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（上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

1 引言

館外智能圖書(shū)館是為讀者提供本地圖書(shū)借閱和預(yù)約等服務(wù)的圖書(shū)館自助服務(wù)終端。館外智能圖書(shū)館的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。由圖1可知該系統(tǒng)的機(jī)械部分劃分為：智能書(shū)架和圖書(shū)吐納設(shè)備2部分。其中智能書(shū)架部分主要功能是圖書(shū)存儲(chǔ)，并為借還書(shū)提供取放書(shū)服務(wù)。圖書(shū)吐納設(shè)備主要提供以下2種功能：1）將從智能書(shū)架上取出的圖書(shū)傳遞給讀者；2）將讀者歸還的書(shū)傳遞給智能書(shū)架的機(jī)械手，以便將圖書(shū)放回書(shū)架，供其他讀者借閱此書(shū)。從它們各自的功能和整個(gè)系統(tǒng)的功能可以看出，兩部分之間既在功能上獨(dú)立，同時(shí)又需要相互協(xié)調(diào)完成部分功能，如當(dāng)讀者發(fā)出借書(shū)指令后，首先由書(shū)架部分的機(jī)械手將相應(yīng)的書(shū)從書(shū)架上取出，然后傳遞給圖書(shū)吐納設(shè)備，在這個(gè)過(guò)程中需要相互的位置協(xié)調(diào)，再由圖書(shū)吐納設(shè)備將書(shū)提供給讀者。為實(shí)現(xiàn)這些功能，該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部分被設(shè)計(jì)為具備5個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的多軸系統(tǒng)。其中智能書(shū)架部分包含4個(gè)運(yùn)動(dòng)軸：機(jī)械手前后運(yùn)動(dòng)軸，機(jī)械手上下運(yùn)動(dòng)軸，機(jī)械手旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸以及機(jī)械手伸縮運(yùn)動(dòng)軸。而圖書(shū)吐納機(jī)構(gòu)包含的運(yùn)動(dòng)軸為書(shū)盒翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸。

圖1 館外智能圖書(shū)館結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the outside intelligent library

本文根據(jù)該系統(tǒng)的特點(diǎn)和控制要求，結(jié)合永宏P(guān)LC在運(yùn)動(dòng)控制中的先進(jìn)理念設(shè)計(jì)了基于永宏FBs－32MC系列PLC的雙PLC多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

2 多軸運(yùn)動(dòng)控制方案分析

所謂多軸運(yùn)動(dòng)控制泛指運(yùn)動(dòng)控制軸在兩軸及以上的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。目前市面上的大部分小型PLC都能夠支持本機(jī)4軸控制，這其中以松下的FX系列PLC和永宏的FBs系列PLC為典型代表。這類PLC的出現(xiàn)給一般的多軸運(yùn)動(dòng)控制帶來(lái)了方便的同時(shí)也大幅降低了多軸系統(tǒng)的控制成本，因此關(guān)于4軸及以下的運(yùn)動(dòng)控制不在本文的討論范圍內(nèi)。本文主要討論了5軸及以上的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，并結(jié)合館外智能圖書(shū)館的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)給出了一個(gè)5軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)例。

在采用小型PLC的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，為解決本機(jī)控制能力不足問(wèn)題，可采用以下幾種方法實(shí)現(xiàn)：PLC擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)控制模塊，PLC組成多機(jī)網(wǎng)絡(luò)，采用總線型伺服系統(tǒng)等方法。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)比較，在館外智能圖書(shū)館多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中選取了PLC組成多機(jī)網(wǎng)絡(luò)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)多軸運(yùn)動(dòng)控制。

