基于PLC的多轴运动控制器的应用研究

0 引言

　　基于PC架构，利用多轴运动控制卡所构建的运动控制器已广泛应用于数控机床等机电一体化设备。由于多轴运动控制卡的专用性，该种方案的实施对于技术人员的要求相对来讲比较高。随着电子技术的快速发展，可编程逻辑控制器(PLC)已由传统的顺序逻辑控制延伸至模拟量控制、运动控制等高端应用领域。本文即是基于高速PLC构建了双CPU的多轴运动控制器，用于全自动端子机的多轴运动控制。全自动端子机主要用于加工在电子和计算机领域大量使用的端子线。该设备可以实现不同线径和定长导线压着金属端子的高速全自动生产，尤其是在线径小于0.5mm2的端子线生产中更具有明显的优势。此类设备目前以从日本、美国和韩国进口为主。

1 系统方案

　　本系统电气部分控制主要采用三菱Q系列PLC、多轴运动控制器Q172、MR.J2S.B系列伺服放大器和HC.SFS系列伺服电机。端子线的机械传送过程主要采用SMC公司的气动元件实现。人机控制界面则采用组态软件进行开发。下面在对全自动端子机的工作过程进行分析的基础上给出控制系统的具体方案。

　　1.1全自动端子机工作过程

　　全自动端子机的工位示意图如图1所示，其工作过程如下：端子机上电，对要加工的端子线线径、加工速度、产量等参数进行设置。系统开始运行，左右两个送线轮开始旋转，将导线送至切线刀口处。由切刀限位开关触发信号控制切刀上下运动以切断电线。进而摆动装置由初始位置a摆动到位置b并触发剥皮电机转动，按设定的剥皮深度确定剥线刀座向前运行的距离并旋转以剥线。由摆动装置将一端剥皮后的导线摆动到位置c，经由上下运动的模头压着导线前端端子。然后摆动装置迅速回转到位置a，送线轮旋转一定角度θ(其中θ=L／R，L为待加工端子线长度，尺为送线轮半径)后停止，气动爪1闭合以加紧电线，切线刀再次上下运动将待加工的定长导线切断。气动爪1通过气动缸体从位置d左移到位置e，气动爪2闭合之后气动爪1松开并回至原位，气动爪2通过由电机带动的丝杆迅速从位置e到达位置f，位置f的限位开关触发剥皮装置，对待加工导线的另外一端进行剥皮。剥皮之后的导线经由气动爪2送回到位置e，气动爪3闭合的同时气动爪2松开导线经由气动缸体送至位置g，再经由电机和丝杆带动气动爪4往复运动完成待加工导线另外一端端子的压着。最后经由气动缸体带动已闭合的气动爪5将加工好的端子线送至成品存放位置i处，从而完成一次端子线的加工过程。以300mm长双端端子线加工为例，其加工周期最短为0.8s。

图1全自动高速端子机工位不意图

　　1.2 系统控制方案

　　对上述端子机的工作过程进行分析可以得出：控制系统不但要完成3个气动缸体、5个气动爪、2个压着端子模头的往复运动(气动元件由电磁阀控制)、切刀切线、端子压着和剥皮检测等二值逻辑控制，还要实现由6个电机带动的摆动装置、送线轮、剥皮装置、气动爪2和4的高速精确位移。

　　如图2所示，二值逻辑控制由三菱Q系列PLC基本CPU(如QOO)实现。而端子机的高速精确位移控制则由三菱Q系列运动控制CPU(如Q172)控制6个伺服电机实现。一个Q172 CPU最多可控制8个同步轴，具备多轴插补、速度控制、软件凸轮定形、轨迹控制等功能，运动指令执行周期仅为0.88ms，为业界速度最高的PLC。Q172 cPu可以共用Q系列PLC的电源模块、基板和I／O模块，适合与Q系列PLC基本CPU一起构成多CPU系统，两者的CPU即可以独立运行亦可以通过专用Q.bus总线使用专用指令和共享存储器等方式进行通信，从而实现系统资源的最优化配置。运动控制Q172 CPU对6个伺服电机的控制通过SSCNET(伺服系统控制总线)高速串行通信总线实现。

图2系统控制方案

　　与传统的基于PC架构和多轴运动控制卡的方案相比，本方案在系统的可扩展性、开发的难易程度、开发周期和可靠性等方面都有着明显的优势。

2 系统控制程序设计

　　系统控制程序设计主要包括系统二值逻辑控制LC程序设计和系统运动控制的程序设计两部分。

　　2.1 程序设计方法

　　系统控制程序采用国际电工委员会(IEC)所制定的标准语言——顺序功能图(SFC)进行设计。基于SFC的设计思路是将系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的阶段，这些阶段称为步(Step)。每一步则根据输出量的状态变化进行划分，且可以嵌套相应的梯形图程序。在任何一步之内，各输出量的ON／OFF状态不变，相邻两步的输出量所发生的使系统由当前步转入到下一步的信号称为转换条件。由转换条件控制代表各步的编程元件，使其状态按一定的顺序变化，并用代表各步的编程元件去控制PLC的输出。因此，基于SFC的PLC程序与基于梯形图的PLC程序相比具有条理性好、可读性强、易于扩展与维护等优点。

　　用以二值逻辑控制的PLC程序开发环境采用三菱GX Developer，GX Simulator和GT Simulator可以实现PLC程序的完全软件化仿真和调试旧1；而对基于运动控制器Q172 CPU的运动控制程序的开发环境则采用MT Developer。MT Developer是用于开发基于运动控制器Q172 CPU应用程序的集成开发环境HJ。通过该开发环境可以实现运动控制SFC程序、伺服系统参数、CAM数据、G代码等相关程序和数据的编辑、调试与监控。

　　2.2 PLC基本CPU与运动控制CPU的通讯

　　在多CPU系统中，PLC基本CPU和运动控制CPU可以采用以下三种方式进行通讯。

　　2.2.1 CPU共享内存的自动刷新

　　在多CPU系统里CPU的共享内存用以CPU之间的数据传送，从000H到FFFH共4096个字节。CPU的共享内存分为4个区域：自CPU操作数据区域、系统区域、自动刷新区域和用户自定义区域。PLC基本CPU的32点(BO到B1F)和运动控制CPU的32点(B20到B3F)进行自动刷新的过程如图3所示。

图3多CPU共享内存不例

　　PLC基本CPU在处理END指令时将其B0到B1F的数据传送到共享内存的自动刷新区域；同时运动控制CPU共享内存的自动刷新区的数据传送到B20到B3F；运动控制CPU在处理主循环时将其B20到B3F的数据传送到共享内存的自动刷新区。同时PLC基本CPU共享内存的自动刷新区的数据被传送到BO到B1F。通过以上操作，写人到PLC基本CPU B0到B1F的数据读取为运动控制CPU的B0到B1F。写入到运动控制CPU B20到B3F的数据，可以自由读取为PLC基本CPU B20到B3F。PLC基本CPU B0到B1F可以用于PLC基本CPU读取或写入，但B20到B3F与运动控制CPU的自动刷新区仅可以用于PLC基本CPU进行读取，不能用于PLC基本CPU写入。同样，运动控制CPU B20到B3F可以被运动控制CPU自由读取和写入，但B0到B1F与PLC基本CPU的自动刷新区仅可以被运动控制CPU读取，不能用于运动控制CPU写入。通过设置共享内存，只需对PLC基本CPU的I／O和数据寄存器进行操作即可实现对运动控制器CPU进行相应的操作和监控。