基于西門子S7-1200 PLC 實現(xiàn)移動工作臺高速高精控制的應(yīng)用

夏煜昊，喬禮惠，姜君杰

（江蘇國力鍛壓機床有限公司，江蘇 揚州225009）

隨著加工制造業(yè)的發(fā)展，重型機床及大型模具的使用越來越廣泛，為了便于操作，降低工作強度，通常要求機床的工作臺可移動到機床的外面，便于更換模具及放取工件[1]。移動工作臺也會用于交換工件的工序位置,也可用于完成進給運動[2]。在這當中不可避免地會出現(xiàn)工作臺在移動過程中，重復(fù)定位精度每次不相同等問題，而這些問題會造成加工工件精度降低，模具損壞等一系列故障，造成生產(chǎn)成本的增加，降低生產(chǎn)效益[1]。目前,國內(nèi)外液壓機移動工作臺多采用減速機驅(qū)動滾輪實現(xiàn)移動工作臺的運動[3]。但是使用這種方法控制移動工作臺的運行，重復(fù)定位精度比較差。當移動工作臺定位精度要求較高的時候，就需要采用較精密的控制，本文著重介紹為國內(nèi)某知名家電企業(yè)制造的液壓機移動臺要求承載7t并具有高速（≥400mm/s）運行要求，同時有±0.05mm的重復(fù)定位精度要求，針對客戶此要求我們采用西門子S7-1200 配合伺服電機結(jié)合行星減速機驅(qū)動齒輪齒條的方法實現(xiàn)移動工作臺高速高精的控制。

1 電氣系統(tǒng)構(gòu)成

PLC 選用西門子S7-1200 系列CPU1215C（DC/DC/DC），伺服驅(qū)動器和伺服電機選用埃斯頓PRONET 系列Pronet-50DMG 和EMG-50DFA24，齒輪齒條為水平安裝，工作臺移動為前后方向運行，考慮到突然掉電時移動臺及模具慣性對導(dǎo)軌副的損壞，伺服電機不能有制動器。

1.1 西門子S7-1200 PLC

S7-1200 系列PLC 是西門子使用TIA 博途的新一代控制器家族的基本型控制器。自上市以來，S7-1200 因其尺寸緊湊、硬件擴展靈活、通信能力強大且功能豐富的特點，深受用戶歡迎，已廣泛應(yīng)用于物流、紡織、包裝、印刷、太陽能、暖通空調(diào)、陶瓷、電池、電子裝配、熱網(wǎng)等行業(yè)。S7-1200 CPU 模塊本體集成了最多6 路高速計數(shù)（HSC）通道，可用于計數(shù)和測量，最多4 路高速脈沖輸出（PWM/PTO），可以輸出脈寬調(diào)制信號來控制電機速度、閥位置或加熱元件的占空比（PWM），也可以用于步進電機或伺服驅(qū)動器的速度和位置控制（PTO）[4]。本次電氣控制中將PLC 輸出點Q0.0，Q0.1 作為脈沖輸出信號點，其中Q0.0 作為速度信號，Q0.1 作為方向信號，脈沖指令形態(tài)如圖1 所示。

1.2 PRONET 伺服驅(qū)動器

圖1 脈沖指令形態(tài)

PRONET 系列伺服驅(qū)動器應(yīng)用多種最新控制算法，如電流前饋控制、加速度前饋控制以及速度觀測器和慣量觀測器等，由于這些新的控制算法的引入，伺服的動態(tài)性能和平穩(wěn)性大幅度提高，同時該系列產(chǎn)品可實現(xiàn)在線實時檢測負載慣量，隨時調(diào)整增益以達到最好的控制效果。PRONET 系列伺服驅(qū)動器匹配20 位串行編碼器，從而明顯地提高了定位精度，并且增強了低速的平穩(wěn)性和響應(yīng)性[5]。PRONET伺服電機有位置控制運行模式、速度控制（模擬電壓控制）運行模式、速度控制（內(nèi)部設(shè)定速度）運行模式和扭矩控制運行模式。控制模式方式的切換可以通過用戶參數(shù)Pn005.1 來設(shè)定，此臺機床控制方案使用位置控制（脈沖列指令）方式，所以Pn005.1 設(shè)置為1。控制框圖如圖2 所示。

