基于雷賽運(yùn)動(dòng)控制器手輪功能的設(shè)計(jì)

李文, 高健

（青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院 海爾學(xué)院,山東 青島 266555）

0 引言

隨著我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與升級(jí)，制造業(yè)逐步由制造向創(chuàng)造邁進(jìn)，為更好地適應(yīng)個(gè)性化產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的需求，運(yùn)動(dòng)控制器在專機(jī)設(shè)備或普通設(shè)備自動(dòng)化改造中得到廣泛應(yīng)用[1]。運(yùn)動(dòng)控制器主要功能是使進(jìn)給坐標(biāo)軸實(shí)現(xiàn)定位和軌跡運(yùn)動(dòng)[2]。為更好地控制機(jī)械設(shè)備移動(dòng)部件的精確位置，手輪已成為自動(dòng)化設(shè)備或數(shù)控加工設(shè)備必備部件，用戶可根據(jù)實(shí)際使用需求，改變進(jìn)給坐標(biāo)軸和進(jìn)給倍率大小，實(shí)現(xiàn)單個(gè)進(jìn)給軸和多個(gè)進(jìn)給軸在不同進(jìn)給速度下移動(dòng)。本文以雷賽運(yùn)動(dòng)控制器為載體，介紹手輪功能設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)途徑。

1 雷賽運(yùn)動(dòng)控制器

SMC604運(yùn)動(dòng)控制器是深圳雷賽控制技術(shù)有限公司生產(chǎn)，采取嵌入式處理器和FPGA硬件結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)高性能獨(dú)立式運(yùn)動(dòng)控制，提供4軸電動(dòng)機(jī)控制接口、通用I/O信號(hào)接口，支持以太網(wǎng)口、RS485、RS232等通信接口，支持手輪運(yùn)動(dòng)配置功能，提供VB、VC 語(yǔ)言等函數(shù)庫(kù)和Windows動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)和連續(xù)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，可在SMC Basic Studio軟件環(huán)境下調(diào)用BASIC指令、G代碼指令實(shí)現(xiàn)控制器的編程[3]。

SMC604運(yùn)動(dòng)控制器的硬件接口分為電源接口、進(jìn)給軸電動(dòng)機(jī)接口、專用I/O接口（原點(diǎn)接口、限位接口）、通用I/O接口（30個(gè)點(diǎn)輸入、18個(gè)點(diǎn)輸出）、通信接口（100 Mbps以太網(wǎng)口、CAN接口、RS232接口、RS485接口、U盤(pán)接口）、手輪接口、PWM輸出等接口，使用者根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)接口硬件連接，如圖1所示。

圖1 運(yùn)動(dòng)控制器硬件接口

2 手輪組成

手輪通常由脈沖發(fā)生器、軸選擇波段開(kāi)關(guān)、進(jìn)給倍率波段開(kāi)關(guān)、急停開(kāi)關(guān)、使能開(kāi)關(guān)、工作指示燈組成[4]。

1）手輪脈沖發(fā)生器實(shí)際上就是增量式光電編碼器，通過(guò)搖動(dòng)手輪，產(chǎn)生脈沖信號(hào)（A相和B相差分信號(hào)），其工作電源為DC5 V,由運(yùn)動(dòng)控制器手輪接口ENC提供。

2）軸選擇波段開(kāi)關(guān)有7個(gè)擋位，分別為OFF、X軸、Y軸、Z軸、4軸、5軸、6軸，用來(lái)選擇所需要的進(jìn)給軸或者關(guān)閉進(jìn)給軸，不同廠家的手輪軸選擋位數(shù)量可能不同。

3）進(jìn)給倍率開(kāi)關(guān)通常有3個(gè)擋位，分別代表X1、X10、X100倍率值。

4）急停開(kāi)關(guān)用于安全防護(hù)，當(dāng)伺服進(jìn)給軸移動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)意外情況時(shí)，急停信號(hào)能快速終止運(yùn)動(dòng)。在使用運(yùn)動(dòng)控制控制進(jìn)給軸移動(dòng)時(shí)，必須保證急停功能有效，避免撞機(jī)。

5）使能開(kāi)關(guān)控制軸選波段開(kāi)關(guān)和進(jìn)給倍率開(kāi)關(guān)是否有效，只有按下使能開(kāi)關(guān)，軸選開(kāi)關(guān)和倍率開(kāi)關(guān)相應(yīng)擋位才能生效。

外接在運(yùn)動(dòng)控制器的手輪通過(guò)電纜與運(yùn)動(dòng)控制器硬件接口相接，其信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 手輪信號(hào)與運(yùn)動(dòng)控制器手輪接口信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 運(yùn)動(dòng)控制器硬件連接