在由永宏P(guān)LC組成的多機(jī)網(wǎng)絡(luò)型多軸控制系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)多軸控制可采用以下2種方法：1）2臺(tái)PLC作為對(duì)等PLC，即兩機(jī)各自獨(dú)立完成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制功能，彼此間通過(guò)數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息的傳遞，或者通過(guò)地方三方傳遞參數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)信息共享，這種方法幾乎被目前市面上所有類型的PLC所支持，是一種通用的控制策略。2）以一臺(tái)PLC作為主PLC，另一臺(tái)作為從PLC，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軸的擴(kuò)展。在該系統(tǒng)中所有的運(yùn)算邏輯都在主PLC中完成，而從機(jī)僅僅擔(dān)負(fù)脈沖輸出的功能，兩機(jī)之間采用主機(jī)中內(nèi)建的高速聯(lián)機(jī)指令通過(guò)內(nèi)存共享來(lái)實(shí)現(xiàn)信息傳遞。永宏P(guān)LC采用獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)控制指令表格方式實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制功能，使得程序開(kāi)發(fā)人員能夠在主機(jī)中像操作本機(jī)運(yùn)動(dòng)控制功能一樣實(shí)現(xiàn)對(duì)從機(jī)運(yùn)動(dòng)控制功能的使用。這給程序開(kāi)發(fā)提供了方便，同時(shí)也減少了開(kāi)發(fā)工作量，在這樣的系統(tǒng)中基本上不需要雙機(jī)聯(lián)調(diào)。通過(guò)比較分析并結(jié)合系統(tǒng)自身特點(diǎn)在館外智能圖書(shū)館控制方案選取過(guò)程中最終采用第2種方法。該系統(tǒng)的雙機(jī)網(wǎng)絡(luò)如圖2所示，同時(shí)需要指出的是，該網(wǎng)絡(luò)最多可滿足8軸運(yùn)動(dòng)控制的需要。

圖2 智能圖書(shū)館的控制網(wǎng)絡(luò)Fig.2 The control mesh of the intelligent library

3 控制方案設(shè)計(jì)

3.1 永宏P(guān)LC運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)

與其它PLC采用指令驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制方式不同，永宏P(guān)LC在處理運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程中采用一種表格驅(qū)動(dòng)方式。該方式也是其在處理諸如通信等大數(shù)據(jù)量指令中的一種普遍方法。采用該方式為程序員靈活配置運(yùn)動(dòng)控制方案提供了方便，本文將基于該表格展開(kāi)討論。一般利用永宏P(guān)LC實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制需要經(jīng)過(guò)硬件組態(tài)，參數(shù)表格配置，運(yùn)動(dòng)控制表格配置，相關(guān)指令啟動(dòng)幾個(gè)步驟。

3.1.1 永宏P(guān)LC運(yùn)動(dòng)控制的硬件組態(tài)

為了利用永宏P(guān)LC的高速定位指令實(shí)現(xiàn)定位控制，首先需要對(duì)脈沖輸出通道進(jìn)行硬件組態(tài)。該工作可以通過(guò)程序組態(tài)軟件WinProladder完成。WinProladder是永宏公司提供的一個(gè)功能強(qiáng)大的PLC梯形圖程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)，同時(shí)通過(guò)該平臺(tái)可以完成系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中所需要的所有軟硬件資源的組態(tài)工作。其中為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制需要做的硬件組態(tài)工作為把相應(yīng)的輸出端口配置為脈沖輸出模式，并對(duì)脈沖的形式進(jìn)行配置。該工作通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)提供的I／O組態(tài)工具的輸出設(shè)定模塊完成，其操作界面如圖3所示。

圖3 I／O組態(tài)工具Fig.3 The I／O configuration tool

由圖3可知，對(duì)一個(gè)高速脈沖輸出通道的設(shè)置主要是指定端口輸出脈沖的形式，共有4種，這使得系統(tǒng)能夠更加靈活地適應(yīng)外部被控對(duì)象的硬件接口，本系統(tǒng)選擇了PLS＋DIR信號(hào)的形式。而輸出脈沖極性指的是輸出正轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)時(shí)方向信號(hào)的電平狀態(tài)，在這里采用默認(rèn)值。該功能主要應(yīng)用在當(dāng)外部執(zhí)行器不能通過(guò)參數(shù)設(shè)置改變運(yùn)轉(zhuǎn)方向的場(chǎng)合。在完成了硬件組態(tài)以后便是對(duì)參數(shù)表格進(jìn)行配置。

