一种人机交互步进电机组控脉冲可调面积薄膜拉伸控制系统及方法与流程

本发明涉及电机控制领域，特别涉及一种控制系统，具体的，涉及一种12台步进电机的人机交互步进电机组控脉冲可调面积薄膜拉伸控制系统及方法。

背景技术：

薄膜拉伸行业中，通常是采用流水线工作式的，需要拉伸的材料体积量非常的大，然而对于一些科研项目中的需要的特殊薄膜，这些薄膜基本上体积量都是非常小的，几十平方厘米到几十平方分米，现有的薄膜拉伸基本都是单向拉伸，都是只有一个轴，不是横向就是纵向，形状固定，例如cn106226152a，而对于某些科研项目中需要用到的特殊薄膜的特殊形状的拉伸目前都还是靠人工，但是人工精度不高，又耗时耗力，而且经常会损坏材料本身。

现有技术中也有多向拉伸的控制系统，例如cn106896022a公开了一种测量精度高的模拟薄膜材料平面及曲面应力松弛作用的试验装置，该装置可实现水平和垂直加卸载，通过拉力传感器、人机对话系统实现水平两个方向施加载荷，但拉伸方向不够细腻，不能满足某些特殊薄膜拉伸形状需求，且需要位置传感器、拉力传感器等，结构复杂，操作复杂，不适合科研项目中的薄膜特殊拉伸需求。又如cn106525585a也是存在拉伸方向不够细腻、结构及控制复杂的问题。

因此急需为科研中的小型薄膜拉伸装置提供了一种人机交互步进电机组控脉冲可调面积薄膜拉伸控制系统及方法。

技术实现要素：

本发明提供了一种人机交互步进电机组控脉冲可调面积薄膜拉伸控制系统及方法，以至少解决相关技术中当需要拉伸的薄膜面积比较小时，相关设备缺乏控制系统的问题。

本发明的控制系统中的标定采用的是n点坐标拟合拉伸距离厚度曲线，且位置判定采用控制器直接计算的方式，无需设置位置传感器，节省了费用，也使距离设定更加灵活，不必因为需要的距离改变了而要另外增加位置传感器，也方便了人员的更换与升级。

与传统的单向拉伸模式不同，本发明采用了12台步进电机，4台一组分为3组，实现了3轴拉伸，能够最大程度上将我们需要的薄膜厚度均匀化，而且可以通过手动模式，直接人工控制每个轴的移动，方便用户调试不同形状。

本发明的技术方案如下：

一种人机交互步进电机组控脉冲可调面积薄膜拉伸控制系统，包括电源模块、按键模块、主控制器、步进电机驱动器、以及步进电机组。

所述电源模块向主控制器及步进电机驱动器提供电源。

所述按键模块接收用户命令。

所述主控制器接收按键模块输入的待拉伸厚度信号并将信号对应的电机运转距离换算成角度，并将角度换算成脉冲个数输出给所述步进电机驱动器。

所述步进电机驱动器按每组4个分为3组，每组按两侧对称分布，每侧2个；每组驱动器的脉冲输入端都采用同一根脉冲线、同一根方向信号线分别与主控制器相应端口连接；所述步进电机驱动器的脉冲端接收所述主控制器传输过来的脉冲信号并驱动所述步进电机组；所述步进电机驱动器的使能端和方向控制端都接高电平，以确保电机正向旋转。

所述主控制器通过信号线与所述按键模块相连，并分别通过3根脉冲线和3根方向控制线与3组所述步进电机驱动器相连。

所述步进电机组分为3组，分别对应连接至所述步进电机驱动器组的驱动输出口；所述步进电机组接收所述步进电机驱动器的电信号并转换成固定角度运动。

进一步的，所述每台步进电机驱动器的vcc接12v直流电源，gnd接直流电源地。

进一步的，所述薄膜拉伸控制系统还包括红外/电容厚度传感器以在线非接触测量薄膜厚度，所述红外/电容厚度传感器与主控制器信号连接，自动将所测得的薄膜厚度输入主控制器。

进一步的，当所述每台步进电机驱动器的细分调节电流拨片sw1、sw2、sw3拨片全部拨到off时，一个脉冲步进电机驱动器输出1个电角度，当电流拨片sw4、sw5、sw6全部拨到on时，一个脉冲步进电机驱动器输出电流为0.54a，所述每组驱动器的方向控制端dir分别连接到主控制器的gpioc_6、gpioc_7、gpioc_8，所述每组步进电机驱动器的脉冲输入端pul+、pul-分别连接到连接主控制器的pwm脉冲输出端gpioa_6、gpioa_7、gpioa_8跟数字地。

