臺達運動控制型PLC應用技術

本文簡述臺達DVP20PM運動控制型PLC的硬件及軟件結構，并介紹在應用中的方法及特點。
關鍵詞：PLC 運動控制 邏輯控制 數控系統(tǒng) CAM 插補運算

1 引言

隨著自動化設備對控制的高精度、高響應性需求的不斷增加，自動化控制技術不斷提高，精確的高速定位控制得到廣泛應用，PLC這一工業(yè)控制產品也從早期的邏輯控制領域不斷擴展到運動控制領域，實現了以往PLC無法完成的運動控制功能。

在運動控制中大多數采用我們熟悉的數控系統(tǒng)或者是計算機運動板卡來完成，雖然作為專門的產品能夠實現復雜的運動軌跡控制，但同時要完成一些邏輯動作的控制就不如PLC靈活方便。臺達DVP20PM系列PLC高速定位、雙軸線性及圓弧插補多功能可編程控制器，結合了PLC邏輯動作控制和數控系統(tǒng)運動控制的各自優(yōu)點，在功能上滿足雙軸插補的高速定位需求。

2 臺達運動控制型PLC硬件結構

DVP20PM是臺達運動控制型PLC。DVP20PM通過前后兩個擴展口既可作為PLC主機執(zhí)行也可作為EH2型主機的擴展模塊使用，具有X0-X7、Y0-Y7數字量輸入輸出各八點，并配置了手搖輪、零點信號、原點信號、極限信號、啟動、停止等各種信號接口滿足應用需求。

DVP20PM主機包含64K超大程序容量內存（Flash），可支持100段運動程序，脈沖輸出最高可達500KHz，并具備電子原點返回模式，支持PLC順序語言及定位語言(G 碼與M碼），下面先由硬件部分簡單介紹20PM 組成。

2.1 電源

DVP20PM電源規(guī)格參見表1。

表1 電源規(guī)格

2.2 I/O點規(guī)格

參見圖1，DVP20PM提供的數字量輸入輸出點規(guī)格與臺達通用PLC規(guī)格基本相同，輸入點支持SINK（漏極）和SOURCE（源極）兩種方式，輸出點也有繼電器輸出和晶體管輸出可選。

圖1

需要提到的是其在運動控制中的特殊輸入輸出點，簡述如下：

START0、START1：啟動輸入
STOP0、STOP1：停止輸入
LSP0/LSN0、LSP1/LSN1：右極限輸入/左極限輸入
A0+、A0-、A1+、A1-：手搖輪A相脈波輸入+,-（差動信號輸入）
B0+、B0-、B1+、B1-：手搖輪B相脈波輸入+,-（差動信號輸入）
PG0+、PG0-、PG1+、PG1-：零點訊號輸入+,- (差動信號輸入)
DOG0、DOG1：原點回歸的近點信號輸入或多段運動的啟動信號
CLR0+、CLR0-、CLR1+、CLR1-：清除信號（Servo驅動器內部偏差計數器清除信號）
FP0+、FP0-、FP1+、FP1-：脈沖輸出端口
RP0+、RP0-、RP1+、RP1-：脈沖輸出端口
（注：0表示第一軸，1表示第二軸，如START0表示啟動第一軸，START1表示啟動第二軸，其他信號依次類推）

從端子分布可以看到，除了常用的極限和啟動停止信號外，配置了過零脈沖PG和手搖輪功能輸入端，手搖輪是機床應用中常用而必備功能，而利用過零信號在精確控制場合往往會用到，當然更不用說定位控制中都會用到的DOG原點信號。