圖2 位置控制方式框圖

1.3 電氣接線方式

三相380V 電源通過斷路器接在L1、L2、L3引腳上，外圍接線如圖3 所示，伺服驅(qū)動器還需要外接DC24V 電源在24V、GND 引腳上。編碼器線纜直接用插頭插在伺服驅(qū)動器的CN2 和伺服電機上。伺服電機電源線A、B、C、D 分別與伺服驅(qū)動器U、V、W、接地樁頭相連接。PLC 輸出點Q0.0，Q0.1 與伺服驅(qū)動器的CN1 的30、31、32、33 號腳的PULS+（-）,SIGN+（-）相連。Q0.0 是速度脈沖，Q0.1 是方向脈沖。在速度脈沖和方向脈沖接線中間，需要串聯(lián)一個2kΩ 的電阻，防止PLC 輸出脈沖電流過大，擊穿伺服驅(qū)動器內(nèi)部元件。伺服驅(qū)動器啟動信號接在CN1 的14 號腳的S-ON，報警復(fù)位信號接在39 號腳的ALM-RST，+24V 的公共端接在13 號腳的DICOM。伺服驅(qū)動器的輸出信號，伺服驅(qū)動器報警信號為CN1 的7、8 號腳的ALM+（-），之間接一個DC24V 的小型繼電器。伺服準備就緒信號CN1 的9、10 號腳的S-RDY+（-）和伺服定位完成信號11、12 號腳的COIN+（-）直接接在PLC 的輸入點。

2 移動臺結(jié)構(gòu)

移動工作臺結(jié)構(gòu)如圖4 所示。固定工作臺與機身是一個整體，直線導(dǎo)軌的軌道安裝在固定工作臺與路軌上面，直線導(dǎo)軌的滑塊與導(dǎo)軌支座通過內(nèi)六角螺釘相連接，齒條也安裝在導(dǎo)軌支座上。通過計算，在移動工作臺與導(dǎo)軌支座之間安裝有合適數(shù)量的碟形彈簧，實現(xiàn)在移動工作臺不受力的情況下，移動臺處于提升狀態(tài)，移動工作臺與固定工作臺之間存在2mm～4mm間隙，另外移動工作臺與導(dǎo)軌支座間隙放在4mm～8mm 大于移動工作臺與固定工作臺之間的間隙。當移動工作臺需要移動時，伺服驅(qū)動器發(fā)出脈沖信號，伺服電機接收到脈沖信號后會以一定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，帶動減速機以及齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪齒條將圓周運動轉(zhuǎn)化為直線運動，驅(qū)動導(dǎo)軌支座以及移動工作臺移動。而當移動工作臺移入到位后機床開始工作，當滑塊壓制工作臺時，碟形彈簧將被壓縮，移動工作臺與固定工作臺貼合承受滑塊的壓制力，移動工作臺與導(dǎo)軌支座還存在2mm～4mm 間隙，保證直線導(dǎo)軌不受力。

3 電子齒輪比

圖3 伺服驅(qū)動器接線示意圖

圖4 移動工作臺機構(gòu)

電子齒輪的功能是指可將相當于指令控制器輸入指令1 脈沖的工件移動量設(shè)定為任意值的功能。這種來自PLC 脈沖輸出的1 脈沖指令即最小單位叫做“脈沖當量”。西門子CPU 1215C (DC/DC/DC)脈沖發(fā)生器輸出的頻率范圍是100kHz，假設(shè)移動工作臺最大移動速度是400.0mm/s2，所以電機每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)最大可取250，同時電機每轉(zhuǎn)負載位移設(shè)置為1.0mm。實際調(diào)試時我們?nèi)‰姍C每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)為180，這樣當移動工作臺處于最大速度運行時，PLC發(fā)出的脈沖輸出數(shù)為72kHz，所以脈沖當量應(yīng)為1.0mm/180，減速機齒輪的分度圓直徑為210mm，所以周長為210πmm，那么減速機的減速比是36.5。伺服電機編碼器的分辨率為220=1048576，所以電子齒輪比應(yīng)為：38273024/118752。

