0 前言

　　X-Y 工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備的硬件部分是比較成熟的產(chǎn)品，當(dāng)中很多零部件都是標(biāo)準(zhǔn)件。目前市場(chǎng)上流行的產(chǎn)品絕大多數(shù)是使用單片機(jī)作為控制核心的，使用PLC 作為控制核心的還很少。但在一些老工廠的普通機(jī)床數(shù)控改造時(shí)，以PLC 作為控制核心相對(duì)來說更簡單。本文提出的X-Y 數(shù)控工作臺(tái)控制系統(tǒng)， 采用三菱公司的FX2n-48MR 主機(jī)以及擴(kuò)展模塊FX2n-32ET 作控制核心，PLC 主機(jī)通過RS422 口與計(jì)算機(jī)通訊。設(shè)計(jì)目標(biāo)為該系統(tǒng)控制下的工作臺(tái)工作穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)的分辨率為0.01 mm，工作臺(tái)的最大移動(dòng)速度為3m/s，而且工作臺(tái)具有手動(dòng)和自動(dòng)功能。

1 總體方案的確定

　　PLC 輸出低電壓、低電流的信號(hào)不能實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，需要進(jìn)行功率放大，再者，PLC 生成的脈沖要完成驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)必須要有環(huán)形脈沖分配，而這些功能可以用步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)。因此確定總體方案如圖1 所示。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　編寫好的控制程序可以通過計(jì)算機(jī)或編程器經(jīng)通信電纜寫入到PLC 主機(jī)， PLC 主機(jī)產(chǎn)生高頻脈沖信號(hào)經(jīng)過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸入到電機(jī)。本系統(tǒng)的控制電路如圖2 所示。

　　考慮到本控制系統(tǒng)要求多輸入點(diǎn)的特點(diǎn)，采用三菱公司的FX2n-48MR 可編程序控制器， 通過連接一個(gè)FX2n-32ET 擴(kuò)展模塊一起使用，可以很好地滿足系統(tǒng)的要求。本文所選用的步進(jìn)電機(jī)是57HS13，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器是M535，并且選擇30 V 的直流電源對(duì)驅(qū)動(dòng)器供電，具體接線如圖3 所示。

因?yàn)楸鞠到y(tǒng)所使用的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器M535 只有A+、A-、B+和B-共4 個(gè)輸出端，但步進(jìn)電機(jī)57HS13是8 線的步進(jìn)電機(jī)，必須進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)接線以擴(kuò)充輸出端。具體接線方法如下：

　　串聯(lián)：A+接(A+); C+接(A-); B+接(B+);D+接(B-);A-、C-相接并懸空; B-、D-相接并懸空;

　　并聯(lián)：A+、C-接(A+); A-、C+接(A-); B+、D-接(B+); B-、D+接(B-)。

　　說明：“( )”里代表的是步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器M535 的接口。具體接線如圖4 所示。

3 控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

　　模塊化編程方法是根據(jù)控制要求把PLC 編程需要完成的控制任務(wù)劃分為幾個(gè)較小功能塊，然后對(duì)每個(gè)功能塊分別進(jìn)行編程，這樣各模塊之間相對(duì)獨(dú)立、功能單一，具有清晰的結(jié)構(gòu)，大大降低了難度，避免重復(fù)勞動(dòng)，同時(shí)獲得較高的程序質(zhì)量。

　　本控制系統(tǒng)的軟件模塊主要分為：鍵盤指令的輸入模塊、點(diǎn)動(dòng)模塊(連續(xù)點(diǎn)動(dòng)和距離點(diǎn)動(dòng))、點(diǎn)定位模塊、直線插補(bǔ)模塊、圓弧插補(bǔ)模塊、系統(tǒng)停止模塊、系統(tǒng)提示模塊。

　　(1)這個(gè)模塊主要是使用“TKY”十鍵鍵盤輸入功能，使用“輸入”鍵調(diào)用“ZRST”功能對(duì)各輔助繼電器復(fù)位，以實(shí)現(xiàn)這個(gè)模塊的循環(huán)掃描。

　　(2)點(diǎn)動(dòng)模塊使用“PLSY”指令完成整批脈沖的輸出，當(dāng)寄存脈沖總數(shù)的寄存器數(shù)值為“0”時(shí)，就實(shí)現(xiàn)連續(xù)點(diǎn)動(dòng)，當(dāng)寄存脈沖總數(shù)的寄存器數(shù)值為正數(shù)時(shí)，工作臺(tái)走完指定的步數(shù)就會(huì)自動(dòng)停下，實(shí)現(xiàn)距離點(diǎn)動(dòng)。

