基于PLC的切割机运动轨迹控制系统的设计.pdf

2 0 1 2年 1月 第 4 O卷 第 2期 机床与液压 MACHI NE T 0OL HYDRAUL I CS J a n．2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 2 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 2 ． 0 2 1 基于 P L C的切割机运动轨迹控制系统的设计 王振超，刘广瑞 ，毕竟锴 ，黄真 郑 州大学机械 工程学院，河南郑州 4 5 0 0 0 1 摘要在实际应用中，很多切割机不能满足加工精度要求，精度高的切割机又十分紧缺，因此发展高精度的切割机很 有必要。另一方面，很多切割机 自动化水平不高，尤其是手动操作的切割机在操作时很不方便。故采用可编程终端、P L C 、 运动控制单元、伺服驱动系统等成熟的控制部件构建切割机运动轨迹控制系统。详细设计此系统的各个模块单元 ，介绍各 个部件之间的数据通信和软件设计步骤，并以一个简单的例子说明了其操作过程。采用此运动系统能使加工工件的质量、 机床的自动化程度、可操作性都得到大幅度的提高。 关键词切割机；运动轨迹控制系统；P L C；运动控制单元；触摸屏；交流伺服系统 中图分类号T P 2 7 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 2 0 5 9 3 De s i g n o f T r a j e c t o r y C o n t r o l S y s t e m f o r C u t t i n g Ma c h i n e B a s e d o n P L C WANG Z h e n c h a o，L I U Gu a n g r u i ，BI J i n g k a i ，HUAN G Z h e n S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y ， Z h e n g z h o u H e n a n 4 5 0 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t I n p r a c t i c e ，ma n y c u t t i n g ma c h i n e c a l l n o t me e t t h e r e q u i r e me n t s o f p r e c i s i o n， an d h i g h p r e c i s i o n c u t t i n g ma c h i n e s a r e v e r y s c a r c e ，s o t h e d e v e l o p me n t o f h i g h p r e c i s i o n c u t t i n g ma c h i n e i s n e c e s s a r y ．On t h e o t h e r h a n d ，a u t o ma t i o n l e v e l s o f ma n y c u t t i n g ma c h i n e s a r e n o t S O h i g h ， S O w h e n i n o p e r a t i o n ，t h e y a r e n o t v e ry c o n v e n i e n t ．T h e r e f o r e ，t h e t r a j e c t o ry c o n t r o l s y s t e m w a s c o n - s t r u c t e d b y ma t u r e d c o n t r o l c o mp o n e n t s ，s u c h a s p r o g r a mma b l e t e r mi n a l ，P L C，mo t i o n c o n t r o l u n i t ，s e r v o d r i v e s y s t e ms ．T h e v a r i o u s mo d u l e s w e r e d e s i g n e d，a n d d a t a c o mmu n i c a t i o n a mo n g t h e v a r i o u s c o mpon e n t s a n d s o f t w a r e d e s i g n s t e p s w e r e i n t r o d u c e d ．