（机械电子工程专业论文）基于plc的切割机运动控制系统的设计.pdf

摘要摘要激光切割机广泛应用在各个行业中，但我国的激光切割机大多数是品质较低的c 0 2 激光切割机，其中激光器功率低、加工的工件表面精度与质量都比较差，整机的柔性与稳定性也亟待改进，其中的控制系统是国外的通用机床控制器，因此控制系统不具有开放性，很难在此基础上进行二次开发，很难把图形编程软件集成到控制系统里面。随着信息技术产业的不断发展和工业自动化程度不断的提高和产业的不断升级，p l c 、触摸屏、运动控制单元的应用变得越来越普遍，对激光切割机的改造和技术更新、对其运动控制系统的研究成为必然。基于此，本文提出了本课题的研究方向。阅读了大量有关激光切割机的文献资料，了解了激光切割机在国内外的发展现状，深刻的认识了p l c 、触摸屏、运动控制单元的发展状况以及基本原理。分析了激光切割机装置的工作原理，选择了此运动控制方案，即决定开发一种基于p l c 、触摸屏、运动控制单元的激光切割机运动控制系统。本系统利用触摸屏输入轨迹再进行简单的按钮操作就能在工件上切割所预定的轨迹形状，有两种操作模式，即手动模式和自动模式。为了完成此控制方案，本课题进行了控制系统硬件和软件的设计，所做的工作主要有以下几个方面。1 了解了激光切割机现状，提出了三种控制方案，并且经过三种方案各自优缺点的比较，最终选择基于触摸屏、p l c 、运动控制单元等组建一套激光切割机运动控制系统。2 对控制装置的硬件进行了挑选，选用n t s t 6 3 1 c 型号的触摸屏，选用c s i g型号的p l c ，选用o m r o nm c 2 2 1 型号的运动控制单元。介绍了各个部分的构成、各个部件的操作以及它们之间的通信。3 根据系统的控制要求，进行了触摸屏界面设计，包括手动自动操作选择界面、直线轨迹运动、圆弧轨迹运动、椭圆弧轨迹运动、多边形轨迹运动、抛物线轨迹运动等众多轨迹的参数设置界面；编制了与触摸屏相对应的p l c 初始化程序、传送数据程序和调用g 代码的程序等。在运动控制单元的编程软件c x m o t i o n 中，针对各轨迹编制了g 代码程序，并且对运动轴的各项控制进行摘要了设置。本系统工作可靠性高、稳定性强。使用触摸屏作为控制界面，更加的人性化，是人机对话更加的方便快捷。实现了轨迹控制功能，尤其是使用p l c 强大的计算功能，实现了难以实现的轨迹控制。关键词：激光切割：p l c ：触摸屏；运动控制单元a b s t r a c ta b s t r a c tl a s e rc u t t i n gm a c h i n ei sw i d e l yu s e d ，b u tt h em a j o r i t yi so fl o w e r - q u a l i t y ，w h i c ha r ec 0 21 a s e rc u t t i n gm a c h i n e c h i n ap r o d u c t1 a s e rc u t t i n gm a c h i n e ，i nw h i c ht h el a s e rp o w e ri sl o w , c u t t i n gt h eg a pi sv e r yw i d e ，t h ep r o c e s s i n go ft h ew o r kp i e c es u r f a c ea c c u r a c ya n dq u a l i t yi sp o o r , a n dt h es t a b i l i t yo ft h ew h o l em a c h i n en e e d st ob ei m p r o v e df l e x i b i l i t y m o t i o nc o n t r o ls y s t e mo fl a s e rc u t t i n gm a c h i n ei ss t i l lu s i n gaf o r e i 鲫g e n e r a lm a c h i n ec o n t r o l l e r ，t h er e s u l t i n gp r o b l e mi st h a tt h es y s t e md o e sn o th a v et h eo p e np r o p e r t y , o nw h o s eb a s i st ob u i l du pas e c o n dd e v e l o p m e n ti nt h ea t t e m p t , s oi ti sd i f f i c u l tt oi n t e g r a t eg r a p h i c a lp r o g r a m m i n gs o r w a r ei n t ot h ec o n t r o ls y s t e mi n s i d e b u tw i t ht h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi n d u s t r yc o n t i n u o u s l yd e v e l o p i n ga n d 诵也i n d u s t r i a la u t o m a t i o