　　(3)點(diǎn)定位模塊使用“PLSY”指令完成整批脈沖的輸出， 寄存脈沖總數(shù)的寄存器數(shù)值分別為“X”、“Y”的坐標(biāo)值，而點(diǎn)定位的方向由“+X”、“-X”、“+Y”、“-Y”按鈕決定方向信號(hào)的輸出。

　　(4)直線插補(bǔ)程序是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，PLC 的功能強(qiáng)項(xiàng)是開關(guān)的動(dòng)作控制， 對(duì)軌跡控制功能相對(duì)較弱。與點(diǎn)定位模塊不一樣的是，點(diǎn)定位只要求走到規(guī)定的點(diǎn)就可以了， 但直線插補(bǔ)要求中間過程一定要走直線，所以這2 種算法有區(qū)別。直線插補(bǔ)程序不可以使用“PLSY”指令完成。因此本系統(tǒng)采用了逐點(diǎn)比較進(jìn)行編程。程序每運(yùn)算1 次，輸出1 個(gè)脈沖，直到走到規(guī)定點(diǎn)才停止。程序總使用“CMP”指令完成走“X”、“Y”方向的判斷，通過“PLS”指令輸出一個(gè)脈沖， 然后還要對(duì)一些過程量進(jìn)行運(yùn)算。

　　再使用“CMP”對(duì)終點(diǎn)的判斷。本系統(tǒng)較創(chuàng)新的地方是使用1ms 的定時(shí)器完成速度控制，這樣輸出的速度可以上到1 000 Hz。還有用2 個(gè)輔助繼電器，完成程序的工作和停止， 使程序可以輸出連續(xù)的脈沖。

　　(5)圓弧插補(bǔ)程序編程原理和直線插補(bǔ)基本一樣，但圓弧插補(bǔ)算法所使用的坐標(biāo)系和使用的G 代碼坐標(biāo)系是不同的。這樣，本系統(tǒng)就要設(shè)計(jì)一個(gè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換程序，然后才進(jìn)入正式的圓弧插補(bǔ)程序。

　　(6)系統(tǒng)硬件部分設(shè)有幾個(gè)限位開關(guān)，當(dāng)某方向限位開關(guān)按下，該方向的運(yùn)動(dòng)停止工作，但其他方向不受影響。系統(tǒng)設(shè)有總停止開關(guān)，該開關(guān)按下，整個(gè)系統(tǒng)停止工作。

　　(7)系統(tǒng)設(shè)有7 個(gè)LED，當(dāng)限位開關(guān)按下，該方向的提示燈就會(huì)提示。還有自動(dòng)功能提示，正常運(yùn)行提示和停止提示。

　　本系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)線SC-09 將計(jì)算機(jī)或者編程器連接，把PLC 主機(jī)打到RUN 狀態(tài)，然后就可以使用編程軟件MELSEC-FFX 進(jìn)行寫入。其步驟是：PLC(菜單欄)-傳送-寫出-范圍設(shè)定(輸入程序所占的范圍)-確認(rèn)。

4 結(jié)語

　　本文描述了一種利用PLC 作為控制核心，PLC生成的脈沖通過環(huán)形脈沖分配以及步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制工作臺(tái)按照預(yù)定的線路移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)控制下的工作臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)連續(xù)點(diǎn)動(dòng)、手動(dòng)距離點(diǎn)動(dòng)、手動(dòng)停止以及自動(dòng)點(diǎn)定位、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)和自動(dòng)停止等功能。工作臺(tái)的定位精度達(dá)到0.012 mm,最大速度能達(dá)到2.96 m/s。

　　本文成功地設(shè)計(jì)出以PLC 作為控制核心的數(shù)控工作臺(tái)控制系統(tǒng)，并且在實(shí)驗(yàn)室里通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性和正確性，為許多老企業(yè)傳統(tǒng)機(jī)床的數(shù)控改造提供了參考，同時(shí)，也可利用本系統(tǒng)開發(fā)出的有創(chuàng)新性和綜合性的計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能夠更加深入地了解PLC 的性能以及使用方法。