一種手輪控制的十字工作臺定位系統(tǒng)

俞霞　張愛紅　章嘉恒

摘? 要：為了提高步進驅(qū)動系統(tǒng)手動定位調(diào)節(jié)時的便利性，文中給出了一種采用手搖脈沖發(fā)生器（手輪）進行運動定位控制的系統(tǒng)。具體應用西門子S7 1200 PLC直接采集手輪轉(zhuǎn)動時的A/B相脈沖頻率，經(jīng)程序處理后控制步進電機驅(qū)動十字工作臺進行正反向移動定位。應用實踐表明：系統(tǒng)具有開發(fā)成本低、可靠性高、人機交互體驗感強等特點，其思路新穎、值得推廣。

關鍵詞：手輪;PLC;定位控制

中圖分類號：TM383? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）21-0017-03

Abstract： In order to improve the convenience of manual positioning and adjustment of stepping drive system， a motion positioning control system using hand pulse generator （handwheel） is presented in this paper. Specifically， Siemens S7 1200 PLC is used to directly collect the A/B phase pulse frequency while the hand wheel is rotating. After the program is processed， the stepping motor is controlled to drive the cross table to move forward and backward for positioning. The application practice shows that the system has the characteristics of low development cost， high reliability and strong experience of human-computer interaction， and its idea is novel and worth popularizing.

Keywords： handwheel; PLC; positioning control

1 概述

在工業(yè)生產(chǎn)中，眾多運動控制系統(tǒng)要求手動進行精準定位，目前市面上的脈沖型定位系統(tǒng)普遍采用手動按鍵（或觸摸屏）的方式，即用不同按鍵控制電機的正反向轉(zhuǎn)動，但由于控制臺柜上的按鍵位置固定，不便移動，因此對操作人員近距離手動調(diào)節(jié)工作臺的位置產(chǎn)生了影響。一般在數(shù)控機床上可采用手輪操控工作臺移動定位，但考慮到數(shù)控機床普遍采用專用控制器CNC，具有成本高、開放性差等不足，相比較而言，采用通用PLC采集手輪轉(zhuǎn)動頻率以控制工作臺定位既可提升操作的便利性，實現(xiàn)工作臺精準定位，并可大幅降低硬件投入成本。

2 系統(tǒng)組成

手輪控制的十字工作臺定位系統(tǒng)采用西門子S7-1200晶體管輸出型PLC為主控制器，由PLC采集手輪A/B相輸入脈沖，經(jīng)程序處理后向步進驅(qū)動器發(fā)送脈沖與方向信號以控制步進電機的轉(zhuǎn)動，電機經(jīng)聯(lián)軸器與工作臺相連，最終實現(xiàn)工作臺的移動定位。系統(tǒng)運行時，根據(jù)手輪轉(zhuǎn)動的快慢與轉(zhuǎn)動方向以控制工作臺的移動速度與移動方向，系統(tǒng)組成框圖如圖1。

2.1 元件選型

主控制器選用西門子S7 1200 PLC（CPU 1214C DC/DC/DC），板載6個高速計數(shù)器和4路脈沖輸出;配PROFINET接口，用于編程、HMI以及PLC間數(shù)據(jù)通信等，其中輸出口Q0.0～Q0.3可用作高速脈沖序列或調(diào)諧脈沖寬度的輸出。當作為PTO進行組態(tài)時，以高達100kHz的速度提供50%的占空比脈沖序列，可用于步進驅(qū)動器的開環(huán)回路速度和位置控制，以實現(xiàn)工作臺的移動定位。手輪則選擇PLC專用電子手輪，手輪旋轉(zhuǎn)時，可產(chǎn)生A/B相脈沖，PLC根據(jù)采集到的脈沖頻率大小與正負以決定工作臺的移動速度與移動方向。步進電機驅(qū)動器選擇細分型兩相混合式驅(qū)動器DM542，利用撥碼開關設定驅(qū)動器的電流、細分參數(shù)等，控制電機運行時，具有轉(zhuǎn)矩波動小、低速運行平穩(wěn)等優(yōu)點。

2.2 控制線路設計

手輪A/B相信號，控制軸使能與倍率開關等信號接至PLC輸入接口，輸出信號接至X/Y軸步進驅(qū)動器，以驅(qū)動步進電機，再經(jīng)彈性聯(lián)軸節(jié)帶動絲杠螺母副驅(qū)動工作臺的移動，除手輪指示燈由5V直流電源供電外，其余如X/Y軸步進驅(qū)動器、PLC等均采用直流24V電源供電，如圖2所示。表1為系統(tǒng)I/O分配表。

3 系統(tǒng)組態(tài)與編程

系統(tǒng)開發(fā)軟件為博圖（TIA Portal V14），博圖是西門子發(fā)布的全集成自動化軟件，由于系統(tǒng)架構(gòu)功能完備，能用于各類自動化系統(tǒng)的設計開發(fā)。本系統(tǒng)在硬件設備與工藝對象組態(tài)的基礎上，添加了相關功能FC與功能塊FB，并通過組織塊OB1調(diào)用與編程等實現(xiàn)了預期功能。

3.1 系統(tǒng)組態(tài)