手輪功能的實(shí)現(xiàn)首先要進(jìn)行硬件部分的連接，主要包括運(yùn)動(dòng)控制器電源、手輪與運(yùn)動(dòng)控制器的連接、伺服驅(qū)動(dòng)器與控制器的連接、伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服電動(dòng)機(jī)的連接等內(nèi)容。

3.1 運(yùn)動(dòng)控制器電源

雷賽運(yùn)動(dòng)控制器需采用外部DC24 V作為工作電壓，電源接口提供兩組電源，每組電源接口包含2個(gè)引腳，E24 V引腳接外部開(kāi)關(guān)電源DC24 V正極，EGND引腳接外部開(kāi)關(guān)電源DC24 V負(fù)極，公共的PE引腳用于防護(hù)接地，SG引腳接設(shè)備金屬外殼。

3.2 手輪與運(yùn)動(dòng)控制器的連接

外接手輪采用專用的屏蔽電纜通過(guò)25針串口與運(yùn)動(dòng)控制ENC接口相連，完成手輪硬件連接，具體信號(hào)如表1所示。

3.3 運(yùn)動(dòng)控制器與伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電動(dòng)機(jī)連接

1）運(yùn)動(dòng)控制器與伺服驅(qū)動(dòng)器之間的信號(hào)主要包含脈沖指令信號(hào)、反饋信號(hào)、使能信號(hào)、報(bào)警信號(hào)等信號(hào)，伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服電動(dòng)機(jī)之間的接線主要包含三相動(dòng)力線、編碼器反饋線。本文采用東元伺服電動(dòng)機(jī)JSMALC08ABK，伺服驅(qū)動(dòng)器JSDEP-20 A，對(duì)于伺服電動(dòng)機(jī)功率為0.75 kW（小于1 kW），伺服驅(qū)動(dòng)器工作電壓為單相AC220 V，伺服電動(dòng)機(jī)功率在1 kW以上的，伺服驅(qū)動(dòng)器工作電壓為三相AC220 V。

2）伺服驅(qū)動(dòng)器CN1接口與運(yùn)動(dòng)控制器AXIS接口連接，驅(qū)動(dòng)器CN2與伺服電動(dòng)機(jī)編碼器連接，采用動(dòng)力電纜線完成驅(qū)動(dòng)器RST輸入強(qiáng)電接線，驅(qū)動(dòng)器UVW與伺服電動(dòng)機(jī)電源接口接線，如圖2所示。

圖2 進(jìn)給伺服軸硬件連接

雷賽運(yùn)動(dòng)控制器采用脈沖指令控制伺服電動(dòng)機(jī),脈沖信號(hào)最高頻率為2 MHz，脈沖信號(hào)包含脈沖信號(hào)PUL和方向信號(hào)DIR，這兩類(lèi)信號(hào)均為差分輸出信號(hào)，伺服驅(qū)動(dòng)器CN1接口與運(yùn)動(dòng)控制器AXIS接口基本信號(hào)配線如下:運(yùn)動(dòng)控制器引腳14（DC24 V輸出）與驅(qū)動(dòng)器引腳17（DICOM）連接，運(yùn)動(dòng)控制器引腳22（DIR-）與驅(qū)動(dòng)器引腳7（SIGN-）連接，運(yùn)動(dòng)控制器引腳11（PUL-）與驅(qū)動(dòng)器引腳5（PULSE-）連接，驅(qū)動(dòng)器引腳4、5分別接2 kΩ電阻與引腳17連接，運(yùn)動(dòng)控制器引腳17（A+）與驅(qū)動(dòng)器引腳21（A+）連接，運(yùn)動(dòng)控制器引腳04（A-）與驅(qū)動(dòng)器9（A-）連接，運(yùn)動(dòng)控制器引腳18（B+）與驅(qū)動(dòng)器22（B+）連接，運(yùn)動(dòng)控制器引腳05（B-）與驅(qū)動(dòng)器10（B-）連接，運(yùn)動(dòng)控制器引腳19（Z+）與驅(qū)動(dòng)器23（Z+）連接，運(yùn)動(dòng)控制器引腳06（Z-）與驅(qū)動(dòng)器11（Z-）連接，運(yùn)動(dòng)控制器引腳03（SERON）與驅(qū)動(dòng)器01（SON）連接。

