基于CJ系列PLC多轴伺服控制系统设计.pdf

２０１５ 年 １０ 月 第 ４３ 卷 第 ２０ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｏｃｔ􀆱 ２０１５ Ｖｏｌ􀆱 ４３ Ｎｏ􀆱 ２０ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１５􀆱 ２０􀆱 ００３ 收稿日期 ２０１４－０８－３１ 作者简介 徐峰 （１９７０）， 男， 硕士研究生， 主要研究方向为工业控制和网络控制。 Ｅ－ｍａｉｌ ｎｕａａ＿ｘｆｘｆ＠ １６３􀆱 ｃｏｍ。 基于 ＣＪ 系列 ＰＬＣ 多轴伺服控制系统设计 徐峰， 邓黎萍 （中航精机科技有限公司， 湖北襄阳 ４４１００３） 摘要 以 ＣＪ 系列 ＰＬＣ 和定位模块为控制核心， 采用安川伺服电机， 设计了 １８ 轴安川伺服控制系统， 讨论了系统硬件 设计， 介绍了系统地址分配和数据传输、 ＮＣ４３４ 和伺服控制器的接线图和伺服参数设置、 相关 ＰＬＣ 程序、 运动中响应偏差 处理。 系统运行结果证明 该系统稳定、 精度高， 有良好的应用价值。 关键词 ＰＬＣ； 伺服控制； 定位模块； 响应偏差； 准同步 中图分类号 ＴＰ２７３ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１５） ２０－００７－３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｕｌｔｉ⁃ａｘｉｓ Ｓｅｒｖｏ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＪ Ｓｅｒｉｓｅ ＰＬＣ ＸＵ Ｆｅｎｇ， ＤＥＮＧ Ｌｉｐｉｎｇ （Ｃｈｉｎａ Ａｖｉａｔｉｏｎ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｘｉａｎｇｙａｎｇ Ｈｕｂｅｉ ４４１００３， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ＣＪ ｓｅｒｉｅｓ ＰＬＣ ａｎｄ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｅｉｇｈｔｅｅｎ ｓｅｒｖｏ ｍｏｔｏｒｓ ｏｆ Ｙａｓｋａｖａ． Ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｘｔｓ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ａｄｄｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ， ｔｈｅ ｗｉｒｅ ｍａｐｓ ｆｒｏｍ ＮＣ４３４ ｔｏ ｓｅｒｖｏ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ， ｓｅｒｖｏ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｓｅｔｔｉｎｇ， ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ＰＬＣ ｐｒｏｇｒａｍ， ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｂｉａｓ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍｓ ｒｕｎｎｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｖａｌｕｅ ｉｎ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ⁃ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ＰＬＣ； Ｓｅｒｖｏ ｃｏｎｔｒｏｌ； Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ； Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｂｉａｓ； Ｐｌｅｓｉｏｃｈｒｏｎｏｕｓ 现代工业对运动控制的要求越来越高， 因而高精 度电气系统和高性能自动控制系统应运而生。 不同公 司的产品有各自不同的优势， 根据实际项目的需要， 选择了安川 电机、 欧 姆龙 ＣＪ 系 列 ＰＬＣ、 欧 姆 龙 ＮＣ４３４ 定位模块等集成 １８ 轴伺服控制系统， 将 ＰＬＣ 技术、 伺服控制的的优势有机结合起来， 使运动性能 达到更好的水平。 在由人工操作逐渐转向全自动化生 产的今天， 多轴伺服的应用将越来越重要， 因此该项 目有良好的应用价值。 １ 伺服控制系统的硬件设计 １􀆱 １ 控制方案的硬件选择 项目采用高性能 ＣＰＵ＋定位模块＋模拟量伺服控 制器进行运动控制。 该方案在系统的响应和伺服运动 控制的灵活性、 方便性、 同步等方面不如专用控制 器， 但一次性成本较低， 适合定位间隔频率和同步性 要求一般的场合。 对定位间隔频率和同步性要求较高 的场合， 还需使用专用控制器。 项目要求的控制轴数 多， 定位间隔时间为几百毫秒， 同步要求不高， 采用 该方案可以满足项目的需要， 性价比较高。 与专用控制器相比， 该方案电机选型的灵活性较 好， 可选择自己需要的电机， 不限厂家。 在项目中， 根据实际的需要， 选择安川电机作为执行电机。 在定位模块中， 欧姆龙的 ＮＣ 系列可适应其他公 司的伺服控制器， 选择 ＮＣ４３４ 作为定位模块。 １􀆱 ２ 基于 ＣＪ 系列 ＰＬＣ 的多轴伺服系统的组成 系统主要由电源模块、 高性能 ＣＰＵ、 Ｉ／ Ｏ 模块、 定位模块、 安川伺服控制器和安川 ＳＧＭＧＶ⁃２０ＡＤＣ６ 中惯量交流伺服电机等组成。 １ 个定位模块控制 ４ 个 伺服控制器， 用 ５ 个定位模块控制 １８ 个伺服控制器 和电机， 实现 １８ 个轴的精确定位， 并实现多个电机 的同时工作和同时停止。 系统采用 ＯＭＲＯＮ ＮＢ７Ｗ 触 摸屏实现对伺服系统的实时监控。 其整体结构如图 １ 所示。 ＣＪ１Ｗ⁃ＰＡ２０５Ｒ 电源模块。 用于给机架上安装的 模块提供电源。 ＣＪ２Ｈ 高性能 ＣＰＵ。 它为系统控制的核心， 负责 管理 Ｉ／ Ｏ 端口、 负责与定位模块进行信息交互。 ＣＪ１Ｗ⁃ＮＣ４３４ 定位模块。 负责通过伺服控制器控 制伺服电机， 执行 ＣＪ２Ｈ 发出的命令， 提供伺服电机 的运动信息。 ＮＣ４３４ 与安川伺服控制器无专用电缆连 接， 此项目中采用 ５０ 芯排线解决连接的问题。 ＣＪ１Ｗ⁃ＩＤ２６１ 输入模块 （Ｉ／ Ｏ 模块）。 将运动控制 相关信号输入给 ＰＬＣ。 ＣＪ１Ｗ⁃ＯＣ２１１ 输出模块 （Ｉ／ Ｏ 模块）。 ＰＬＣ 将运 动相关信号发送给定位模块和伺服控制器。 ＮＢ７Ｗ 欧姆龙人机界面。 图 １ ＣＮ４３４ 和伺服控制器接线图 １􀆱 ３ 软件平台 需要用到的相关软件平台 ＣＸ⁃ＯＮＥ４􀆱 ２， 用于识 别定位模块和输入输出模块、 编写 ＰＬＣ 程序； Ｓｉｇ⁃ ｍａｗｉｎ＋是安川伺服控制器的配置和监测软件； ＮＢ⁃Ｄｅ⁃ ｓｉｇｎｅｒ 是欧姆龙人机界面设计软件。 ２ 系统的地址分配及接线图 ＣＪ 系列 ＰＬＣ 模块通过机架连接， 一个机架可安 装模块的数量和模块的类型有关， 如可安装 ５ 个 ＮＣ４３４， 或 １０ 个 ＯＣ２１１。 按顺序将模块连接好后， 模块地址就已经确定。 通过 ＣＸ⁃ＯＮＥ４􀆱 ２ 软件， 当 ＰＬＣ 处于 “在线编辑状态”， 进入 “Ｉ／ Ｏ 表和单元设 置”， ＣＰＵ 就可识别和初始化所有的 ＰＬＣ 模块， 其中 包括 ＮＣ４３４ 模块， 并可看到模块的地址。 通过这一 步骤亦可检查模块的连接情况。 ＣＪ 系列 ＣＰＵ 不直接参与具体的伺服控制， 只是 发送位置控制所需要的参数， 如移动的位移量、 移动 的速度、 运行哪个轴、 停止哪个轴等， 具体的执行由 ＮＣ４３４ 和伺服驱动器完成。 ＮＣ４３４ 根据 ＣＪ２Ｈ 发出的命令， 通过设置好的 ＮＣ４３４ 参数表， 计算和监测相关的 Ｉ／ Ｏ 或伺服驱动器 的反馈参数， 控制伺服控制器完成命令操作。 ＮＣ４３４ 可同时控制 ４ 个伺服驱动器， 实现 ４ 个轴 的定位控制。 ＣＪ２Ｈ 可通过 ＮＣ４３４ 的控制字发出命令 和读取伺服轴的状态， 如启动伺服 ＯＮ、 读取伺服轴 的当前位置、 伺服错误等信息。 其控制字均有明确的 地址， 读写操作没有特殊的地方。 ＮＣ４３４ 与伺服控制器的接线图如图 １ 所示。 ３ 系统软件设计 ３􀆱 １ 伺服参数的设置 安川伺服参数可通过 Ｓｉｇｍａｗｉｎ＋软件方便地设置、 读取、 下载。 （１） 伺服控制器可分别用于位置控制、 速度控 制、 转矩控制。 此项目中伺服电机用于精确定位， 因 此采用位置控制模式。 （２） 根据伺服控制器和 ＰＬＣ 交互的输入输出信 号的连接方法， 确定输入输出参数的设置。 （３） 根据定位精度确定电子齿轮比和反馈脉 冲数。 ３􀆱 ２ ＮＣ４３４ 参数设置 首先为参数表设定存储地址， 然后进入参数表中 设置参数。 参数设置包括极限开关、 接近原点开关的 类型、 原点搜索模式、 定位精度相关参数、 同步停止 参数、 错误报警功能参数等。 其中在错误报警功能参 数中可设置速度偏差报警和位移偏差报警， 该项功能 可用于实现多个伺服的准同步。 参数表设置见图 ２３。 ８机床与液压第 ４３ 卷 图 ２ 参数配置 （一） 图 ３ 参数配置 （二） ３􀆱 ３ ＰＬＣ 程序设计 伺服控制是通过控制 ＮＣ４３４ 达成的。 ＣＪ 系列 ＣＰＵ 在程序设计中实现伺服控制一般有两种方法 一种是通过设置 ＮＣ４３４ 的控制字地址的方式实现； 另一种是通过 ＯＭＲＯＮ 提供的功能块实现。 在项目中 直接采用第 ２ 种方式， 节约了开发周期。 （１） 程序的功能 程序具备伺服故障检测功能、 伺服复位功能、 伺 服停止功能、 伺服调试功能、 伺服自动运行功能、 伺 服手动运行功能、 伺服电机位置显示功能等。 考虑到 同步要求不高， 直接采用单机控制的方式， 通过检测 单机到位完成信号， 统一各个电机的步调， 同时进入 下一个运转步骤。 当检测到某一伺服故障信号后， 向 所有电机发送停止信号， 实现其余电机的同步停止。 （２） 程序的设计 采用图 ４ 实现伺服控制程序设计。 程序设计主要 实现伺服回原点； 伺服回机械原点； 单台伺服调试， 确定工作的位置； 伺服的手、 自动运行； 伺服的故障 处理， 即出现伺服故障后取消所有的动作， 并使所有 伺服停止； 复位伺服故障信号， 当伺服故障取消后， 需重新寻原点以及回到机械原点， 然后进行调试， 手、 自动等操作。 图 ４ 程序框图 ４ 人机界面设计 ＯＭＲＯＮ 的 ＮＢ７Ｗ 系列的触摸屏通过 ＮＢ⁃Ｄｅｓｉｇｎｅｒ 软件进行设计。 