基于PLC和組態王對三軸機械手控制系統的設計

（大連理工大學 海洋科學與技術學院，盤錦 124221）

0 引言

可編程控制（PLC）作為一種通用的工業控制器，它主要應用是實現工業自動化，主要包括順序控制，過程控制和運動控制等。本文以FX3U-32MT為控制器設計一種符合工業應用要求的三軸伺服控制系統，其主要由組態王、VB、PLC、交流伺服裝置及絲桿組成。組態王組建的人機界面，可實現對系統的實時監控，具有操作方便、圖形顯示直觀、參數修改方便等特點[1]。VB支持動態數據交換技術（DDE）可使VB應用程序與組態王之間建立動態的數據通信。FX3U-32MT 功能強大、使用方便、穩定性高，集成了多項業界領先的功能：晶體管輸出型的基本單元內置了3軸獨立最高100kHz的定位功能，主要作為現場數據的采集和工業設備的控制[2]。交流伺服裝置具有運行穩定、快速響應性好、控制精度高等特點，主要用作精密定位和快速隨動系統。

1 機械手控制的原理

機電控制系統一般由機械本體，動力源，檢測與傳感裝置，執行機構和控制及信息處理單元組成[3]。基于機電一體化的設計原理，本控制系統由FX3U PLC、組態王、VB、伺服驅動器、伺服電機、減速器和絲桿組成，如圖1所示。其工作過程為：通過組態王或VB與組態王的實時數據交換技術（DDE）設定的位移及速度等相關參數來確定PLC輸出信號，再由 PLC高速輸出端發出脈沖個數和脈沖頻率到伺服驅動器，以驅動伺服電機按指定的速度帶動絲桿運動。該系統由主要有三種工作模式：手動控制，點動定位控制和空間軌跡控制模式。在手動模式下，系統給定特定的速度，操作者通過按鈕控制一軸或多軸的運動到達指定的空間位置。在點動模式下，通過輸入空間坐標點的值和各個軸的運動速度，實現機械手空間的精確的定位。在某些特定的工況下，對機械手的空間運動軌跡有特定的要求，為了解決這個問題，本設計設置了空間運動軌跡控制模式。在該模式下，利用VB的強大的編程能力和可視化的特點，與組態王建立動態數據通訊，操作者通過在VB中編寫空間運動軌跡的程序，計算出各軸的運動速度，動態傳輸到組態王中，實時的修改PLC的高速輸出端發出脈沖個數和脈沖頻率，以達到特定的空間的軌跡。

圖1 總體設計圖

2 機械手硬件系統的基本構成

本設計選用松下Minas A5交流伺服驅動器。它有位置、轉矩，速度和全閉環控制四種控制方式，速度波動率小，具有超程限制、伺服報警、定位完成等功能，能滿足系統要求[4]。松下Minas A5交流伺服驅動器電子齒輪比的計算，有兩種計算方式：

