冲要求比较高,对编码器输入频率也有一定要求,控制轴数要求三轴。综合考虑各种性能以及经济性等,选择深圳雷赛公司的DMC3000系列运动控制卡。
          
  本系统的运动控制卡是基于PCI总线的高性能运动控制卡,可控制多达四轴步进或伺服电机。此系列具有即插即用、最高4MHz脉冲频率、S曲线减振功能、编码器反馈、随时变速等高级功能。
          
  本运动控制卡的每一轴的两个信号输出口PUL和DIR可用来输出脉冲和方向信号,这两个输出口可以由程序设成正脉冲+反脉冲(双脉冲)模式或脉冲+方向模式(单脉冲)。本系统采用脉冲+方向形式,并设定脉冲为差分输出方式,在差分输出模式下,每一个信号可以被差分成一对相异的信号。使用差分输出方式可有效的减少传输中的干扰,提高可靠性。X轴和Z轴的伺服电机驱动器接收来自运动控制卡的脉冲和方向信号。
          
  本运动控制卡可同时控制四根轴,每一轴都有三对差分的A相、B相和Z相输入信号,EA和EB信号用来进行位置计算,EZ信号用作原点索引信号。每一轴都有一个原点开关信号,通过机械原点信号输入来查找该轴的原点,可通过软件设定原点开关模式。每一轴都有两个位置限位信号EL+(正向限位)和EL-(反向限位),可通过软件设定限位开关模式。在本系统中,X轴和Z轴的伺服电机编码器反馈的脉冲信号都接入运动控制卡。由于每根轴运动初始有个起始位,因此需要用原点信号,软件通过搜索原点信号来确定起始位。X轴为旋转方向,不需要正反限位,只采用一个原点信号。Z轴除了原点信号外,还接入正负两个位置限位信号,两个限位起保护作用。通用数字输入输出口也可用来接一些开关信号。
        
  对于单轴运动,按照运动距离来分,本运动控制卡有定长运行模式和连续运行模式。按照运动速度来分,本运动控制卡有梯形速度运行模式和S曲线运行模式。S曲线运行模式用来让一根轴以S曲线速度运行指定脉冲数,S曲线运行模式可以有效消除并改善加减速时的振动,使运动非常平滑。如下图4所示:


  图4 S曲线速度及加速度

  由于S曲线运行模式较于梯形速度运行模式的优点,本系统中均采用S曲线运行模式。在扫描开始前,为了测量鞋楦的底板直长,需要将鞋楦转过一定角度,这时采用定长运行模式。在扫描过程中,Z轴和X轴执行同时但独立的运动,并且是连续运动。同时保证这两根轴以一定的比例速度运动。实际情况证明,本运动控制卡能满足本系统的要求,实现鞋楦数据的三维扫描,从而得到鞋楦三维数据文件。

  4.2 伺服电机的选择及控制
          
  由于本控制系统对实时性要求比较高,运动控制卡发送脉冲给电机驱动器,要求电机立即发脉冲,不得延迟,不得有误。因此本控制系统不能采用步进电机,而必须采用伺服电机系统。同时伺服电机具有控制精度高,较强的过载能力,速度响应性能好,运行性能可靠等一系列优点。在本系统中,我们选用Panasonic全数字式交流伺服驱动器MSDA0231A1A,配置的伺服电机为MSM022A1。驱动器所带电机的额定输出功率为1.5kw,旋转编码器为增量型2500P/r,输入电源为3相220V,额定速度为2000r/m。
          
  本系统中要求到位比较准确迅速,由于在鞋楦转一圈(即X轴转动一圈)需要采样几百个点,因此对伺服系统的响应要求比较高。同时,伺服电机的参数对扫描质量也有一定影响。在系统采用的控制模式下,将伺服电机的参数调整到比较好的情况,主要是以下几个参数。

  1.参数NO.10(第一位置环增益)定义位置控制的响应曲线,增益设定越高,定位时间越快。
 
  2.参数NO.11(第一速度环增益)和参数NO.10一起获得伺服系统的总响应曲线。尽可能设定高增益。
 
  3.参数NO.15(速度前馈)设定位置控制中速度前馈量。在电机恒速运转时,若将此值设为100%,位置偏差几乎为零。此值设定得较高,可在较小的位置偏差获得较快反应,但可能会导致超调。
  通过对NO.46,NO.4B参数的设置,可以很方便的与各种频率的指令脉冲相匹配,以达到理想的控制分辨率(角度/脉冲)。二者的值差异过大会造成控制精度下降。所以推荐设置NO.46/NO.4B(即:电子齿轮比)为:1/50《电子齿轮比《20。

  4.3 光栅尺的选择及控制
          
  在本控制系统中,光栅尺用于采集Y轴数据,它安装在扫描轮的后面,在扫描过程中,扫描轮不断前后移动,从而带动光栅尺移动,光栅尺采集到的脉冲信号反馈到运动控制卡。结合实际应用情况,考虑精度、可靠性、经济性等各种因素,我们选用FAGOR MVX-225线性光栅尺。它采用的玻璃镀铬刻度栅距为20um,精度为±5um,分辨率为1um,其输出信号为差动TTL信号,输出信号周期“T”为4um,最大速度为60m/min。由于在本系统中,光栅尺需要不停前后移动,而该光栅尺读数头移动采用滚动轴承,可最小限度减小磨损,大大提高使用寿命,该光栅尺的移动寿命超过9000km。
          
  FAGOR反馈系统提供的电信号是通过镀刻在直尺上的铬线栅格,通过光电处理转换成电信号。FAGOR反馈系统用红外线发光二极管作为光源,这种光源具有安全、可靠和寿命长的特点。
          
  为在测量中提供一个绝对参考点,在线性光栅尺临近反馈刻线的某些位置提供参考点标记信号。此标记信号是由特定的刻线产生的一个脉冲,当运行通过该点时能确定机床的绝对位置,这主要是为防止数控机床掉电后轴意外移动而产生误差。FAGOR线性光栅尺每隔50mm就有一个参考点标记Io。此标记产生的信号,是和反馈信号同步的,目的是为保证可靠的测量重复精度。实际情况证明,FAGOR MVX-225线性光栅尺能够满足本系统的控制要求。

  5 结束语
          
  如上,运动控制卡,伺服系统和光栅尺构成了鞋楦扫描机的数字控制系统。实际证明,整个控制系统运作非常稳定,将扫描得到的数据文件用于鞋楦刻楦机加工,加工出来的产品很光滑,完全避免了机械鞋楦机的缺点,能够满足市场的需求。