劉美津，黨學(xué)明，李 洋

（合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，合肥 230009）

平板檢測(cè)系統(tǒng)直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性研究

劉美津，黨學(xué)明，李 洋

（合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，合肥 230009）

當(dāng)前平板顯示技術(shù)與器件處于飛速發(fā)展階段，平板顯示屏的良率更是人們所關(guān)注的重點(diǎn)，保證平板顯示屏檢測(cè)過(guò)程中掃描的精準(zhǔn)性至關(guān)重要。交待了平板顯示屏自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)中雙直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度平穩(wěn)的重要性。給出了基于PLC的速度平穩(wěn)性測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。探討利用光柵搭建實(shí)時(shí)閉環(huán)控制系統(tǒng)，并在速度平穩(wěn)性測(cè)試平臺(tái)中對(duì)兩主軸分別在SVB與SVR運(yùn)動(dòng)模塊控制下進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果表明，使用SVR進(jìn)行電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制平穩(wěn)性更佳。

平板顯示屏自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)；直線電動(dòng)機(jī)；速度平穩(wěn)性；光柵尺；SVB；SVR

0 引言

如今自動(dòng)控制技術(shù)高速發(fā)展，加之與微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的配合日益完善，定位精度成為評(píng)判自動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)[1]。傳統(tǒng)的直線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置已遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代控制系統(tǒng)的要求，隨著自控技術(shù)對(duì)定位精度的要求越來(lái)越高，直線電機(jī)的應(yīng)用日益廣泛[2]。

平板顯示屏自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)正是通過(guò)兩臺(tái)直線電機(jī)拖動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶屏板的掃描檢測(cè)及缺陷分析。該檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)平板玻璃或者液晶陣列的上下料、抓取、拖動(dòng)、定位、掃描成像等一系列運(yùn)動(dòng)控制得到平板的高分辨率圖像，通過(guò)圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行良次品分類。其中電機(jī)拖動(dòng)平板通過(guò)掃描區(qū)這一運(yùn)動(dòng)過(guò)程與檢測(cè)結(jié)果密切相關(guān)，電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度的穩(wěn)定性會(huì)對(duì)成像結(jié)果造成巨大的影響，電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度不均勻會(huì)導(dǎo)致缺陷的漏檢或成像失敗，所以平板檢測(cè)過(guò)程中兩臺(tái)主軸直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度的平穩(wěn)性和可靠性是重要內(nèi)容[3]。為了得到準(zhǔn)確清晰的掃描圖像，必須保證直線電機(jī)在到達(dá)掃描區(qū)之前已經(jīng)達(dá)到勻速運(yùn)行狀態(tài)，且勻速過(guò)程中的速度波動(dòng)性最小。為了達(dá)到這一目標(biāo)，本文用系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制器中內(nèi)置的兩種不同運(yùn)動(dòng)控制模塊（SVB和SVR）控制兩直線電機(jī)運(yùn)行，通過(guò)對(duì)兩種不同的運(yùn)動(dòng)控制模式分別編程，比較在掃描過(guò)程中測(cè)得的速度數(shù)據(jù)并予以處理、分析，最終得出電機(jī)控制的最佳方法。

1 速度平穩(wěn)性測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1.1 測(cè)試平臺(tái)的構(gòu)建

圖1為研究所用的速度平穩(wěn)性測(cè)試系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖，圖中直線軸A1、B1配有直線無(wú)芯型伺服電機(jī)，其初級(jí)（動(dòng)子）安裝在拖動(dòng)液晶屏的滑塊上，次級(jí)（定子）固定在縱向?qū)к壍鬃希沟迷摐y(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)縱向進(jìn)給[4]。光柵尺位移傳感器的讀數(shù)頭也被安裝在導(dǎo)軌滑塊上，其標(biāo)尺光柵則安裝在導(dǎo)軌旁的機(jī)械臺(tái)內(nèi)壁，與伺服電機(jī)、比較線路、伺服放大線路等形成閉環(huán)伺服系統(tǒng)。此外，左右滑塊均裝有電磁閥和吸盤(pán)，主要對(duì)被測(cè)平板起夾持和固定作用。

圖1 速度平穩(wěn)性測(cè)試系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

速度平穩(wěn)性測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制功能框圖如圖2所示，系統(tǒng)的進(jìn)給功能由運(yùn)動(dòng)控制器MP2300S實(shí)現(xiàn)，通過(guò)MECHATROLINK-Ⅱ總線實(shí)現(xiàn)兩軸連動(dòng)實(shí)時(shí)同步控制，同時(shí)控制兩臺(tái)直線電機(jī)的往復(fù)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，MP2300S經(jīng)由路由器與上位機(jī)PC連接，實(shí)現(xiàn)信息交互與實(shí)時(shí)通訊。位置檢測(cè)系統(tǒng)采用光柵尺，對(duì)電機(jī)的速度及位置進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋。氣動(dòng)系統(tǒng)由若干對(duì)平板起固定支撐作用的電磁閥及吸盤(pán)組成，通過(guò)對(duì)IO2310中的I/O口置復(fù)位控制[5]。

