基于三菱Q系列的多轴伺服随动写字系统

纪旭 黄光攀 杜浩鑫

关键词 书写 系列 伺服随动

随着科技的不断发展和人工智能技术的成熟，伺服系统凭借优异的性能被广泛应用于各个领域[1] 。目前，对伺服随动控制的定位速度和定位精度等性能指标有了更高要求，因此，对伺服随动控制的研究具有实际意义和实用价值。本系统基于Q02UPLC 与定位模块实现位置、速度控制，驱动装置组合实现复杂的逻辑控制和运动控制。依靠程序设计简化笔迹数据存储，采用全闭环控制方式，提高系统精度，将多轴伺服随动系统应用于汉字书写[2] 。

1系统总体设计

1.1系统设计要求

多轴伺服随动写字系统的控制对象主要由三个互相垂直运动的丝杠和一条传送带组成，分别实现X，Y 和Z 三个方向上的运动，其中X，Y 两轴负责X?Y平面运动，Z 轴负责上下运动，传送带沿X 轴方向移动纸张[3] 。

系统设计要求：（1）系统能够快速、流利的书写出汉字;（2）系统在X?Y 平面上能实现任意直线或圆弧插补运动;（3）系统书写的汉字具有良好的可视性。

1.2系统设计思路

借鉴五笔输入的思想，利用拆字方法将汉字拆成偏旁和笔画，并在程序设计中建立偏旁、笔画数据库。根据系统设计要求，系统程序流程如图1 所示。

将汉字的32 个基本笔画和67 个偏旁部首，选用增量式圆弧插补或增量式直线插补的运动方式收录到定位数据表中，并标明序号。输入笔画和偏旁对应的序号后还不能确定准确的汉字，如“人”和“入”字，具有相同的笔画但落笔的位置不同组成的字符含义不同。为了准确书写出期望的字符，借鉴机器人的位置记录方法。将写字区域构成二维坐标系并进行点位均分，记录各点位的数据并以绝对运动方式存储到定位表格中，写字区域分布的疏密决定字符书写的形象性。

2硬件设计

Q 系列PLC 是三菱公司在A 系列PLC 基礎上开发的中型或大型PLC， 智能化程度更高，其最大输入输出点数达到了4096 个，程序最大存储器容量可达252K，其性能水平居世界领先地位。为达到控制要求，系统采用三菱Q02UPLC 作为主控制器，控制3台伺服电机和1 台变频电机实现字符书写功能。其中，1 台伺服电机在Z 轴上做起笔、落笔运动;2 台伺服电机在二维坐标系X?Y 平面上做任意曲线运动;1台变频电机带动传送带移动纸张。交流伺服控制系统大多采用半闭环控制方式，其无法克服或补偿传动链上的间隙及误差[4] 。采用西门子1214PLC 作为从控制器，记录增量式编码器数据并传输到触摸屏模拟2 台伺服电机在X?Y 平面上的有效轨迹，同时将增量式编码器数据传送给三菱Q02UPLC 构成全闭环控制体系，以弥补传动链上的间隙及误差。

3参数和软件设计

3.1伺服参数设置

3.2人机交互界面设计

该设计采用的威纶通品牌触摸屏需在EBpro 软件中对人机交互界面进行设计。在手动操纵界面下可对各轴进行原点回归，正反转，错误复位等操作，还可设定各轴的运行速度、位置等参数。在轨迹模拟区，根据输入字体代码和字体位置来确定书写期望汉字内容，并将书写的有效笔迹动态模拟出来，显示在人机交互界面上，实现人与PLC 之间各种符号和动作的双向信息交换[5] 。

3.3PLC 程序设计

三菱Q 系列PLC 采用GX WORKS2 软件进行程序设计及相关智能功能模块参数设置等。在GXWORKS2 中创建项目时，工程类型选择结构化编程，不指定编程语言进行程序设计。用ST 语言与梯形图混合编程方式简化程序，使编写的程序通俗易懂、执行效率高、可视效果强。控制思想转换用ST 语言编写相应程序，在威纶通触摸屏中输入字体代码（WW）和字体位置数据（LL），主控制器获取（WW）数据后由低到高位每两位存储在AA[i]数组中，位置数据（LL）按同样的方式存储在CC[ii]数组中。分别执行AA[ii]和CC[ii] 中定位表格数据完成字符书写。AA[ii]表示第ii 个笔画或偏旁对应定位表格中的运动方式，CC[ii]表示第ii 个笔画或偏旁存储在定位表格中的绝对落笔位置，部分ST 语言如图3 所示。

三菱Q 系列PLC 的伺服指令相对较多，控制伺服程序设计主要采用ZP.PSTRT 专用定位指令进行快速原点回归、绝对定位、相对定位等操作，更改专用定位指令的启动编号即可精确运动到确定位置。

用TIA Portal V15.1 软件对西门子1214PLC 进行增量式编码器计数程序编写，将X，Y，Z 轴编码器数据经人机交互界面间接传送给主控制器形成闭环控制。主控器根据编码器数据与期望位置进行比较，对机械传动过程中出现的一系列误差进行补偿，提高写字系统的精度。

4设计实现

本系统通过在人机交互界面上输入所写字体的笔画或偏旁代码（WW）和字体位置数据（LL），主控制器执行相应程序即可快速书写出期望的字符。如书写“伺”字所需输入的偏旁数据为“39293440”，位置数据为“02030813”，其中“39”代表“亻”对应的位置为02、“29”代表“”对应的位置为03、“34”代表“一”对应的位置为08、“40”代表“口”对应的位置为13。系统写出的“伺”字如图4 所示。部分笔画、偏旁对应的数据如表1 所列。

5结语

多轴伺服随动写字系统满足控制要求，通过更改运动数据编号灵活调用定位表格中的笔画轨迹，完成绝大部分笔画和偏旁的书写。将笔画轨迹编号与落笔位置编号一一对应，能够准确书写出较为复杂的字符。对于更为复杂的字符书写可以采用全字符笔迹收录，将该字符的全部笔迹连续收录到定位表格中，只需顺序调用表格编号便可完成该字符的书写。多轴伺服随动写字系统合理的应用了伺服控制技术中直线和圆弧插补运动方式，简化程序设计和提升系统运行速度，改进了书写速度和字符可视度，充分体现了伺服随动系统的强大特性。本文对多轴伺服随动控制技术在各领域的应用具有一定的参考价值。