A s i mp l e e x a mp l e w a s g i v e n t o i l l u s t r a t e t h e p roc e d u r e ．Us i n g t h i s s y s t e m ， t h e q u ali t y o f wo r k p i e c e ，d e gre e o f a u t o ma t i o n o f the ma c h i n e ， o p e r - a t i o n al p e rfo r man c e are gre a t l y i mp rov e d． Ke y wo r d s C u t t i n g m a c h i n e ； T r a j e c t o r y c o n t r o l s y s t e m；P L C；Mo t i o n c o n tr o l u n i t ；T o u c h s c r e e n ；A C s e r v o s y s t e m 切割机的工作原理是用电机带动刀具运动，使工 件与 刀具产 生相 对运动 ，由此运 动形成 一定 的轨迹 ， 使工件被切割成一定的形状。在实际应用中，无论是 金属还是非金属都要根据实际需要切割成一定的形 状 ，因此应用非常广泛。 在一些精度要求不高的地方，只需要简单的加工 就可以满足实际的应用要求 。但是在一些工件质量 要求严格的地方 ，单靠着简单的加工器具难以达到所 要求的高精度等要求。这时就需要引入运动控制系 统 ，因为运 动控制系统性能的好坏直接影响到加工工 件质量的好坏 。因此对运动控制系统进行研究或 者改进，提高运动控制系统的加工稳定性，从而提高 加工工件的质量 ，具有重要的意义。 1 系统结构和功能 该系统结构如图 1 所示。 该系统 由 O MR O N C S 1 G系列 C U P 4 5 ． V 1可编程 控制器 P L C 、0 M R O N运 动控制单 元 M C 2 2 1模块、 O MR O N N T 6 3 1 C触屏 、 O MN U C W 系列 的 R 8 8 M． OMRO N CS I G可编程序控制器 NT 6 3 1 C触 摸 屏 枷 伺服驱动器J J J ，牟 由 伺服 驱动器l J 位置检测 1 1 l I l 。 枷l 编 鼋 震l 嚣 ．1，轴l 编 鲁 l 翼 切割 机 刀具 接 近 开 关 图 1 系统结构图 W6 0 0 1 0 H s 2驱 动器、O MR O N R 8 8 D WT 0 8 H交流伺 服电机等五大部分组成。其 中，触摸屏做操作员站， 收稿 日期 2 0 1 0一l 2 0 4 作者简介王振超 1 9 8 4 一 ，男 ，在读研究生，从事机电系统理论及其控制技术方面的学习研究。Em a i l w a n g z h e n ． c h a o wa n g 1 63 ．c o m。 6 0 机床与液压 第 4 o卷 P L C和 M C做控制器 ，伺服驱动器做驱动器，电机用 于控制水平面上在某个轴上的运动，检测装置由传感 器和编码器来完成。 2操作员站 该系统中的操作员站使用触摸屏来实现。触摸屏 是人和机器进行对话的界面H ，所需要的加工信息通 过触摸屏写进 P L C的 C P U中，在触摸屏上可以看出 P L C各个输入／ 输出点状态，达到监控运动控制过程 的 目的。 触摸屏是通过外部物体接触面板上的按钮开关或 参数设置来完成工艺流程 的控制 ，面板 上的操作 内容 可 以人为地通过编程软件来进行 编辑 ，同时可以把完 成 的工艺状态显示 在触 摸屏上。触摸屏上设置 了软件 形式的开关和指示灯，代替了实际硬件形式的开关按 钮和指示灯 ，通过 R S 2 3 2串行 口把 P L C和触摸屏连 接起来 ，减少了外部信号传输线路 ，节省 了 P L C的 1／0点，可以使内存资源更加合理地被利用。因此触 摸屏有着 良好的抗干扰特性与应用稳定性 ，表现力更 强 ，并 可简化为 P L C的控制程序 。 该系统所使用的触摸屏型号为 N T 6 3 1 C，有 A口 和 B口两个通信 口，都是 R S 2 3 2串行通信 口。在该 系统中，触摸屏主要完成信号输入功能。触摸屏所用 软件为触摸屏支持软件 N T S T ，用于制作触摸屏画面， 并且应用 R S 2 3 2串行线 ，数据可以在触摸屏和计算 机之 间交换 。 在触摸屏 画面设置 中，可多幅画面重叠或切换显 示 ，显示提醒信息、故障报警信息、图形符号等。