基于三菱PLC的四軸伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 驥 余和青 姜貽樟 劉文波 張 鉑

（中國電器科學(xué)研究院股份有限公司 廣州 510300）

引言

隨著技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化控制在工業(yè)上的需求也變的越來越多，也由于自動(dòng)技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人以及智能制造技術(shù)的發(fā)展，所涉及到的行業(yè)也也來越多。

早期的伺服控制實(shí)際上需要用到專用的運(yùn)動(dòng)控制器，能夠獨(dú)自實(shí)現(xiàn)一定功能的運(yùn)控、工藝技術(shù)需求以及人機(jī)交互需求。但是隨著PLC的發(fā)展，以及PLC在工業(yè)上的廣泛使用，市面上許多知名的PLC品牌大都能實(shí)現(xiàn)多軸伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的伺服控制，同時(shí)在搭配觸摸屏后，使得人機(jī)交互也變得更加友好。

1 控制系統(tǒng)的組成

1.1 控制系統(tǒng)要求

本項(xiàng)目機(jī)械部分主體由水平方向X、Y軸運(yùn)動(dòng)模組、豎直方向的Z軸運(yùn)動(dòng)模組組成，Z軸運(yùn)動(dòng)模組上搭配一個(gè)繞Z軸旋轉(zhuǎn)的伺服機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了XYZ的空間平移及繞Z軸旋轉(zhuǎn)的四自由度運(yùn)動(dòng)。因此，該控制系統(tǒng)需達(dá)到以下要求：

1）控制系統(tǒng)具有友好的人機(jī)交互界面，使得操作性變得更加簡便；

2）控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)軌跡，使系統(tǒng)具有很好的柔性；

3）控制系統(tǒng)具備一定程度的靈敏性，能夠?qū)π盘?hào)有很好的反饋效果；

4）控制系統(tǒng)具有軟限位和硬限位功能，放置系統(tǒng)的運(yùn)行的過程中對(duì)設(shè)備造成損壞。

1.2 電氣部分

該控制系統(tǒng)電氣部分由一臺(tái)三菱FX系列PLC、四臺(tái)A系列三菱伺服放大器、一個(gè)三菱觸摸屏和若干電氣元件組成。PLC與伺服放大器的連接示意圖如圖1所示。

PLC需要接入每個(gè)伺服軸所對(duì)應(yīng)的左右硬限位信號(hào)以及原點(diǎn)位置信號(hào)，同時(shí)需要將輸出的伺服開啟、伺服復(fù)位、伺服脈沖信號(hào)以及伺服運(yùn)行的方向信號(hào)給所對(duì)應(yīng)伺服電機(jī)的伺服放大器上，從而實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制功能。PLC信號(hào)與伺服放大器信號(hào)的連接示意圖如圖2所示。

圖2 PLC信號(hào)與伺服放大器信號(hào)的連接示意圖

2 伺服參數(shù)設(shè)置

在使用伺服電機(jī)之前，需要對(duì)伺服電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在三菱伺服電機(jī)參數(shù)設(shè)置的專業(yè)軟件MR Configurator2上進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。將運(yùn)行模式選擇標(biāo)準(zhǔn)控制模式。如圖3所示。

圖3 伺服放大器運(yùn)行模式選擇

基本參數(shù)設(shè)置如圖4所示。其中旋轉(zhuǎn)方向選擇正轉(zhuǎn)脈沖輸入時(shí)CCW方向或者選擇正轉(zhuǎn)脈沖輸入時(shí)CCW方向均可。編碼器輸出脈沖的相位同樣也是二選一，設(shè)置為默認(rèn)值即可。編碼器的輸出脈沖則根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置，當(dāng)設(shè)置為4 000 pulse時(shí)，則此時(shí)編碼器能分辨電機(jī)的最大速度為69 000 r/min，若此時(shí)點(diǎn)擊運(yùn)行速度超過69 000 r/min，則會(huì)導(dǎo)致編碼器無法正確輸出脈沖，因此編碼器輸出脈沖不可設(shè)置過大。

