摘 要: 以安川直线伺服电机在表面缺陷视觉检测系统中的应用为例，介绍了多轴直线伺服电机在精密驱动与定位平台中的应用技术，分析了直线伺服电机和伺服驱动器的定位与运动性能，论述了安川直线伺服电机驱动系统运行的实现方法，包括系统的初始化、编写运动程序，将 HMI、运动控制器和 PC 组成局域网，实现三者间数据查看与修改，及远程控制多轴电机运行、查看实时运行情况和对报警进行处理等功能。
1 引 言
随着机器视觉检测技术的发展和创新，缺陷在线检测技术在金属制造、玻璃生产、电路板制板以及液晶面板等检测领域得到广泛的应用。在传统的缺陷检测系统中，往往采用步进电机或交流伺服电机等旋转电机，再加上滚珠丝杠、齿轮等机械装置，实现直线驱动相机、被测物等定位，机械结构比较复杂，检测过程中定位精度低，直线速度限制为 0. 5 ～0. 7 ( m/s) ，响应慢，系统保养和维护费用高等，均使得缺陷检测的项目和精度很难达到现在工业和市场的要求。而近十几年，直线伺服电机精密控制系统成为一种新型进给传动方式，由于其驱动力直接传递实现了在具有很高动态性能的同时达到很高的精度并且避免过冲现象; 因其只在导轨间存在机械接触和摩擦，故定位精度和重复精度高且不受行程加长的影响; 动力在气隙中产生，运行平稳，调速范围宽，可实现2 ～5( m/s)的高速度运行; 较好的动、静态性能等优势[1]，直线电机驱动系统作为一种崭新的进给驱动方式已呈现出极大的生命力，已经在高精度加工数控机床、机器人等工业场合得到广泛的应用[2]。
笔者以安川直线伺服电机在表面缺陷视觉检测系统中应用为例，介绍了多轴直线伺服电机在精密驱动与定位平台中的应用技术，论述了局域网内控制直线伺服电机驱动系统运行的实现方法。
2 多轴精密驱动与定位平台
图 1 和图 2 是设计的用于表面缺陷视觉检测的多轴精密驱动与定位平台方案示意图，该平台共包括两部分: ①相机高速高精度往返定位系统，即将相机固定到直线电机上，在直线电机的驱动下，以平稳的速度往返扫描被测物，而不受被测物二维尺寸变化的影响，如图 1 所示; ②基于气浮的被测物进给系统，测物在气浮的作用下，在双直线电机的驱动下，平稳、高速的通过相机视场，平台与被测物的接触仅限于固定到直线电机上的两接触位置，可以减少扫描过程中对被测物的二次损坏，如图 2 所示。
在相机高速高精度往返定位系统中，为避免直线电机中的强磁场对相机的影响，将相机固定到一机械架上，并将该架分别固定到工作台 2 与 3 上，在该系统中，将轴 X 固定到轴 Y1工作台 1 与轴 Y2工作台 4上面，工作台 1 与 2 分别由电机( 初级) 驱动，实现工作台1 和4 同步驱动轴 X 在 Y方向上移动定位，及轴X 上工作台 2 与 3 通过机械架同步驱动多个线性相机在 X 方向上移动。直线伺服电机长度约为 1. 5m，如此设计可以实现大范围、高速度、高稳定性的图像扫描。在被测物送给系统中，被测物置于气浮平台上，由两侧同步运行的两直线伺服电机驱动，位移精度要求达到 3 个 μm。其结构示意图如图 2 所示。
3 直线伺服电机的选择
典型的直线伺服电机的结构如图 3 所示。在机械结构设计上初级侧和次级侧之间产生较大的磁吸引力，可作为对轴承的预压压力使用，利用伴随吸引力而产生的摩擦力，可减小减速推力等优点。在直线伺服电机侧安有霍尔传感器的基础上，同时安装位置测量系统，实现高速高精度的定位反馈控制。
目前世界上制造直线伺服电机及其驱动系统的知名供应商和产品主要有: 德国 Siemens 公司 1FN 系列、安川公司 SGL 系列、三菱公司 LM 系列、科尔摩公司直接驱动直线( DDL) 电机[2]等。其中安川公司是研发、生产交流伺服驱动器最早的企业之一，其产品的技术性能居全世界领先水平，且与西门子、三菱公司等关注通用化和大众化相比，更注重特殊场合的应用，如晶片切片检测、离子注入、坐标测量检测机器和飞行模拟器等场合。
