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2010年11月 第38卷第22期 機床與液壓 MACHINE TOOL HYDRAULICS Nov 2010 V01 38 No 22 DOI 10 3969 j issn 1001 3881 2010 22 039 基于Q系列PLC的三維伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 張建剛 鄭萍 張皓亮 金高松 王曉光 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院 四川成都610039 摘要 采用Q系列PLC和定位模塊設(shè)計三維伺服控制系統(tǒng) 給出其系統(tǒng)集成構(gòu)架 進行基于高性能CPU 定位模塊 I O模塊的伺服系統(tǒng)的硬件設(shè)計 介紹系統(tǒng)的地址分配及數(shù)據(jù)傳輸過程 闡述伺服參數(shù)設(shè)置 相關(guān)的PLC程序和人機界面 的軟件設(shè)計過程 實現(xiàn)多軸直線插補和圓弧插補 實驗結(jié)果證明 該系統(tǒng)運行穩(wěn)定 精度高 有良好的應(yīng)用價值 關(guān)鍵詞 PLC 伺服控制 定位模塊 人機界面 直線插補 圓弧插補 中圖分類號 TP273 文獻標識碼 A 文章編號 1001 3881 2010 22一l12 4 Design of the Three Dimensional Servo Control System Based on Q Series PLC ZHANG Jiangang ZHENG Ping ZHANG Haoliang JIN Gaosong WANG Xiaoguang College of Electrical and Information Xihua University Chengdu Sichuan 610039 China Abstract The Q se es PLC and orientation module were used to design three dimensional se vO control system The integrated framework of the systems was given The hardware design of servo system was made based on high performance CPU orientation mod ule and I O module The address distribution and the data transmission of the system were introduced The servo parameter setting and the software design processes of PLC programs and man machine interface were illustrated The multi axis linear interpolation and cir cular interpolation were implemented The experimental result proves that the system is running stable with high precision It has good value for application Keywords PLC Servo control Orientation module Man machine interface Linear interpolation Circular interpolation 現(xiàn)代工業(yè)對運動控制的要求越來越高 因而高 精度電氣系統(tǒng)和高性能自動控制系統(tǒng)應(yīng)運而生 作 者采用三菱電機有限公司推出的Q系列高性能 CPU QD75M定位模塊以及SSCNET總線等集成三 