淺談運(yùn)動控制系統(tǒng)開展一體化教學(xué)實(shí)施

摘 要：2011年在德國的漢諾威工業(yè)博覽會上正式推出“工業(yè)4.0”，其核心目的是為了提高德國工業(yè)的競爭力，在新一輪工業(yè)革命中占領(lǐng)先機(jī);2015年，國務(wù)院正式印發(fā)《中國制造2025》，部署全面推進(jìn)實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略。“中國制造2025”與德國“工業(yè)4.0”的合作對接，引領(lǐng)新一輪職業(yè)教育熱浪，其中較為典型的工業(yè)機(jī)器人專業(yè)在各省市職業(yè)院校廣泛開設(shè)。

關(guān)鍵詞：FX2N-20GM FX3U 伺服控制 運(yùn)動平臺

運(yùn)動控制系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人專業(yè)的基礎(chǔ)專業(yè)課;我院教學(xué)設(shè)備系統(tǒng)由三菱FX3U控制器、智能插補(bǔ)定位模塊FX2N-20GM、臺達(dá)伺服放大器和昆侖通態(tài)觸摸屏（TPC7062Ti）7寸屏組成。其中FX3U控制器負(fù)責(zé)系統(tǒng)的整體邏輯控制、參數(shù)運(yùn)算、設(shè)備間的通訊及Z軸定位控制，F(xiàn)X2N-20GM定位模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)X、Y軸的定位和圓弧插補(bǔ)控制（可控制方向、行程、定位、弧度、運(yùn)行速度等），觸摸屏負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置;通過一體化教學(xué)成果表明，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、定位精度高，轉(zhuǎn)速快、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)在運(yùn)動控制中得到廣泛應(yīng)用，三軸運(yùn)動平臺是自動化工業(yè)領(lǐng)域常用的裝置，也是國內(nèi)中高職院校學(xué)生重要的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)設(shè)備，具有職業(yè)教育推廣必要性。

一、學(xué)生分析

（一）主要針對電氣自動化或工業(yè)機(jī)器人專業(yè)，五年制高級工班級，在校第三年學(xué)生，有一定的三菱PLC基礎(chǔ)。

（二）心理特點(diǎn)：好奇心強(qiáng)，喜歡上網(wǎng)交流，有追求欲。

（三）學(xué)習(xí)能力：有一定較強(qiáng)的自學(xué)能力、表達(dá)能力和組織能力，有一定的團(tuán)隊合作精神。

（四）學(xué)習(xí)態(tài)度：積極性較高，思維活躍，喜歡動手。

（五）學(xué)習(xí)基礎(chǔ)：認(rèn)識電氣元器件，識讀電氣原理，已學(xué)會了之前的第二單元9個課題控制線路安裝。

二、教學(xué)目標(biāo)

（一）掌握FX2N-20GM脈沖發(fā)生單元，通過給X軸，Y軸伺服電機(jī)驅(qū)動器發(fā)脈沖，控制兩臺伺服電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)兩軸（XY軸）精確定位和插補(bǔ)控制;

（二）掌握FX2N-20GM可用流程圖形式的編程軟件（SWOD5-FXVPS-E），開發(fā)可視化的程序。

（三）掌握三菱FX3U-48MT高速脈沖輸出端口Y2向Z軸伺服電機(jī)驅(qū)動器發(fā)脈沖，實(shí)現(xiàn)Z軸精確定位。系統(tǒng)選用FX3U-48MT作為主控單元，利用連接電纜FX2N-20GM-5EC實(shí)現(xiàn)FX3U與20GM之間的數(shù)據(jù)交換;

三、課中學(xué)習(xí)明確任務(wù)

可按3—5人組成小組學(xué)習(xí)，發(fā)放一體化教學(xué)工作業(yè)或任務(wù)書，小組成員分工，閱讀工作任務(wù)單，并討論工作任務(wù)、地點(diǎn)及工時等，并填寫任務(wù)書及相關(guān)表格，明確任務(wù)具體要求及專業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等;同時分析PLC設(shè)備外圍接線端子，確定學(xué)習(xí)工作流程，實(shí)現(xiàn)做中學(xué)、學(xué)中做過程。

四、課中學(xué)習(xí)實(shí)施工作過程

根據(jù)工作業(yè)或任務(wù)書的要求，確定實(shí)施工作（學(xué)習(xí)）計劃后對三軸伺服控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計，實(shí)現(xiàn)下列控制要求。