直线电机基本结构中，安川直线电机提供霍尔效应装置驱动电子器件实现直线电机换向的同时，配有雷尼绍直线编码器实现位置反馈，大大提高了定位精度和复精度; 在伺服放大器方面，兼容高性能 SG-DH 系列伺服驱动器，采用速度环、电流环和位置环的三闭环反馈控制，且能实时处理光栅读数头反馈信号; 在定位精度上，仅受反馈信号分辨率的限制，雷尼绍 RGH41B 光栅尺读数头反馈的模拟信号，其分辨率可达到 0. 078μm / pulse，故完全满足缺陷检测平台的定位要求; 另外，SGDH 驱动器附加 NS115 模块后，可通过 Mechatrolink - II 现场总线网络技术与上级控制器实现总线控制结构，该技术采用 OSI 参考模型的物理层、数据链路层和应用层的三层结构，网传输波特率可达到 10Mbps，帧长度为 17/32 位，传输周期为 2ms，并可以通过该网络控制东方电机等企业的产品。因此，选用了安川直线电机的驱动器，可较好地满足该检测平台的推力、速度和定位精度等要求，并采用先进的现场总线网络技术，简化系统结构、节约硬件设备和安装维护费用。
4 直线伺服电机运行实现
图1、2 所示的平台选用了五条安川 SGLFW 型直线伺服电机和∑Ⅱ系列安川伺服驱动 SGDH - 08AE- S。如图 4 所示，将四轴伺服驱动器通过 Mecha-trolink - II 现场网络技术以总线方式与上位控制装置MP2300 连接，并将控制器 MP2300、人机界面 HMI 和计算机通过集线器组成局域网。
其中，运动控制器 MP2300 采用了选配槽结构，便于应对各种网络的连接和 I/O 的扩展，构筑了一个灵活性高的系统。具有运动控制与顺序控制功能、8点输入 4 点输出的基本模块部分和扩展 I/O 的 LIO- 04 及通讯功能的 218IF - 01 等选购件模块构成。MP2300 通过 CPU 和现场网络技术的提速，控制性能有所提高; 具有定位、速度控制、转矩控制、相位控制及电子凸轮等运动功能，并实现高精度的同步控制，还可在线切换控制模式，实现复杂的机器动作; 可自动判别连接在 Mechatrolink - II 上的装置，利用自动设定必需数据的自动配置功能，可大幅地缩短机器的调试时间，使用更加简单化。
4. 1 系统初始化
系统初始化包括: ①伺服单元的初始化，其主要是用伺服驱动器的[Fn005]参数将用户设定值返回到标准设定( 出厂设定) ，重启伺服单元，使设置生效; ②执行 MP2300 的自动配置，自动识别 MP2300 安装的选购模块和连接在 Mechatrolink - II 上的直线电机和伺服驱动器; ③编程装置的调试，即对 MP2300编程软件 MPE720 的调试，其中包括定义计算机与MP2300 间的通信、伺服驱动器参数的设定与修改、MP2300 及各模块固定参数和运动参数的设定与修改、直线电机分组等; ④以太网初始化，将计算机、人机界面 HMI 和 MP2300 的 IP 设置为同一局域网内。
4. 2 运动程序的编写
MP2300 可以实现多轴复杂伺服系统控制，拥有强大的多轴直线、圆弧和螺旋插补功能; 除具有普通继电器型 PLC 功能，同时具有实现复杂运动的运动控制功能; 使用配套编程软件 MPE720 可采用梯形图、文本型运动程序两种编程方式，其中运动程序可以实现并列执行，即在一个运动程序内，可并列执行四个程序; 运动程序还可以实现同时控制多个机器，即通过梯形图调用不同的运动程序，实现相应程序中对各电机的控制功能。通过梯形程序 H01 图，进行伺服 ON、警报复位、参数设定等; 顺序执行梯形程序H02 图，调用执行选中的文本形式运动程序，从上开始顺序执行运动程序中所述的命令和动作; 运动程序No. 1( MPM001) : 控制四轴伺服电机进行原点复归动作，在增量型编码器( INC) 条件下，设定参数 OW□□3C 为 15，即用 HOME 信号方式检测原点; 运动程序 No. 2( MPM002) : 四轴定位动作及插补动作，包括定位坐标和运动时加减速等; 在调整面板( TuringPanel) 中来执行运行、停止和运动程序中的参数设定。程序流程图及执行顺序如图 5 所示。
4. 3 以太网的远程监控