為了使控制更加精確，我們采用32 位電子齒輪，將用戶參數(shù)Pn009.2 設(shè)定為1，同時將計算出來的電子齒輪比設(shè)置在用戶參數(shù)中，其中Pn705 設(shè)置為3827，Pn706 設(shè) 置 為3024，Pn707 設(shè) 置 為11，Pn708 設(shè)置為8752。

4 軟件組態(tài)控制

博途（Portal）是業(yè)內(nèi)首個采用了統(tǒng)一的工程組態(tài)和軟件項目環(huán)境的自動化軟件，幾乎適應(yīng)于所有自動化任務(wù)。借助該軟件平臺，我們能夠快速、直觀地開發(fā)和調(diào)試自動化系統(tǒng)[6]。我們使用TIA Protal 結(jié)合S7-1200 的運動控制功能，可以方便控制伺服電機。

4.1 運動軸組態(tài)

我們通過在項目中新增一個工藝對象，并且命名為移臺軸，打開移臺軸的組態(tài)設(shè)置窗口，在基本參數(shù)的常規(guī)設(shè)置中，設(shè)置該軸為PTO 控制，單位為mm；在驅(qū)動器設(shè)置中，設(shè)置脈沖發(fā)生器為脈沖發(fā)生器1，信號類型為PTO（脈沖A 和方向B），脈沖輸出信號為Q0.0，方向輸出信號為Q0.1。在擴展參數(shù)的機械設(shè)置中，按照之前計算電子齒輪比中的數(shù)值，設(shè)置電機每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)為180，電機每轉(zhuǎn)的負載位移為1.0mm，同時設(shè)置所允許的旋轉(zhuǎn)方向為雙向。在動態(tài)常規(guī)設(shè)置中，將最大轉(zhuǎn)速設(shè)置為400mm/s。另外加速時間設(shè)置為1.2s，減速時間設(shè)置為2s，配合加速度與減速度的設(shè)置，實現(xiàn)移動速度平穩(wěn)過渡。加速時間和減速時間與加速度和減速度成反比，只需要設(shè)置一個即可。

4.2 運動控制程序

圖5 程序工藝指令

當定義了工藝軸之后，可在程序中直接使用工藝指令中的Motion Control 指令進行控制。首先需要使用“MC_Power”指令啟動軸，以下工藝指令都需要在軸啟動狀態(tài)下，才可以正常工作。利用“MC_Home”指令的被動回原點功能，使移臺軸每次運動前，定義一個原點，此套控制以移動臺固定后限位為原點。移動工作臺移動分為調(diào)整動作，半自動移出動作和半自動移入動作，在調(diào)整動作移動時使用“MC_Move-Jog”指令，可以在點動狀態(tài)下以指定的速度連續(xù)移動軸；而在半自動移出動作時使用“MC_MoveAbsolute”指令，但在使用“MC_MoveAbsolute”指令前，需要使移動臺先調(diào)整動作回到原點，接著可以使移臺軸移動到指定的絕對位置，同時也可以消除每次運動造成的累積誤差；半自動移入動作使用“MC_MoveRelative”指令，移動工作臺每次移出后，自動移入相同距離，重新定義原點，并做好下一次自動移出移入的準備，程序工藝指令如圖5 所示。

5 總結(jié)

此臺設(shè)備采用了一種新型的移動工作臺結(jié)構(gòu)，并且利用西門子S7-1200 PTO 功能，實現(xiàn)對埃斯頓伺服電機的控制，進而滿足了移動工作臺高速運行、精確定位的控制要求。經(jīng)過現(xiàn)場安裝調(diào)試，移動工作臺運動速度快，重復(fù)定位精度高，滿足客戶定制要求，通過與自動化線的配合實現(xiàn)無人化生產(chǎn)，獲得客戶的一致好評。