基于高級(jí)語言的精確位置控制在塑料機(jī)械行業(yè)中的應(yīng)用
這些運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置準(zhǔn)確性對(duì)于機(jī)器的整體性能和制品精度都有較大影響，比如，注塑機(jī)開模位置的準(zhǔn)確度，有利于機(jī)械手進(jìn)入取出成品，注射終的位置也會(huì)影響到注射量和成品的重復(fù)精度。
為了提高位置精度，比較有效的做法是提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)和精確度，使用高精度的比例閥或伺服閥。MOOG，REXROTH，意大利的ATOS，都有相應(yīng)的液壓驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。
然而，作為機(jī)器的中央控制單元 – 塑料機(jī)械的控制系統(tǒng)，軟件內(nèi)的傳統(tǒng)做法是：檢測電子尺的位置反饋，判斷動(dòng)作處于第幾個(gè)階段，決定輸出相應(yīng)的流量和壓力，或者是否要結(jié)束動(dòng)作。
這種做法的缺點(diǎn)是，比如，控制系統(tǒng)檢測到模板位置已經(jīng)達(dá)到了設(shè)定的開模終的位置，然后流量和壓力才開始按照設(shè)定斜坡減速，再加上閥的響應(yīng)延時(shí)，等到模板停穩(wěn)之后，實(shí)際位置已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了設(shè)定值。
圖1是普通注塑機(jī)控制系統(tǒng)控制開模位置的效果示意圖，可以看到，就算使用高響應(yīng)比例方向閥，過沖仍不可避免，而當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)特性較差時(shí)，情況就更加糟糕。
GEFRAN（杰佛倫）是來自意大利的傳感器和自動(dòng)化領(lǐng)域的先導(dǎo)者，有著三十多年的塑料機(jī)械行業(yè)經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于這樣的控制場合，GEFRAN控制系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮母呒?jí)語言編程，軟件內(nèi)部集成了豐富的功能庫，這些功能庫，能分析運(yùn)動(dòng)過程的速度，斜坡，和點(diǎn)到點(diǎn)的位置，做出特殊算法處理。
圖 2
以圖2 曲線為例，V1，V2，V3為三段恒定速度，Q1，Q2為兩點(diǎn)位置值，要實(shí)現(xiàn)這樣的點(diǎn)到點(diǎn)位置曲線，必須要考慮中間的加減速過程。圖例中為：先實(shí)現(xiàn)一段上升斜坡，然后再實(shí)現(xiàn)兩段下降斜坡。對(duì)于塑料機(jī)械來說，上升斜坡采用基于時(shí)間的類型就能滿足要求：（速度變化△V） ＊ 程序運(yùn)行周期時(shí)間T_PLC / 加速時(shí)間T = 每隔一個(gè)程序運(yùn)行周期需要增加的速度輸出變化。這樣的基于時(shí)間的加速斜坡算法很輕易就能實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于下降斜坡，要準(zhǔn)確的停在Q1位置，必須提前一定位置就進(jìn)行減速，這個(gè)提前位置系數(shù)，取決于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度，執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)越快，這個(gè)值就可以設(shè)得越小，否則必須增大提前位置系數(shù)，從而延長運(yùn)動(dòng)過程的執(zhí)行時(shí)間。
程序?qū)崿F(xiàn)這樣的減速過程，至少有三種不同的算法可能性，讓我們分析各自優(yōu)劣性。
第一種，基于時(shí)間
if （STOP_POSITION[i] == TIME_BASED）｛
if（ Realpos > startPos） ｛
if （StartDecreaseOut[i] > TimeRampValue [i]） ｛
StartDecreaseOut [i] = StartDecreaseOut [i] – TimeRampValue[i];
｝else｛
StartDecreaseOut [i] = 0;
｝
OutPutTemp = StartDecreaseOut [i];
｝else｛
StartDecreaseOut [i] = Real_Output;
｝
return（OutPutTemp）;
｝
這種算法和加速斜坡類似，但存在一個(gè)致命缺點(diǎn)：由于起始下降的速度未定，就算機(jī)器出廠前設(shè)好了參數(shù)，最終用戶更換模具，或者改變開模速度曲線，都需要重新尋找最佳的斜坡起始點(diǎn)，因此，不能拿來用做控制。
第二種，基于位置斜坡
如圖所示，一旦提前點(diǎn)值確定，基于位置的斜率就可以確定下來了，因此不管開始準(zhǔn)備下降時(shí)流量設(shè)定是多少，斜率總是一定的，而真正開始執(zhí)行斜坡的位置，卻是不一定的，跟流量有關(guān)系，斜率確定如下：
if （STOP_POSITION == POSITION_RAMP_BASED）｛
Position_Ramp = AdvancePoint ＊ Real_Output / Maxout;
