基于+PLC+的兩軸運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、-基于 PLC 的兩軸運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生：坤森 *：2021062038指導(dǎo)教師;寬棟專業(yè)：機(jī)電一體化科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院摘要：以可編程控制器 PLC 作為運(yùn)動控制系統(tǒng)的核心，步進(jìn)電機(jī)作為運(yùn)動控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了基于 PLC 的兩軸運(yùn)動控制系統(tǒng)；通過 PLC 高速脈沖口輸出高速脈沖，實(shí)現(xiàn)了單軸運(yùn)動或者兩軸運(yùn)動；采用觸摸屏作為操作面板，建立了友好的人機(jī)交互界面。關(guān)鍵詞：機(jī)械制造自動化； PLC；步進(jìn)電機(jī)；運(yùn)動控制0 前言步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制構(gòu)造簡單，可靠性高，價格低。 但當(dāng)起動頻率太高或者負(fù)載太大，步進(jìn)電機(jī)極易失步。 而步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制可以抑制以上缺

2、點(diǎn)，提高系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性。 在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，采用增量式編碼器作為反響裝置。而 PLC 作為一種工業(yè)計(jì)算機(jī)，具有邏輯控制、 步進(jìn)控制、 數(shù)據(jù)處理、 存儲功能、自診斷功能、 通信聯(lián)網(wǎng)等功能，而且具有較高的可靠性、 較強(qiáng)的抗干擾性、 較好的通用性等優(yōu)點(diǎn)。 所以，使用 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)，構(gòu)建兩軸運(yùn)動控制系統(tǒng)，具有重要意義。1 系統(tǒng)組成本文所實(shí)現(xiàn)的示教與再現(xiàn)功能系統(tǒng)組成框圖如圖1所示 。采用西門子S 7-200系列的 C P U226 D C/D C /D CP L C作為主控制器 。該 C P U具有 4個最高 20k H z的正交高速脈沖計(jì)數(shù)器 ,能夠?qū)斎氲恼痪幋a脈沖信號進(jìn)展 4分頻 5

3、; 2個最高 20k Hz 的高速脈沖輸出 ;24個輸入點(diǎn)和 16個輸出點(diǎn) ; 其布爾型指令執(zhí)行時間只有 0. 22 s 6 。2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)該運(yùn)動控制系統(tǒng)由觸摸屏、 PLC、 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、 步進(jìn)電機(jī)、 限位開關(guān)、 急停開關(guān)、 編碼器等組成。操作者通過觸摸屏端操作，向 PLC發(fā)出控制指令，PLC 根據(jù)控制指令和部梯形圖控制相應(yīng)步進(jìn)電機(jī)動作，步進(jìn)電機(jī)將帶動相應(yīng)的進(jìn)給軸動作，同時，PLC 將采集與步進(jìn)電機(jī)相連的編碼器產(chǎn)生的反響信號，并將反響信號返回給觸摸屏，以完成整個系統(tǒng)的反響環(huán)節(jié)。 此外，外部限位開關(guān)用于限定運(yùn)動系統(tǒng)的極限位置，急停開關(guān)用于發(fā)生突發(fā)狀況時，立即停頓機(jī)器，防止傷害或者損失擴(kuò)大。

4、 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖 13系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)該運(yùn)動控制系統(tǒng)采用 “脈沖+方向 方式控制步進(jìn)電機(jī)，即 PLC 輸出高速脈沖和方向信號，完成對步進(jìn)電機(jī)的控制。 同時，PLC 輸入端的高速計(jì)數(shù)口對編碼器信號進(jìn)展計(jì)數(shù)。此外，外部限位開關(guān)、 急停開關(guān)、 功能按鈕也需分配 PLC 相應(yīng)的輸入端口。因此，選擇了三菱 F*3U-64MT，該 PLC 是第三代微型可編程控制器，置獨(dú)立 3 軸 100kHz 定位功能，具有高速計(jì)數(shù)功能，完全滿足系統(tǒng)要求。 PLC 端口分配如表 1 所示。4系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)該運(yùn)動控制系統(tǒng)主要解決兩方面的問題：一是兩軸運(yùn)動的插補(bǔ)算法問題，因?yàn)?PLC 本身不具有插補(bǔ)計(jì)算功能，因此需要設(shè)計(jì)

