摘要：

　　本文揭示了運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)回零的軟硬件結(jié)構(gòu)和常見(jiàn)的問(wèn)題，針對(duì)運(yùn)動(dòng)定位系統(tǒng)的特征，綜合機(jī)械結(jié)構(gòu)，電氣器件和軟件相關(guān)需求，提出了解決這些問(wèn)題的基本方法。

　　關(guān)鍵詞：

　　機(jī)械零點(diǎn)，帶Z脈沖的回零，反饋，精確定位。

　　1.引言

　　我公司在對(duì)客戶使用控制卡的技術(shù)支持過(guò)程中，常遇到客戶對(duì)系統(tǒng)回零精度的困惑，通常是由于對(duì)回零硬件器件和結(jié)構(gòu)的理解偏差，導(dǎo)致軟件設(shè)計(jì)的問(wèn)題，進(jìn)而造成系統(tǒng)回零的不穩(wěn)定，從而影響機(jī)械系統(tǒng)的定位精度。

　　從國(guó)內(nèi)外的主要控制卡的回零功能中，可以看到，不同運(yùn)動(dòng)控制廠商允許的回零方式從1到10多種不等，但其機(jī)械和電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成是相同的，單軸直線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如“圖一”所示。本文就該基本特征，結(jié)合深圳雷賽智能的DMC2410運(yùn)動(dòng)控制卡，就影響單軸直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)精度和效率的因數(shù)進(jìn)行探討，并提供了基于該基本結(jié)構(gòu)的回零流程和VB軟件例程。

　　2.回零點(diǎn)的目的

　　自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備是為取代人工來(lái)處理對(duì)速度，精度有較高要求，并希望能確保獲取一致性好的產(chǎn)品而誕生的。為了保證產(chǎn)品的一致性，必須首先確保機(jī)械設(shè)備的參考原始零位的精準(zhǔn)性，這樣才能保證在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)生產(chǎn)出的產(chǎn)品的一致性，而零點(diǎn)是機(jī)械系統(tǒng)的參考基準(zhǔn)，所以必須保證參考基準(zhǔn)的精確和唯一性，回零的目的是確保機(jī)械系統(tǒng)零點(diǎn)的重復(fù)定位精度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，或者說(shuō)確保單軸或多軸構(gòu)成的X-Y-Z坐標(biāo)系的零點(diǎn)在整個(gè)自動(dòng)化設(shè)備的機(jī)械系統(tǒng)中的位置偏差在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。

　　3.機(jī)電系統(tǒng)回零點(diǎn)的基本結(jié)構(gòu)

　　典型單軸直線系統(tǒng)的主要構(gòu)成部件有:電機(jī)（步進(jìn)電機(jī)或伺服），滾珠絲桿（或皮帶，齒輪），滑動(dòng)導(dǎo)軌，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，左右限位感應(yīng)器，感應(yīng)片和零點(diǎn)感應(yīng)器，以這些主要部件為基礎(chǔ)，構(gòu)成的單軸基本結(jié)構(gòu)如下圖一：

圖一  帶零點(diǎn)感應(yīng)器的單軸直線系統(tǒng)基本構(gòu)成圖解

      加入運(yùn)動(dòng)控制器件后的單軸直線控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成圖如圖二。影響回零精度和回零效果的主要因數(shù)如下：

l  機(jī)械因素：機(jī)械機(jī)構(gòu)的間隙；電機(jī)的定位精度。

l  電氣因素：零點(diǎn)感應(yīng)器的響應(yīng)頻率（或時(shí)間）；導(dǎo)線的信號(hào)輸送延遲；采用感應(yīng)器回零的配合方式。

l  控制因素：電機(jī)的回零速度；控制卡接收到零點(diǎn)感應(yīng)器輸入電平信號(hào)到關(guān)斷輸出脈沖的響應(yīng)時(shí)間，該響應(yīng)時(shí)間又受停止模式的影響，有2種停止模式較常見(jiàn)，一是減速停，二是立即停。

l  軟件因數(shù)：是否采用了恰當(dāng)?shù)幕亓丬浖鞒獭?/p>

     其中機(jī)械因數(shù)，導(dǎo)線的信號(hào)輸送延遲因數(shù)，都假定為理想狀態(tài)，對(duì)回零沒(méi)有影響，不作討論，本文僅討論其他的影響因數(shù)。