圖2 速度平穩(wěn)性測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制功能框圖

1.2 測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制模塊

SVB是一種利用MECHATROLINK對(duì)應(yīng)接口來(lái)控制伺服單元、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、變頻器或分散I/O設(shè)備等產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)模塊。由于支持MECHATROLINK-Ⅱ，因此可進(jìn)行位置、速度、轉(zhuǎn)矩和相位控制，并實(shí)現(xiàn)高精度的同步控制，是MP2300S內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)模塊。它的每個(gè)模塊最多可連接21個(gè)從站（伺服最多可控制16軸），可利用自動(dòng)配置功能，對(duì)連接于MECHATROLINK的從站設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)分配，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)伺服單元的參數(shù)進(jìn)行管理。使用MECHATROLINK-Ⅱ時(shí)，可將MP2300S內(nèi)置SVB作為從站進(jìn)行使用。

SVR又稱虛擬運(yùn)動(dòng)模塊，是一種提供無(wú)需與電機(jī)實(shí)際連接的虛擬軸接口的軟件模塊，為MP2300S的標(biāo)準(zhǔn)配置。它具有與內(nèi)置SVB相同結(jié)構(gòu)的固定參數(shù)、設(shè)定參數(shù)和監(jiān)視參數(shù)，可控制多達(dá)16軸的虛擬軸。SVR大致可用于以下兩種用途：

1）程序的測(cè)試：無(wú)需實(shí)際安裝電機(jī)，即可簡(jiǎn)便地獲得結(jié)果。

2）指令的生成：當(dāng)需要只用于生成指令的運(yùn)動(dòng)模塊時(shí)（如：相位控制的主軸或多軸同步控制等），只需使用SVR，即可節(jié)約實(shí)軸的運(yùn)動(dòng)模塊[6]。

圖3為SVB、SVR作為運(yùn)動(dòng)控制模塊的系統(tǒng)構(gòu)成圖。

1.3 雙直線電機(jī)往復(fù)功能的實(shí)現(xiàn)

圖3 運(yùn)動(dòng)控制模塊的系統(tǒng)構(gòu)成圖

系統(tǒng)測(cè)試前需先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)配置，使得所有硬件設(shè)備都反映在軟件中，并在軟件中對(duì)通訊模塊、運(yùn)動(dòng)模塊、I/O模塊的參數(shù)進(jìn)行必要設(shè)置。修改PC的IP地址，使得其與MP2300S處于同一局域網(wǎng)，通過(guò)軟件連接運(yùn)動(dòng)控制器，在軟件定義模塊中對(duì)SVB、SVR等進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。其中各實(shí)軸的線路編號(hào)均為1，A1軸編號(hào)為2，運(yùn)動(dòng)寄存器編號(hào)為8080-80FF；B1軸編號(hào)為3，運(yùn)動(dòng)寄存器編號(hào)為8100-817F；SVR線路編號(hào)為2，軸編號(hào)為1，運(yùn)動(dòng)寄存器編號(hào)為8800-887F。

步驟一：運(yùn)動(dòng)固定參數(shù)設(shè)置

固定參數(shù)主要包括運(yùn)動(dòng)功能設(shè)定、伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)定、編碼器設(shè)定的等相關(guān)參數(shù)，SVB與SVR設(shè)置相同。

步驟二：運(yùn)動(dòng)設(shè)定參數(shù)設(shè)置

設(shè)定參數(shù)主要包括運(yùn)動(dòng)運(yùn)行設(shè)定、轉(zhuǎn)矩指令、速度指令、位置指令、加減速濾波器、原點(diǎn)復(fù)歸的等相關(guān)參數(shù)[6]。

2 測(cè)試原理及測(cè)試方法

2.1 速度采集原理

測(cè)試所使用的光柵為透射光柵，RGH22B為光柵尺的讀數(shù)頭，由光源、透鏡、指示光柵、光電元件以及驅(qū)動(dòng)電路組成。

當(dāng)紅外發(fā)光二級(jí)管發(fā)出的光以一定角度照射到RGS20柵尺的刻劃面上，直接反射到透明的指示光柵上并透射過(guò)去，就在讀數(shù)頭的光電探測(cè)器平面上產(chǎn)生了正弦干涉條紋。

RGH中的光電器件能實(shí)現(xiàn)莫爾條紋的電子細(xì)分與判向功能。將光敏器件獲得的光電信號(hào)送到差分放大器輸入端，將從差分放大器輸出的信號(hào)進(jìn)行整形成1:1的方波。對(duì)方波的相位進(jìn)行比較，對(duì)方波脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，即可獲得光柵尺的移動(dòng)方向，也可在軟件中計(jì)算出光柵尺的速度和位移。

