SMC6400運(yùn)動(dòng)控制器在繞線(xiàn)機(jī)上的應(yīng)用

      因PLC工作可靠、編程方便，目前中、小型PLC已廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化設(shè)備中。但PLC要實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)等復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，則代價(jià)很高。為此，雷賽公司開(kāi)發(fā)了SMC6400獨(dú)立式運(yùn)動(dòng)控制器，將運(yùn)動(dòng)控制卡優(yōu)良的運(yùn)動(dòng)控制功能與PLC穩(wěn)定可靠的工作性能、簡(jiǎn)單的編程方式有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。自動(dòng)化設(shè)備研發(fā)工程師不需要掌握復(fù)雜的VB、VC軟件，只用簡(jiǎn)單的G代碼就可以開(kāi)發(fā)出動(dòng)作復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

下面以一種6軸全自動(dòng)繞線(xiàn)機(jī)的控制系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹SMC6400獨(dú)立式運(yùn)動(dòng)控制器的特點(diǎn)及應(yīng)用方法。

1. SMC6400控制器的特點(diǎn)

l        以32位RISC為核心，可控制4軸步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)，完成各種復(fù)雜的單軸、多軸運(yùn)動(dòng)；

l        各軸最高脈沖輸出頻率可達(dá)8MHz；

l        多達(dá)28路輸入28路輸出的通用I/O口；

l        采用ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)G代碼編程，易學(xué)易用；

l        G代碼支持2~4軸直線(xiàn)插補(bǔ)、2軸圓弧插補(bǔ)、3軸螺旋插補(bǔ)，多任務(wù)、子程序、條件控制、循環(huán)控制、變量運(yùn)算等功能；

l        控制器上可存貯16個(gè)程序，程序切換方便；G代碼程序最長(zhǎng)可達(dá)5000行。

2. 六軸全自動(dòng)繞線(xiàn)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

某公司新近開(kāi)發(fā)的一款特種電機(jī)線(xiàn)圈全自動(dòng)繞線(xiàn)機(jī)的外形如圖1所示。由于在整個(gè)繞線(xiàn)過(guò)程中，有大量的直線(xiàn)插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，若選用帶有插補(bǔ)功能的PLC，則成本高昂，且程序開(kāi)發(fā)比較復(fù)雜。故選用SMC6400運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)彌補(bǔ)PLC的不足。

該設(shè)備在一個(gè)工作周期內(nèi)，機(jī)器主要完成絞線(xiàn)與繞線(xiàn)兩部分動(dòng)作。為了便于調(diào)試與操作，客戶(hù)要求絞線(xiàn)與繞線(xiàn)兩部分動(dòng)作必須分開(kāi)控制。

圖1  六軸全自動(dòng)繞線(xiàn)機(jī)外形

      繞線(xiàn)部分有四個(gè)軸。X、Y、Z三軸正好在左右、上下及前后三個(gè)方向構(gòu)成一個(gè)空間直角坐標(biāo)系，分別由三個(gè)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿使導(dǎo)針實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)插補(bǔ)或螺旋插補(bǔ)軌跡。U軸為旋轉(zhuǎn)軸，即繞線(xiàn)軸，繞線(xiàn)時(shí)與排線(xiàn)軸（即前后運(yùn)動(dòng)的Z軸）作直線(xiàn)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。而絞線(xiàn)部分只有兩個(gè)軸，且動(dòng)作比較簡(jiǎn)單，故選用一款普通的小型PLC即可。該設(shè)備的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

  
                            圖2  六軸全自動(dòng)繞線(xiàn)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

      圖2中的各軸專(zhuān)用數(shù)字輸入信號(hào)包括：原點(diǎn)、限位、伺服報(bào)警、位置完成等信號(hào)；各軸專(zhuān)用數(shù)字輸出信號(hào)包括：電機(jī)脈沖及方向信號(hào)，伺服使能、報(bào)警清除等信號(hào)。通用數(shù)字輸入信號(hào)包括：?jiǎn)?dòng)、停止、復(fù)位按鈕、急停開(kāi)關(guān)；氣缸位置傳感器信號(hào)、PLC給出的絞線(xiàn)完成信號(hào)。通用數(shù)字輸出信號(hào)包括：發(fā)給PLC的絞線(xiàn)啟動(dòng)信號(hào)、電磁閥開(kāi)關(guān)信號(hào)等。

