馬 欣，方喜峰，李治多

（1.江蘇科技大學 機械工程學院，鎮(zhèn)江 212003；2.散裂中子源科學中心，東莞 523803；3.中國科學院高能物理研究所，北京 100049）

0 引言

隨著時代的發(fā)展，傳統(tǒng)的人工控制系統(tǒng)已不滿足現(xiàn)實的需求[1]，人力物力的消耗與成果不成正比，因此控制系統(tǒng)走向自動化已成為一種趨勢[2～4]。四刀光闌控制系統(tǒng)就是繼續(xù)改革的一個，四刀光闌主要用于控制實驗中照射到實驗樣品上的中子束流的規(guī)格，在以前主要通過人工計算得到開口的大小與位置，再通過人工操作使電機將每個刀片送到指定的位置，這一過程浪費了大量的人力并且效率還是十分的低下。

針對四刀光闌控制系統(tǒng)的這些局限性展開了對四刀光闌自動化控制系統(tǒng)的研究，利用倍福CX5130系列PLC與視覺檢測模塊，實現(xiàn)視覺模塊自動檢測實驗樣品的規(guī)格與位置信息并反饋給PLC，再由PLC自動實現(xiàn)刀片的定位，這樣就可以減少人力的投入，還極大的提升了設(shè)備的使用效率。

1 四刀光闌結(jié)構(gòu)組成及控制需求分析

1.1 四刀光闌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

四刀光闌系統(tǒng)主要由視覺檢測模塊與光闌模塊兩部分組成。視覺檢測模塊如圖1(a)所示主要包括視覺相機，激光測距傳感器，電動滑臺和旋轉(zhuǎn)平臺[5]；光闌模塊如圖1(b)所示主要包括伺服電機，梯形絲杠，刀片，光柵尺和讀數(shù)頭[6]。四刀光闌系統(tǒng)主要機構(gòu)功能如下：

圖1 四刀光闌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1）視覺相機：主要用于對實驗樣品的規(guī)格參數(shù)進行測定，通過視覺處理軟件分析相機拍攝的圖片得到樣品的具體尺寸。

2）激光測距傳感器：對實驗樣品的實際位置進行測量，得出光闌開口的中心坐標。

3）電動滑臺和旋轉(zhuǎn)平臺：這兩個平臺在視覺檢測模塊在主要起輔助作用，通過旋轉(zhuǎn)平臺的旋轉(zhuǎn)和電動滑臺的伸縮可以讓激光測距傳感器與視覺相機對樣品的規(guī)格與位置進行全方位的測量。

4）伺服電機與梯形絲杠：這兩者組成進給驅(qū)動系統(tǒng)，是四刀光闌的核心部件，主要用于刀片的定位。

5）光柵尺：是系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)模塊，通過對刀片實際位置的檢測與反饋，結(jié)合控制算法來提高系統(tǒng)的定位精度與重復(fù)定位精度。

6）刀片：是系統(tǒng)的執(zhí)行部件，用于對中子束流的攔截并吸收多余中子。

1.2 四刀光闌自動控制系統(tǒng)控制流程與需求分析

四刀光闌自動控制系統(tǒng)采用倍福CX5130PLC作為控制器，通過人機交互界面對PLC進行控制，具體控制流程為：首先視覺檢測系統(tǒng)工作，通過對實驗樣品的檢測得到光闌開口的尺寸及位置信息，這些信息通過計算機出輸給人機交互界面，人機交互界面與PLC通訊將這些信息寫進PLC的控制程序中，再由PLC驅(qū)動電機運動將刀片送到指定位置，最終通過光柵尺的反饋調(diào)節(jié)來提升刀片的定位精度。

針對四刀光闌的控制流程，自動控制系統(tǒng)還應(yīng)具有以下的功能：

1）為便于實驗人員的操作，系統(tǒng)要求具有本地與遠程兩種控制模式。

2）為保證系統(tǒng)的可靠性，在人機交互界面中應(yīng)添加運行狀態(tài)實時顯示指示燈，在系統(tǒng)出現(xiàn)報警時，指示燈發(fā)出警告信號，顯示報警類型。

