淺談運動控制系統開展一體化教學實施

摘 要：2011年在德國的漢諾威工業博覽會上正式推出“工業4.0”，其核心目的是為了提高德國工業的競爭力，在新一輪工業革命中占領先機;2015年，國務院正式印發《中國制造2025》，部署全面推進實施制造強國戰略。“中國制造2025”與德國“工業4.0”的合作對接，引領新一輪職業教育熱浪，其中較為典型的工業機器人專業在各省市職業院校廣泛開設。

關鍵詞：FX2N-20GM FX3U 伺服控制 運動平臺

運動控制系統是工業機器人專業的基礎專業課;我院教學設備系統由三菱FX3U控制器、智能插補定位模塊FX2N-20GM、臺達伺服放大器和昆侖通態觸摸屏（TPC7062Ti）7寸屏組成。其中FX3U控制器負責系統的整體邏輯控制、參數運算、設備間的通訊及Z軸定位控制，FX2N-20GM定位模塊負責系統X、Y軸的定位和圓弧插補控制（可控制方向、行程、定位、弧度、運行速度等），觸摸屏負責完成系統的實時監控和參數設置;通過一體化教學成果表明，控制系統運行穩定、定位精度高，轉速快、適應性強等特點在運動控制中得到廣泛應用，三軸運動平臺是自動化工業領域常用的裝置，也是國內中高職院校學生重要的學習基礎設備，具有職業教育推廣必要性。

一、學生分析

（一）主要針對電氣自動化或工業機器人專業，五年制高級工班級，在校第三年學生，有一定的三菱PLC基礎。

（二）心理特點：好奇心強，喜歡上網交流，有追求欲。

（三）學習能力：有一定較強的自學能力、表達能力和組織能力，有一定的團隊合作精神。

（四）學習態度：積極性較高，思維活躍，喜歡動手。

（五）學習基礎：認識電氣元器件，識讀電氣原理，已學會了之前的第二單元9個課題控制線路安裝。

二、教學目標

（一）掌握FX2N-20GM脈沖發生單元，通過給X軸，Y軸伺服電機驅動器發脈沖，控制兩臺伺服電機，可實現兩軸（XY軸）精確定位和插補控制;

（二）掌握FX2N-20GM可用流程圖形式的編程軟件（SWOD5-FXVPS-E），開發可視化的程序。

（三）掌握三菱FX3U-48MT高速脈沖輸出端口Y2向Z軸伺服電機驅動器發脈沖，實現Z軸精確定位。系統選用FX3U-48MT作為主控單元，利用連接電纜FX2N-20GM-5EC實現FX3U與20GM之間的數據交換;

三、課中學習明確任務

可按3—5人組成小組學習，發放一體化教學工作業或任務書，小組成員分工，閱讀工作任務單，并討論工作任務、地點及工時等，并填寫任務書及相關表格，明確任務具體要求及專業技術標準等;同時分析PLC設備外圍接線端子，確定學習工作流程，實現做中學、學中做過程。

四、課中學習實施工作過程

根據工作業或任務書的要求，確定實施工作（學習）計劃后對三軸伺服控制系統的軟件設計，實現下列控制要求。

（一）標注PLC與HMI之前的地址聯系。設備中Z軸位置，是由HMI（觸摸屏）設定行程（mm），通過PLC的存儲器D多少，從HMI將數據發送至PLC，再由PLC程序通過計算結果發脈沖個數至伺服控制器控制伺服電機運行多少單位（mm）。或X/Y兩軸位置，是由HMI設定行程（mm），通過PLC的存儲器D多少，從HMI將數據發送至PLC，由PLC程序通過計算結果再發送至20GM定位模塊控制伺服控制器控制伺服電機運行多少單位（mm）。

（二）參數設定;設定FX2N-20GM相關參數，包括單位參數、運動平臺絲杠螺距參數、速度參數、機械零點參數。設定伺服參數，包括伺服電機額定電壓、額定電流、額定轉速、額定功率等

（三）系統軟件編程;系統的軟件設計包括PLC控制程序和20GM的定位程序編寫兩部分，其中20GM程序編寫主要完成X、Y軸伺服電機控制，PLC程序編制主要完成Z軸伺服電機的控制、20GM的數據交換、三軸運動的協調控制。通過PLC發出的數據將通過程序傳送至20GM緩沖區BMF中。20GM針對X、Y兩軸的運動有專門的緩沖區（BFM#20和BMF#21），每個緩沖區有2個字，即16位的容量，每一位都代表了不同的運動特性。BFM#20號緩沖區設置同步2軸和X軸的運行方式，BFM#21號緩沖區設置Y軸的運行方式。利用PLC的FROM/TO指令完成二者之間的通訊。通過HMI改變PLC相關位輔助繼電器的狀態，實現運動平臺X/Y軸電機的正轉點動、反轉點動和回零操作。例如：通過觸摸屏將PLC里的位元件輔助繼電器M，即可實現X軸電機的回零操作。利用觸摸屏讀取PLC寄存器“D100”和“D102”數據，將其顯示在觸摸屏屏幕上，即可實現對X，Y軸位置的實時監控;同時可用FX-VPS-E軟件進行可視化流程圖形式的編程，實現測試程序要求。

五、總結和評價

通過一周時間對任務的實施，完成三軸伺服控制系統的設計和編程任務，根據工作過程中出現的問題進行總結和評價;

（一）根據教師展示教學過程中的圖片和視頻對專業技能和職業素養方面做得較好與不足之處進行記錄并對任務評價表進行自我評價和小組評價。

（二）根據綜合評價表進行自我評價和小組評價。

（三）各組派代表，對學習過程，成功經驗和遇到問題進行總結。

（四）對完成安全操作、速度、質量、標準等進行綜合評比。

（五）安排下拓展任務做好預習并做好記錄。

結語

通過本次任務教學實施，以課前學習，提高課中學習效率;實現“翻轉課堂”，學生以小組形式分工合理，團隊協作使成員參與度高，學習氣氛良好;但課中也存不足，學生基礎不牢固，學員展示不夠全面，使得學員展示時緊張;最后由于在一體化教學經驗不多，有不足之處，請各位同行給予指正。

參考文獻

[1]三菱FX2N-10GM-20GM編程手冊.2000.

[2]三菱FX3U用戶手冊.2005.

[3]李金城.三菱PLC系列PLC定位控制應用技術[M].電子工業出版社，2014.

作者簡介

楊明（1984.12—），男，漢族，籍貫：廣西北流市，本科，講師，研究方向：電氣自動化及工業機器人專業。