基于PLC的切割机运动轨迹控制系统的设计

２０１２年１月　机床与液压　Ｊａｎ．２０１２　第４Ｏ卷第２期　ＭＡＣＨＩＮＥ　Ｔ０ＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ　Ｖｏ１．４０　Ｎｏ．２　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１２．０２．０２１　基于ＰＬＣ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４５０００１）　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、ＰＬＣ、　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；ＰＬＣ；运动控制单元；触摸屏；交流伺服系统　中图分类号：ＴＰ２７３　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００１—３８８１（２０１２）２—０５９—３　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｃｕｔｔｉｎｇ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰＬＣ　ＷＡＮＧ　Ｚｈｅｎｃｈａｏ，ＬＩＵ　Ｇｕａｎｇｒｕｉ，ＢＩ　Ｊｉｎｇｋａｉ，ＨＵＡＮＧ　Ｚｈｅｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　Ｈｅｎａｎ　４５０００１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｐｒａｃｔｉｃｅ，ｍａｎｙ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｃａｌｌ　ｎｏｔ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅｓ　ａｒｅ　ｖｅｒｙ　ｓｃａｒｃｅ，ｓｏ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｈｉｇｈ—ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｉｓ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ．Ｏｎ　ｔｈｅ　ｏｔｈｅｒ　ｈａｎｄ，ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ｌｅｖｅｌｓ　ｏｆ　ｍａｎｙ　ｃｕｔ—　ｔｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅｓ　ａｒｅ　ｎｏｔ　ＳＯ　ｈｉｇｈ，ＳＯ　ｗｈｅｎ　ｉｎ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅｙ　ａｒｅ　ｎｏｔ　ｖｅｒｙ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ　ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｃｏｎ－　ｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｂｙ　ｍａｔｕｒｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　ｔｅｒｍｉｎａｌ，ＰＬＣ，ｍｏｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｕｎｉｔ，ｓｅｒｖｏ　ｄｒｉｖｅ　ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｔｈｅ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｍｏｄｕｌｅｓ　ｗｅｒｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ　ｄａｔａ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ａｍｏｎｇ　ｔｈｅ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｔｅｐｓ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａ　ｓｉｍｐｌｅ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｗａｓ　ｇｉｖｅｎ　ｔｏ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ．Ｕｓｉｎｇ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ，ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｔｅ　ｍａｃｈｉｎｅ，ｏｐｅｒ－　ａｔｉｏｎａｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｒｅ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｕｔｔｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ；Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ；ＰＬＣ；Ｍｏｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｕｎｉｔ；Ｔｏｕｃｈ　ｓｃｒｅｅｎ；ＡＣ　ｓｅｒｖｏ　ｓｙｓｔｅｍ　切割机的工作原理是用电机带动刀具运动，使工　ＯＭＲＯＮ　ＣＳＩＧ可编程序控制器　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。　ＮＴ６３１Ｃ触摸屏　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　枷伺服驱动器Ｊ　Ｊ　Ｊ，牟由伺服驱动器ｌ　Ｊ　位置检测　统，因为运动控制系统性能的好坏直接影响到加工工　１　１　ｌ　Ｉ　　ｌ。　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　枷加工工件的质量，具有重要的意义。　鼋震ｌｌ编　嚣　．１鲁　ｌ，轴ｌ编　翼　接　近　开　１　系统结构和功能　关　切割机刀具　该系统结构如图１所示。　该系统由ＯＭＲＯＮ　ＣＳ１Ｇ系列ＣＵＰ４５．Ｖ１可编程　图１系统结构图　控制器ＰＬＣ、０ＭＲＯＮ运动控制单元ＭＣ２２１模块、　Ｗ６００１０Ｈ—ｓ２驱动器、ＯＭＲＯＮ　Ｒ８８Ｄ—ＷＴ０８Ｈ交流伺　ＯＭＲＯＮ　ＮＴ６３１Ｃ触屏、ＯＭＮＵＣ　Ｗ系列的Ｒ８８Ｍ．　