5、適宜的插補(bǔ)算法，通過編程方法來實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)；二是區(qū)分單軸運(yùn)動和兩軸運(yùn)動，單軸運(yùn)動時，判斷是哪根軸運(yùn)動以及怎樣運(yùn)動，兩軸運(yùn)動時，兩根軸是怎樣運(yùn)動。傳統(tǒng)的逐點(diǎn)比較法盡管算法簡單，但是不能實(shí)現(xiàn)兩軸同動；數(shù)字積分法雖然作了一定的改進(jìn)，但是該算法兩軸速度比恒定，算法不易掌握，并且不能保證連續(xù)實(shí)現(xiàn)兩軸同動。 針對以上插補(bǔ)算法的缺乏，提出了另一種插補(bǔ)算法：兩軸同動法，其原理是每次向兩個坐標(biāo)軸分別輸出各自的進(jìn)給脈沖，在同一時間，兩個坐標(biāo)軸分別獨(dú)立地完成規(guī)定的進(jìn)給量，根據(jù)直線合成原理，兩軸同動的結(jié)果是得到一條直線，原給距離為 Ly，則在兩軸同動情況下，各分量如表 2 所示。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量與輸入脈沖數(shù)成正比

6、，其速度與單位時間輸入脈沖數(shù)即脈沖頻率成正比，此時，PLC 只需向 * 軸和 Y 軸步進(jìn)電機(jī)同時輸出各自脈沖總數(shù)和脈沖頻率，同時，輸出步進(jìn)電機(jī)方向控制信號，就可以完成直線運(yùn)動軌跡。兩軸運(yùn)動控制系統(tǒng)的運(yùn)動情況主要有 2 種，即單軸運(yùn)動和兩軸運(yùn)動。該系統(tǒng)采用如下指令來實(shí)現(xiàn)單軸運(yùn)動或兩軸運(yùn)動。LD*023MOVD0K2Y004LDY010DDRVAD1D2Y000Y004LDY011DDRVAD3D4Y001Y005LDM8000DHSCRD1C235Y010DHSCRD3C236Y011當(dāng)按下啟動按鈕后，PLC 執(zhí)行部梯形圖程序，用 D0 的每個位來控制 Y004 到 Y013 輸出口的動作。其中

7、選擇 Y004 作為 * 軸電機(jī)方向控制信號，Y010 作為判斷 * 軸電機(jī)是否運(yùn)行的條件，即當(dāng)Y010 為高電平時，* 軸電機(jī)動作，同時選擇 Y005 作為 Y 軸電機(jī)方向控制信號，Y011 作為判斷 Y 軸電機(jī)是否運(yùn)行的條件，即當(dāng) Y011 為高電平時，Y 軸電機(jī)動作。電機(jī)狀態(tài)控制表如表 3 所示。 當(dāng) PLC 高速計(jì)數(shù)口對編碼器的計(jì)數(shù)值與預(yù)設(shè)值相等時，Y010 或者 Y011 將會被復(fù)位，電機(jī)停頓。5觸摸屏界面設(shè)計(jì)該系統(tǒng)采用三菱 GS2107 觸摸屏作為操作面板，操作者通過觸摸屏端操作，實(shí)現(xiàn)不同的控制功能。手動模式下，操作者可以進(jìn)展 * 軸點(diǎn)動、 Y 軸點(diǎn)動操作。 自動模式下，操作者通過

8、輸入起點(diǎn)坐標(biāo)和終點(diǎn)坐標(biāo)，并選擇電機(jī)的 8 種工作模式，按下啟動按鈕，PLC 會根據(jù)部梯形圖，控制電機(jī)運(yùn)行到指定位置。此外，PLC 高速計(jì)數(shù)口對編碼器進(jìn)展計(jì)數(shù)，數(shù)值轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)，實(shí)時顯示在觸摸屏上。 觸摸屏界面設(shè)計(jì)如圖 4 所示。6 結(jié)論 1該運(yùn)動控制系統(tǒng)以 PLC 為核心，步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，構(gòu)造簡單，動態(tài)性能良好； 2設(shè)計(jì)的插補(bǔ)算法和應(yīng)用指令，可以實(shí)現(xiàn)單軸運(yùn)動或兩軸運(yùn)動； 3采用觸摸屏作為人機(jī)交互界面，操作簡單，易于掌握。參考文獻(xiàn) 1 邵強(qiáng) 邵誠 基于PLC的直線插補(bǔ)控制及其實(shí)現(xiàn) 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007，8:122-123.2 明副.西門子運(yùn)動控制器在壓機(jī)送料線上的應(yīng)用J鍛壓裝配與制造技術(shù)，2004,2:55-56.3紹芳 車廂邊板冷彎成形生產(chǎn)線中點(diǎn)焊機(jī)的PLC程序控制J.鍛壓裝配與制造技術(shù)，2021，1:64-