3. G代碼編程

3.1  繪制流程圖、時(shí)序圖

      為了使編程思路更加清晰明了，在編寫(xiě)程序之前，根據(jù)繞線(xiàn)機(jī)工作流程及控制要求，繪制流程圖與時(shí)序圖，如圖3、圖4所示。

 
圖3  繞線(xiàn)機(jī)動(dòng)作流程圖

 
圖4  繞線(xiàn)機(jī)動(dòng)作時(shí)序圖

3.2  程序編寫(xiě)

根據(jù)繞線(xiàn)機(jī)動(dòng)作流程圖與時(shí)序圖進(jìn)行G代碼編程。其中，程序中相關(guān)參數(shù)及各軸坐標(biāo)可先估算設(shè)定，取比較保險(xiǎn)、安全的數(shù)值為好。

下面針對(duì)繞線(xiàn)機(jī)控制程序中幾個(gè)重要部分進(jìn)行詳細(xì)分析。

 ①氣缸動(dòng)作可用M80、M81、M82、M83四條指令進(jìn)行控制。其中M80、M81控制電磁閥通斷；M82、M83讀取位置傳感器信號(hào)的有無(wú)。若需要延時(shí)，可用G04指令設(shè)定延遲時(shí)間。

控制下料動(dòng)作的代碼及注釋如下： 

N50 M80 S5     ;指定Output5開(kāi)(下料氣缸將線(xiàn)圈推出)

N60 M82 S13    ;等待Input13有效(等待下料氣缸到位，即：下料傳感器ON)

N65 G04 P100   ;延時(shí)100毫秒

N70 M81 S5     ;指定Output5關(guān)(下料氣缸返回)

N75 M83 S13    ;等待Input13無(wú)效(下料傳感器OFF)

M82、M83指令不斷地檢測(cè)指定的輸入信號(hào)的狀態(tài)，直到輸入信號(hào)有效或無(wú)效時(shí)，才繼續(xù)執(zhí)行下面的指令。

②電機(jī)運(yùn)動(dòng)可用G00、G01、G02、G03進(jìn)行控制，或可用G26、G28進(jìn)行回零操作。此外，為方便編程與調(diào)試，還可用G90、G91進(jìn)行絕對(duì)坐標(biāo)與相對(duì)坐標(biāo)間的切換。

纏繞線(xiàn)圈起始腳及尾部腳的代碼及注釋如下：

 N230 G00 X62 Y-360 Z79      ;快速定位(導(dǎo)針移至纏腳位)

N240 G91                    ;切換為相對(duì)坐標(biāo)

N250 M91 C8                 ;局部循環(huán)8次(纏腳8圈)

N260 G02 X80 Y0 Z0.05 R40   ;順圓螺旋插補(bǔ)(纏上半圈)

N270 G02 X-80 Y0 Z0.05 R40  ;順圓螺旋插補(bǔ)(纏下半圈)

N280 M90                    ;局部循環(huán)結(jié)束

N290 G90                    ;還原為絕對(duì)坐標(biāo)

N300 G01 X85 Y-370 Z20 F50  ;三軸以高速50%直線(xiàn)插補(bǔ)(過(guò)溝槽第一步)

G00、G01、G02指令中X、Y、Z后面的參數(shù)為各自的終點(diǎn)坐標(biāo)值，R后面的參數(shù)為半徑，單位：毫米；每一條運(yùn)動(dòng)指令后面都可以有速度參數(shù)F，如果省略F，該指令速度和上一條指令的速度相同；但G00的速度是固定的，如果要調(diào)整快速定位的速度，必須在6400控制器的系統(tǒng)參數(shù)中進(jìn)行修改。

循環(huán)多次執(zhí)行相同的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，用相對(duì)坐標(biāo)更為方便。循環(huán)指令M91和M90必須成對(duì)使用。

 ③繞線(xiàn)動(dòng)作雖耗時(shí)較多，但并不復(fù)雜，只是Z、U兩軸反復(fù)做直線(xiàn)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。為了防止繞線(xiàn)軸的坐標(biāo)值無(wú)限累積，并且便于實(shí)時(shí)顯示繞線(xiàn)圈數(shù)，可于每次繞線(xiàn)開(kāi)始時(shí)用M92指令強(qiáng)制設(shè)置U軸的坐標(biāo)為0。繞線(xiàn)動(dòng)作代碼如下：

 N430 M92 U0              ;強(qiáng)制設(shè)置U軸坐標(biāo)為0

N440 M91 C50             ;局部循環(huán)50次(繞線(xiàn)10000圈)

N450 G01 Z40 U1000 F100  ;往Z軸正方向繞線(xiàn)一層(100圈)

N460 G01 Z-40 U1000      ;往Z軸負(fù)方向繞線(xiàn)一層(100圈)

