伺服分频输出功能在线扫相机中的应用

0引言

在工业自动化领域,随着设备的精度要求越来越高,伺服驱动器因其通过一定频率和宽度的脉冲序列来精确控制电机或执行机构而得到广泛应用,这些脉冲序列通过驱动器内部的电路和接口传输,实现对电机或执行机构的精确控制,普通应用伺服的点到点控制也能满足一般设备的需求,但也有一些运动控制系统要求伺服驱动器能够输出正交的脉冲,用于反映电机轴的位置信息。这些脉冲信号需要经过特定的运算和处理,以确保系统的稳定性和精度。

同时,相机因其高精度、稳定性、实时性也得到广泛应用,主要包括面阵相机与线扫相机。面阵相机通常被用于静态图像拍摄,而线扫相机则更适用于动态场景,例如,在需要快速捕捉传送带上运动中的物体时最好采用线扫相机,而需要高分辨率图像来检测小尺寸零件缺陷等,则使用面阵相机更为合适。

本文采用硬件设计、伺服惯量识别以及软件设定准确脉冲数和匹配相机曝光时间的伺服最大转速的方法,解决了线扫相机取图异常的问题,经实际机构验证可达到设计要求。

1伺服分频输出技术概述

1.1伺服分频输出的基本原理

伺服电机在工作时需要精确的方波信号来控制,而驱动器则通常会发出高频的脉冲信号来驱动电机,分频输出是将这些高频脉冲信号分频后输出,以适配不同的应用需求[1]。

1.2伺服驱动器分频输出的作用及应用领域

分频输出能够使得伺服电机以更合理的速度进行转动,以适应不同的应用需求。对于一些需要高速转动的应用来说,可以通过分频输出来提高电机的转速,提高生产效率;对于一些需要精度控制的应用来说,则可通过分频输出来精细控制电机的转速,以保证精度的达成。

分频输出常用于一些需要特定转速和精度的行业,例如机床加工、印刷设备、纺织设备、自动控制设备等[2]。在这些行业中,对于驱动电机的速度和准确度都有较高的要求,而分频输出能够提供更为精确的控制和更高的速度,使设备的运行更加高效和稳定。

1.3伺服驱动器分频输出的实现方式

伺服驱动器分频输出的实现通常是通过在驱动器中增加分频器电路来实现的。在驱动器内部,分频器会对高频脉冲信号进行分频,并控制输出适合应用需求的方波信号,再通过驱动器输出端口输出给伺服电机。

2线扫相机技术及其应用

2.1线扫相机的工作原理

线扫相机的工作原理是通过线扫描传感器将图像逐行扫描,将光信号转化为电信号,并传输到控制电路中进行处理。在扫描过程中,镜头会聚焦在被摄物体上,将图像投射到线扫描传感器的阵列上。每个像素都会记录下其接收到的光强度和颜色信息,然后通过控制电路将这些信息转化成数字信号,并输出为图像文件[3]。

2.2线扫相机与面阵相机的区别

1)面阵相机通过在一定面积内的所有像素同时采集图像,经过处理后输出整个图像;而线扫相机则在每个时刻只采集一行图像,然后拼接在一起形成完整的图像。因此,面阵相机可以在一次曝光中捕捉整个场景,而线扫相机需要连续的曝光扫描才能获得整个图像。

2)面阵相机是在图像的每个像素点上采样,因此可以获得高分辨率的图像。而线扫相机则在当前位置上采样整行像素,并在宽度方向上直接获得图像高度。

3分频输出伺服与线扫相机的结合应用

3.1伺服驱动器与相机接线图

本文选用禾川X3EB型伺服驱动器,其自带AB相分频脉冲输出功能,线扫相机型号:MV—L5042CG141。二者的硬件接线图如图1、图2所示。

3.2伺服惯量识别

在设备调试过程中,伺服是重要一环,其中伺服的刚性与惯量是常用的两种参数。伺服电机的刚性是指其受到外力时,保持其位置不变的能力,刚性越强的伺服电机,其输出信号的精度和响应速度越高(伺服刚性等级4~8级:一些大型设备;8~15级:皮带等刚性较低的应用;15~20级:滚珠丝杠、直连等刚性较高的应用)。伺服电机的惯量是指其转动所需作用力大小,通常用转动惯量或质量惯量来表示,惯量大小会影响伺服电机的响应速度和稳定性。伺服惯量识别要保证伺服能够转动5圈以上距离[4](若机构行程小于5圈,则不能使用此方法,而应人工手动设定惯量调试)。

