DMC300A運動控制器在鎢絲繞線機系統中的應用

摘要：利用科瑞特自動化DMC300A運動控制器對步進電機控制的高效加速、高速運行、高精準的直線插補功能，實現了高速繞線機的控制需求；利用DMC300A控制器的寄存器器指令、運算指令，實現了繞線機對不同規格產品靈活更改參數的需求；利用DMC300A控制器開放的顯示指令，實現了設備運行時狀態信息的顯示需求。

　　關鍵詞：DMC300A運動控制器 步進電機 繞線機 直線插補 科瑞特自動化；

　　1.   引言

　　二十一世紀以來，各類科學技術得到了迅猛的發展；在我國國內，神五、神六已成功升空，但自動化設備的普及與技術更新卻遠遠落后于時代的發展。在工業生產領域，半自動化、手工勞作等需要大量人工的現象仍普遍存在。在本人所在的珠三角地區為例，雖然屬于國內工業化、自動化最發達的地區，但是幾乎所有的工業區仍是以大量的手工操作工為主要生產力的工廠構成；在招工越來越難招、工人最低工資不斷提高的現實情況下，通過對原有生產設備控制系統的技術升級，以提高設備的自動化水平、提高設備的生產效率、提高產品的合格率，已成為刻不容緩的企業生存的必然選擇。

　　科瑞特自動化DMC系列運動控制器是專門針對涉及定長、定位、圖形曲線加工的生產、測試等自動化設備研發設計的專業型高端通用運動控制器，功能強大、使用簡單，可完全替代“PLC+文本顯示”，并替代市場上已有的步進電機專用型非專業控制系統。

　　經對東莞某照明產品廠鎢絲高速繞線設備的控制實踐，無論生產效率、產品合格率、設備運行穩定型各方面均取得了良好的效果，相比原有設備性能有了質的飛越，現已批量使用，并極具推廣價值。

　　2.   DMC300A運動控制器簡介

　　DMC300A控制器采用高性能“DSP+FPGA”主控，系統資源豐富、功能強大、使用簡單：

　　l         32M存儲空間：支持768個程序、768個參數組，每個參數組包括4096個參數，程序和參數組可任意對應，即理論上支持768×768個產品規格；

　　l         完全的三軸數控系統：支持任意兩軸直線、圓弧插補，每軸帶兩個硬件限位點；

　　l         IO接口充足：16個輸入、8個輸出，邏輯關系在程序中確定，功能可完全自定義；

　　l         高速高性能：支持每軸200KHz脈沖頻率，標準的梯形加速曲線；

　　l         人機交互便捷：內嵌鍵盤模塊、128×64點陣液晶顯示，提供顯示指令，用戶可靈活控制顯示；

　　l         高性能內核模塊：系統提供一套完整的指令系統，支持用戶進行便捷的二次編程，對于非標數控系統，完全優越于G代碼編程；

　　l         編程方便：可在PC機編程下載用戶程序，或在鍵盤上直接編程；

　　3.   原設備控制系統分析

　　該繞線機設備原配備了產自臺灣的控制系統，主要針對照明產品的鎢絲高速繞線。控制系統構成包括：專用數控控制器、交流電機、200線編碼器、86系列步進電機及驅動器各一套；

　　控制原理：交流電機帶動繞線旋轉，并將旋轉傳動至200線編碼器，編碼器脈沖信號接入控制器，通過預先設置的參數，將編碼器脈沖數字過濾接入步進電機驅動器，完成步進電機對排線的控制。

　　現實情況：該系統針對連續一致型鎢絲繞線需求，雖然效率較低，但基本可以滿足要求；但對當前越來越多的分段間隔繞線需求，繞線速率最大不超過500轉/分，并且繞制產品不良率過高，合格率僅有87％左右，極大地增加了后續加工的壓力，總體效率極低，致使該廠由于此問題，有定單也不敢接；提升設備性能迫在眉睫！

　　技術分析：由于原系統控制構架的天生缺陷，出現這種現象在所難免：問題主要出在排線電機（步進電機）速度太低；步進電機是一種剛性的執行機構，驅動電路一般采用開環控制，因此步進電機只能以較低速啟動，并經加速逐步達到較高的運行速度，否之，步進電機將出現丟步的現象，進而失去控制；

　　原系統對排線步進電機的控制是通過被動地對接收到的編碼器脈沖進行數字濾波，該編碼脈沖在設備運行時由于繞線電機的勻速運轉，脈沖頻率固定；因此對于連續一致型繞線，雖然啟動時繞制了不合格品，但由于交流電機亦由低速啟動，對于排線電機來講，自然得到了一個加速過程，雖加速不太理想，但畢竟能達到一個較高的速度，因此在此中情況下，系統勉強可行；但對分段間隔繞線，無論硬件或是軟件都很難通過對一固定頻率脈沖的數字濾波達到滿足步進電機運行特性的脈沖信號，并且還要滿足設定的間隔繞制參數。因此，要“質的提高”優化設備性能，必須優化系統控制框架。

　　4.   應用DMC300A的系統分析

　　對于繞線系統，尤其是間隔繞線需求，最優的方案就是利用兩個步進電機進行直線插補，但這是以控制系統的高速高精度為前提的。

　　對于DMC300A系統，高速、高精度都不成問題。DMC300A系統在直線插補的情況下，可以控制步進電機在500毫秒左右的時間加速至3000轉/分鐘。

　　去掉交流電機和編碼器，改為兩軸步進系統，通過直線插補完成繞線過程。

　　對于連續一致型繞線，只需設置一段直線插補；對于分段間隔繞線，有多少則設幾段直線插補；實際應用為一段緊密繞線（CAP，對繞制圈數、長度有要求），一段跳躍（GAP，要求繞制圈數越少越好，長度有要求）；利用DMC300A的高精準直線插補性能，實現均勻排線。

