电气自动化毕业设计_三轴伺服移动平台控制系统的设计.pdf

-1- 毕业教学环节成果毕业教学环节成果 （2014 届） 题目三轴伺服移动平台 控制系统的设计 学院信息工程学院 专业电气自动化 班级自动化 学号 姓名 指导教师 2014 年 5 月 30 日 -2- 目录目录 摘要摘要. 1 英文摘要 1 英文摘要. 1 引言 1 引言. 2 1 三轴伺服移动平台控制系统简介 2 1 三轴伺服移动平台控制系统简介.3 2 控制系统结构及工作原理 3 2 控制系统结构及工作原理. 4 3 主要器件选型 4 3 主要器件选型. 5 3.1 可编程控制器的选型 5 3.1 可编程控制器的选型. 5 3.2 触摸屏的选型 5 3.2 触摸屏的选型. 5 4 i/o 口分配表 5 4 i/o 口分配表. 6 5 控制系统电路设计 6 5 控制系统电路设计. 8 8 5.1 plc 外围接线图5.1 plc 外围接线图. 8 5.2 伺服电机控制电路图 8 5.2 伺服电机控制电路图. 9 5.3 横移电机控制电路图 9 5.3 横移电机控制电路图. 9 6 传感器 9 6 传感器. 11 6.1 左右移动位置传感器 11 6.1 左右移动位置传感器. 11 6.2 上下移动位置传感器 11 6.2 上下移动位置传感器. 11 6.3 车位检查传感器 11 6.3 车位检查传感器. 11 7 安装 11 7 安装. 12 7.1 控制系统接线图 12 7.1 控制系统接线图. 12 7.2 控制柜电气元件布局图 12 7.2 控制柜电气元件布局图.12 结论与谢辞 12 结论与谢辞. 13 参考文献 13 参考文献. 14 附件 1 14 附件 1. 1515 三轴伺服移动平台控制系统的设计三轴伺服移动平台控制系统的设计 -3- 信息工程学院电气自动化技术钟张波信息工程学院电气自动化技术钟张波 摘要:摘要: 介绍了基于三菱 q 系列 plc 对三轴伺服移动平台的控制系统，选用了 mcgs 触摸 屏实现人机交互 。文中给出了三轴伺服移动平台的基本架构。简单分析了伺服控制系 统的控制系统结构及工作原理与一些传感器的使用。重点介绍了控制系统程序以及 plc i/o 口，还简单介绍了下移动平台控制系统的布局图与接线图。 关键字关键字plc人机界面伺服控制 design of control system of three axis servo mobile platform information engineering college of electrical automation technologyzhong zhang bo abstractabstract: introduced the q series based on mitsubishi plc control for lifting and transferring parking equipment, used mcgs touch screen realization of human-computer interaction. this paper presents the basic structure of three axis servo mobile platform. a simple analysis of the system structure and working principle of the servo control system and some sensors. focusing on the control system program and the plc i/o, also introduces thelayout diagram of the control system under mobile platform and wiring diagram. keyword: plchuman-computer interfaceservo control -4- 引言引言 现代工业对运动控制的要求越来越高， 因而高精度电气系统和高性能自动控制系统 应运而生。