基于MCGS和FX2N-20GM的雙軸伺服系統(tǒng)的研究與開發(fā)

梁生龍（珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東珠海　519090）

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基于MCGS和FX2N-20GM的雙軸伺服系統(tǒng)的研究與開發(fā)

梁生龍
（珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東珠海519090）

摘要：以FX2N-20GM為核心運(yùn)動(dòng)控制器，結(jié)合三菱PLC、MCGS觸摸屏和臺(tái)達(dá)伺服驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)了一套雙軸伺服系統(tǒng)，對(duì)雙軸伺服系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件程序進(jìn)行了詳細(xì)闡述。通過試驗(yàn)，該控制系統(tǒng)精度較高，開放性、通用性和擴(kuò)展性較好，可以廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：FX2N-20GM；定位模塊；伺服系統(tǒng)；PLC；MCGS

0　前言

近年來，現(xiàn)代工業(yè)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的要求越來越高，伺服運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣。在機(jī)械、設(shè)備等相關(guān)領(lǐng)域各種運(yùn)動(dòng)部件的速度控制、運(yùn)動(dòng)軌跡控制都是依靠各種伺服系統(tǒng)來完成，如數(shù)控機(jī)床的X-Y軸控制、醫(yī)療器械X光機(jī)、機(jī)器人、平行縫焊機(jī)等。伺服系統(tǒng)為工業(yè)生產(chǎn)率及其自動(dòng)化水平的提高作出了重要貢獻(xiàn)。目前市場(chǎng)上大都是封閉式的數(shù)控系統(tǒng)，不能適應(yīng)用戶對(duì)設(shè)備的開放性、互換性、通用性和擴(kuò)展性的需要，為了能夠適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)伺服系統(tǒng)的需要，基于MCGS觸摸屏和FX-20GM研究開發(fā)了雙軸伺服系統(tǒng)，可以廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)領(lǐng)域。

1　雙軸伺服系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)主要由機(jī)械部分和電氣部分組成。機(jī)械部分有工作臺(tái)、滾珠絲桿、電機(jī)支架組成。電氣部分主要由MCGS觸摸屏、PLC （FX3U-48MT）、定位模塊（FX2N-20GM）、臺(tái)達(dá)交流伺服驅(qū)動(dòng)器、自帶高精度編碼器的伺服電機(jī)等組成。雙軸伺服系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　雙軸伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1定位單元FX2N-20GM介紹[1]

為了滿足雙軸伺服系統(tǒng)的定位要求及其插補(bǔ)功能，該系統(tǒng)選用了FX2N-20GM作為核心運(yùn)動(dòng)控制單元，與PLC基本單元FX3U-48MT通過專用連接電纜FX2N-GM-5EC進(jìn)行連接，配合完成定位功能。FX2N-20GM可以同時(shí)控制X、Y兩根軸，具有線性/圓弧插補(bǔ)功能，其控制原理為通過輸出脈沖序列到伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖和方向端口，通過對(duì)X軸和Y軸伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角連續(xù)的定位控制，就可以得到工作臺(tái)的運(yùn)行軌跡。通過設(shè)置FX2N-20GM定位單元的脈沖當(dāng)量，可達(dá)到1 μm的定位精度。圖2所示為FX2N-20GM的基本對(duì)外接口。

圖2　FX2N-20GM的基本對(duì)外接口

1.2雙軸伺服系統(tǒng)的電氣控制原理

在本系統(tǒng)中觸摸屏選用上海昆侖通態(tài)的TKC7062K，與FX3U-48MT通過編程電纜進(jìn)行通訊連接，用于發(fā)送主令信號(hào)和運(yùn)行情況的監(jiān)控。選用FX3U-48MT作為主控單元，F(xiàn)X2N-20GM作為核心定位單元，主控單元與定位單元用連接電纜FX2N-GM-5EC進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)選擇臺(tái)達(dá)伺服驅(qū)動(dòng)器和臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)。PLC主控單元接收到來自觸摸屏的命令后通過緩沖通道發(fā)送給FX2N-20GM定位單元，定位單元再同時(shí)給X軸，Y軸伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖，從而控制伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)所需要的運(yùn)動(dòng)軌跡控制。

