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      生瓷帶打孔機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)

      2011-03-26 06:38:10董永謙馬生生趙喜清
      電子工業(yè)專用設(shè)備 2011年6期
      關(guān)鍵詞:沖孔直線電機(jī)

      董永謙,張 燕,馬生生,白 璐,趙喜清,田 芳

      (中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所,山西太原030024)

      低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)是將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉制成厚度精確而且致密的生瓷帶,作為電路基板材料,在生瓷帶上打孔、微孔注漿、精密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖形,采用多個(gè)有圖形的陶瓷薄層疊壓在一起,在850℃左右通過燒結(jié)工藝成為一個(gè)整體。它能將多達(dá)幾十層或更多的陶瓷層燒結(jié)在一起,并形成一個(gè)獨(dú)立的堆層,使構(gòu)建和嵌入一個(gè)相對較大的三維結(jié)構(gòu)成為可能。在這個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)可以整合全系列的無源器件,包括電容器、電阻器、電感器以及復(fù)雜的內(nèi)部互連和通孔,通過采用多層結(jié)構(gòu),利用增厚z方向達(dá)到減小器件x和y方向尺寸(封裝面積)的目的。

      生瓷帶打孔機(jī)主要完成生瓷帶通孔、定位孔和腔體的成型,是LTCC多層基板制造的關(guān)鍵設(shè)備之一。由中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所研制的DKJ-14A生瓷帶打孔機(jī)采用的是機(jī)械沖孔方式和無框工藝。使用花崗巖作為基臺,雙直線電機(jī)+氣浮軸承+光柵尺的x、y運(yùn)動平臺,裝有14個(gè)沖孔單元,全自動上下料機(jī)構(gòu),用CCD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)沖孔組件的自動定位和反沖圖形的定位,可接受DXF格式圖形文件,實(shí)現(xiàn)全自動打孔。

      1 功能分析

      圖1給出了生瓷帶打孔機(jī)系統(tǒng)的實(shí)物圖,主要包括:托盤托架、上下料機(jī)構(gòu)、傳送機(jī)構(gòu)、x、y運(yùn)動平臺、沖孔組件等。

      圖1 生瓷帶打孔機(jī)實(shí)物圖

      上、下料機(jī)構(gòu)通過上料傳送機(jī)構(gòu)把載有托盤的托架運(yùn)送到上料機(jī)械手下方,校正系統(tǒng)校正后,再由上料機(jī)械手把托盤一片一片抓取、放置到傳送機(jī)構(gòu)。

      傳送機(jī)構(gòu)則是由電機(jī)絲杠完成運(yùn)動過程,將托盤傳送到指定位置。

      x、y運(yùn)動平臺提供打孔過程中生瓷帶定位所需的精確運(yùn)動,是實(shí)現(xiàn)打孔工藝的關(guān)鍵部件。

      沖孔部件分沖孔單元和沖孔組件兩部分。沖孔單元主要實(shí)現(xiàn)沖頭的安裝、更換,完成打孔功能;沖孔組件用來安裝沖孔單元,最多可安裝14組沖孔單元,由氣缸控制實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動。

      通過對生瓷帶打孔機(jī)的結(jié)構(gòu)及功能分析,表1列出了生瓷帶打孔機(jī)的主要控制對象。

      表1 生瓷帶打孔機(jī)的控制對象

      2 硬件設(shè)計(jì)

      如圖2所示,電氣硬件系統(tǒng)主要包括工控機(jī)、運(yùn)動控制卡、視覺系統(tǒng)、I/O卡、直線伺服系統(tǒng)、電磁閥、傳感器、圖像采集、信號燈塔、開關(guān)等。

      工控機(jī)選用研華的原裝機(jī)。本機(jī)運(yùn)動機(jī)構(gòu)較多,為配合各種開關(guān)控制、運(yùn)動狀態(tài)監(jiān)控、氣路控制、安全控制報(bào)警等功能,有118路輸入信號和103路的輸出信號控制,所以選用研華兩個(gè)PCL-1752(輸出)和兩個(gè) PCL-1754(輸入)作為本機(jī)I/O信號處理。

