一种基于PLC单元的三轴运动控制系统

摘要

本发明公开了一种基于PLC单元的三轴运动控制系统，通过上位机设定三轴运动的控制参数，将控制参数均发送给PLC单元；PLC单元中设定有Z轴控制程序；定位控制单元中设定有X、Y两轴联动控制程序；定位控制单元的两轴联动控制程序中还设有用于产生Z轴驱动指令的m代码；PLC单元将X轴和Y轴滑台的控制参数发送给定位控制单元，定位控制单元执行两轴联动控制程序，联动控制X轴和Y轴滑台运动，且在两轴联动控制程序中执行m代码，产生Z轴驱动指令并发送给PLC单元，PLC单元接收Z轴驱动指令并执行Z轴控制程序，控制Z轴滑台运动，从而实现三轴的联合控制，完成所需要的运动轨迹。本发明具有定位精度高、运行稳定、应用性广的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及三轴控制技术领域，尤其是一种基于PLC单元的三轴运动控制系统。

背景技术

近年来，现代工业对机械运动的自动化控制的要求越来越高，运动控制系统是指通过对电机的控制，来实现对机械运动部件的位移、速度、转矩等进行实时的控制管理，使其按照预先设定的轨迹和参数进行运动，以满足生产应用的需要。三轴运动平台可以实现三维空间运动轨迹执行，是工业领域常用的机械系统。步进电机控制简单、经济，常用作三轴运动平台的驱动装置。运动控制除了需要以上三轴运动平台作为执行机构外，还需要选择运动控制器控制步进电机运动，以实现三维空间运动轨迹的控制。

现有技术中，一般选择单片机、PLC作为运动控制器。

发明内容

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于PLC单元的三轴运动控制系统，具有定位精度高、运行稳定、应用性广的特点。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：

一种基于PLC单元的三轴运动控制系统，包括：上位机、PLC单元、定位控制单元、三轴滑台模组；

所述三轴滑台模组包括依次连接的X轴滑台、Y轴滑台、Z轴滑台；

所述上位机用于设定三轴滑台模组的控制参数，包括X轴滑台的控制参数、Y轴滑台的控制参数、Z轴滑台的控制参数；

所述PLC单元中设定有Z轴控制程序，用于对Z轴滑台运动进行控制；

所述定位控制单元中设定有两轴联动控制程序，用于对X轴滑台和Y轴滑台进行联动控制；所述定位控制单元的两轴联动控制程序中还设有用于产生Z轴驱动指令的m代码；

所述上位机与PLC单元之间通信连接，上位机将各轴滑台的控制参数均发送给PLC单元；

所述PLC单元与定位控制单元之间通信连接，PLC单元将X轴滑台的控制参数以及Y轴滑台的控制参数发送给定位控制单元，定位控制单元根据X轴滑台的控制参数以及Y轴滑台的控制参数执行两轴联动控制程序，对X轴滑台和Y轴滑台进行联动控制；

所述定位控制单元在两轴联动控制程序中执行m代码，产生Z轴驱动指令；所述定位控制单元将Z轴驱动指令发送给PLC单元，PLC单元接收Z轴驱动指令后，根据Z轴滑台的控制参数执行Z轴控制程序，控制Z轴滑台运动。

所述PLC单元还用于监测Z轴滑台的实际运动状态，以及通过定位控制单元监测X轴滑台和Y轴滑台的实际运动状态；PLC单元将各轴滑台的实际运动状态发送给上位机，上位机还用于显示各轴滑台的实际运动状态；