2.2 測(cè)試具體的過(guò)程

平板掃描過(guò)程中兩直線電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)加速到勻速狀態(tài)，勻速經(jīng)過(guò)掃描區(qū)后再減速停止。系統(tǒng)利用光柵搭建實(shí)時(shí)閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過(guò)輸出脈沖數(shù)，脈沖寬度和周期便能在軟件中計(jì)算出電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行速度，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及反饋。使用SVB運(yùn)動(dòng)控制模塊控制電機(jī)的測(cè)試具體過(guò)程如下：

1）檢查設(shè)備、電路完好，開(kāi)啟電源。

2）系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)配置。

3）對(duì)SVB進(jìn)行模塊構(gòu)成定義，并保存到flash。

4）導(dǎo)入編寫(xiě)好的SVB測(cè)試程序控制直線電機(jī)運(yùn)行，采集測(cè)試數(shù)據(jù)。

5）輸出數(shù)據(jù)，保存測(cè)試結(jié)果。

6）將650mm×550mm的液晶屏板放到兩直線電機(jī)上夾持固定。

7）再次運(yùn)行測(cè)試程序，采集測(cè)試數(shù)據(jù)。

8）輸出數(shù)據(jù)，保存結(jié)果。

使用SVR運(yùn)動(dòng)控制模塊控制電機(jī)需對(duì)SVR進(jìn)行模塊構(gòu)成定義，導(dǎo)入SVR程序，其余測(cè)試步驟與SVB測(cè)試步驟基本相同。

3 測(cè)試及數(shù)據(jù)處理

3.1 初始化

1）檢測(cè)電壓、氣壓是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

2）清空與運(yùn)動(dòng)軸相關(guān)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)、監(jiān)視參數(shù)。

3）清空所用寄存器。

3.2 回原點(diǎn)

原點(diǎn)為電機(jī)定位的參照起點(diǎn)，機(jī)械坐標(biāo)為0。執(zhí)行原點(diǎn)復(fù)歸（ZRET）后，軸返回機(jī)械坐標(biāo)系的原點(diǎn)。原點(diǎn)復(fù)歸方式有17種之多，本文選用一種較簡(jiǎn)單的方式：C 相脈沖回原點(diǎn)。

SVR中的原點(diǎn)復(fù)歸，在執(zhí)行機(jī)械坐標(biāo)系的初始化后，即被設(shè)置為原點(diǎn)復(fù)歸完成狀態(tài)并不執(zhí)行原點(diǎn)復(fù)歸動(dòng)作。所以通過(guò)SVR測(cè)試電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)行的試驗(yàn)中，回原點(diǎn)方式與SVB相同。

3.3 測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

運(yùn)動(dòng)程序MPM001由MESS指令調(diào)用，通過(guò)相對(duì)應(yīng)的任務(wù)管理寄存器控制其開(kāi)始、暫停、停止、警報(bào)復(fù)位等。兩軸定位命令的編程采用絕對(duì)值（ABS）模式，設(shè)定移動(dòng)目標(biāo)的坐標(biāo)即可完成定位。本實(shí)驗(yàn)中兩軸運(yùn)動(dòng)行程為1.735m，由平臺(tái)的分辨率10um，相機(jī)的行頻36.5898kHz，可得掃描的時(shí)恒速度為V=36589.8×10um=0.365898m/s，加速時(shí)間為0.547s。

實(shí)驗(yàn)一：無(wú)負(fù)載情況下SVB控制與SVR控制對(duì)電機(jī)速度平穩(wěn)性的影響

對(duì)主軸A1、B1編程，使其在運(yùn)動(dòng)行程為1.735m范圍內(nèi)，以0.365898m/s的速度進(jìn)行4次往復(fù)進(jìn)給。每次進(jìn)給以10ms為采樣間隔采取電機(jī)勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的時(shí)恒速度樣本共400個(gè)。對(duì)4組樣本進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差誤差處理,保存數(shù)據(jù)。對(duì)SVR編程，使其在運(yùn)動(dòng)行程為1.735m范圍內(nèi)，以0.365898m/s的速度進(jìn)行往復(fù)進(jìn)給共4次。每次進(jìn)給以10ms為采樣間隔采取電機(jī)勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的時(shí)恒速度樣本共400個(gè)。與SVB原理不同，SVR將記錄的虛擬位移實(shí)時(shí)映射到A1、B1的機(jī)械坐標(biāo)系反饋位置參數(shù)上，實(shí)現(xiàn)主軸運(yùn)行。對(duì)4組樣本進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差誤差處理并保存數(shù)據(jù)。以A1軸為例，所得數(shù)據(jù)如表1所示。