nc o n t i n u o u s l yi m p r o v i n g p l c( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，t o u c hs c l e e n ，m o t i o nc o n t r o lu n i ta p p l i c a t i o n sb e c o m em o r ec o m m o n , b u ta l s ow i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fi n d u s t r i a lu p g r a d i n g ，t h et r a n s f o r m a t i o na n dt e c h n o l o g yu p d a t e so fl a s e rc u t t i n gm a c h i n eb e c o m ean e c e s s i t y , l a s e rc u t t i n gm a c h i n em o t i o nc o n t r o ls y s t e mh a sb e c o m ei n e v i t a b l e b a s e do nt h i s ，t h er e s e a r c ht o p i ci sp r o p o s e d b yr e a d i n gal o to fl i t e r a t u r eo nt h el a s e rc u t t i n gm a c h i n ed e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a d ，t h ep l c ，t o u c hs c r e e n ，m o t i o nc o n t r o lu n i ta n dt h ed e v e l o p m e n to ft h eb a s i cp r i n c i p l e sa r er e v i e w e d b ya n a l y z i n gt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h el a s e rc u t t i n gm a c h i n ed e v i c e ，t h i sm o t i o nc o n t r o lp r o g r a mi ss e l e c t e d ，a n dm o t i o nc o n t r o ls y s t e m si sd e v e l o p e do ft h el a s e rc u r i n gm a c h i n ew h i c hi sb a s e do np l c t o u c hs c r e e n , m o t i o nc o n t r o lu n i t s oas i m p l eb u t t o nc a nb eo no p e r a t i o nt oc u tt h ew o r kp i e c eb yap r e d e t e r m i n e dt r a j e c t o r ys h a p e t oc o m p l e t et h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o lp r o g r a m ，d e s i g nw o r ki sm a d eo nt h ec o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e p r e s e n tp a p e l h a sa l r e a d yd o n er e s e a r c hw o r ki nt h ef o l l o w i n ga r c a s ：1 a f t e rt h eu n d e r s t a n d i n go fl a s e rc u t t i n gm a c h i n e , t h r e ec o n t r o lp r o g r a m si sp r o p o s e d ，a n dt h r o u g ht h ec o m p a r i s o no fa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h r e eo p t i o n s b u ta l s oo nt h ea c t u a ls i t u a t i o n ，t h et h i r ds e l e c t i o ni sm a d ew h i c hb a s e do nt h et o u c hs c l - e 圮q 1 ，p l c ，m o t i o nc o n t r o lu n i tt os e tu pam o t i o nc o n t r o ls y s t e m so fl a s e rc u t t i n gm a c h i n e 2 h a r d w a