換用研控的運(yùn)動(dòng)控制卡產(chǎn)品來解決常見位置偏差問題

研控MCC系列運(yùn)動(dòng)控制卡使用方便，功能可靠，一般來說是不會(huì)在使用過程中產(chǎn)生位置偏差的。但是在長(zhǎng)期客戶服務(wù)的過程中我們也遇到了一些因使用不當(dāng)造成的位置偏差，如果沒有豐富的經(jīng)驗(yàn)，往往會(huì)判斷為運(yùn)動(dòng)控制卡的問題，而實(shí)際上真正的原因是在使用過程中有一些軟硬件問題未加以注意造成的。不管使用運(yùn)動(dòng)控制卡或其他類別的運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品，如果對(duì)這些問題不加注意，它往往會(huì)在不經(jīng)意間出現(xiàn)，引起機(jī)械運(yùn)動(dòng)誤差，造成損失。而當(dāng)你在實(shí)驗(yàn)室中針對(duì)它進(jìn)行測(cè)試時(shí)，又因?yàn)?a target="_blank">參數(shù)和使用環(huán)境的變化，問題卻不能重現(xiàn)，所以非常難以捕捉。本文主要針對(duì)這幾個(gè)最常見的疑難問題進(jìn)行描述、分析、并提出一定的解決方法。

首先應(yīng)該做什么

在客戶提出使用控制卡出現(xiàn)了位置偏差的時(shí)候，首先應(yīng)該做的就是定位偏差來源，也就是定位“究竟是控制卡的問題，還是電機(jī)和機(jī)械的問題？”這是非常關(guān)鍵的定位思路。

圖1

如圖1所示，原因在于，“軟件和控制卡的問題”的尋找定位和“電機(jī)和機(jī)械的問題”的尋找定位是完全不同的方式，如果首先不區(qū)分好是哪一個(gè)模塊的問題就直接深入到細(xì)節(jié)上，往往會(huì)找錯(cuò)方向。

最常見的定位工具是伺服驅(qū)動(dòng)器的“顯示指令位置”功能，如果問題軸所用電機(jī)正好是伺服電機(jī)，那就非常方便了。如果使用的是步進(jìn)電機(jī)，則可能需要外接一個(gè)伺服電機(jī)進(jìn)行測(cè)試。其他如示波器、邏輯分析儀也可以進(jìn)行測(cè)試，但是不如伺服電機(jī)方便。

測(cè)試方法非常簡(jiǎn)單，就是首先計(jì)算出某一工位處，控制卡“按理應(yīng)該發(fā)送多少個(gè)脈沖”，然后觀察伺服驅(qū)動(dòng)器的顯示，是否“接受到了同樣數(shù)量的脈沖”。如果兩個(gè)數(shù)量一致，并且長(zhǎng)期工作后（過程中沒有借助傳感器的復(fù)位動(dòng)作，如果有復(fù)位動(dòng)作則是另一回事，后文有詳述），還是精確一致的話，就說明軟件和運(yùn)動(dòng)控制卡沒有問題，需要在電機(jī)和機(jī)械上找問題。相反，如果運(yùn)行一段時(shí)間后，到達(dá)指定工位時(shí)，控制卡“理應(yīng)發(fā)送的脈沖數(shù)”與“伺服電機(jī)接受的脈沖數(shù)”不相同了，并且有誤差越來越大或者誤差大小隨機(jī)變化的情況，則可以判斷是下文中提到的“疑難問題”之一。

取整誤差累計(jì)

取整誤差累計(jì)是因?yàn)?a target="_blank">上位機(jī)控制軟件在設(shè)計(jì)時(shí)，全部采用“相對(duì)位置運(yùn)動(dòng)”功能，在計(jì)算相對(duì)位置脈沖數(shù)時(shí)，由于取整誤差造成的小數(shù)位脈沖數(shù)丟棄，而當(dāng)正向丟棄數(shù)和反向丟棄數(shù)不一至?xí)r就會(huì)造成微小的位置偏差，經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)行反復(fù)積累后，此偏差逐漸會(huì)發(fā)展到肉眼可見的程度。舉例如下：

某客戶在數(shù)控平面鉆孔機(jī)上采用了運(yùn)動(dòng)控制卡，工位和運(yùn)動(dòng)方式如下：

圖2 運(yùn)動(dòng)控制卡工位和運(yùn)動(dòng)方式

如圖2所示，鉆頭從原點(diǎn)出發(fā)，到達(dá)工位A開始鉆第一個(gè)孔，然后向右逐個(gè)鉆孔，孔之間橫向間距10mm，鉆到工位B后，X方向橫向平移，同時(shí)Y方向移動(dòng)，到達(dá)工位C。

