基于MCGS和FX2N-20GM的雙軸伺服系統的研究與開發

梁生龍（珠海城市職業技術學院，廣東珠海　519090）

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基于MCGS和FX2N-20GM的雙軸伺服系統的研究與開發

梁生龍
（珠海城市職業技術學院，廣東珠海519090）

摘要：以FX2N-20GM為核心運動控制器，結合三菱PLC、MCGS觸摸屏和臺達伺服驅動器，設計了一套雙軸伺服系統，對雙軸伺服系統的硬件結構和軟件程序進行了詳細闡述。通過試驗，該控制系統精度較高，開放性、通用性和擴展性較好，可以廣泛應用于工程技術領域。

關鍵詞：FX2N-20GM；定位模塊；伺服系統；PLC；MCGS

0　前言

近年來，現代工業對運動控制的要求越來越高，伺服運動控制技術的應用也越來越廣。在機械、設備等相關領域各種運動部件的速度控制、運動軌跡控制都是依靠各種伺服系統來完成，如數控機床的X-Y軸控制、醫療器械X光機、機器人、平行縫焊機等。伺服系統為工業生產率及其自動化水平的提高作出了重要貢獻。目前市場上大都是封閉式的數控系統，不能適應用戶對設備的開放性、互換性、通用性和擴展性的需要，為了能夠適應市場對伺服系統的需要，基于MCGS觸摸屏和FX-20GM研究開發了雙軸伺服系統，可以廣泛應用于工程技術領域。

1　雙軸伺服系統的硬件設計

整個系統主要由機械部分和電氣部分組成。機械部分有工作臺、滾珠絲桿、電機支架組成。電氣部分主要由MCGS觸摸屏、PLC （FX3U-48MT）、定位模塊（FX2N-20GM）、臺達交流伺服驅動器、自帶高精度編碼器的伺服電機等組成。雙軸伺服系統總體結構如圖1所示。

圖1　雙軸伺服系統結構圖

1.1定位單元FX2N-20GM介紹[1]

為了滿足雙軸伺服系統的定位要求及其插補功能，該系統選用了FX2N-20GM作為核心運動控制單元，與PLC基本單元FX3U-48MT通過專用連接電纜FX2N-GM-5EC進行連接，配合完成定位功能。FX2N-20GM可以同時控制X、Y兩根軸，具有線性/圓弧插補功能，其控制原理為通過輸出脈沖序列到伺服電機驅動器的脈沖和方向端口，通過對X軸和Y軸伺服電機的轉速和轉角連續的定位控制，就可以得到工作臺的運行軌跡。通過設置FX2N-20GM定位單元的脈沖當量，可達到1 μm的定位精度。圖2所示為FX2N-20GM的基本對外接口。

圖2　FX2N-20GM的基本對外接口

1.2雙軸伺服系統的電氣控制原理

在本系統中觸摸屏選用上海昆侖通態的TKC7062K，與FX3U-48MT通過編程電纜進行通訊連接，用于發送主令信號和運行情況的監控。選用FX3U-48MT作為主控單元，FX2N-20GM作為核心定位單元，主控單元與定位單元用連接電纜FX2N-GM-5EC進行連接，實現數據交換。伺服驅動器和伺服電機選擇臺達伺服驅動器和臺達伺服電機。PLC主控單元接收到來自觸摸屏的命令后通過緩沖通道發送給FX2N-20GM定位單元，定位單元再同時給X軸，Y軸伺服驅動器發送脈沖，從而控制伺服電機，實現所需要的運動軌跡控制。

控制系統的電氣接線原理如圖3所示[1，4-5]。FX2N-20GM定位單元的CON3和CON4分別對應連接X軸和Y軸的伺服驅動器相應端子，其中FP接伺服驅動器的方向信號端子，RP接伺服驅動器的脈沖信號端子。對于近點信號輸入DOG選用光電接近開關作為標志信號的輸入，正向旋轉行程結束LSF、反向旋轉行程結束LSR選用機械接觸式行程開關，其中連接DOG的開關確定了雙軸伺服系統的機械原點。伺服電機自帶有編碼器，連接到伺服驅動器的CN2端子，實現閉環控制。