3.4 運(yùn)動(dòng)控制器與上位機(jī)連接

運(yùn)動(dòng)控制器提供的SMC Basic Studio軟件需要在上位機(jī)（計(jì)算機(jī)）上運(yùn)行，兩者通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行信息通信，但需要在運(yùn)動(dòng)控制器和上位機(jī)上進(jìn)行IP地址的設(shè)定，上位機(jī)的IP應(yīng)與運(yùn)動(dòng)控制器在同一網(wǎng)段，但最后一位需要錯(cuò)開(kāi)，例如，控制器的IP設(shè)置為192.168.5.10，上位機(jī)的IP地址可設(shè)置為192.168.5.*（*為除10外任意255內(nèi)數(shù)值）。參數(shù)設(shè)置完后，點(diǎn)擊軟件菜單欄【控制器】→【連接】，即可建立起上位機(jī)（計(jì)算機(jī)）與控制器的通信。

4 手輪功能設(shè)計(jì)

雷賽運(yùn)動(dòng)控制器提供的手輪控制功能，可方便調(diào)整運(yùn)動(dòng)部件起點(diǎn)或加工前的刀具對(duì)刀操作。手輪功能具有兩種工作模式，一是多軸控制，二是單軸控制。

1）多軸控制。在多軸控制模式下，軸選擇波段開(kāi)關(guān)每個(gè)擋位不再是固定的單軸控制，而是可以通過(guò)函數(shù)（指令）來(lái)設(shè)定每一個(gè)軸擋位關(guān)聯(lián)的軸組（多軸控制），進(jìn)給軸倍率擋位不是固定的X1、X10、X100 倍，進(jìn)給倍率可單獨(dú)設(shè)置。例如：有時(shí)需要X、Y軸同時(shí)移動(dòng)，有時(shí)需要X、Z軸同時(shí)移動(dòng)，有時(shí)需要X、Y、Z軸同時(shí)移動(dòng)，這時(shí)可將X軸選波段開(kāi)關(guān)關(guān)聯(lián)X、Y軸，同時(shí)單獨(dú)設(shè)置3個(gè)擋位倍率，將Y軸選波段開(kāi)關(guān)關(guān)聯(lián)X、Z軸，單獨(dú)設(shè)置3個(gè)擋位倍率，將Z軸選波段開(kāi)關(guān)關(guān)聯(lián)X、Y、Z軸，單獨(dú)設(shè)置3個(gè)擋位倍率，這樣，當(dāng)手輪軸選波段開(kāi)關(guān)處于X軸擋位時(shí)，可同時(shí)控制X、Y軸移動(dòng)，軸選波段開(kāi)關(guān)處于Y軸擋位時(shí)，可同時(shí)控制X、Z軸移動(dòng)，軸選波段開(kāi)關(guān)處于Z軸擋位時(shí)，可同時(shí)控制X、Y、Z軸移動(dòng)，其他情況類(lèi)似，用戶可根據(jù)不同的需求選擇不同的關(guān)聯(lián)模式。

2）單軸控制。在單軸控制模式下，軸選波段開(kāi)關(guān)每個(gè)擋位對(duì)應(yīng)一個(gè)進(jìn)給軸，三種進(jìn)給倍率任選，類(lèi)似數(shù)控機(jī)床手輪操作方式。本文介紹單軸控制模式的設(shè)計(jì)方法。

4.1 程序開(kāi)發(fā)工具

雷賽運(yùn)動(dòng)控制器為程序開(kāi)發(fā)提供良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境，SMC Basic Studio軟件為綠色版本，無(wú)需安裝，適用XP及以上32/64位系統(tǒng)，但操作系統(tǒng)需安裝.NET4.0，用戶通過(guò)該軟件根據(jù)設(shè)計(jì)的功能來(lái)調(diào)用指令集開(kāi)發(fā)程序，并將開(kāi)發(fā)好的程序下載到運(yùn)動(dòng)控制器中進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試。

4.2 與手輪功能相關(guān)指令

手輪功能需要使用的指令，如表2所示。

表2 指令表

手輪功能指令主要涉及參數(shù)有AxisSelIndex（軸選擋位）、RatioSelIndex（倍選擋位）、InMode（脈沖模式）、IfHardEnable（運(yùn)行模式）、AxisNum（進(jìn)給軸數(shù)）、AxisList（軸號(hào)列表）、RatioList（倍率列表）、StartRatioIndex（倍選起始索引值）、RatioSelNum（倍率值數(shù)目）。

4.3 脈沖當(dāng)量設(shè)計(jì)

脈沖當(dāng)量是運(yùn)動(dòng)控制重要參數(shù)，脈動(dòng)當(dāng)量是指設(shè)備移動(dòng)部件移動(dòng)單位距離所需要脈沖數(shù)。雷賽運(yùn)動(dòng)控制器提供脈沖當(dāng)量設(shè)置功能，通過(guò)調(diào)用函數(shù)指令SMCSetEquiv完成脈沖當(dāng)量設(shè)置，脈沖當(dāng)量單位可以是pulse/mm，也可以是脈沖，但脈沖當(dāng)量不能設(shè)為0。