維伺服控制系統(tǒng) 將PLC技術(shù)的優(yōu)勢和伺服控制諸 多特性完美地結(jié)合于一體 以便使運動控制系統(tǒng)性 能達到一個更好的水平 三維交流伺服這樣一種扮 演重要支柱技術(shù)角色的自動控制系統(tǒng) 在許多高科 技領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用 如激光加工 機器 人 數(shù)控機床等 因此該項目的研究有良好的應(yīng)用 價值 卜 1 基于Q系列PLC的三維伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)架 1 1 三維伺服控制系統(tǒng)控制方案的選擇 該項目采用高性能CPU 伺服控制器 定位模 塊 進行運動控制 這種解決方案中 系統(tǒng)的控制 性能不如選用專用運動型CPU的 專用運動型CPU 可同時控制的軸數(shù)目多 控制性能優(yōu)越 系統(tǒng)響應(yīng) 快 但系統(tǒng)一次成本較高 適用控制要求很高的場 合 而采用高性能CPU 伺服控制器 定位模塊 方案控制的軸的數(shù)目相對少 但性價比高 在目前屬 于主流的解決方案 也很適合我國的國情 1 2基于Q系列PLC的三維伺服控制系統(tǒng)組成 系統(tǒng)主要由電源上 1 模塊 高性能cPu I I f寰 f奩 I I囊簇 I O模塊 定位模塊 廣 型 I 伺服放 三莖曝 曝 HC KFS1 3低慣量交流 王 三土 伺服電機等組成 定 魯襞 魯 魯 位模塊與3個伺服放 大器通過專用電纜 圈 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu) SSCNET網(wǎng)絡(luò)通信 3臺伺服電機分別安放于 軸 Y 軸和Z軸的平面上 能實現(xiàn)在三維空間的精確定位 可以完成多軸直線插補和圓弧插補等運算控制 該系 統(tǒng)是按工業(yè)級建立的 能針對具體的工藝設(shè)計完成對 應(yīng)的伺服控制 模擬實現(xiàn)如數(shù)控鉆床 數(shù)控銑床 精 密雕刻機 機械手控制等 系統(tǒng)還集成了三菱人機界 面A985GOT對伺服系統(tǒng)的運行狀況做實時監(jiān)控 其 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示 Q64P電源模塊 用于給主基板上安裝的各個模 塊提供5VDC電源 注意可以安裝的電源模塊型號依 據(jù)基板而定 Q02H高性能CPU 支持三維伺服系統(tǒng)的控制與 收稿日期 2009 10 12 作者簡介 張建剛 1980一 男 碩士研究生 主要研究方向為工業(yè)控制與網(wǎng)絡(luò)控制 電話 13618094641 E mail zjg454 sohu com 第22期 張建剛等 基于Q系列PLC的三維伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 113 運算 該CPU以中大規(guī)模系統(tǒng)為對象 在大幅提高 CPU模塊處理性能和程序寄存器容量的同時 還提 高了與網(wǎng)絡(luò)模塊 編程用外圍設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信的性 能 支持本地IZO最大可達8 192點 程序容量最大 有28 k步 最快指令僅需34 RS 除了可以使用梯形 圖 語句表 ST 結(jié)構(gòu)化文本 類高級語言 SFC FB等5種編程語言外 還可支持多達4個CPU Qx41輸入模塊 I1O模塊 運動系統(tǒng)的相關(guān)檢 測信號通過該模塊送人PLC QYIO輸出模塊 I 0模塊 運動系統(tǒng)的相關(guān)指 令信號通過該模塊發(fā)送給定位模塊或伺服放大器 MR J2S10B伺服放大器 用于驅(qū)動伺服電機 能 和伺服電機的高分辨率編碼器配合 分辨率達 131 072 p r HC