基于20GM定位模塊的三軸步進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇偉君， 江吉彬

(福建工程學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 福建 福州 350118)

基于20GM定位模塊的三軸步進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇偉君， 江吉彬

(福建工程學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 福建 福州 350118)

利用FX2N-20GM定位模塊的定位精度高及直線和圓弧插補(bǔ)功能，設(shè)計(jì)基于三菱PLC和定位模塊的三軸步進(jìn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)軟硬件控制系統(tǒng)。并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，說明三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)用模塊化的定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有定位精度高、穩(wěn)定性好、可靠性強(qiáng)等特性。

PLC； FX2N-20GM； 定位； 三軸步進(jìn)系統(tǒng)； 模塊化設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是指通過對(duì)電機(jī)電壓、電流、頻率等的控制，來實(shí)現(xiàn)工作機(jī)械的轉(zhuǎn)矩、速度、位移等參數(shù)的實(shí)時(shí)控制管理，并使其按照預(yù)先設(shè)定的軌跡和參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，以滿足生產(chǎn)工藝及其它應(yīng)用的需要。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機(jī)，是現(xiàn)代數(shù)字程序控制系統(tǒng)中的主要執(zhí)行元件，應(yīng)用極為廣泛，諸如數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、材料輸送機(jī)等各種自動(dòng)化設(shè)備和生產(chǎn)線中[1]176,[2]。

運(yùn)動(dòng)控制器可以選擇單片機(jī)、PLC及專用控制單元等，電機(jī)常選用伺服電機(jī)或者步進(jìn)電機(jī)，如，可以基于C8051單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)三軸伺服轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的控制[3]；利用三菱FX2N-10GM定位模塊可以提高圓臺(tái)磨床的準(zhǔn)確性和靈活性[4]；運(yùn)用數(shù)字積分法設(shè)計(jì)以單片機(jī)作為微處理器的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)兩軸聯(lián)動(dòng)，并且能完成較高精度的運(yùn)動(dòng)軌跡控制[5]；利用定位模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定位控制，可以有效提高步進(jìn)或者伺服系統(tǒng)的控制精度[2,6]。在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中可以選用滾珠絲桿、同步齒形帶、高精度齒輪等高傳動(dòng)精度的機(jī)械裝置，從而提高系統(tǒng)的精度和準(zhǔn)確性。

在實(shí)際應(yīng)用中從控制精度、可靠性、成本等因素考慮，模塊化的測試控制技術(shù)將會(huì)成為工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的趨勢之一[7]，而可編程控制器(PLC)作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，具有可靠性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、功能完善等顯著優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制裝置[8]。

本文提出利用PLC和定位模塊控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制方案及軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)給予驗(yàn)證。

1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

三軸步進(jìn)控制系統(tǒng)主要由三菱PLC控制器、定位模塊FX2N-20GM、觸摸屏、電源開關(guān)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器等組成，硬件控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 硬件控制系統(tǒng)原理圖 Fig.1 The schematic of hardware control system

選擇具有XYZ三軸運(yùn)動(dòng)的滾珠絲桿導(dǎo)軌控制平臺(tái)，選用FX3GA-40MT型號(hào)PLC作為三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的邏輯控制以及對(duì)Z軸的精確定位，XY軸的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制和精確定位則借助專門的定位模塊FX2N-20GM，此定位模塊具有獨(dú)立的cod語言指令系統(tǒng)、編程軟元件、通用的I/O接口，可以進(jìn)行獨(dú)立編程和運(yùn)行控制。20 GM具有獨(dú)立2軸和同步2軸的定位控制模式，可以進(jìn)行快速定位、中斷定位、變速定位、原點(diǎn)回歸、直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)等多種定位操作。并且可以通過FX-VPS-E控制軟件進(jìn)行可視化圖形定位編程[1]413。

在觸摸屏上對(duì)開關(guān)量、指示燈、數(shù)據(jù)寄存器等相關(guān)參數(shù)及動(dòng)作指令進(jìn)行控制，因此可在觸摸屏上對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測以及三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的啟動(dòng)、停止、回零、點(diǎn)動(dòng)、自動(dòng)等指令的操作。

定位控制中的速度、位置控制等數(shù)據(jù)通過特殊數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行存儲(chǔ)，而在初始化程序中，有些數(shù)據(jù)需要傳送到指定的特殊數(shù)據(jù)寄存器中，也有些數(shù)據(jù)是通過定位指令本身給出的。FX2N-20GM的內(nèi)存中有專門的參數(shù)存儲(chǔ)單元，可分為定位控制參數(shù)、I/O控制參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)3類，除系統(tǒng)參數(shù)外，其它參數(shù)同時(shí)被分配到指定的特殊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。