2.3 配線規(guī)格

一般I/O點配線就不再贅言了，可以關注一下PLC比較少用到的差分輸入輸出方式，在信號中有一部分是這樣的，一定要注意否則將不能正確完成，參見圖2、圖3。

圖2 差分輸入配線示意圖

圖3 差分輸出配線示意圖

3 臺達運動控制型PLC軟件結構

3.1 DVP20PM程序結構

由于20PM主機結合了PLC順序邏輯控制及雙軸插補定位控制的功能，因此在程序架構上主要分為O100主程序、Ox運動子程序及Pn子程序等三大類，結合了基本指令、應用指令、運動指令及G Code指令，使程序設計更多元化，結構更清晰；程序采用PMSOFT軟件進行編輯，參見圖4。

圖4 程序設計界面

（1）主程序。主程序以O100作為起始標記，M102作為結束標記，是PLC順序控制程序，主要為控制主機動作執(zhí)行，在O100主程序區(qū)域中，可以使用基本指令及應用指令，或在程序中啟動Ox0~Ox99運動子程序及調用Pn子程序。主要提供主控制程序的建立，以及運動子程序的設定及啟動控制。

（3）運動子程序。Ox0～Ox99運動子程序為運動控制程序，主要為控制20PM系列主機進行X-Y軸雙軸運動之子程序，于Ox0～Ox99運動子程序區(qū)段中，有支持基本指令、應用指令、運動指令及G碼指令，并在程序中可規(guī)劃呼叫Pn指針子程序，通過PLC提供的內部特D特M進行子程序的控制。主要提供運動子程序的建立，以及運動子程序的運動控制，在架構上可算是20PM的運動指令及G碼指令規(guī)劃區(qū)域。

（4） 子程序。這里所說的子程序是指以Pn開頭的一般用子程序，主要是被O100主程序及Ox運動子程序調用的子程序。如在O100主程序調用Pn指針，則Pn指針子程序支持基本指令及應用指令；若在Ox0 ~ Ox99運動程序中調用Pn指針時，則Pn指針子程序區(qū)段可支持基本指令、應用指令、運動指令及G碼指令。

3.2 PMSOFT軟件介紹

與臺達PLC的WPLSoft軟件相似，DVP20PM的編程軟件PMSOFT按照IEC61131標準設計，具有梯形圖和語句表兩種編程方式，且具有G碼匯入、錯誤提示、區(qū)段注釋、裝置注釋、標尺、完善的監(jiān)控窗口、運動指令追蹤等便利工具提供給用戶，特別值得一提的是該軟件具有運動軌跡仿真功能，當您編輯好程序后可利用此功能對加工軌跡進行模擬演示，參見圖5。

為方便切換階梯窗口，只要點選系統(tǒng)信息列中的樹枝狀對應的程序編號，自動切換對應的程序編輯窗口，在PMSoft編輯環(huán)境中同時只能有一個階梯圖窗口，這是為了在龐大復雜程序中找尋程序方便，同時將主程序、運動子程序、一般子程序這三種程序模塊化處理，O100主程序只有一個編輯窗口，Oxn運動程序有100個編輯窗口，Pm子程序有256個編輯窗口，總共有357個窗口，每個窗口未編輯都有10 network。程序編輯由網絡區(qū)段組成，每個網絡區(qū)段是由輸入與輸出編輯區(qū)域所組成，在編輯過程中，自動產生邏輯結構正確的階梯圖，使用者無須再做額外補線的動作，網絡區(qū)段編輯并具有錯誤提示功能。

圖5 梯形圖編程界面

4 運動控制編程

4.1 相關概念

在談到DVP20PM產品的應用之前，我們對以下概念進行一個簡要介紹。

（1）插補。插補是在組成軌跡的直線段或曲線段的起點和終點之間，按一定的算法進行數據點的密化工作，以確定一些中間點。從而為軌跡控制的每一步提供逼近目標。

逐點比較法是以四個象限區(qū)域判別為特征，每走一步都要將加工點的瞬時坐標與相應給定的圖形上的點相比較，判別一下偏差，然后決定下一步的走向。如果加工點走到圖形外面去了，那么下一步就要向圖形里面走；如果加工點已在圖形里面，則下一步就要向圖形外面走，以縮小偏差，這樣就能得到一個接近給定圖形的軌跡，其最大偏差不超過一個脈沖當量（一個進給脈沖驅動下工作臺所走過的距離）。