实际运动状态包括：滑台的当前位置和当前速度。

用户通过上位机选定各轴的控制模式以及控制各轴的启动、暂停、正转、反转；控制模式包括手动控制模式和自动控制模式。

所述上位机包括触摸显示屏，所述触摸显示屏中设计有控制界面。

所述定位控制单元采用可控制两轴联动的FX2N-20GM。

所述定位控制单元通过软件FXVPS-E并以cod指令编写两轴联动控制程序。

所述三轴滑台模组是由三个滚珠丝杠滑台模组构成；所述三轴滑台模组还包括：设置于各轴上的步进电机和用于驱动各轴步进电机的驱动器；

所述PLC单元向Z轴的驱动器发送脉冲信号，Z轴的驱动器根据脉冲信号驱动Z轴的步进电机，根据脉冲个数和脉冲频率控制Z轴滑台的位移量和运动速度，控制Z轴滑台运动；所述定位控制单元分别向X轴和Y轴的驱动器分别发送对应的脉冲信号，X轴和Y轴的驱动器根据对应的脉冲信号分别驱动X轴和Y轴的步进电机，根据脉冲个数和脉冲频率控制X轴滑台和Y轴滑台的位移量和运动速度。

本发明的优点在于：

(1)本发明通过定位控制单元联动控制X、Y两轴的运动，在X、Y两轴构成的平面内完成预定的运动轨迹，PLC单元中编写Z轴控制程序，并在两轴联动控制程序中插入m代码，用于向PLC单元发出的Z轴驱动指令，PLC单元对Z轴滑台运动进行控制，从而实现三轴的联合控制，完成所需要的运动轨迹。

(2)本发明采用的定位控制单元FX2N-20GM联动控制X轴和Y轴的运动，能够实现X轴和Y轴所构成的平面内的直线轨迹或圆弧轨迹，相较于直接采用PLC单元进行程序设计，用FX2N-20GM进行X轴和Y轴两轴的联动控制可以提高控制精度。

(3)本发明上位机采用触摸屏并通过软件设计控制界面，在控制界面上通过设置按钮开关实现对各轴的控制，在触摸屏的控制界面上实现各轴滑台的控制参数的输入，以及在触摸屏的控制界面上显示各轴的实际运动状态。

(4)本发明中定位控制单元即FX2N-20GM作为PLC单元的特殊功能模块使用，PLC单元通过FROM/TO指令可以对定位控制单元中的数据寄存器和相应的辅助继电器的参数进行设定和读取。

(5)本发明采用步进电机驱动滚珠丝杠滑台模组，步进电机接收PLC单元或定位控制单元发出的脉冲信号，控制电机轴的转动，经滚珠丝杠变换为滑台的直线运动；脉冲的个数和频率控制滑台的位移量和运动速度，三轴的共同运动实现预定的运动轨迹。

(6)本发明适用范围广泛，可以在触摸屏中根据实际过程中的要求输入相应的控制参数以及选择相应的控制模式达到不同的运动控制。

附图说明

图1为本发明的一种基于PLC单元的三轴运动控制系统的系统框图。

图2为三轴滑台模组的控制示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由图1和图2所示，一种基于PLC单元的三轴运动控制系统，包括：上位机1、PLC单元2、定位控制单元3、三轴滑台模组。

用户通过所述上位机1设定三轴滑台模组的控制参数，包括X轴滑台的控制参数、Y轴滑台的控制参数、Z轴滑台的控制参数。

所述PLC单元2内部设定有Z轴控制程序，用于控制Z轴滑台运动。

所述定位控制单元3设定有两轴联动控制程序，用于对X轴滑台和Y轴滑台进行联动控制；所述定位控制单元3的两轴联动控制程序中还设有用于产生Z轴驱动指令的m代码。

所述三轴滑台模组包括依次连接X轴滑台、Y轴滑台、Z轴滑台。

所述上位机1与PLC单元2之间通信连接，上位机1将各轴滑台的控制参数均发送给PLC单元2。

所述PLC单元2与定位控制单元3之间通信连接，PLC单元2将X轴和Y轴滑台的控制参数均发送给定位控制单元3，定位控制单元3根据X轴和Y轴滑台的控制参数执行两轴联动控制程序，对X轴滑台和Y轴滑台进行联动控制。

