基于PLC两轴运动控制的示教与再现.pdf

2 0 1 0 年第3 期 控 制 与检 测 文 章 编 号 1 0 012 2 6 5 2 0 1 0 0 30 0 6 50 3 基于 P L C两轴运动控制的示教与再现 孙 承 志 ， 熊 田忠 三江 学 院 电气 与 自动 化工 程学 院 ， 南京 2 1 0 0 1 2 摘 要 提 出 了一 种基 于 西 门子 s 7 2 0 0可编程 控 制 器 P L C实现 两轴 运 动控 制 示 教 与再 现 功 能 的设 计 方 法 。利 用 P L C的 高速 计数 器 的正 交计数模 式 实时记 录编码 器 的运动位 置 信 息 ， 完成 示教 ； 通 过 其 高速脉 冲输 出端输 出高速 脉 冲 ， 控 制 两轴 电机运 转 ， 再 现 预 定 的运 动轨 迹 。 实验 结果表 明 ， 该 设计 结构 简洁 ， 操 作 方便 ， 抗 干扰 能力 强 ， 具有 很 高的 系统 再现精 度 。 关键 词 P L C； 运动控 制 ； 示教 与再 现 ； 高速 计数 器 ； 脉 冲输 出 中图分 类号 T H1 6 5 ； T P 2 4 2 ／ T P 2 7 3 文献标 识码 A Te a c hi ng a nd Pl a yb a c k i n Two Ax i s M o t i o n Co nt r o l Ba s e d o n PLC SUN Ch e n g z h i ，XI ONG T i a n z h o n g C o l l e g e o f El e c t r i c a l A u t o ma t i o n En g i n e e r i n g ，S a n j i a n g Un i v e r s i t y ，Na n j i n g 2 1 0 0 1 2，C h i n a Ab s t r ac t A me t h od t o r e a l i z e t he t e a c hi n g a n d P l a yba c k f un c t i o n i n t wo a x i s mot i o n c on t r o l ba s e d o n S i e - me ns s 7- 2 0 0 PLC wa s pr opo s e d． Th e o r t h og o n a l c o u n t i ng mo d e o f t h e Hi g h S pe e d Co u nt e r o f PLC Wa s u s e d t o r e c o r d t he i nf o r ma t i o n o f po s i t i o n f r o m t he e n c o d e r a n d c o mpl e t e t h e t e a c h i n g ． Two mo t o r s of X a n d Y a x i s we r e c o n t r o l l e d t o pl a yb a c k t h e pr e s e t mo t i o n pa t h t h r o u g h t he t wo pul s e - o u t pu t s o f P LC． Th e e x pe r i me n t r e - s u l t s h o ws t h a t t h e s t r u c t u r e o f t h e d e s i g n i s c o n c i s e ， t h e o p e r a t i o n i s c o n v e ni e n t a n d t he s y s t e m h a s h i g h pr e c i s i o n o f Pl a yb a c k a n d s t r o n g a nt i - d i s t u r ba n c e c a pa c i t y． Ke y wo r d sPLC； mo t i o n c o nt r ol ； t e a c h i ng a n d Pl a y ba c k；h i g h s pe e d c o u n t e r ； pul s e o ut pu t O 引 言 示 教 功 能在 传 统 的焊 接 机 器 人 、 机 械 手 等运 动 控 制 中得 到 了广 泛 的应用 。