圖二  帶零點(diǎn)感應(yīng)器的單軸直線控制系統(tǒng)基本構(gòu)成圖解

　　零點(diǎn)感應(yīng)器的響應(yīng)頻率（或時(shí)間）因數(shù)：通常磁性感應(yīng)器的響應(yīng)頻率在1KHz左右，光電感應(yīng)的響應(yīng)頻率可達(dá)到10KHz，響應(yīng)快的感應(yīng)器可以允許較高的回零速度。下面通過(guò)一個(gè)例子結(jié)合電機(jī)的回零速度，可以看到其影響，參考圖二的結(jié)構(gòu):

　　假設(shè)：滾珠絲桿的導(dǎo)程是L毫米，電機(jī)轉(zhuǎn)速是V轉(zhuǎn)/分鐘，零點(diǎn)感應(yīng)器響應(yīng)時(shí)間是t1秒,控制卡接收到零點(diǎn)感應(yīng)器輸入電平信號(hào)到關(guān)斷輸出脈沖的響應(yīng)時(shí)間是t2秒,而從機(jī)械感應(yīng)片運(yùn)動(dòng)到有效感應(yīng)區(qū)直到控制卡關(guān)斷脈沖輸出的時(shí)間是:（t1+t2）,那么回零位置偏差是：

　　△L=V*L*(t1+t2)/60

　　可見(jiàn)，在t1,t2,L一定的情況下，要想提高回零點(diǎn)精度，電機(jī)的回零速度應(yīng)該盡量小；零點(diǎn)感應(yīng)器的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)盡量短(即響應(yīng)頻率盡量高)；L越小，回零點(diǎn)精度越高；同時(shí)還要求控制卡零點(diǎn)響應(yīng)速度需夠快。

　　而停止方式因素的影響體現(xiàn)在采用減速停止時(shí)，假設(shè)回零速度一樣，減速位移與減速度的大小相關(guān)，減速度大時(shí)，其減速位移小，反之減速度小時(shí)，其減速位移大。

　　當(dāng)這些因素都確定后，還需考慮感應(yīng)器的配合方式，基本單軸直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)感應(yīng)器的配合方式通常有兩種，其中一種如圖一所示，包含左（或曰負(fù)限位），右限位感應(yīng)器（或曰正限位），和零點(diǎn)感應(yīng)器；另一種如圖四所示，包含左，右限位感應(yīng)器（沒(méi)有使用零點(diǎn)感應(yīng)器），再加上伺服電機(jī)編碼器Z脈沖來(lái)構(gòu)造單軸回零。通用的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中前一種較常用，而后一種亦具有鮮明的特點(diǎn)，下面分別將兩種回零方式進(jìn)行比較和探討。

　　4.回零結(jié)構(gòu)分析

　　單軸直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)究竟該采用何種回零方式才能既經(jīng)濟(jì)又有效的保證機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)的定位精度呢？下面將對(duì)前面提到的2種典型的回零基本方式進(jìn)行分析，然后給出對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)方案。

　　4.1方式一，運(yùn)用零點(diǎn)加限位的回零方式

　　該方式在各種機(jī)械設(shè)備直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中較為常見(jiàn)，適用于采用步進(jìn)或伺服電機(jī)的直線系統(tǒng)，必須采用零點(diǎn)感應(yīng)器，該感應(yīng)器通常采用非接觸式感應(yīng)器，可以是磁感應(yīng)接近感應(yīng)器，光電或光纖感應(yīng)器，不建議采用機(jī)械觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。限位感應(yīng)器也采用和零點(diǎn)感應(yīng)器相同屬性的感應(yīng)器，以簡(jiǎn)化機(jī)械觸發(fā)機(jī)構(gòu)（如圖一中的感應(yīng)片）。

　　相關(guān)的影響因數(shù)前面已經(jīng)講過(guò)，在該種方式中，應(yīng)該注意下面2點(diǎn)：

　　l機(jī)械設(shè)計(jì)要求：確保限位感應(yīng)器與零點(diǎn)感應(yīng)器有足夠的間隙，當(dāng)限位感應(yīng)器觸發(fā)時(shí)，應(yīng)確保運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與其他機(jī)械機(jī)構(gòu)不能發(fā)生碰撞，而其當(dāng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在極限位置時(shí)，限位感應(yīng)器應(yīng)該保持觸發(fā)狀態(tài)，以保證機(jī)械設(shè)備的安全。

