摘要：介紹了伺服電機(jī)在點(diǎn)陣式自動(dòng)噴標(biāo)機(jī)中的應(yīng)用，選型和位置控制理論，并對(duì)其位置環(huán)和速度環(huán)進(jìn)行了分析，給出了相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置和調(diào)節(jié)后的曲線。

關(guān)鍵詞：位置控制，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，PI控制
The application of servo motor in dot-matrix Jet Printing Machine
WEI Ai-yu ,LIU Yuan-kai ,XU Ai-quan ,XIANG Zhan-qin
(Institute of Manufacturing Engineering, Zhejiang university , Hangzhou 310027)

Abstract: This paper introduces the application of servo motor in dot-matrix Jet Printing Machine. We pay attention to discuss the selection of the servo motor and the position control theory, analyze the position loop and velocity loop . At last we give the calculator of related parameters and regulated graph.

Key words: position control, moment of inertia ,PI control

1 前言
在鋼鐵行業(yè)中，為了實(shí)現(xiàn)質(zhì)量管理和質(zhì)量跟蹤，產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)必須在產(chǎn)品表面按一定格式寫上標(biāo)號(hào),如石油套管要求以美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API SPEC 5CT進(jìn)行標(biāo)號(hào)。浙江大學(xué)生產(chǎn)工程研究所開發(fā)了點(diǎn)陣式鋼管噴標(biāo)機(jī)，并在國(guó)內(nèi)鋼管生產(chǎn)企業(yè)投入使用，取得很好的效果。噴標(biāo)要達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)如下：
1）字跡清楚，附著力強(qiáng)，點(diǎn)徑1mm～2mm；
2）噴字大小連續(xù)可調(diào)：9mm×7mm～48mm×32mm（高×寬）；
3）噴標(biāo)速度對(duì)標(biāo)準(zhǔn)字體36mm×12mm，可在0到80米/分鐘之間調(diào)節(jié)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為了保證系統(tǒng)的可靠性，采用模塊化設(shè)計(jì)，分為噴頭、噴頭控制系統(tǒng)、伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，附屬機(jī)構(gòu)等。系統(tǒng)以PLC為核心，協(xié)調(diào)整個(gè)工作過(guò)程。本文著重介紹伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。



該伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理是：步進(jìn)梁將鋼管搬上臺(tái)架，PLC檢測(cè)到鋼管到位后，由PLC伺服定位模塊發(fā)送控制脈沖，經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換后傳送到伺服放大器，然后伺服放大器經(jīng)過(guò)位置控制后控制伺服電機(jī)，帶動(dòng)小車和噴頭運(yùn)動(dòng)，把上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的字符噴印在鋼管表面上，噴印完成以后，將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。

在本系統(tǒng)中，由于噴印要求定位精度高、快速，并且啟動(dòng)頻繁，我們選擇用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)噴印小車。其閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，將信息及時(shí)反饋到控制端，因此中間環(huán)節(jié)及外界擾動(dòng)影響比較小，精度相對(duì)要高很多，而它附帶的數(shù)字化伺服軟件能夠很好地滿足要求，而且內(nèi)設(shè)位置環(huán)可和多種上位控制機(jī)相配接。
本系統(tǒng)中伺服電機(jī)的選取和控制方式的選擇是關(guān)鍵問(wèn)題。

3 伺服電機(jī)的選取
3.1慣量匹配
由于伺服電機(jī)的運(yùn)行性能依賴于負(fù)載和電機(jī)慣量的匹配，為了滿足系統(tǒng)靈敏性和穩(wěn)定性的要求，負(fù)載慣量JL應(yīng)限制在電機(jī)慣量JM的15倍之內(nèi)。等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量算法如下：





4 伺服電機(jī)的控制
伺服電機(jī)的運(yùn)行性能不僅依賴于所帶的負(fù)載，而且跟控制方式、控制脈沖密切相關(guān)。
4.1 位置控制模式
MR-JS-200A伺服放大器提供了位置控制模式、速度模式、轉(zhuǎn)矩模式、位置/速度、位置/轉(zhuǎn)矩、速度/轉(zhuǎn)矩等運(yùn)行模式。噴標(biāo)機(jī)的主要任務(wù)是定位噴標(biāo)位置，達(dá)到規(guī)定的精度要求。因此我們?cè)O(shè)定位置控制模式來(lái)控制伺服電機(jī)。







當(dāng)伺服電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載從一點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到另一點(diǎn)時(shí)，為了保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)和準(zhǔn)確定位，在起動(dòng)和停止時(shí)要進(jìn)行加減速控制。
本系統(tǒng)的位置控制模式中，為了保證每次噴印距離的準(zhǔn)確性，采用了伺服電機(jī)的位置斜坡功能，對(duì)位置指令加減速時(shí)間常數(shù)進(jìn)行了設(shè)定，控制伺服電機(jī)的起調(diào)時(shí)間。通過(guò)此功能使同步編碼器發(fā)出指令后，即使是在伺服電機(jī)處于運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)，同步運(yùn)行也可以平穩(wěn)地開始。還由于采用閉環(huán)控制，編碼器隨時(shí)可以檢測(cè)脈沖的差值，返回到輸入端，參與系統(tǒng)的控制，使定位準(zhǔn)確，精度高。位置指令采用階躍輸入時(shí)的運(yùn)行圖如圖3所示。


為了保證每次噴印距離不變，不產(chǎn)生累積誤差，系統(tǒng)采用了原點(diǎn)定位的功能。在每次開機(jī)工作時(shí)，需要進(jìn)行一次原點(diǎn)定位，保證了每批鋼管的噴標(biāo)位置一樣。根據(jù)所設(shè)的位置控制原理，電機(jī)在碰到原點(diǎn)定位的傳感器后，減速運(yùn)行，等待PLC檢測(cè)到編碼器返回的零點(diǎn)脈沖，再轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)第二次檢測(cè)到這個(gè)脈沖后，在原點(diǎn)停止，定位成功。然后開始噴印循環(huán)操作。

（6）實(shí)際調(diào)試的結(jié)果
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試，系統(tǒng)達(dá)到較好性能的參數(shù)結(jié)果如下：Kp=13，Kv＝691，Ti=70。實(shí)際調(diào)試設(shè)定開始噴印點(diǎn)在1100mm，噴印字符長(zhǎng)度150mm，則理想反噴起始點(diǎn)為1250mm。實(shí)際調(diào)試PLC程序得到的反噴距離：低速20m/min為1250.08mm，中速40m/min為1250.09mm，高速80m/min為1250.092mm。其重復(fù)精度達(dá)到了0.1mm。

5 結(jié)束語(yǔ)
鋼管噴標(biāo)機(jī)已經(jīng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用，根據(jù)上述的理論設(shè)計(jì)的噴標(biāo)小車起動(dòng)、停止平穩(wěn)，噪聲小，正反兩次噴印出來(lái)的字的重合度很好，字體的重復(fù)位置精度可以達(dá)到0.1mm。實(shí)際噴印效果如圖5所示。（注：圖中鋼管上的色條帶是拍攝時(shí)反光所致，非實(shí)際噴印效果。）



參考文獻(xiàn)：
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