控制系統(tǒng)的電氣接線原理如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)的電氣接線原理圖Fig.2 The electrical wiring schematic of control system

2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為定位模塊程序、定位模塊和PLC兩者之間的通信控制以及PLC控制程序3部分。

2.1 FX2N-20GM定位模塊程序

在FX2N-20GM的編程軟件FX-VPS-E中對(duì)定位模塊的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行初始化參數(shù)設(shè)置，在“機(jī)械零點(diǎn)”參數(shù)對(duì)話框設(shè)置定位軸原點(diǎn)回歸操作時(shí)相關(guān)的速度、信號(hào)邏輯、返回方向、原點(diǎn)信號(hào)計(jì)數(shù)等參數(shù)；在“速度參數(shù)”對(duì)話框中對(duì)定位軸運(yùn)動(dòng)的各種速度、插補(bǔ)周期、加/減速時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)開始運(yùn)動(dòng)之前需要進(jìn)行原點(diǎn)和電氣零點(diǎn)的設(shè)置，在20 GM中關(guān)于原點(diǎn)和電氣零點(diǎn)的指令有4個(gè)，參數(shù)有2個(gè)，如表1所示。

表1 原點(diǎn)和電氣零點(diǎn)的指令參數(shù)

定位模塊的定位程序主要由cod定位指令、m代碼、順序指令組成，當(dāng)執(zhí)行定位程序時(shí)，m代碼被接通，m碼ON信號(hào)就打開，并且m碼編號(hào)被存入特殊數(shù)據(jù)寄存器D中，m代碼ON信號(hào)始終保持ON狀態(tài)直到由PLC發(fā)送m代碼斷開命令，將此命令信號(hào)傳遞給定位模塊相對(duì)應(yīng)的特殊輔助繼電器M中，改變其狀態(tài)。m代碼與特殊M/D及緩沖存儲(chǔ)器(BFM)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2。

以實(shí)際零件加工為例，對(duì)加工零件圖形尺寸重新核算其各折點(diǎn)的位置如圖3所示，其各點(diǎn)坐標(biāo)值分別為：A(20 000,20 000)、B(30 000,20 000)、C(30 000,40 000)、D(35 000,40 000)、E(37 480,40 820)、F(40 000,40 000)、G(45 000,40 000)、H(50 000,20 000)，單位為μm。在計(jì)算時(shí)需要考慮到實(shí)際的加工工藝、刀具、材質(zhì)等因素進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償，本例不考慮實(shí)際補(bǔ)償值，確定加工運(yùn)行的流程如圖4所示。

表2 m代碼與特殊M/D及緩沖存儲(chǔ)器(BFM)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

Tab.2 The correspondence between m code and special M/D and buffer memory (BFM)

類型X軸特殊M/D緩沖存儲(chǔ)器Y軸特殊M/D緩沖存儲(chǔ)器m碼ON信號(hào)M9051#23(b3)M9083#25(b3)m碼OFF信號(hào)M9003#20(b3)M9019#21(b3)m碼編號(hào)D9003#9003D9013#9013

圖3 加工零件各點(diǎn)的位置Fig.3 The position of the points of machined part

圖4 加工運(yùn)行流程圖Fig.4 The flowchart of processing operation

按以上位置坐標(biāo)值及加工運(yùn)行流程圖編寫20 GM定位模塊的cod語言指令定位程序如下：

O10

N01 LD M9057；機(jī)械回零標(biāo)志

N02 CJ P0；已回零跳轉(zhuǎn)到P0

N03 DRVZ；返回機(jī)械零點(diǎn)

N04 SETR；設(shè)置電氣零點(diǎn)

N05 P0；

N06 ABS；絕對(duì)定位方式

N07 DRV X20000 f1000 Y20000 f1000；快進(jìn)至A點(diǎn)

N08 SET Y0；啟動(dòng)Y0

N09 LIN X30000 Y20000 f250；進(jìn)給到B

N10 LIN X30000 Y40000 f250；進(jìn)給到C

N11 LIN X35000 Y40000 f250；進(jìn)給到D

N12 CCW X40000 Y40000 i2480 j820 f250；DF圓弧軌跡加工

N13 LIN X35000 Y40000 f250；進(jìn)給到G

N14 LIN X50000 Y20000 f250；進(jìn)給到H

N15 LIN X30000 Y20000 f250；進(jìn)給到B

N16 RST Y0；停止Y0

N17 DRV X0 f1000 Y0 f1000；返回原點(diǎn)

N18 END；定位程序結(jié)束

根據(jù)以上定位程序在編程軟件FX-VPS-E進(jìn)行控制流程圖程序的編寫，其控制流程圖如圖5所示。

圖5 控制流程圖Fig.5 The flowchart of control

圖6 可編程序控制器和定位模塊之間的通信Fig.6 Communication between programmable logical controller and positioning module