控制系統(tǒng)的電氣接線原理如圖3所示[1，4-5]。FX2N-20GM定位單元的CON3和CON4分別對(duì)應(yīng)連接X軸和Y軸的伺服驅(qū)動(dòng)器相應(yīng)端子，其中FP接伺服驅(qū)動(dòng)器的方向信號(hào)端子，RP接伺服驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào)端子。對(duì)于近點(diǎn)信號(hào)輸入DOG選用光電接近開關(guān)作為標(biāo)志信號(hào)的輸入，正向旋轉(zhuǎn)行程結(jié)束LSF、反向旋轉(zhuǎn)行程結(jié)束LSR選用機(jī)械接觸式行程開關(guān)，其中連接DOG的開關(guān)確定了雙軸伺服系統(tǒng)的機(jī)械原點(diǎn)。伺服電機(jī)自帶有編碼器，連接到伺服驅(qū)動(dòng)器的CN2端子，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖3　雙軸伺服系統(tǒng)電氣接線原理圖

2　雙軸伺服系統(tǒng)的軟件程序開發(fā)

雙軸伺服系統(tǒng)的軟件開發(fā)包括四部分：人機(jī)界面的開發(fā)、PLC主機(jī)程序及其與觸摸屏的通訊程序的編寫、定位單元的定位程序及其與基本單元通信的程序編寫。

2.1觸摸屏界面的設(shè)計(jì)

觸摸屏設(shè)計(jì)有手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，在手動(dòng)模式下能夠控制X、Y軸的點(diǎn)動(dòng)，在自動(dòng)模式下能實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的啟動(dòng)與停止。觸摸屏界面如圖4所示。

圖4　觸摸屏界面

2.2PLC主機(jī)程序及其與定位單元的通信

定位單元啟動(dòng)、停止、點(diǎn)動(dòng)、回零等命令是通過操作特殊輔助繼電器的狀態(tài)來控制的，X軸、Y軸常用的主令信號(hào)和特殊輔助繼電器一一對(duì)應(yīng)，如表1所示。

表1　FX2N-20GM常用特殊輔助繼電器一覽表

在20GM定位單元與PLC主機(jī)之間的通訊數(shù)據(jù)由FROM/TO指令控制。利用三菱PLC的FROM指令可以把定位單元的BFM中的內(nèi)容讀到PLC中，利用TO指令可以把PLC主機(jī)的內(nèi)容寫到BFM中。針對(duì)X，Y雙軸的伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，主要使用了兩個(gè)緩沖區(qū)(BFM#20和BMF#21)[3]，#20號(hào)緩沖區(qū)設(shè)置同步2軸和X軸的運(yùn)行方式，#21號(hào)緩沖區(qū)設(shè)置Y軸的運(yùn)行方式，每個(gè)緩沖通道BFM由16個(gè)位組成，每一位的置位和復(fù)位都具有不同的控制功能，F(xiàn)X20-GM的定位操作是通過觸發(fā)BFM20號(hào)、BFM21號(hào)的位實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)位分配見表2所示。其中，BFM#20號(hào)控制X軸，BFM#21號(hào)控制Y軸，BFM20號(hào)的b1位(M9001)表示開始命令，b2 位(M9002)表示停止命令，b4位(M9004)表示機(jī)械回零命令，b5位（M9005）表示正向FWD點(diǎn)動(dòng)命令，b6位（M9006）表示反向FWD點(diǎn)動(dòng)命令，觸發(fā)b5（M9005）即可實(shí)現(xiàn)正向FWD點(diǎn)動(dòng)，觸發(fā)b6位（M9006）即可實(shí)現(xiàn)反向RVS點(diǎn)動(dòng)。PLC主機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)將通過通信程序傳送至20GM緩沖區(qū)BMF中。

