0 前言

　　X-Y 工作臺運動控制設(shè)備的硬件部分是比較成熟的產(chǎn)品，當中很多零部件都是標準件。目前市場上流行的產(chǎn)品絕大多數(shù)是使用單片機作為控制核心的，使用PLC 作為控制核心的還很少。但在一些老工廠的普通機床數(shù)控改造時，以PLC 作為控制核心相對來說更簡單。本文提出的X-Y 數(shù)控工作臺控制系統(tǒng)， 采用三菱公司的FX2n-48MR 主機以及擴展模塊FX2n-32ET 作控制核心，PLC 主機通過RS422 口與計算機通訊。設(shè)計目標為該系統(tǒng)控制下的工作臺工作穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)的分辨率為0.01 mm，工作臺的最大移動速度為3m/s，而且工作臺具有手動和自動功能。

1 總體方案的確定

　　PLC 輸出低電壓、低電流的信號不能實現(xiàn)對步進電機的驅(qū)動，需要進行功率放大，再者，PLC 生成的脈沖要完成驅(qū)動步進電機必須要有環(huán)形脈沖分配，而這些功能可以用步進驅(qū)動器來實現(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

　　編寫好的控制程序可以通過計算機或編程器經(jīng)通信電纜寫入到PLC 主機， PLC 主機產(chǎn)生高頻脈沖信號經(jīng)過步進電機驅(qū)動器輸入到電機。本系統(tǒng)的控制電路如圖2 所示。

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

因為本系統(tǒng)所使用的步進驅(qū)動器M535 只有A+、A-、B+和B-共4 個輸出端，但步進電機57HS13是8 線的步進電機，必須進行串聯(lián)或并聯(lián)接線以擴充輸出端。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：“( )”里代表的是步進驅(qū)動器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

　　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劃分為幾個較小功能塊，然后對每個功能塊分別進行編程，這樣各模塊之間相對獨立、功能單一，具有清晰的結(jié)構(gòu)，大大降低了難度，避免重復勞動，同時獲得較高的程序質(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、點動模塊(連續(xù)點動和距離點動)、點定位模塊、直線插補模塊、圓弧插補模塊、系統(tǒng)停止模塊、系統(tǒng)提示模塊。

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

　　(2)點動模塊使用“PLSY”指令完成整批脈沖的輸出，當寄存脈沖總數(shù)的寄存器數(shù)值為“0”時，就實現(xiàn)連續(xù)點動，當寄存脈沖總數(shù)的寄存器數(shù)值為正數(shù)時，工作臺走完指定的步數(shù)就會自動停下，實現(xiàn)距離點動。

　　(3)點定位模塊使用“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”的坐標值，而點定位的方向由“+X”、“-X”、“+Y”、“-Y”按鈕決定方向信號的輸出。

　　(4)直線插補程序是本系統(tǒng)設(shè)計的重點和難點，PLC 的功能強項是開關(guān)的動作控制， 對軌跡控制功能相對較弱。與點定位模塊不一樣的是，點定位只要求走到規(guī)定的點就可以了， 但直線插補要求中間過程一定要走直線，所以這2 種算法有區(qū)別。直線插補程序不可以使用“PLSY”指令完成。因此本系統(tǒng)采用了逐點比較進行編程。程序每運算1 次，輸出1 個脈沖，直到走到規(guī)定點才停止。程序總使用“CMP”指令完成走“X”、“Y”方向的判斷，通過“PLS”指令輸出一個脈沖， 然后還要對一些過程量進行運算。

　　再使用“CMP”對終點的判斷。本系統(tǒng)較創(chuàng)新的地方是使用1ms 的定時器完成速度控制，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)圓弧插補程序編程原理和直線插補基本一樣，但圓弧插補算法所使用的坐標系和使用的G 代碼坐標系是不同的。這樣，本系統(tǒng)就要設(shè)計一個坐標轉(zhuǎn)換程序，然后才進入正式的圓弧插補程序。

　　(6)系統(tǒng)硬件部分設(shè)有幾個限位開關(guān)，當某方向限位開關(guān)按下，該方向的運動停止工作，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，整個系統(tǒng)停止工作。

　　(7)系統(tǒng)設(shè)有7 個LED，當限位開關(guān)按下，該方向的提示燈就會提示。還有自動功能提示，正常運行提示和停止提示。

　　本系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)線SC-09 將計算機或者編程器連接，把PLC 主機打到RUN 狀態(tài)，然后就可以使用編程軟件MELSEC-FFX 進行寫入。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。

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驅(qū)動器驅(qū)動步進電機，帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而控制工作臺按照預定的線路移動。實驗驗證，本系統(tǒng)控制下的工作臺能夠?qū)崿F(xiàn)手動連續(xù)點動、手動距離點動、手動停止以及自動點定位、直線插補、圓弧插補和自動停止等功能。工作臺的定位精度達到0.012 mm,最大速度能達到2.96 m/s。

　　本文成功地設(shè)計出以PLC 作為控制核心的數(shù)控工作臺控制系統(tǒng)，并且在實驗室里通過實驗驗證了其可行性和正確性，為許多老企業(yè)傳統(tǒng)機床的數(shù)控改造提供了參考，同時，也可利用本系統(tǒng)開發(fā)出的有創(chuàng)新性和綜合性的計算機運動控制的教學實驗，使學生能夠更加深入地了解PLC 的性能以及使用方法。