所述定位控制单元3在两轴联动控制程序中执行m代码，产生Z轴驱动指令；所述定位控制单元3将Z轴驱动指令发送给PLC单元2，PLC单元2接收Z轴驱动指令，根据Z轴滑台的控制参数执行Z轴控制程序，控制Z轴滑台运动。

各轴滑台的控制参数包括：滑台的运动速度、循环次数、循环周期、运动轨迹。运动轨迹是指运动的距离，如直线距离、圆弧半径。

本发明中，所述上位机1采用GS2110-WTBD型触摸屏，并通过软件GT-designer设计控制界面，在控制界面上可对各轴滑台的控制参数进行设置，如：设定各轴滑台的运动速度、循环次数、循环周期、运动轨迹。控制界面上还设有按钮开关，通过按钮开关选定各轴的控制模式，控制各轴的启动、暂停、正转、反转；其中，控制模式包括手动控制模式和自动控制模式。

本发明中，所述定位控制单元3为具有直线插补、圆弧插补的两轴定位专用单元，采用可控制两轴联动的三菱FX2N-20GM，基于两轴同步控制模式实现X轴滑台和Y轴滑台的联动控制，完成X轴和Y轴所构成平面内设定的运动轨迹。其中，通过软件FXVPS-E并以cod指令编写两轴联动控制程序，X轴滑台的控制参数以及Y轴滑台的控制参数写入两轴联动控制程序中，能够自动实现以设定的控制参数进行X轴滑台和Y轴滑台的联动控制。两轴联动控制程序中的控制参数采用变量代替，通过上位机1输入相应的变量数值即X轴和Y轴滑台的控制参数储存在PLC单元2的数据寄存器中，经PLC单元2发送给定位控制单元3。

另外，两轴联动控制程序中还插入有用于产生Z轴驱动指令的m代码，通过软件FXVPS-E中的m代码产生Z轴驱动指令，并将Z轴驱动指令发送给PLC单元2，PLC单元2接收Z轴驱动指令后执行Z轴控制程序，控制Z轴滑台运动，实现在X轴和Y轴的联动过程中插入Z轴的动作，从而实现三轴的联动。

本发明中，所述PLC单元2采用FX3U-32MT型的PLC，通过上位机1设定的各轴滑台的控制参数存储于PLC单元2的数据存储器中。一方面，PLC单元2通过读取定位控制单元3的Z轴驱动指令执行Z轴控制程序，控制Z轴滑台运动。另一方面，PLC单元2还根据上位机1的按钮开关所选定各轴的控制，进行全局控制，如，各轴的手动控制和自动控制的切换，各轴的启动、暂停、正转、反转。

所述PLC单元2还用于监测Z轴滑台的实际运动状态，以及通过定位控制单元3监测X轴滑台和Y轴滑台的实际运动状态；PLC单元2将各轴滑台的实际运动状态发送给上位机1，上位机1还用于显示各轴滑台的实际运动状态；实际运动状态包括：滑台的当前位置和当前速度。

本发明中，所述三轴滑台模组还具体包括：设置于各轴上的步进电机和用于驱动各轴步进电机的驱动器，以及设置于各轴上的用于对滑台超限进行限位的限位开关。

所述PLC单元2向Z轴的驱动器发送脉冲信号，Z轴的驱动器根据脉冲信号驱动Z轴的步进电机，将脉冲信号转化为相应的角位移或直线位移。所述定位控制单元3采用可同时控制两轴分别进行运动的FX2N-20GM，定位控制单元3分别向X轴和Y轴的驱动器分别发送对应的脉冲信号，X轴和Y轴的驱动器根据对应的脉冲信号分别驱动X轴和Y轴的步进电机，将脉冲信号转化为相应的角位移或直线位移。其中，位移量和运动速度由脉冲个数和脉冲频率决定。