2.2 PLC與定位模塊之間的通信

通過FX2N-20GM定位模塊內(nèi)部的緩沖存儲(chǔ)器(BFM)以及可編程序控制器PLC的FROM/TO指令，并經(jīng)擴(kuò)展電纜可以進(jìn)行兩者之間的通信，如圖6所示，其中FROM 指令把BFM中的內(nèi)容讀到可編程序控制器中，TO指令則把可編程序控制器中的內(nèi)容寫入BFM中。

圖7為PLC與定位模塊之間的通信程序，控制系統(tǒng)通電后M8002接通，將零點(diǎn)位置分別寫入定位模塊的緩沖存儲(chǔ)器BFM#9232(X軸)和BFM#9432(Y軸)，X0和X1為啟動(dòng)和停止開關(guān)。M8000接通，PLC將定位模塊緩沖存儲(chǔ)器BFM#23的bit0-bit3數(shù)據(jù)傳送至M48-M51，將BFM#3數(shù)據(jù)傳送至D3數(shù)據(jù)寄存器，并且也將PLC M7至M0寫入定位模塊的緩沖存儲(chǔ)器BFM#20。定位模塊m代碼ON時(shí)，通過DECO進(jìn)行m代碼信號(hào)的譯碼，將“m代碼0至63”解碼為“M100至M163”。在本段程序中m代碼10解碼為M110，用于驅(qū)動(dòng)Y010，然后在PLC的控制程序中驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外部設(shè)備動(dòng)作，完成m代碼所指定的控制任務(wù)。而在外部設(shè)備動(dòng)作完成后給出完成信號(hào)，此信號(hào)作為m代碼關(guān)信號(hào)傳送至20GM的緩沖存儲(chǔ)器BFM#20中，使BFM#20的b3位置置ON，即M3接通，表示m代碼指令執(zhí)行完畢。

圖7 PLC與定位模塊之間的通信程序Fig.7 Program between for communication PLC and positioning module

2.3 PLC控制程序

編寫可編程邏輯控制器PLC控制程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行整體邏輯控制以及對(duì)Z軸位置的精確控制。在Z軸程序中啟動(dòng)手動(dòng)選擇開關(guān)可以對(duì)Z軸進(jìn)行上下高度的調(diào)整，可以進(jìn)行回原點(diǎn)操作，并通過輔助繼電器M30進(jìn)行回原點(diǎn)標(biāo)志位判斷，Z軸程序和定位模塊進(jìn)行配合完成所要需要的運(yùn)動(dòng)加工軌跡。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)論

根據(jù)以上的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)際的接線以及各參數(shù)的設(shè)置，并將PLC和定位模塊程序分別寫入相應(yīng)的主機(jī)，運(yùn)行三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，得到如圖8的實(shí)際加工零件。通過實(shí)際驗(yàn)證可知，運(yùn)用此三軸控制系統(tǒng)實(shí)際加工得到的零件與所設(shè)計(jì)的加工圖形尺寸具有一致性，并且能夠保證加工精度，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性及有效性。

圖8 實(shí)際加工零件Fig.8 Actual machining parts

綜上可知，定位模塊FX2N-20GM具有很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制能力且定位精度高，與PLC控制器、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器等配合可以實(shí)現(xiàn)高精度的三軸位置系統(tǒng)控制。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，模塊化的控制技術(shù)，使得控制過程更加可靠、穩(wěn)定和抗干擾能力更強(qiáng)，且軟件程序易于開發(fā)，便于用戶根據(jù)不同的需求在工程技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。

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(責(zé)任編輯： 陳雯)

Design of three-axis stepping control system based on 20GM positioning module

Su Weijun, Jiang Jibin

(College of Mechanical and Automotive Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou 350118, China)

The hardware and software control systems of three-axis stepping motion platform based on Mitsubishi PLC and positioning module were designed by using FX2N-20GM positioning module with high positioning accuracy and linear and circular interpolation functions. The experimental results indicate that the three-axis motion platform designed by modular positioning system has the characteristics of high positioning accuracy, favourable stability and high reliability.

PLC; FX2N-20GM; position; three-axis stepping motion system; modular design

10.3969/j.issn.1672-4348.2017.03.011

2017-03-18

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51575110);福建省工業(yè)科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2017HZ0003)

江吉彬(1967-),男,安徽霍山人,教授,博士,主要研究方向:先進(jìn)制造技術(shù)、機(jī)械制造裝備及機(jī)電產(chǎn)品研發(fā)。

TP273

A

1672-4348(2017)03-0253-05