當(dāng)主機(jī)和定位單元連接后，可以通過對(duì)BFM的讀寫來設(shè)定工作臺(tái)的位移、速度等定位數(shù)據(jù)，也可以設(shè)定定位單元的參數(shù)，監(jiān)控當(dāng)前運(yùn)行位置。PLC主機(jī)程序如圖5所示。

圖5　PLC主機(jī)程序

表2　FX2N-20GM緩沖存儲(chǔ)器的分配一覽表

PLC程序中M10為啟動(dòng)，M11為停止，M20 為X軸正向點(diǎn)動(dòng)，M21為X軸反向點(diǎn)動(dòng)，M22為Y軸正向點(diǎn)動(dòng)，M23為Y軸反向點(diǎn)動(dòng)。

2.3定位程序的編寫

定位程序主要采用定位模塊專用的軟件FX?VPS-E進(jìn)行編寫，首先需要在軟件中設(shè)定定位模塊的單位、速度、機(jī)械零點(diǎn)等相關(guān)參數(shù)，然后再利用流程圖進(jìn)行定位程序的編寫，參數(shù)設(shè)置如圖6所示。

圖6　FX2N-20GM相關(guān)參數(shù)的設(shè)置

FX2N-20GM定位模塊提供了豐富的指令和圖形化的流程圖方便用戶編寫定位程序，在本系統(tǒng)中主要采用了定位軟件FXVPS-E提供的流程圖進(jìn)行運(yùn)動(dòng)程序的編寫，這種圖形化的程序開發(fā)簡(jiǎn)單易學(xué)，擴(kuò)展方便[4]。下面提供了一個(gè)方形運(yùn)動(dòng)控制程序開發(fā)實(shí)例。

如圖7所示，這是一個(gè)利用FXVPS-E編寫的直線插補(bǔ)定位程序，當(dāng)觸摸屏將PLC軟元件M0置位后，即可執(zhí)行P1定位程序，它實(shí)現(xiàn)了一個(gè)方形軌跡。因此，通過編寫不同的定位程序，工作臺(tái)就可以得到用戶所需的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖7　FXVPS程序

3　結(jié)論

定位單元FX2N-20GM具有很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制能力，與交流伺服驅(qū)動(dòng)器配合可以實(shí)現(xiàn)高精度的雙軸位置控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟件程序易于開發(fā)，便于用戶根據(jù)不同的需求進(jìn)行使用。經(jīng)過測(cè)試，該控制系統(tǒng)精度較高，開放性、通用性和擴(kuò)展性較好，可以廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

［1］FX2N-10GM和FX2N-20GM硬件編程手冊(cè)［Z］.日本，三菱公司，2002.

［2］三菱FX3U用戶手冊(cè)［Z］.日本，三菱公司，2005.

［3］萬潔蕓.數(shù)控機(jī)床PLC兩軸聯(lián)動(dòng)控制實(shí)例簡(jiǎn)析［J］.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2009，36（1）：107-108.

［4］薛永風(fēng)，朱學(xué)軍，方赟.基于FX2N-20GM的雙軸步進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2011（09）：73-76.

［5］ASDA-AB系列進(jìn)階泛用型伺服驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)［Z］.上海，中達(dá)電通，2008.

(編輯：向飛)

The Design of Two Axis Servo System Based on MCGS and FX2N - 20GM

LIANG Sheng-long
（Zhuhai City Polytechnic，Zhuhai519090，China）

Abstract:The two axis servo system was designed.The design chose FX2N-20GM as core motion controller，combined with the Mitsubishi PLC，MCGS touch screen and delta servo motor driver.The hardware structure and software program of two axis servo system in detail. Through the experiment，the control precision of the system is higher，openness，universality and expansibility is good，can be is widely used in the field of engineering technology.

Key words:FX2N-20GM；positioning module；servo system；PLC；MCGS

作者簡(jiǎn)介：梁生龍，男，1982年生，山西盂縣人，碩士研究生，講師。研究領(lǐng)域：機(jī)械電子工程。

收稿日期：2015－05－14

DOI:10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2015. 11. 025

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009－9492 ( 2015 ) 11－0094－04