圖4 伺服放大器基本參數(shù)設(shè)置

位置控制參數(shù)設(shè)置如圖5所示。其中到位范圍和到位范圍單位選擇設(shè)置為默認(rèn)值即可。電子齒輪每轉(zhuǎn)指令輸入脈沖數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況而定，每轉(zhuǎn)指令輸入脈沖數(shù)越大，能分辨的最大運(yùn)行速度就會(huì)越小，此時(shí)使電機(jī)運(yùn)行一圈需要PLC指令中輸入的數(shù)值就越大。指令脈沖輸入形式中的脈沖列邏輯選擇正邏輯或者負(fù)邏輯均可，但是脈沖列輸入形式需要選擇有符號(hào)脈沖列，否則會(huì)導(dǎo)致電機(jī)無法正確進(jìn)行正反轉(zhuǎn)運(yùn)行動(dòng)作。

圖5 伺服放大器位置控制參數(shù)設(shè)置

設(shè)置好伺服放大器參數(shù)后，需要對(duì)PLC中的高速I/O進(jìn)行設(shè)置，完善PLC對(duì)伺服電機(jī)的控制邏輯，以及實(shí)現(xiàn)所需要完成的控制方式。PLC高速I/O基本參數(shù)設(shè)置如圖6所示。其中對(duì)伺服軸的脈沖輸出模式、伺服電機(jī)原點(diǎn)回歸方向、原點(diǎn)信號(hào)、伺服加減速時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

圖6 PLC高速I/O基本參數(shù)設(shè)置

圖7則是對(duì)伺服軸的PLC高速I/O定位數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置。定位數(shù)據(jù)的參數(shù)主要設(shè)置軟元件地址、控制方式選擇。如果選擇插補(bǔ)運(yùn)行，則需要設(shè)置插補(bǔ)的對(duì)象軸。定位地址、指令速度、停留時(shí)間等參數(shù)可以通過對(duì)PLC指令中的軟元件地址數(shù)據(jù)設(shè)置來進(jìn)行修改，因此可以設(shè)置為默認(rèn)值。

圖7 PLC高速I/O定位數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置

3 PLC程序設(shè)計(jì)

通過GX Work3軟件進(jìn)行伺服控制邏輯的程序設(shè)計(jì)，在對(duì)參數(shù)進(jìn)行初始化之后，開始進(jìn)行伺服電機(jī)的原點(diǎn)回歸操作，部分原點(diǎn)回歸程序如圖8所示。其中所涉及的軟元件功能如表1所示。

圖8 部分原點(diǎn)回歸PLC程序

表1 部分軟元件功能

X軸、Y軸、Z軸的原點(diǎn)回歸程序基本一致。對(duì)于第四軸的旋轉(zhuǎn)軸原點(diǎn)回歸需要根據(jù)斷電之前的狀態(tài)來確定，否則就會(huì)造成線纜的損壞。第四軸原點(diǎn)回歸程序如圖9所示。其中所涉及的軟元件功能如表2所示。

圖9 第四軸原點(diǎn)回歸PLC程序

表2 軟元件功能表

軸4旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算公式如下：

考慮到走線的方式，軸4的旋轉(zhuǎn)角度不宜過大，需在±360 °之間運(yùn)行，因此在PLC程序設(shè)計(jì)上需要明確軸4的軟限位位置，以防旋轉(zhuǎn)角度過大從而造成不必要的損失。

4 結(jié)語

通過PLC程序以及相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)，所得到的4軸聯(lián)動(dòng)伺服控制系統(tǒng)具有很好的控制效果，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)不同場景下的控制要求。通過PLC來實(shí)現(xiàn)邏輯程序設(shè)計(jì)，搭配觸摸屏來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作，能夠更好、更便捷的對(duì)伺服電機(jī)的運(yùn)行軌跡進(jìn)行修改，從而達(dá)到控制的要求。經(jīng)過不斷的測試，可以發(fā)現(xiàn)這套系統(tǒng)具有很好的控制精度，具有很好的實(shí)際應(yīng)用意義，同時(shí)該4軸伺服聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)可以在一定情況下代替4軸工業(yè)機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)物料的分揀以及堆垛。