采用三菱电机有限公司推出的 q 系列高性能 cpu、qd75m 定位模块以及 sscnet 总线等集成三维伺服控制系统，将 plc 技术的优势和伺服控制诸多特性完美 地结合于一体，以便使运动控制系统性能达到一个更好的水平。三维交流伺服这样一种 扮演重要支柱技术角色的自动控制系统，在许多高科技领域得到了非常广泛的应用，如 激光加工、机器人、数控机床等，因此该项目的研究有良好的应用价值。 三轴移动平台，有时候我们又称为三轴结构。它是进行目标自动跟踪和定位的关键 设备。由于这种平台在运行中拥有着很高的灵活性和稳定性，因此在航天领域、军工领 域、工业领域等方面一直有着很高程度的应用。 所谓三轴，就是在三维立体空间的环境下，通过长、宽、高三个方面对物体进行控 制和定位。把这种技术应用于控制平台的话，则可使受控设备更好的摆脱因设备本身所 处的形态等因素对工作效果产生的影响。 -5- 1 基于基于 q 系列系列 plc 的三维伺服控制系统的构架的三维伺服控制系统的构架 1.1 三维伺服控制系统控制方案的选择三维伺服控制系统控制方案的选择 该项目采用高性能 cpu + 伺服控制器 (定位模块 ) 进行运动控制。这种解决方案 中，系统的控制性能不如选用专用运动型 cpu 的。专用运动型 cpu 可同时控制的轴数 目多，控制性能优越，系统响应快，但系统一次成本较高，适用控制要求很高的场合。 而采用高性能 cpu + 伺服控制器 (定位模块 )方案控制的轴的数目相对少，但性价比 高，在目前属于主流的解决方案，也很适合我国的国情。 1.2 基于基于 q 系列系列 plc 的三维伺服控制系统组成的三维伺服控制系统组成 系统主要由电源模块、高性能 cpu、i/o 模块、定位模块、伺服放大器和三菱 hc-kfs13 低惯量交流伺服电机等组成。定位模块与 3 个伺服放大器通过专用电缆 sscnet 网络通信，3 台伺服电机分别安放于 x 轴、y 轴和 z 轴的平面上，能实现在三 维空间的精确定位,可以完成多轴直线插补和圆弧插补等运算控制。 该系统是按工业级建 立的，能针对具体的工艺设计完成对应的伺服控制，模拟实现如数控钻床、数控铣床、 精密雕刻机、机械手控制等，系统还集成了 mcgs 人机界面对伺服系统的运行状况做 实时监控。其整体系统结构如图 1 所示。 q64p 电源模块。用于给主基板上安装的各个模块提供 5vdc 电源，注意可以安装 的电源模块型号依据基板而定；q02h 高性能 cpu。支持三维伺服系统的控制与运算。 该 cpu 以中大规模系统为对象，在大幅提高 cpu 模块处理性能和程序寄存器容量的 同时，还提高了与网络模块、编程用外围设备之间数据通信的性能。支持本地 i/o 最大 可达 8 192 点，程序容量最大有 28 k 步。最快指令仅需 34 ns 。除了可以使用梯形图、 语句表、 st (结构化文本，类高级语言 )、 sfc、fb 等 5 种编程语言外, 还可支持多 -6- 达 4 个 cpu；qx40 输入模块 ( i/o 模块 )。运动系统的相关检测信号通过该模块送入 plc；qy10 输出模块 ( i/o 模块 )。运动系统的相关指令信号通过该模块发送给定位模 块或伺服放大器； qd75p2 定位模块。 其内部集成有专用的控制芯片； 用做运动控制所需数据的计算， 再把处理的结果输入到伺服放大器； sscnet 网络。定位模块与 3 个伺服放大器通过 sscnet 网络通信。sscnet 也称 为伺服系统现场总线网，是 plc 控制系统中常用的 i/o l ink 网，该总线可实现高速通 信和简化系统结构的目的。 sscnet 使多轴的同步、 插补等高级定位功能得以可靠实现, 在节省配线的同时， 提高了整机的响应性， 而且降低了因为配线错误而引起的故障概率； 系统在连接上由一个主基板将电源模块、 高性能 cpu、 i/o 模块和定位模块连接在 一起。 1.3 软件平台1.3 软件平台 需要用到的相关编程平台有：gx-works2 用于编写 q 系列 cpu 程序；gx-works2 可 以创建 q 系列、qna 系列、a 系列、fx 系列的数据,实现了设置操作共用化。