二维工作台控制系统设计及精度分析

陈昌华， 许瑛

（南昌航空大学飞行器工程学院，南昌330063）

二维工作台控制系统设计及精度分析

陈昌华， 许瑛

（南昌航空大学飞行器工程学院，南昌330063）

对二维工作台控制系统进行了研究，采用滚珠丝杆副和直线滚动导轨副的传动方式，选用直线光栅尺作为工作台的反馈元件，控制系统的核心为工控机和运动控制卡，利用固高GE400运动控制卡发出脉冲信号控制伺服驱动器对工作台机械部分进行实时的操控。在VC++6.0设计环境下开发工作台的控制软件，实现了多轴控制。使用双频激光仪获得工作台的系统误差曲线，采取水平分割的方法对误差曲线进行分割，获得各区间的误差补偿数据，通过软件控制对工作台各行程区间进行误差补偿，通过理论计算和实验测得补偿后的数据对比，验证了该补偿方法的可靠性，对于提升二维工作台的精度具有积极的意义。

二维工作台；控制系统；误差补偿

0 引言

二维工作台是手机外壳检测设备中不可或缺的自动化检测仪器。近年来，随着我国手机行业迅速发展和手机性能多元化需求的不断提高，对二维工作台的检测精度和效率提出了更高的要求。由于早期的工作台采用的是硬件式控制方式，数控装置中的输入、运算、插补运算以及控制功能均由集成电路或晶体管等器件组成［1］，这样的控制方式柔性差，通用性低。笔者采用软件式控制方式，工作台的主要功能可通过软件来实现。本文首先对X-Y工作台硬件结构进行了设计和选型，在VC++6.0设计环境下编写了软件模块，着重分析了二维工作台的各种误差来源，利用软件式控制的优越性，提出了一种对误差曲线进行水平分割来实现误差补偿的方法；同时设计了工作台的精度测试实验，通过理论分析结果与实验结果对比，验证了逆向误差数值补偿的正确性，为同类二维工作台今后的设计提供参考。

1 系统硬件结构

1.1 系统整体结构

二维工作台通过定制模具将手机外壳真空吸附在其上，检测时，垂直于二维工作台的检测邦头会向下运动到略高于产品底部的位置，邦头上附有传感器，二维工作台会先后在X和Y方向做直线运动，检测邦头上的传感器会接收到反馈信号，软件会记录此时安装在X、Y方向光栅尺的数据，邦头在整个检测过程中是不运动的，所以产品尺寸主要是通过测量二维工作台控制模具在X、Y方向上的移动距离而达到的，从而检验产品是否达到精度标准。由此，工作台的定位精度决定了设备是否能够有效筛选出不良品的功能，所以二维工作台要求实现定位精度达10 μm，以保证产品合格率的把关。本文中工作台的驱动方式为伺服电机与滚珠丝杆配合，X、Y轴工作行程均为200 mm，最大移动速度为30 mm/s，最大移动加速度10 mm/s2，重复定位精度5 μm，工作台采用双零级精密大理石为底座。通过选择适合系统的运动控制卡和光栅尺等部件，调用控制卡函数库，在VC++6.0设计环境下编写程序，选择符合精度要求的光栅尺进行工作台位置的实时反馈，从而达到闭环控制的目的。

由于对于产品尺寸精度要求很高，而工作台的系统误差又是不可避免的，为了将误差控制在许可的范围内，这里利用了软件式控制方法柔性高的特点，首先通过使用双频激光测量仪测出系统误差曲线；而后对工作台的误差曲线进行分析，利用水平分割的方法对设备的系统误差进行补偿。如图1所示为二维工作台的机械部件简图，工作台控制系统的基本配置如下：工控机，GE400运动控制卡，伺服电机，二维工作台机械部分，光栅尺和电源等。控制卡安装在工控机主板插槽上，通过工控机的操作系统调用函数库中相应的运动控制函数发出操作指令，经过控制卡产生高频脉冲序列，脉冲序列的频率可以控制转速，通过脉冲数量控制电机的位置。使用光电传感器来控制工作台的行程，当控制卡的IO接口读取到传感器的信号后，控制电机停止达到安全限位的目的。系统结构图如图2所示。