运 动 控制 系 统通 常 采 用基 于 P C机 编程软 件 ， 通 过 专用 的运 动 控制 卡 实 现 对机 器 人 或 机械 手 的示 教 。 在 许多诸 如 焊接机 器人 、 雕 刻 机等 工 业应 用 场 合 ， 执 行机 构需要 完成 的 曲线 或 曲面 往往 比较复 杂 。按 照 运 动学 与几何 学 规 律 ， 应 该 为 执 行 机 构 所 要 完 成 的 运 动轨 迹选 取合 适 的坐 标 系 j ， 在 该 坐 标 系 下 建 立 轨 迹 的数 学模 型 ， 并采 用 数 学 解 析 方 法 精 确 计 算 出 运 动 轨 迹上 各个 点 的空 间坐标 。然后 将 这 些点 的空 间坐 标值 转换 成 电机 的旋 转 脉 冲 ， 从 而 控 制 机 械 执 行 机 构 依 次 走 完这些 点 ， 完 成 整个 运 动 轨迹 。且 不 说 需 要 计 算 坐 标值 的工 作量 有 多 大 ， 许 多 运 动 轨 迹 的 数 学模 型 也极 难获 得 ； 这 就 给使用 者造 成 了很 大 的麻烦 。 而利用示教 的方法 ， 操作 者就 可 以通过 手 动控制 各 轴电机点动 运 行 ， 使 执行 部 件末 端 运 动 到不 同位 置 ， 记 录下各个 位置 点 的坐标 或者 编码 器 的脉 冲 数 并 存储 下来 ； 然后执 行 编写 的再现 程 序 ， 执行 机 构 就 可 以再现 预定 的运 动轨 迹 ， 这 就是 示 教 。示 教 方法 的应 用大 大简化 了获取 运动轨迹 空 间位置 的步 骤 ， 使得 非 专业人 员 可 以方便地 获取 电机 预完成 的各种 复杂的运动 曲线 。 随着微 电子 、 通 信技 术 的飞速 发 展 ， 可 编 程 控制 器 P L C 以其 可 靠 性 高 、 编 程 灵 活 、 功 能 扩 展 方 便 、 运 算 速 度快 等 特 点 ， 在 运 动 控 制 领 域 正 越 来 越 受 到 重 视 。 西 门子 s 7 ． 2 0 0系 列 P L C具 有 极 高 的 可靠 性 以及 丰 富 的内部 集成 功 能 ， 广 泛应 用 于 工业 及 民用 领 域 中的 检 测 、 控 制 的 自动化 ， 如 冲 压机 床 、 印刷 机 械 、 橡 胶 化 工 机 械 ， 电梯控 制 ， 运动控 制 系统等 。 本 文利 用西 门子 S 7 2 0 0系 列 的 P L C作 为 主 控 部 件 ， 将 增 量式 旋 转 光 电 正 交 编 码 器 脉 冲信 号 接 入 S 7 2 0 0 P L C的高速计数器 ， 通过示教等功能按钮 ， 记录下 示 教路 径 的信 息并 存 储 到 P L C的数 据 块 中 ； 通 过 再 现 程序 ， 控 制 执 行 机 构 完 成 示 教 路 径 的 再 现 ； 通 过 O P C 服 务器 建立 了 Wi n C C与 s 7 2 0 0 P L C的通 信 ， 在 Wi n C C 收稿 日期 2 0 0 9 0 90 9 作者简 介 孙承志 1 9 7 5 一 ， 男 ， 江苏赣榆人 ， 三江学院讲 师， 硕士 ， 研究方 向为 微机测 控及 自动化 、 机 电控 制技术 等， Em a i l s e z n i 1 6 3 l 6 3 C O II I ； 通 讯作者 熊 田忠 1 9 7 6 一 ， 男， 江苏如皋人 ， 三江学院讲师 ， 硕士 ， 研究方向为运动控 制、 自动化 ， Em a i l b e a r t z 1 6 3 ． c o rn。 