　　l回零點(diǎn)的軟件流程：從下圖三中可以看出，針對(duì)3個(gè)感應(yīng)器，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)感應(yīng)片有2個(gè)區(qū)域（區(qū)域1,2）和3個(gè)特殊位置（感應(yīng)片剛好在感應(yīng)器上位置3,4,5），共5種位置狀態(tài)。因此在軟件流程制定過(guò)程中應(yīng)充分考慮到這5種狀態(tài)，以確保運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在任何位置都可以完成回零點(diǎn)的任務(wù)。我們可以設(shè)想，當(dāng)機(jī)械設(shè)備斷電后，維修人員需要給滾珠絲桿添加潤(rùn)滑油，出于方便的考慮，他會(huì)將運(yùn)動(dòng)平臺(tái)推到不同的位置，以便添加潤(rùn)滑油，這會(huì)直接導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位置的不確定性，但是該不確定性卻被包含在這5種回零點(diǎn)的情況中，并不會(huì)導(dǎo)致回零故障。

圖三 方式一直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中感應(yīng)片的位置

　　這種依靠零點(diǎn)感應(yīng)器回零的方式會(huì)受到裝配精度（很難確保到0.1毫米以下的感應(yīng)器機(jī)械位置精度，通常會(huì)超過(guò)0.5毫米，這在精密生產(chǎn)行業(yè)是不太被接受的）和感應(yīng)器元件精度的雙重影響，會(huì)導(dǎo)致同種機(jī)型的設(shè)備之間各對(duì)應(yīng)直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的零點(diǎn)位置偏差，通常會(huì)直接導(dǎo)致對(duì)應(yīng)直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)不具備互換性（沒(méi)法確保高精度），這是機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)商期望生產(chǎn)高一致性系列產(chǎn)品的大忌。

　　4.2方式二，運(yùn)用限位加Z脈沖的回零方式

　　該方式主要針對(duì)采用增量式伺服電機(jī)（編碼器帶Z脈沖輸出）的場(chǎng)合，在機(jī)械定位精度要求高的系統(tǒng)中極為有效。其限位感應(yīng)器可采用機(jī)械觸電開(kāi)關(guān)，非接觸式感應(yīng)器，如磁感應(yīng)接近感應(yīng)器和光電或光纖感應(yīng)器，同時(shí)需要將伺服電機(jī)編碼器的Z脈沖輸出接口連接到運(yùn)動(dòng)控制卡或控制器的專用輸入接口上，如圖五。

圖四  帶伺服編碼器Z脈沖的單軸直線系統(tǒng)基本構(gòu)成圖解

圖五  帶伺服編碼器Z脈沖的單軸直線控制系統(tǒng)基本構(gòu)成圖解

　　在該種回零方式中也要注意2點(diǎn)：

　　l機(jī)械設(shè)計(jì)要求：確保當(dāng)限位感應(yīng)器觸發(fā)時(shí)，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與其他機(jī)械機(jī)構(gòu)不能發(fā)生碰撞，而其當(dāng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在極限位置時(shí)，限位感應(yīng)器應(yīng)該保持觸發(fā)狀態(tài)，以保證機(jī)械設(shè)備的安全。

　　l回零點(diǎn)的軟件流程：從下圖六中可以看出，針對(duì)這2個(gè)限位感應(yīng)器，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)感應(yīng)片有區(qū)域1和2個(gè)特殊位置（感應(yīng)片剛好在限位感應(yīng)器上的位置2，3），共3種位置，比第一種回零構(gòu)成方式簡(jiǎn)單，在軟件流程制定過(guò)程中僅僅需考慮這3種狀態(tài)，便能確保運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在任何位置都可以完成回零點(diǎn)的任務(wù)。

圖六  方式二直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中感應(yīng)片的位置

　　假定采用伺服電機(jī)軸通過(guò)聯(lián)軸器，連接到滾珠絲桿(再驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái))，如圖五示。從機(jī)械的角度，這里減速比是1:1，即電機(jī)軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，滾珠絲桿轉(zhuǎn)一圈，同時(shí)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)往前走一個(gè)絲杠的導(dǎo)程（如導(dǎo)程是：5毫米，10毫米或20毫米）。從電氣的角度，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，其編碼器碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)360°，同時(shí)在固定的角度產(chǎn)生1個(gè)Z脈沖（如圖四中示），其脈沖脈沖頻率取決于電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，假定電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度是3000轉(zhuǎn)/分鐘，即每0.02秒產(chǎn)生一個(gè)Z脈沖，其脈沖寬度極小；其脈沖寬度取決于電機(jī)速度和編碼器的A/B相線數(shù)，假定編碼器是1000線，在電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度是3000轉(zhuǎn)/分鐘時(shí)，Z脈沖的寬度是10微秒，遠(yuǎn)小于光電感應(yīng)器的最快響應(yīng)時(shí)間。另外，在該條件下，假定滾珠絲桿導(dǎo)程是10毫米，如果采用Z脈沖來(lái)定位零點(diǎn)，其直線零點(diǎn)理論位置精度可達(dá)，10毫米/1000=10微米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于第1種回零方式。