（一）標(biāo)注PLC與HMI之前的地址聯(lián)系。設(shè)備中Z軸位置，是由HMI（觸摸屏）設(shè)定行程（mm），通過PLC的存儲器D多少，從HMI將數(shù)據(jù)發(fā)送至PLC，再由PLC程序通過計算結(jié)果發(fā)脈沖個數(shù)至伺服控制器控制伺服電機(jī)運(yùn)行多少單位（mm）。或X/Y兩軸位置，是由HMI設(shè)定行程（mm），通過PLC的存儲器D多少，從HMI將數(shù)據(jù)發(fā)送至PLC，由PLC程序通過計算結(jié)果再發(fā)送至20GM定位模塊控制伺服控制器控制伺服電機(jī)運(yùn)行多少單位（mm）。

（二）參數(shù)設(shè)定;設(shè)定FX2N-20GM相關(guān)參數(shù)，包括單位參數(shù)、運(yùn)動平臺絲杠螺距參數(shù)、速度參數(shù)、機(jī)械零點(diǎn)參數(shù)。設(shè)定伺服參數(shù)，包括伺服電機(jī)額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速、額定功率等

（三）系統(tǒng)軟件編程;系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括PLC控制程序和20GM的定位程序編寫兩部分，其中20GM程序編寫主要完成X、Y軸伺服電機(jī)控制，PLC程序編制主要完成Z軸伺服電機(jī)的控制、20GM的數(shù)據(jù)交換、三軸運(yùn)動的協(xié)調(diào)控制。通過PLC發(fā)出的數(shù)據(jù)將通過程序傳送至20GM緩沖區(qū)BMF中。20GM針對X、Y兩軸的運(yùn)動有專門的緩沖區(qū)（BFM#20和BMF#21），每個緩沖區(qū)有2個字，即16位的容量，每一位都代表了不同的運(yùn)動特性。BFM#20號緩沖區(qū)設(shè)置同步2軸和X軸的運(yùn)行方式，BFM#21號緩沖區(qū)設(shè)置Y軸的運(yùn)行方式。利用PLC的FROM/TO指令完成二者之間的通訊。通過HMI改變PLC相關(guān)位輔助繼電器的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動平臺X/Y軸電機(jī)的正轉(zhuǎn)點(diǎn)動、反轉(zhuǎn)點(diǎn)動和回零操作。例如：通過觸摸屏將PLC里的位元件輔助繼電器M，即可實(shí)現(xiàn)X軸電機(jī)的回零操作。利用觸摸屏讀取PLC寄存器“D100”和“D102”數(shù)據(jù)，將其顯示在觸摸屏屏幕上，即可實(shí)現(xiàn)對X，Y軸位置的實(shí)時監(jiān)控;同時可用FX-VPS-E軟件進(jìn)行可視化流程圖形式的編程，實(shí)現(xiàn)測試程序要求。

五、總結(jié)和評價

通過一周時間對任務(wù)的實(shí)施，完成三軸伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計和編程任務(wù)，根據(jù)工作過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行總結(jié)和評價;

（一）根據(jù)教師展示教學(xué)過程中的圖片和視頻對專業(yè)技能和職業(yè)素養(yǎng)方面做得較好與不足之處進(jìn)行記錄并對任務(wù)評價表進(jìn)行自我評價和小組評價。

（二）根據(jù)綜合評價表進(jìn)行自我評價和小組評價。

（三）各組派代表，對學(xué)習(xí)過程，成功經(jīng)驗(yàn)和遇到問題進(jìn)行總結(jié)。

（四）對完成安全操作、速度、質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行綜合評比。

（五）安排下拓展任務(wù)做好預(yù)習(xí)并做好記錄。

結(jié)語

通過本次任務(wù)教學(xué)實(shí)施，以課前學(xué)習(xí)，提高課中學(xué)習(xí)效率;實(shí)現(xiàn)“翻轉(zhuǎn)課堂”，學(xué)生以小組形式分工合理，團(tuán)隊協(xié)作使成員參與度高，學(xué)習(xí)氣氛良好;但課中也存不足，學(xué)生基礎(chǔ)不牢固，學(xué)員展示不夠全面，使得學(xué)員展示時緊張;最后由于在一體化教學(xué)經(jīng)驗(yàn)不多，有不足之處，請各位同行給予指正。

參考文獻(xiàn)

[1]三菱FX2N-10GM-20GM編程手冊.2000.

[2]三菱FX3U用戶手冊.2005.

[3]李金城.三菱PLC系列PLC定位控制應(yīng)用技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社，2014.

作者簡介

楊明（1984.12—），男，漢族，籍貫：廣西北流市，本科，講師，研究方向：電氣自動化及工業(yè)機(jī)器人專業(yè)。