基于FX3U系列PLC和伺服電缸的定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：三軸控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中定位更加精確，運(yùn)行更加穩(wěn)定，應(yīng)用廣泛。本篇論文主要介紹了一種教學(xué)上用的三軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，該設(shè)備以FX3U-32M型號(hào)的PLC為核心控制器，利用FX3U內(nèi)置伺服定位功能與MR-J3伺服放大器相連實(shí)現(xiàn)對(duì)Z軸的控制；利用FX2N-20GM定位模塊控制X和Y軸；觸摸屏用于監(jiān)控三軸運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)；X，Y和Z三軸由三個(gè)伺服電缸組成。通過實(shí)際操作與理論知識(shí)相結(jié)合，讓學(xué)生對(duì)三軸控制系統(tǒng)理解更加深刻。

關(guān)鍵詞：三軸控制系統(tǒng)；FX3U-32M型號(hào)的PLC；伺服電缸

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.078

1 引言

我國(guó)作為一個(gè)制造大國(guó)，生產(chǎn)制造技術(shù)不斷發(fā)展創(chuàng)新，為了減少人力資源和提高生產(chǎn)率，各行各業(yè)的制造商迫切希望提高自己生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化程度。提升自動(dòng)化的程度，相當(dāng)于降低了人工的投入，并且提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。運(yùn)動(dòng)控制是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的一個(gè)重要組成部分。運(yùn)動(dòng)控制主要是指對(duì)機(jī)械執(zhí)行部件的位置和速度的精確定位和控制管理。其中定位控制為自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)控制中的基礎(chǔ)控制，本文主要介紹了利用三菱FX3U系列PLC為核心控制，通過FX2N-20GM定位模塊連接MR-J3伺服放大器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)三軸的精確定位控制。三軸控制系統(tǒng)憑借它精確的定位性，強(qiáng)能力大的反應(yīng)和穩(wěn)定性，在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中具有很強(qiáng)的應(yīng)用性，并在很多智能化自動(dòng)設(shè)備中廣泛應(yīng)用。

2 三軸控制系統(tǒng)組成

三軸系統(tǒng)的硬件組成，主要有三菱FX3U系列PLC，F(xiàn)X2N-20GM定位模塊，MR-J3伺服放大器及伺服電缸。如圖1所示為三軸控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。

三菱FX3U-32M型號(hào)PLC為第三代整體式微型可編程控制器，具有16個(gè)輸入和16個(gè)輸出信號(hào)點(diǎn)。此款PLC可向伺服電機(jī)輸出脈沖信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)定位控制。FX3U可編程控制器最多可外接8個(gè)特殊模塊。在本文中，F(xiàn)X3U-32M編程器中內(nèi)有單獨(dú)定位功能，用于控制三軸中的Z軸。

FX2N-20GM 配有電源CPU 操作系統(tǒng)輸入機(jī)械系統(tǒng)輸出和I/O 驅(qū)動(dòng)單元它也能獨(dú)立運(yùn)行。它配有8 個(gè)輸入點(diǎn)X00到X007和8個(gè)輸出點(diǎn)Y00到Y(jié)007作為通用用途。在本文設(shè)備中，F(xiàn)X2N-20GM模塊主要用于X軸和Y軸的定位控制。

伺服電缸是將伺服電機(jī)與絲杠一體化設(shè)計(jì)的模塊化產(chǎn)品，將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將伺服電機(jī)最佳優(yōu)點(diǎn)-精確轉(zhuǎn)速控制，精確轉(zhuǎn)數(shù)控制，精確扭矩控制轉(zhuǎn)變成-精確速度控制，精確位置控制，精確推力控制；實(shí)現(xiàn)高精度直線運(yùn)動(dòng)系列的全新革命性產(chǎn)品。

3 伺服驅(qū)動(dòng)硬件設(shè)計(jì)