服电机等五大部分组成。其中，触摸屏做操作员站，　收稿日期：２０１０一ｌ２—０４　作者简介：王振超（１９８４一），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。Ｅ—ｍａｉｌ：ｗａｎｇｚｈｅｎ．　ｃｈａｏｗａｎｇ＠１６３．ｃｏｍ。　・６０・　机床与液压　第４ｏ卷　ＰＬＣ和ＭＣ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ＰＬＣ的ＣＰＵ中，在触摸屏上可以看出　ＰＬＣ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ＲＳ２３２串行口把ＰＬＣ和触摸屏连　接起来，减少了外部信号传输线路，节省了ＰＬＣ的　／１０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ＰＬＣ的控制程序。　该系统所使用的触摸屏型号为ＮＴ６３１Ｃ，有Ａ口　和Ｂ口两个通信口，都是ＲＳ２３２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ＮＴＳＴ，用于制作触摸屏画面，　并且应用ＲＳ２３２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ＰＬＣ内关联字或位内容　决定。制作和传送画面的时候，先用ＮＴＳＴ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ＲＳ２３２串行线将这些信息传送到Ｐ１１。　３运动控制器　该系统中把ＰＬＣ和运动控制单元作为控制元件，　其中ＰＬＣ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　ＣＳ１Ｇ的ＣＰＵ模块、型号为ＭＤ２１５的输入输出混合　模块、型号是ＰＡ２０４的电源模块、型号是ＭＣ２２１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，ｂｌＣ单元通过ＰＬＣ总线与ＣＰＵ单元通信。　其中运动控制单元的模块上有一个ＤＲＶ　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ＣＰＵ单元，所以ＭＣ单元可以和ＰＬＣ本身的ＣＰＵ　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，ＰＬＣ对ＭＣ　单元发出命令，而ＭＣ单元的运动控制程序与ＰＬＣ里　的程序在运行时完全独立。ＰＬＣ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ＣＸ．ｐｒｏ．　ｇｒａｍｍｅｒ和ＣＸ—ｍｏｔｉｏｎ。　ＰＬＣ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ＯＮ”，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ＯＭＲＯＮ公司出产的ＯＭ—　ＮＵＣ　Ｗ系列的伺服驱动器，型号是Ｒ８８Ｍ．Ｗ６００１０Ｈ—　Ｓ２。此系列伺服驱动器的控制电路主要由ＣＰＵ和　ＡＳＩＣ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Ｒ８８Ｄ—ＷＴ０８Ｈ。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ＰＬＣ的切割机运动轨迹控制系统的设计　・６１・　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ＣＮ２　口，再反馈给ＭＣ单元和ＰＬＣ，ＭＣ单元和ＰＬＣ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　ＰＬＣ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ＮＴ－　ｓｓ设置来实现。ＰＬＣ、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。　ＰＬＣ与可编程终端通过ＲＳ２３２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ＣＰＵ中，　同时在触摸屏上实现对操作的监控，可以直接观测到　ＰＬＣ中各个Ｉ／０点状态。　ＰＬＣ和ＭＣ２２１二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ＭＣ２２１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ＰＬＣ梯形图上运用，调用的却是ＭＣ２２１单元　里的Ｇ代码程序。　ＭＣ２２１和伺服驱动器通信时，ＭＣ２２１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ＰＴ；　（２）根据要实现的轨迹所需要的顺序控制编写　ＰＬＣ程序并调试，调试成功后下载到ＰＬＣ；　（３）根据所要达到的轨迹设置ＭＣ２２１中各项参　数，编写运动控制程序以实现轨迹控制，下载到　ＭＣ２２１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（１００，１００）、半径为１０的圆。　ｘ：１００　ｙ：１００　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ＭＣ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ＰＬＣ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ＣＸ—ｍｏｔｉｏｎ中的Ｇ代码　如下：　Ｇ９０　Ｇ０１　Ｘ１００　Ｙ２００　Ｇ１１　Ｇ０３　Ｒ３０　Ｇ７９　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ＰＬＣ资源，又使用了ＰＬＣ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，２００８（１２）：４７—４８．　【２】李淑萍．基于ＰＭＡＣ的慢走丝线切割机床数控系统的研　究［Ｄ］．苏州：苏州大学，２００７：７—９．　【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，２００３（１）：３５—３７．　【４】张丽萍，李卫民，孙洪哲，等．ＰＬＣ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，　２００９（３）：１８１—１８３．　【５】日本欧姆龙公司．Ｃ２００Ｈ　ＭＣ２２１运动控制单元操作手　册［Ｍ］．１９９９．　【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，２００６：３８—４５．