r ed e v i c e sa r es e l e c t e d ，i n c l u d i n gt o u c hs c r e e nm o d e l sa sn t s t 6 31c ，m o d e l so fp l ca sc s1gm o t i o nc o n t r o lu n i tm o d e la so m r o nm c 2 21 a n dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e mi sd e s c r i b e d 3 a c c o r d i n gt ot h es y s t e mc o n t r o lr e q u i r e m e n t s ，at o u c hs c r e e ni n t e r f a c ei sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gm a n u a l a u t o m a t i co p e r a t i o ns e l e c ts g r e e n ，l i n e a rt r a j e c t o r y ,t r a j e c t o r ya r c ，e l l i p t i c a la r ct r a j e c t o r y , p o l y g o nt r a j e c t o r y , p a r a b o l i ct r a j e c t o r yi i i a b s t r a c tp a r a m e t e r s ，a n dm a n yt r a c ei n t e r f a c e ；a p l ct o u c h $ c r e o ni sp r e p a r e dt ot h ei n i t i a l i z ep r o c e ：c l u r e ，a n dt oc o n v e yd a t aw h i c hc a l lgc o d ep r o g r a m sa n dp r o c e d u r e s i nt h ec x - m o t i o np r o g r a m m i n gs o f t w a r eo ft h em o t i o nc o n t r o lu n i t , t h et r a j e c t o r ygc o d ep r o g r a mi sd e v e l o p e d ，a n dt h em o v e m e n tc o n t r o lo fa x i sw a ss e t o p e r a t i o n a lr e l i a b i l i t ya n dt h es y s m ns t a b i l i t yb e c o m eh i g h e r u s i n gt h et o u c hs c i e e na st h ec o n t r o li n t e r f a c em a k e si tm u c hm o r eh u m a n e a n dh u m a n c o m p u t e rd i a l o g u ei se v e nm o r ec o n v e n i e n t t r a j e c t o r yc o n t r o lf u n c t i o n sa r ea c h i e v e d ，p a r t i c u l a rd i f f i c u l tt r a j e c t o r yc o n t r o li sa c h i e v c db yt h eu s eo f p o w e r f u lc o m p u t i n go fp l c k e y w o r d $ ：l a s e rc u t t i n g ；p l c ；t o u c hs c r e e n ；m o t i o nc o n t r o lu n i ti v 1 引言1 引言1 1 课题研究背景及意义1 1 1 激光切割机的发展与应用世界上第一台激光器是在1 9 6 0 年产生的，目前激光器已经应用到了很多领域中。这是由于激光器特有的优点造成的，它的独特性就在于激光的单色性高、亮度大、方向性强、相干性高。四年之后的1 9 6 4 年发明了激光切割机，而且在金属加工领域里面开始应用。因为当时的激光输出的功率很小，所以只能加工薄板材。1 9 8 9 年进而推出了搭载型激光切割机心1 ，这是一种大型切割机，能够用于碳钢的中厚板切割。现如今，随着激光发生器的改进、切割机本身的进步、外围装置的不断技术更新，现在切割的板厚厚度已经能达到2 5 m m 。激光切割的优点在于切割速度很快，因此直接的结果就是加工效率很高；由于热影响区小、切割断面光滑度高，因此切割的质量很高；切割的对象很广泛，无论是非金属材料或者是金属材料，无论是板厚或者薄h ，都有它存在的身影。基于激光切割的巨大优势，无论是国外或者是国内都十分重视激光切割技术的应用与进一步的发展。国外是以2 0 左右的年增长率快速发展，仅以日本为例，日本对于激光技术的重视与应用极为罕见。