平板检测系统直线电机运动平稳性研究

2017-05-02刘美津党学明

制造业自动化 2017年3期

关键词：平稳性原点平板

刘美津，党学明，李洋

（合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，合肥 230009）

平板检测系统直线电机运动平稳性研究

刘美津，党学明，李洋

（合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，合肥 230009）

当前平板显示技术与器件处于飞速发展阶段，平板显示屏的良率更是人们所关注的重点，保证平板显示屏检测过程中扫描的精准性至关重要。交待了平板显示屏自动光学检测系统中双直线电机运动速度平稳的重要性。给出了基于PLC的速度平稳性测试系统的实现方法。探讨利用光栅搭建实时闭环控制系统，并在速度平稳性测试平台中对两主轴分别在SVB与SVR运动模块控制下进行测试实验，测试结果表明，使用SVR进行电机运动控制平稳性更佳。

平板显示屏自动光学检测系统；直线电动机；速度平稳性；光栅尺；SVB；SVR

0 引言

如今自动控制技术高速发展，加之与微型计算机技术的配合日益完善，定位精度成为评判自动控制系统优劣的重要指标[1]。传统的直线运动驱动装置已远不能满足现代控制系统的要求，随着自控技术对定位精度的要求越来越高，直线电机的应用日益广泛[2]。

平板显示屏自动光学检测系统正是通过两台直线电机拖动的方式实现对液晶屏板的扫描检测及缺陷分析。该检测系统通过对平板玻璃或者液晶阵列的上下料、抓取、拖动、定位、扫描成像等一系列运动控制得到平板的高分辨率图像，通过图像处理系统进行良次品分类。其中电机拖动平板通过扫描区这一运动过程与检测结果密切相关，电机运动速度的稳定性会对成像结果造成巨大的影响，电机运动速度不均匀会导致缺陷的漏检或成像失败，所以平板检测过程中两台主轴直线电机运动速度的平稳性和可靠性是重要内容[3]。为了得到准确清晰的扫描图像，必须保证直线电机在到达扫描区之前已经达到匀速运行状态，且匀速过程中的速度波动性最小。为了达到这一目标，本文用系统运动控制器中内置的两种不同运动控制模块（SVB和SVR）控制两直线电机运行，通过对两种不同的运动控制模式分别编程，比较在扫描过程中测得的速度数据并予以处理、分析，最终得出电机控制的最佳方法。

1 速度平稳性测试系统的实现

1.1 测试平台的构建

图1为研究所用的速度平稳性测试系统机械结构示意图，图中直线轴A1、B1配有直线无芯型伺服电机，其初级（动子）安装在拖动液晶屏的滑块上，次级（定子）固定在纵向导轨底座上，使得该测试系统实现纵向进给[4]。光栅尺位移传感器的读数头也被安装在导轨滑块上，其标尺光栅则安装在导轨旁的机械台内壁，与伺服电机、比较线路、伺服放大线路等形成闭环伺服系统。此外，左右滑块均装有电磁阀和吸盘，主要对被测平板起夹持和固定作用。

图1 速度平稳性测试系统机械结构示意图

速度平稳性测试系统的运动控制功能框图如图2所示，系统的进给功能由运动控制器MP2300S实现，通过MECHATROLINK-Ⅱ总线实现两轴连动实时同步控制，同时控制两台直线电机的往复进给运动。同时，MP2300S经由路由器与上位机PC连接，实现信息交互与实时通讯。位置检测系统采用光栅尺，对电机的速度及位置进行实时反馈。气动系统由若干对平板起固定支撑作用的电磁阀及吸盘组成，通过对IO2310中的I/O口置复位控制[5]。