如圖2所示，使用FX-3U內(nèi)部定位功能連接伺服放大器MR-JE-10A，實(shí)現(xiàn)對(duì)Z軸伺服電缸的控制。此款FX3U-32M型號(hào)PLC為漏型輸入輸出。X10與X11分別為Z軸正方向極限和反方向極限；DOG為Z軸原點(diǎn)回歸信號(hào)；FX3U-32M輸出端Y0連接伺服放大器PP（10）接口，向Z軸伺服電機(jī)發(fā)出高速脈沖，驅(qū)動(dòng)Z軸電缸正向運(yùn)轉(zhuǎn)；Y10與伺服放大器NP（35）接口相連，向Z軸伺服電機(jī)發(fā)出反向高速脈沖，驅(qū)動(dòng)Z軸電缸反向運(yùn)行。RD為準(zhǔn)備就緒信號(hào)，從而激發(fā)伺服信號(hào)為ON；OP為Z軸編碼器信號(hào)。

X軸和Y軸通過FX2N特殊定位模塊來實(shí)現(xiàn)控制。如圖3所示為X軸和Y軸的電氣接線圖。

FX20-20GM中CON2模塊用來設(shè)定兩軸的極限位置和原點(diǎn)回歸信號(hào)。CON3和CON4分別驅(qū)動(dòng)X軸和Y軸運(yùn)動(dòng)，由于放大器接線是相似的，以CON3與伺服放大器配合控制X軸為例。

SVEND從伺服放大器接收INP 定位完成信號(hào)；SVRDY從伺服放大器接收READY 信號(hào)這表明操作準(zhǔn)備已經(jīng)完成；CLR與CR用于消除設(shè)備開啟時(shí)位置控制計(jì)數(shù)器累計(jì)的脈沖；FP為正向脈沖輸出；RP為反向脈沖輸出。伺服放大器中EM2為強(qiáng)制停止信號(hào)；SON為伺服開啟信號(hào)；RES為復(fù)位信號(hào)。

4 伺服參數(shù)設(shè)定

伺服參數(shù)設(shè)定如圖4-5，伺服放大器軟件為MR-Configurator2， 本文所用的伺服放大器為MR-JE-10A型號(hào)，使用USB連接設(shè)置。在基本設(shè)置中，控制模式選為‘位置控制模式，檢測(cè)器輸出脈沖數(shù)為4000plus。將輸入脈沖形式改為‘脈沖列+符號(hào)形式，如圖3所示。在伺服調(diào)整中將模式調(diào)為自動(dòng)調(diào)諧模式調(diào)整1，負(fù)載慣量比為7即為伺服電機(jī)的穩(wěn)定性。

5 PLC程序編寫

本套設(shè)備主要用于零件的分送。通過X，Y軸電缸的控制實(shí)現(xiàn)定位，確定具體物料位置。通過Z軸的上升下降帶動(dòng)吸盤來提取物料。以三菱FX3U系列PLC為核心控制器進(jìn)行編程控制。部分程序如下，下面為點(diǎn)動(dòng)的X軸正反轉(zhuǎn)控制。（見圖7）

6 結(jié)束語

本篇文章介紹的教學(xué)三軸定位系統(tǒng)，可以廣泛的應(yīng)用于各種生產(chǎn)定位控制系統(tǒng)中。以FX3U系列PLC為核心控制，利用FX2N-20GM定位功能模塊和伺服放大器MR-J3實(shí)現(xiàn)三軸的精確定位，并驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

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項(xiàng)目基金來源：2018年江蘇省高職院校青年教師企業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目；2017年江蘇省高等教育教改研究課題：“四方四核多元共贏”的機(jī)電一體化技術(shù)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)研究。

基金：“江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目”，項(xiàng)目編號(hào)：PPZY2015A088

作者簡(jiǎn)介：曹嘉佳（1992-），女，江蘇江陰人，碩士，主要從事機(jī)電一體化專業(yè)的教學(xué)與科研工作。