3.1.2 永宏P(guān)LC運(yùn)動(dòng)控制的參數(shù)驅(qū)動(dòng)表格

在利用PLC實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，常常會(huì)希望在指定位置或速度參數(shù)的時(shí)候能夠執(zhí)行機(jī)構(gòu)相應(yīng)參數(shù)的度量單位一致，通常情況下為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)必須在程序里面進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算才能達(dá)到這個(gè)效果，而為了實(shí)現(xiàn)加減速的控制則必須編寫(xiě)復(fù)雜的加減速程序或進(jìn)行大量的特殊寄存器的配置，這對(duì)一般的程序員來(lái)說(shuō)顯得極不方便。永宏P(guān)LC基于表格的配置模式使得這一切變得非常容易。通過(guò)對(duì)一種被稱之為“伺服參數(shù)表格”的參數(shù)集進(jìn)行配置可以方便地實(shí)現(xiàn)以上功能及其它一些附加功能。如對(duì)位置參數(shù)單位的設(shè)置，位置倍率設(shè)置，最大速度限制，加減速時(shí)間設(shè)置，以及與建立參考點(diǎn)的有關(guān)的輸入信號(hào)的相關(guān)信息配置等。特別是最后一個(gè)配置使得建立系統(tǒng)參考點(diǎn)的工作變得十分容易，當(dāng)完成該配置以后，只需要在程序中使用相關(guān)指令并根據(jù)實(shí)際的運(yùn)動(dòng)模型正確配置相關(guān)模式便可輕松實(shí)現(xiàn)該參考點(diǎn)建立的功能。

一般情況下PLC系統(tǒng)會(huì)提供一個(gè)默認(rèn)的伺服參數(shù)表格，如果程序員對(duì)相應(yīng)的參數(shù)不進(jìn)行配置，系統(tǒng)將會(huì)按照默認(rèn)表格參數(shù)進(jìn)行相關(guān)處理。要獲取默認(rèn)表格的參數(shù)可以通過(guò)查閱手冊(cè)或在Win Proladder建立一張伺服參數(shù)表格的方式實(shí)現(xiàn)。當(dāng)該表格不能滿足應(yīng)用需要時(shí)，可在建立伺服參數(shù)表格后對(duì)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行配置，以滿足應(yīng)用的需要。關(guān)于如何配置限于篇幅在此不作說(shuō)明。參數(shù)表格的建立只是為配置相關(guān)參數(shù)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)源的一個(gè)過(guò)程，為把這些參數(shù)和需要配置的通道建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系，還要在程序中調(diào)用FUN141（MPARA）指令來(lái)指定所建表格和對(duì)應(yīng)通道的關(guān)系。值得指出的是，該指令一旦出現(xiàn)在梯形圖中，只要不出現(xiàn)語(yǔ)法錯(cuò)誤，在梯形圖掃描的每一個(gè)周期，它都會(huì)被執(zhí)行，即默認(rèn)其使能信號(hào)被一直認(rèn)為有效，圖4給出了在館外智能圖書(shū)館程序中使用的伺服參數(shù)表格及FUN41指令應(yīng)用的一個(gè)示例。

在完成了以上工作后，便可以通過(guò)配伺服命令表格來(lái)建立相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制方案。

圖4 伺服參數(shù)表格及FUN41示例Fig.4 Sheet of servo parameter and the example about FUN41

3.1.3 永宏P(guān)LC的脈沖指令及運(yùn)動(dòng)控制表格

永宏P(guān)LC內(nèi)建高速脈沖輸出指令FUN140（HSPSO）運(yùn)作過(guò)程中主要需要以下3個(gè)參數(shù)：1）脈沖輸出通道Gp，可取值為0～3，分別代表了4個(gè)不同的脈沖輸出通道。2）SR定位程序表格寄存器起始地址即相應(yīng)控制方案的師傅命令表格的首地址，該寄存器集的前兩個(gè)用于說(shuō)明表格的類型和定位程序的步數(shù)，最多支持256步，每步占用9個(gè)寄存器分別定義了定位過(guò)程中所需要的脈沖輸出速度，目標(biāo)位置計(jì)算方法（相對(duì)計(jì)算／絕對(duì)計(jì)算），目標(biāo)位置，目標(biāo)位置倍率（這個(gè)需要對(duì)應(yīng)的伺服參數(shù)表格中的3號(hào)參數(shù)：最小單位設(shè)定配合），以及定位步驟之間的轉(zhuǎn)移條件等。3）指令運(yùn)算采用寄存器組，該寄存器組由連續(xù)的7個(gè)WR數(shù)據(jù)寄存器構(gòu)成，其中WR＋0寄存器標(biāo)明了程序當(dāng)前正在運(yùn)行的定位步驟或當(dāng)前暫停步驟，這使得程序員可以通過(guò)對(duì)該寄存器的操作來(lái)跳過(guò)程序控制過(guò)程中在特定情況下無(wú)須執(zhí)行的步驟。第2個(gè)寄存器WR＋1指明了由SR所確定的定位程序的總步數(shù)和指令的當(dāng)前執(zhí)行情況，可以按位尋址，來(lái)判斷指令執(zhí)行的結(jié)果、異常執(zhí)行中，單步完成等。其具體涵義見(jiàn)表1。