进一步的，每组驱动器的脉冲输入端都是同一根脉冲线，同一根方向信号线。

进一步的，所述步进电机的蓝、绿相线接到所述步进电机驱动器的a+与a-，所述步进电机的红、蓝相线接到所述步进电机驱动器的b+与b-。

进一步的，所述按键模块设有拉伸参数输入数字键、厚度/最大拉伸距离输入切换键、1个启动键、一个返回键、2个强制停止键、1个x轴正转控制键、一个x轴反转控制键、一个y轴正转控制键，一个y轴反转控制键，一个z轴正转控制键、一个z轴反转控制键。

进一步的，所述按键模块的6个轴单独控制键，能够直接控制某个轴的正转与反转。

利用本发明所述的人机交互步进电机组控脉冲可调面积薄膜拉伸控制系统的薄膜拉伸控制方法为：

s1、初始化控制系统，使所述控制系统处于初始复位状态，并自动进入标定模式状态；

s2、薄膜材料参数标定：放置好待拉伸薄膜材料，控制系统在标定模式下，输入最大拉伸距离lcm和等分份数n，控制系统会将最大拉伸距离lcm分为n份，当每运动l/ncm时，系统会停止，等待用户输入当下薄膜的中心厚度，此时用户用游标卡尺测量薄膜的中心厚度，按下厚度/最大拉伸距离输入切换键，并将测量得到的中心厚度输入到主控制器中，重复n次该操作，完成参数标定；

s3、主控制器根据步骤s2得到的标定参数，自动拟合生成待拉伸薄膜材料的拉伸距离与中心厚度曲线，然后主控制器读取拉伸参数输入数字键中输入的薄膜待拉伸厚度，并在0-lcm范围内，计算出薄膜待拉伸厚度所对应的拉伸距离，最后主控制器再根据该拉伸距离计算出脉冲来控制驱动器；

s4、向所述3组步进电机驱动器发送所述脉冲，直到所述脉冲数达到计算值；

s5、所述步进电机驱动器接收到脉冲，并按照预先设定的步进角度、频率驱动所述步进电机，直达脉冲结束；

s6、用户需取下处理好的薄膜，然后再按下复位按键，使所述控制系统按照之前的脉冲数反转电机，将电机恢复到初始位置，以便下次使用，完成了一个完整的工作周期。

可替代的，在步骤s2中，可以通过设置在线非接触薄膜厚度检测技术，例如红外传感检测法、电容传感检测法(如cn102997834a)，利用红外或电容厚度传感器在线测量薄膜厚度，当每运动l/ncm，系统停止时，红外或电容厚度传感器将测得的当下薄膜的中心厚度自动输入到主控制器中，重复n次该操作，完成参数标定；其中，红外或电容厚度传感器与主控制器信号连接。

进一步的，当在所述工作周期内出现拉伸上的问题时，按下所述强制停止键，控制系统将停止电机运行。

进一步的，在所述步骤s2中，作为优选方案，所述最大拉伸距离为5cm，均分为10等分，每运动0.5cm时，系统会停止，用户输入当下待拉伸薄膜的中心厚度，重复10次这该操作，完成薄膜参数标定。

进一步的，当用户按下手动模式时，系统进入手动模式，在此模式下，操作者能够通过3组运动控制键直接控制三组电机的启停，实现拉伸形状完全由用户自定义控制。

进一步的，当用户不按启动按钮时，此时系统是处于一个手动模式的，在此模式下，操作者能够通过key8，key9控制x轴正反转，通过key10，key11控制y轴正反转，通过key12，key13控制z轴的正反转，从而直接由用户控制丝杆的前进与后退，实现拉伸形状完全由用户自定义控制。

与现有技术相比，有益技术效果为：

第一，在本控制系统中，不再是单向的拉伸，而是实现了3轴拉伸12个方向拉伸，拉伸更加细腻，将180度分给6台电机拉伸，每两台是一个轴控制，能够使薄膜在拉伸时受力更加均匀，不易拉破，厚度控制也更加均匀，而且每个轴都能够由用户单独控制运动，可以实现形状由用户定。

第二，与传统的开环控制相比，本控制系统采用数理统计的策略，控制系统在标定模式下，在拉伸距离最大为lcm时，控制系统会将总距离分为n份，每运动l/ncm，系统会停止，等待手动或自动测量并输入当下膜的中心厚度，重复n次这个操作，完成标定，控制系统会自动生成当下这种薄膜的拉伸距离与中心厚度曲线，此时，在0-lcm范围内，我们可以用这条曲线知道需求厚度所对应的拉伸距离，然后主控制器再根据距离算出脉冲来控制驱动器。