gx-works2 可实现共用功能(工程、在线、诊断、工具、窗口、帮助 )、对各个对象进行编辑及设 置的功能 (编辑、 查找 /替换、 转换、 显示 )； 同时也是伺服配置软件, 用于配置 qd75p2 定位模块、 mr-j2s10b 伺服放大器的数据； 嵌入式昆仑组态是专业的人机界面设计软件, 用于完成人机界面监控画面制作。 2 三轴伺服移动平台控制系统结构简介及工作原理2 三轴伺服移动平台控制系统结构简介及工作原理 用三菱 plc 来控制定位模块，输入输出，再通过定位模块连接伺服放大器，控制伺 服电机运行起来。在实际操作是通过人机界面，也就是触摸屏，通信连接三菱 plc。为 此，所有控制及监控都在触摸屏上进行操作，达到预期效果。 x 轴、y 轴、z 轴共三个轴，组装于底座两端的 z 轴运动系统，架设于所述底座中 部的 x 轴运动系统，以及固定于轴运动系统上的 y 轴运动系统，其中，所述轴运 动系统、轴运动系统以及轴运动系统分别包括伺服电机及滑动装置，该滑动装置包 括导轨和滑块；所述轴运动系统还包括一横梁，所述用于驱动该轴运动系统的伺服 电机和所述导轨固定于该横梁上； 所述 y 轴运动系统还包括一固定架， 所述用于驱动该 轴运动系统的伺服电机和所述导轨安装于所述固定架上。 三轴运动平台不但可以提高 系统运行平稳性和准确性，而且可以实现负载的高速、准确定位。 3 主要器件选型3 主要器件选型 -7- 3.1 可编程控制器的选型3.1 可编程控制器的选型 由于要进行精确定位，对控制性能要求较高，所以选择三菱 q 系列 plc，它由电源 模块、cpu 模块、基板、i/o 模块等组成。通过扩展基板与 i/o 模块可以增加 i/o 点数， 通过扩展储存器卡可增加程序储存器容量，通过各种特殊功能模块可提高 plc 的性能， 扩大 plc 的应用范围，非常便于使用。三菱 q00ujcpu-s8 具有八个扩展模块 128 点 i/o 口，运算速度快，适合车库的需求。节省空间、节省配线， 安装 q 系列所需的空间 只是原来 ans 系列的 60% 安装灵活。q 系列有 5 槽、8 槽、12 槽多种基板，可灵 活配置，减少系统所用基板数。 cc-link， 它的指令丰富，可以用 gx works2，也 支持编程器编程，它的编程简单，适合大众人群。它与 gx works2 高速通信，提高了调 试效率，通信接口有 usb 和 rs232。usb 接口使它可以和任意一台计算机连接，而 rs232 可以和触摸屏通信，可以通过触摸屏控制。 本系统的 x、y 轴伺服定位控制系统启动、停止、双轴的手动 jog 正反转、接近开 关以及 z 轴伺服控制系统的启动、停止、手动正反转、接近开关、系统的回原点等信号； 输出端连接的是三个放大器的得电、失电，xyz 轴的近点 dog 信号，另外附带的插槽 可以自行增减输入输出模块，三菱 q00ujcpu-s8 完全可以满足控制要求。 3.2 触摸屏的选型3.2 触摸屏的选型 mcgs(monitor and control generated system，通用监控系统)是北京昆仑通态自 动化软件科技有限公司研发的一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件。 它 能够在基于 microsoft 的各种 32 位 windows 平台上运行， 通过对现场数据的采集处理， 以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题 的方案，在自动化领域有着广泛的应用。 mcgs 主要特性和功能：(1)简单灵活的可视化操作界面；(2)实时性强、良好的并行 处理性能；(3)丰富、生动的多媒体画面；(4)开放式结构，广泛的数据获取和强大的数 据处理功能。 mcgs 系统由五大功能模块组成， 主要的功能模块以构件的形式来构造， 不同的构件 有着不同的功能，且各自独立。三种基本类型的构件(设备构件、动画构件、策略构件) 完成了 mcgs 系统三大部分(设备驱动、动画显示和流程控制)的所有工作。除此以外， mcgs 还提供了一套开放的可扩充接口，用户可根据自己的需要用 vb、vc 等高级开发语 言， 编制特定的构件来扩充系统的功能。 