基于PLC的切割机运动轨迹控制系统的设计

    切割机的工作原理是用电机带动刀具运动，使工件与刀具产生相对运动，由此运动形成一定的轨迹，使工件被切割成一定的形状。在实际应用中，无论是金属还是非金属都要根据实际需要切割成一定的形状，因此应用非常广泛。

    在一些精度要求不高的地方，只需要简单的加工就可以满足实际的应用要求。但是在一些工件质量要求严格的地方，单靠着简单的加工器具难以达到所要求的高精度等要求。这时就需要引入运动控制系统，因为运动控制系统性能的好坏直接影响到加工工件质量的好坏。因此对运动控制系统进行研究或者改进，提高运动控制系统的加工稳定性，从而提高加工工件的质量，具有重要的意义。

1 系统结构和功能

    该系统结构如图1所示。

    该系统由OMRON CSlG系列CUP45-V1可编程控制器PLC、OMRON运动控制单元MC221模块、OMRON NT631C触屏、OMNUC W系列的R88M-W60010H -S2驱动器、OMRON R88D—WT08H交流伺服电机等五大部分组成。其中，触摸屏做操作员站，PLC和MC做控制器，伺服驱动器做驱动器，电机用于控制水平面上在某个轴上的运动，检测装置由传感器和编码器来完成。

    图1系统结构图

2 操作员站

    该系统中的操作员站使用触摸屏来实现。触摸屏是人和机器进行对话的界面，所需要的加工信息通过触摸屏写进PLC的CPU中，在触摸屏上可以看出PLC各个输入输出点状态，达到监控运动控制过程的目的。

    触摸屏是通过外部物体接触面板上的按钮开关或参数设置来完成工艺流程的控制，面板上的操作内容可以人为地通过编程软件来进行编辑，同时可以把完成的工艺状态显示在触摸屏上。触摸屏上设置了软件形式的开关和指示灯，代替了实际硬件形式的开关按钮和指示灯，通过RS232串行口把PLC和触摸屏连接起来，减少了外部信号传输线路，节省了PLC的I／O点，可以使内存资源更加合理地被利用。因此触摸屏有着良好的抗干扰特性与应用稳定性，表现力更强，并可简化为PLC的控制程序。

    该系统所使用的触摸屏型号为NT631C，有A口和B口两个通信口，都是RS232串行通信口。在该系统中，触摸屏主要完成信号输入功能。触摸屏所用软件为触摸屏支持软件NTST，用于制作触摸屏画面，并且应用RS232串行线，数据可以在触摸屏和计算机之间交换。

    在触摸屏画面设置中，可多幅画面重叠或切换显示，显示提醒信息、故障报警信息、图形符号等。每幅画面显示内容分固定内容和变化内容，固定内容可为字符和图形，变化内容由PLC内关联字或位内容决定。制作和传送画面的时候，先用NTST制作好所需用的画面后，编辑数据内存表、字符串内存表、位内存表，然后用RS232串行线将这些信息传送到PT。

3 运动控制器

    该系统中把PLC和运动控制单元作为控制元件，其中PLC将集中于功能控制上，而运动控制单元将集中于运动信息处理上。此运动控制部分由型号是CSIG的CPU模块、型号为MD215的输入输出混合模块、型号是PA204的电源模块、型号是MC221的运动控制单元特殊模块等组成。这些模块都连接在同一个机架上，MC单元通过PLC总线与CPU单元通信。

    其中运动控制单元的模块上有一个DRY X—Y驱动连接器口和一个I／O口，驱动连接器口通过专用连接电缆连接到伺服驱动器15]。运动控制模块自身还带有CPU单元，所以MC单元可以和PLC本身的CPU并行运行，大大提高了系统的速度和控制功能。两者的信息交换是通过数据接口区来实现的，PLC对Mc单元发出命令，而MC单元的运动控制程序与PLC里的程序在运行时完全独立。PLC程序和MC程序都可

    以在个人计算机上编写，所用软件分别是CX-programmer和CX-motion。

    PLC的优点主要体现在抗干扰性好等方面，而运动控制单元的优点在于可以实现x轴、Y轴两轴联动，一个目标位置可以通过不同的运动轨迹来实现。因此，运动控制单元能用在一些比较复杂的定位系统中。

4 交流伺服系统

    交流伺服系统是以机床移动部件为控制量的自动控制系统，把来自控制器的各种指令脉冲信号和插补运算生成的位置命令，经过一定的信号变换以及电压和功率放大后通过交流伺服电机来执行，将其变换为机床移动部件的速度和位移，使工作台精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动。

    交流伺服系统硬件由交流伺服电动机和伺服驱动器所组成。根据所驱动的电动机的不同，分为直流伺服系统和交流伺服驱动。交流伺服驱动系统按着所采用的电动机的类型，分为永磁同步电动机交流伺服系统和感应式异步电动机交流伺服系统。其中前者由于各方面的优势，在自动化领域中的应用越来越广泛。该系统即是使用了永磁同步电动机交流伺服系统。