65 控 制与检测 组合机床与自 动化加工技术 中绘制 出两轴示 教路径 与再现 路径 的实时 曲线 。 l 系统组成 本文所 实现 的示 教与再 现功 能 系统组 成框 图 如 图 1 所 示 。采用 西 门子 S 7 2 0 0系列 的 C P U 2 2 6 D C ／ D C ／ D C P L C作 为 主控 制 器 。该 C P U具 有 4个 最 高 2 0 k H z 的正交 高速脉 冲计 数 器 ， 能 够对 输 入 的 正交 编 码 脉 冲 信 号进行 4分 频 ； 2个 最 高 2 0 k H z的高速 脉 冲输 出 ； 2 4个输 入点和 1 6个输 出点 ； 其 布尔型指 令执行 时 间只 有 0 ． 2 2 1 s 。 。 。 Q O ． S l Y 轴方向控制 续表 名 称 地 址 名 称 地 址 轴 0点 I 2 ． 4 轴脉 冲 Q O ． 0 Y 轴 0点 I 2 ． 5 ， ， 轴脉冲 Q o ． 1 存储 I 】 ． 4 轴方向 Q O ． 4 再现 I 1 ． 5 l ， 轴方向 Q O ． 5 复 位 I 1 ． O 2 控 制软件设计 P L C主程 序包括 了初始 化 、 点 动、 存 储 、 再 现 、 复位 等功 能 ， 主 程序流程 图如 图 2所示 。 一 Q O 1 ／ P T O 1 德 j ] 厂 一 j J数 字 输 出 J高 速 脉 冲输 出 ． J。 三 i 兰 竺 卜十] 1 s7 2 0 0 P L C l l J L 二 。’二 二 二 二 ．f 堡 ． 亳嚣j 蹦 丽 暖 扯 汪 I 示教I 存储 I 复位l 再 图 1 系统 组 成 框 图 脉冲输 出端 Q 0 ． 0 、 Q O ． 1分别 接 、 l ， 轴 伺 服 电机 脉 冲输 入 口 ； 数 字输 出端 Q 0 ． 4 、 Q O ． 5分 别 用 作两 电机 方 向控 制信 号 ； 、 Y轴 电机 的编码 器 分别 接 到 P L C高 速计 数器 HS C 1和 H S C 2相 应 接 口， 用 以检 测 当前 位 置 ； 系统还 设置 了 轴正 向、 轴 负 向 、 王 ， 轴 正 向 、 y轴 负 向 4个点 动按 钮 ， 按 下记 录 当前 电机 的位 置信 息 ； 按 下再现 按钮 ， P L C通 过 执行 再 现 程序 ， 以 P T O 脉 冲串 输 出 方 式输 出 占空 比 5 0 ％ 的高 速 脉 冲 ， 辅 以方 向 信 号控制 、 l ， 轴 电机旋 转 ， 使执 行 机 构拟 合 预定 的运 动 轨迹 ； 复位 和原点 检测 信 号 接入 P L C相 应 的数 字输 入 端 ， 能够使 系统在必 要 的时候复位 或 回归 原点 。 另外安 装 有 S T E P 7 Mi c r o ／ WI N V 4 ． 0的 P C机 通 过 P P I 协议进 行 P L C程序 的下载 、 调试 ； 通 过访 问西 门 子 的 O P C服 务 器 P C A c c e s s ， 上 位 机 监 控 软 件 Wi n C C 能够及 时读取 P L C数 据块 中运 动轨 迹 的 位置 信息 ， 并 存 储为 X ML文 件 ； 通 过 Wi n C C来 绘制 X、 Y轴 实 时运 动曲线 。 位置传感 器 采用 集 电极 开路 输 出 的 2 5 0 0线 增 量 式旋转 正交光 电编 码 器 ， 经 高 速计 数 器 四倍 频 后 每 圈 得 1 0 0 0 0个 脉冲 ， 因此 电机旋 转精 度可 以达 到 0 ． 0 3 6 。 ／ Pu l s e。 根据 系统设计 的功 能 ， 该 系统 的输 入／ 输 出地址 分 配如 表 1 所示 。 表 1 输入／ 输出地址分配表 名 称 地 址 名 称 地 址 正点动 I 2 ． 0 轴 A相 l O ． 6 负点动 I 2 ． 1 轴 B相 I O ． 7 y正点动 I 2 ． 2 ， 轴 A相 I 1 2 Y负点动 I 2 ． 3 Y轴 B相 I 1 ． 