基于PLC的X-Y 数控工作台控制系统设计

0 前言

　　X-Y 工作台运动控制设备的硬件部分是比较成熟的产品，当中很多零部件都是标准件。目前市场上流行的产品绝大多数是使用单片机作为控制核心的，使用PLC 作为控制核心的还很少。但在一些老工厂的普通机床数控改造时，以PLC 作为控制核心相对来说更简单。本文提出的X-Y 数控工作台控制系统， 采用三菱公司的FX2n-48MR 主机以及扩展模块FX2n-32ET 作控制核心，PLC 主机通过RS422 口与计算机通讯。设计目标为该系统控制下的工作台工作稳定可靠，系统的分辨率为0.01 mm，工作台的最大移动速度为3m/s，而且工作台具有手动和自动功能。

1 总体方案的确定

　　PLC 输出低电压、低电流的信号不能实现对步进电机的驱动，需要进行功率放大，再者，PLC 生成的脉冲要完成驱动步进电机必须要有环形脉冲分配，而这些功能可以用步进驱动器来实现。因此确定总体方案如图1 所示。

2 控制系统硬件设计

　　编写好的控制程序可以通过计算机或编程器经通信电缆写入到PLC 主机， PLC 主机产生高频脉冲信号经过步进电机驱动器输入到电机。本系统的控制电路如图2 所示。

　　考虑到本控制系统要求多输入点的特点，采用三菱公司的FX2n-48MR 可编程序控制器， 通过连接一个FX2n-32ET 扩展模块一起使用，可以很好地满足系统的要求。本文所选用的步进电机是57HS13，步进驱动器是M535，并且选择30 V 的直流电源对驱动器供电，具体接线如图3 所示。

因为本系统所使用的步进驱动器M535 只有A+、A-、B+和B-共4 个输出端，但步进电机57HS13是8 线的步进电机，必须进行串联或并联接线以扩充输出端。具体接线方法如下：

　　串联：A+接(A+); C+接(A-); B+接(B+);D+接(B-);A-、C-相接并悬空; B-、D-相接并悬空;

　　并联：A+、C-接(A+); A-、C+接(A-); B+、D-接(B+); B-、D+接(B-)。

　　说明：“( )”里代表的是步进驱动器M535 的接口。具体接线如图4 所示。

3 控制系统软件的设计

　　模块化编程方法是根据控制要求把PLC 编程需要完成的控制任务划分为几个较小功能块，然后对每个功能块分别进行编程，这样各模块之间相对独立、功能单一，具有清晰的结构，大大降低了难度，避免重复劳动，同时获得较高的程序质量。

　　本控制系统的软件模块主要分为：键盘指令的输入模块、点动模块(连续点动和距离点动)、点定位模块、直线插补模块、圆弧插补模块、系统停止模块、系统提示模块。

　　(1)这个模块主要是使用“TKY”十键键盘输入功能，使用“输入”键调用“ZRST”功能对各辅助继电器复位，以实现这个模块的循环扫描。

　　(2)点动模块使用“PLSY”指令完成整批脉冲的输出，当寄存脉冲总数的寄存器数值为“0”时，就实现连续点动，当寄存脉冲总数的寄存器数值为正数时，工作台走完指定的步数就会自动停下，实现距离点动。

　　(3)点定位模块使用“PLSY”指令完成整批脉冲的输出， 寄存脉冲总数的寄存器数值分别为“X”、“Y”的坐标值，而点定位的方向由“+X”、“-X”、“+Y”、“-Y”按钮决定方向信号的输出。

　　(4)直线插补程序是本系统设计的重点和难点，PLC 的功能强项是开关的动作控制， 对轨迹控制功能相对较弱。与点定位模块不一样的是，点定位只要求走到规定的点就可以了， 但直线插补要求中间过程一定要走直线，所以这2 种算法有区别。直线插补程序不可以使用“PLSY”指令完成。因此本系统采用了逐点比较进行编程。程序每运算1 次，输出1 个脉冲，直到走到规定点才停止。程序总使用“CMP”指令完成走“X”、“Y”方向的判断，通过“PLS”指令输出一个脉冲， 然后还要对一些过程量进行运算。

　　再使用“CMP”对终点的判断。本系统较创新的地方是使用1ms 的定时器完成速度控制，这样输出的速度可以上到1 000 Hz。还有用2 个辅助继电器，完成程序的工作和停止， 使程序可以输出连续的脉冲。

　　(5)圆弧插补程序编程原理和直线插补基本一样，但圆弧插补算法所使用的坐标系和使用的G 代码坐标系是不同的。这样，本系统就要设计一个坐标转换程序，然后才进入正式的圆弧插补程序。

　　(6)系统硬件部分设有几个限位开关，当某方向限位开关按下，该方向的运动停止工作，但其他方向不受影响。系统设有总停止开关，该开关按下，整个系统停止工作。

　　(7)系统设有7 个LED，当限位开关按下，该方向的提示灯就会提示。还有自动功能提示，正常运行提示和停止提示。

　　本系统使用数据线SC-09 将计算机或者编程器连接，把PLC 主机打到RUN 状态，然后就可以使用编程软件MELSEC-FFX 进行写入。其步骤是：PLC(菜单栏)-传送-写出-范围设定(输入程序所占的范围)-确认。

4 结语

　　本文描述了一种利用PLC 作为控制核心，PLC生成的脉冲通过环形脉冲分配以及步进驱动器驱动步进电机，带动滚珠丝杠转动，从而控制工作台按照预定的线路移动。实验验证，本系统控制下的工作台能够实现手动连续点动、手动距离点动、手动停止以及自动点定位、直线插补、圆弧插补和自动停止等功能。工作台的定位精度达到0.012 mm,最大速度能达到2.96 m/s。

　　本文成功地设计出以PLC 作为控制核心的数控工作台控制系统，并且在实验室里通过实验验证了其可行性和正确性，为许多老企业传统机床的数控改造提供了参考，同时，也可利用本系统开发出的有创新性和综合性的计算机运动控制的教学实验，使学生能够更加深入地了解PLC 的性能以及使用方法。