第三，本控制系统位置检测采用的是控制器计算的方法，根据丝杆的螺纹，以及需要的运行的宽度，可直接计算出步进电机所需要运行的角度，再将角度换算成脉冲个数传输给所述步进电机驱动器，从而避免了位置传感器的使用，由此可实现在不添加传感器的情况下，对不同尺寸薄膜的拉伸需求，不仅适合于小型薄膜的加工，也适合于需要加工特定形状的薄膜。

附图说明

图1为本实施例的结构框图。

图2为本实施例的电机布置图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施提供了一种控制系统，可用于控制小型薄膜拉伸系统等薄膜拉伸工具。请参考图1，其为本发明的实施例控制系统的结构框图。

本发明实例提供了一种控制系统，可用于控制小型拉膜机设备。具体的，请参考图1，其为本发明实施例的结构框图。如图1所示，所述控制系统包括：电源模块、按键模块、主控制器、1～12号步进电机驱动器、1～12号步进电机以及电源，其中，所述电源模块向主控制器及步进电机驱动器提供电源；所述按键模块接收用户命令；所述主控制器接收按键信号并将信号对应的电机运用距离换算成角度，并将角度换算成脉冲个数输出给所述步进电机驱动器；所述步进电机驱动器的使能端接高电平，以确保电机能正常工作，方向控制端由主控制器控制，脉冲端接收所述控制器传输过来的脉冲信号并驱动所述步进电机；所述步进电机接收所述步进电机驱动器的电信号转换成固定角度运动。

在本发明的实施例中，所述控制系统采用12台步进电机驱动器、12台步进电机分为3组，每组4台，每组以对称分布，每侧两台电机，具体布置方案参照图2步进电机布置图，每组以相同的速度拉伸薄膜，适用于小型薄膜的加工，而传统拉膜机大多数采用注塑方式或者轴压式，这种方式大都是适合大型薄膜生产，适合量产但不适合小型薄膜的加工，而且不能加工特定形状。本发明实施例中的多轴薄膜拉伸方案适合于小型薄膜的加工，也适合于需要加工特定形状的薄膜。

所述按键模块设有拉伸参数输入数字键、厚度/最大拉伸距离输入切换键，另外两个是启动键跟强制停止键，还有一个返回键，还有6个键是手动模式下控制三组独立运动的，也就是1个x轴正转控制键、一个x轴反转控制键、一个y轴正转控制键，一个y轴反转控制键，一个z轴正转控制键、一个z轴反转控制键。

所述薄膜拉伸控制系统还包括红外/电容厚度传感器以在线非接触测量薄膜厚度，所述红外/电容厚度传感器与主控制器信号连接，自动将所测得的薄膜厚度输入主控制器(图中未示出)。

具体薄膜拉伸控制方法为：

s1、初始化控制系统，使所述控制系统处于初始复位状态，并自动进入标定模式状态；

s2、薄膜材料参数标定：放置好待拉伸薄膜材料，控制系统在标定模式下，输入最大拉伸距离5cm和等分份数10，控制系统会将最大拉伸距离5cm分为10份，每运动0.5cm，系统会停止，等待用户输入当下薄膜的中心厚度，此时用户用游标卡尺测量薄膜的中心厚度，按下厚度/最大拉伸距离输入切换键，并将测量得到的中心厚度输入到主控制器中，重复10次该操作，完成参数标定；

s3、主控制器根据步骤s2得到的标定参数，自动拟合生成待拉伸薄膜材料的拉伸距离与中心厚度曲线，然后主控制器读取拉伸参数输入数字键中输入的薄膜待拉伸厚度，并在0-5cm范围内，计算出薄膜待拉伸厚度所对应的拉伸距离，最后主控制器再根据该拉伸距离计算出脉冲来控制驱动器；

s4、向所述3组步进电机驱动器发送所述脉冲，直到所述脉冲数达到计算值；

s5、所述步进电机驱动器接收到脉冲，并按照预先设定的步进角度、频率驱动所述步进电机，直达脉冲结束；

s6、用户需取下处理好的薄膜，然后再按下复位按键，使所述控制系统按照之前的脉冲数反转电机，将电机恢复到初始位置，以便下次使用，完成了一个完整的工作周期。

可替代的，在步骤s2中，可以通过设置在线非接触薄膜厚度检测技术，例如红外传感检测法、电容传感检测法，利用红外或电容厚度传感器在线测量薄膜厚度，当每运动0.5cm，系统停止时，红外或电容厚度传感器将测得的当下薄膜的中心厚度自动输入到主控制器中，重复10次该操作，完成参数标定；其中，红外或电容厚度传感器与主控制器信号连接(图中未示出)。

此外，当在所述工作周期内出现拉伸上的问题时，按下所述强制停止键，控制系统将停止电机运行。

而当用户按下手动模式时，系统进入手动模式，在此模式下，操作者能够通过3组运动控制键直接控制三组电机的启停，实现拉伸形状完全由用户自定义控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。