脈沖當(dāng)量設(shè)置與機(jī)械部件絲杠螺距、伺服電動(dòng)機(jī)與絲杠連接方式等因素有關(guān)，如果絲杠轉(zhuǎn)一圈需要10 000個(gè)脈沖（伺服電動(dòng)機(jī)編碼器采用2500線，采用四倍頻處理），伺服電動(dòng)機(jī)與絲杠直聯(lián)，絲杠導(dǎo)程為10 mm，移動(dòng)部件移動(dòng)1 mm時(shí)需要1000個(gè)脈沖，脈沖當(dāng)量為1000 pulse/mm，即脈沖當(dāng)量=伺服電動(dòng)機(jī)一轉(zhuǎn)所需脈沖數(shù)/絲杠導(dǎo)程。

根據(jù)設(shè)定的脈沖當(dāng)量及運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)出脈沖頻率，可以確定移動(dòng)部件最高移動(dòng)速度，即脈沖頻率=移動(dòng)速度×脈沖當(dāng)量。

4.4 伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置

伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)的設(shè)置與控制器脈沖輸出模式、硬件接線方式有一定關(guān)聯(lián)性，保證伺服電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基本參數(shù)如下：控制模式選擇Cn001（=2時(shí)采用外部位置指令控制），伺服使能信號(hào)選擇Cn2.0（=0時(shí)采用SON信號(hào)控制伺服使能，=1時(shí)采用電源上電伺服使能），正反轉(zhuǎn)方向驅(qū)動(dòng)選擇Cn2.1（=1時(shí)忽略CCW和CW方向驅(qū)動(dòng)禁止機(jī)能），位置脈沖命令選擇Pn301.0（=0時(shí)為脈沖模式：脈沖+方向），電動(dòng)機(jī)方向選擇Pn314（=0時(shí)為電動(dòng)機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，=1時(shí)為電動(dòng)機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)），電子齒輪比Pn302/Pn306（根據(jù)電動(dòng)機(jī)一轉(zhuǎn)所需脈沖數(shù)設(shè)置）。

4.5 外接手輪硬件功能驗(yàn)證

運(yùn)動(dòng)控制器SMC Basic Studio軟件提供檢測(cè)手輪外接信號(hào)是否正常的功能，點(diǎn)擊軟件【功能測(cè)試】→【手輪測(cè)試】，設(shè)置手輪模式：脈沖+方向，軸選倍選：軟件控制，軸選擋位：軸選擋位0，倍選擋位0，在軸選擋位0中，勾選軸0或軸1或軸2（即X軸、Y軸、Z軸），倍選0設(shè)置1（即進(jìn)給倍率為×1）。點(diǎn)擊【啟動(dòng)】，撥動(dòng)手輪軸選開(kāi)關(guān)至X軸擋位，倍率×1，搖動(dòng)手輪脈沖發(fā)生器，相應(yīng)軸（X軸或Y軸或Z軸）移動(dòng)，若3個(gè)軸都不移動(dòng)，可判斷外接手輪硬件有問(wèn)題。

4.6 手輪功能程序設(shè)計(jì)

1）參數(shù)設(shè)置。

上述程序設(shè)計(jì)，手輪可控制X、Y、Z三個(gè)進(jìn)給軸，每個(gè)進(jìn)給軸可選×1、×10、×100三種倍率。編寫(xiě)好的程序，通過(guò)以太網(wǎng)下載到運(yùn)動(dòng)控制器FLAH存儲(chǔ)器中，可以進(jìn)行脫機(jī)運(yùn)行，避免上位機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制器始終連接。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著制造業(yè)數(shù)字化、智能化的發(fā)展，產(chǎn)品個(gè)性化需求與日俱增，由于運(yùn)動(dòng)控制器具有開(kāi)放性好、程序開(kāi)發(fā)周期短、性價(jià)比高等特點(diǎn)[5]，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備。手輪功能是運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)重要一個(gè)環(huán)節(jié)，其涉及內(nèi)容較廣，包含硬件連接、伺服參數(shù)設(shè)置、程序編寫(xiě)、通信等內(nèi)容，硬件信號(hào)的有效對(duì)接是基礎(chǔ)，伺服參數(shù)設(shè)置是條件，程序編寫(xiě)是保障，實(shí)踐證明，本文采取的手輪功能開(kāi)發(fā)方法能夠精確地控制設(shè)備運(yùn)動(dòng)位置，極大地提高設(shè)備的調(diào)試效率，具有很好的實(shí)用性和參考價(jià)值。