KFS13伺服電機 低慣量交流伺服電機 電 機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器 驅(qū)動器根據(jù)反饋 值與目標值進行比較 調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度 QD75M4定位模塊 其內(nèi)部集成有專用的控制芯 片 用做運動控制所需數(shù)據(jù)的計算 再把處理的結(jié)果 輸入到伺服放大器 SSCNET網(wǎng)絡(luò) 定位模塊與3個伺服放大器通過 SSCNET網(wǎng)絡(luò)通信 SSCNET也稱為伺服系統(tǒng)現(xiàn)場總 線網(wǎng) 是PLC控制系統(tǒng)中常用的I O Link網(wǎng) 該總 線可實現(xiàn)高速通信和簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的目的 SSCNET 使多軸的同步 插補等高級定位功能得以可靠實現(xiàn) 在節(jié)省配線的同時 提高了整機的響應(yīng)性 而且降低 了因為配線錯誤而引起的故障概率 A985GOT三菱人機界面 用于現(xiàn)場對伺服系統(tǒng) 的運行狀況做實時監(jiān)控 系統(tǒng)在連接上由一個主基板將電源模塊 高性能 CPU lfO模塊和定位模塊連接在一起 1 3軟件平臺 需要用到的相關(guān)編程平臺有 GX Developer用于編寫Q系列CPU程序 GX Developer可以創(chuàng)建Q系列 QnA系列 A系列 FX 系列的數(shù)據(jù) 實現(xiàn)了設(shè)置操作共用化 GX Developer 可實現(xiàn)共用功能 工程 在線 診斷 工具 窗口 幫助 對各個對象進行編輯及設(shè)置的功能 編輯 查找 替換 轉(zhuǎn)換 顯示j GX Configurator QP是伺服配置軟件 用于配置 QD75 M4定位模塊 MR J2S1 0B伺服放大器的數(shù)據(jù) GT Designer2是專業(yè)的人機界面設(shè)計軟件 用于 完成人機界面監(jiān)控畫面制作 2伺服執(zhí)行機構(gòu)硬件設(shè)計 三維伺服控制系統(tǒng)的伺服執(zhí)行機構(gòu)如圖2所示 主要部件包括伺服電機 載物臺 滾珠絲桿 滾動導(dǎo) 軌幅組成 3臺伺服電機分別安裝在工作臺的 Y 3個坐標方向上 分別和3根滾珠絲桿連接 在空 間上實現(xiàn)三維定位 載物臺安裝于滾動導(dǎo)軌幅上 當 伺服驅(qū)動信號加到 軸 Y軸電機上時 電機帶動滾 珠絲桿旋轉(zhuǎn) 使載物臺在沿 軸 Y軸導(dǎo)軌方向上運 動 即載物臺能到定位導(dǎo)軌范圍內(nèi) Y平面的任意 點 軸電機控制 軸刀架沿z軸導(dǎo)軌上下移動 軸電機 工作范圍 200 200 50 圖2伺服執(zhí)行機構(gòu) 在 軸上安裝筆架可以完成在絕對位置控制模式 下的多軸直線插補和圓弧插補運算實驗 這些運算能 夠?qū)崿F(xiàn)正方形 圓 各種藝術(shù)字以及各種圖案的繪 制 在z軸上安裝真空吸盤 真空發(fā)生器 同時配上 氣動器件和空壓機可進行機械手的分撿實驗 在每一軸導(dǎo)軌的前后極限位置 安裝了限位開 關(guān) 保護載物臺不沖出導(dǎo)軌始末兩端 在各軸導(dǎo)軌的 其中一側(cè) 還各安裝了一組零位開關(guān) 即近點狗 Near Point Dog 用于確定系統(tǒng)原點 該系統(tǒng)是按工業(yè)級建立 因此采用精密滾珠絲 桿 減少了反向間隙并減小了所需的驅(qū)動旋轉(zhuǎn)力 它 的性能和伺服定位的精確度聯(lián)系緊密 滑動導(dǎo)軌幅和 載物臺下端配合精密 保證載物臺能在其上面平穩(wěn)流 暢運動 這種結(jié)構(gòu)定位精度高 為典型的數(shù)控工作臺 結(jié)構(gòu) 具有一定的先進性和優(yōu)越性 3 