根据设计要求， 将调试伺服显示画面 （下转第 １２ 页） ９第 ２０ 期徐峰 等 基于 ＣＪ 系列 ＰＬＣ 多轴伺服控制系统设计 图 ６ 外齿轮接触应力云图 图 ７ 内齿圈弯曲应力云图 图 ８ 外齿轮弯曲应力云图 ３ 结束语 鉴于盘型铣刀的加工优点， 针对弧形齿万向轴的 外齿轮建立盘型铣刀包络法加工数学模型。 用盘型铣 刀包络法加工弧形齿万向轴外齿， 具有较高的表面质 量、 加工精度、 较小刀具干涉等许多优点。 建立螺杆 钻具弧形齿万向轴的压扭力学模型， 根据有限元理论 进行强度分析， 结果显示 弧形齿万向轴具有较高的 接触强度和抗弯矩强度， 客观上验证了弧形齿万向轴 具有较高的承载能力和啮合强度。 参考文献 ［１］ 周铁芳，阳东升，刘励慎，等．ＹＬ⁃５４ 型液动螺杆钻具及 其应用［Ｊ］．石油机械，２００８（１）１－３． ［２］ 于连江，陈国良．５ＬＺＺ４４ 型螺杆钻具［Ｊ］．石油矿场机 械，１９９４（５）５５－５７． ［３］ 王强，夏秀文．螺杆钻具新型万向轴的结构设计［Ｊ］．石 油机械，２００３（３７）４９－５１． ［４］ 孙太利．蜗杆钻具球齿式万向轴［Ｊ］．石油矿场机械， ２００７（１１）５８－６０． ［５］ 臧勇，崔超．弧形齿联轴器轮齿载荷分布研究［Ｊ］．钢铁， ２０００（８）５１－５５． （上接第 ９ 页） 布置如图 ５ 所示 “伺服调试准备完成” 表示寻原点 完成； “伺服复位完成” 表示回机械原点完成； “手 动复位完成” 表示在手动状态下， 伺服回机械原点 完成； “调试设置” 用于确定伺服运行的速度、 上升 加速度、 下降加速度、 移动的位移；“调试横向”、 “调试纵向” 用于根据运动方向确定伺服运行。 图 ５ 调试伺服显示画面 将画面按钮和指示灯等元件设置为其在 ＰＬＣ 中 的地址后， 下载到触摸屏中， 人机界面编程即完成了。 ５ 结束语 采用 ＣＪ 系列位置控制模块＋安川伺服控制的方 式控制多台电机的准同步运行， 该系统目前已在汽车 行业中应用， 实践证明该系统搭建方便可靠， 性价比 高、 定位精度高， 符合生产工艺的要求。 在实际应用 中， 通过人机界面， 可方便设置位移、 上升加速度、 下降加速度、 速度等参数。 参考文献 ［１］ 张建刚，郑萍，张浩亮，等．基于 Ｑ 系列 ＰＬＣ 的三维伺服 控制系统设计［Ｊ］．机床与液压，２０１０，３８（２２）１１２－１１５． ［２］ 陈上挺，钱晓耀，孙崎岖，等．基于 ＰＬＣ 的伺服控制系统 在密封垫圈绕制系统中的应用［Ｊ］．机床与液压，２００８， ３６（７）３４１－３４３． ［３］ 台广锋，潘设卫，廖波兰．基于欧姆龙 ＰＬＣ 控制的伺服控 制系统的研究［Ｊ］．城市建设理论研究，２０１４（８）． ［４］ 安川电机株式会社．ＡＣ 伺服驱动器∑－Ｖ 系列用户手册 设计维护篇 模拟量电压脉冲序列指令型／ 直线驱 动器［Ｍ］，２０１０． ［５］ 安川电机株式会社．ＡＣ 伺服驱动器∑－Ｖ 系列综合样本 ［Ｚ］，２０１１． ［６］ 欧姆龙株式会社．ＳＹＳＭＡＣ ＣＪ 系列 ＣＪ２ ＣＰＵ 单元硬件操 作手册［Ｍ］，２０１０． ［７］ 欧姆龙株式会社．ＳＹＳＭＡＣ ＣＪ１Ｗ⁃ＮＣ２１４／ ＮＣ２３４／ ＮＣ４１４／ ＮＣ４３４ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔｓ ＯＰＥＲＡＴＩＯＮ ＭＡＮＵＡＬ［Ｍ］， ２００５． ［８］ 欧姆龙株式会社．ＮＢ 系列可编程终端 ＮＢ⁃Ｄｅｓｉｇｎｅｒ 用户 手册［Ｍ］，２０１１． ２１机床与液压第 ４３ 卷