仅c 0 2 激光加工机的总量占全球总量的1 3 ，而这其中4 5 都是激光切割设备。虽然我国激光技术的基础不好，目前仅仅只有几百套设备在生产中使用，但是我国每年是以2 5 以上的速度快速增长。因此我国对激光切割的推广力度与决心都很大，相信会在不久的几十年的时间里激光切割巨大的优势与巨大的潜力将在中国这块经济腾飞的大陆上发挥出来。在某一些领域中，传统的加工技术不能够满足工业发展的需要，而激光加工技术与激光加工设备应运而生，将会逐渐代替这些传统的方法与设备。而激光切割是激光n i 技术中举足轻重的一项，也是时间上使用最早、规模上使用最多的激光加工方法。激光切割得到广泛应用的原因是由于它众多的优点，然而也要知道激光切割机中所面临的难题，就是激光功率与切割的厚度、切口的宽度和切割质量有很大的关系。功率大，切割的厚度大，切割速度快，但是切1 引言口宽哺1 。因为激光切割机是在工业中需要而产生的，所以在工业领域中也应用最为广泛。随着时间的推移，工业领域中越来越离不开激光切割机的存在，激光切割业已成为工业生产中不可或缺的加工工具。激光切割机已经不仅仅局限于工业领域里面，而且已经进入到各个领域，进入到千家万户的各种产品当中。1 1 2 我国的激光切割机的现状我国的激光切割机的分布主要集中在沿海一带的大城市中。最大的国产激光切割机制造商是上海雷鸥激光设备厂，年产量3 0 台c 0 2 激光器，主要应用在焊接与表面热处理中；南京东方激光公司引年产量1 0 台c 0 2 激光器；长春光机所与上海光机所、北京机床研究所、北京机电研究院近年以来生产出了国产的数控激光切割机。现如今我国仅有不足1 0 0 0 整台套激光加工系统。这是数量上与国际上的差距，从激光切割机的品质上也有漫长的路程要走。我国的众多厂家的激光加工部门中，虽然有一些激光切割机，但是绝大多数是品质较低的c 0 2 激光切割机。尽管我国已经有一些厂家生产出了激光切割机，但是其中的激光器功率低、切割缝隙很宽、n i 的工件表面精度与质量都比较差，整机的柔性与稳定性也亟待改进。国产激光切割机中的控制系统使用的是国外的通用机床控制器，因此造成的问题就是系统不具有开放性，很难在此基础上进行二次开发方面的尝试，很难把图形编程软件集成到控制系统里面。从这里可以看出，我国的高速度的激光切割机、高精度的激光切割机、能够切割厚板材的激光切割机、具有自动化功能的激光切割机都有巨大的市场差额。因此我国对激光切割机无论是数量上或者是从质量上都是刻不容缓要改变的任务。1 1 3 研究本课题的意义由我国的发展现状可以看出，发展研发高速度的、能切割大面积大厚度的、自动化程度高的、加工范围广、能加工复杂曲面多自由度的激光切割机是激光切割领域里面要做的工作，也是我国激光切割产业中要重点发展的对象。激光切割机加工出来的工件质量和控制系统是密不可分的。激光切割机在原有功能基础上加上自动控制，以较快的速度对板材加工，在我国应用市场将会很广阔h 1 。一2 一i 引言因为复杂轨迹的轨迹问题是高速度和高精度的重要决定因素，因此人们大量的研究了复杂轨迹的轨迹问题。尽管有很大的进展，但是仍旧存在着许多棘手的问题，如速度曲线不平滑、速度波动幅度大、加速度太大等诸多问题，因此系统的动态性能依1 日处在比较低的水平。我国对激光切割机的依赖，也会促进激光切割机研究的进程。我国对国外切割机技术的依赖尤其是对其控制系统的依赖也已经在部分程度上制约了经济的发展。因此，我国要脱离国外切割机控制系统的限制，研究国产的控制系统变得异常实际和刻不容缓。在我国现有激光切割机的基本功能上，引进更为先进的自动控制系统，以较快的速度对各种板材进行各种轨迹的自动加工，将会是我国研究的重要课题和在目前这一个阶段里激光切割机的主要发展目标。基于我国这种被动的局面，本文对此运动控制系统作了一定的研究。控制系统使用p l c 、触摸屏、运动控制单元等部件组建激光机运动控制系统。以触摸屏实现更加易于管理和操作的友好的人机对话界面，以运动控制单元作为运动控制的核心部件，此单元存储了运动的速度、位置以及各样的参数，用p l c来实现激光光束控制和辅助气体控制。此系统也将会给二次开发带来很大的方便，只需要简单的学习相关软件即可以很快的学会编写其他更多的复杂轨迹，达到精确的运动轨迹控制。1 2p l o 技术的研究与发展虽然目前p l c 已经在众多的领域中应用，很多人都接触过这个概念，很多工程技术人员都使用过p l c ，但是p l c 的发展历史并不长，仅仅在1 9 6 8 年才生产出来聃3 。p l c 的发展也绝非偶然，它代表了现在工业控制技术的发展趋势，是新生的一代控制器。p l c 的应用如此广泛，又代表了工控技术的发展趋势，因为它具有异常强大的功能。p l c 的基本功能体现在开关量控制上，这也是p l c 发展初级阶段的主要功能，是为了取代继电器电器电路而发展起来的。但是如今它的模拟量控制功能也常被应用在实际的控制中。p l c 能够进行层次清晰的逻辑判断，又有类似单片机的定时和计数功能，还能进行记忆和算术计算阳3 。p l c 的功能除了基本的开关量控制和模拟量控制之外，还有以下常用的功能，运动控制、过程控制、数据处理和通信功能u 们。p l c 还具有高速计数功能，实现位置的闭环检测和反馈控1 引言制n 。其中，运动控制是指用专用的运动控制模块实现直线控制或者圆弧轨迹控制。