王澤波　區(qū)卓琨　劉　樹(shù)

(佛山市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)中心　廣東 佛山　528225)

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陶瓷磚放射性試驗(yàn)自動(dòng)進(jìn)樣控制系統(tǒng)的研制*

王澤波區(qū)卓琨劉樹(shù)

(佛山市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)中心廣東 佛山528225)

研制了一種用于陶瓷磚放射性試驗(yàn)自動(dòng)進(jìn)樣的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用“PC+運(yùn)動(dòng)控制卡”的控制方案，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡產(chǎn)生的脈沖和方向信號(hào)對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)樣品室的開(kāi)合和機(jī)械手自動(dòng)取樣的三維運(yùn)動(dòng)控制，PC機(jī)作為上位機(jī)使用VC++設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面軟件，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)及試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠完全滿足系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的需要，且系統(tǒng)軟件具有開(kāi)放性，容易移植，系統(tǒng)維護(hù)和操作方便。

開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制卡伺服電機(jī)

前言

近年來(lái),“PC機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡”已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展的主流。該模式以PC機(jī)作為上位機(jī)信息處理平臺(tái)，運(yùn)動(dòng)控制卡以插卡形式嵌入PC機(jī)。PC機(jī)負(fù)責(zé)操作界面的管理和控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控等方面的工作(如系統(tǒng)狀態(tài)顯示、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、控制指令的發(fā)送、輸入輸出信號(hào)的監(jiān)控等)；運(yùn)動(dòng)控制卡負(fù)責(zé)包括脈沖的輸出、模擬輸出、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的處理、運(yùn)動(dòng)位置等信號(hào)的檢測(cè)等。該控制系統(tǒng)不僅具有PC機(jī)的信息處理能力和開(kāi)放式的特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)動(dòng)軌跡控制能力，還具有信息處理能力強(qiáng)、開(kāi)放程度高、運(yùn)動(dòng)軌跡控制準(zhǔn)確、通用性好的特點(diǎn)。

本控制系統(tǒng)采用“PC機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡”控制方案，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑材料放射性核素限量》GB 6566-2010中放射性的試驗(yàn)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)放射性試驗(yàn)時(shí)陶瓷磚樣品的自動(dòng)進(jìn)樣，可實(shí)時(shí)觀察試驗(yàn)過(guò)程的檢測(cè)情況并生成報(bào)表，為檢測(cè)機(jī)構(gòu)或企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)提供依據(jù)。

1　系統(tǒng)組成及硬件介紹

本系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖1所示?？刂瓶ú捎蒙钲诠谈吖綠T200-SV運(yùn)動(dòng)控制卡，機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用安川公司的SGMAH-08AAA41永磁式交流伺服電機(jī)和SGDM-08ADA交流伺服驅(qū)動(dòng)器。交流伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)皮帶輪或絲杠，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的三維運(yùn)動(dòng)。交流伺服電機(jī)端部的增量式碼盤被用于電機(jī)轉(zhuǎn)子角位置的反饋，與伺服驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成半閉環(huán)控制方式。X/Y/Z軸的位置信號(hào)通過(guò)光柵尺、限位開(kāi)關(guān)傳送到運(yùn)動(dòng)控制卡，使系統(tǒng)構(gòu)成全閉環(huán)控制方式。

圖1　基于運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

深圳固高公司生產(chǎn)的GT200-SV運(yùn)動(dòng)控制卡，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)控制多個(gè)運(yùn)動(dòng)軸。運(yùn)動(dòng)控制器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。運(yùn)動(dòng)控制卡的外形結(jié)構(gòu)如圖3所示。運(yùn)動(dòng)卡核心主要包括ADSP2181數(shù)字信號(hào)處理器和FPGA，前者的哈佛結(jié)構(gòu)和MAC單元用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制算法，充分利用DSP的高速計(jì)算能力，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、高速實(shí)時(shí)多軸插補(bǔ)、誤差補(bǔ)償、伺服控制濾波或者更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算以及實(shí)時(shí)控制管理，具有運(yùn)動(dòng)控制精度高、速度快、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn)；后者FPGA邏輯可編程器件和其他相關(guān)器件組成伺服控制和位置反饋硬件接口，實(shí)現(xiàn)譯碼、倍頻、脈沖分配、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能。運(yùn)動(dòng)控制卡采用ISA或PCI總線與PC相連，數(shù)據(jù)通過(guò)雙端口RAM在上下位機(jī)間傳送。雙端口RAM是一種特殊的隨機(jī)存儲(chǔ)器，它擁有兩組數(shù)據(jù)總線和地址總線，在地址不沖突的情況下，兩組總線可以在同一時(shí)間并行地訪問(wèn)不同的存儲(chǔ)器單元。雙端口RAM的這種特殊結(jié)構(gòu)使得上下位機(jī)可以快速地進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)交換，大大提高了主機(jī)與DSP運(yùn)動(dòng)控制卡的并行處理能力，解決了以往主從式系統(tǒng)CPU間通訊的瓶頸。

圖2　運(yùn)動(dòng)控制器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)

2.1控制卡的軟件介紹

GT200-SV被設(shè)計(jì)成用戶可編程運(yùn)動(dòng)控制器，該控制器同時(shí)提供C語(yǔ)言編寫的用戶接口函數(shù)庫(kù)及動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，支持Windows98/2000/NT系統(tǒng)，利用其中的功能函數(shù)可實(shí)現(xiàn)高性能的控制功能。用戶通過(guò)VC++軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，將這些控制函數(shù)與系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)處理、界面顯示、用戶接口等應(yīng)用程序模塊集成在一起，設(shè)計(jì)出特定應(yīng)用要求的控制系統(tǒng)。

