摘要：

　　本文揭示了運動機構回零的軟硬件結構和常見的問題，針對運動定位系統的特征，綜合機械結構，電氣器件和軟件相關需求，提出了解決這些問題的基本方法。

　　關鍵詞：

　　機械零點，帶Z脈沖的回零，反饋，精確定位。

　　1.引言

　　我公司在對客戶使用控制卡的技術支持過程中，常遇到客戶對系統回零精度的困惑，通常是由于對回零硬件器件和結構的理解偏差，導致軟件設計的問題，進而造成系統回零的不穩定，從而影響機械系統的定位精度。

　　從國內外的主要控制卡的回零功能中，可以看到，不同運動控制廠商允許的回零方式從1到10多種不等，但其機械和電氣系統結構的基本構成是相同的，單軸直線運動控制系統簡圖如“圖一”所示。本文就該基本特征，結合深圳雷賽智能的DMC2410運動控制卡，就影響單軸直線運動系統精度和效率的因數進行探討，并提供了基于該基本結構的回零流程和VB軟件例程。

　　2.回零點的目的

　　自動化機械設備是為取代人工來處理對速度，精度有較高要求，并希望能確保獲取一致性好的產品而誕生的。為了保證產品的一致性，必須首先確保機械設備的參考原始零位的精準性，這樣才能保證在長時間工作時生產出的產品的一致性，而零點是機械系統的參考基準，所以必須保證參考基準的精確和唯一性，回零的目的是確保機械系統零點的重復定位精度在設計范圍內，或者說確保單軸或多軸構成的X-Y-Z坐標系的零點在整個自動化設備的機械系統中的位置偏差在設計允許范圍內。

　　3.機電系統回零點的基本結構

　　典型單軸直線系統的主要構成部件有:電機（步進電機或伺服），滾珠絲桿（或皮帶，齒輪），滑動導軌，運動平臺，左右限位感應器，感應片和零點感應器，以這些主要部件為基礎，構成的單軸基本結構如下圖一：

圖一  帶零點感應器的單軸直線系統基本構成圖解

      加入運動控制器件后的單軸直線控制系統的基本構成圖如圖二。影響回零精度和回零效果的主要因數如下：

l  機械因素：機械機構的間隙；電機的定位精度。

l  電氣因素：零點感應器的響應頻率（或時間）；導線的信號輸送延遲；采用感應器回零的配合方式。

l  控制因素：電機的回零速度；控制卡接收到零點感應器輸入電平信號到關斷輸出脈沖的響應時間，該響應時間又受停止模式的影響，有2種停止模式較常見，一是減速停，二是立即停。

l  軟件因數：是否采用了恰當的回零軟件流程。

     其中機械因數，導線的信號輸送延遲因數，都假定為理想狀態，對回零沒有影響，不作討論，本文僅討論其他的影響因數。

圖二  帶零點感應器的單軸直線控制系統基本構成圖解

　　零點感應器的響應頻率（或時間）因數：通常磁性感應器的響應頻率在1KHz左右，光電感應的響應頻率可達到10KHz，響應快的感應器可以允許較高的回零速度。下面通過一個例子結合電機的回零速度，可以看到其影響，參考圖二的結構:

　　假設：滾珠絲桿的導程是L毫米，電機轉速是V轉/分鐘，零點感應器響應時間是t1秒,控制卡接收到零點感應器輸入電平信號到關斷輸出脈沖的響應時間是t2秒,而從機械感應片運動到有效感應區直到控制卡關斷脈沖輸出的時間是:（t1+t2）,那么回零位置偏差是：

　　△L=V*L*(t1+t2)/60

　　可見，在t1,t2,L一定的情況下，要想提高回零點精度，電機的回零速度應該盡量小；零點感應器的響應時間應盡量短(即響應頻率盡量高)；L越小，回零點精度越高；同時還要求控制卡零點響應速度需夠快。

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

　　當這些因素都確定后，還需考慮感應器的配合方式，基本單軸直線運動系統感應器的配合方式通常有兩種，其中一種如圖一所示，包含左（或曰負限位），右限位感應器（或曰正限位），和零點感應器；另一種如圖四所示，包含左，右限位感應器（沒有使用零點感應器），再加上伺服電機編碼器Z脈沖來構造單軸回零。通用的工業自動化設備中前一種較常用，而后一種亦具有鮮明的特點，下面分別將兩種回零方式進行比較和探討。

