(廣東石油化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東茂名525000)

0 引言

三軸伺服控制在運(yùn)動(dòng)定位控制系統(tǒng)中具有很強(qiáng)的通用性和適用性，它憑著定位精度高，響應(yīng)快，適應(yīng)性強(qiáng)，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，在機(jī)床等大型設(shè)備和智能化、數(shù)控化中小型設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用[1]。PLC控制系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎(chǔ)上引入了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，它取代繼電器、執(zhí)行邏輯、記時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制功能，建立柔性的程控系統(tǒng)，它具有編程簡單、通用性強(qiáng)、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)以及能在惡劣的工業(yè)環(huán)境下長期工作等顯著特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制的各個(gè)領(lǐng)域[2]。本文通過以FX3U系列PLC為系統(tǒng)控制核心，以觸摸屏為人機(jī)交互設(shè)備，設(shè)計(jì)一款功能精簡、操作簡單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、性能穩(wěn)定的三軸伺服控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。觸摸屏作為系統(tǒng)的操作界面，具有對(duì)系統(tǒng)的操作、設(shè)置和調(diào)試功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，控制核心選用FX3U系列PLC，它有內(nèi)置獨(dú)立三軸定位功能，通過與伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)連接，組成了X、Y、Z方向三軸伺服定位控制系統(tǒng)[3]。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成原理圖

本控制系統(tǒng)的PX3U系列PLC是三菱公司開發(fā)的第三代微型可編程控制器，它內(nèi)置高達(dá)64K大容量的RAM存儲(chǔ)器，內(nèi)置業(yè)界最高水平的高速處理0.065μs/基本指令，控制規(guī)模：16～384(包括CC-LINK I/O)點(diǎn)，除了浮點(diǎn)數(shù)、字符串處理指令以外，還具備了定坐標(biāo)指令等豐富的指令，內(nèi)置獨(dú)立3軸100kHz定位功能(晶體管輸出型)，使用基本單元(晶體管輸出型)的輸出端子時(shí)，3軸(Y0～Y2)可輸出最大100kHz的開路集電極脈沖串，可同時(shí)控制三軸伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，輸出形式為脈沖+方向[5]。

選用三菱MR-J3系列通用交流伺服驅(qū)動(dòng)器，它配備分辨率為262144脈沖/轉(zhuǎn)絕對(duì)位置編碼器(支持ABS模式)的伺服電機(jī)，采用三菱HF-MP系列伺服電機(jī)，構(gòu)成了絕對(duì)位置檢測系統(tǒng)，可進(jìn)行高精度控制。系統(tǒng)具有很高的響應(yīng)性、高水平自整定功能和高級(jí)振動(dòng)抑制控制功能。其控制模式有位置控制，速度控制和轉(zhuǎn)矩控制，廣泛用于需要高精度位置控制和平穩(wěn)速度控制的場合，如機(jī)械加工設(shè)備和一般工業(yè)機(jī)械等需要高精度位置控制和平穩(wěn)速度控制的應(yīng)用，也可用于線性控制和張力控制的領(lǐng)域[5]。

MR-J3系列伺服驅(qū)動(dòng)器具有USB和RS-422串行通訊功能，通過伺服設(shè)置軟件MR-configurator就能進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，試運(yùn)行，狀態(tài)顯示監(jiān)控和增益調(diào)整等操作，還可進(jìn)行精確的機(jī)械分析。

PLC本身不具備人機(jī)交互功能，在工藝參數(shù)較多，需要人機(jī)交互時(shí)，配合使用具有觸摸操作和通信功能的人機(jī)界面就是一種很好的選擇。本系統(tǒng)采用的WEINVIEW MT8000系列人機(jī)界面，是臺(tái)灣威綸科技研發(fā)的新一代高品質(zhì)觸控式工業(yè)用的人機(jī)界面產(chǎn)品，采用色彩高達(dá)65536色的TFT LCD液晶顯示屏，有3個(gè)COM接口，可輕易組網(wǎng)、同時(shí)連接多臺(tái)PLC及控制器等，支持一機(jī)多屏和一屏多機(jī)功能，支持以太網(wǎng)資料上下載及遠(yuǎn)程監(jiān)控，支持歷史數(shù)據(jù)、故障報(bào)警等功能，有強(qiáng)大的宏指令功能，可進(jìn)行復(fù)雜邏輯和數(shù)學(xué)運(yùn)算，是完美操控遠(yuǎn)程HMI，使用EasyBuilder8000編輯軟件，可完成復(fù)雜的人機(jī)界面設(shè)計(jì)。