系統(tǒng)的地址分配及數(shù)據(jù)傳輸 3 1 模塊的地址分配及通信連接 Q系列PLC為模塊式PLC 電源模塊 CPU模 塊 I O模塊和特殊功能模塊通過基板 機架 連 接 構(gòu)成控制系統(tǒng) 主機板的第1個插槽固定為電源 模塊 第2個插槽固定為CPU模塊 后面的插槽數(shù) 目根據(jù)主機板的類型不同 分為3槽 5槽 8槽 12槽 基板的作用是連接各種模塊 系統(tǒng)需要用到 什么模塊就往基板上添加 模塊在基板上的位置安裝 固定后 每個模塊在這臺PLC的地址就確定了 只 有地址明確 這一模塊才能被這臺PLC的CPU或其 他功能模塊 或者其他PLC的CPU或功能模塊訪問 模塊地址分配根據(jù)模塊實際占用的IZO點數(shù) 從第3 個插槽開始分配 地址從O0H開始 總線連接頭CNIA用于連接定位模塊或者后一級 伺服放大器 總線連接頭CNIB用于連接后一級伺服 114 機床與液壓 第38卷 放大器或終端接頭 通訊接頭CN3用于連接個人計 算機 RS 232C 或輸出模擬監(jiān)視信號 編碼器接通 CN2連接到伺服放大器 定位模塊QD75M4和伺服放大器使用三菱專用 的伺服通訊網(wǎng)絡(luò)SSCNET連接 SSCNET最大通信速 度為2 5 Mb s 最大距離30 in 保證定位模塊和伺 服放大器之間通訊的可靠 伺服電機接高精度編碼 器 其編碼器把檢測到的脈沖反饋回伺服放大器的 CN2端 構(gòu)成半閉環(huán) 3 2伺服系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過程 在該伺服系統(tǒng)中 定位模塊QD75M4是一個數(shù)據(jù) 交換密集的重要節(jié)點 一方面 外部設(shè)備 Q系列 CPU要對其讀寫定位相關(guān)的各類參數(shù) 伺服參數(shù) 監(jiān)視系統(tǒng)運行情況 另一方面 定位模塊要運算伺服 用的各種數(shù)據(jù) 傳輸給伺服放大器 所以定位模塊內(nèi) 部各種數(shù)據(jù)的交換 可很好地反應(yīng)整個伺服系統(tǒng)數(shù)據(jù) 的交換 定位模塊QD75M4內(nèi)部 數(shù)據(jù)的存儲區(qū)域分為Flash ROM區(qū)和緩沖區(qū) ROM區(qū) 主要存儲定位需要的數(shù)據(jù) 緩沖區(qū)可以通過順序控制程 序和PLC CPU交換數(shù)據(jù) 在 順序控制程序中 使用 圖3定位模塊數(shù) 據(jù)傳輸過程 FROM指令 可將QD75M4緩沖地址中的數(shù)據(jù)讀人 PLC CPU的數(shù)據(jù)寄存器中 使用TO指令 可將PLC CPU的數(shù)據(jù)寄存器中數(shù)據(jù)寫入到QD75M4緩存中去 還可以通過外部設(shè)備 如個人電腦連接PLC CPU后 采用從外部設(shè)備一PLC CPU QD75 M4的方式操作 QD75M4緩存地址數(shù)據(jù) 如圖3所示 4系統(tǒng)軟件設(shè)計 4 1伺服參數(shù)設(shè)置 伺服放大器中的參數(shù)是用來控制伺服電機的運行 特性 該伺服系統(tǒng)所用的伺服放大器MR J2S10B的 使用方法 類似于變頻器的使用 用戶根據(jù)自身的控 制需求 設(shè)置對應(yīng)的參數(shù) 伺服放大器就能很好地控 制伺服電機的運程特性 根據(jù)這些參數(shù)的安全性和使 用頻率的不同 總共1 40號參數(shù)被劃分成基本參 數(shù) 調(diào)整參數(shù)和擴展參數(shù) 用戶可以對基本參數(shù)進行 設(shè)置 重點設(shè)置的伺服參數(shù)如下 1 伺服系類 設(shè)置值3 即選擇和系統(tǒng)使用的伺服放大器類型相符 合MR J2S B 2 放大器設(shè)置 設(shè)置值0 表示選 擇增量控制系統(tǒng) 3 電機容量 設(shè)置值10 電機 容量根據(jù)實際使用的伺服電機的容量來設(shè)置 4 