图1 二维工作台机械部件简图

图2 系统结构图

1.2 GE400运动控制卡介绍

由图2可以看出，GE400运动控制卡起到了将软件控制信号传达给伺服驱动器控制伺服电机的功能。控制卡轴控信号输出接口共有4路，根据不同工作条件设定的输出方式为模拟电压输出或者脉冲输出，其中脉冲代表走的长度，频率代表速度；模拟量的大小对应电机的速度与位置。每轴均可以独立进行脉冲和方向信号的反馈，实时控制电机的转速和方向［2］。同时，其基于CPCI总线的可插拔式设计使得控制卡可以方便地与工控机配合［5］，大大降低了在调试过程中对硬件的要求，由此选用了该控制卡在VC++环境下根据动态链接库完成对X、Y向伺服电机的编程操控。

1.3 反馈元件的介绍

根据图1知道，工作台在运动时，通过X、Y向光栅尺可以实时定位工作台所处位置，所以光栅尺的精度对于产品的检测结果有很大的影响，直线光栅尺是通过记录静止光栅尺和运动光栅尺相对运动产生的摩尔条纹数量来测量位移的。本文选择了德国海德汉LIP372系列直线光栅尺，分辨率为0.001 μm，符合我们的设计要求。

1.4 工作台机械部分介绍

在图1中可以看到，工作台的机械部分主要由工作台基座上的X、Y向传动系统组成，其工作方式主要是通过X、Y向伺服电机带动滚珠丝杆副，控制丝杆副上安装板的运动，以推动产品模具连接块的运动。工作台的机械部分是自动检测机的重要组成部分，由于要满足设备小型化、无间隙、高精度和低摩擦的要求，所以X、Y向传动系统采用了滚珠丝杆副、直线滚动导轨副的传动方式，这样的配合方式摩擦系数小，传动效率高，比常规的丝杆螺母副提高了3～4倍［7］。

2 系统软件开发

GE400运动控制器提供DOS下的C语言函数库和Windows下的动态链接库。用户只要调用函数库中的指令，即可以实现运动控制器的各种功能。选择了在Windows XP系统下利用VC++6.0进行软件的编程。进行编程工作时将产品配套的动态链接库、头文件和lib文件复制到工程文件夹中，需要调用时在应用程序文件中加入函数库头文件的声明，即可在Visual C++中调用其中的任何函数了。

2.1 程序设计流程

在Windows环境下的软件开发是一种基于消息的程序设计模式。本次二维工作台的消息机制是由工控机发送消息指令给运动控制卡，运动控制卡同时接收终端传感器的反馈信号并转换成数据显示在软件界面上。程序控制流程分为以下几步：

1）板卡初始化。在调用控制卡函数库之前，首先要对函数库进行初始化。初始化函数为GT_Open和GT_ Rest，GT_Open负责打开运动控制器，和运动控制器建立通讯。GT_Reset使运动控制器的所有寄存器恢复到默认状态。

2）设置控制轴工作方式，运动控制卡包含“模拟电压输出”和“脉冲输出”两种输出方式，上电默认为模拟电压输出。调用指令GT_CtrlMode可以切换轴输出方式。函数GT_SetAcc设定制定控制轴加速度，GT_SetVel设定制定控制轴的目标速度，GT_Upadate指令刷新控制轴参数。

3）判定产品是否在许可误差范围内，经过传感器接收到尺寸数据，与标准值进行比对，判定产品的合格与否，若不合格会报警提示不良品，合格则退出并释放函数库，结束单次循环。

2.2 人机界面

控制系统的操作界面利用了VC++面向对象的方法，界面包含了设置马达速度、测试标准值、负偏差以及正偏差等功能；可以实现对每个电机的运动模式、齿轮比、位置、逻辑限位、速度和加速度的设定；界面可以良好地读取和显示各传感器的反馈信号及工作台的运行位置等。软件具有良好的可移植性，在印刷、激光切割以及AOI等测试领域进行适当完善后均可得到良好地应用。