1）松下專有方式：當Pr0.08參數不為0時：

Pr0.08（電機每旋轉一次的指令脈沖數）=螺距/脈沖當量 。

2）通用計算方式：當Pr0.08參數為0時：

電子齒輪比=編碼器分辨率×脈沖當量×機械減速比/螺距。

針對本控制系統，我們默認系統設定值Pr0.08=10000，已知絲桿的導程為10mm，X軸上的減速器的值為1:2。

通過計算我們可以得到：

X軸的脈沖當量=機械減速比 螺距 Pr0.08=10 2/10000=0.002mm/Plus

Y軸的脈沖當量=螺距 P r 0.0 8=1 0 2/10000=0.002mm/Plus

Z軸的脈沖當量=螺距 P r 0.0 8=1 0 2/10000=0.002mm/Plus

三菱公司的FX3U-32MT自帶16點輸入端口16點輸出端口，其中具有3個脈沖端口（Y0、Y1、Y2），能同時控制三個伺服電機。此次設計采用位置控制方式，通過FX3U-32MT型PLC控制三個伺服驅動器去驅動X軸、Y軸、Z軸上的伺服電機運動。伺服驅動器和PLC之間有輸入輸出信號連接器CN1，有50個端子接口。其端口使用情況如圖2所示，PLC輸入端設置的輸入量X7、X10、X12、X13、X15、X16分別接X軸、Y軸、Z軸的光電門左右限位開關；輸入端口X01連接復位按鈕；輸入端口X3、X4、X5接每個CN1的ALM+伺服報警信號；當伺服驅動器處于正常狀態時，ALM+處于高電平，開關X7、X10、X12處于閉合狀態，此時伺服SON工作信號為ON，伺服回路才啟動，電機線圈激磁，伺服系統準備好。

PLC輸出信號有：Y0、Y1、Y2分別接X軸、Y軸、Z軸三軸對應CN1的PLUC2端子，Y0、Y1、Y2為PLC輸出的位置脈沖指令數；Y4、Y5、Y6分別接X軸、Y軸、Z軸三軸對應CN1的SIGN2端子，Y4、Y5、Y6為脈沖方向；Y7、Y10、Y12分別為X軸、Y軸、Z軸使能信號。Y3、Y11、Y13為X軸、Y軸、Z軸清零信號，當出現急停、伺服報警、超程時，伺服驅動器會有位置偏移脈沖，需脈沖清零。

圖2 FX3U-32MT PLC輸出輸入端口分配表

3 機械手PLC程序設計

3.1 程序總體設計

如圖3為機械手系統的PLC梯形圖程序的總體結構，將總體程序分為公用程序、手動程序、點動程序和空間軌跡控制程序四個部分。在梯形圖中使用跳轉指令同時使用復位指令使得手動程序、點動程序和空間軌跡控制程序程序不會同時執行。假設選擇“手動控制”方式，則M0為ON、同時X2，M3 復位為OFF，此時 PLC執行完公用程序后，將跳過動程序到P0處，執行“手動程序”。

圖3 PLC梯形圖程序的總體結構

3.2 公用程序

在公共程序是指中手動控制程序點動控制程序，空間軌跡控制程序可以共同使用的程序，主要包括：初始化賦值程序，當前脈沖讀取程序，伺服準備好程序，脈沖清零程序，控制方式選擇程序，復位程序，急停程序。

初始化賦值程序是對PLC的寄存器給定一個合適的初始值；

當前脈沖讀取程序：FX3U-32MT型PLC的寄存器D8340、D8350、D8360分別存儲高速脈沖輸出端口（Y0、Y1、Y2）的當前脈沖輸出值。而組態王不能對該寄存器進行直接讀取，故我們需要把給寄存器的值儲存在可被直接讀取的寄存器中。

伺服轉備好程序：當X，Y，Z軸沒有出現伺服報警信號時，PLC的輸出端Y7、Y10、Y11輸出為1，伺服驅動器的SON工作信號為ON，伺服回路啟動。

脈沖清零程序的作用是當出現急停、伺服報警、超程時，伺服驅動器會有位置偏移脈沖，需脈沖清零。

控制方式選擇程序：該程序主要是用于選擇控制的方式。以手動選擇為例，其程序如圖4所示。

圖4 原點回歸程序

原點回歸程序：DZRN是FX3U-32MT的原點回歸指令，該指令是執行原點回歸使機械位置與PLC內的當前寄存器一致指令。如圖5所示為原點回歸程序，以X軸為例進行說明。當M05閉合時，伺服電機以3000PLUS/S的速度回歸原點，該速度稱為原點回歸速度，當PLC檢測到X06的上升沿時，伺服電機以3000PLUS/S的速度進行回歸，稱為爬行速度，當再檢測到X06的下降沿后，PLC脈沖輸出停止，原點回歸結束。

急停程序：FX3U-32MT中特殊繼電器M8034的功能是全輸出禁止，由于該控制系統的運行速度不高，故可以用該指令作為急停程序。其控制程序如圖6所示，當PLC檢測到M8或X000為上升沿時，所有PLC的輸出端口禁止輸出，達到急停的目的。