mcgs 用数据库来管理数据存储， 系统可靠性高。 mcgs 设立对象元件库，组态工作简单方便，易于实现对工控系统的分布式控制和管理。 -8- 触摸屏选用昆仑通态 tpc7062ks 型，它是以嵌入式低功耗 cpu 为核心（arm cpu， 主频 400mhz） 的高性能嵌入式一体化触摸屏。 该产品设计采用了 7 英寸高亮度 tft 液晶 显示屏（分辨率 800480） ，四线电阻式触摸屏（分辨率 10241024） 。灵敏度较高， 而且具有防水防尘。它可通过 rs232、rs485 或 usb 与 plc 接口。它的色彩比较丰富， 由 65535 色 7 寸屏幕显示，可以增强视觉效果。触摸屏有丰富资源库，在设计时可以在 库里面选择适合元件。还具有特点：1 实现了显示，运算，通讯全方位的高速化；2 高 亮度（ 400cd/ m2 ）显示， 提供免受外部光线干扰的完美图像 ； 3 分辨率 800480， 65535 色 tft 液晶显示 ；4 显示尺寸：7 英寸；5 可视角度：左右 70 度，上下 70/50 度 。6 内 置 64mb 标准内存。 3.33.3 伺服电机的选择伺服电机的选择 如今市面上有很多种类的伺服电机，国内较常用的有日系的三菱、安川、松下、三 洋、富士、日立等；美系的有 danaher（原 kollmogen） 、baldor、parker、rockwell 等；还有是台湾通用伺服：东元、台达；在大陆有和利时、埃斯顿等。在这里我们选择 三菱公司的 hf-kp053，电机自带的编码器反馈信号给驱动器， 驱动器根据反馈值与目 标值进行比较，调整转子转动的角度。 这款的伺服电机有如下特点： 体积小，重量轻，大转矩输出； 低惯性，以适应速度指令或位置指令的快速变化； 良好的控制性能，以及发电制动功能； 宽广的调速范围，即要求伺服电机的转速能够随控制电压的改变能在宽广的范 围内连续调节； 转矩脉动小。 3.4伺服放大器的选择3.4伺服放大器的选择 在伺服放大器的选择上主要考虑伺服电机的功率，在系统设备中，伺服电机的功率 为50w，所以选择三菱公司的mr-j3-10a型的伺服放大器。此放大器的功率为100w，且设 置方便，满足控制要求。用于驱动伺服电机，能和伺服电机的高分辨率编码器配合。 4 控制系统电路设计 4.1plc 外围接线图 4 控制系统电路设计 4.1plc 外围接线图 如图 4-1 左边的 plc 输入信号，右边的是 plc 输出信号。 -9- 图 4-1 plc 外围接线图 4.2 控制系统设计原理图4.2 控制系统设计原理图 plc 通过读取触摸屏里个按钮的状态来执行相应的程序，qd75 模块通过读取 plc 里 正在执行的程序，把相应的参数存入 qd75 模块里，伺服放大器再通过读取 qd75 模块里 的相关的参数来驱动各自对应的伺服电机运行。 伺服电机也会把脉冲数反馈给伺服放大 器， 伺服放大器又会把收到的数据反馈给 qd75 模块,判断是否运行到位了， qd75 模块也 会把收到的数据反馈回 plc 里， plc 也会把其收到的数据反馈回触摸屏。 如图 4-2 所示: -10- 图 4-2 控制系统设计原理图 4.3 控制系统接线图控制系统接线图 按照接线图如图 4-3 进行接线。用万用表检查接线情况，确保连接正确。 -11- 图 4-3 系统接线图 -12- 5 参数整定参数整定 5.1 定位模块参数设置5.1 定位模块参数设置 编程时候用的是 gx works2 软件自带定位参数整定功能 （1）整定的 x 轴参数为下表 5.1-1 所示。 （2）整定的 y 轴参数为下表 5.1-2 所示。 5.2 伺服系统内部参数设定5.2 伺服系统内部参数设定 伺服参数设置用的是 gx works2 软件自带定位参数整定功能，整定的伺服系统参数 为下表 5-2 所示。 6 人机界面设计人机界面设计 在设计三轴伺服移动平台控制系统中，我们用触摸屏代替按钮或开关来操作，触摸 -13- 屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再 送给 cpu，它同时能接收 cpu 发来的命令并加以执行。 