基于QD75MH4的三軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：文章介紹了一個(gè)三軸的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(fù)責(zé)該系統(tǒng)的整體邏輯控制，QD75定位模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)的定位控制與插補(bǔ)控制，三個(gè)伺服放大器負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)三臺(tái)伺服電機(jī)帶動(dòng)絲杠實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)，觸摸屏可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、發(fā)出運(yùn)行指令等。

關(guān)鍵詞：QD75MH4；運(yùn)動(dòng)控制；PLC；伺服控制

1 引言

運(yùn)動(dòng)控制是指對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的位置、速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制，使其按照預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)[1]。目前，運(yùn)動(dòng)控制器在工業(yè)上的應(yīng)用越來越多，主要是伴隨著數(shù)控技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)和工廠自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的，涉及到的應(yīng)用領(lǐng)域主要有產(chǎn)品的加工、裝配、以及后期組裝等。

早期的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。早期的運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)際上是可以獨(dú)立運(yùn)行的專用的控制器，往往無需另外的處理器和操作系統(tǒng)支持。而伴隨PLC控制技術(shù)的普及，很多情況下需要將運(yùn)動(dòng)控制器與PLC結(jié)合起來應(yīng)用，完成整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜的邏輯控制和運(yùn)動(dòng)控制要求。QD75MH4型運(yùn)動(dòng)控制器就屬于這類運(yùn)動(dòng)控制器[2]。

2 系統(tǒng)控制要求

整個(gè)系統(tǒng)由三個(gè)互相垂直的絲杠組成，分別實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)，其中Z軸負(fù)責(zé)上下運(yùn)動(dòng)，X、Y兩軸負(fù)責(zé)平面運(yùn)動(dòng)。要求在Z軸的末端固定一支鉛筆，由Z軸負(fù)責(zé)控制鉛筆的提筆和落筆動(dòng)作，由X、Y兩軸負(fù)責(zé)直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，從而能夠在平面上畫出我們想要的圖形。以此來模擬在機(jī)床加工過程中刀頭的運(yùn)行軌跡。

另外，我們對(duì)系統(tǒng)提出以下操作要求：

（1）系統(tǒng)的精度達(dá)到微米級(jí)；（2）系統(tǒng)具有良好的操作性；（3）系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)任意的直線和圓弧插補(bǔ)；（4）系統(tǒng)具有快速響應(yīng)性。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

基于系統(tǒng)的控制要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)三軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，分別由三臺(tái)伺服電機(jī)負(fù)責(zé)帶動(dòng)三個(gè)方向的絲杠進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，其中軸1和軸2兩臺(tái)電機(jī)負(fù)責(zé)X、Y兩個(gè)方向上的動(dòng)作，軸3負(fù)責(zé)Z方向的動(dòng)作。由Q02H系列PLC負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的邏輯和定位運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制和管理；智能定位模塊QD75MH4負(fù)責(zé)對(duì)定位參數(shù)進(jìn)行設(shè)置并且將指令脈沖通過SSCNET光纖電纜發(fā)送給三個(gè)伺服放大器，以保證系統(tǒng)響應(yīng)的快速性；伺服放大器MR-J3-20B負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)HF-KP23，以完成三個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)；此外我們還使用A985GOT-QBUSS觸摸屏對(duì)整個(gè)系統(tǒng)完成操作和監(jiān)視[3]。

根據(jù)所選硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示：

在本系統(tǒng)中，由MR-J3-20B伺服放大器所控制的HF-KP23伺服電機(jī)具有分辨率為262144 pulses/rev 的絕對(duì)位置編碼器[4]，能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的控制。此外，我們采用的機(jī)械絲杠系統(tǒng)完全與本交流伺服電機(jī)的機(jī)械尺寸相匹配，每個(gè)絲杠的螺距為4mm，足以滿足系統(tǒng)控制要求。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 程序流程圖

