0 引言

　　基于PC架構(gòu)，利用多軸運動控制卡所構(gòu)建的運動控制器已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床等機電一體化設(shè)備。由于多軸運動控制卡的專用性，該種方案的實施對于技術(shù)人員的要求相對來講比較高。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，可編程邏輯控制器(PLC)已由傳統(tǒng)的順序邏輯控制延伸至模擬量控制、運動控制等高端應(yīng)用領(lǐng)域。本文即是基于高速PLC構(gòu)建了雙CPU的多軸運動控制器，用于全自動端子機的多軸運動控制。全自動端子機主要用于加工在電子和計算機領(lǐng)域大量使用的端子線。該設(shè)備可以實現(xiàn)不同線徑和定長導(dǎo)線壓著金屬端子的高速全自動生產(chǎn)，尤其是在線徑小于0.5mm2的端子線生產(chǎn)中更具有明顯的優(yōu)勢。此類設(shè)備目前以從日本、美國和韓國進口為主。

1 系統(tǒng)方案

　　本系統(tǒng)電氣部分控制主要采用三菱Q系列PLC、多軸運動控制器Q172、MR.J2S.B系列伺服放大器和HC.SFS系列伺服電機。端子線的機械傳送過程主要采用SMC公司的氣動元件實現(xiàn)。人機控制界面則采用組態(tài)軟件進行開發(fā)。下面在對全自動端子機的工作過程進行分析的基礎(chǔ)上給出控制系統(tǒng)的具體方案。

　　1.1全自動端子機工作過程

　　全自動端子機的工位，其工作過程如下：端子機上電，對要加工的端子線線徑、加工速度、產(chǎn)量等參數(shù)進行設(shè)置。系統(tǒng)開始運行，左右兩個送線輪開始旋轉(zhuǎn)，將導(dǎo)線送至切線刀口處。由切刀限位開關(guān)觸發(fā)信號控制切刀上下運動以切斷電線。進而擺動裝置由初始位置a擺動到位置b并觸發(fā)剝皮電機轉(zhuǎn)動，按設(shè)定的剝皮深度確定剝線刀座向前運行的距離并旋轉(zhuǎn)以剝線。由擺動裝置將一端剝皮后的導(dǎo)線擺動到位置c，經(jīng)由上下運動的模頭壓著導(dǎo)線前端端子。然后擺動裝置迅速回轉(zhuǎn)到位置a，送線輪旋轉(zhuǎn)一定角度θ(其中θ=L／R，L為待加工端子線長度，尺為送線輪半徑)后停止，氣動爪1閉合以加緊電線，切線刀再次上下運動將待加工的定長導(dǎo)線切斷。氣動爪1通過氣動缸體從位置d左移到位置e，氣動爪2閉合之后氣動爪1松開并回至原位，氣動爪2通過由電機帶動的絲桿迅速從位置e到達位置f，位置f的限位開關(guān)觸發(fā)剝皮裝置，對待加工導(dǎo)線的另外一端進行剝皮。剝皮之后的導(dǎo)線經(jīng)由氣動爪2送回到位置e，氣動爪3閉合的同時氣動爪2松開導(dǎo)線經(jīng)由氣動缸體送至位置g，再經(jīng)由電機和絲桿帶動氣動爪4往復(fù)運動完成待加工導(dǎo)線另外一端端子的壓著。最后經(jīng)由氣動缸體帶動已閉合的氣動爪5將加工好的端子線送至成品存放位置i處，從而完成一次端子線的加工過程。以300mm長雙端端子線加工為例，其加工周期最短為0.8s。

　　1.2 系統(tǒng)控制方案

　　對上述端子機的工作過程進行分析可以得出：控制系統(tǒng)不但要完成3個氣動缸體、5個氣動爪、2個壓著端子模頭的往復(fù)運動(氣動元件由電磁閥控制)、切刀切線、端子壓著和剝皮檢測等二值邏輯控制，還要實現(xiàn)由6個電機帶動的擺動裝置、送線輪、剝皮裝置、氣動爪2和4的高速精確位移。

