ＰＬＣ及伺服控制技术在精密定位控制上的应用

[摘要]电子接插件产品的制造及检测是一个十分精密的组装过程，其控制精度大都要求在0.01mm。这就要求定位十分准确，论述利用三菱FX2N PLC控制松下伺服马达实现精密控制。

[关键词]PLC 伺服电机 人机界面 触摸屏

中图分类号：TP2文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1110098－01

一、概述

本控制系统的设计用于苹果公司的一款游戏机的接口部件的高速组装。产品由塑胶、金属端子和铁壳组成。该产品需在塑胶中插入30个金属端子，各端子间距为0.5mm，正负偏差要求在±0.02mm。为了实现这样的高精度控制，本控制系统采用三菱公司的FX2N PLC作为中央控制系统，控制两个伺服马达，实现高精度控制。其中一个伺服马达实现精确送料，另一个伺服马达带动凸轮机构完成高速插针。同时本控制系统采用触摸屏实现人机对话，能够有效的监控设备的运行状况、显示生产产量及修改系统参数。

二、系统组成

该高速插针控制系统由现场设备部分、PLC控制系统部分、伺服马达定位部分、人机界面（触摸屏）组成。现场设备主要包括：震动盘送料机构（实现塑胶的自动送料）、气缸送料机构（把震动盘送过来的塑胶推入送料伺服马达的流道内）、料带马达机构（用于给高速插针凸轮供应金属端子）；PLC控制系统包括：FX2N-64MT PLC控制器、FX2N-1PG脉冲控制模块、电磁阀、驱动继电器；伺服控制部分包括：伺服驱动器及伺服马达。

三、硬件设计

本控制系统的硬件包括：空气开关、接触器、控制电源、PLC、脉冲控制模块、伺服驱动器、单相马达等。其中人机界面采用Pro－face，PLC采用三菱公司的FX2N-64MT PLC，脉冲控制模块采用三菱公司的FX2N-1PG，伺服驱动器采用松下公司的Minas A4 系列交流伺服驱动器。这里着重介绍脉冲控制模块FX2N-1PG和伺服驱动器的用法。

（一）人机界面。考虑到经济实用人机界面采用Pro－face的黑白触摸屏。在触摸屏上可以进行监视、操作和运行参数记录，触摸屏是系统的操作员站,人机对话简单方便、系统组态便于修改和扩充，并且触摸屏具有不死机可以长期稳定运行的优点。触摸屏与CPU的通讯利用三菱公司的FX2N-232BD通信板，通信协议采用RS232。

（二）PLC。三菱FX2N系列是FX系列PLC家族中最先进的系列。由于FX2N系列具备如下特点：I/O最大可支持256点、程序执行更快、全面增强了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足各种需要的大量特殊功能模块和网络模块。考虑到此自动机生产１个产品的设计周期时间为1.2秒，故外围控制电路的动作次数频繁,所以选用集体管输出类型的PLC。本系统选择FX2N-64MT PLC。

（三）脉冲控制模块：本控制系统脉冲发生单元采用三菱FX2N-1PG定位模块。（1）FX2N-1PG脉冲发生单元可以完成一个独立轴的简单定位，通过向伺服驱动放大器提供指定数量的脉冲（最大100K PPS）来实现的。（2）每个脉冲发生单元都作为一个特殊的始终起作用，使用FROM/TO指令，并占用8点输入或输出与PLC进行数据传输。一个PLC可以连接到达8个脉冲发生单元，从而实现8个独立的操作。（3）脉冲发生单元为需要高速响应和采用脉冲列输出的定位操作提供连接终端。其它通用的I/O操作通过PLC进行控制。

（四）伺服驱动器。松下(Panasonic)MINAS A4系列交流伺服系统，系统响应快、精度高、体积小。具有实时自动增益调整功能，速度响应频率可达1000Hz，位置指令脉冲最大频率可达2Mpps，利用先进的振动抑制技术控制低刚性结构的震动，可通过串行外部光栅尺，对位置进行全闭环控制，可使用专用控制台进行简单维护。具有位置控制、速度控制、转矩控制和全闭环控制4中控制模式。本控制系统采用位置控制模式。

（1）送下伺服驱动器的参数设置

Pr02（控制模式选择）=0Pr20（惯量比）=300

Pr21（实时自动增益设置）=1Pr22（机械刚性选择）=4

Pr40（指令脉冲输入选择）=0Pr48（指令脉冲分倍频分子）=0

Pr4A（指令脉冲分倍频分子倍率）=0 Pr4B（指令脉冲分倍频分母）=5000

（2）电子齿轮功能

用途：①电子齿轮功能可以用来任意的设置每单位指令脉冲对应的电机速度和位移量（脉冲当量）②当上位控制器的脉冲发生能力（最高可输出频率）不足以获得所需速度时，可以用电子齿轮功能（指令脉冲倍频）来对指令脉冲作×m倍频。

用法：设置Pr48=0，Pr4B（指令脉冲分倍频分母）即可设置设为电机每转一圈所需的脉冲数

应用：本控制系统中丝杠螺距为10mm，系统设计要求为电机转一圈机械移动10mm，伺服电机每接受一个脉冲丝杠移动0.01mm。伺服马达外配的减速齿轮的减速比为1:5。

电机转一圈所需脉冲数f=10/0.01×5=5000，所以设置Pr48=0，Pr4B=5000。

四、系统软件

软件设计包括两部分：触摸屏监视、操作记录画面组态和PLC控制控制程序。触摸屏组态程序主要负责系统状态监控和发出控制命令，PLC控制控制程序主要负责机器设备按照工艺要求运行及系统安全的软件保护。

（一）触摸屏组态画面。触摸屏组态画面包括系统运行主画面、汽缸控制画面、送料伺服控制画面、插针伺服控制画面、报警画面和系统I/O表画面。各控制画面的控制按扭都带有各对应控制对象的状态指示，能够真实反映各被控对象的运行状态。I/O表画面组态有各开关量信号的状态指示灯，能够真实反映开关量信号的输入输出状态，对设备的维护起到十分重要的作用。

（二）PLC控制控制程序。PLC控制控制程序主要包括伺服马达控制程序、汽缸控制程序和保护控制程序。伺服马达的控制程序是本控制系统的核心，它的控制是通过脉冲发生单元FX2N-1PG控制的。FX2N-1PG脉冲发生单元在三菱PLC中被定义成特殊功能模块的一种。其内部有个缓冲存储器（BFM），用来存储FX2N-1PG的使用方法。使用FROM/TO指令来完成FX2N-1PG与PLC之间的数据交换。

五、结束语

根据上述的思路和方法，由PLC控制伺服马达实现精密控制系统已在富士康科技集团的生产线上投入运行，结果表明系统的设计是合理的，系统在现场运行稳定可靠。

参考文献：

[1]三菱《FX系列系统编程手册》.

[2]三菱《FX系列特殊功能块手册》.

[3]三菱《FX系列PLC选型指南》.

[4]松下《Minas A4系列AC交流伺服驱动器技术资料选编》.

作者简介：

周静红，女，大学助教，苏州太仓健雄职业技术学院机电工程系。