首先，我們根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)程序流程圖如圖2所示：

系統(tǒng)在上電時(shí)，首先進(jìn)行各個(gè)通訊參數(shù)的設(shè)定，然后將OPR功能關(guān)斷并進(jìn)行各軸的調(diào)零，即采用絕對(duì)值位置控制方式將各軸調(diào)回到零點(diǎn)，此時(shí)軸1和軸2位于原點(diǎn)，軸3將鉛筆提起。然后啟動(dòng)軸1和軸2，采用直線插補(bǔ)的方式將鉛筆帶動(dòng)到下筆位置，啟動(dòng)軸3落筆，然后由軸1和軸2分別采用直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)的方式帶動(dòng)鉛筆在桌面上畫出規(guī)定的直線和圓弧。在完成規(guī)定的曲線后軸3抬起，軸1和軸2回到原點(diǎn)待命。

系統(tǒng)的軟件程序由MELSOFT應(yīng)用程序軟件來完成。首先在GX developer軟件上對(duì)系統(tǒng)的硬件型號(hào)和刷新參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，然后再在GX Configurator-QP軟件上編寫伺服定位參數(shù)，并由GX developer中的PLC程序來調(diào)用這些定位數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)的軟件程序由MELSOFT應(yīng)用程序軟件來完成。首先在GX developer軟件上對(duì)系統(tǒng)的硬件型號(hào)和刷新參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，然后再在GX Configurator-QP軟件上編寫伺服定位參數(shù)，并由GX developer中的PLC程序來調(diào)用這些定位數(shù)據(jù)，由GT Designer2軟件來設(shè)計(jì)觸摸屏監(jiān)控程序[5]。下面我們主要介紹一下PLC程序的設(shè)計(jì)和伺服定位參數(shù)的設(shè)定。

3.2.2 PLC程序設(shè)計(jì)

利用GX developer軟件，首先對(duì)系統(tǒng)的硬件型號(hào)和刷新參數(shù)進(jìn)行設(shè)定然后PLC 的程序進(jìn)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(shù)及程序設(shè)定

利用GX Configurator-QP軟件對(duì)伺服系統(tǒng)參數(shù)和定位數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置[7]，之后再將其寫入Q02HCPU中。

首先需要設(shè)置伺服系統(tǒng)的基本參數(shù)，即在Parameter Data將Basic parameter1進(jìn)行設(shè)置，如圖4所示：

然后在伺服參數(shù)數(shù)據(jù)（Servo parameter Data）中將伺服放大器的系列選定為1：MR-J3-B。之后對(duì)各軸的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定，圖5和圖6分別表示軸1和軸2的定位數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

綜上所述，經(jīng)過合理設(shè)計(jì)和細(xì)心編程，我們所設(shè)計(jì)的三軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)很好地滿足了系統(tǒng)的控制要求，充分也體現(xiàn)了三菱QD75MH4定位模塊以及MR-J3-B伺服系統(tǒng)的強(qiáng)大功能。在合理地應(yīng)用各種插補(bǔ)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(tǒng)繪制的部分圖形。

參考文獻(xiàn)

[1]張崇巍，李漢強(qiáng).運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].武漢：武漢理工大學(xué)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(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2010年11月，第38卷第22期.

[4]MITSUBISHI.MR-J3-AB SevoAmplifierinstruction Manual[M].2001.1.

[5]MITSUBISHI.A900GOT用戶手冊(cè)詳細(xì)篇[M].2004.4.

[6]MITSUBISHI.Q系列CPU功能解說程序基礎(chǔ)[M].1999.12.

[7]MITSUBISHI.GXConfigurator-QPVersion-2操作手冊(cè)[M].2004.6.

作者簡(jiǎn)介：范其明（1985，10-），男，碩士研究生，河南新鄉(xiāng)人。2011年畢業(yè)于東北大學(xué)自動(dòng)化研究所，現(xiàn)任天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣自動(dòng)化教研室專職教師，助教。