反饋脈沖數(shù) 根據(jù)伺服編碼器精度來選擇 5 轉(zhuǎn) 動方向 CCW為逆時針方向 CW為順時針方向 6 自動調(diào)整 設(shè)置值1 即選擇自動模式1 7 伺服反饋 設(shè)置值5 即選擇中等頻率的反饋 使用個人電腦與伺服放大器的接口CN3連接 再通過伺服配置軟件GX Configurator QP2對伺服放大 器MR J2S1 0B的參數(shù)進行修改和設(shè)置 4 2定位模塊參數(shù)設(shè)置 定位模塊QD75M4的參數(shù)配置可以通過Q02HCPU 寫入 但用戶需要對定位模塊內(nèi)部的地址逐個操作并 執(zhí)行大量的賦值 過程繁瑣 作者采用直接通過伺服 配置軟件GX Configurator QV2設(shè)置QD75M4的參數(shù) 使全部參數(shù)設(shè)置都在類似填表格和做選擇的過程中完 成 通過GX Configurator QP2可方便地將參數(shù)寫入到 定位模塊Flash ROM中 也可以把定位模塊中的參數(shù) 讀出來 定位模塊參數(shù)設(shè)置如圖4所示 50 0岬 0O 0O 曠n OO岬 OOtt 10O 100岬 a O 10OL 圖4定位模塊參數(shù)設(shè)置 4 3 PLC程序設(shè)計 1 順控程序的功能 在系統(tǒng)中 定位模塊計算了電機從一點到另一點 所走過的各點的位置坐標 伺服放大器控制電機運行 過程中的動態(tài)性能 Q系列CPU則控制伺服放大器 和定位模塊 順控程序就是指QO2HCPU中的程序 其作用主要是調(diào)用定位模塊中存儲的定位項目和進行 邏輯判斷 伺服啟動完成后 Q系列CPU中編寫的 程序就可以訪問到QD75M4 完成一段直線或圓弧插補所需的參數(shù) 合起來稱 為一個定位項目 Item 每一個項目包含的信息包 括該項目的編號 式樣 控制方式 插補的軸 加速 時間 減速時間 定位地址 圓弧地址 命令速度 停留時問 M代碼 只要這個項目的這些參數(shù)是確定 的 那么這個項目就有了對應(yīng)的具體功能 去完成一 段直線 圓弧的插補 這些 功能 一條一條地按 編號存儲在對應(yīng)軸的定位數(shù)據(jù)表中 在GX Configura tor Qe2的edit目錄下 可以設(shè)置對1 4軸的主要定 位數(shù)據(jù) 點擊進人其中一軸 進入到該軸的定位數(shù)據(jù) 表 設(shè)置該軸的主要定位數(shù)據(jù) 在調(diào)用定位項目的過程中 順序程序在外部信號 輸人和定位模塊之間起一座橋梁的作用 定位的各個 項目是預(yù)先寫入到定位模塊中的 這些項目一條一條 地存儲在定位模塊的ROM中 定位模塊在ROM中把 這些項目專門劃分了唯一對應(yīng)的編號和地址 當有信 第22期 張建剛等 基于Q系列PLC的三維伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 115 號來調(diào)用某一個地址的時候 定位模塊執(zhí)行對應(yīng)的定 位項目 完成這一項目定位功能 作者在CAD中建立和伺服系統(tǒng)相同的坐標系 在 這個坐標系下繪制好圖形后 其圖形所需的點可以準 確地讀出來 將這些坐標值設(shè)置到定位數(shù)據(jù)的設(shè)置表 中并運行 就可以得到和CAD中繪制的相同的圖形 另外 利用Q系列CPU豐富的內(nèi)部資源和指令來 處理所需的數(shù)學(xué)運算和邏輯運算 就可以將條件判斷 運算 執(zhí)行加入到該伺服系統(tǒng)中 這樣系統(tǒng)的運行方 式就變得極為靈活 可以完成更加復(fù)雜的任務(wù) 2 順控程序的設(shè)計 在設(shè)計順控程序前 因為CPU需要讀寫定位模 塊QD75M4輸入輸出信號 所以首先要確保建立CPU 和QD75M4通信的正常 文中程序設(shè)計主要實現(xiàn) Y 3軸錯誤清除 Y z 3軸點動控制 JOG Y z 3軸回零點 OPR Y z 3軸當前值讀取顯示 直線插補和圓弧插補運 