三軸六動機構的PLC控制

李 波，李國棟

（1.中國兵器裝備集團公司 上海電控研究所，上海 200092；2.杭州電子科技大學 機械工程學院，浙江 杭州 310018）

0 引 言

隨著經濟建設的飛速發展，各地出現許多空間網架鋼結構的大型建筑。由于這種結構建造通過焊接或螺栓連接各類節點，把不同形狀的鋼制桿件（或構件）組成實體，具有足夠的強度和剛性，很容易做到大跨距，是新建大型火車站、體育場館、會展中心等的優選方案。

網架結構按其形狀可分為三角錐網架、四角錐網架、六角錐網架。它們靠許多不同截面桿件在不同方向固定在各類節點上組合成網架整體。節點按其在網架中的位置可分為中間節點、再分桿節點、頂脊節點和支座節點。網架中的每一個節點要承受來自不同方向桿件傳遞的力（每個節點交匯處有6～8根桿件）。為使節點的構造和連接具有足夠剛度和強度，將節點周邊設計成固定桿件的支托。理想的節點各個方向支托中心線應交匯于一點，避免出現因偏心而引起網架桿件產生次應力和引起桿件內力的變化［1-2］。

為保證結構的可靠性，除結構形狀、強度與剛度、材料選用等設計計算外，各類節點的加工也是非常重要的一環。

相關各類節點的焊接加工，一般都在地面進行。目前工地上裝配各類節點是靠人工調整位置進行焊接，很難保證其支托各自的定位精度，從而影響網架結構內力分布狀況。

為解決該問題，本研究研制適用于各類節點組裝的三軸六動機構；用PLC控制系統快速調整支托靠模與節點之間的空間位置，以保證各類節點上支托的焊接精度；同時，為今后節點計算軟件通過通信網口進行直接控制提供方便。

1 原 理

1.1 機構原理

三軸六動機構工作原理如圖1所示。機構每軸為一個子裝配件，其工作原理如下:

當驅動X軸旋轉伺服電機時，旋轉光桿傳動支托靠模轉動（調整角度）。當驅動X平動伺服電機時，絲桿螺母傳動副轉換成平動，滑塊帶動X軸旋轉電機、X軸旋轉底座、傳動光桿、支托靠模做左右平動（調整距離）來調整支托靠模與Z軸工作臺位置（X軸方向）［3-4］。

圖1 三軸六運動機構裝配圖

當驅動Y軸旋轉伺服電機時，傳動光桿帶動Y軸平動導軌底座（傳動光桿與Y軸平動導軌底座用鍵鎖緊一體）繞Y軸旋轉（因Y軸旋轉伺服電機是固定在機架上）；同時帶動X軸子裝配件整體轉動。當驅動Y軸平動伺服電機時，Y軸平動導軌底座上的絲桿螺母傳動副轉換成平動，Y軸平動導軌底座上的滑塊作前后平動；同時帶動X軸子裝配件隨動來調整支托靠模與Z軸工作臺位置（Y軸方向）。

Z軸子裝配件傳動基本原理類同以上二軸，通過控制Z軸2個伺服電機來調整Z軸工作臺位置。

調整三軸6個運動量大小，就能改變節點與支托靠模的相對空間位置。通過設計計算給出各類節點的支托數與位置，做成各式支托靠模安裝在如圖1所示的機構上傳動到位。將幾塊支托鋼板放置靠模上進行焊接，不斷調整靠模位置，直至焊完節點上所有支托，完成節點的組裝。

伺服電機一般都帶有脈沖編碼器，其分辨率為2 000 P/r，當伺服電機轉一圈時需2 000個脈沖。而伺服前置放大器設有脈沖倍頻功能［5-7］。

設:平動距離為A（mm），脈沖數為N（個），傳動絲桿導程為P（mm），旋轉角為?（°）。

平動距離脈沖總數為:

旋轉角度脈沖總數為:

公式（1，2）為每一軸運行需要脈沖總數的計算公式。若需提高或減少運行精度可調整伺服前置放大器的脈沖倍頻開關。

1.2 PLC控制原理

PLC控制節點與支托靠模間的相對位置，由三軸各自的脈沖數所決定；而它們的運行速度，則由脈沖的頻率大小所定。在設置初始值時，將由公式（1，2）計算出的各軸脈沖當量數值，置入數據寄存器D中。當PLC主機在輸出驅動脈沖同時，用數字計數器C進行計數，并與數據寄存器D進行比較。當某一方向的C值等于D值時，計數器C的觸點立馬停止這一方向的運行。

根據機構運行特點，本研究采用步進控制。

運行時序為:X軸旋轉(C10=D10)→Y軸旋轉(C20=D20)→Z軸旋轉(C30=D30)→Z軸平動(C40=D40)→Y軸平動(C50=D50)→X軸平動(C60=D60)。

返回原點時序為:X軸平動(C60=D60)→Y軸平動(C50=D50)→Z軸平動(C40=D40)→Z軸旋轉(C30=D30)→Y軸旋轉(C20=D20)→X軸旋轉(C10=D10)。

為便于使用，運行狀態采用:手控步進、自動運行兩種方法編程；返回原點，采用自動檢測到位方式。

2 PLC控制程序設計

2.1 PLC主機I/O設置

PLC主機I/O設置如圖2所示［8-9］。

圖2 PLC主機I/O設置

2.2 手控單動程序設計

程序設計中，三軸的控制程序類同，為壓縮版面，本研究以X軸為例進行論述。

為了便于調試、維修，特設計了手控單動程序，如圖3所示［10-11］；編程的設置如圖2所示。

2.3 返回原點程序設計

返回原點是手控或自動運行支托靠模與節點在空間位置的基準，每次運行前由功能指令自動檢測執行。

返回原點程序，如圖4所示。

2.4 自動運行程序設計

自動運行控制程序，如圖5所示［12］。

3 結束語

圖3 手控單動程序梯形圖

圖4 返回原點程序步進梯形圖

圖5 自動控制運行程序步進梯形圖

本研究通過PLC編程控制三軸六動機構進行試驗，只要在傳動鏈精度范圍內，其精度可以通過伺服前置放大器的倍頻器進行調整。三軸六動機構具有結構緊湊、調整方便的優點，不僅能解決像空間網架結構焊接節點支托空間難定位問題，還能提高各類節點焊接組裝的形狀、尺寸精度一致性，進而大大提高空間網架結構的可靠性。PLC控制技術具有應用可靠性高、編程較易掌握、通用性強等特點，非常適合控制三軸六動機構的運行。所以，利用PLC控制三軸六動機構可以充分發揮二者長處，提高設備的可操作性與可靠性。

（References）:

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