程序員是這樣設(shè)計(jì)程序的：

float ValueX = 500.19; //脈沖當(dāng)量,500.19個(gè)脈沖機(jī)械走1mm

float MMTargetX=0; //運(yùn)行目標(biāo)相對(duì)位置

long PulseTargetX=0; //運(yùn)行目標(biāo)相對(duì)位置

MMTargetX=10; //橫向運(yùn)行距離10mm

PulseTargetX= (long) (MMTargetX * ValueX); //得到運(yùn)行脈沖數(shù)5001

YK_start_s_move(XAxisNum, PulseTargetX); //發(fā)指令讓X軸正向走5001個(gè)脈沖

//等待運(yùn)行結(jié)束

MMTargetX=10; //橫向運(yùn)行距離10mm

PulseTargetX= (long) (MMTargetX * ValueX); //得到運(yùn)行脈沖數(shù)5001

YK_start_s_move(XAxisNum, PulseTargetX); //發(fā)指令讓X軸正向走5001個(gè)脈沖

//等待運(yùn)行結(jié)束

……運(yùn)行10次

MMTargetX=-100; //橫向運(yùn)行距離-100mm

PulseTargetX= (long) (MMTargetX * ValueX); //得到運(yùn)行脈沖數(shù)-50019

YK_start_s_move(XAxisNum, PulseTargetX); //發(fā)指令讓X軸反向走50019個(gè)脈沖

//等待運(yùn)行結(jié)束

從上面的程序很容易看出來，正向運(yùn)行時(shí)，總共走了5001x10=50010個(gè)脈沖，而反向運(yùn)行時(shí)，走了50019個(gè)脈沖。雖然看起來每次正向運(yùn)行了10mm，運(yùn)行10次后，反向運(yùn)行了100mm，所以在工位C處X軸坐標(biāo)應(yīng)該跟工位A一致，但是實(shí)際上由于正向運(yùn)行時(shí)取整誤差舍去了10次0.9個(gè)脈沖，而反向運(yùn)行時(shí)則沒有因?yàn)槿≌`差而舍去脈沖，所以一來一回就會(huì)有9個(gè)脈沖的累計(jì)。

對(duì)于一般的機(jī)械設(shè)備來說，9個(gè)脈沖可能還看不出來位置的偏差，但是隨著反復(fù)的加工，如果沒有借助傳感器的復(fù)位動(dòng)作的話，這個(gè)誤差會(huì)逐漸隨機(jī)積累，位置會(huì)越來越偏，最終導(dǎo)致加工失敗。

這個(gè)問題的出現(xiàn)純屬軟件工程師經(jīng)驗(yàn)不足。如果想要在程序設(shè)計(jì)時(shí)避免此問題，有以下方法可以解決。

方法一：避免在整個(gè)加工過程中全部使用“相對(duì)位置運(yùn)動(dòng)”，在一個(gè)加工流程中添加一定量的，至少一條絕對(duì)運(yùn)動(dòng)指令，就可以消除掉取整誤差的帶來的積累偏差。

如在上述工序中，在工位A處記錄X軸坐標(biāo)，然后將從工位B到工位C的移動(dòng)改用“絕對(duì)位置移動(dòng)”指令。在工位B時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制卡會(huì)自動(dòng)讀取當(dāng)前的實(shí)際坐標(biāo)，與工位A處的坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，然后準(zhǔn)確地走出50010個(gè)脈沖，這樣一來，從工位A到工位B的所有取整誤差就全部糾正過來了。

方法二：增加復(fù)位動(dòng)作。

每個(gè)工件加工完成后利用傳感器進(jìn)行一次原點(diǎn)復(fù)位動(dòng)作，不僅能消除取整誤差的積累，而且還能消除機(jī)械誤差的積累，也是不錯(cuò)的選擇。

除了上述的“往返”運(yùn)動(dòng)，有些單向送料系統(tǒng)，如制袋機(jī)類，在重復(fù)進(jìn)行單方向運(yùn)行時(shí)，由于取整誤差的積累也會(huì)引起加工問題。而此類系統(tǒng)又無法進(jìn)行復(fù)位或者插入“絕對(duì)位置運(yùn)動(dòng)”指令。這種情況下推薦在編程時(shí)采用一種簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)的“四舍五入法”，具體方法如下。

在計(jì)算指令脈沖數(shù)時(shí)，在浮點(diǎn)數(shù)的結(jié)果后面+0.5，再取整，以上文中的程序?yàn)槔?/p>

MMTargetX=10; //橫向運(yùn)行距離10mm

PulseTargetX= (long) (MMTargetX * ValueX+0.5); //得到運(yùn)行脈沖數(shù)