　　另外，該回零點(diǎn)的基本流程是，往負(fù)方向回零過(guò)程中，首先觸發(fā)負(fù)限位感應(yīng)器，電機(jī)急停，然后沿反方向（往正向）運(yùn)動(dòng)，直到找第一個(gè)伺服電機(jī)編碼器Z脈沖，急停，這樣便能確定單軸直線機(jī)構(gòu)的零點(diǎn)。

　　同時(shí)，該方式需要機(jī)械設(shè)計(jì)工程師制定相應(yīng)的調(diào)試夾具和相關(guān)流程來(lái)確保零點(diǎn)精度和互換性。

　　優(yōu)點(diǎn)：

　　在采用伺服電機(jī)的系統(tǒng)中，由于無(wú)需零點(diǎn)感應(yīng)器，限位感應(yīng)器可采用機(jī)械觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，使得單軸成本可下降約100到200元，較方式1節(jié)省硬件成本，同時(shí)能消除因感應(yīng)器裝配位置偏差帶來(lái)的同型號(hào)精密機(jī)械設(shè)備與設(shè)備之間的機(jī)械零點(diǎn)的偏差，確保系列產(chǎn)品的一致性和良好的互換性，并且在同等情況下擴(kuò)大了運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的實(shí)際使用空間。

　　5.解決方案

　　針對(duì)前面提出的2種回零方式的分析，在確保機(jī)械和電氣硬件正確選擇和配置的前提下，筆者以深圳雷賽智能典型的四軸控制卡DMC2410為例，按照第1種回零方式（啟用了伺服的Z脈沖回零模式），編寫(xiě)了單軸回零點(diǎn)的流程圖，以及基于VB的回零點(diǎn)源代碼，，具體如下：

　　注意：

　　由于零點(diǎn)感應(yīng)器在軸正負(fù)限位感應(yīng)器的中間，所以零點(diǎn)感應(yīng)片可能落在5個(gè)區(qū)域，同時(shí)應(yīng)確保機(jī)械運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)中會(huì)首先觸發(fā)正（負(fù)）限位感應(yīng)器，而不會(huì)發(fā)生機(jī)械碰撞。

回零流程圖：如圖七

圖七  回零流程圖

回零源代碼如下：

'選擇DMC2410卡的第一軸，函數(shù)中軸編號(hào)為0

Public Function Home_AxisProcess()

Dim AxisStatus_XO As Integer

d2410_set_profile 0, (ORGspeed_X * pluse_mm_X) / 2, (ORGspeed_X * pluse_mm_X), _AccDec_T_X, AccDec_T_X

AxisStatus_XO = d2410_axis_io_status(0)

'判斷感應(yīng)片的位置 ，1.剛好在零點(diǎn)上面?

If (AxisStatus_XO And 2 ^ 14) = 1 Then

    Home_From_Zero '調(diào)用從零點(diǎn)感應(yīng)器回零程序

    my_O_X = 1 '設(shè)置標(biāo)記

Else  '2，判斷是否在正負(fù)限位感應(yīng)器上

    AxisStatus_XO = d2410_axis_io_status(0)

    If ((AxisStatus_XO And 2 ^ 12) = 1) or ((AxisStatus_XO And 2 ^ 13) = 1) Then

        If (AxisStatus_XO And 2 ^ 12) = 1 Then

            '在正限位感應(yīng)器上，調(diào)用正常d2410_home_move() -- 帶Z脈沖

            d2410_home_move 0, 2, 1  '負(fù)方向回零

            While (d2410_check_done(0) = 1)

            '可顯示一段文字來(lái)提示當(dāng)前回零進(jìn)展?fàn)顟B(tài)