2.3 软件的补偿策略

二维工作台的误差来源比较复杂，主要包含工作台、加工过程和检测三个方面：1）工作台底座、滚珠丝杆、螺母副和导轨等工作台零部件在制造过程中引入的尺寸误差及装配过程中引入的装配误差；2）工作台在负载下的变形及工作台结构的力变形引起的定位误差；3）具体工况中振动、湿度、温度、气流等因素引起的环境误差及检测误差等［3］。由于二维工作台的工作环境基本不变，所以主要的误差来源是装配误差和定位误差，由于该两项误差在产生之后基本保持恒定值，因此本文选择使用分辨率0.1 μm的双频激光仪先测得二维工作台的误差曲线，然后选择一种方法对误差曲线进行分割，再通过软件根据工作台不同的行程区间进行分段补偿，以达到控制工作台误差的目的。

图3 系统误差曲线图

目前对于二维工作台误差的补偿方法主要有垂直分割法和水平分割法，垂直分割法是以恒定的坐标间隔对单轴定位误差曲线进行离散，这种方法可有效补偿误差测试点处的误差，但由于不能将补偿精度控制在一定范围内，所以在这里将采用水平分割法，对系统误差曲线进行划分和精度补偿，建立系统误差曲线图如图3所示。图中水平轴表示X轴的理论定位，垂直轴表示该位置上偏离理论位置的误差值，E（x）为误差曲线，△E（大于0）为误差补偿精度上限，Es为残余误差曲线。

由图3可以看到，这里选取了7个补偿点，水平轴上的补偿点是根据平均划分垂直轴的误差曲线E（x）来决定的，补偿点处的残余误差Es的值可以通过下式计算：

式（1）说明误差补偿点处的残余误差值与ε和△E的值有关。被分割后的误差曲线E（x）可通过△E和Es表示如下：

式（2）为递增误差曲线，式（3）为递减误差曲线。现将系统误差曲线E（x）与均割线的交点（x，i△E）定为补偿点，以伺服马达的最小脉冲当量为误差修正量，有误差修正量△E

工作台正向运动时，通过逆向插补可知，补偿点处于递减误差曲线时取“+”，处于递增误差曲线时取“-”。同理，当反向运动时符号取反。

理论上，若用多项函数来表示误差曲线E（x），根据补偿条件可以确定补偿点的坐标位置。由于控制卡的插补周期为6 ms，误差补偿功能是通过对指定坐标位置通过控制螺距单元进行逆向数值补偿完成的，由理论计算所确定的补偿点，与实际控制所定位的坐标位置是有一定偏差的［4］，所以，残余误差Es由于插补周期的影响会超出±ε的范围，△Es为实际补偿位置偏离理论补偿位置所引起的附加残余误差。

在考虑上述因素所带来的影响后，可得到实际补偿精度Ec：

±ε为补偿精度指标；±3σ为工作台原始重复测量精度。

在相应补偿区间内，根据系统误差曲线使用软件进行对应区间的逆向数值补偿，将误差控制在实际补偿精度±Ec范围内。

2.4 定位精度指标

通过双频激光测量仪可以实测得到轴的实际移动位置，从而得到经过误差补偿后的定位精度。由于多次重复定位，误差值会围绕某平均值两侧做正太分布，该值反映了工作台的系统误差［6］。工作台定位精度指标计算公式如下：

1）重复定位精度R。本次实验将根据实验次数n（n= 5），用下式计算标准偏差值S：

↑↓代表某次实验从正向或反向向某一目标位置pi定位时，位置偏差标准的估算值。

由此可得各测量位的重复定位精度为：

其中i=1，2，…，n为轴上各测量位序号。

由上式可得轴重复定位精度为：

2）轴定位精度A。单向定位精度：

由此可得轴定位精度：

3）反向差值B。当工作台从正反方向分多次向被测点移动时，会出现空回的情况，导致两个方向的偏置位置误差不相同，这种情况称为反向差值［8］。这里用表示工作台从正、反方向移动到目标位置。反向差值的公式为：

2.5 实验方法及结果

为了测定二维工作台的定位精度，设计如下实验。由于工作台结构为上下层结构，下层Y向工作台要承受上层X向工作台和产品模具的重量，所以相对X向工作台受力要大得多，又由于X、Y向工作台结构是相同的，因此选择Y向工作台为实验对象，测量范围为200 mm，实验时选取近电机侧为起点，通过软件发出指令移动到指定位置，用双频激光测量仪测量一次，每次测量4个点的数据（0 mm、40 mm…200 mm），在第6点处返回，反向同样（200 mm、160 mm…0 mm），在第0点处返回。分别对每个测量位置的数据进行整理，结果见表1。根据式（6）～（10）可计算出Y向轴精度指标如表2所示。