表1 FUN140運(yùn)行參數(shù)WR明細(xì)Tab.1 WR particular operating parameter about FUN140

圖5為一個(gè)利用該指令開(kāi)發(fā)的運(yùn)動(dòng)控制軸實(shí)例。

圖5 利用永宏FUN140指令開(kāi)發(fā)順序定位程序Fig.5 Use the FATEK FUN140instruction to develop the program of sequential location

3.2 館外智能圖書(shū)館的雙PLC系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

基于前述特點(diǎn)，在智能圖書(shū)館的控制系統(tǒng)中通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)軸控制的擴(kuò)展。首先，為了能夠?qū)崿F(xiàn)控制參數(shù)的傳遞需要建立主從機(jī)內(nèi)存單元的內(nèi)容映射，這一功能是利用高速聯(lián)機(jī)指令FUN151（CLINK）實(shí)現(xiàn)的，具體的映射關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 智能圖書(shū)館中的主從數(shù)據(jù)映射Tab.2 The data mapping of principal and subordinate about the intelligent library

指令FUN151（CLINK）也是基于表格執(zhí)行的，在該系統(tǒng)中用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)存映射的指令表格和程序如圖6所示。

在建立了映射關(guān)系以后就可以在主機(jī)中通過(guò)建立相應(yīng)的定位程序表格，可以像控制本機(jī)的脈沖輸出通道一樣來(lái)控制從機(jī)的脈沖輸出通道，從而實(shí)現(xiàn)所需要的定位功能。

圖6 數(shù)據(jù)共享表格與相關(guān)程序Fig.6 The data sharing form and relative program

在本系統(tǒng)中涉及的一個(gè)通過(guò)主從即實(shí)現(xiàn)控制軸的控制表格和程序（見(jiàn)圖6），R1000作為從機(jī)定位表格的起始地址，M50作為啟動(dòng)定位的標(biāo)志位，指令運(yùn)作標(biāo)志寄存器為R0起始的連續(xù)7個(gè)單元，主機(jī)通過(guò)R1的位解析來(lái)獲取當(dāng)前定位指令的執(zhí)行情況，并給出必要的步間轉(zhuǎn)移條件，作出其它相應(yīng)處理，從而實(shí)現(xiàn)了圖書(shū)吐納機(jī)構(gòu)的吐書(shū)動(dòng)作。關(guān)于還書(shū)動(dòng)作的相關(guān)配置限于篇幅在此就不加說(shuō)明了。

4 結(jié)論

基于該方法實(shí)現(xiàn)的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)很好地滿足了館外智能圖書(shū)館的控制要求。但在程序開(kāi)發(fā)的同時(shí)也注意到采用該方法需要占用主機(jī)較多的內(nèi)存單元來(lái)實(shí)現(xiàn)定位控制，同時(shí)也增加了主機(jī)的運(yùn)算量，在進(jìn)行簡(jiǎn)單擴(kuò)展時(shí)能夠滿足系統(tǒng)對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求，但在大型系統(tǒng)中若需進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制還是不宜采用該方法，第一種擴(kuò)展模式是一種比較理想的處理方法。

［1］周晶晶，蔡錦達(dá)，錢煒，等.自助式圖書(shū)借還裝置［J］.機(jī)械制造，2010，48（11）：37－39.

［2］永宏電機(jī)股份有限公司.FBs－PLC使用手冊(cè)［Z］.2006.

［3］王學(xué)軍.多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制方式［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2002，31（3）：163－166.

［4］付玉升.一種實(shí)現(xiàn)多軸控制的經(jīng)濟(jì)解決方案［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2004（3）：19－20.