            Wend

            my_O_X = 1 '設(shè)置標(biāo)記

        Else

            Home_From_Lim  '調(diào)用從負(fù)限位感應(yīng)器回零程序

            my_O_X = 1

        End If

Else  '3, 既不在零點(diǎn)感應(yīng)器上，也不在限位感應(yīng)器上

'啟動(dòng)電機(jī)往負(fù)方向走，查詢零點(diǎn)或負(fù)限位感應(yīng)器狀態(tài)，如遇到感應(yīng)器便立即停

        d2410_t_vmove 0, 1

        choose_X = 2

        While (choose_X = 2)

            '可顯示一段文字來(lái)提示當(dāng)前回零進(jìn)展?fàn)顟B(tài)

            AxisStatus_XO = d2410_axis_io_status(0)

            If ((AxisStatus_XO And 2 ^ 14) = 1) Then

choose_X = 1

            End If

If ((AxisStatus_XO And 2 ^ 13) = 1) Then

choose_X = 0

            End If

        Wend

        D2410_imd_stop 0 '立即停

        Select Case choose_X

        '3.1 在零點(diǎn)和正限位之間

        Case 0

            Home_From_Zero '調(diào)用從零點(diǎn)感應(yīng)器回零程序

            my_O_X = 1 '設(shè)置標(biāo)記

        '3.2 在零點(diǎn)和負(fù)限位之間

        Case 1

            Home_From_Lim  '調(diào)用從負(fù)限位感應(yīng)器回零程序

            my_O_X = 1

        End Select

    End If

End If

'將位置計(jì)數(shù)器清零，確定當(dāng)前位置為零點(diǎn)

d2410_set_position 0, 0

'結(jié)束回零點(diǎn)函數(shù)調(diào)用

End Function

'************************************************************************

'從零點(diǎn)回零子程序

Public Function Home_From_Zero()

'啟動(dòng)電機(jī)往正方向走，直到走出零點(diǎn)感應(yīng)器區(qū)再減速停，然后調(diào)用帶Z脈沖的回零函數(shù)'d2410_home_move()，控制卡專用函數(shù)

Dim AxisStatus_XO As Integer

d2410_t_vmove 0, 1

AxisStatus_XO = d2410_axis_io_status(0)

While ((AxisStatus_XO And 2 ^ 14) = 0)

'可顯示一段文字來(lái)提示當(dāng)前回零進(jìn)展?fàn)顟B(tài)

AxisStatus_XO = d2410_axis_io_status(0)

Wend

d2410_decel_stop 0, 0.05

While (d2410_check_done(0) = 1)

'可顯示一段文字來(lái)提示當(dāng)前回零進(jìn)展?fàn)顟B(tài)

Wend

'調(diào)用正常d2410_home_move() -- 帶Z脈沖

d2410_home_move 0, 2, 1

While (d2410_check_done(0) = 1)

'可顯示一段文字來(lái)提示當(dāng)前回零進(jìn)展?fàn)顟B(tài)

Wend

End Function

'************************************************************************

'從負(fù)限位回零子程序

Public Function Home_From_Lim()

Dim AxisStatus_XO As Integer

'在負(fù)限位上啟動(dòng)電機(jī)往正方向走，直到感應(yīng)到零點(diǎn)感應(yīng)器后急停，調(diào)用零點(diǎn)回零子程序

d2410_t_vmove 0, 1

AxisStatus_XO = d2410_axis_io_status(0)

While ((AxisStatus_XO And 2 ^ 14) = 1)

    AxisStatus_XO = d2410_axis_io_status(0)

'可顯示一段文字來(lái)提示當(dāng)前回零進(jìn)展?fàn)顟B(tài)

Wend

D2410_imd_stop 0 '立即停

Home_From_Zero '調(diào)用從零點(diǎn)感應(yīng)器回零程序

End Function

'************************************************************************

6.  結(jié)論

      通過(guò)以上對(duì)2種回零基本結(jié)構(gòu)的分析，在實(shí)際應(yīng)用中可以結(jié)合自身設(shè)備的特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的改變，在確保設(shè)備精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性的同時(shí)又能節(jié)約硬件成本，從而取得雙贏的結(jié)局。

      可靠的回零除了需要清楚的理解各相關(guān)控制元件和執(zhí)行元件的工作原理，機(jī)械設(shè)備項(xiàng)目本身的精度要求外，還需從實(shí)際出發(fā)對(duì)特定設(shè)備進(jìn)行精心測(cè)試，以便有針對(duì)性的準(zhǔn)確給出相關(guān)的硬件和軟件方案，這樣才能確保設(shè)備的精準(zhǔn)度。