圖5 原點回歸程序

圖6 急停程序

3.3 手動控制程序

在手動定位程序中，有控制XYZ軸正反方向的六個控制按鈕控制機械手的空間運動。以X軸正方向為例，進行說明，其程序如圖7所示。

M10和M11分別表示機械手的X軸的正反方向。DPLSV為可調變速脈沖輸出指令，表示PLC按m100的閉合（斷開）情況，發出1000Hz（2000Hz）的頻率脈沖，Y0為脈沖輸出口，Y4為輸出方向。控制伺服電機準確定位。

圖7 手動控制程序（X軸正方向）

3.4 點動定位控制程序

在機械手的點動定位程序。M21，M21，M23分別控制著機械手的三軸的電機的運動。如圖所示8為機械手X軸的點動定位控制程序，DDRVA指令是絕對位置控制指令，DDRVA D0 D2 Y000 Y004的意思是讀取D0和D1寄存器的數值，該數值是PLC發出脈沖的總數。PLC讀取D2與D3寄存器的數值作PLC發出脈沖的頻率。脈沖的輸出口是Y000，方向脈沖的輸出口是Y004。輔助繼電器M8029是脈沖發送結束標志位。當定位脈沖發送結束時，M21斷開，此時該軸的定位結束。

圖8 點動定位控制模式（X軸）

3.5 空間軌跡控制程序

空間軌跡控制程序，以機械手的X軸為例，如圖9所示進行說明。該程序使用了DPLSV指令，DPLSV D12 Y000 Y004，PLC讀取D2與D3寄存器的數值作PLC發出脈沖的頻率。脈沖的輸出口是Y000，方向脈沖的輸出口是Y004。

圖9 空間軌跡控制程序（X軸）

4 人機界面

“組態王”是在PC機上建立工業控制人機接口的一種智能軟件包，它以Windows 98/Windows2000/WindowsNT4.0中文操作系統作為其操作平臺,具有豐富的配置界面和簡單易用的接口的特點[6]。該軟件包由工程管理器（ProjManager）、工程瀏覽器（TouchExplorer）、畫面運行系統（TouchView）三部分組成[7]。

在工程管理器管理器中新建一個工程之后，在工程瀏覽器中完成以下任務：首先完成組態王與PLC的配備，然后組態王與PLC的串口通訊設置。為了完成組態王與之間的數據交換，需要定義外部設備變量，根據需要在數據詞典中添加工程中使用的變量，此外，在數據詞典中可以完成脈沖數與位移之間的轉化，速度和脈沖頻率的轉化。其變量使用情況如圖10所示。

圖10 數據詞典變量定義表

創建好工程以后，就可以制作人機界面了，在工程瀏覽器的畫面選項中新建機械手的運行控制控系統的界面。該人機界面包括四個部分：登錄界面，手動控制界面，點動控制界面和空間軌跡控制界面。其手動界面（如圖11所示）和點動控制界面（如圖12所示）如下圖所示。在手動界面通過控制各個按鈕來實現機械手的運動。在點動界面通過輸入各軸的速度和位移運動到指定的空間坐標。

在運動軌跡控制界面，是為了機械手在特定的情況下，按照運動的要求去編譯運動軌跡路線的程序的接口，首先需要建立VB和組態王的動態數據通訊，其具體操作過程不在此贅述。在VB中編寫程序，建立三軸運動速度的關系。在一定的時間中向組態王中傳輸運動的速度，從而達到預定的軌跡。其操作界面如圖13所示。

圖11 手動界面

圖12 點動定位控制界面

圖13 運動軌跡控制界面

5 結束語

本文設計了一套以FX3U-32MT型PLC、組態王、交流伺服裝置為核心的定位和運動軌跡可控制的三軸機械手運動控制系統。主要介紹了直角坐標系機械手的硬件的搭建，PLC軟件程序的編寫和人機界面的組態，完成了機械手空間手動定位，坐標定位和空間軌跡控制。