　　二值邏輯控制由三菱Q系列PLC基本CPU(如QOO)實現(xiàn)。而端子機的高速精確位移控制則由三菱Q系列運動控制CPU(如Q172)控制6個伺服電機實現(xiàn)。一個Q172 CPU最多可控制8個同步軸，具備多軸插補、速度控制、軟件凸輪定形、軌跡控制等功能，運動指令執(zhí)行周期僅為0.88ms，為業(yè)界速度最高的PLC。Q172 cPu可以共用Q系列PLC的電源模塊、基板和I／O模塊，適合與Q系列PLC基本CPU一起構(gòu)成多CPU系統(tǒng)，兩者的CPU即可以獨立運行亦可以通過專用Q.bus總線使用專用指令和共享存儲器等方式進行通信，從而實現(xiàn)系統(tǒng)資源的最優(yōu)化配置。運動控制Q172 CPU對6個伺服電機的控制通過SSCNET(伺服系統(tǒng)控制總線)高速串行通信總線實現(xiàn)。

　　與傳統(tǒng)的基于PC架構(gòu)和多軸運動控制卡的方案相比，本方案在系統(tǒng)的可擴展性、開發(fā)的難易程度、開發(fā)周期和可靠性等方面都有著明顯的優(yōu)勢。

2 系統(tǒng)控制程序設(shè)計

　　系統(tǒng)控制程序設(shè)計主要包括系統(tǒng)二值邏輯控制LC程序設(shè)計和系統(tǒng)運動控制的程序設(shè)計兩部分。

　　2.1 程序設(shè)計方法

　　系統(tǒng)控制程序采用國際電工委員會(IEC)所制定的標(biāo)準(zhǔn)語言——順序功能圖(SFC)進行設(shè)計。基于SFC的設(shè)計思路是將系統(tǒng)的一個工作周期劃分為若干個順序相連的階段，這些階段稱為步(Step)。每一步則根據(jù)輸出量的狀態(tài)變化進行劃分，且可以嵌套相應(yīng)的梯形圖程序。在任何一步之內(nèi)，各輸出量的ON／OFF狀態(tài)不變，相鄰兩步的輸出量所發(fā)生的使系統(tǒng)由當(dāng)前步轉(zhuǎn)入到下一步的信號稱為轉(zhuǎn)換條件。由轉(zhuǎn)換條件控制代表各步的編程元件，使其狀態(tài)按一定的順序變化，并用代表各步的編程元件去控制PLC的輸出。因此，基于SFC的PLC程序與基于梯形圖的PLC程序相比具有條理性好、可讀性強、易于擴展與維護等優(yōu)點。

　　用以二值邏輯控制的PLC程序開發(fā)環(huán)境采用三菱GX Developer，GX Simulator和GT Simulator可以實現(xiàn)PLC程序的完全軟件化仿真和調(diào)試舊1；而對基于運動控制器Q172 CPU的運動控制程序的開發(fā)環(huán)境則采用MT Developer。MT Developer是用于開發(fā)基于運動控制器Q172 CPU應(yīng)用程序的集成開發(fā)環(huán)境HJ。通過該開發(fā)環(huán)境可以實現(xiàn)運動控制SFC程序、伺服系統(tǒng)參數(shù)、CAM數(shù)據(jù)、G代碼等相關(guān)程序和數(shù)據(jù)的編輯、調(diào)試與監(jiān)控。

　　2.2 PLC基本CPU與運動控制CPU的通訊

　　在多CPU系統(tǒng)中，PLC基本CPU和運動控制CPU可以采用以下三種方式進行通訊。

　　2.2.1 CPU共享內(nèi)存的自動刷新

　　在多CPU系統(tǒng)里CPU的共享內(nèi)存用以CPU之間的數(shù)據(jù)傳送，從000H到FFFH共4096個字節(jié)。CPU的共享內(nèi)存分為4個區(qū)域：自CPU操作數(shù)據(jù)區(qū)域、系統(tǒng)區(qū)域、自動刷新區(qū)域和用戶自定義區(qū)域。PLC基本CPU的32點(BO到B1F)和運動控制CPU的32點(B20到B3F)進行自動刷新的過程。

