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软件组概念设计文档
手机自动功检系统
控制系统概念设计文档
文件编号:
版本号:
拟制人:
郭启军日期:
2011.06.08
审核人:
日期:
批准人:
日期:
湖北众友科技实业股份有限公司
文件修订记录
NO
版次变更
修订日期
修订页次
修订内容摘要
登录者
湖北众友科技实业股份有限公司
负责人:
郭启军
成员:
郭启军、雷俐殊、刘亚平、胡芬、闫东
一、完成什么任务、执行什么动作,怎么去执行?
接收来自各传感系统的输出信息(逻辑值或数据),根据检测项目的规划,通过对执行机构精确、快速、稳定的控制来完成对手机的各种操作。
二、在整个系统中的定位、组成内容划分
图一:
系统示意图
图中蓝色标识出的内容为控制系统的所涉及到的软硬件内容。
三、控制系统的指标性要求
指标1:
重复定位精度:
0.1*0.1*0.1mm
参考数据:
人眼能分辨的尺寸不小于0.1mm
指标2:
单轴有效行程:
最大100mm,最小0.1mm
指标3:
单轴移动速度:
400mm/s
参考数据:
①、传动装置
②、气动手指
③、手机相应时间
设定为:
0.1S
原因:
人眼能分辨的变化间隔不能小于0.042S
④、计算:
取气缸下行速度400mm/s,行程10mm,则下行时间0.025S,上行时间0.025S,执行一个按压操作后改变按压位置需要移动距离为L=20mm
则单轴向速度为:
L/(0.1-0.025-0.025)=L/0.05=400mm/s
指标4、
最大合成速度:
560mm/s
指标5、
系统采样频率:
动作触发式(10Hz)
指标6、
响应时间:
50~100毫秒
指标7、
控制电压:
5~24VDC
其它指标:
控制方式:
闭环系统、程序步进控制
超调量:
无
稳定性:
系统具有开环稳定性
四、模块功能定义
1、软件接口
作用:
承担同其它软件系统进行信息交互的工作。
信息种类和作用:
①、来自集成层的控制命令和数据(二进制信号序列),指明控制系统需要执行的动作类型、目标点。
②、发送给集成层的控制命令和数据(二进制信号序列),指明控制系统的控制结果和进程状态。
2、控制模块
作用:
根据从软件接口和硬件接口传输来的外部指令和状态信息,采用特定控制算法生成对外部硬件设备的控制命令;获取从硬件接口传输来的信息,处理成集成层需要的信息后,进行发送。
3、硬件接口
作用:
完成同外部硬件设备的信息交互工作
信息种类:
①、输出控制外部设备运行的控制信息(脉冲序列、开关量信号)
②、接受外部传感器产生的控制软件流程的部分条件信息(开关量、数字量信号)
4、执行器
作用:
驱动外部机械结构,完成对手机的各种操作(按压、滑动、组合动作)
设备种类:
①、电机设备(步进电机、直流电机或伺服电机及其需要的驱动设备)
②、开关量设备(气缸及电磁阀、电磁铁等直线往复装置)
5、其它传感器
作用:
对执行器动作结果进行信息传感
种类:
除图像、音频、振动信息以外的其它外部信息(开关量、数字量信号)
6、控制柜
作用:
提供控制系统硬件的安装柜体。
功能:
通风、散热功能,显示功能,操作面板,电磁屏蔽功能,放静电功能、防信号串扰布线功能。
7、电气
外部的电气布、接线。
五、实现方案
5.1可选方案
1、用“PC+单片机系统”来实现运动控制。
系统由单片机芯片、外围扩展芯片以及通过搭建外围电路组成。
在“位置控制”方式时,通过单片机的I/O口发数字脉冲信号来控制执行机构行走;“速度控制”方式时,需加D/A转换模块输出模拟量信号达到控制。
此方案优点在于成本较低,但由于一般单片机I/O口产生脉冲频率不高,对于分辨率高的执行机构,存在速度达不到,控制精度受限等缺点。
本设备会涉及到的多轴联动、直线、圆弧插补等功能实现起来都需要自己编写算法,这必将带来开发起来难度较大,研发周期较长,调试过程烦琐,系统一旦定型不太容易扩充功能、升级、柔性不强。
在本设备中采用单片机进行运动控制的话,仍需要从串口(或并口)接受上位机的控制信号来驱动电机运动;本功能完全可通过种类繁多、安全可靠、价格低廉的步进电机驱动器来完成。
2、采用“PC+专业运动控制PLC”来实现运动控制。
目前,许多品牌的PLC都可选配定位控制模块,有些PLC的CPU单元本身就具有运动控制功能(如松下NAIS的FP0,FPΣ系列),包括脉冲输出功能,模拟量输出等等。
使用这种PLC来做运动控制系统的上位控制时,可以同时利用PLC的I/O口功能,可谓一举两得。
PLC通常都采用梯形图编程,对开发人员来说简单易学,省时省力。
还有一点不可忽视,就是它可以与HMI(人机界面)进行通讯,在线修改运动参数,如轴号,速度,位移等。
这样整个控制系统中从输入到控制再到显示,非常便利。
一方面将界面友好化,另一方面将控制系统的成本从整体上节省了。
但具有脉冲输出功能的PLC大多都是晶体管输出类型的,这种输出类型的输出口驱动电流不大,一般只有0.1~0.2A。
在工业生产中,作为PLC驱动的负载来说,很多继电器开关的容量都要比这大,需要添加中间放大电路或转换模块。
与此同时,由于PLC的工作方式(循环扫描)决定了它作为上位控制时的实时性能不是很高,要受PLC每步扫描时间的限制。
