三軸六動機(jī)構(gòu)的PLC控制

李 波，李國棟

（1.中國兵器裝備集團(tuán)公司 上海電控研究所，上海 200092；2.杭州電子科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，各地出現(xiàn)許多空間網(wǎng)架鋼結(jié)構(gòu)的大型建筑。由于這種結(jié)構(gòu)建造通過焊接或螺栓連接各類節(jié)點，把不同形狀的鋼制桿件（或構(gòu)件）組成實體，具有足夠的強(qiáng)度和剛性，很容易做到大跨距，是新建大型火車站、體育場館、會展中心等的優(yōu)選方案。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)按其形狀可分為三角錐網(wǎng)架、四角錐網(wǎng)架、六角錐網(wǎng)架。它們靠許多不同截面桿件在不同方向固定在各類節(jié)點上組合成網(wǎng)架整體。節(jié)點按其在網(wǎng)架中的位置可分為中間節(jié)點、再分桿節(jié)點、頂脊節(jié)點和支座節(jié)點。網(wǎng)架中的每一個節(jié)點要承受來自不同方向桿件傳遞的力（每個節(jié)點交匯處有6～8根桿件）。為使節(jié)點的構(gòu)造和連接具有足夠剛度和強(qiáng)度，將節(jié)點周邊設(shè)計成固定桿件的支托。理想的節(jié)點各個方向支托中心線應(yīng)交匯于一點，避免出現(xiàn)因偏心而引起網(wǎng)架桿件產(chǎn)生次應(yīng)力和引起桿件內(nèi)力的變化［1-2］。

為保證結(jié)構(gòu)的可靠性，除結(jié)構(gòu)形狀、強(qiáng)度與剛度、材料選用等設(shè)計計算外，各類節(jié)點的加工也是非常重要的一環(huán)。

相關(guān)各類節(jié)點的焊接加工，一般都在地面進(jìn)行。目前工地上裝配各類節(jié)點是靠人工調(diào)整位置進(jìn)行焊接，很難保證其支托各自的定位精度，從而影響網(wǎng)架結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布狀況。

為解決該問題，本研究研制適用于各類節(jié)點組裝的三軸六動機(jī)構(gòu)；用PLC控制系統(tǒng)快速調(diào)整支托靠模與節(jié)點之間的空間位置，以保證各類節(jié)點上支托的焊接精度；同時，為今后節(jié)點計算軟件通過通信網(wǎng)口進(jìn)行直接控制提供方便。

1 原 理

1.1 機(jī)構(gòu)原理

三軸六動機(jī)構(gòu)工作原理如圖1所示。機(jī)構(gòu)每軸為一個子裝配件，其工作原理如下:

當(dāng)驅(qū)動X軸旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)時，旋轉(zhuǎn)光桿傳動支托靠模轉(zhuǎn)動（調(diào)整角度）。當(dāng)驅(qū)動X平動伺服電機(jī)時，絲桿螺母傳動副轉(zhuǎn)換成平動，滑塊帶動X軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)、X軸旋轉(zhuǎn)底座、傳動光桿、支托靠模做左右平動（調(diào)整距離）來調(diào)整支托靠模與Z軸工作臺位置（X軸方向）［3-4］。

圖1 三軸六運動機(jī)構(gòu)裝配圖

當(dāng)驅(qū)動Y軸旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)時，傳動光桿帶動Y軸平動導(dǎo)軌底座（傳動光桿與Y軸平動導(dǎo)軌底座用鍵鎖緊一體）繞Y軸旋轉(zhuǎn)（因Y軸旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)是固定在機(jī)架上）；同時帶動X軸子裝配件整體轉(zhuǎn)動。當(dāng)驅(qū)動Y軸平動伺服電機(jī)時，Y軸平動導(dǎo)軌底座上的絲桿螺母傳動副轉(zhuǎn)換成平動，Y軸平動導(dǎo)軌底座上的滑塊作前后平動；同時帶動X軸子裝配件隨動來調(diào)整支托靠模與Z軸工作臺位置（Y軸方向）。

Z軸子裝配件傳動基本原理類同以上二軸，通過控制Z軸2個伺服電機(jī)來調(diào)整Z軸工作臺位置。

調(diào)整三軸6個運動量大小，就能改變節(jié)點與支托靠模的相對空間位置。通過設(shè)計計算給出各類節(jié)點的支托數(shù)與位置，做成各式支托靠模安裝在如圖1所示的機(jī)構(gòu)上傳動到位。將幾塊支托鋼板放置靠模上進(jìn)行焊接，不斷調(diào)整靠模位置，直至焊完節(jié)點上所有支托，完成節(jié)點的組裝。