      圖2 電氣硬件結(jié)構(gòu)框圖

      運(yùn)動控制卡選用Parker公司的ACR8020,它是為了完成復(fù)雜的控制任務(wù)而專門設(shè)計(jì)的功能強(qiáng)大的運(yùn)動控制卡。ACR8020運(yùn)動控制卡系列配備了功能強(qiáng)大的DSP,是多任務(wù)伺服控制器,可以同時(shí)處理多任務(wù),多達(dá)24個(gè)程序都可以并行執(zhí)行。

      x、y、θ軸的直線電機(jī)選用了Parker公司的 6個(gè)Compax 3伺服驅(qū)動器,用于控制6個(gè)直線電機(jī),可以接收運(yùn)動控制器輸出的±10 V控制電壓,實(shí)現(xiàn)速度、加速度、電機(jī)電流和急加速的前饋,從而將跟蹤誤差降到最低和優(yōu)化響應(yīng)。上下料和傳送軸選用YASKAWA公司的3個(gè)ΣV SGDV伺服驅(qū)動器。

      采用直線電機(jī)驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)在于:不需要任何轉(zhuǎn)換裝置而直接產(chǎn)生推力,可以省去中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu),簡化裝置或系統(tǒng),保證運(yùn)行的可靠性,提高傳遞效率;不受到離心力的作用;運(yùn)動過程可以無機(jī)械接觸,使傳動零部件無磨損。

      x方向選用TENOTIN公司的UL12直線電機(jī)。

      (1)電機(jī)加減速度

      移動距離Sm=0.5×10-3m

      加速時(shí)間ta=0.005s

      減速時(shí)間td=0.005s

      (2)負(fù)載

      x方向的負(fù)載為40 kg,F(xiàn)r在恒定速度下的運(yùn)行力,F(xiàn)acc加速力,F(xiàn)dec減速力,F(xiàn)am最大加速力,F(xiàn)dm最大減速力,F(xiàn)ow在停留時(shí)的推力,ML負(fù)載質(zhì)量,Mc線圈質(zhì)量,N并聯(lián)電機(jī)的臺數(shù)。

      在xy運(yùn)動平臺中采用空氣軸承,暫時(shí)不考慮摩擦力即Fr=0

      均方根(RMS)推力:

      (3)電機(jī)負(fù)載能力計(jì)算

      線圈質(zhì)量M c=0.91 kg,定子Mc=7 kg

      附加推力Mc×Am=0.91×20=20N

      Fam=Fdm=400+20=420N

      Frms=195N

      (4)放大器的負(fù)載能力

      Kf=68;最大連續(xù)電流為4.1A

      最大加速電流Ia=Fam/kf=420÷68=6.2A=Id

      均方根電流Irms=Frms/kf=195÷68=2.87A

      線圈電阻R=4Ωm,

      (5)線圈升溫:△θ線圈升溫;Rth熱阻;km電機(jī)常數(shù)

      (6)功率損失

      x方向:Pl=31.2÷0.32=97.5W

      根據(jù)以上的計(jì)算,UL12直線電機(jī)滿足x方向的要求,UXX12直線電機(jī)滿足y方向的要求。

      光柵采用英國RENISHAW公司的高精度直線光柵尺。該類光柵尺有較高的精度和響應(yīng)速度,具有安裝調(diào)試方便,抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。光柵線周期為20μs,分辨率可達(dá)0.1μm,響應(yīng)最大速度為12.5 m/s。滿足平臺定位精度的要求。

      圖像采集卡選用法視特公司的FVC05,是一款PCI接口的圖像采集卡,具有廣泛的通用功能,支持標(biāo)準(zhǔn)與非標(biāo)準(zhǔn)、RGB、雙通道的模擬相機(jī);具有兩個(gè)視頻輸入端口,視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的速度快,已成為許多工業(yè)檢測、標(biāo)示、定位應(yīng)用方案的首選圖像采集卡。相機(jī)選用了JAI公司的CV-A2 CCD相機(jī),幀頻15 fps,有效像素200萬,單個(gè)像元為4.4μm×4.4μm。鏡頭moritex MML2-65D,是2倍鏡頭。正面光源選用CCS公司的同軸光LFL 612p,背面光源選用CCS公司的條形面光源HLV-24RD,它的發(fā)光部分為一個(gè)漫射面,均勻性好。軟件則采用了法視特的FVX軟件包。通過采用2倍鏡頭理論上單個(gè)像素可以精確到2.2μm,通過對相機(jī)進(jìn)行像素標(biāo)定,可以得到一個(gè)像素實(shí)際對應(yīng)2.235μm。