2 三軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)PX3U內(nèi)置獨(dú)立3軸定位功能，從Y0～Y2輸出開集電極式的脈沖串，構(gòu)成控制X、Y、Z三軸的伺服定位系統(tǒng)，其脈沖+方向組合為：X軸(Y0+Y4)；Y軸(Y1+Y5)；Z軸(Y2+Y6)[6]。按照三菱公司的FX3U·FX3UC用戶手冊(定位控制篇)，可根據(jù)不同控制工藝要求來選定PLC的型號(hào)和連接方式，這里采用一個(gè)典型的連接方案，PLC采用FX3U-16MT基本單元、FX2N系列PLC的16點(diǎn)數(shù)字輸出模塊FX2N-16EYT和16點(diǎn)輸入擴(kuò)展模塊FX2N-16EX-ES/UL，他們分別與X、Y、Z三軸伺服驅(qū)動(dòng)器相連接，三軸伺服驅(qū)動(dòng)連接端口分配情況如表1。其中X軸脈沖輸出Y0，方向信號(hào)Y4；Y軸脈沖輸出Y1，方向信號(hào)Y5；Z軸脈沖輸出Y2，方向信號(hào)Y6，將擴(kuò)展模塊3個(gè)輸出口Y21～Y23和3個(gè)輸入口X31～Y33，與伺服驅(qū)動(dòng)器相應(yīng)功能端口相連接，通過PLC相應(yīng)控制指令就可以讀取絕對(duì)位置值和定位驅(qū)動(dòng)控制。圖2是PLC與X軸伺服驅(qū)動(dòng)器連接圖，X、Y軸與驅(qū)動(dòng)器的連接可參考表1實(shí)現(xiàn)。

圖2 PLC與X軸伺服驅(qū)動(dòng)器連接圖

表1PLC與伺服驅(qū)動(dòng)器三軸連接端口分配情況表

信號(hào)名稱X軸Y軸Z軸脈沖串Y000Y001Y002方向Y004Y005Y006清零信號(hào)Y020Y024Y030零點(diǎn)信號(hào)X004X005X006伺服準(zhǔn)備好X014X015X016ABS(bit0)X031X035X061ABS(bit1)X032X036X062發(fā)送數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成X033X037X063伺服ONY021Y025Y031ABS傳送模式Y(jié)022Y026Y032ABS請求Y023Y024Y033

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC伺服控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PLC輸出控制脈沖和方向信號(hào)，伺服驅(qū)動(dòng)器將接收到的信號(hào)處理后輸出控制伺服電機(jī)，控制伺服系統(tǒng)移動(dòng)的速度和位移值，同時(shí)電機(jī)編碼器將檢測到的實(shí)時(shí)位置等信號(hào)發(fā)送回驅(qū)動(dòng)器，形成系統(tǒng)的半閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)扭矩和位移的精確控制。

MR-J3系列伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置包括基本設(shè)定參數(shù)、增益濾波器參數(shù)和擴(kuò)展設(shè)定參數(shù)的設(shè)定[7]。本系統(tǒng)為位置控制模式，只需設(shè)定基本設(shè)定參數(shù)(PA00～PA19)，如表2，主要的參數(shù)有控制模式、絕對(duì)位置檢測系統(tǒng)、伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所需的指令脈沖數(shù)等，按照具體要求設(shè)定好各參數(shù)值。

表2MR-J3系列伺服驅(qū)動(dòng)器主要的基本設(shè)定參數(shù)表

參數(shù)NO.參數(shù)名稱PA01控制模式PA03絕對(duì)位置檢測系統(tǒng)PA05伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所需的指令脈沖數(shù)PA06電子齒輪分子(指令輸入脈沖倍率分子)PA07電子齒輪分母(指令輸入脈沖倍率分母)PA11正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩限制PA12反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩限制PA13指令脈沖輸入形式選擇PA14轉(zhuǎn)動(dòng)方向選擇PA15編碼器輸出脈沖