    在伺服驱动器的内部要进行的控制算法比较复杂，因此电路结构也很复杂。但是驱动器有各种保护功能，可以单独对驱动器、伺服电机和编码器等进行故障检测以起到保护的作用。驱动器的保护功能主要是对驱动器各种可能的出错等的保护。当某个条件成立的时候，在驱动器面板上会有报警显示，提醒人哪里出了问题，而且会关断“伺服ON”，这样就保护了设备。只有当人把此问题消除后，系统才能继续运行。

    该平台中使用了两个OMRON公司出产的OMNUC w系列的伺服驱动器，型号是R88M—W60010HS2。此系列伺服驱动器的控制电路主要由CPU和ASIC两个部分组成，完成电动机的速度控制、位置控制、电彤电流等参数采集、编码器信号处理、控制信号输出、保护功能实现以及与其他外设进行接口等功能。驱动器的显示设定靠人机接13完成。本平台中使用了两个伺服电机，型号是R88D—WT08H。此型号交流伺服电机带有编码器，通过采样编码器反馈信号，在内部构成了闭环控制，因此具有诸多的优良运动品质。

5 反馈部分

    反馈结构具有检测回馈环节，能把输出值和预定值相比较，把差值反馈到输入环节，以提高运动控制的精度。在运动控制系统中，经常使用检测元件来检测位置、速度等参数。检测部件测得的信息一方面向操作员站提供实时信息供下一步的决策和控制调整；另一方面建立反馈回路以形成闭环控制系统。在运动控制系统中，由于时间常数较小，而且普遍要求测量精度高、加工精度高、运动程度复杂，所以对测量反馈装置有很高的要求。

    在检测元件中，增量式编码器是一种经常使用的反馈元器件，可以根据它来采集信号用于检测位置、运动速度以及运行方向。在该伺服系统中，编码器既进行位置检铡，又进行速度检测，并将检测到的线切割机床移动的实际位置信号传送给伺服驱动器的CN2口，再反馈给MC单元和PLC，MC单元和PLC采集反馈的脉冲数以及脉冲频率，以此发送位置指令和速度指令，电流环在伺服驱动器内部实现。因此构建了包括电流环在内的三环控制结构。

    另外，在该平台中也使用了射频开关和涡流型的开关检测开关．用于探测工件坐标的坐标原点位置和极限位置。

6 系统的综合

    6．1数据通信

    PLC和触摸屏通信时，通过关联字或关联位相互交换数据。而这些关联字或位及其属性可以通过NT—ss设置来实现。PLC、可编程终端可相互直接读写这些位和字节，从而切换显示元素，控制操作状态。PLC与可编程终端通过RS232串行线交换数据。触摸屏是人机界面，加工数据通过触摸屏写入CPU中．同时在触摸屏上实现对操作的监控，可以直接观测到PLC中各个I／0点状态。

    PLC和MC221二者之间的通信正是通过特定的功能位来实现的。在运动控制单元MC221中，有很多的操作位，比如相对原点返回位、减速停止位等，这些位都有指定的特定功能。比如调用G代码控制位，在PLC梯形图上运用，调用的却是MC221单元里的G代码程序。

    MC221和伺服驱动器通信时，MC221单元发出自动执行命令或者手动指令命令，伺服驱动器接受此命令，并且此命令经过伺服驱动器处理后用来控制伺服电机。

    6．2设计步骤

    在试验硬件完成的情况下，所要进行的软件设计及调试步骤如下：

    (1)运用触摸屏制作软件制作可编程终端上的各个画面，画面上包括各个所需输入输出可触按钮所要实现的曲线轨迹，在其中进行必要的设置，并传输到PT；

    (2)根据要实现的轨迹所需要的顺序控制编写PLC程序并调试，调试成功后下载到PLC；

    (3)根据所要达到的轨迹设置MC221中各项参数，编写运动控制程序以实现轨迹控制，下载到MC221单元中；

    (4)根据实际需要调整伺服驱动器的各个参数；

    (5)实际整体调试，直到达到理想的效果。

    6．3应用举例

    在触摸屏上制作的画面如图2所示，子画面如图3所示。所要运行的曲线为圆，若设xy平面的原点绝对坐标是(0，0)，要使刀具走到相对此点，圆心坐标为（100,100）、半径为10的圆。

    图2触摸屏主画面    图3触摸屏子画面

    系统调试成功后在实际应用中所要进行的操作如下：首先按下“电机上电”按钮，其次按下“伺服锁定按钮”，系统会根据MC中的设定进行“自动搜索原点”到叫平面的原点；按下“运行G代码”按钮，通过PLC和MC模块里的程序，在试验台上画出所示的圆。

    在运动控制单元编程软件CX—motion中的G代码如下：

    G90

    G01 X100 Y200

    C11

    G03 R30

    G79

7 结论

    由于该系统既引进触摸屏，减少了电元器件引起的故障、节省PLC资源，又使用了PLC和运动控制单元作为控制元件，使其抗干扰能力强、稳定性高，还应用了伺服系统闭环控制回路，所以该运动控制系统运动误差小。应用该控制系统的建立能使切割的精确性、稳定性和加工精度都得到很大程度的提高。