N470 M90                 ;局部循環(huán)結(jié)束

由于SMC6400具有連續(xù)插補(bǔ)功能，故在Z軸兩個(gè)方向來(lái)回逐層繞線(xiàn)的動(dòng)作是連續(xù)進(jìn)行的，中間沒(méi)有停頓。

④對(duì)于那些在程序不同階段執(zhí)行的相同動(dòng)作，可將其模塊化，編寫(xiě)成一段子程序，在需要的時(shí)候調(diào)用即可。控制導(dǎo)針旋轉(zhuǎn)氣缸動(dòng)作即為一個(gè)子程序，代碼編寫(xiě)如下：

 N210 M98 N1600    ;調(diào)用首行號(hào)1600的子程序

……

N1600 M81 S12     ;導(dǎo)針定位桿縮回

N1610 M82 S22     ;等待導(dǎo)針定位傳感器ON

N1620 M80 S11     ;導(dǎo)針旋轉(zhuǎn)氣缸動(dòng)作90度

N1630 M82 S21     ;等待導(dǎo)針旋轉(zhuǎn)傳感器ON

N1640 M99         ;子程序返回

 注意：子程序結(jié)束處必須要有指令M99。

 ⑤為了確保每次開(kāi)機(jī)后第一次運(yùn)行時(shí)各軸先執(zhí)行回原點(diǎn)動(dòng)作，在程序最前面增加如下代碼：

N0 M96 S101 V0 N1800    ;判斷變量101的值，若為0則執(zhí)行子程序

N5 M87 S101 V1         ;給變量101賦值1

……

N1800 G26 X Y Z U      ;各軸回原點(diǎn)

N1810 M99              ;子程序返回

 3.3  程序調(diào)試

      調(diào)試程序的主要目的是尋找程序中各參數(shù)及坐標(biāo)的最佳值，并調(diào)整時(shí)序，使得設(shè)備能夠按要求順利運(yùn)行。調(diào)試的大致步驟：先根據(jù)控制要求設(shè)定各軸速度、加速度及脈沖當(dāng)量等參數(shù)；然后手動(dòng)尋找各軸每一個(gè)動(dòng)作的精確坐標(biāo)值，以此修改G代碼的相應(yīng)參數(shù)；反復(fù)運(yùn)行、修改程序及參數(shù)，直至達(dá)到理想效果。

 4. 人機(jī)界面

    SMC6400控制器可與支持標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議的觸摸屏進(jìn)行通訊。事實(shí)上，SMC6400已經(jīng)有一套比較完整的觸摸屏程序，用戶(hù)只需稍作修改即可使用。在這套觸摸屏程序中，不僅有自動(dòng)操作、手動(dòng)操作、參數(shù)設(shè)置、相關(guān)信息顯示及用戶(hù)密碼設(shè)定等常規(guī)功能，而且可以直接在觸摸屏上編寫(xiě)、修改、瀏覽G代碼程序。SMC6400控制器G代碼編程有兩種常用方式。若系統(tǒng)簡(jiǎn)單且程序較短，可在控制器與觸摸屏正常通訊后，直接在觸摸屏上編寫(xiě)G代碼。觸摸屏編輯界面如圖5所示。

圖5  觸摸屏G代碼編輯界面

      若系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜時(shí)，則可借助于計(jì)算機(jī)，先用PC機(jī)的文本編輯軟件，如：Word、寫(xiě)字板，以行為單位依次編寫(xiě)G指令；編寫(xiě)完成后將其拷貝至G代碼編譯軟件，編譯生成G文件，再通過(guò)U盤(pán)將生成的G文件下載至SMC6400控制器。

 5. 總結(jié)

     經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的調(diào)試，電機(jī)線(xiàn)圈全自動(dòng)繞線(xiàn)機(jī)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，X、Y、Z軸的重復(fù)定位精度達(dá)0.01 mm，最大速度達(dá)200 mm/s；U軸重復(fù)定位精度達(dá)0.1度，最高轉(zhuǎn)速為9000 r/min。該設(shè)備得到電機(jī)廠(chǎng)認(rèn)可，已投入正常生產(chǎn)。

綜上所述，SMC6400運(yùn)動(dòng)控制器運(yùn)用G代碼編程，不僅可以完成復(fù)雜的多軸運(yùn)動(dòng)控制，而且程序簡(jiǎn)單直觀(guān)，程序開(kāi)發(fā)時(shí)間短。在控制多軸聯(lián)動(dòng)方面比一般中小型PLC更有優(yōu)勢(shì)。