實(shí)驗(yàn)二：帶負(fù)載情況下SVB控制與SVR控制對(duì)電機(jī)速度平穩(wěn)性的影響

實(shí)驗(yàn)一完成后，將準(zhǔn)備好的250×650的液晶屏板放在電機(jī)上夾持固定，導(dǎo)入SVB控制程序使電機(jī)在運(yùn)動(dòng)行程為1.735m范圍內(nèi)，以0.365898m/s的速度進(jìn)行往復(fù)進(jìn)給共4次。每次進(jìn)給以10ms為采樣間隔采取電機(jī)勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的時(shí)恒速度樣本共400個(gè)。對(duì)4組樣本進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差誤差處理并保存數(shù)據(jù)。導(dǎo)入SVR控制程序使電機(jī)在運(yùn)動(dòng)行程為1.735m范圍內(nèi)，以0.365898m/s的速度進(jìn)行往復(fù)進(jìn)給共4次。每次進(jìn)給以10ms為采樣間隔采取電機(jī)勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的時(shí)恒速度樣本共400個(gè)。對(duì)4組樣本進(jìn)行比標(biāo)準(zhǔn)差誤差處理，并保存數(shù)據(jù)。以A1軸為例，所得數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 無(wú)負(fù)載情況下SVB、SVR兩種不同控制方法所得速度標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比

表2 帶負(fù)載情況下SVB、SVR兩種不同控制方法所得速度標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比

由表1、表2可知，有無(wú)負(fù)載對(duì)SVB及SVR控制的電機(jī)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性影響較小，且對(duì)SVR控制的電機(jī)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性幾乎無(wú)影響。經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)量結(jié)果顯示直線軸的速度波動(dòng)相差不大，平穩(wěn)性相當(dāng)。表1、表2中第一欄數(shù)據(jù)為4次往復(fù)運(yùn)動(dòng)中電機(jī)正方向運(yùn)行速度所得標(biāo)準(zhǔn)差，第二欄數(shù)據(jù)為4次往復(fù)運(yùn)動(dòng)中電機(jī)反方向運(yùn)行速度所得標(biāo)準(zhǔn)差，數(shù)值越大，波動(dòng)性越大。兩表分別進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，均可得出電機(jī)正方向運(yùn)行時(shí)平穩(wěn)性高于反方向運(yùn)行時(shí)電機(jī)平穩(wěn)性。

圖4 SVB控制下電機(jī)正向運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行軌跡

圖5 SVB控制下電機(jī)反向運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行軌跡

圖6 SVR控制下電機(jī)正向運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行軌跡

圖4、圖5均為SVB控制下A1軸電機(jī)運(yùn)行軌跡。圖4為電機(jī)正向運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行軌跡，圖中電機(jī)勻速運(yùn)行前1/3階段速度稍有波動(dòng)，圖5為電機(jī)反向運(yùn)行的運(yùn)動(dòng)軌跡，電機(jī)在勻速運(yùn)行后1/3階段速度有明顯波動(dòng)。可見(jiàn)電機(jī)往返運(yùn)行在同一位置出現(xiàn)速度波動(dòng)，極有可能為運(yùn)行導(dǎo)軌不平所致。而反向運(yùn)行過(guò)程中速度波動(dòng)較大的原因?yàn)殡姍C(jī)減速接近停止?fàn)顟B(tài)時(shí)的電機(jī)自控制。圖6為SVR控制下A1軸電機(jī)運(yùn)行軌跡。軟件內(nèi)部映射關(guān)系十分復(fù)雜，導(dǎo)致電機(jī)速度接近勻速時(shí)產(chǎn)生自控制反映，趨近于勻速速度時(shí)間較慢，如圖6所示。

4 結(jié)論

1）有無(wú)負(fù)載對(duì)SVB及SVR控制的電機(jī)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性影響較小，且對(duì)SVR控制的電機(jī)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性影響相對(duì)更小。

2）系統(tǒng)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果造成很大影響，且對(duì)SVB控制的電機(jī)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性影響較大，對(duì)SVR控制的電機(jī)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性影響較小。

3）相等條件下SVR控制的電機(jī)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性更好。

綜上所述，相比于SVB，使用SVR進(jìn)行電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制更佳。但SVR的控制原理為內(nèi)部映射，具體映射方式不得而知，所以這種方法有一定風(fēng)險(xiǎn)。

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Research on the operation smoothness of linear motor in AOI

LIU Mei-jin, DANG Xue-ming, LI Yang

TP273+.1;TP276

：A

1009-0134(2017)03-0077-04

2017-01-07

平板顯示屏自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)儀器的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用（2013YQ220749）

劉美津（1991 -），女，天津人，碩士研究生，研究方向?yàn)樵诰€檢測(cè)與儀器智能化。