黃曉偉

摘要：本文通過(guò)采用三菱電機(jī)FX5-40SSC-S簡(jiǎn)易運(yùn)動(dòng)控制模塊、FX5U系列可編程控制器、MR-J4W2-22B型伺服放大器和SSCNETⅢ光纖連接，設(shè)計(jì)了一種X-Y雙軸伺服隨動(dòng)控制系統(tǒng)。通過(guò)PLC的程序算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了X-Y雙軸伺服運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制機(jī)構(gòu)跟隨一個(gè)可變頻調(diào)速的轉(zhuǎn)盤同步運(yùn)行，在運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)盤上實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的動(dòng)作要求，該設(shè)計(jì)方案對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

Abstract： This paper designs an X-Y dual-axis servo follow-up control system by using Mitsubishi Electric FX5-40SSC-S simple motion control module， FX5U series programmable controller， MR-J4W2-22B servo amplifier and SSCNETⅢ optical fiber connection. Through the programming algorithm design of the PLC， the XY dual-axis servo motion mechanism control mechanism is synchronized to follow a variable-frequency speed-adjustable turntable to achieve preset motion requirements on the moving turntable. This design scheme has certain reference value for practical application.

關(guān)鍵詞：伺服隨動(dòng);三菱PLC;簡(jiǎn)易運(yùn)動(dòng)控制模塊;SSCNETⅢ連接

Key words： servo-suite;Mitsubishi PLC;simple motion control module;SSCNETⅢ connection

中圖分類號(hào)：TP275? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）04-0220-04

0? 引言

在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，伺服電機(jī)控制系統(tǒng)是最常見(jiàn)的電氣控制系統(tǒng)之一，它常常針對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)中的位置、角度和轉(zhuǎn)速進(jìn)行高精準(zhǔn)、快響應(yīng)、超穩(wěn)定的控制。而在伺服控制系統(tǒng)中，能進(jìn)行隨動(dòng)控制，讓伺服系統(tǒng)隨運(yùn)動(dòng)主軸或其他規(guī)律變化的運(yùn)動(dòng)信號(hào)而進(jìn)行同步運(yùn)行的系統(tǒng)在控制要求上又提出了進(jìn)一步的要求。本文以三菱電機(jī)伺服控制系統(tǒng)為例，通過(guò)具體的控制要求，設(shè)計(jì)一套伺服隨動(dòng)系統(tǒng)的解決方案，為伺服控制系統(tǒng)拓寬一下控制方式和控制思路。

1? 系統(tǒng)整體控制要求

在本項(xiàng)目中，具體的控制要求是：要在一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的圓盤上畫出一條半徑虛線。畫圓半徑虛線可以分解為伺服跟隨圓盤旋轉(zhuǎn)即兩者相對(duì)靜止，然后疊加畫虛線功能。①旋轉(zhuǎn)跟隨功能：畫筆要與不同半徑的圓盤旋轉(zhuǎn)線速度保持一致，即畫虛線半徑前，畫筆要跟隨圓盤運(yùn)動(dòng)，相對(duì)靜止。②畫半徑虛線功能：伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)跟隨功能后，要根據(jù)半徑的實(shí)時(shí)值，計(jì)算畫筆運(yùn)動(dòng)的切線速度，在圓軌道切換時(shí)，通過(guò)控制電磁鐵的通斷來(lái)畫出圓的半徑虛線。

2? 控制系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的主要器件全部選用三菱品牌，核心控制器選擇三菱FX5U PLC，增加FX5-40SSC-S簡(jiǎn)易運(yùn)動(dòng)控制模塊，模塊直接通過(guò)SSCNETⅢ連接伺服驅(qū)動(dòng)器，可以方便實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。伺服驅(qū)動(dòng)器選擇MR-J4W2-22B型，自帶SSCNETⅢ/H型接口，該驅(qū)動(dòng)器能直接驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)伺服電機(jī)，可以連接兩臺(tái)200W以下的伺服電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)雙軸的各種插補(bǔ)運(yùn)行。變頻器選擇FR-E740-0.75K、觸摸屏選擇GS2017-WTBD?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3? 執(zhí)行機(jī)構(gòu)硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其實(shí)物圖如圖2所示。在該機(jī)構(gòu)中，由2個(gè)伺服電機(jī)帶動(dòng)同步帶，組成XY軸十字工作臺(tái)，軸上各裝有原點(diǎn)、左右限位傳感器;電磁鐵安裝在龍門架上，控制畫筆的升降運(yùn)動(dòng);三菱變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)，經(jīng)減速器驅(qū)動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng);圓盤轉(zhuǎn)軸的下方裝有測(cè)速用的旋轉(zhuǎn)編碼器;圓盤下方裝有圓盤檢測(cè)零點(diǎn)、用作觸發(fā)信號(hào)的接近開關(guān)。