PLC定位控制程序包含設(shè)定用的程序、執(zhí)行定位用的程序等，其中設(shè)定用的程序包括最高速度、基底速度、原點(diǎn)回歸速度、爬行速度、加速時(shí)間、減速時(shí)間等(速度與時(shí)間項(xiàng)目)參數(shù)的設(shè)定和近點(diǎn)信號(hào)邏輯、加減速動(dòng)作、中斷信號(hào)邏輯、正反轉(zhuǎn)邏輯(動(dòng)作標(biāo)志位)的設(shè)定等程序，主要是通過程序?qū)Χㄎ还δ苡嘘P(guān)的特殊輔助繼電器，特殊數(shù)據(jù)寄存器賦值，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化設(shè)置；執(zhí)行定位用的程序包括原點(diǎn)回歸，JOG運(yùn)行，正/反傳方向定位和執(zhí)行具體的移動(dòng)定位等程序，使用的指令有：ABS讀取當(dāng)前絕對(duì)位置值，ZRN機(jī)械原點(diǎn)回歸，DSZR帶DOG搜索的原點(diǎn)回歸，DRVI相對(duì)單速定位，DRVA絕對(duì)單速定位，PLSV可變速運(yùn)行等指令，可以實(shí)現(xiàn)回原點(diǎn)、點(diǎn)動(dòng)控制、絕對(duì)/相對(duì)位置定位、定點(diǎn)定位等功能。也可以使用PLC內(nèi)置TBL表格定位功能，預(yù)先通過GX Developer軟件在定位表格中設(shè)定各脈沖數(shù)和頻率，實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜移動(dòng)定位任務(wù)，簡化程序編寫。

3.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

首先在電腦上安裝觸摸屏EB8000軟件，點(diǎn)擊Project Manager 上的 EasyBuilder8000進(jìn)入軟件的編程界面，建立新的項(xiàng)目文件，選擇好機(jī)型和顯示模式，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，包括選擇PLC類型和通訊參數(shù)的設(shè)置，完善多個(gè)監(jiān)控界面的編輯設(shè)計(jì)與各元件布置，選擇各元件正確的屬性，建立與PLC相應(yīng)輔助繼電器、數(shù)據(jù)寄存器等的鏈接，然后進(jìn)行程序的編輯保存、編譯，最后模擬運(yùn)行，調(diào)試正確后把程序下載到觸摸屏[8]。

圖3 觸摸屏手動(dòng)監(jiān)控界面

通過設(shè)計(jì)編制精美的觸摸屏操作面板，可在線對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、修改和監(jiān)視，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。本系統(tǒng)監(jiān)控界面的編輯設(shè)計(jì)，可以根據(jù)系統(tǒng)工藝和控制要求，設(shè)計(jì)多個(gè)操控界面，如顯示系統(tǒng)使用狀態(tài)、故障報(bào)警等信息以及能進(jìn)行相應(yīng)調(diào)試處理的信息界面，進(jìn)行系統(tǒng)有關(guān)工藝參數(shù)的參數(shù)設(shè)置界面，能對(duì)伺服定位程序有關(guān)輔助繼電器和數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行賦值、自動(dòng)運(yùn)行的啟動(dòng)與停止等功能的運(yùn)行界面，其中圖3是手動(dòng)監(jiān)控界面，界面含有X、Y、Z三軸的實(shí)時(shí)位置的顯示、手動(dòng)移動(dòng)操作按鈕和手動(dòng)回零按鈕。

4 結(jié)束語

介紹了利用三菱PX3U內(nèi)置獨(dú)立3軸定位功能和MR-J3系列伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的三軸伺服控制系統(tǒng)，配備MT8000系列人機(jī)界面，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，可靠性高，操作簡單，性能穩(wěn)定。系統(tǒng)人機(jī)界面友好，具有一定的通用性、適應(yīng)性、擴(kuò)展性，本方案稍作調(diào)整便可在許多功能相類似的不同場合得到推廣應(yīng)用。