If （Realpos > startPos） ｛
OutTemp = Maxoutabs ＊ （EndPos - RealPos） / Position_Ramp;
if （Real_Output <= OutTemp） OutPutTemp = Real_Output;
｝
return（OutPutTemp）;
｝
注釋（
STOP_POSITION：斜坡方式選項(xiàng)
POSITION_RAMP_BASED：基于位置斜坡方式
AdvancePoint：提前開始降速的位置
Position_Ramp：斜坡比例
Realpos ：電子尺的當(dāng)前實(shí)際位置
startPos：開始執(zhí)行斜坡降速的電子尺位置
OutTemp：中間變量，流量
Real_Output：實(shí)際輸出流量
）
第三種，基于位置斜坡和數(shù)組陣列排點(diǎn)法
第三種算法是在第二種的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)和優(yōu)化
在第二種控制方法中沒有解決開始執(zhí)行斜坡的位置確定問題，這可以借助數(shù)組陣列排點(diǎn)法解決。比如預(yù)先定義一個(gè)32點(diǎn)的數(shù)組，表內(nèi)的數(shù)值決定了最終運(yùn)動(dòng)曲線的形狀，如果我們把每一個(gè)點(diǎn)在坐標(biāo)軸上列出來，就可以很清晰的看到它是一條線形的直線，上凸弧線，下凹弧線，或者是S型的曲線。比如16位的輸出最大點(diǎn)值32767，可以將其劃分成32段，
EXTERN int TAB_POS [33]
= ｛ 0, 3913, 6330, 8242, 9882, 11331, 12651, 13875, 15012, 16076, 17092,
18060, 18981, 19869, 20717, 21541, 22341, 23110, 23862, 24598, 25310, 25998,
26679, 27343, 27991, 28631, 29247, 29863, 30463, 31056, 31632, 32200, 32767
｝
程序內(nèi)可以用簡單的FOR循環(huán)語句，實(shí)時(shí)獲取預(yù)先定義好的斜坡曲線形狀，計(jì)算分段位置值，然后根據(jù)實(shí)際位置值，修正速度輸出。
if （STOP_POSITION == POSITION_RAMP_ARRAY__BASED）｛
For （int j = 0; j <= 32; j++） ｛
TableTemp[j] = TAB_POS[j];
｝
DeltaStop = EndPos – RealPos;
Temp1 = AdvancePoint / 32;
if （DeltaStop > AdvancePoint） ｛
stepg = 31;
restg = Temp1;
｝ else ｛
stepg = DeltaStop ＊ 32 / AdvancePoint;
restg = AdvancePoint / 32 ＊ stepg;
restg = DeltaStop - restg;
｝
Temp2 = TableTemp [stepg+1] - TableTemp [stepg];
OutPutTemp = restg ＊ Temp2 / Temp1;
OutPutTemp = OutPutTemp + TableTemp [stepg];
return（OutPutTemp）;
｝
注釋（
STOP_POSITION：斜坡方式選項(xiàng)
POSITION_RAMP_ARRAY__BASED：基于數(shù)組陣列排點(diǎn)的位置斜坡方式
AdvancePoint：提前開始降速的位置
TableTemp：獲取預(yù)定義數(shù)組的本地變量
TAB_POS：預(yù)先定義好的數(shù)組陣列
Temp1：中間變量，將提前位置按陣列數(shù)等分
Temp2：中間變量，將位置值映射成流量值
RealPos：電子尺的當(dāng)前實(shí)際位置
EndPos：最終開模位置
DeltaStop：剩余需要走完多少位置值
stepg：當(dāng)前采樣點(diǎn)模板位置處于第幾步陣列
restg：剩余采樣點(diǎn)共有幾步陣列
）
另外需要考慮的一點(diǎn)是，當(dāng)執(zhí)行程序的控制器的循環(huán)周期時(shí)間過長，陣列細(xì)分過少，或閥門開度不準(zhǔn)確等原因，造成速度下降至零時(shí)停止在了位置設(shè)定值之前，此時(shí)需要有一個(gè)最小速度值，保證在這種情況下，能夠繼續(xù)前進(jìn)至目標(biāo)位置。
圖3是應(yīng)用了這種位置控制算法后的注塑機(jī)開模效果圖，控制系統(tǒng)的硬件載體是GEFRAN公司的VEDO控制器和GiLogik2分布式遠(yuǎn)程IO，憑借GDnet確定性實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，輸入輸出信號(hào)能在100us內(nèi)完成一次刷新，從而可以保證PLC程序周期在1ms內(nèi)完成一個(gè)循環(huán)，配合以上所述的位置算法和高精確度的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以控制注塑機(jī)開合模，托模，和注射單元的位置誤差在0.1mm范圍之內(nèi)。
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