单轴惯量识别操作步骤如下:

1)断开当前电机的使能 ,驱动器面板 显示“ok—rdy”,如图3所示。

2)按键操作JOG:在伺服驱动器界面通过P20.00进入JOG界面,然后按“S”进入点动速度界面,显示点动速度0200,最后一位数字在闪烁,表示可以修改JOG速度,再按“S”,各位数字不闪烁,表示已经启动点动过程;按住“Λ”不放,则电机正转;按住“V”不放,则电机反转;确认电机能够JOG,即能很好地判断联轴器等机构部分都已经连接OK。

3)惯量辨识:进入P20.03参数辨识功能界面,设定为1时伺服会朝着“Λ”箭头上方JOG方向移动5圈,设定为2时伺服会朝着“V”箭头下方JOG方向移动5圈,走完5圈后驱动器界面会自动显示辨识后的增益值,把显示值设置到P00.04即可。

3.3验证结果

线扫相机的成像是通过逐行扫描的方式实现的。线扫相机一般一次只拍摄一条线(线宽通常是1个像素),在机构运动的过程中,线扫相机不断地拍摄线,从而“聚线成面”。这种成像原理决定了线扫相机所拍摄的物体必须要运动,机构的运动速度必须与线扫相机的工作行频(即采集速度)相匹配,并且最好是匀速或接近匀速。根据以上原理,首先明确相机的取相参数图如图4所示,伺服设定的参数图如图5所示,相机设定的曝光时间如图6所示,然后计算得出两个重要的参数:伺服分频设定的脉冲数pr和伺服最大转速vmax。

计算公式如下:

相机横向每个像素的宽度为:

K=d/⨍(1)

式中:K为相机横向每个像素的宽度;d为相机安装后取相宽度;⨍为相机横向固有分辨率。

p=L/K(2)

式中:p为相机需要的脉冲数;L为相机的取图长度。

将式(1)(2)代入式(3),可得伺服分频设定的脉冲数:

pr=p/qr (3)

式中:pr为伺服驱动器设定的脉冲数;qr为伺服的导程。

pt=1/T (4)

式中:pt为相机每秒的脉冲数;T为相机的曝光设定。

将式(3)(4)代入式(5),可得伺服转速的最大值vmax:

通过以上参数设定以及计算实验得到线扫相机的标准图像,如图7所示,是以相机曝光时间为基础,伺服转速设定小于计算的最大转速vmax得到的准确稳定的图像。而图8所示为伺服转速设定大于计算的最大转速vmax得到的异常图像。

4 结论

本文研究单一面阵相机无法动态获取电池串的片间距以及线扫相机取图压缩或者拉伸的问题,从伺服分频输出以及线扫相机的基本原理与应用出发,详细介绍了驱动器与相机的硬件接线、伺服的惯量识别,并对比文中计算得到的参数(图7)与其他参数(图8)的线扫相机实时图像,结果表明本文计算方法能够获取电池串片间距并解决相机实时取图压缩或拉伸的问题。因此,本文所使用的分频输出功能在线扫相机中的应用有一定的通用性和准确性。

[参考文献]

[1]针跃军.基于定时器和锁相环的伺服系统分频输出方法应用研究[J].机电信息,2022(3):13—16.

[2]朱涛.基于PLC控制伺服电机实现全自动同步升降重物双闭环控制系统[J].自动化应用,2024,65(13):126—128.

[3]钟多根,李阳.线扫相机应用于长尺寸连接器的视觉检测[J].智能机器人,2018(1):33—34.

[4]赵旭东,邓皓,姚雪软.双位置闭环高精度、大惯量控制系统设计[J].自动化技术与应用,2017,36(4):21—24.

《机电信息》2025年第20期第10篇