3 6 6 初始化子程序 中主要完成高速计数 器 H S C I 、 H S C 2的配置及开启 ， 高速计数 器均工作在模式 9 、 4倍频方式； 存储位置 点 数 的计 数器 c l和相 应存 储 单 元 清零 ； 将存 储单元 V B 5 0 0首 地址 存 放 于一 个双 字单 元 V D1 0 2 4中等操 作 。 点 动子 程序 将 根 据 相 应输 入 按 钮 进 行 x轴 或 Y轴伺 服 电机 的 正 、 反 向 慢速 点 动 运 行 ， 主 要为 了手动 找原点 和示教 之用 。而且 ， 在 点动 的时 候 ， 当有复位 按钮按 下时 ， 可 以立 即执行该 系统复 位功能 。 图 2主 程 序 流 程 图 存储 子程序 中完成计 数器 C 1自加 1 后 ， 将 高速计 数器 HC 1和 HC 2记录的编码器当前值 长整型 存入 C 1 8十V D 1 0 2 4 和 C 1 8V D1 0 2 44 为地址 的 V 区 。 由点动子程 序和存 储子程 序 为主构 成 了本 系统 的 示教 功能 程序 。 复位子 程序 完成类 似初始化 的操作 。 再现 子程 序 首先 重新 复 位并 开启 高 速 计数 器 H S C 1 和 H S C 2 ， 使能 P T O 0和 P T O 1中断 对应 中断事 件号为 1 9 、 2 0 ， 将 与 再 现 相 关 的 一些 存 储 区清 零 ， 存 储 点 的个数 最 后 的存储 次 数 c 1 存 放 在 一个 整 型 变 量 V w7 8中 ； 为 了能 首 次进 入 P T O 0或 P T O 1中 断 ， 程 序特意安排 P T O 0或 P T O 1输 出 0脉 冲操作。调用输 2 0 1 0 年第3 期 控制与检测 出 0脉 冲子 程 序 ， x轴 走 完 0脉 冲 即 Q 0 ． 0发 0个 脉 冲 即 产 生 首 次 中 断 。V W4 8 l存 储 的 为 脉 冲 周 期 数 单 位 s ， V D 4 8 5存 储 的为脉 冲 数 。采用 连 续 脉 冲 串 输 出方式 ， 程 序如下 ／ ／ 设 置 控 制 字 和 中断 LD S M0． 0 MO V B 1 6 A 5 ，S M B 6 7／ ／ 设置 P T O 0的工作 方式 连续 脉冲输出 ， 时基微秒 M OVW 48 0， S M W 1 6 8 ／ ／ 设 置段数 和段 1的数据 LD S M0． 0 MOVB 1，VB48 0 MO V W V W7 6 ， V W4 8 l ／ ／ 存储周期数 MOVW 0，VW4 8 3 ／ ／ 本 步 走 0个 脉 冲 ， 以产 生 中断 M OVD 0， VD48 5 P L S 0／ ／ 启 动 P T O 0 P T O 0或 P T O 1中断 子 程 序 是 整 个 软 件 控 制 的 关 键 ， 该 中断子 程序 流程 图如 图 3所示 。 图 3 P TO0 ／ PTO1中 断 子 程 序 流 程 图 判断 另一 P T O中断标 志是 否 置 位 ， 保 证 了只 有 当 前步 走完 后才 进 行 下 一 步 的操 作 。 当前 步 走 完 后 ， 程 序判 断 当前 位 置 与理 论 位 置 的偏 差 值 ， 并在 当前 步按 照一 定 的误 差 范同 本系统 采用 正 负 5个 脉 冲 进 行 补 偿 。下一 步两轴 的脉 冲数 的计 算 ， 需要 根据 下 一 步 坐 标与 本步 坐标 的差值 和脉 冲当量 来 确定 。下一 步 两轴 频率／ 周期 分 配 ， 可 根 据 给定 的合 成 速度／ 周 期 值 与下 一 步 、 y所 走 步数 ， 按 照勾 股定 理进 行分 配 ， 保证 两 轴 协调 动作几 乎 同 时到 达 下 一 目标 点 ， 即从 当前 点 到 下 一 点走 直线 。两 轴到 达终 点后 ， P T O 0 、 P T O 1中断分离 ， 不再走 步 。