4? 電氣原理圖設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的電氣原理圖設(shè)計(jì)如圖3所示。

5? 程序及軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求，可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)下的編碼器進(jìn)行測(cè)速，以一定時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的角度θ為基準(zhǔn)，可以獲得圓盤旋轉(zhuǎn)的角速度ω，雙軸控制的畫筆移動(dòng)速度v，時(shí)間為t，則可以以圓盤中心為原點(diǎn)建立極坐標(biāo)系（θ，ρ）。在極坐標(biāo)系下，畫筆在旋轉(zhuǎn)圓盤上畫一條從圓心出來(lái)的直線r只要符合以下方程組：

5.1 系統(tǒng)控制流程設(shè)計(jì)

按照控制要求，在系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先要返回到X軸和Y軸的原點(diǎn)，然后跑到圓心。接下來(lái)啟動(dòng)變頻器，圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，編碼器進(jìn)行測(cè)速，圓盤零點(diǎn)開始檢測(cè)，當(dāng)達(dá)到零點(diǎn)時(shí)進(jìn)行半徑的切換，在切換過(guò)程中完成線段的劃分。

5.2 伺服參數(shù)系統(tǒng)設(shè)置

在GX Works3軟件中，必須在工程中對(duì)FX5-40SSC-S簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)控制模塊進(jìn)行功能設(shè)置。原點(diǎn)回歸方式選擇：近點(diǎn)DOG型，原點(diǎn)回歸方向?yàn)椋赫较颍ǖ刂吩黾臃较颍?/p>

然后，在軸1中對(duì)軸2進(jìn)行插補(bǔ)設(shè)置，如圖6所示，插補(bǔ)對(duì)象軸為軸2，跑直線時(shí)選擇ABS直線插補(bǔ)，跑圓弧時(shí)選擇INC圓弧插補(bǔ)，插補(bǔ)設(shè)置完成后，可以通過(guò)離線模擬進(jìn)行查看和修正。如圖7所示。

5.3 變頻器參數(shù)設(shè)置

變頻器設(shè)置參數(shù)主要為通信模式修改設(shè)置。參數(shù)設(shè)置表如表1所示。

5.4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)設(shè)置按鈕：回原點(diǎn)Origin按鈕，變頻啟停Start、Stop按鈕，系統(tǒng)開始運(yùn)行START按鈕。輸入框?yàn)椋翰⑵烬R運(yùn)行頻率設(shè)置。顯示框?yàn)椋篈X1軸1位置和AX2軸2位置顯示，變頻器輸出頻率、輸出電流、輸出電壓顯示等。（圖8）

6? 系統(tǒng)整體調(diào)試

系統(tǒng)整體調(diào)試步驟如下：

①回原點(diǎn)：伺服使能上電，回XY軸平臺(tái)原點(diǎn)。②找圓心：伺服使能失電，單獨(dú)啟動(dòng)變頻器驅(qū)動(dòng)圓盤旋轉(zhuǎn)，手動(dòng)下降畫筆，通過(guò)畫圓找到準(zhǔn)確的圓心，記錄此時(shí)的圓心坐標(biāo)輸入程序。③轉(zhuǎn)速運(yùn)算：按設(shè)定頻率啟動(dòng)變頻器，通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器采集高速脈沖，計(jì)算得出減速電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，并實(shí)時(shí)顯示。④測(cè)試效果：按操作步驟測(cè)試后發(fā)現(xiàn)變頻器的最佳運(yùn)行頻率為18Hz。在該運(yùn)行頻率下，雙軸伺服系統(tǒng)的隨動(dòng)運(yùn)行效果最佳。

7? 總結(jié)

本系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)上完全符合控制要求和任務(wù)，實(shí)際運(yùn)行效果好。但也存在一些問(wèn)題，主要是由于電磁鐵帶動(dòng)畫筆部分機(jī)械結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)圓盤平整度有一定偏差，所以開始切入和離開部分有毛刺，拖痕較明顯，繪畫質(zhì)量不十分理想。

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