世界上几个主要的p l c f n 造商几乎都有各自的运动控制单元。过程控制是指对温度、压力等模拟量的闭环控制。p l c 能编制控制算法程序完成闭环控制。p l c的过程控制的应用场合相当广泛，比如锅炉、热处理、冶金等行业里面。数据处理功能是指现代p l c 所拥有的数学运算、数据传送、数据转换、查表、排序、位操作等功能，完全能够完成数据的采集、分析和处理n 羽。这些所采集的数据能够和存储器中的标准值比较，然后按照一定的算法或者规则进行控制。数据处理在小型控制系统中很少看到，但是在大型控制系统中却会经常出现。数据处理的功能也会出现在过程控制当中。p l c 通信功能包含了p l c 和p l c 、p l c 和其他智能单元两个方面的通信。最新出厂的p l c 都具有通信接口，这也为p l c 的更广泛的应用奠定了坚实的基础。p l c 是在微计算机计数的基础上发展起来的，因此具有计算机的特色；又加上外围线路的改进，引进抗干扰的技术，因此又具有与计算机不同的特点。由于p l c 本身的硬件结构组成，其对环境的适应能力很强，这与抗干扰技术的引入有巨大的关系。因为它具有硬件故障的自我检查能力，并输出警报信息，所以故障率大大降低。p l c 的系列化、规模化、模块化，功能齐全也是其应用广泛的一个重要原因。尽管p l c 功能如此强大，但是学习起来却轻松容易，很容易上手，上手之后也易于得心应手的使用，这和触点代替电器元件实体有关，只需要改变内部程序，就相当于改变了电气电路，因此易于开发和研究，研发周期也大幅度缩短。尽管p l c 已经十分的完善，但是正向各个技术一样，都有它前方要走的道路，都有它本身的发展趋势。p l c 应具有更良好的兼容性，虽然目前有一些p l c 是有通信功能的，但是这些功能还不完全，兼容性有利于网络化，有利于集群控制，以实现那些难以靠单机实现的目标。现在有个别的p l c 已经具有c c + + 语言作为编程语言，但这种高级语言还不普遍，高级语言有利于提高编程效率，有利于人的理解。p l c 应具有更多的功能。现在也有很多的功能模块，如运动控制模块、位置控制模块等，使用模块化能够快速的组建控制系统完成所要达到的控制要求。另外，除了往大的方向即网络化方向发展之外，小型化是另一个相反的发展方向。小型化的p l c 成本低，有利于照顾到那些没有条件使用大型p l c 的厂家，往大型和小型发展都是为了满足一4 一1 引言不同类型用户的需求。1 3 触摸屏技术的研究与发展随着控制器技术的不断发展而且得到不断扩展的应用规模，仅仅使用开关或者按钮作为控制方式来控$ 1 j p l c 远远没有发挥出p l c 本身所具有的潜力和优势，其实在很多p l c 的使用场合，人们使用的仅仅是p l c 的最基本的或者说是最简单的功能，它的很多功能人们几乎见也没有见过或者昕过，因为一般情况下人们只是使用它的触点功能，它强大的数据处理和数学计算功能几乎也应该引起人们足够的重视。为了使p l c 的本身所具有的强大功能得到发挥，也为了提高系统的自动化水平，使控制水平达到更高的层次，人们开始开发新的控制界面，以扩展和改变仅用p l c 触点或者按钮的现状。人机接口就是这种理念产生之后一个必然的产物。人机接口是指控制系统和技术人员二者之间具有对话和相互作用功能的专用设备。从广义上说是泛指p l c 和技术人员之间的信息交换的任何设备n 羽。触摸屏从功能上来说是由检测部件和控制器组成，其中检测元件用于检测和收取触摸信号；控制器的功能在于把上述测得的信息转化成触电坐标，发送到中央处理器里面，并收取从中央处器理发来的指令并且加以执行n 舶。人机接口的性能非常良好，因为它本身是为了在工业现场使用而且是按照工业现场标准设计的。因此它能在条件恶劣的场合稳定工作很长的时间而仍旧具有很高的可靠性。人机接口按类型来分可以分为文本显示器、触摸屏和操作员面板。而触摸屏是后来才发展起来的人机接口，具有很强大的功能、很高的稳定性，而且很方便学习和使用，因为这些不可比拟的优点使它的使用范围非常的广泛。触摸屏最基本的功能是在于p l c 的合作配合中体现出来的，触摸屏上的虚拟按钮和虚拟图形本身在p l c 中有数据存储位对应，这些位可以以0 和1 代表它所代表的实体的o f f 和o n 。显然的这样会节省众多的继电器、接触器之类的电气元件，而这些电气元件本身易于出故障，而且使用这些电气元件来施行控制是比较困难的，需要进行专门的训练和学习才能够掌握。因此原本经常在电气中使用的开关、按钮和信号灯等都被触摸屏中的一个图标代表了。触摸屏在1 引言硬件结构上集成了控制单元、触摸面板和数据储存单元和液晶显示屏n 副，这也正是它能被用来代替开关、按钮的硬件原因。除了上面所说的触摸屏中以图形来代表按钮等功能外，触摸屏经常被用到的功能还有以下几个方面。触摸屏具有显示功能，可以把系统运行的状态比如各项参数的值以曲线的形式在触摸屏幕上表达体现出来。由于所有的重要参数都能够通过在触摸屏上显示的方式表达出来，人们就一目了然的看到系统目前所处的状态和所在的状况。因此工作人员可以及时快捷的掌握系统的运行信息，这些信息可以作为下一步的决策信息。触摸屏可以记录生产过程中的数据，甚至还可以进行简单的数值和逻辑计算。触摸屏还有警报功能，当系统出现故障时，触摸屏会发出声音作为警报，因此可以第一时间知道故障的存在和发生，为及时排除故障和保护设备提供了极为有利的条件。