走步 子 程 序 和 上 述 0脉 冲子 程 序 类 似 ， 将 两轴 的 脉 冲周 期 和 脉 冲 数 填 人 相 应 位 置 ， 最 后 调 用 P L S程序块 ， 开 启 Q O ． o和 Q 0 ． 1 高 速脉 冲 即可 。 3 实 验 验 证 、y电 机 所走 的 位 置 可 以通 过 高 速 脉 冲 计 数 器 H S C l 、 H S C 2获得 ， 并通 过 Wi n C C实 时 的显示 出来 。由 于 Wi n C C没有 提 供直接 与 s 7 2 0 0系列 P L C连 接驱 动 ， 系统使 用 O P C服务 器 P C A c c e s s 通 过 P P I 协 议 与 S 7 ． 2 0 0连 接 ， 将 x、 Y 轴 的 位 置 信 息 及 时 存 储 下 来 ； 而 Wi n C C作 为 O P C的客 户端 通 过 访 问 P C A c c e s 来 读 取 x、 Y轴 的位置信息 ， 并 由在线趋势控件描绘 出 x、 Y轴 的运动 轨迹 。 实 验 曲线如 图 4所 示 。图 中横 轴 为 X 轴 ， 纵 轴 为 Y轴 ， 单 位 均为 脉 冲数 。淡 色 线 为示 教 路 径 ， 从 原 点 出 发 ， 依次 到 坐 标 1 0 0 0 0 ， 2 0 0 0 0 、 3 0 0 0 0 ， 2 0 0 0 0 、 3 0 0 0 0， 3 0 0 0 0 、 6 0 0 0 0 ， 7 0 0 0 0 走 四段 直 线 ， 再 走 以 8 0 0 0 0 ， 7 0 0 0 0 为 圆 心 ， 终 点 坐 标 为 8 0 0 0 0 ， 9 0 0 0 0 的一段 四分之 一 圆弧 ， 该 圆 弧共 有 4 0个 点 ； 最 后 再 到坐标 9 0 0 0 0 ， 8 0 0 0 0 、 8 0 0 0 0， 6 0 0 0 0 走 两段 直 线 。深色 线部 分 为运 动再 现所 走 路 径 曲线 ， 与示 教 路 径 曲线基 本 吻合 。 一一 ／／ ／ ／ o 1 1 7 6 5 2 3 5 2 9 3 5 2 9 4 4 7 o 5 9 5 8 8 2 4 7 U 5 8 8 8 2 3 5 3 9 4 1 1 8 图 4实 验 曲 线 4 结束 语 利用 s 7 ． 2 0 0 P L C 的高 速 计 数 器 和 高 速 脉 冲 输 出 实 现 了两轴 运 动控 制 示 教 与 再 现 功 能 ， 系统 具 有 体 积 小 、 抗 干扰 能力 强 、 功 能 扩 展 方 便 等 特 点 ； 如 果 示 教 的 位 置点 足够 多 ， 两 点 间距离 足 够小 ， 则 系统 能 够达 到 一 定再 现精 度 的要求 ； 通 过硬 件扩 展 ， 目前 的两 轴可 以拓 展 为多 轴 。该 设 计 方 法 可 以应 用 在 焊 接 机 器人 、 雕 刻 机 等需要 轮廓 控制 的运 动控 制场 合 。 [ 参考文献] [ 1 ]时 国平 ， 刘 赣伟．工业机器人示教盒 系统的设计 [ J ] ．兵工 自动 化 ， 2 0 0 6， 2 5 6 4 95 0 ． [ 2 ]伍臻 ， 王虎符 ， 崔兴强．基于运动学的焊接机器人示 教方法 研究 [ J ] ．现代制造工程 ， 2 0 0 5 5 1 2 9 1 3 0 ． f 3 ]魏应展．示教 数控 系统 在涂 胶机 上的应 用 [ J ] ．机床 与液 压 ， 2 0 0 3 3 2 5 62 5 7， 1 9 9 ． 『 4 1张连新 ， 高洪明 ， 吴林 ， 等 ．弧 焊机 器人示 教编 程器 的设 计 [ J ] ．焊接 学报 ， 2 0 0 6 ， 2 7 8 1 0 41 0 7 ． 【 5 ]曹传生 ， 曾文火 ， 卫庆 军 ， 等．P L C在永磁 无刷 直流 电机伺 服系统 中的应用 [ J ] ．电气传动 ， 2 0 0 8 ， 3 8 6 3 43 6 ． [ 6 ]西门子 自动化与驱动集 团．s 7 - 2 0 0可编程控制器编 程手册 [ M] ． 2 0 0 4 6 ． 编辑李秀敏