一種手輪控制的十字工作臺定位系統(tǒng)

俞霞　張愛紅　章嘉恒

摘? 要：為了提高步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)手動(dòng)定位調(diào)節(jié)時(shí)的便利性，文中給出了一種采用手搖脈沖發(fā)生器（手輪）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)定位控制的系統(tǒng)。具體應(yīng)用西門子S7 1200 PLC直接采集手輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的A/B相脈沖頻率，經(jīng)程序處理后控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)十字工作臺進(jìn)行正反向移動(dòng)定位。應(yīng)用實(shí)踐表明：系統(tǒng)具有開發(fā)成本低、可靠性高、人機(jī)交互體驗(yàn)感強(qiáng)等特點(diǎn)，其思路新穎、值得推廣。

關(guān)鍵詞：手輪;PLC;定位控制

中圖分類號：TM383? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）21-0017-03

Abstract： In order to improve the convenience of manual positioning and adjustment of stepping drive system， a motion positioning control system using hand pulse generator （handwheel） is presented in this paper. Specifically， Siemens S7 1200 PLC is used to directly collect the A/B phase pulse frequency while the hand wheel is rotating. After the program is processed， the stepping motor is controlled to drive the cross table to move forward and backward for positioning. The application practice shows that the system has the characteristics of low development cost， high reliability and strong experience of human-computer interaction， and its idea is novel and worth popularizing.

Keywords： handwheel; PLC; positioning control

1 概述

在工業(yè)生產(chǎn)中，眾多運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)要求手動(dòng)進(jìn)行精準(zhǔn)定位，目前市面上的脈沖型定位系統(tǒng)普遍采用手動(dòng)按鍵（或觸摸屏）的方式，即用不同按鍵控制電機(jī)的正反向轉(zhuǎn)動(dòng)，但由于控制臺柜上的按鍵位置固定，不便移動(dòng)，因此對操作人員近距離手動(dòng)調(diào)節(jié)工作臺的位置產(chǎn)生了影響。一般在數(shù)控機(jī)床上可采用手輪操控工作臺移動(dòng)定位，但考慮到數(shù)控機(jī)床普遍采用專用控制器CNC，具有成本高、開放性差等不足，相比較而言，采用通用PLC采集手輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率以控制工作臺定位既可提升操作的便利性，實(shí)現(xiàn)工作臺精準(zhǔn)定位，并可大幅降低硬件投入成本。

2 系統(tǒng)組成

手輪控制的十字工作臺定位系統(tǒng)采用西門子S7-1200晶體管輸出型PLC為主控制器，由PLC采集手輪A/B相輸入脈沖，經(jīng)程序處理后向步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖與方向信號以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器與工作臺相連，最終實(shí)現(xiàn)工作臺的移動(dòng)定位。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢與轉(zhuǎn)動(dòng)方向以控制工作臺的移動(dòng)速度與移動(dòng)方向，系統(tǒng)組成框圖如圖1。

2.1 元件選型

主控制器選用西門子S7 1200 PLC（CPU 1214C DC/DC/DC），板載6個(gè)高速計(jì)數(shù)器和4路脈沖輸出;配PROFINET接口，用于編程、HMI以及PLC間數(shù)據(jù)通信等，其中輸出口Q0.0～Q0.3可用作高速脈沖序列或調(diào)諧脈沖寬度的輸出。當(dāng)作為PTO進(jìn)行組態(tài)時(shí)，以高達(dá)100kHz的速度提供50%的占空比脈沖序列，可用于步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的開環(huán)回路速度和位置控制，以實(shí)現(xiàn)工作臺的移動(dòng)定位。手輪則選擇PLC專用電子手輪，手輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，可產(chǎn)生A/B相脈沖，PLC根據(jù)采集到的脈沖頻率大小與正負(fù)以決定工作臺的移動(dòng)速度與移動(dòng)方向。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇細(xì)分型兩相混合式驅(qū)動(dòng)器DM542，利用撥碼開關(guān)設(shè)定驅(qū)動(dòng)器的電流、細(xì)分參數(shù)等，控制電機(jī)運(yùn)行時(shí)，具有轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小、低速運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 控制線路設(shè)計(jì)

手輪A/B相信號，控制軸使能與倍率開關(guān)等信號接至PLC輸入接口，輸出信號接至X/Y軸步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，再經(jīng)彈性聯(lián)軸節(jié)帶動(dòng)絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)工作臺的移動(dòng)，除手輪指示燈由5V直流電源供電外，其余如X/Y軸步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、PLC等均采用直流24V電源供電，如圖2所示。表1為系統(tǒng)I/O分配表。

3 系統(tǒng)組態(tài)與編程

系統(tǒng)開發(fā)軟件為博圖（TIA Portal V14），博圖是西門子發(fā)布的全集成自動(dòng)化軟件，由于系統(tǒng)架構(gòu)功能完備，能用于各類自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)。本系統(tǒng)在硬件設(shè)備與工藝對象組態(tài)的基礎(chǔ)上，添加了相關(guān)功能FC與功能塊FB，并通過組織塊OB1調(diào)用與編程等實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。