触摸屏的使用范围很广，已经使用在各个控制系统里面n 6 1 明。如灭菌器上、自动灌装机上、水厂实时控制中等。触摸屏虽然较多应用在简单的功能上，但是也在众多高端领域开始崭露头角，如网络通信、数据储存等。由于网络技术的飞速发展，人们的生活也随着网络产生了日新月异的变化。各项技术都在面临这网络化的机遇和挑战。触摸屏的一个发展方向就是网络化。目前的触摸屏可以和众多局域网连接通信，如三菱的c c - l i n k 、欧洲的d e v i c e - n e t 总线、西门子的p r o f i b u s 等。但是这些之间却各自采取各自的通信协议，相互之间不能兼容，因此限制了其使用范围只在小范围内。触摸屏制造商因此不得不针对不同的协议配备不同的通信单元，致使触摸屏成本大幅上升。尽管如此，也有厂家已经进行了网络化的尝试，并取得一定成果。如日本的p r o f a c e 公司就研制除了带以太网口的g p 2 0 0 0 系列触摸屏。触摸屏的网络化势在必行，随着技术的不断深入和发展，触摸屏会有更大程度和更大领域的发展和应用。由于触摸屏的抗干扰特性和稳定性好、表现力强，简化了为p l c 的控制程序，因此在工业生产或者日常生活等不同环境下将会有着阔的发展应用前景啪】。1 4 运动控制器和发展和应用运动控制是在电机驱动发展之后才发展起来的，因为它发展的基础就是伺服控制。运动控制不仅仅是一门学科或者一种技术，而是数控技术、自动化技一6 一1 引言术等很多种学科或者技术发展的产物，是这些学科的交叉和延伸。运动控制技术是在各个学科的基础上发展起来的，而且目前也成了很多新技术的基础，如全闭环交流伺服驱动技术、运动控制卡等瞳1 能，。传统意义上的运动控制和现今所见意义上的运动控制有很大的不同，这是运动控制发展的必然结果。传统意义上的运动控制系统只是机械部分加上简单的电气部分。从功能上来说，传统意义上的运动控制系统所做的工作比较少。随着人们对各项技术的不断研究，各个学科的知识不断增长，技术人员似乎必然的把眼光延伸到了电子控制方案上。电子方案就是指技术人员开始引进脉冲观念，并且运用这个基本概念来思考运动控制的问题。因此脉冲的概念现在看来相当的普遍，无论是运动的启停或者方向等几乎都已经使用了脉冲来表达。现代的控制系统不光从脉冲这个概念作出重要的思考，而且在执行机构方面也做了大量的探索。执行机构的机械部分由原来的简单变成现在很复杂的状况，功率放大和驱动方面更加紧凑，传感器也更加智能和精密。另外，现在的运动控制也从当初的运动控制概念中脱离出来，因为当初的确是针对运动的控制，现在却也应用在对各个固定部件的运动协调。这种现在的控制不在仅仅限于一个运动轨迹的控制，它的深层和实际的意义更在于实现更多的目标。这种运动控制更加的集成化，无论是执行机构或者是其他部件都组成一个系统共同作业，各个部件之间互相影响，每一个部件会影响整个系统的好坏，部件之间的协调也会影响到系统的整体性能。总体来说，人们对被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制，以及这些被控机械量的综合控制的要求越来越高犯3 副。运动控制器是现代运动控制系统中的核心部件，它发展的技术基础是高速微处理器和大规模可编程部件。早期的运动控制器是为专门的数控机械制造的，使用的时候只需要按照指示输入代码文件，就可以按照行业的要求实现所定制的功能。运动控制单元已经得到普遍应用，只需要再配合其他的设备即可组建一个具有良好性能的控制系统。所加的设备通常有p l c 、触摸屏、电机等。运动控制器尽管已经发展的比较成熟，又具有响应速度快等特点，在各个行业中得到广泛的应用乜6 。2 8 3 。但是仍有一些需要发展的方向。其中一个是开发开放式系统，开放式系统能够连接各个控制系统，并且使各个控制器之间共享资源。第二个方向就是网络化。网络化把很多算法引进到系统中来，如模糊控制或者神经网络控制等。第三个方向就是轻型化，多功能。轻型化对精细加工1 引言是有很大益处的，多功能能有效开拓用户市场，满足各种类型用户的需求，适应各种环境的需要。运动控制器开始的时候主要应用在机械行业里面，尤其是常常用在对机器零件的加工方面。随着人们对运动控制器的认识不断加深，越来越多的行业引入运动控制器，越来越多的人开始从运动控制器受益。如坐标测量机、x y 系统、同步剪切等众多行业都开始使用运动控制器。人们不断加大使用运动控制器的规模是因为它节省了劳动力、降低了成本，生产率得到极大提高，产品的质量得到极大保证。运动控制技术仍旧在随着人们不断研究的深入而继续向前发展、进步和完善，运动控制器作为一个独立的工业化产品，越来越多的领域接受它，越来越多的人使用它，并且目前它也已经达到很大的市场规模。1 5 主要研究内容的结构安排分析了激光切割机系统研究现状，学习了p l c 、触摸屏、运动控制单元等的发展现状和发展趋势，本课题准备研制一种基于p l c 、触摸屏、运动控制单元的激光切割机运动控制系统，主要内容安排如下：第一章为绪论，主要介绍本课题的来源、研究意义、国内外激光切割机系统的研究现状，p l c 、触摸屏、运动控制单元的发展趋势和应用情况，论文主要内容安排等。第二章主要介绍激光切割机机械结构和控制系统方案的选择和设计，简述了控制系统硬件总体结构。第三章主要对控制系统的硬件展开设计，介绍了p l c 控制、触摸屏控制、运动控制单元的操作等。