伺服電機(jī)一般都帶有脈沖編碼器，其分辨率為2 000 P/r，當(dāng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)一圈時需2 000個脈沖。而伺服前置放大器設(shè)有脈沖倍頻功能［5-7］。

設(shè):平動距離為A（mm），脈沖數(shù)為N（個），傳動絲桿導(dǎo)程為P（mm），旋轉(zhuǎn)角為?（°）。

平動距離脈沖總數(shù)為:

旋轉(zhuǎn)角度脈沖總數(shù)為:

公式（1，2）為每一軸運行需要脈沖總數(shù)的計算公式。若需提高或減少運行精度可調(diào)整伺服前置放大器的脈沖倍頻開關(guān)。

1.2 PLC控制原理

PLC控制節(jié)點與支托靠模間的相對位置，由三軸各自的脈沖數(shù)所決定；而它們的運行速度，則由脈沖的頻率大小所定。在設(shè)置初始值時，將由公式（1，2）計算出的各軸脈沖當(dāng)量數(shù)值，置入數(shù)據(jù)寄存器D中。當(dāng)PLC主機(jī)在輸出驅(qū)動脈沖同時，用數(shù)字計數(shù)器C進(jìn)行計數(shù)，并與數(shù)據(jù)寄存器D進(jìn)行比較。當(dāng)某一方向的C值等于D值時，計數(shù)器C的觸點立馬停止這一方向的運行。

根據(jù)機(jī)構(gòu)運行特點，本研究采用步進(jìn)控制。

運行時序為:X軸旋轉(zhuǎn)(C10=D10)→Y軸旋轉(zhuǎn)(C20=D20)→Z軸旋轉(zhuǎn)(C30=D30)→Z軸平動(C40=D40)→Y軸平動(C50=D50)→X軸平動(C60=D60)。

返回原點時序為:X軸平動(C60=D60)→Y軸平動(C50=D50)→Z軸平動(C40=D40)→Z軸旋轉(zhuǎn)(C30=D30)→Y軸旋轉(zhuǎn)(C20=D20)→X軸旋轉(zhuǎn)(C10=D10)。

為便于使用，運行狀態(tài)采用:手控步進(jìn)、自動運行兩種方法編程；返回原點，采用自動檢測到位方式。

2 PLC控制程序設(shè)計

2.1 PLC主機(jī)I/O設(shè)置

PLC主機(jī)I/O設(shè)置如圖2所示［8-9］。

圖2 PLC主機(jī)I/O設(shè)置

2.2 手控單動程序設(shè)計

程序設(shè)計中，三軸的控制程序類同，為壓縮版面，本研究以X軸為例進(jìn)行論述。

為了便于調(diào)試、維修，特設(shè)計了手控單動程序，如圖3所示［10-11］；編程的設(shè)置如圖2所示。

2.3 返回原點程序設(shè)計

返回原點是手控或自動運行支托靠模與節(jié)點在空間位置的基準(zhǔn)，每次運行前由功能指令自動檢測執(zhí)行。

返回原點程序，如圖4所示。

2.4 自動運行程序設(shè)計

自動運行控制程序，如圖5所示［12］。

3 結(jié)束語

圖3 手控單動程序梯形圖

圖4 返回原點程序步進(jìn)梯形圖

圖5 自動控制運行程序步進(jìn)梯形圖

本研究通過PLC編程控制三軸六動機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗，只要在傳動鏈精度范圍內(nèi)，其精度可以通過伺服前置放大器的倍頻器進(jìn)行調(diào)整。三軸六動機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)整方便的優(yōu)點，不僅能解決像空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點支托空間難定位問題，還能提高各類節(jié)點焊接組裝的形狀、尺寸精度一致性，進(jìn)而大大提高空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的可靠性。PLC控制技術(shù)具有應(yīng)用可靠性高、編程較易掌握、通用性強(qiáng)等特點，非常適合控制三軸六動機(jī)構(gòu)的運行。所以，利用PLC控制三軸六動機(jī)構(gòu)可以充分發(fā)揮二者長處，提高設(shè)備的可操作性與可靠性。

（References）:

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