3）系統(tǒng)要具有急停按鈕，在系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)故障時，實驗人員可以按下急停按鈕是設(shè)備停止工作，減小損失。

4）四刀光闌具有較高的定位精度，因此控制系統(tǒng)應(yīng)具備自動的反饋調(diào)節(jié)功能來保證其精度。

2 四刀光闌自動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

為了實現(xiàn)預(yù)定的工作流程與功能需求，四刀光闌自動控制系統(tǒng)硬件部分主要包含PLC控制器，數(shù)據(jù)采集模塊，伺服驅(qū)動器及電機這三個部分。自動控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，視覺檢測模塊與光闌模塊通過計算機上的人機交互界面相互連接，視覺檢測模塊通過檢測與分析實驗樣品的相關(guān)數(shù)據(jù)得出光闌的控制目標，再由以PLC為核心的光闌模塊將刀片送到目標位置。整個控制系統(tǒng)主要采用傳感器技術(shù)，通過傳感器信號的變化判斷設(shè)備的運行狀態(tài)，并利用傳感器進行反饋來實現(xiàn)四刀光闌的高精度定位。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)據(jù)采集模塊主要由光柵尺、工業(yè)相機與激光測距傳感器這三部分組成，在四刀光闌自動控制系統(tǒng)中起著關(guān)鍵性作用。針對系統(tǒng)較高的精度要求，這三個部件的選型要充分考慮其精度等級，工業(yè)相機主要考慮其分辨率，而光柵尺和激光測距傳感器不但要考慮其檢測精度還要考慮應(yīng)用環(huán)境對其檢測精度的影響，具體參數(shù)如表1所示。

表1 光柵尺及激光測距傳感器型號及精度參數(shù)

3 四刀光闌自動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

四刀光闌自動控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括控制程序[7]與人機交互界面的設(shè)計。由于視覺檢測模塊與光闌模塊是兩個獨立的模塊，只是通過計算機來實現(xiàn)兩種數(shù)據(jù)的共享，因此進行自動控制系統(tǒng)的程序設(shè)計時要對視覺檢測模塊和光闌模塊分開設(shè)計。

3.1 視覺檢測模塊程序設(shè)計

視覺檢測模塊實現(xiàn)四刀光闌自動化控制的前提條件，它的主要作用是取代實驗人員對光闌的開口尺寸及位置的計算，以自動化的方式直接獲得這兩組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取的主要流程如圖3所示主要分為兩部分，第一部分是光闌開口尺寸的獲取流程，主要通過利用HALCON[8]視覺處理軟件對工業(yè)相機拍攝的實驗樣品照片進行識別與分析得到實驗樣品的主要尺寸參數(shù)，從而得出與其匹配的光闌的開口尺寸；第二部分是光闌開口位置信息的獲取，這部分數(shù)據(jù)主要通過激光測距傳感器對實驗樣品相對于譜儀中心距離的檢測，從而得出樣品中心相對于譜儀中心的位置信息，而這個信息就是光闌開口中心的位置信息。

圖3 視覺檢測模塊控制流程圖

3.2 光闌模塊程序設(shè)計

光闌模塊以倍福PLC作為核心控制器，程序設(shè)計在倍福公司的專用軟件TwinCAT[9]軟件上進行。為了便于程序設(shè)計與后期的維護，采用模塊化編程，對每個軸進行子程序編程，通過子程序的調(diào)用實現(xiàn)整體的功能。每個軸的控制流程如圖4所示，在設(shè)備通電后根據(jù)視覺檢測模塊反饋的光闌開口尺寸及位置信息由PLC向伺服驅(qū)動器發(fā)送指令驅(qū)動電機進行運動，電機帶動絲桿轉(zhuǎn)動，絲桿螺母帶著刀片向目標位置前進，等電機停止運動后通過光柵尺對刀片的實際位置進行檢測并反饋給PLC，比較目標位置和實際位置的差值是否符合系統(tǒng)的誤差允許值，若符合則運動結(jié)束，如不符合則通過反饋調(diào)節(jié)算法對誤差進行補償。