YK_start_s_move(XAxisNum, PulseTargetX); //發(fā)指令讓X軸正向運(yùn)行

在計(jì)算指令脈沖數(shù)時(shí)采用了此方法可以減小取整誤差帶來的干擾，但是并不能消除，這是針對(duì)無法進(jìn)行上述兩種方法時(shí)的折衷辦法。不過由于簡(jiǎn)單易行，推薦給軟件工程師在計(jì)算脈沖數(shù)時(shí)使用。

換向時(shí)第一個(gè)脈沖的運(yùn)動(dòng)方向誤差

在試機(jī)的過程中出現(xiàn)過這樣的問題：當(dāng)使用某一品牌的驅(qū)動(dòng)器，運(yùn)行就非常準(zhǔn)確；而換用另一品牌的驅(qū)動(dòng)器，走一些固定的動(dòng)作時(shí)就會(huì)越走越偏。而容易走偏的驅(qū)動(dòng)器換了另一家的控制器，就又好了。

問題的原因出現(xiàn)在方向信號(hào)提前不足。

當(dāng)前大部分驅(qū)動(dòng)器是按周期掃描鎖存方向信號(hào)，當(dāng)捕捉到PULSE的有效信號(hào)沿時(shí)，再去根據(jù)鎖存的方向信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，在讀取鎖存方向信號(hào)到判斷PULSE信號(hào)有跳變之間有一個(gè)偏差τ。而對(duì)于PULSE的有效邊沿，有些驅(qū)動(dòng)器是上升沿有效，而有些驅(qū)動(dòng)器是下降沿有效。文中將上述類型的驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)稱為先方向上升沿類型（如圖3所示）和先方向下降沿類型驅(qū)動(dòng)器（如圖4所示）。

也有一些國(guó)內(nèi)不太知名公司提供的驅(qū)動(dòng)器，采取這樣的方式：當(dāng)捕捉到PULSE的有效信號(hào)沿時(shí)，再去即時(shí)讀取方向信號(hào)，判斷運(yùn)動(dòng)方向。在讀取到有效信號(hào)沿后，距離讀取方向信號(hào)也有一個(gè)時(shí)間偏差τ。下文中將此類驅(qū)動(dòng)器稱之為上升沿后方向和下降沿后方向類型驅(qū)動(dòng)器。這種情況比較少見，在此不做討論。

圖3先方向上升沿型驅(qū)動(dòng)器

圖4 先方向下降沿型驅(qū)動(dòng)器

不同公司的驅(qū)動(dòng)器，甚至同一公司的不同型號(hào)驅(qū)動(dòng)器，時(shí)間τ都不一樣。有些驅(qū)動(dòng)器比如研控模擬驅(qū)動(dòng)器，這個(gè)時(shí)間非常小；但是對(duì)于新型的數(shù)字型驅(qū)動(dòng)器，由于采樣周期的原因，此周期長(zhǎng)達(dá)125μS，這就給控制信號(hào)提出了要求：

方向信號(hào)必須要早于脈沖信號(hào)到位，最少要早τ秒，否則會(huì)引起換向后，第一個(gè)起跳脈沖的運(yùn)動(dòng)方向錯(cuò)誤。

當(dāng)然，即使?jié)M足不了此要求，對(duì)于普通的運(yùn)動(dòng)來說，如果發(fā)生了這類錯(cuò)誤無非就是起跳時(shí)少了2個(gè)脈沖，一般情況下不會(huì)影響設(shè)備精度。但是當(dāng)設(shè)備被要求反復(fù)折返的啟停運(yùn)動(dòng)時(shí)，就有可能引起誤差的積累。但是同時(shí)，因?yàn)榇苏`差類似于機(jī)械間隙，只出現(xiàn)在換向后的第一次運(yùn)動(dòng)時(shí)；而大部分情況下，正反運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)此誤差進(jìn)行抵消。因此，此情況只會(huì)帶來微小的誤差，不會(huì)產(chǎn)生太大的影響，但在對(duì)精度要求非常高的場(chǎng)合需要注意這個(gè)問題。

規(guī)避方法：查看驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品說明書，大部分驅(qū)動(dòng)器都會(huì)對(duì)此時(shí)間τ進(jìn)行規(guī)定。而研控MCC1410C的方向提前時(shí)間受起跳速度影響，最短情況下105μS；但只要將起跳速度降到100KHz以下，方向信號(hào)的提前時(shí)間就到了毫秒級(jí)別，不會(huì)產(chǎn)生上述錯(cuò)誤的情況。