　　參數輸入接口設置為：操作者設置繞線速度（轉/分）、GAP速度（轉/分）、CAP長度、CAP圈數、GAP長度、GAP圈數；

　　顯示功能：運行中顯示當前CAP長度、圈數，GAP長度、圈數；

　　啟停控制：“Run”接地有效時運行程序，“IN0”接地有效時啟動加工、“Stop”接地有效時停止加工過程；

　　報警檢測：“IN1”對斷線進行檢測判斷，如果發生斷線，系統停止工作；

　　5.   電機控制功能的實現

　　實際系統中，將繞線軸定義為X軸，排線軸定義為Y軸；排線軸步進電機驅動器采用32細分，即控制器發6400個脈沖，電機旋轉一周，排線30mm；繞線軸步進電機啟動驅動器采用8細分，即控制器發1600個脈沖，電機旋轉一周，即繞線一圈；

　　繞線速度的設定：僅需在直線插補運動指令插入速度指令即可；但是需要在程序中將速度設定值轉換為脈沖頻率設置值：（速度為S0010 單位：轉/分鐘）

　　       MOVM   M10, S10

　　       MUL      M10, 1600

　　       DIV        M10, 60

　　       經過計算，M10中數值即為脈沖頻率值；

　　同理，GAP速度的設定：

　　MOVM   M10, S11

　　       MUL      M10, 1600

　　       DIV        M10, 60

　　       經過計算，M10中數值即為脈沖頻率值；

　　直線插補時，兩個運動軸的運動距離由GAP/CAP段、兩個電機總的運動圈數、根據驅動器細分數計算決定；（GAP 段：GAP圈數S0012，GAP長度 S0001 ）

　　       MOVM   M20, S12

　　       MUL      M20, 1600

　　       MOVM   M21, S1

　　       MUL      M21, 6400

　　       DIV        M21, 30

　　       經過計算，指令“LINID 3, M20, M21”即可實現GAP段運動；

　　同理，CAP段： CAP圈數S0013，CAP長度 S0002 計算如下：

　　MOVM   M22, S13

　　       MUL      M22, 1600

　　       MOVM   M23, S2

　　       MUL      M23, 6400

　　       DIV        M23, 30

　　       經過計算，指令“LINID 3, M22, M23”即可實現CAP段運動；

　　6.   參數設置的實現

　　產品規格相關的參數為：繞線速度、GAP速度、CAP圈數、CAP距離、GAP圈數、GAP距離，共6個參數。DMC300A最多支持768×4個參數可以以可視參數的方式進行設置。即DMC300A控制器待機狀態下，按‘參數鍵’出現如下圖所示界面（翻頁顯示另一個）：

　　   

　　左邊文字為由Windows系統自帶的畫圖工具繪制的圖片，下載至控制器；右邊為四個S寄存器數值輸入區，分別對應的S寄存器序號可以在圖片下載時指定。

　　圖片一四個S寄存器分別指定為：S0010、S0011、S0012、S0001；

　　圖片二四個S寄存器分別指定為：S0013、S0002、S0004、S0004

　　（下載圖片時對S寄存器序號指定的方法請參考《DMC控制器說明書》）。

　　7.   狀態信息顯示的實現

　　應用DMC300A控制器實現設備運行時顯示信息較為簡單：將所要顯示的文字、圖片信息繪制為128×64點陣大小的圖片，下載至控制器，在控制器編程時使用顯示指令，在適當的地方插入即可。

　　在本設備應用時，預先繪制如下圖片：

　　   

　　將這兩個畫面分別下載至控制器狀態畫面1、2；

　　DISPLAY      0,0,0

　　       DISPLAY      6,S13,4

　　DISPLAY      6,S2,5

　　       DISPLAY      6,S12,6

　　       DISPLAY      6,S1,7

　　實現了對畫面一及對應的數值的顯示，顯示結果如右圖；

　　DISPLAY      0,1,0

　　       DISPLAY      6,S10,4

　　DISPLAY      6,S11,5

　　       DISPLAY      6,M0,6

　　       DISPLAY      6,M1,7

　　實現了對畫面二及對應的數值的顯示，顯示結果如右圖；

　　將這兩組顯示指令作為顯示模塊在程序循環中更替顯示，

　　即可實現設備運行時狀態信息的顯示功能。

　　8.   效果及結論

　　經DMC300A運動控制器系統改造的鎢絲繞線機，經實際工廠使用并測試，生產產品合格率在99.97%左右；整機效率較原系統提升3.4倍；24套系統3個月的使用時間內(平均每天工作11.3小時)，故障率為0。

　　針對目前人工成本日逐提高、產品規格越來越多、產品參數要求越來越嚴格，及時提高設備的性能以提升公司的競爭力已成為眾多生產廠商的不二選擇，而為生產設備配備專業的數控系統將是這所有的問題得以解決的最簡捷的方法。DMC系列專業控制器的出現專為解決此類問題。

　　9.   參考文獻

　　【1】 《CRT-DMC控制器說明書》：深圳市科瑞特自動化產品手冊

作者  張偉  TEL：13927404633  QQ：365104700