每 幅画面显示内容分固定内容和变化内容，固定内容可 为字符和图形，变化 内容由 P L C内关联字或位内容 决定。制作和传送画面的时候，先用 N T S T制作好所 需用的画面后 ，编辑数据内存表、字符串内存表、位 内存表 ，然后用 R S 2 3 2串行线将这些信息传送到 P 1 1 。 3运动控制器 该系统中把 P L C和运动控制单元作为控制元件 ， 其中 P L C将集 中于功能控制上 ，而运动控制单元将 集中于运动信息处理上。此运动控制部分 由型号是 C S 1 G的 C P U模块、型号为 M D 2 1 5的输入输 出混合 模块 、型号是 P A 2 0 4的电源模块 、型号是 MC 2 2 1的运 动控制单元特殊模块等组成。这些模块都连接在同一 个机架上，b l C单元通过 P L C总线与 C P U单元通信。 其中运动控制单元的模块上有一个 D R V X Y驱 动连接器 口和一个 I ／ O 口，驱动连接器 口通过专用连 接电缆连接到伺服驱动器 。运动控制模块 自身还带 有 C P U单元，所以 M C单元可以和 P L C本身的 C P U 并行运行 ，大大提 高了系统的速度和控制功能 。两者 的信息交换是通过数据接 口区来实现的，P L C对 MC 单元发出命令 ，而 M C单元的运动控制程序与 P L C里 的程序在运行时完全独立。P L C程序和 MC程序都可 以在 个 人 计 算 机 上 编 写 ，所 用 软 件 分 别 是 C X ． p r o ． g r a mme r 和 C X mo t i o n 。 P L C的优点主要体现在抗干扰性好等方面，而运 动控制单元的优点在于可以实现 轴、Y 轴两轴联动， 一 个目标位置可以通过不同的运动轨迹来实现。因此， 运动控制单元能用在一些比较复杂的定位系统中。 4交流伺服系统 交流伺服系统是以机床移动部件为控制量的自动 控制系统 ，把来 自控制器的各种指令脉冲信号和插补 运算生成的位置命令，经过一定的信号变换以及电压 和功率放大后通过交流伺服电机来执行，将其变换为 机床移动部件的速度和位移 ，使工作台精确定位或按 规定的轨迹作严格的相对运动 。 交流伺服系统硬件由交流伺服电动机和伺服驱动 器所组成。根据所驱动的电动机的不同，分为直流伺 服 系统 和交 流伺服驱动 。交流伺服驱动 系统按着所采 用的电动机的类型，分为永磁同步电动机交流伺服系 统和感应式异步电动机交流伺服系统。其中前者由于 各方面 的优势 ，在 自动化领 域 中的应 用越 来越 广泛 。 该系统即是使用了永磁同步电动机交流伺服系统。 在伺服驱动器的内部要进行 的控制算法 比较复 杂 ，因此电路结构也很复杂。但是驱动器有各种保护 功能 ，可以单独对驱 动器、伺 服电机 和编码器等 进行 故障检测以起到保护的作用。驱动器的保护功能主要 是对驱动器各种可能的出错等的保护。当某个条件成 立的时候，在驱动器面板上会有报警显示，提醒人哪 里出了问题，而且会关断 “ 伺服O N ” ，这样就保护了 设备。只有当人把此问题消除后，系统才能继续运行。 该平 台中使用 了两个 O MR O N公司出产的 O M N U C W 系列的伺服驱动器 ，型号是 R 8 8 M． W6 0 0 1 0 H S 2 。此系 列 伺 服 驱 动 器 的 控 制 电路 主要 由 C P U和 A S I C两个部分组成，完成电动机的速度控制、位置 控制、电压／ 电流等参数采集 、编码器信号处理、控 制信号输出、保护功能实现以及与其他外设进行接口 等功能。驱动器的显示设定靠人机接 口完成。本平台 中使用了两个伺服电机，型号是 R 8 8 D WT 0 8 H。此型 号交流伺服电机带有编码器，通过采样编码器反馈信 号 ，在内部构成了闭环控制，因此具有诸多的优 良运 动品质 。 5反馈部分 反馈结构具有检测回馈环节，能把输出值和预定 值相比较 ，把差值反馈到输入环节，以提高运动控制 的精度。在运动控制系统中，经常使用检测元件来检 测位置、速度等参数。检测部件测得的信息一方面向 操作员站提供实时信息供下一步的决策和控制调整； 另一方 面建立反馈 回路以形成闭环控制 系统 。在运 动 控制系统中，由于时间常数较小，而且普遍要求测量 精度高、加工精度高、运动程度复杂 ，所以对测量反 第 2期 王振超 等基于 P L C的切割机运动轨迹控制系统的设计 6 1 馈装置有很高的要求。 在检测元件中，增量式编码器是一种经常使用的 反馈元器件 ，可以根据它来采集信号用于检测位置、 运动速度以及运行方向。