      3 控制設(shè)計(jì)

      3.1 雙直線電機(jī)的同步控制

      在主從控制結(jié)構(gòu)中,將一臺電機(jī)作為主動電機(jī),另一臺電機(jī)作為從動電機(jī)。主電機(jī)以用戶給出的速度和位置給定值作為參考值,在運(yùn)行過程中緊密跟蹤系統(tǒng)給定值,而從電機(jī)以主電機(jī)的速度和位置輸出作為自己的參考值,在運(yùn)行過程中緊密跟蹤主電機(jī)。這樣在運(yùn)行過程中,電機(jī)并不是分別跟蹤系統(tǒng)給定值,而是由從動電機(jī)跟蹤主動電機(jī),使得系統(tǒng)的同步精度得到提高。主從方式的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

      圖3 主從控制方法框圖

      3.2 PID控制

      PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。系統(tǒng)由控制器和被控對象組成。

      圖4 PID控制原理圖

      PID控制器是一種線性控制器,它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差,將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量,對被控對象進(jìn)行控制,故稱PID控制,其控制規(guī)律為:

      或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式:

      式中:Kp為比例系數(shù);Tl為積分時(shí)間常數(shù);TD為微分時(shí)間常數(shù)。

      4 軟件設(shè)計(jì)

      為滿足控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性,充分利用控制計(jì)算機(jī)和運(yùn)動控制器的高性能處理器,控制軟件由上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件兩部分組成。上位機(jī)軟件在控制計(jì)算機(jī)中運(yùn)行,采用VB6.0編寫,調(diào)用ACR8020提供的函數(shù)來實(shí)現(xiàn),主要完成檢測運(yùn)動控制器I/O口當(dāng)前狀態(tài)、編碼器常數(shù)設(shè)置;提供單軸運(yùn)動和多軸運(yùn)動的控制命令;主要分為自動打孔、文件讀取、視覺系統(tǒng)、下位機(jī)軟件等四部分。

      圖5 自動打孔界面

      4.1 自動打孔

      圖5給出了自動打孔界面,程序文件顯示的是正在打孔的文件名稱,點(diǎn)擊打開可以選擇打孔文件。單片打孔計(jì)數(shù)實(shí)時(shí)顯示單片當(dāng)前打孔數(shù)量和打孔總數(shù)。例:678/3145。單片進(jìn)度顯示單片的打孔進(jìn)度,沖孔時(shí)間顯示該片的打孔時(shí)間,從開始打孔到當(dāng)前的時(shí)間,一片結(jié)束時(shí)為此片打孔所用時(shí)間。輸入x、y、θ的偏移量,點(diǎn)擊確定,數(shù)據(jù)會傳輸下去,打孔時(shí),所有的位置會偏移輸入的量,偏移量的輸入范圍≤0.5mm。點(diǎn)擊開始按鈕打孔開始,如果選中自動上下料無效,只打一片;自動上下料有效時(shí)只要待料位有生瓷帶就會開始打孔。點(diǎn)擊暫停按鈕,打孔立即停止,再按開始可以繼續(xù)打孔。點(diǎn)擊停止按鈕,打完當(dāng)前片并送到待料位,放下片子再回到零點(diǎn)停止。右面的坐標(biāo)系中實(shí)時(shí)顯示打孔過程,依照打孔的路徑順序打一個(gè)顯示一個(gè)。圖6給出了自動打孔的流程圖。