算等5個重要功能 程序設(shè)計流程圖如圖5所示 I CUP QD75M4準備完成J l 各軸伺服電機啟動 I 二 軸錯誤清除 I X z3軸回零點 一 執(zhí)行3軸點動控制H Y 礴自當前值讀取H執(zhí)行直線 圓弧插補 圖5程序設(shè)計流程圖 值得注意的是 高級定位控制的主要功能是通過 調(diào)用塊起動來完成的 這里的直線插補和圓弧插補正 是按該方式進行的 4 4人機界面設(shè)計 三菱人機界面A985GOT可以和計算機 打印機 條形碼讀取器等設(shè)備連接 具有31cmTFT彩色液晶 屏 工作電壓AC100 240V 用RS 232C電纜連接 A985GOT和計算機進行人機界面的監(jiān)控畫面設(shè)計 A985GOT和Q系列CPU配合使用 能調(diào)用Q系 列CPU的內(nèi)部軟元件 即在A985GOT上使用的軟元 件的地址對應(yīng)于實際Q系列CPU內(nèi)部軟元件地址 可實時顯示數(shù)據(jù) 趨勢圖 散點圖 折線圖 使用虛 擬儀表等 用戶可方便地在A985GOT上編輯多幅監(jiān) 控畫面 監(jiān)控范圍廣 對現(xiàn)場設(shè)備的實時監(jiān)控性好 可執(zhí)行梯形圖監(jiān)視功能 系統(tǒng)監(jiān)視功能 網(wǎng)路監(jiān)控功 能 特殊模塊監(jiān)控功能 采用專業(yè)的界面設(shè)計軟件GT Designer2來進行人 機界面設(shè)計 在GT Designer2上設(shè)計好監(jiān)控畫面 然 后把畫面和該GOT的驅(qū)動程序下載到GOT的ROM 卡中存儲 用RS 232C電纜連接好Q系列CPU和 A985GOT 啟動系統(tǒng) 就可以直接使用了 A985GOT中 可以保存多幅監(jiān)控畫面 使用不同的畫面來監(jiān)控不同設(shè) 備和實現(xiàn)不同的控制功能 人機界而如圖6所示 6人杏 L界面 圖6通過RS 232C電纜上傳到A985GOT后 就 可以執(zhí)行直線插補和圓弧插補的監(jiān)控 還能夠完成伺 服執(zhí)行機構(gòu)的 軸試筆 Y z 3軸錯誤清除 復(fù) 位歸零以及位置顯示 當然也可以很方便地進行監(jiān)控 畫面的切換 5結(jié)束語 該項目是按照工業(yè)級要求集成的基于Q系列PLC 的三維伺服控制系統(tǒng) 從硬件選型到軟件設(shè)計都采用 了現(xiàn)代工業(yè)控制主流產(chǎn)品 并且提供了友好的人機交 互界面 可完成多軸直線插補和圓弧插補運算 正方 形 圓 各種藝術(shù)字以及各種圖案的繪制 在 軸上 安裝真空吸盤 真空發(fā)生器 同時配上氣動器件和空 壓機可進行機械手的分撿實驗 該系統(tǒng)能夠為進一步 研究復(fù)雜結(jié)構(gòu) 實現(xiàn)多樣化中大型工業(yè)控制提供良好 的平臺 實驗證明了該系統(tǒng)運行穩(wěn)定 控制精度高 具有實際應(yīng)用意義 參考文獻 1 龔仲華 史建成 孫毅 三菱FX Q系類PLC應(yīng)用技術(shù) M 北京 人民郵電出版社 2006 12 2 鄭萍 現(xiàn)代電氣控制技術(shù) M 重慶 重慶大學(xué)出版社 2001 12 3 三菱電機株式會社 MR J2S一口B Sevo Amplifier instme tion Manual M 2001 1 4 三菱電機株式會社 QD75M Positioning Module User s Manual M 2002 11 5 三菱電機株式會社 Q系列定位模塊QD75P QD75D用 戶手冊 M 2009 6 三菱電機株式會社 GX Configurator QP Version一2操 作手冊 M 2004 6 7 三菱電機株式會社 Q系列CPU功能解說程序基礎(chǔ) M 1999 12 8 三菱電機株式會社 A900 GOT用戶手冊詳細篇 M 2004 4 9 三菱電機株式會社 GT Designer2版本1參考手冊 fM1 2005 2