基于QD75MH4的三軸運動控制系統設計

2013-12-31 00:00:00范其明

科技創新與應用 2013年15期

摘要：文章介紹了一個三軸的運動控制系統，該系統由三菱智能定位模塊QD75MH4、PLC控制器、伺服放大器以及觸摸屏等組成。其中PLC負責該系統的整體邏輯控制，QD75定位模塊負責系統的定位控制與插補控制，三個伺服放大器負責驅動三臺伺服電機帶動絲杠實現三個方向上的運動，觸摸屏可以對系統進行實時監控、發出運行指令等。

關鍵詞：QD75MH4；運動控制；PLC；伺服控制

1 引言

運動控制是指對機械運動部件的位置、速度等進行實時的控制，使其按照預期的運動軌跡和規定的運動參數進行運動[1]。目前，運動控制器在工業上的應用越來越多，主要是伴隨著數控技術、機器人技術和工廠自動化技術的發展而發展起來的，涉及到的應用領域主要有產品的加工、裝配、以及后期組裝等。

早期的運動控制技術。早期的運動控制器實際上是可以獨立運行的專用的控制器，往往無需另外的處理器和操作系統支持。而伴隨PLC控制技術的普及，很多情況下需要將運動控制器與PLC結合起來應用，完成整個系統復雜的邏輯控制和運動控制要求。QD75MH4型運動控制器就屬于這類運動控制器[2]。

2 系統控制要求

整個系統由三個互相垂直的絲杠組成，分別實現X、Y、Z三個方向上的運動，其中Z軸負責上下運動，X、Y兩軸負責平面運動。要求在Z軸的末端固定一支鉛筆，由Z軸負責控制鉛筆的提筆和落筆動作，由X、Y兩軸負責直線插補和圓弧插補運動，從而能夠在平面上畫出我們想要的圖形。以此來模擬在機床加工過程中刀頭的運行軌跡。

另外，我們對系統提出以下操作要求：

（1）系統的精度達到微米級；（2）系統具有良好的操作性；（3）系統可以實現任意的直線和圓弧插補；（4）系統具有快速響應性。

3 系統設計

3.1 硬件設計

基于系統的控制要求，我們設計了一個三軸運動控制系統，分別由三臺伺服電機負責帶動三個方向的絲杠進行運動，其中軸1和軸2兩臺電機負責X、Y兩個方向上的動作，軸3負責Z方向的動作。由Q02H系列PLC負責對整個系統的邏輯和定位運動進行控制和管理；智能定位模塊QD75MH4負責對定位參數進行設置并且將指令脈沖通過SSCNET光纖電纜發送給三個伺服放大器，以保證系統響應的快速性；伺服放大器MR-J3-20B負責驅動伺服電機HF-KP23，以完成三個方向上的運動；此外我們還使用A985GOT-QBUSS觸摸屏對整個系統完成操作和監視[3]。

根據所選硬件設計系統硬件框圖如圖1所示：

在本系統中，由MR-J3-20B伺服放大器所控制的HF-KP23伺服電機具有分辨率為262144 pulses/rev 的絕對位置編碼器[4]，能夠實現更精確的控制。此外，我們采用的機械絲杠系統完全與本交流伺服電機的機械尺寸相匹配，每個絲杠的螺距為4mm，足以滿足系統控制要求。

3.2 軟件設計

3.2.1 程序流程圖

首先，我們根據系統的設計要求設計程序流程圖如圖2所示：

系統在上電時，首先進行各個通訊參數的設定，然后將OPR功能關斷并進行各軸的調零，即采用絕對值位置控制方式將各軸調回到零點，此時軸1和軸2位于原點，軸3將鉛筆提起。然后啟動軸1和軸2，采用直線插補的方式將鉛筆帶動到下筆位置，啟動軸3落筆，然后由軸1和軸2分別采用直線插補和圓弧插補的方式帶動鉛筆在桌面上畫出規定的直線和圓弧。在完成規定的曲線后軸3抬起，軸1和軸2回到原點待命。

系統的軟件程序由MELSOFT應用程序軟件來完成。首先在GX developer軟件上對系統的硬件型號和刷新參數進行設定，然后再在GX Configurator-QP軟件上編寫伺服定位參數，并由GX developer中的PLC程序來調用這些定位數據。

系統的軟件程序由MELSOFT應用程序軟件來完成。首先在GX developer軟件上對系統的硬件型號和刷新參數進行設定，然后再在GX Configurator-QP軟件上編寫伺服定位參數，并由GX developer中的PLC程序來調用這些定位數據，由GT Designer2軟件來設計觸摸屏監控程序[5]。下面我們主要介紹一下PLC程序的設計和伺服定位參數的設定。

3.2.2 PLC程序設計

利用GX developer軟件，首先對系統的硬件型號和刷新參數進行設定然后PLC 的程序進行編寫。其中程序中涉及到的部分軟元件的功能如表1所示：

3.2.3 伺服參數及程序設定

利用GX Configurator-QP軟件對伺服系統參數和定位數據進行設置[7]，之后再將其寫入Q02HCPU中。

首先需要設置伺服系統的基本參數，即在Parameter Data將Basic parameter1進行設置，如圖4所示：

然后在伺服參數數據（Servo parameter Data）中將伺服放大器的系列選定為1：MR-J3-B。之后對各軸的定位數據進行設定，圖5和圖6分別表示軸1和軸2的定位數據。

4 結束語

綜上所述，經過合理設計和細心編程，我們所設計的三軸運動控制系統很好地滿足了系統的控制要求，充分也體現了三菱QD75MH4定位模塊以及MR-J3-B伺服系統的強大功能。在合理地應用各種插補控制方式的情況下，我們能夠精確地繪制出各種圖形。如圖7所示為系統繪制的部分圖形。

參考文獻

[1]張崇巍，李漢強.運動控制系統[M].武漢：武漢理工大學出版社.2002.

[2]MITSUBISHI.QD75MH Positioning Module handbook （Details） [M].2005.

[3]張建剛，鄭萍等.基于Q系列PLC的三維伺服控制系統設計[J].機床與液壓，2010年11月，第38卷第22期.