      圖6 自動打孔流程圖

      4.2 文件讀取

      文件讀取程序把用戶使用AUTOCAD等繪圖軟件繪制的DXF格式圖形文件轉(zhuǎn)化成設(shè)備控制程序可以識別的DKJ格式文件。程序從DXF格式文件中提取所需要的孔信息,包括孔的直徑、xy坐標(biāo)等,根據(jù)孔的大小進(jìn)行分類,提取信息完成后可示意在圖中顯示。程序利用數(shù)學(xué)算法對所有的孔進(jìn)行路徑優(yōu)化,使設(shè)備打孔時(shí)運(yùn)動的總距離減小,路徑優(yōu)化完以后輸出一個(gè)分配好沖頭的DKJ格式文件。

      4.3 視覺系統(tǒng)

      主要完成沖孔組件定位、反沖以及末孔檢查3種功能。沖孔組件定位用視覺系統(tǒng)來計(jì)算偏差角,糾正安裝后產(chǎn)生偏差,反沖主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的二次加工功能。圖7和圖8分別給出了定位和反沖的操作流程。

      圖7 定位功能操作流程

      圖8 反沖功能操作流程

      末孔檢查功能主要是檢查每種孔的最后一個(gè)孔,通過計(jì)算生瓷帶上通孔的實(shí)際面積與其設(shè)計(jì)面積的比值,用此比值來反映沖頭的磨損情況,當(dāng)比值低于設(shè)定值時(shí)將會以彈出窗口的形式提示用戶是否更換沖頭。

      4.4 下位機(jī)軟件

      下位機(jī)程序應(yīng)包括如下5個(gè)部分:

      導(dǎo)入函數(shù)庫,包括在應(yīng)用程序中用到的需要導(dǎo)入的函數(shù)庫代碼;

      函數(shù)原型清單和全局變量聲明,用戶定義函數(shù)代碼和全局變量;

      前臺編程,以采樣為基礎(chǔ)的運(yùn)動控制代碼;

      后臺編程,除以采樣為基礎(chǔ)的操作之外的與主機(jī)通信、事件處理和計(jì)算代碼;

      用戶定義函數(shù),包括用戶定義函數(shù)體代碼。

      按照上面5部分內(nèi)容,導(dǎo)入相應(yīng)的函數(shù)庫(可以自行編寫的頭文件或庫文件),再編寫相應(yīng)的控制程序,經(jīng)過編輯加載后,即可在運(yùn)動控制器的高性能DSP中運(yùn)行。

      下位機(jī)程序通過調(diào)用函數(shù)來實(shí)現(xiàn)一切與主機(jī)有關(guān)的數(shù)據(jù)通信。主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能,一是完成各個(gè)軸回原點(diǎn)動作;二是打孔動作。

      5 結(jié) 論

      (1)為滿足xy運(yùn)動平臺±1.5μm的定位精度要求,提出了“空氣軸承+直線電機(jī)+光柵尺反饋”的平臺設(shè)計(jì)方案,實(shí)現(xiàn)了平臺高速、高精度的運(yùn)動功能。xy平臺的實(shí)際運(yùn)行精度±1μm,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

      (2)根據(jù)xy運(yùn)動平臺負(fù)載及運(yùn)動要求,確定了雙直線電機(jī)同步控制結(jié)構(gòu),通過PID參數(shù)調(diào)試,使得兩個(gè)直線電機(jī)的相對誤差小于0.2μm,滿足同步控制要求。

      (3)編寫了自動打孔、文件讀取、視覺系統(tǒng)、下位機(jī)軟件等。設(shè)備各項(xiàng)功能完備,性能穩(wěn)定,完全達(dá)到了設(shè)備的技術(shù)要求。

      (4)在設(shè)備研制過程中采用了視覺系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了末孔的檢查、沖孔組件與xy運(yùn)動平臺之間的角度偏差校正及設(shè)備的反沖功能,增強(qiáng)了設(shè)備的實(shí)用性。

      [1]賀智.機(jī)器視覺系統(tǒng)在LCD行業(yè)中的典型應(yīng)用[J].電子工藝技術(shù),2007,28(3):29-32.

      [2]何中偉.LTCC工藝技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展與應(yīng)用[J].集成電路通訊,2008,26(2):1-9.

      [3]翁秀華,郭慶鼎,劉德君.基于模糊自適應(yīng)PID的雙直線電機(jī)同步驅(qū)動系統(tǒng)控制[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2004,9(9):28-29.

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