基于臺達MC10 PLC運動控制技術的型架上梁移動定位裝置研制

蘆海濤，張 程，劉 航

（西安飛機工業（集團）有限責任公司，陜西西安 710089）

多軸同步控制技術是一門集成了電力電子技術、電氣傳動技術、信息及控制技術的綜合性技術。近年來，隨著電力電子技術、電氣傳動技術、控制理論和方法的飛速發展，多軸同步控制技術得到迅速發展，并在工程實際中得到了廣泛應用，獲得了顯著的經濟效益和社會效益。

本文介紹了一種基于PLC多軸控制技術的外翼型架上梁移動定位裝置電氣控制系統設計，外翼型架上梁移動定位裝置包括行走機構和定位銷插接裝置2部分，行走機構本體采用機械剛性連接，梁間距15m，采用雙電機雙邊同步驅動方式沿兩側直線導軌水平方向前后移動。電機選用數字式交流伺服電機，通過同步帶拖動行走定位機構進行機械傳動。行走機構兩側分別設置1臺定位銷插接裝置，用于型架精確定位后進行機械位置固定，防止裝配過程中型架位置變動。

1 方案設計及硬件選型

1.1 方案設計

在機床設備控制中，雙軸或多軸同步控制是一種常見的控制方法。根據生產工藝的需要和生產產品的不同，對同步精度的控制要求也不一樣。

對于設備之間沒有機械連接的系統，可以采用群拖控制方式，即由1臺變頻器同時驅動多臺電機。由于所有電機的速度都由同1臺變頻器的輸出頻率控制，所以理論上所有電機的速度是一致的，并且能保證同時升速與降速。但由于電機制造上的差異，或者電機所帶負載大小的不同，實際上每臺電機的運行速度是有差異的，且控制系統無法糾正這種差異，因此這種方式只能適用于簡單的要求速度同步控制的場所。

對于設備之間通過機械相連接的系統或者對速度同步精度要求比較高的沒有機械連接的系統，可以采用比例同步控制方式。在比例同步控制系統中，每個電機都有1臺控制變頻器，各臺變頻器的最高輸出頻率一致，而各臺變頻器的頻率輸入指令由PLC根據工藝要求換算后給定。為了使控制設備同步，各臺設備之間需要有速度反饋裝置如編碼器等，這種系統的運行精度大大提高，可以適用于大多數要求速度同步的場所。

位置同步是要求最高的同步控制系統，對電機控制器的動態響應和速度控制精度要求非常高，通過變頻器很難完成此種同步控制任務，因此需要采用伺服控制系統。伺服控制系統動態響應速度高、過載能力強，運行平穩、定位精度高，經過參數優化后可適用于絕大多數要求速度和位置同步的場所。

本文所述的外翼型架上梁移動定位裝置，行走機構本體采用機械剛性連接。由于跨巨大（梁間距15m），采用雙電機雙邊驅動方式，要求行走機構前進或后退時電機速度和位置必須保持同步，根據項目特點，選擇伺服控制方案比較合理。

1.2 硬件選型

電控系統主要由觸摸屏、PLC可編程控制器、伺服驅動器、伺服電機以及CANOPEN總線通訊電纜等部分組成，系統硬件組成及連接框圖如圖1所示。

PLC選用臺達公司DVP-10MC可編程運動控制器，DVP-10MC可編程運動控制器是臺達公司推出的一款總線型多軸運動控制主機，采用CANOPEN總線方式可實現多軸運動控制，接線簡單、調試方便。

圖1 系統硬件組成及連接框圖

觸摸屏選用臺達公司DOP-B系列10英寸彩色觸摸屏，支持RS232/RS485、以太網及USB等接口，可滿足各種不同應用需求。

伺服驅動器選用臺達公司ASDA-A2交流伺服驅動器，ASDA-A2驅動器整合了部分上位機的運動控制功能，內含電子凸輪與龍門控制功能，配置20b-bit編碼器，可實現精確定位。支持CANOPEN標準協議，可實現總線連接及控制。