（2）直線插補。這個概念一般是用在計算機圖形顯示,或者數控加工的近似走刀等情況下，以數控加工為例子：

一個零件的輪廓往往是多種多樣的，有直線，有圓弧，也有可能是任意曲線，樣條線等。數控機床的刀具往往是不能以曲線的實際輪廓去走刀的，而是近似地以若干條很小的直線去走刀，走刀的方向一般是x和y方向。

插補方式有:直線插補,圓弧插補,拋物線插補,樣條線插補等等。

所謂直線插補就是只能用于實際輪廓是直線的插補方式(如果不是直線,也可以用逼近的方式把曲線用一段段線段去逼近,從而每一段線段就可以用直線插補了).首先假設在實際輪廓起始點處沿x方向走一小段(一個脈沖當量),發(fā)現終點在實際輪廓的下方,則下一條線段沿y方向走一小段,此時如果線段終點還在實際輪廓下方,則繼續(xù)沿y方向走一小段,直到在實際輪廓上方以后,再向x方向走一小段,依次循環(huán)類推.直到到達輪廓終點為止.這樣,實際輪廓就由一段段的折線拼接而成,雖然是折線,但是如果我們每一段走刀線段都非常小(在精度允許范圍內),那么此段折線和實際輪廓還是可以近似地看成相同的曲線的--這即是直線插補。

（3）聯(lián)動與插補。一個點的空間位置需要三個坐標，決定空間位置需要六個坐標。

一個運動控制系統(tǒng)可以控制的坐標的個數稱做該運動控制系統(tǒng)的軸數。而可以同時控制運動的坐標的個數稱做該運動控制系統(tǒng)可聯(lián)動的軸數。聯(lián)動各軸的運動軌跡具有一定的函數關系，例如直線，園弧，拋物線，正弦曲線。直接計算得出運動軌跡的坐標值往往要用到乘除法，高次方，無理函數，超越函數，會占用很多的CPU時間。為了實時快速控制運動軌跡，往往預先對運動軌跡進行直線和圓弧擬合，擬合后的運動軌跡僅由直線段和圓弧段所組成，而計算運動軌跡時，每一點的運動軌跡跟據前一個坐標點的數據通過插補運算得到，這樣就把計算簡化為增量減量移位和加減法。

實現多軸聯(lián)動的直線插補并不困難，圓弧插補一般為兩軸聯(lián)動。插補運算可以有多種算法，例如 "DDA 算法"，"逐點比較法"，"正負法"，"最小偏差法（Bresenham 算法）"等，其中最小偏差法具有最小的偏差和較快的運行速度。

DVP20PM運動控制型PLC可實現2軸聯(lián)動，支持直線和圓弧插補，以及相應的第三軸處理。

（4）數控軟件。DVP20DPM支持復雜的運動軌跡控制，那是如何實現的呢？簡單的說，將復雜軌跡通過AUTOCAD等軟件生成圖形，再經過CAM軟件轉換為G代碼，而PMSOFT可以直接導入文本格式的G代碼，這樣就可以完成運動程序下載到20PM中執(zhí)行。那么怎樣完成圖形到G代碼的轉換呢，這就需要CAM軟件了，以下簡單介紹一些常用的CAM軟件：

目前CAD/CAM行業(yè)中普遍使用的是 MASTERCAM 、 CIMATRON 、 PRO-E 、 UG 、 CATIA...