图2 速度平稳性测试系统的运动控制功能框图

1.2 测试系统的运动控制模块

SVB是一种利用MECHATROLINK对应接口来控制伺服单元、步进电机驱动器、变频器或分散I/O设备等产品的运动模块。由于支持MECHATROLINK-Ⅱ，因此可进行位置、速度、转矩和相位控制，并实现高精度的同步控制，是MP2300S内置的标准运动模块。它的每个模块最多可连接21个从站（伺服最多可控制16轴），可利用自动配置功能，对连接于MECHATROLINK的从站设备进行自动分配，并通过网络对伺服单元的参数进行管理。使用MECHATROLINK-Ⅱ时，可将MP2300S内置SVB作为从站进行使用。

SVR又称虚拟运动模块，是一种提供无需与电机实际连接的虚拟轴接口的软件模块，为MP2300S的标准配置。它具有与内置SVB相同结构的固定参数、设定参数和监视参数，可控制多达16轴的虚拟轴。SVR大致可用于以下两种用途：

1）程序的测试：无需实际安装电机，即可简便地获得结果。

2）指令的生成：当需要只用于生成指令的运动模块时（如：相位控制的主轴或多轴同步控制等），只需使用SVR，即可节约实轴的运动模块[6]。

图3为SVB、SVR作为运动控制模块的系统构成图。

1.3 双直线电机往复功能的实现

图3 运动控制模块的系统构成图

系统测试前需先对整个系统进行自动配置，使得所有硬件设备都反映在软件中，并在软件中对通讯模块、运动模块、I/O模块的参数进行必要设置。修改PC的IP地址，使得其与MP2300S处于同一局域网，通过软件连接运动控制器，在软件定义模块中对SVB、SVR等进行参数设置。其中各实轴的线路编号均为1，A1轴编号为2，运动寄存器编号为8080-80FF；B1轴编号为3，运动寄存器编号为8100-817F；SVR线路编号为2，轴编号为1，运动寄存器编号为8800-887F。

步骤一：运动固定参数设置

固定参数主要包括运动功能设定、伺服驱动器设定、编码器设定的等相关参数，SVB与SVR设置相同。

步骤二：运动设定参数设置

设定参数主要包括运动运行设定、转矩指令、速度指令、位置指令、加减速滤波器、原点复归的等相关参数[6]。

2 测试原理及测试方法

2.1 速度采集原理

测试所使用的光栅为透射光栅，RGH22B为光栅尺的读数头，由光源、透镜、指示光栅、光电元件以及驱动电路组成。

当红外发光二级管发出的光以一定角度照射到RGS20栅尺的刻划面上，直接反射到透明的指示光栅上并透射过去，就在读数头的光电探测器平面上产生了正弦干涉条纹。

RGH中的光电器件能实现莫尔条纹的电子细分与判向功能。将光敏器件获得的光电信号送到差分放大器输入端，将从差分放大器输出的信号进行整形成1:1的方波。对方波的相位进行比较，对方波脉冲进行计数，即可获得光栅尺的移动方向，也可在软件中计算出光栅尺的速度和位移。

2.2 测试具体的过程

平板扫描过程中两直线电机由静止状态加速到匀速状态，匀速经过扫描区后再减速停止。系统利用光栅搭建实时闭环控制系统，通过输出脉冲数，脉冲宽度和周期便能在软件中计算出电机当前运行速度，并进行实时监控及反馈。使用SVB运动控制模块控制电机的测试具体过程如下：

1）检查设备、电路完好，开启电源。

2）系统进行自动配置。

3）对SVB进行模块构成定义，并保存到flash。

4）导入编写好的SVB测试程序控制直线电机运行，采集测试数据。

5）输出数据，保存测试结果。

6）将650mm×550mm的液晶屏板放到两直线电机上夹持固定。

7）再次运行测试程序，采集测试数据。

8）输出数据，保存结果。

使用SVR运动控制模块控制电机需对SVR进行模块构成定义，导入SVR程序，其余测试步骤与SVB测试步骤基本相同。

3 测试及数据处理

3.1 初始化

1）检测电压、气压是否达到标准。

2）清空与运动轴相关的运动参数、监视参数。

3）清空所用寄存器。

3.2 回原点

原点为电机定位的参照起点，机械坐标为0。执行原点复归（ZRET）后，轴返回机械坐标系的原点。原点复归方式有17种之多，本文选用一种较简单的方式：C 相脉冲回原点。