所谓工业以太网，是指技术上与商用以太网( IEEE802. 3 标准) 兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性及实时性等方面能满足工业现场的需要。简言之，工业以太网是将以太网应用于工业控制和管理的局域网技术[3]。工业以太网采用七层 OSI 互联参考模型的其中五层: 物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。其中物理层与数据链路层采用 IEEE802. 3 规范，网络层与传输层采用 TCP/IP 协议组，应用层的一部分沿用互联网应协议，另一部分即添加的与自动控制相关的应用协议，其中可采用现场总线的应用层、用户层协议。
运动控制器 MP2300 通讯模块 218IF - 01 配有串行接口( RS -232C) 和 Ethernet 接口。其以太网接口的 TCP/IP 模型各层的协议如表 1 所示。因此MP2300 可以与安川、Pro - face 和三菱电机等公司的产品，及支持 MODBUS/TCP 协议( 工业用 Ethernet 协议) 和无步骤通信协议的设备实现主从站通讯。
为实现基于以太网的运动控制器远程监控，有两种方式: ①利用安川针对 MP2000 系列的 OPC Server服务器，通过 VB 等语言编写应用程序，直接访问运动控制器相关寄存器地址，该方法中 OPC Server 服务器软件价格较昂贵，且多轴控制中，占用通信模块带宽较多; ②利用与控制器通信完全兼容的工业触摸屏，通过其提供的接口，间接访问控制器，如图6 所示。
计算机通过与 MP2300 具有相同应用层协议的人机界面 HMI，可间接访问 MP2300 的绝大部分寄存器如: 系统寄存器、数据寄存器、输入寄存器和输出寄存器，同时可以使用 HMI 的 USB 接口连接到计算机，通过 MPE720 软件进行伺服驱动器调试和设置运动控制器的固定参数。具体实现方法: ①编写 HMI 界面，并设置与 MP2300 中梯形图和运动程序相关寄存器; ②利用触摸屏 Pro - studio，注册需要监控的寄存器地址; ③将前两步生成的文件传输到触摸屏上; ④在远程计算机上运行触摸屏服务器，通过 Pro - studio或 Excel 表格查看和修改 MP2300 中被监控的寄存器数据。该方法间接通过 HMI 服务器监控 MP2300，以较低的成本在生产现场和办公室之间建立网络，实远程局域网内的控制多轴直线伺服电机运动、实时数据监控、报警处理。同时，在 Pro - Server 基础上可以根据自己的需要开发其他应用程序，实现更加复杂和符合要求的功能。
5 总 结
直线伺服电机机械结构简单，便于保养与维护;运行速度稳定、加速度大，同时其先进的双轴同步驱动技术，可以保证高定位精度和高重复精度，因此在多轴精密驱动与定位平台中得到广泛应用; 本文以安川直线伺服电机在表面缺陷视觉检测系统中应用为例，介绍了多轴直线伺服电机在精密驱动与定位平台中的应用技术。安川直线电机伺服系统中的 MP2300具有高速处理能力，通过 M - II 运动网络可以控制多达 16 轴直线伺服电机，进行定位、电子凸轮等复杂的迹象运动; MP2300 通信模块具有工业以太网功能，并采用交换式集线器和全双工通信，使网络上的冲突域不复存在，使网络通信确定性和实时性大大提高[4]，保证了远程监控功能的完美实现，并且与 Pro- face 人机界面的以太网通信的完全兼容性能，使得通过现场触摸屏或远程局域网内计算机，均可实现修改直线伺服电机参数、运动参数、警报处理等功能，可方便地实现工业现场的应用。
参考文献:
[1] 文湘隆. 直线电机及其在高速精密机床上的应用[J]. 机械研究与应用，2005( 4) : 20 -21.
[2] 周晓峰. IC 缺陷检测的直线电机高精度定位控制[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学深圳研究生院，2009.
[3] 汪晋宽，马淑华，吴雨川. 工业网络技术[M]. 北京: 北京邮电大学出版社，2007.
[4] 李正军. 现场总线与工业以太网及其应用系统设计[M]. 北京:人民邮电出版社，2006.
本文作者：张连第，卢荣胜，李振风