? MASTERCAM 是最常用的一種軟件，大多數數控操作員都使用 MASTERCAM ，它集畫圖和編程于一身，繪制線架構最快，縮放功能最好。

? CIMATRON 是遲一些進入中國的軟件，在刀路軌跡上的功能優(yōu)越于 MASTERCAM，現已被廣泛地應用。

? Pro/E 是美國 PTC 開發(fā)的軟件，現已成為全世界最普及的三維 CAD/CAM 系統(tǒng)。集多種功能于一體，用于模具設計、產品畫圖、廣告設計、圖像處理、燈飾造型設計，是最好的畫圖軟件，一般來說用 PRO-E 畫圖，用 MASTERCAM 或 CIMATRON 加工。

當然還有其他同類軟件也同樣可以使用，通過這些軟件將我們想要加工的軌跡曲線數據轉換為PLC或數控系統(tǒng)可以識別執(zhí)行的代碼，從而控制我們的設備運動。

4.2 運動控制特點

（1）DVP20PM特色。多段速執(zhí)行及中斷定位，利用此項功能實現運動的平滑性及準確定位。64K步程序容量,100段運動程序，滿足不同加工需求；在20PM中最大可設置100種運動軌跡，同時利用64K的程序容量，預先將需要執(zhí)行的各種不同運行曲線的G碼存儲在PLC中，當需要加工某種規(guī)格時，可以采用文本顯示器、觸摸屏等來調用。支持G碼的直接匯入，當采用CAM軟件生成文本格式的G碼后，可利用PMSOFT的匯入菜單直接匯入到PLC運動程序中。脈沖輸入輸出采用差動方式，最高達500KHz，滿足了絕大多數應用中速度的要求。支持手搖輪應用，這是運動控制中的一個基本功能，可做一些手動的調整。具備電子原點返回模式，在20PM內存中加入了原點記憶功能，只要設定了電子原點，即使設備斷電，在下次上電后也可以輕松找到原點位置。可連結EH2主機與所有擴充模塊，20PM可以靈活配置，即可以接在EH2主機后作為專門定位擴展模塊，也可以做為主機連接其他的模擬量等特殊功能模塊。支持PLC順序語言及定位語言(G 碼與M碼），實現了通用PLC與數控技術的一個完美結合。配置運動軌跡的離線仿真功能，在實際加工前利用該項功能可以檢查運動程序是否存在問題，可及時解決減少錯誤發(fā)生，參見圖6。

圖6 離線仿真器

（2）軸控方式。準確的說，DVP 20PM是實現兩軸（X、Y軸）聯(lián)動插補的產品，支持數控程序中的G碼功能指令，同時可以處理第三軸的動作。

20PM支持的G 代碼功能如下：G0 高速定位；G1 雙軸聯(lián)動直線插補；G2 順時針圓弧插補（設定圓心位置）；G3 逆時針圓弧插補（設定圓心位置）；G2 順時針圓弧插補（設定半徑長度）；G3 逆時針圓弧插補（設定半徑長度）；G4 停頓時間；G90 設定絕對坐標系統(tǒng)；G91 設定相對坐標系統(tǒng)。

對于第三軸（Z軸）處理方式如下：20PM目前只規(guī)劃2軸，當G0中指定了Z軸時，此G0指令中Z軸將被拆解獨立出來。

例: G0XP1YP2ZP3 G0ZP3
G0XP1YP2

G0ZP3執(zhí)行時20PM將自動呼叫P255并以D0傳遞P3，使用者可于P255中處理Z軸動作。

4.3 一個案例

液晶切片機的硬件案例。在該設備中配置了DVP32EH2 +DVP20PM +DVP01PU*4來控制六軸運動，其中兩軸采用圓弧插補完成倒角運動，另外四軸為獨立運動。實現了設備的點動、原點回歸、半自動及自動運行，達到精確位置控制。

5 結束語

DVP20PM00D產品是一款同時具有邏輯控制和位置控制的功能強大的PLC，可以靈活、高速、精確的完成平面兩軸運動控制，可以廣泛應用于木工機械、焊接機械、切割設備以及半導體加工設備等等，特別適合有固定加工軌跡的平面兩軸控制場合。我們有理由相信其出色的控制功能具有良好的發(fā)展前景。