而且控制执行机构进行复杂轨迹的动作就不太容易实现,虽说有的PLC已经有直线插补、圆弧插补功能,但由于其本身的脉冲输出频率也是有限的(一般为10K~100K),对于诸如伺服电机高速高精度多轴联动,高速插补等动作,它实现起来仍然较为困难。
这种方案主要适用于运动过程比较简单、运动轨迹固定的设备。
3、采用专用数控系统作为上位控制。
专用的数控系统一般都是针对专用设备或专用行业而设计开发生产的,它集成了计算机的核心部件,输入、输出外围设备以及为专门应用而开发的软件。
其功能丰富,性能稳定可靠。
但为之付出的代价就是高成本。
适用于控制要求较高且产品档次较高的数控设备生产厂家和使用者。
4、采用“PC+运动控制卡”作为上位控制。
随着PC的发展和普及,采用PC+运动控制卡作为上位控制是运动控制系统的一个主要发展趋势。
这种方案可充分利用计算机资源,用于运动过程、运动轨迹都比较复杂,且柔性比较强的机器和设备。
从用户使用的角度来看,基于PC机的运动控制卡主要是功能上的差别:
硬件接口(输入/输出信号的种类、性能)和软件接口(运动控制函数库的功能函数)。
按信号类型一般分为:
数字卡和模拟卡。
数字卡一般用于控制步进电机和伺服电机,模拟卡用于控制模拟式的伺服电机;数字卡可分为步进卡和伺服卡,步进卡的脉冲输出频率一般较低(几百K左右的频率),适用于控制步进电机;伺服卡的脉冲输出频率较高(可达几兆的频率),能够满足对伺服电机的控制。
目前随着数字式伺服电机的发展和普及,数字卡逐渐成为运动控制卡的主流。
运动控制卡是基于PC机各种总线的步进电机或数字式伺服电机的上位控制单元。
由于计算机主板的更新换代,ISA插槽都越来越少了,PCI总线的运动控制卡是目前的主流。
卡上专用CPU与PC机CPU构成主从式双CPU控制模式:
PC机CPU可以专注于人机界面、实时监控和发送指令等系统管理工作;卡上专用CPU来处理所有运动控制的细节:
升降速计算、行程控制、多轴插补等,无需占用PC机资源。
随卡提供的运动控制软件库可以更快的解决复杂的运动控制问题。
控制卡接受主CPU的指令,进行运动轨迹规划,包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速处理、原点和限位开关等信号的检测等。
每块运动控制卡可控制多轴步进电机或数字式伺服电机;通过多卡共用,可实现更多运动轴的控制;每个轴都可以输出脉冲和方向信号,并可输入原点、减速、限位等开关信号,以实现回原点、限位保护等功能。
运动控制卡的开放式结构,强大而丰富的软件功能特点,使得用户进行二次开发的设计周期缩短、开发手段多。
从目前工业设备中应用来看,使用专业运动控制卡作为运动控制系统的上位控制越来越普及。
5.2方案选择
1、多“闭环控制”相结合的控制形式实现
不管是“工控机+运动控制卡”还是“工控机+PLC”的方案,都可以看到:
在系统实现都上是一个闭环系统。
这个闭环环节需要使用到图像、音频系统的处理结果,控制器接收从集成层下发的指令进行解算后执行指令。
在此层级上,运动控制系统为一“执行层”。
在运动控制系统接收来自集成层的信息并按照约定的指令协议解算出需要执行的动作后,调用预先编制的对应动作程序模块执行。
此时对动作执行的过程执行不经过系统集成层的闭环控制,确保快速、准确的完成指定动作。
2、选择“工控机+运动控制卡”的方式进行控制实现:
运动控制卡使用简便,功能丰富,可靠性高。
硬件电路实现,集成度高,可靠性比较好。
它只需从微机接收控制命令,然后自己完成与运动有关的控制,几乎不占用微机的CPU时间,使用非常方便,不仅可以大大缩短研制和开发周期,而且还能实现更完善的运动控制系统,能够满足对步进电机的控制要求。
从成本来看,控制卡成本低。
若用PLC实现,综合硬件成本会比运动控制卡高。
从程序编制工作来看,采用PLC实现的话,当检验手机种类发生变更后,用户需要对上位机和PLC分别进行编程,工作量大并对现场人员要求较高,调试时间长。
采用运动控制卡方案,现场人员只需要按照提供的编程模板进行工程建立即可,操作简单,时间短。
综合比较,运动控制卡方案更适合手机种类变化速度快的工厂生产线的要求。
六、预测后续工作
6.1、程序设计
使用LabVIEW或LabWindows/CVI或其它软件编写软件接口和控制器的软件实现模块,实现从集成层和硬件层接收信息、完成预定控制作用的功能。
6.2、电气设计
设计电气控制柜及其外部布线方案,提供控制面板解决方案。
6.3、初步的BOM清单
序号
产品型号及配置
数量
单价
金额
1
研华ADAM-3952
2块
495
990.00
2
研华PCL-10251-3米
1根
485
485.00
3
研华PCI-1240U
1块
5150
5150.00
4
显示器
1台
5
步进电机驱动器
4部
6
步进电机
4台
7
旋转编码器
4部
8
研华机箱IPC-610
1台
5850
5850.00
9
研华额定250W工业电源
10
研华底板PCA-6114P4R
11
研华主板PCA-6010VG
12
研华DVD-RM
13
西数500G7200转
14
内存DDR22G*2(宇瞻)
15
CPUintelE7500(双核2.93G)
16
研华原装键盘鼠标
备注:
以上价格含17%增值税,送货上门。
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