圖3　運(yùn)動(dòng)控制卡的外形結(jié)構(gòu)圖

1)函數(shù)庫(kù)中使用的單位和函數(shù)返回值約定

位移或距離的單位用Pulse(脈沖數(shù))表示；速度的單位為Pulse/ST(脈沖/控制周期)；加速度的單位為Pulse/ST2(脈沖/控制周期2)。

運(yùn)動(dòng)庫(kù)中的大多數(shù)函數(shù)是整型函數(shù)，函數(shù)返回值如果為0，它表示函數(shù)執(zhí)行正確；-1則表示函數(shù)通訊錯(cuò)誤。

2)函數(shù)庫(kù)中可供調(diào)用的功能函數(shù)

運(yùn)動(dòng)控制卡初始化函數(shù)、專用輸入信號(hào)參數(shù)設(shè)置函數(shù)、運(yùn)動(dòng)控制軸初始化函數(shù)、軸運(yùn)動(dòng)模式設(shè)置函數(shù)、獨(dú)立運(yùn)動(dòng)和插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)函數(shù)、位置和狀態(tài)設(shè)置函數(shù)、I/0口操作函數(shù)、錯(cuò)誤代碼函數(shù)等。

2.2軟件程序框圖

圖4為上位機(jī)程序結(jié)構(gòu)圖。對(duì)于PCI卡，必須先在用戶程序中加入：#include “GT200.h”,接著選擇“Project-setting-link”，在“Object/library modules”中輸入“GT200.lib”,然后用戶即可在程序中調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中的函數(shù)[3]。這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器的初始化，讀取控制器的相關(guān)信息，設(shè)置ADC和DAC的偏移量，設(shè)置編碼器常數(shù)等，運(yùn)動(dòng)控制器定時(shí)與上位機(jī)通訊，向運(yùn)動(dòng)控制器指定的地址或地址塊寫入和讀取整型和浮點(diǎn)數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)塊。

2.3人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

圖5為自動(dòng)進(jìn)樣控制系統(tǒng)界面，各部分的功能進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹如下：

1)樣品參數(shù)設(shè)置。進(jìn)樣位置單位為mm；質(zhì)量單位為kg；試驗(yàn)時(shí)間單位為s；樣品編號(hào)設(shè)置等、試驗(yàn)時(shí)間實(shí)時(shí)顯示；試驗(yàn)啟動(dòng)關(guān)閉控制等。

圖4　上位機(jī)程序結(jié)構(gòu)圖

2)狀態(tài)顯示部分。樣品檢驗(yàn)過(guò)程狀態(tài)；運(yùn)行信息，包括三維坐標(biāo)信息、動(dòng)作狀態(tài)、抓放狀態(tài)、倉(cāng)門啟閉狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)；本次測(cè)試信息，包括樣品信息、檢測(cè)時(shí)間、實(shí)時(shí)時(shí)間；整體測(cè)試信息等。

3)結(jié)果顯示部分。每一次試驗(yàn)過(guò)程所獲得的數(shù)據(jù)都在總表中顯示，其中包括測(cè)試順序、位置、樣品編號(hào)、狀態(tài)。

圖5　自動(dòng)進(jìn)樣控制系統(tǒng)界面

總的來(lái)說(shuō)，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用軟件主要分成6個(gè)模塊：

1)基本參數(shù)設(shè)置。對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行初始化操作，建立PC機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制卡之間的通訊。

2)試驗(yàn)參數(shù)初始化。設(shè)置相應(yīng)的試驗(yàn)參數(shù)，包括樣品信息、時(shí)間等。

3)運(yùn)動(dòng)控制模式設(shè)置。有4種運(yùn)動(dòng)控制模式可以選擇，本系統(tǒng)默認(rèn)選擇速度跟蹤模式，以滿足控制算法設(shè)計(jì)的需要。

4)閉環(huán)伺服濾波參數(shù)設(shè)置。設(shè)置閉環(huán)伺服濾波參數(shù)，更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)精確而穩(wěn)定的控制。

5)位置狀態(tài)顯示。顯示試驗(yàn)過(guò)程的實(shí)時(shí)位置；監(jiān)控各控制軸的扭矩狀態(tài)，如試驗(yàn)位置誤差超限、伺服報(bào)警、測(cè)試完成等。

6)手動(dòng)控制。消除報(bào)警、開(kāi)倉(cāng)、關(guān)倉(cāng)、讀取狀態(tài)等。

3　結(jié)語(yǔ)

采用“PC+運(yùn)動(dòng)控制卡”的開(kāi)放式硬件結(jié)構(gòu)，可充分利用PC機(jī)的豐富資源和運(yùn)動(dòng)控制卡強(qiáng)大的實(shí)時(shí)處理功能。相對(duì)之前設(shè)計(jì)系統(tǒng)[4]采用單片機(jī)作為控制器的硬件結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，此硬件結(jié)構(gòu)方案可有效地縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期，而且系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

1叢爽,李澤湘.實(shí)用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006

2深圳固高公司.GT系列運(yùn)動(dòng)控制器用戶手冊(cè)[Z]，2001

3深圳固高公司.GT系列運(yùn)動(dòng)控制器編程手冊(cè)[Z]，2001

4劉樹(shù),區(qū)卓琨,等. 建材放射性檢測(cè)自動(dòng)進(jìn)樣裝置的研制[J]. 佛山陶瓷,2013,23(1):12～14

王澤波(1982-)，碩士，工程師；主要從事產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)及標(biāo)準(zhǔn)化研究工作。

TP319

A

1002-2872(2016)08-0042-04

區(qū)卓琨(1978-)，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師；主要從事產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)及標(biāo)準(zhǔn)化研究工作。

劉樹(shù)(1980-)，碩士，工程師；主要從事產(chǎn)品測(cè)試的研究工作。