　　4.回零結構分析

　　單軸直線運動系統究竟該采用何種回零方式才能既經濟又有效的保證機械設備系統的定位精度呢？下面將對前面提到的2種典型的回零基本方式進行分析，然后給出對應的系統方案。

　　4.1方式一，運用零點加限位的回零方式

　　該方式在各種機械設備直線運動系統中較為常見，適用于采用步進或伺服電機的直線系統，必須采用零點感應器，該感應器通常采用非接觸式感應器，可以是磁感應接近感應器，光電或光纖感應器，不建議采用機械觸點開關。限位感應器也采用和零點感應器相同屬性的感應器，以簡化機械觸發機構（如圖一中的感應片）。

　　相關的影響因數前面已經講過，在該種方式中，應該注意下面2點：

　　l機械設計要求：確保限位感應器與零點感應器有足夠的間隙，當限位感應器觸發時，應確保運動平臺與其他機械機構不能發生碰撞，而其當運動平臺在極限位置時，限位感應器應該保持觸發狀態，以保證機械設備的安全。

　　l回零點的軟件流程：從下圖三中可以看出，針對3個感應器，運動平臺感應片有2個區域（區域1,2）和3個特殊位置（感應片剛好在感應器上位置3,4,5），共5種位置狀態。因此在軟件流程制定過程中應充分考慮到這5種狀態，以確保運動平臺在任何位置都可以完成回零點的任務。我們可以設想，當機械設備斷電后，維修人員需要給滾珠絲桿添加潤滑油，出于方便的考慮，他會將運動平臺推到不同的位置，以便添加潤滑油，這會直接導致運動平臺的位置的不確定性，但是該不確定性卻被包含在這5種回零點的情況中，并不會導致回零故障。

圖三 方式一直線運動系統中感應片的位置

　　這種依靠零點感應器回零的方式會受到裝配精度（很難確保到0.1毫米以下的感應器機械位置精度，通常會超過0.5毫米，這在精密生產行業是不太被接受的）和感應器元件精度的雙重影響，會導致同種機型的設備之間各對應直線運動機構的零點位置偏差，通常會直接導致對應直線運動機構不具備互換性（沒法確保高精度），這是機械設備生產商期望生產高一致性系列產品的大忌。

　　4.2方式二，運用限位加Z脈沖的回零方式

　　該方式主要針對采用增量式伺服電機（編碼器帶Z脈沖輸出）的場合，在機械定位精度要求高的系統中極為有效。其限位感應器可采用機械觸電開關，非接觸式感應器，如磁感應接近感應器和光電或光纖感應器，同時需要將伺服電機編碼器的Z脈沖輸出接口連接到運動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基本構成圖解

圖五  帶伺服編碼器Z脈沖的單軸直線控制系統基本構成圖解

　　在該種回零方式中也要注意2點：

　　l機械設計要求：確保當限位感應器觸發時，運動平臺與其他機械機構不能發生碰撞，而其當運動平臺在極限位置時，限位感應器應該保持觸發狀態，以保證機械設備的安全。

　　l回零點的軟件流程：從下圖六中可以看出，針對這2個限位感應器，運動平臺感應片有區域1和2個特殊位置（感應片剛好在限位感應器上的位置2，3），共3種位置，比第一種回零構成方式簡單，在軟件流程制定過程中僅僅需考慮這3種狀態，便能確保運動平臺在任何位置都可以完成回零點的任務。

圖六  方式二直線運動系統中感應片的位置

　　假定采用伺服電機軸通過聯軸器，連接到滾珠絲桿(再驅動運動平臺)，如圖五示。從機械的角度，這里減速比是1:1，即電機軸每轉動一圈，滾珠絲桿轉一圈，同時運動平臺往前走一個絲杠的導程（如導程是：5毫米，10毫米或20毫米）。從電氣的角度，電機轉動一圈，其編碼器碼盤轉動360°，同時在固定的角度產生1個Z脈沖（如圖四中示），其脈沖脈沖頻率取決于電機軸轉動的速度，假定電機旋轉速度是3000轉/分鐘，即每0.02秒產生一個Z脈沖，其脈沖寬度極??；其脈沖寬度取決于電機速度和編碼器的A/B相線數，假定編碼器是1000線，在電機旋轉速度是3000轉/分鐘時，Z脈沖的寬度是10微秒，遠小于光電感應器的最快響應時間。另外，在該條件下，假定滾珠絲桿導程是10毫米，如果采用Z脈沖來定位零點，其直線零點理論位置精度可達，10毫米/1000=10微米，遠遠高于第1種回零方式。