SVR中的原点复归，在执行机械坐标系的初始化后，即被设置为原点复归完成状态并不执行原点复归动作。所以通过SVR测试电机运行平稳行的试验中，回原点方式与SVB相同。

3.3 测试及数据分析

运动程序MPM001由MESS指令调用，通过相对应的任务管理寄存器控制其开始、暂停、停止、警报复位等。两轴定位命令的编程采用绝对值（ABS）模式，设定移动目标的坐标即可完成定位。本实验中两轴运动行程为1.735m，由平台的分辨率10um，相机的行频36.5898kHz，可得扫描的时恒速度为V=36589.8×10um=0.365898m/s，加速时间为0.547s。

实验一：无负载情况下SVB控制与SVR控制对电机速度平稳性的影响

对主轴A1、B1编程，使其在运动行程为1.735m范围内，以0.365898m/s的速度进行4次往复进给。每次进给以10ms为采样间隔采取电机匀速运动过程中的时恒速度样本共400个。对4组样本进行标准差误差处理,保存数据。对SVR编程，使其在运动行程为1.735m范围内，以0.365898m/s的速度进行往复进给共4次。每次进给以10ms为采样间隔采取电机匀速运动过程中的时恒速度样本共400个。与SVB原理不同，SVR将记录的虚拟位移实时映射到A1、B1的机械坐标系反馈位置参数上，实现主轴运行。对4组样本进行标准差误差处理并保存数据。以A1轴为例，所得数据如表1所示。

实验二：带负载情况下SVB控制与SVR控制对电机速度平稳性的影响

实验一完成后，将准备好的250×650的液晶屏板放在电机上夹持固定，导入SVB控制程序使电机在运动行程为1.735m范围内，以0.365898m/s的速度进行往复进给共4次。每次进给以10ms为采样间隔采取电机匀速运动过程中的时恒速度样本共400个。对4组样本进行标准差误差处理并保存数据。导入SVR控制程序使电机在运动行程为1.735m范围内，以0.365898m/s的速度进行往复进给共4次。每次进给以10ms为采样间隔采取电机匀速运动过程中的时恒速度样本共400个。对4组样本进行比标准差误差处理，并保存数据。以A1轴为例，所得数据如表2所示。

表1 无负载情况下SVB、SVR两种不同控制方法所得速度标准差对比

表2 带负载情况下SVB、SVR两种不同控制方法所得速度标准差对比

由表1、表2可知，有无负载对SVB及SVR控制的电机运动平稳性影响较小，且对SVR控制的电机运动平稳性几乎无影响。经过反复测量结果显示直线轴的速度波动相差不大，平稳性相当。表1、表2中第一栏数据为4次往复运动中电机正方向运行速度所得标准差，第二栏数据为4次往复运动中电机反方向运行速度所得标准差，数值越大，波动性越大。两表分别进行横向对比，均可得出电机正方向运行时平稳性高于反方向运行时电机平稳性。

图4 SVB控制下电机正向运行时的运行轨迹

图5 SVB控制下电机反向运行时的运行轨迹

图6 SVR控制下电机正向运行时的运行轨迹

图4、图5均为SVB控制下A1轴电机运行轨迹。图4为电机正向运行时的运行轨迹，图中电机匀速运行前1/3阶段速度稍有波动，图5为电机反向运行的运动轨迹，电机在匀速运行后1/3阶段速度有明显波动。可见电机往返运行在同一位置出现速度波动，极有可能为运行导轨不平所致。而反向运行过程中速度波动较大的原因为电机减速接近停止状态时的电机自控制。图6为SVR控制下A1轴电机运行轨迹。软件内部映射关系十分复杂，导致电机速度接近匀速时产生自控制反映，趋近于匀速速度时间较慢，如图6所示。