原點(diǎn)復(fù)位誤差

有的客戶反饋，在進(jìn)行復(fù)位動(dòng)作的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生位置偏差。一般來說，我們推薦客戶在設(shè)計(jì)工序時(shí)，每完成一整套加工步驟后，進(jìn)行一次復(fù)位動(dòng)作，這樣可以消除積累誤差，包括機(jī)械打滑誤差、齒輪間隙誤差和驅(qū)動(dòng)器少量丟步造成的誤差。但復(fù)位動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置、復(fù)位動(dòng)作順序設(shè)置、傳感器的選擇和安裝位置、以及伺服參數(shù)設(shè)置的恰當(dāng)與否都會(huì)影響復(fù)位精度。當(dāng)客戶發(fā)現(xiàn)復(fù)位會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行位置不準(zhǔn)時(shí)，客戶通常會(huì)首要考慮排除傳感器靈敏度、動(dòng)作是否過猛等，因此問題往往不大，本節(jié)主要描述當(dāng)伺服參數(shù)設(shè)置不當(dāng)這一較少能考慮到的情況會(huì)引起的復(fù)位偏差。當(dāng)使用伺服電機(jī)時(shí)，如果參數(shù)調(diào)整不當(dāng)，剛性太弱，會(huì)造成該軸原點(diǎn)復(fù)位時(shí)的誤差。

總的來說，伺服是一個(gè)必須要考慮其滯后特性的執(zhí)行部件。當(dāng)設(shè)置伺服參數(shù)時(shí)，剛性越小，運(yùn)行時(shí)的實(shí)際滯后就越大。直觀上看起來就是“軟軟的，懶懶的”，指令脈沖開始發(fā)送了，它才會(huì)慢慢動(dòng)起來；指令脈沖已經(jīng)發(fā)完不發(fā)了，它還要往前走一陣才能停下來。這種特性跟它的閉環(huán)控制特性有一定的關(guān)系。

當(dāng)單軸運(yùn)動(dòng)進(jìn)行時(shí)，這種滯后通常不會(huì)影響生產(chǎn)，甚至覺察不出來，因?yàn)殡m然運(yùn)動(dòng)滯后，但是最終還是會(huì)準(zhǔn)確到位。但是當(dāng)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)或者原點(diǎn)復(fù)位時(shí)就會(huì)產(chǎn)生很大的影響。

比如當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，當(dāng)傳感器被觸發(fā)，發(fā)出限位信號(hào)給控制卡，控制卡馬上停止了脈沖的發(fā)送。但是此時(shí)伺服電機(jī)由于反應(yīng)的滯后，還是會(huì)往前走一陣，這一段距離就造成了偏差。

解決的方法就是：

1.在系統(tǒng)穩(wěn)定沒有太大沖擊的情況下盡量調(diào)高伺服的剛性；

2.在不影響生產(chǎn)效率的情況下降低復(fù)位運(yùn)動(dòng)的速度，或者采取二次復(fù)位的方法，第一次高速?gòu)?fù)位，到位后，再低速向回找原點(diǎn)信號(hào)。

其他情況

情況一：驅(qū)動(dòng)電壓/電流不足

當(dāng)客戶采用一路控制信號(hào)帶多路驅(qū)動(dòng)器時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流不足的情況，繼而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器無法順利獲取信號(hào)。

研控運(yùn)動(dòng)控制卡多采用AM26C31芯片來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電流，限流電阻20歐姆，最大電流150mA，因此不推薦采用一路運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)帶多路驅(qū)動(dòng)器。如果必須采用這種接法，則最多帶兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)器，如果超過此數(shù)值可能會(huì)造成芯片過熱燒壞或者信號(hào)丟失等情況；同時(shí)要注意，不保證此種接法的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。

情況二：限位信號(hào)干擾/誤碰

客戶采用非研控生產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)控制卡時(shí)，可能會(huì)隨機(jī)地出現(xiàn)設(shè)定的運(yùn)動(dòng)距離還沒走到，就停下來的問題。甚至?xí)碜矙C(jī)等嚴(yán)重的情況。這種偏差會(huì)非常大，隨機(jī)無規(guī)律地出現(xiàn)，一次出現(xiàn)馬上就造成運(yùn)行的混亂。

這種情況往往是某軸在運(yùn)行時(shí)，該軸的“限位信號(hào)”受到了干擾，令板卡認(rèn)為應(yīng)該停止該軸的動(dòng)作。

對(duì)于這種情況的判定要從軟件上進(jìn)行抓取，當(dāng)調(diào)用函數(shù)判斷一個(gè)軸是否停止的時(shí)候，如果返回值不是“脈沖發(fā)送完停止”，而是“未知異常停止”或者“遇到限位點(diǎn)停止”，就基本可以定位是限位點(diǎn)受到了干擾。然后可以將受到干擾的軸的限位信號(hào)從接線板上斷開，看看是否還有此情況產(chǎn)生。

針對(duì)此問題，需要從硬件上查找干擾源、干擾傳遞的通路。常規(guī)的濾波，分開供電，屏蔽，重新布線等方法都可以試一下。不過最有效的，是換用研控的運(yùn)動(dòng)控制卡產(chǎn)品，具備強(qiáng)大的抗干擾特性（濾波參數(shù)可設(shè)置），能夠根除此類問題。