第四章是对整个系统的软件设计，包括p l c 程序的设计、触摸屏画面的制作、运动控制单元的g 代码程序设计。第五章对本课题所研究的工作作出了总结，指出了创新点，并对后续可能的工作作出展望。2 激光切割机的控制系统方案设计2 激光切割机的控制系统方案设计2 1 激光切割机工作原理和装置激光切割是一种非接触式加工，可以加工很多种的金属或者非金属汹1 。从切割的不同形式来看，可以分为汽化切割、熔化切割、氧助熔化切割和控制断裂切割四类，国内激光切割行业普遍采用的切割方式是熔化切割。图2 1 激光切割机辅助6 t 体入口盒飘融化层其原理如图2 1 所示。在项部有激光束，此激光束将在切割过程中通过透镜聚焦，从而照射到工件上的是高功率密度能量的激光束，因此工件得到的是足够的热量并且吸收这些热量，吸收的热量使工件温度上升，当此热量积累到一定程度即达到材料的沸点时，材料开始气化并且形成小孔，一旦小孔形成，这些光束能量将无处发散，全部集中在工件上被工件吸收，这样就使被加工材料熔化呦1 。由于外部设备带动激光切割刀具移动，因此光束所造成的一个一个小孔连续起来就成为切缝。在切割的过程中，有辅助气体入口吹入高速气流把熔化的材料吹走口1 矧。激光器是激光切割系统中重要的部件，激光切割系统的其他部分是运动控制系统和机床主机。其中，控制系统所完成的工作是协调整个系统的各项工作，控制切缝时的运动轨迹、位置、切割速度。而机床主体即机械部分由机床底座、工作台、横梁、z 轴随动机构、切割头、2 激光切割机的控制系统方案设计运动机构、气阀控制系统等部分组成，如图2 2 所示。切割机主机放在两根平行的导轨上，在主机上面搭载有激光发生器。激光切割机有三个轴，x v 轴用于支撑切割机的工作机构，并使机构产生横向和纵向的运动，如图2 3 所示。而z 轴机构带动激光头进行切割材料的动作。图2 2 激光切割机机床主体结构图图2 3 工作台平面运动图2 2 控制系统方案设计2 2 1 激光切割机控制系统控制要求由于不同的用户拥有不同的需求，因此切割机也跟随了各种需求而产生出切割机的各种功能。而本课题所要达到的功能主要有实现自动功能和手动功能；实现各种轨迹的控制功能；实现人机便于交流的功能。手动操作功能主要指按键、按钮等，使用手动的方式把数据和信息输入到控制系统当中去。手动能够控制电机的转向、速度和位置。而自动功能是手动功能的延伸，只需要更为简略的方式对控制系统进行操作，比手动方式省下了很多的劳动力，因为自动方式是自动化水平高的操作方式，可以说本来几个甚至几十个人的工作量只需要一个人即可以保质保量的完成。随着工业的发展，人们对轨迹控制有了更高的要求，自动化水平的提高对轨迹的精确度有了很大的提升。现在的控制不再仅仅局限于点对点的控制，而是对整个轨迹的轮廓都有要求。本系统的要求也是如此，实现轨迹的功能是此系统最重要的功能之一。实现人机便于交流的功能是指有很好的人机接口，方便人输入数据控制系统的运行，也易于看到监控信息。2 激光切割机的控制系统方案设计2 2 2 控制系统设计方案针对上述功能要求，提出以下三种控制方案。方案一：工业控制计算机和运动控制卡所组成的控制系统。工业控制计算机是微计算机的延伸，它在计算机的基础上按照工业坏境进行重新设计而成的。工控机采用个人计算机的p c i 总线和p c 1 0 4 总线，又使用功能板卡的扩展控带l j i o 点来达到对计算机进行控制目的汹1 。工控机的优点是具有很高的抗干扰性，因此可靠性比较高，适应性强；可维护性能也很好。而运动控制卡能够处理或者传送大量的数据或信号，还能进行远距离的网络传送。由于运动控制卡是集成了很多运动控制的功能，因此此方案能简化系统的软件结构和硬件结构，减少研发周期。此方案的缺点是工控机的成本较高，对操作人员和维护人员有很高的技术要求，需要熟悉计算机的操作。另外一个缺点是由于工控机是在计算机的基础上设计上，因此计算机自身软件系统所存在的问题也会被继承到工控机中，使该系统不能达到完美的状态。方案二：两块单片机所组成的控制系统。单片机具有很多的优点，尤其是在信息采集和数据处理方面。单片机本身对环境的适应性很强，因此在数字采集的场合或者很多的仪表控制中单片机很常见。单品级成本低、结构简单、扩展性强，可以使用很多现成的很成熟的子程序。因此在某种程度上研发周期短，开发效率高。本方案使用两个单片机的原因是由于仅用一个单片机难以完成上面所说的运动轨迹控制的功能，因为其中有很多的数据需要显示和设定，而且牵涉到复杂的算法。此方案中的其中一个用于完成信息输入的管理功能；另一个作为具体的应用层控制。第一个单片机对第二个单片机进行管理并且对其进行运动协调。二者之间通过串口实现通信。此方案的缺点是显然的，由于单片机本身的稳定性值得怀疑，环境的干扰性对此系统也是极大的挑战。而且需要在接口上花费不少的工夫。方案三：p l c 和运动控制单元组成的运动控制系统。此方案中p l c 作为上位机，主要处理逻辑顺序控制，对输入输出信号集中起来做统一的管理。运动控制模块承担所有的运动控制任务，如速度控制、位置控制、轨迹控制。触摸屏作为人机界面，完成显示功能和系统参数的设定。p l c 的抗干扰性强m 1 、编程方便简单；触摸屏与p l c 合作起来，又节省了很+ 一l l 2 激光切割机的控制系统方案设计多p l c 的点数，从而留出更多的时间给运动控制使用。因此此方案的优点是编程简单、操作方便、系统稳定性好、加工精度高。此方案的预期操作过程如下。