本实施例中，所述三轴滑台模组由三个长度分别为1000、1000、500的滚珠丝杠滑台模组构成，并根据需要通过连接件组装成不同形式以满足控制要求。

步进电机转动一圈所需的单位脉冲数p为：

其中，m为步进电机的驱动器的细分数；θ为步进电机的步距角；

步进电机通过丝杠带动滑台移动，步进电机的脉冲当量δ为：

其中，D为步进电机转动一圈所对应的单位位移量；

因此，设定的位移量L与所需的脉冲数P与之间的关系为：

设定的运动速度V与所需的脉冲频率f之间的关系为：

本实施例中，将定位控制单元3即FX2N-20GM作为PLC单元2的特殊功能模块使用，PLC单元2通过对定位控制单元3内的缓冲存储器进行读写操作改变其内部参数。通过上位机1即触摸屏中设计的手动/自动的按钮开关切换手动/自动控制，通过上位机1即触摸屏输入的控制参数存储于PLC单元2的数据存储器中，PLC单元2的数据存储器中所存储的控制参数都经PLC单元2的FROM/TO指令写入定位控制单元3的缓冲存储器BFM中，其中，BFM#9200后54个单元和BFM#9400的后54个单元分别写入X轴和Y轴滑台的控制参数，按钮开关切换至自动后，即可基于定位控制单元3的缓冲存储器BFM中的X轴和Y轴滑台的控制参数实现特定的运动轨迹。

本实施例中，在进行三轴运动控制前需要对三轴进行调试，定位控制单元3中的缓冲寄存器的二进制位和相应的辅助继电器之间对应关系如下表1所示，辅助继电器用于执行操作。

表1

PLC单元2通过开关按钮的开关量X0-X7和X10-X17分别控制M-100和M-107和M200-M207，PLC单元2通过TO指令将辅助继电器的状态传送给上表中相应的二进制位。同时将BFM#4和BFM#14中X轴、Y轴滑台的当前位置通过PLC单元2的FROM指令传送给PLC单元2中的数据寄存器D200和D202。

开关量在上位机1即触摸屏中通过开关按钮设置，数据寄存器D200和D202在触摸屏中显示当前值，并显示各轴滑台的实时位置。

PLC单元2对Z轴滑台运动控制通过m代码所产生的Z轴驱动指令实现，包括：Z轴驱动指令的读取、译码、Z轴驱动指令控制Z轴滑台动作、动作完成反馈m代码关信号。根据不同的控制要求在定位控制单元3即FX2N-20GM中的X轴和Y轴的两轴联动控制的cod语言程序即控制程序中插入m代码；PLC单元2通过FROM指令可以读取FX2N-20GM中特殊数据寄存器D9003的Z轴驱动指令；DECO指令编译出相应Z轴驱动指令，将不同的Z轴驱动指令转换为与PLC单元2中相应的辅助继电器以控制Z轴动作；Z轴完成指定的运动轨迹后PLC单元2中相应的辅助寄存器发出信号，由TO指令向FX2N-20GM中缓冲存储器BFM#20的b3位传送m代码关信号，表示Z轴驱动指令执行完毕以继续进行下一条指令。为保证执行过程中Z轴能完成相应的动作，在Z轴驱动指令后加入TIM指令延长时间。

PLC单元2中主要通过脉冲输出指令和定位控制指令实现对Z轴滑台运动控制，在运行三轴控制程序之前需要对Z轴进行回零操作并通过PLC单元2中相应的辅助继电器设置回零过程中的参数，设置辅助继电器接通作为回零结束标志。在三轴自动控制过程中Z轴动作的启停由Z轴驱动指令控制，根据不同要求即控制参数，并通过PLC单元2中相应的定位控制指令实现对Z轴滑台的运动距离、方向、速度的控制，PLC单元2中数据寄存器则可以实现对实际控制参数，如：基底速度、最高速度、爬行速度、原点回归速度、加减速时间等的设定。

PLC单元2和定位控制单元3进行配合，以m代码实现在X轴和Y轴的联动中插入Z轴滑台运动，通过步进电机驱动滚珠丝杠滑台模组运动完成所要需要的运动轨迹。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。