在这个系统中，工作时的触摸屏界面包括主界面、操作界面以及手动界面。如下图 所示图 4-1 为主界面、图 4-2 为操作界面、图 4-3 为手动界面。 触摸屏操作步骤如下： （1）在系统调试之前先将触摸屏程序导入到触摸屏中，以实现控制系统的调节； 进入主界面后，触摸界面任何一处进入操作界面； （2）进入操作页面后，点击外围启动按钮，给伺服放大器上电；按下手动界面按 钮进入手动界面； （3）在手动控制界面中，分别按下 x、y、z 轴的上、下、左、右、前、后按钮， 判断其运行是否有误，如无误的话，按下左箭头标志的按钮返回操作界面； （4）在操作界面里按原点回归按钮，等到回到原点，再按“画直线”或“画圆弧” 或“画正方体”或“画圆柱体”或“画图”按扭进行相应动作； 在开始界面中主要是写入一些相关的文字，说明一下系统的名称和制作人。 图 4-1 主界面 在操作页面里，你按下外围启动按钮后伺服放大器电源导通；接着再按下“画正 方体”或“画圆柱体”按扭，就会打印出相应的物体；当按下停止按钮，所有的动作都 会停下来；当你按一下再启动按钮，系统又会启动起来；你按一下回原点按钮，x、y、 z 轴都会回归到原点。在操作界面还有三个页面切换按扭，当按下“手动界面” 、 “监视 页面” 、 “主界面”按钮后，页面就会切换到相应的画面。 -14- 图 4-2 操作界面 在监视页面里显示的是整个系统的当前所处的状态值，有 x、y 轴的位置显示和 x、 y 轴的速度显示，还有就是 x、y 轴的速度波动显示。当按下“操作界面” 、 “主界面”按 钮后，页面就会切换到相应的画面。 图 4-3 监控页面 在手动页面中主要是系统的一些点动控制信号的给定， 当按一下 “x 轴向左” 按钮， x 轴就会实现点动的正转运行， 按一下 “x 轴向右” 按钮， x 轴就会实行点动的反转运行， 与此相似，当按一下 y 轴向前、向后和 z 轴上升、下降按钮后，都会实现相应的点动运 行。在原料控制区里，按下进丝按钮，原料就会往喷嘴里装填，按下退丝按钮，原料就 会退出喷嘴。当按下“操作界面” 、 “主界面”按钮后，页面就会切换到相应的画面。 -15- 图 4-4 手动界面 7 系统流程图系统流程图 在系统搭建完成的前提下，按照定位参数的设置进行系统定位，包括位置控制、速度控 制等控制；在原点回归方面，分为手动回原点，机械回原点，如近点 dog 运行、点动 运行、自动控制状态下，启动、停止的信号的设定，启动后根据系统要求打印的图形进 行 x、y、z 轴的定位控制。在定位过程中如果发生错误动作系统会自动紧急停止，根 据系统要求的功能编写程序，下图 7-1 为程序编写思路的流程图。 -16- 8 控制程序设计控制程序设计 程序编写分为主程序块和子程序块，利用此种编程方法可使程序模块化，缩短运算 周期、控制程序的流程等优点，主程序主要包括系统的公共部分，子程序主要包括原点 回归子程序、手动调试子程序、轴速度和位置显示、画直线子程序、画圆弧子程序、画 圆柱子程序、写字子程序，下面就系统的功能对以下程序进行大致说明。 外围软件信号 -17- y10 是放大器的电源， y20 是 x/y 轴定位模块准备信号， y40 是 z 轴定位模块的准备信号。 系统急停信号和系统报警 y24是x轴停止信号，y25是y轴停止信号，y54是z轴停止信号。故障报警信号用于指示 系统出错，自动停止系统的运行。 再启动信号 -18- 该信号用于急停后的再启动命令，可以恢复急停前的动作状态。 轴故障复位 当轴出现故障时，可以按下复位按钮对进行复位。这些只是程序其中的一部分，具体程 序请至附件 3 中查阅。 9 模拟调试9 模拟调试 模拟调试的步骤： (1)在断电情况下，用编程电缆（pc/ppi 电缆）将计算机和 plc 主机相连； (2)接通计算机和 plc 的工作电源； (3)在计算机上运行 gx work2 软件，并进行正确的通信参数设置； (4)将伺服运动控制系统程序导入至 plc 中， 并将相关的定位数据同时写入 plc 中； -19- (5)建立计算机和 plc 主机的在线联系； (6)用户程序监视运行。 当 plc 主