在该伺服系统中，编码器既 进行位置检测 ，又进行速度检测 ，并将检测到的线切 割机床移动的实际位置信号传送给伺服驱动器的C N 2 口，再反馈给 MC单元和 P L C，M C单元和 P L C采集 反馈的脉冲数以及脉冲频率，以此发送位置指令和速 度指令，电流环在伺服驱动器内部实现。因此构建了 包括 电流环在 内的三环控制结 构。 另外 ，在该平台中也使用了射频开关和涡流型的 开关检测开关 ，用于探测工件坐标的坐标原点位置和 极 限位置。 6系统的综合 6 ． 1数据 通信 P L C和触摸屏通信时，通过关联字或关联位相互 交换数据。而这些关联字或位及其属性可以通过 N T - s s设置来实现。P L C 、可编程终端可相互直接读写这 些位和字节，从而切换显示元素 ，控制操作状态。 P L C与可编程终端通过 R S 2 3 2串行线交换数据。触摸 屏是人机界面，加工数据通过触摸屏写入 C P U中， 同时在触摸屏上实现对操作的监控，可以直接观测到 P L C中各个 I ／ 0点状态 。 P L C和 MC 2 2 1 二者之间的通信正是通过特定的 功能位来实现的。在运动控制单元 M C 2 2 1中，有很 多的操作位，比如相对原点返回位 、减速停止位等， 这些位都有指定的特定功能。比如调用 G代码控制 位 ，在 P L C梯形 图上运 用 ，调用 的却 是 M C 2 2 1单元 里的 G代码程序。 MC 2 2 1 和伺服驱动器通信时，M C 2 2 1单元发出 自动执行命令或者手动指令命令，伺服驱动器接受此 命令 ，并且此命令经过伺服驱动器处理后用来控制伺 服 电机 。 6 ． 2 设计步骤 在试验硬件完成的情况下 ，所要进行的软件设计 及调试步骤如下 1 运用触摸屏制作软件制作可编程终端上的 各个画面 ，画面上包括各个所需输入输 出可触按钮所 要实现的曲线轨迹 ，在其中进行必要的设置 ，并传输 到 P T ； 2 根据要 实现 的轨迹 所 需要 的顺 序控 制 编写 P L C程序并调试 ，调试成功后下载到 P L C ； 3 根据所要达到的轨迹设置 MC 2 2 1中各项参 数，编写运动控制 程序 以实 现轨迹控 制，下 载到 M C 2 2 1 单元中； 4 根据实际需要调整伺服驱动器的各个参数； 5 实际整体调试，直到达到理想的效果。 6 ． 3 应 用举例 在触摸屏上制作的画面如图2所示，子画面如图 3所示。所要运行的曲线为圆，若设 平面的原点 绝对坐标是 0 ，0 ，要使刀具走到相对此点 ，圆心 坐标为 1 0 0 ，1 0 0 、半径为 1 0的圆。 x 1 0 0 y 1 0 0 图2 触摸屏主画面 图3 触摸屏子画面 系统调试成功后在实际应用中所要进行的操作如 下首先按下 “ 电机上电”按钮，其次按下 “ 伺服 锁定按钮” ，系统会根据 M C中的设定进行 “自动搜 索原点”到 平面的原点；按下 “ 运行 G代码”按 钮 ，通过 P L C和 MC模块里的程序 ，在试验台上画出 所 示的圆。 在运 动控制单元 编程软件 C X m o t i o n中的 G代码 如下 G 9 0 G 01 X1 0 0 Y2 0 0 G1 1 G0 3 R3 0 G7 9 7结论 由于该 系统 既引进触摸屏 ，减少 了电元器件引起 的故障、节省 P L C资源，又使用了 P L C和运动控制 单元作为控制元件，使其抗干扰能力强、稳定性高， 还应用了伺服系统闭环控制回路 ，所以该运动控制系 统运动误差小。应用该控制系统的建立能使切割的精 确性、稳定性和加工精度都得到很大程度的提高。 参考文献 I 1 】 张宏斌， 贾志新． 高速走丝电火花线切割机床可靠性研 究现状与展望[ J ] ． 机械工程师， 2 0 0 8 1 2 4 7 4 8 ． 【 2 】 李淑萍． 基于 P M A C的慢走丝线切割机床数控系统的研 究[ D] ． 苏州 苏州大学 ， 2 0 0 7 79 ． 【 3 】王斌 ， 周湛学， 刘玉忠． 数控线切割机床加工精度的提高 与实现[ J ] ． 河北工业科技， 2 0 0 3 1 3 5 3 7 ． 【 4 】张丽萍， 李卫民， 孙洪哲， 等． P L C伺服电机和触摸屏在 模内自动贴标机中的应用 [ J ] ． 辽宁工业大学学报， 2 0 0 9 3 1 8 1 1 8 3 ． 【 5 】日 本欧姆龙公司． C 2 0 0 H M C 2 2 1 运动控制单元操作手 册 [ M] ． 1 9 9 9 ． 【 6 】t／ l , 澄， 袁立宏， 等． 可编程控制器运动控制技术[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 6 3 8 4 5 ．