3.1 系統(tǒng)組態(tài)

在項(xiàng)目硬件組態(tài)界面上添加所選的CPU1214C DC/DC/DC（訂貨號：6ES7 214-1AG40-0XB0），為其配置頻率型高速計(jì)數(shù)器HSC_1，工作模式采用A/B計(jì)數(shù)器，時(shí)鐘發(fā)生器A/B的輸入地址分別I0.0與I0.1，為PLC CPU板載輸入，根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)情況將頻率測量周期設(shè)為0.01秒。系統(tǒng)硬件組態(tài)如圖3所示。

添加定位軸工藝對象軸_1（X軸）和軸_2（Y軸），將Q0.0、Q0.1分別配置為X軸的脈沖與方向輸出信號，Q0.2、Q0.3配置為Y軸的脈沖與方向輸出信號。以X軸為例，其軸工藝對象的組態(tài)畫面如圖4所示。

3.2 軟件編程

PLC程序主要由組織塊OB1，倍率選擇功能FC1/FC2/FC3與軟限位功能塊FB1組成。其中主程序OB1中包含了：高速計(jì)數(shù)器指令（CTRL_HSC），軸使能（MC_Power）、復(fù)位（MC_Reset）、回零（MC_Home）、點(diǎn)動(dòng)控制（MC_MoveJog）等運(yùn)動(dòng)控制指令的調(diào)用，除此外新增了采集頻率轉(zhuǎn)換（CONV）、對速度倍率處理功能（FC1/FC2/FC3）以及軟限位功能塊FB1的調(diào)用。

高速計(jì)數(shù)器指令塊調(diào)用時(shí)為HSC輸入端指定硬件標(biāo)識符，需與高速計(jì)數(shù)器HSC1硬件組態(tài)標(biāo)識符一致，本系統(tǒng)為257，手輪脈沖頻率計(jì)數(shù)值存放在ID1000內(nèi)，需調(diào)用CONV將其轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)值以供速度倍率處理功能調(diào)用。其中FC1/FC2/FC3分別對應(yīng)手輪旋鈕的不同倍率，如果倍率改變時(shí)，即使手輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度不變也可使工作臺得到不同的移動(dòng)速度。限位功能塊FB1可防止X/Y軸運(yùn)動(dòng)超程，起到軟限位作用。編程通過對輸出的脈沖計(jì)數(shù)并將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際移動(dòng)位移，在到達(dá)軸左右極限位置前停止移動(dòng)，從而起到保護(hù)作用。

將“手輪脈沖頻率轉(zhuǎn)換為電機(jī)速率的功能（FC1/FC2/FC3）”為系統(tǒng)核心程序，其中FC2功能的實(shí)現(xiàn)例程如下：

IF #handle_speed>0.0 THEN

#for_jog ：=1;

#bck_jog ：=0;

#ctrl_speed ：=#handle_speed*10.0;

ELSIF #handle_speed<0.0 THEN

#for_jog ：= 0;

#bck_jog ：= 1;

#ctrl_speed ：= -#handle_speed*10.0;

ELSE

#for_jog ：= 0;

#bck_jog ：= 0;

#ctrl_speed ：= 0.0;

END_IF;

輸入?yún)?shù)#handle_speed由ID1000轉(zhuǎn)換而來，為Real類型參數(shù)，當(dāng)#handle_speed為正時(shí)，說明手輪正轉(zhuǎn)，結(jié)果將#for_jog置位、#bck_jog復(fù)位，從而控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之亦然;輸出參數(shù)#ctrl_speed為手輪輸入頻率乘以倍率后的電機(jī)速度數(shù)值，作為點(diǎn)動(dòng)控制（MC_MoveJog）時(shí)的輸入?yún)?shù)。點(diǎn)動(dòng)控制例程如下：

圖5 X軸點(diǎn)動(dòng)控制梯形圖程序

其中：M6.0，M6.1分別為正反轉(zhuǎn)控制標(biāo)志位、MD124為電機(jī)點(diǎn)動(dòng)輸入速度參數(shù)，均為“手輪脈沖頻率轉(zhuǎn)換為電機(jī)速率功能（FC1/FC2/FC3）”的輸出值。

4 結(jié)束語

采用手輪正反轉(zhuǎn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)動(dòng)快慢控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，與操作人員的習(xí)慣一致，便于近距離對十字工作臺系統(tǒng)的進(jìn)行位置調(diào)節(jié)。與專用機(jī)床控制器CNC相比，應(yīng)用通用PLC作為控制器具有價(jià)格低廉，通用性好、開發(fā)周期短等特點(diǎn)，因而具有較高的實(shí)用價(jià)值與推廣意義。

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