圖3　雙軸伺服系統電氣接線原理圖

2　雙軸伺服系統的軟件程序開發

雙軸伺服系統的軟件開發包括四部分：人機界面的開發、PLC主機程序及其與觸摸屏的通訊程序的編寫、定位單元的定位程序及其與基本單元通信的程序編寫。

2.1觸摸屏界面的設計

觸摸屏設計有手動模式和自動模式，在手動模式下能夠控制X、Y軸的點動，在自動模式下能實現伺服系統的啟動與停止。觸摸屏界面如圖4所示。

圖4　觸摸屏界面

2.2PLC主機程序及其與定位單元的通信

定位單元啟動、停止、點動、回零等命令是通過操作特殊輔助繼電器的狀態來控制的，X軸、Y軸常用的主令信號和特殊輔助繼電器一一對應，如表1所示。

表1　FX2N-20GM常用特殊輔助繼電器一覽表

在20GM定位單元與PLC主機之間的通訊數據由FROM/TO指令控制。利用三菱PLC的FROM指令可以把定位單元的BFM中的內容讀到PLC中，利用TO指令可以把PLC主機的內容寫到BFM中。針對X，Y雙軸的伺服運動系統，主要使用了兩個緩沖區(BFM#20和BMF#21)[3]，#20號緩沖區設置同步2軸和X軸的運行方式，#21號緩沖區設置Y軸的運行方式，每個緩沖通道BFM由16個位組成，每一位的置位和復位都具有不同的控制功能，FX20-GM的定位操作是通過觸發BFM20號、BFM21號的位實現的，每個位分配見表2所示。其中，BFM#20號控制X軸，BFM#21號控制Y軸，BFM20號的b1位(M9001)表示開始命令，b2 位(M9002)表示停止命令，b4位(M9004)表示機械回零命令，b5位（M9005）表示正向FWD點動命令，b6位（M9006）表示反向FWD點動命令，觸發b5（M9005）即可實現正向FWD點動，觸發b6位（M9006）即可實現反向RVS點動。PLC主機發出的數據將通過通信程序傳送至20GM緩沖區BMF中。

當主機和定位單元連接后，可以通過對BFM的讀寫來設定工作臺的位移、速度等定位數據，也可以設定定位單元的參數，監控當前運行位置。PLC主機程序如圖5所示。

圖5　PLC主機程序

表2　FX2N-20GM緩沖存儲器的分配一覽表

PLC程序中M10為啟動，M11為停止，M20 為X軸正向點動，M21為X軸反向點動，M22為Y軸正向點動，M23為Y軸反向點動。

2.3定位程序的編寫

定位程序主要采用定位模塊專用的軟件FX?VPS-E進行編寫，首先需要在軟件中設定定位模塊的單位、速度、機械零點等相關參數，然后再利用流程圖進行定位程序的編寫，參數設置如圖6所示。

圖6　FX2N-20GM相關參數的設置

FX2N-20GM定位模塊提供了豐富的指令和圖形化的流程圖方便用戶編寫定位程序，在本系統中主要采用了定位軟件FXVPS-E提供的流程圖進行運動程序的編寫，這種圖形化的程序開發簡單易學，擴展方便[4]。下面提供了一個方形運動控制程序開發實例。

如圖7所示，這是一個利用FXVPS-E編寫的直線插補定位程序，當觸摸屏將PLC軟元件M0置位后，即可執行P1定位程序，它實現了一個方形軌跡。因此，通過編寫不同的定位程序，工作臺就可以得到用戶所需的運動軌跡。

圖7　FXVPS程序

3　結論

定位單元FX2N-20GM具有很強的運動控制能力，與交流伺服驅動器配合可以實現高精度的雙軸位置控制系統。該系統硬件結構簡單，軟件程序易于開發，便于用戶根據不同的需求進行使用。經過測試，該控制系統精度較高，開放性、通用性和擴展性較好，可以廣泛應用于工程技術領域。

參考文獻：

［1］FX2N-10GM和FX2N-20GM硬件編程手冊［Z］.日本，三菱公司，2002.

［2］三菱FX3U用戶手冊［Z］.日本，三菱公司，2005.

［3］萬潔蕓.數控機床PLC兩軸聯動控制實例簡析［J］.拖拉機與農用運輸車，2009，36（1）：107-108.

［4］薛永風，朱學軍，方赟.基于FX2N-20GM的雙軸步進控制系統設計［J］.組合機床與自動化加工技術，2011（09）：73-76.

［5］ASDA-AB系列進階泛用型伺服驅動器應用技術手冊［Z］.上海，中達電通，2008.

(編輯：向飛)

The Design of Two Axis Servo System Based on MCGS and FX2N - 20GM

LIANG Sheng-long
（Zhuhai City Polytechnic，Zhuhai519090，China）

Abstract:The two axis servo system was designed.The design chose FX2N-20GM as core motion controller，combined with the Mitsubishi PLC，MCGS touch screen and delta servo motor driver.The hardware structure and software program of two axis servo system in detail. Through the experiment，the control precision of the system is higher，openness，universality and expansibility is good，can be is widely used in the field of engineering technology.

Key words:FX2N-20GM；positioning module；servo system；PLC；MCGS

作者簡介：梁生龍，男，1982年生，山西盂縣人，碩士研究生，講師。研究領域：機械電子工程。

收稿日期：2015－05－14

DOI:10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2015. 11. 025

中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A

文章編號：1009－9492 ( 2015 ) 11－0094－04