在項目硬件組態(tài)界面上添加所選的CPU1214C DC/DC/DC（訂貨號：6ES7 214-1AG40-0XB0），為其配置頻率型高速計數(shù)器HSC_1，工作模式采用A/B計數(shù)器，時鐘發(fā)生器A/B的輸入地址分別I0.0與I0.1，為PLC CPU板載輸入，根據(jù)系統(tǒng)響應情況將頻率測量周期設為0.01秒。系統(tǒng)硬件組態(tài)如圖3所示。

添加定位軸工藝對象軸_1（X軸）和軸_2（Y軸），將Q0.0、Q0.1分別配置為X軸的脈沖與方向輸出信號，Q0.2、Q0.3配置為Y軸的脈沖與方向輸出信號。以X軸為例，其軸工藝對象的組態(tài)畫面如圖4所示。

3.2 軟件編程

PLC程序主要由組織塊OB1，倍率選擇功能FC1/FC2/FC3與軟限位功能塊FB1組成。其中主程序OB1中包含了：高速計數(shù)器指令（CTRL_HSC），軸使能（MC_Power）、復位（MC_Reset）、回零（MC_Home）、點動控制（MC_MoveJog）等運動控制指令的調(diào)用，除此外新增了采集頻率轉(zhuǎn)換（CONV）、對速度倍率處理功能（FC1/FC2/FC3）以及軟限位功能塊FB1的調(diào)用。

高速計數(shù)器指令塊調(diào)用時為HSC輸入端指定硬件標識符，需與高速計數(shù)器HSC1硬件組態(tài)標識符一致，本系統(tǒng)為257，手輪脈沖頻率計數(shù)值存放在ID1000內(nèi)，需調(diào)用CONV將其轉(zhuǎn)換為實數(shù)值以供速度倍率處理功能調(diào)用。其中FC1/FC2/FC3分別對應手輪旋鈕的不同倍率，如果倍率改變時，即使手輪轉(zhuǎn)動速度不變也可使工作臺得到不同的移動速度。限位功能塊FB1可防止X/Y軸運動超程，起到軟限位作用。編程通過對輸出的脈沖計數(shù)并將其轉(zhuǎn)換為實際移動位移，在到達軸左右極限位置前停止移動，從而起到保護作用。

將“手輪脈沖頻率轉(zhuǎn)換為電機速率的功能（FC1/FC2/FC3）”為系統(tǒng)核心程序，其中FC2功能的實現(xiàn)例程如下：

IF #handle_speed>0.0 THEN

#for_jog ：=1;

#bck_jog ：=0;

#ctrl_speed ：=#handle_speed*10.0;

ELSIF #handle_speed<0.0 THEN

#for_jog ：= 0;

#bck_jog ：= 1;

#ctrl_speed ：= -#handle_speed*10.0;

ELSE

#for_jog ：= 0;

#bck_jog ：= 0;

#ctrl_speed ：= 0.0;

END_IF;

輸入?yún)?shù)#handle_speed由ID1000轉(zhuǎn)換而來，為Real類型參數(shù)，當#handle_speed為正時，說明手輪正轉(zhuǎn)，結(jié)果將#for_jog置位、#bck_jog復位，從而控制電機正轉(zhuǎn)，反之亦然;輸出參數(shù)#ctrl_speed為手輪輸入頻率乘以倍率后的電機速度數(shù)值，作為點動控制（MC_MoveJog）時的輸入?yún)?shù)。點動控制例程如下：

圖5 X軸點動控制梯形圖程序

其中：M6.0，M6.1分別為正反轉(zhuǎn)控制標志位、MD124為電機點動輸入速度參數(shù)，均為“手輪脈沖頻率轉(zhuǎn)換為電機速率功能（FC1/FC2/FC3）”的輸出值。

4 結(jié)束語

采用手輪正反轉(zhuǎn)控制電機轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)動快慢控制電機轉(zhuǎn)速，與操作人員的習慣一致，便于近距離對十字工作臺系統(tǒng)的進行位置調(diào)節(jié)。與專用機床控制器CNC相比，應用通用PLC作為控制器具有價格低廉，通用性好、開發(fā)周期短等特點，因而具有較高的實用價值與推廣意義。

參考文獻：

[1]李虹靜.基于S7-1200 PLC的伺服電機運動控制系統(tǒng)設計[J].機電信息，2019（29）：125-126.

[2]姜志艷.西門子S7-1200在自動化線的運動控制及應用[J].電子工業(yè)專用設備，2017（264）：66-73.

[3]王濤.基于S7-1200的三軸碼垛機控制系統(tǒng)[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，2019（12）：87-89.

[4]陳鳳華.基于S7-1200PLC的工件裝配自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設計[J].韶關學院學報·自然科學，2019，40（3）：35-39.

[5]儲昭碧，李健，孔艷，等.基于S7-1200的全自動洗車控制系統(tǒng)的設計[J].電氣傳動，2016，46（9）：62-65.

[6]嵇偉陽，王卓君，鄭玉龍.基于S7-1200的溫度測控系統(tǒng)設計[J].機電工程技術，2019，48（6）：184-281.

[7]王敬斌，李響，黃鑫宇，等.基于西門子S7-1200實驗室門禁及環(huán)境因子控制[J].信息化研究，2019，45（4）：70-74.