伺服電機與伺服驅動器配套，選用ECMA永磁式交流伺服電機，配絕對值編碼器。

主要成品件清單如表1所示。

表1 主要成品件清單

2 硬件參數配置

2.1 通訊參數設定

電控系統共有4臺伺服電機驅動器，驅動器和PLC可編程控制器之間通過CANOPEN總線進行數據傳輸和位置控制，為避免數據沖突應分別為每臺驅動器設置不同的通訊參數（站地址）。本項目中，行走機構電機驅動器站地址分別設為1和2，2臺定位銷電機驅動器站地址分別設為3和4。主要參數設置如表2所示。

表2 驅動器主要參數表

2.2 電子齒輪比及機械減速比設定

電子齒輪比用于行程比例變更，即改變1個脈沖輸入當量所對應的機械負載移動的距離。雙擊驅動器圖標打開驅動器屬性設置窗口，在參數屬性窗口中分別輸入電子齒輪比分子、電子齒輪比分母，并根據電機減速機銘牌數據輸入齒輪箱分子、齒輪箱分母等參數值。具體參數設置如表3所示。

表3 電機及減速機參數表

2.3 參數優化

伺服電機運行前，需要根據使用需求在空載下對控制模式、旋轉方向等參數進行調整。同時，在電機連接負載后需要對伺服系統的位置控制增益、速度控制增益、電機和負載慣量比等參數進行優化調整，以提高系統的動態響應。具體流程如圖2所示。

圖2 參數優化流程圖

3 程序設計

3.1 設計思路

外翼型架上梁移動定位裝置包括行走機構和定位銷插接裝置兩部分，行走機構和定位銷互為連鎖，行走機構行走前，應確保定位銷退回原點位置（負限位指示燈亮）。若定位銷未退回到原點位置，需手動將定位銷退回原點位置。同理，定位銷伸出時，應確保行走機構位于導軌前終端處，使定位銷對準定位孔。

因行走機構為機械剛性連接沿導軌移動，因此行走機構前進或后退時兩側的驅動電機必須保持速度和位置同步。程序設計中需實時讀取2臺驅動電機位置參數并進行在線監控比較，超出允許誤差時停止運行并輸出報警信號。

行走機構導軌前后兩端分別設有機械限位開關，用于行走機構位置檢測和運行安全保護，同時在電機減速機輸出軸上安裝有扭矩檢測保護裝置，如果超出設定扭矩，則電機與負載脫開并輸出報警信號。

3.2 控制流程

如圖3所示，行走機構前進時，先檢測定位銷位置，若定位銷未退回到原點位置，先手動將定位銷退回原點位置。然后按下控制柜操作面板上的“前進”或“后退”按鈕，控制行走機構前進或后退。行走過程中PLC實時讀取并監控比較2臺驅動電機的坐標位置參數，若同步超差則報警并停止運行。行走機構正向行走到導軌終端位置（撞塊處）時壓下行走限位開關，行走機構停止運行。行走機構運行到位后，按下控制柜操作面板上的“定位銷伸出”按鈕，定位銷伸出插入定位孔，完成定位操作。

圖3 系統控制流程圖

4 監控畫面設計

如圖4所示，監控畫面主要用于行走電機和定位銷電機的使能控制以及行走機構和定位銷插接裝置的限位開關位置狀態信息監控，實時反映系統當前工作狀態。

圖4 監控畫面

5 結束語

外翼型架上梁移動定位裝置共2套，左右件對稱，用于機翼壁板零件裝配，現該裝置已安裝、調試完畢并交付使用，操作簡單，故障少，運行狀況良好。該設備采用了高性能數字伺服電動機和同步運行定位控制方式，與傳動的驅動控制方式相比較，設備運行更加平穩、定位精度和運行效率更高、安全保護措施更加完善，良好地滿足了生產使用需求。