由此可得到，轴的单向定位精度：

表1 工作台Y向定位精度实验数据 μm

表2 定位精度实验数据处理结果 μm

重复定位精度：R＝（Ri）max=4.8 μm。

回程误差：B＝|Bi|max=2.2 μm。

综合以上数据可验证，工作台的定位精度高于10μm，重复定位精度高于5 μm，满足了设计要求，可以保证设备在长时间工作的状况下，保持很高的检测精度，验证了通过软件进行误差补偿方法的可行性。

3 结语

1）设计了二维工作台系统的整体结构及元器件选型，包括运动控制卡的控制方式和功能，反馈元件光栅尺的工作原理以及机械元件的运动方式等。分析了产生系统误差的主要原因是装配误差和定位误差。

2）重点研究了二维工作台的控制方式，利用运动控制卡的函数库在VC++的设计环境下编写控制软件，通过实验的方法使用双频激光仪获得工作台的系统误差曲线，选取水平分割的方法对误差曲线进行了分割，根据软件式控制柔性高的特点，对工作台的误差进行补偿。

3）确定了测量定位精度的实验方法，通过多次实验采取数据的方式，验证了误差补偿后的二维工作台的精度。表明本文提出的控制方式对工作台误差曲线进行补偿是有效的。为提高二维工作台精度研究提供了参考。

［1］ 仇健，张凯，李鑫，等.国内外数控机床定位精度对比分析研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2013（8）：1-4.

［2］ Xu Bin，Chen Nan，Che Huajun.An integrated method of multiobjective optimization for complex mechanical structure［J］. Advances in Engineering Software，2010，41（1）：277-285.

［3］ Zhong R，Wang Y B，Xu Y Z.Position sensorless control of switched reluctance motors based on improved neural network［J］.Electric Power Applications，2012，6（2）：111-121.

［4］ Huang Tian，Wang Panfeng，Zhao Xueman.Design of a 4-DOF hybrid PKM module for large structural component assembly［J］.CIRP Annals Manufacturing Technology，2010（59）：159-162.

［5］ Tian Y，Shirinzadeh B，Zhang D.Design and dynamics of a 3-DOF flexure-based parallel mechanism for micro/nano manipulation［J］.Microelectronic Engineering，2010（87）：230-241.

［6］ 赵潭羿，霍凯，陈志鸿.X-Y基于运动控制卡的等厚加工设备控制系统的研制［D］.北京：北京交通大学，2012.

［7］ 申远，竺长安.大面积高精度衍射光栅刻划机结构优化与控制研究［D］.合肥：中国科技大学，2012.

［8］ 侯飞，刘波，赫东锋.划片机工作台精确定位控制技术研究［D］.西安：西安工业大学，2012.

（编辑：启 迪）

Research on Control System Design and Accuracy Analysis of Planar Worktable

CHEN Changhua,XU Ying
（College of Aircraft Engineering,Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063，China）

The control system of planar worktable is studied.Ball screw pair and straight-line rolling guide set act as transmission component,linear grid ruler acts as the feedback component,industrial control computer and motion card act as the core of control system,in which motion card sends pulse signal to servo drivers for controlling the mechanical part.The control software is developed to realize the multi-axis control based on VC++6.0.The error curve of the worktable is obtained by using dual-frequency laser.The error curve is divided by horizontal partition to obtain the error compensation data of the interval region on worktable,then the errors of every region are compensated by software.Comparing with the design data,the credibility of error compensation data is verified,which has positive sense for promoting accuracy of planar worktable.

planar worktable;control system;accuracy compensation

TP 202

A

1002－2333（2014）04－0001－04

陈昌华（1990—），男，硕士研究生，研究方向为非标设备与运动控制；许瑛（1962—），女，教授，博士，研究方向为机械装备设计及性能分析。

2014-01-16

江西省科技计划支撑项目（51365042）