　　另外，該回零點的基本流程是，往負方向回零過程中，首先觸發負限位感應器，電機急停，然后沿反方向（往正向）運動，直到找第一個伺服電機編碼器Z脈沖，急停，這樣便能確定單軸直線機構的零點。

　　同時，該方式需要機械設計工程師制定相應的調試夾具和相關流程來確保零點精度和互換性。

　　優點：

　　在采用伺服電機的系統中，由于無需零點感應器，限位感應器可采用機械觸點開關，使得單軸成本可下降約100到200元，較方式1節省硬件成本，同時能消除因感應器裝配位置偏差帶來的同型號精密機械設備與設備之間的機械零點的偏差，確保系列產品的一致性和良好的互換性，并且在同等情況下擴大了運動平臺的實際使用空間。

　　5.解決方案

　　針對前面提出的2種回零方式的分析，在確保機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），編寫了單軸回零點的流程圖，以及基于VB的回零點源代碼，，具體如下：

　　注意：

　　由于零點感應器在軸正負限位感應器的中間，所以零點感應片可能落在5個區域，同時應確保機械運動平臺在運動中會首先觸發正（負）限位感應器，而不會發生機械碰撞。

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，函數中軸編號為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)

'判斷感應片的位置 ，1.剛好在零點上面?

If (AxisStatus_XO And 2 ^ 14) = 1 Then

    Home_From_Zero '調用從零點感應器回零程序

    my_O_X = 1 '設置標記

Else  '2，判斷是否在正負限位感應器上

    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

            '在正限位感應器上，調用正常d2410_home_move() -- 帶Z脈沖

            d2410_home_move 0, 2, 1  '負方向回零

            While (d2410_check_done(0) = 1)

            '可顯示一段文字來提示當前回零進展狀態

            Wend

            my_O_X = 1 '設置標記

        Else

            Home_From_Lim  '調用從負限位感應器回零程序

            my_O_X = 1

        End If

Else  '3, 既不在零點感應器上，也不在限位感應器上

'啟動電機往負方向走，查詢零點或負限位感應器狀態，如遇到感應器便立即停

        d2410_t_vmove 0, 1

        choose_X = 2

        While (choose_X = 2)

            '可顯示一段文字來提示當前回零進展狀態

            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 在零點和正限位之間

        Case 0

            Home_From_Zero '調用從零點感應器回零程序

            my_O_X = 1 '設置標記

        '3.2 在零點和負限位之間

        Case 1

            Home_From_Lim  '調用從負限位感應器回零程序

            my_O_X = 1

        End Select

    End If

End If

'將位置計數器清零，確定當前位置為零點

d2410_set_position 0, 0

'結束回零點函數調用

End Function

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

'從零點回零子程序

Public Function Home_From_Zero()

'啟動電機往正方向走，直到走出零點感應器區再減速停，然后調用帶Z脈沖的回零函數'd2410_home_move()，控制卡專用函數

Dim AxisStatus_XO As Integer

d2410_t_vmove 0, 1

AxisStatus_XO = d2410_axis_io_status(0)

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

'可顯示一段文字來提示當前回零進展狀態

AxisStatus_XO = d2410_axis_io_status(0)

Wend

d2410_decel_stop 0, 0.05

While (d2410_check_done(0) = 1)

'可顯示一段文字來提示當前回零進展狀態

Wend

'調用正常d2410_home_move() -- 帶Z脈沖

d2410_home_move 0, 2, 1

While (d2410_check_done(0) = 1)

'可顯示一段文字來提示當前回零進展狀態

Wend

End Function

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

'從負限位回零子程序

Public Function Home_From_Lim()

Dim AxisStatus_XO As Integer

'在負限位上啟動電機往正方向走，直到感應到零點感應器后急停，調用零點回零子程序

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)

'可顯示一段文字來提示當前回零進展狀態

Wend

D2410_imd_stop 0 '立即停

Home_From_Zero '調用從零點感應器回零程序

End Function

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

6.  結論

      通過以上對2種回零基本結構的分析，在實際應用中可以結合自身設備的特點進行針對性的改變，在確保設備精準度和穩定性的同時又能節約硬件成本，從而取得雙贏的結局。

      可靠的回零除了需要清楚的理解各相關控制元件和執行元件的工作原理，機械設備項目本身的精度要求外，還需從實際出發對特定設備進行精心測試，以便有針對性的準確給出相關的硬件和軟件方案，這樣才能確保設備的精準度。