　　PLC基本CPU在處理END指令時將其B0到B1F的數(shù)據(jù)傳送到共享內(nèi)存的自動刷新區(qū)域；同時運動控制CPU共享內(nèi)存的自動刷新區(qū)的數(shù)據(jù)傳送到B20到B3F；運動控制CPU在處理主循環(huán)時將其B20到B3F的數(shù)據(jù)傳送到共享內(nèi)存的自動刷新區(qū)。同時PLC基本CPU共享內(nèi)存的自動刷新區(qū)的數(shù)據(jù)被傳送到BO到B1F。通過以上操作，寫人到PLC基本CPU B0到B1F的數(shù)據(jù)讀取為運動控制CPU的B0到B1F。寫入到運動控制CPU B20到B3F的數(shù)據(jù)，可以自由讀取為PLC基本CPU B20到B3F。PLC基本CPU B0到B1F可以用于PLC基本CPU讀取或?qū)懭耄獴20到B3F與運動控制CPU的自動刷新區(qū)僅可以用于PLC基本CPU進行讀取，不能用于PLC基本CPU寫入。同樣，運動控制CPU B20到B3F可以被運動控制CPU自由讀取和寫入，但B0到B1F與PLC基本CPU的自動刷新區(qū)僅可以被運動控制CPU讀取，不能用于運動控制CPU寫入。通過設(shè)置共享內(nèi)存，只需對PLC基本CPU的I／O和數(shù)據(jù)寄存器進行操作即可實現(xiàn)對運動控制器CPU進行相應(yīng)的操作和監(jiān)控。

2.2.2 從PLC基本CPU傳送指令到運動控制CPU

　　PLC基本CPU用以控制運動控制CPU的指令共有6條。S(P).SFCS指令用以啟動運動控制SFC程序的請求；S(P).SVST指令用以啟動指定伺服控制程序的請求；s(P).CHGA指令用以指定運動軸的當(dāng)前值變更請求；s(P).CHGV指令用以指定運動軸的速度變更請求；S(P).CHGT指令用以指定運動軸的轉(zhuǎn)矩控制值變更請求；S(P).GINT指令用以運動控制CPU事件任務(wù)的執(zhí)行請求。以S(P).SFCS指令為例，其通過PLC基本CPU啟動運動控制CPU 。

　　2.2.3 PLC基本CPU對運動控制CPU進行讀／寫操作

　　PLC基本CPU對運動控制CPU進行讀操作的指令為S(P)．DDRD：運動控制CPU的軟元件數(shù)據(jù)被讀取到PLC基本CPU的軟元件內(nèi)存；寫操作指令S(P)．DDWR：PLC基本CPU的軟元件數(shù)據(jù)寫入到運動控制CPU的軟元件內(nèi)存。

　　2.3 程序設(shè)計實例

　　全自動端子機的伺服電機運動控制程序。其程序結(jié)構(gòu)由開始、步、轉(zhuǎn)移、結(jié)束等組成，可自動運行或由PLC基本CPU程序進行調(diào)用。

3人機界面設(shè)計

　　本系統(tǒng)的人機界面采用基于微軟.net架構(gòu)的易控組態(tài)軟件進行開發(fā)，以高級語言C#作為用戶程序腳本語言。集成即時消息軟件、手機短信和電子郵件等功能。人機界面通過采用復(fù)合動畫、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能實現(xiàn)獨特的監(jiān)控效果，使動畫更加美觀和逼真，更富有表現(xiàn)力。基于.net架構(gòu)所開發(fā)出的人機界面系綠色環(huán)保應(yīng)用程序，不會污染用戶計算機的系統(tǒng)目錄和注冊表。人機界面通過與PLC基本CPU(Q00)和運動控制CPU Q172進行變量連接，快捷、直觀、實時地監(jiān)控全自動高速端子機的工作過程。全自動端子機人機界面通過工業(yè)PC機的串行口(RS232／RS485)與三菱Q系列PLC基本CPU和運動控制CPU進行通訊。PLC相關(guān)的數(shù)據(jù)寄存器、輸人／輸出繼電器、通用繼電器、特殊寄存器等都可以通過人機界面進行讀寫。全自動端子機人機界面包括：用戶登錄、流程界面、電氣連接示意圖、系統(tǒng)實時響應(yīng)曲線、報警記錄、系統(tǒng)功能說明7個子畫面。

4 結(jié)束語

　　運動控制在制造業(yè)中扮演著重要的角色，本文基于PLC在運動控制領(lǐng)域中的最新技術(shù)，采用PLC基本CPU和運動控制CPU構(gòu)建了雙CPU的端子機控制系統(tǒng)。用于全自動端子機的二值邏輯控制和6個伺服電機的運動控制。人機界面采用基于．net架構(gòu)的組態(tài)軟件開發(fā)環(huán)境進行設(shè)計，具有逼真的動畫效果和良好的跨平臺性。與傳統(tǒng)的基于PC架構(gòu)和多軸運動控制卡方案相比，本系統(tǒng)的可擴展性、開發(fā)的難易程度、開發(fā)周期和可靠性等方面都有著明顯的優(yōu)勢。