圖4 光闌模塊控制流程圖

伺服電機在旋轉(zhuǎn)運動過程中具有慣性，受慣性的影響再電機接收到停止命令后無法立即停止，會進行允許一段距離，從而產(chǎn)生誤差。為消除慣性誤差對系統(tǒng)精度的影響，分析慣性產(chǎn)生的原因，可知慣性的大小與電機停止錢的速度大小有關(guān)，速度越大則慣性越大，誤差也就越大，因此在電機的運行過程中設(shè)計減速控制算法逐級減速來減小這部分的誤差，具體控制流程如圖5所示。

圖5 減速控制流程圖

3.3 人機交互界面設(shè)計

四刀光闌自動控制系統(tǒng)的人機交互界面主要采用倍福公司TwinCAT軟件自帶的Visualizations[10]模塊進行設(shè)計。本系統(tǒng)中，人機交互界面主要包含以下幾種功能：

1）狀態(tài)顯示功能：是人機交互界面的核心功能，要求在系統(tǒng)運行時可以實時顯示其運行狀態(tài)，當系統(tǒng)發(fā)生故障時報警顯示燈要能夠發(fā)出閃爍的紅光并發(fā)出蜂鳴聲，同時系統(tǒng)還應(yīng)該進給停機。

2）故障診斷功能：在系統(tǒng)發(fā)生故障時，人機交互界面能夠顯示故障類型，因此在設(shè)計人機交互界面前要總結(jié)系統(tǒng)可能發(fā)生的故障類別并制成數(shù)據(jù)庫，在發(fā)生故障時直接引用。

3）模式選擇功能：由于此系統(tǒng)要求能夠?qū)崿F(xiàn)本地與遠程兩種控制模式，在系統(tǒng)操作前應(yīng)對需要的操作模式進行選擇。

4）數(shù)據(jù)顯示功能：人機交互界面應(yīng)能夠?qū)Φ镀哪繕宋恢眯畔⑴c實時位置信息進行顯示，以便于實驗人員觀察光闌開口的具體情況。

5）回零操作功能：在每次操作完成后要進行回零操作，通過回零操作可以有效提高系統(tǒng)的重復(fù)定位精度。

針對人機交互界面的功能需求，設(shè)計了如圖6所示的人機交互界面。

圖6 人機交互界面

4 實驗結(jié)果分析

如圖7所示為四刀光闌系統(tǒng)的實驗樣機實物圖，主要由人機交互界面，四刀光闌系統(tǒng)及控制柜三部分組成。

為驗證此系統(tǒng)的具體性能，進行了可行性試驗，將四刀光闌系統(tǒng)放置于1×10-4Pa的高真空環(huán)境下，對此系統(tǒng)的定位精度、重復(fù)定位精度及偏擺角誤差做了測試，結(jié)果如表2所示，當四個刀片的目標行程分別為14.7000mm，9.6000mm，24.8000mm，12.4000mm時，每個刀片的定位精度都小于0.0050mm，重復(fù)定位精度均在2um以內(nèi)，偏擺角誤差也較小均小于5′，因此此系統(tǒng)符合設(shè)計目標，滿足定位精度與重復(fù)定位精度的測試要求。

表2 四刀光闌實驗參數(shù)

5 結(jié)語

針對四刀光闌系統(tǒng)操作復(fù)雜，效率低下，浪費了大量的人力物力等問題，設(shè)計了一套四刀光闌自動控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)引入視覺檢測模塊，能夠自動檢測實驗樣品的尺寸與位置信息并將其傳輸給PLC控制器，取代了人力在實驗中的作用，不但降低了人工成本，還極大的提升了四刀光闌的工作效率。實驗結(jié)果表明，此系統(tǒng)工作性能優(yōu)異，克服了四刀光闌操作過程中所遇到的相關(guān)問題，無論是定位精度還是重復(fù)定位精度都要好于系統(tǒng)的設(shè)計目標。