当系统运行时，把加工工件的数据输入触摸屏；触摸屏将此数据传送给p l c ；p l c 根据用户设定的运行参数和反馈信号，控制运动控制模块；控制模块接收p l c 所发送的控制信息，对伺服驱动器发出控制信号，带动伺服电机转动，使各轴协调运动，完成切割任务。极限接近开关和编码器用于位置检测，实现工作台行程限位、信息反馈。2 2 3 控制系统硬件总体结构针对所面对的实际情况以及对这三种方案的比较，决定选择第三种方案。这种方案只需要根据实际的需要选择相应的p l c 、运动控制模块、触摸屏等元件，进行线路的连接。因此重心就落在软件设计上，p l c 厂家一般都生产可以与之匹配的运动控制模块，编程环境和编程语言都已经被厂家制作好，因此只需要使用相关软件进行编程即可成为一个完整的运动控制系统。显而易见的是，这种方案的开发周期短、扩展性强。故此采用可编程终端、p l c 、运动控制单元、伺服驱动系统等各个控制部件，构建了此运动轨迹控制系统。本系统结构如图2 4 所示。本系统由o m r o nc s i g 系歹o c u p 4 5 - v 1 可编程控制器p l c 、o m r o n 运动控制单元m c 2 2 1 模块、o m r o nn t 6 3 1 c 触屏、0 u cw 系列的r 8 8 m - w 6 0 0 i o h s 2 驱动器、o m r o nr 8 8 d - w t o s h 交流伺服电机等五大部分组成。其中，触摸屏做操作员站，p l c 和m c 做控制器，伺服驱动器做驱动器，电机用于控制在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。控制部分各部分的简介如下：( 1 ) 触摸屏。本系统所使用的触摸屏型号为n t 6 3 1 c 汹3 ，有a 口和b 口两个通信口，都是r s - 2 3 2 串行通信口。在本系统中，触摸屏主要完成信号输入功能。( 2 ) p l c 。p l c 和m c 作为控制元件，其中p l c 将集中于功能控制上。p l c的优点主要体现在抗干扰性好等方面。p l c 的模块有c s i 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；运动控制单元。运动控制单元型号是m c 2 2 1 的特殊模块汹1 。( 3 ) p l c 和m c 作为控制元件，m c 2 2 1 将集中于运动信息处理上。它的优点在于可以实现x 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2 激光切割机的控制系统方案设计实现，因此能用在一些比较复杂的定位系统中。运动控制单元m c 2 2 1 的模块上有一个d r vx - 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啪3 。m c 2 2 1 的里面自身还带有c p u 单元，所以可以和上位机的c p u 并行同时运行，大大提高了系统的速度和控制功能。( 4 ) 伺服控制系统。本平台中使用了两个o m r o n 公司出产的o m n u cw 系列的伺服驱动器，型号是r 8 8 m w 6 0 0 i o h s 2 。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 - w t 0 8 h 。此型号交流伺服电机带有编码器，所以通过对编码器反馈信号采样，在内部构成闭环控制。( 5 ) 反馈部分。在各种各样的检测电气装置中，增量式编码器是一种被普遍使用的一种。增量式编码器被使用的目的是可以用它来采集信号，采集信号的目的是检测速度、位置和方向。本系统数据传送的过程是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m c 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的频率，以此发送位置指令和速度指令。o _ r o nc s l g 可缡程摩控制器一 p 强彳l n r 6 3 1 c 簟桂鼻。il _ 一夕忍ii 绷舶p - !li ，d 口毒上tii - _ t - l iii - 佴- 一磅l | 陋i - 潮i 罔罔司罔l。iflfi t 伺辋乞l 码屯j ，码掺暑暑近，1 广，开一切割机刀具关一图2 4 激光切割运动控制系统结构图3 运动控制系统的硬件设计3 运动控制系统硬件设计3 1p e c3 1 1p l c 的硬件组成目前每个p l c $ l j 造商所生产的可编程序控制器，从外部来观察它们的形状，会发现各个厂家的都各有特色。尽管如此，各个厂家的p l c 在硬件结构上却是非常的类似。它们的主要部分是中央处理器、存储器、输入输出元件、电源及编程设备等1 。( 1 ) 中央处理器( c p u )正像计算机系统中c p u 不可取代的中央地位一样，p l c 的c p u 在这些组成的硬件中也是占有主导的位置，可以说是这些硬件中最重要的一个。p l c 的c p u 主要完成的工作是一方面完成逻辑运算，一方面进行数学运算，再一方面协调各个部分使各个部分搭配合适。p l c 档次和其c p u 的位数有极大的对应关系，一般情况下来说，p l c 档次与c p u 的位数成正比，即位数越多