基于+PLC+的两轴运动控制系统设计

1、基于+PLC+的两轴运动控制 系统设计作者: 日期:基于PLC的两轴运动控制系统设计学生姓名：张坤森学号:2014 0 62038指导教师;彭宽栋专业：机电一体化杭州科技职业技术学院摘要：以可编程控制器PLC作为运动控制系统的核心，步进电机作为运动控制系统的执行机构，设计了基于PLC的两轴运动控制系统；通过PLC高速脉冲口输出高速脉冲，实现了单轴运动或者两轴运动；采用触摸屏作为操作而板，建立了友好的人机交互界面。关键词:机械制造自动化；PLC；步进电机;运动控制0前言步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。步进电机开环控 制结构简单，可靠性高，价格低。但当起动频率太高或者负载太大， 步进

2、电机极易失步。而步进电机闭环控制可以克服以上缺点，提高必 系统精度和稳定性。在闭环控制系统中，采用增量式编码器作为反 馈装置。而PLC作为一种工业计算机，具有逻辑控制、步进控制、 数据处理、存储功能、自诊断功能、通信联网等功能，而且具有较 高的可靠性、较强的抗干扰性、较好的通用性等优点。所以，使必 用PLC控制步进电机，构建两轴运动控制系统，具有重要意义。1系统组成本文所实现的示教与再现功能系统组成框图如图1所 示。采用西门子S 7-20 0系列的C P U226 D C/D C /D CPL C作为主控制器。该CPU具有4个最高20kHz的正交 高速脉冲计数器，能够对输入的正交编码脉冲信号进

3、行 4分频5 ; 2个最高20k II z的高速脉冲输出；24个输入点和16 个输出点；其布尔型指令执行时间只金有0. 22 u s 6 o图1系统组成框图2系统总体设计该运动控制系统由触摸屏、PLC、步进电机驱动器、步进电机、限 位开关、急停开关、编码器等组成。操作者通过触摸屏端操作，向 PLC发出控制指令，PLC根据控制指令和内部梯形图控制相应步进 电机动作，步进电机将带动相应的进给轴动作，同时，PLC将采集与 步进电机相连的编码器产生的反馈信号，并将反馈信号返回给触摸 屏，以完成整个系统的反馈环节。此外，外部限位开关用于限定运 动系统的极限位置，急停开关用于发生突发状况时，立即停止机器，

4、 防止伤害或者损失扩大。系统总体设计框图如图1图1系统总体设计框图4 3系统硬件设计A该运动控制系统采用 “脉冲+方向”方式控制 步进电机，即PLC输出高速脉冲和方向信号,完成对步进电机的控 制。 同时，PLC输入端的高速计数口对编码器信号进行计数。此 外，外部限位开关、 急停开关、功能按钮也需分配PLC相应的 输入端口。因此，选择了三菱FX3U-64MT,该PLC是第三代微型可 编程控制器，内置独立3轴100kHz定位功能，具有高速计数功 能，完全满足系统要求。PLC端口分配如表1所示。4表1 PLC端口分配表信号名称输入输出编号X轴Y轴脉冲YOCX)Y001方向Y004Y005电机运行Y0

5、10YOU编码器XOOOX(X)1零点限位X003X(X)4正转限位X(K)6X(X)7反转限位X011X012点动（正向）X015X016点动（反向）X020X021急停X014启动X023停止X024回零X0254系统控制方案设计该运动控制系统主要解决两方而的问题：一是两轴运动的插补算法问 题，因为PLC本身不具有插补计算功能，因此需要设计合适的插补 算法,通过编程方法来实现插补;二是区分单轴运动和两轴运动，单轴 运动时，判断是哪根轴运动以及怎样运动，两轴运动时，两根轴是怎样 运动。传统的逐点比较法尽管算法简单，但是不能实现两轴同动;数 字积分法虽然作了一定的改进，但是该算法两轴速度比恒定

6、，算法不 易掌握，并且不能保证连续实现两轴同动。针对以上插补算法的不 足，提出了另一种插补算法:两轴同动法,其原理是每次向两个坐标轴 分别输出各自的进给脉冲，在同一时间内，两个坐标轴分别独立地完 成规定的进给量，根据直线合成原理，两轴同动的结果是得到一条直 线，原给距离为Ly,则在两轴同动情况下，各分量如表2所Zj O表2 项目分量表数据内容直线分量X轴分量Y轴分量终点位置XbYh起点位置Y)X。Ya移动距离LXb-XaLy=Yb-ya厶二wm尸初始速度叫._r 1匕-人丨 如-l工作速度叭v -v 1 1心 L加、减速时间1昇片由于步进电机的输出位移量与输入脉冲数成正比，其速度与单位时间 内

7、输入脉冲数（即脉冲频率）成正比，此时,PLC只需向X轴和 Y 轴步进电机同时输出各自脉冲总数和脉冲频率，同时，输出步进电 机方向控制信号,就可以完成直线运动轨迹。两轴运动控制系统的运 动情况主要有2种，即单轴运动和两轴运动。该系统采用如下指令 来实现单轴运动或两轴运动。LDXO 2 3440 V D 0K2Y0 0 4LDY01ODDRVAD 1 D2Y 0 00Y004LDY011aDDRVAD3D4Y001Y005LDM800 0aDHSCRD 1 C23 5Y010DHSCRD3C23 6 YOU当按下启动按钮后，PLC执行内部梯形图程序，用DO的每个位来 控制Y 0 04到Y013输出

8、口的动作。其中选择Y 0 04 作为X轴 电机方向控制信号，Y0 10作为判断X轴电机是否运行的条件, 即当Y010为高电平时，X 轴电机动作，同时选择Y005作为Y 轴电机方向控制信号，011作为判断Y轴电机是否运行的条件， 即当Y011为高电平时,Y轴电机动作。电机状态控制表如表3所 示。当PLC高速计数口对编码器的计数值 与预设值相等时,Y0 1 0或者Y0 11将会被复位，电机停止。表3 电机控制狀态表电机运动Y013Y012YOUY010Y(X)7Y(X)6Y005Y004DOX-0001000016X+0()01000117Y-0010000032Y+0010001034X-y-0

9、011000048X+y-0011000149X-y+()011001050X+y+00110011515触摸屏界面设计该系统采用三菱GS2107触摸屏作为操作而板，操作者通过触摸屏端 操作，实现不同的控制功能。手动模式下，操作者可以进行X轴点 动、Y轴点动操作。自动模式下，操作者通过输入起点坐标和终 点坐标，并选择电机的8种工作模式，按下启动按钮，PLC会根据 内部梯形图,控制电机运行到指定位置。此外，PLC高速计数口对编 码器进行计数，数值转化为坐标，实时显示在触摸屏上。触摸屏界 而设计如图4所示。图4触摸屏界面设计图6结论亠(1)该运动控制系统以PLC为核心，步进电机为执行 机构，结构简单，动态性能良好；丈(2)设计的插补算法和应用指令， 可以实现单轴运动或两轴运动；(3) 采用触摸屏作为人机交互界面，操作简单，易于掌握。参考文献1邵强邵诚基于PLC的直线插补控制及其实现机械设计与 制造，2 00 7 , (8) :122- 1 23.2李明副.西门子运动控制器在压机送料线上的应用J锻压装配 与制造技术，2 0 0 4, (2) :55-56.3张绍芳 车厢边板冷弯成形生产线中点焊机的PLC程序控制