0 引言

　　基于PC架構，利用多軸運動控制卡所構建的運動控制器已廣泛應用于數控機床等機電一體化設備。由于多軸運動控制卡的專用性，該種方案的實施對于技術人員的要求相對來講比較高。隨著電子技術的快速發展，可編程邏輯控制器(PLC)已由傳統的順序邏輯控制延伸至模擬量控制、運動控制等高端應用領域。本文即是基于高速PLC構建了雙CPU的多軸運動控制器，用于全自動端子機的多軸運動控制。全自動端子機主要用于加工在電子和計算機領域大量使用的端子線。該設備可以實現不同線徑和定長導線壓著金屬端子的高速全自動生產，尤其是在線徑小于0.5mm2的端子線生產中更具有明顯的優勢。此類設備目前以從日本、美國和韓國進口為主。

1 系統方案

　　本系統電氣部分控制主要采用三菱Q系列PLC、多軸運動控制器Q172、MR.J2S.B系列伺服放大器和HC.SFS系列伺服電機。端子線的機械傳送過程主要采用SMC公司的氣動元件實現。人機控制界面則采用組態軟件進行開發。下面在對全自動端子機的工作過程進行分析的基礎上給出控制系統的具體方案。

　　1.1全自動端子機工作過程

　　全自動端子機的工位，其工作過程如下：端子機上電，對要加工的端子線線徑、加工速度、產量等參數進行設置。系統開始運行，左右兩個送線輪開始旋轉，將導線送至切線刀口處。由切刀限位開關觸發信號控制切刀上下運動以切斷電線。進而擺動裝置由初始位置a擺動到位置b并觸發剝皮電機轉動，按設定的剝皮深度確定剝線刀座向前運行的距離并旋轉以剝線。由擺動裝置將一端剝皮后的導線擺動到位置c，經由上下運動的模頭壓著導線前端端子。然后擺動裝置迅速回轉到位置a，送線輪旋轉一定角度θ(其中θ=L／R，L為待加工端子線長度，尺為送線輪半徑)后停止，氣動爪1閉合以加緊電線，切線刀再次上下運動將待加工的定長導線切斷。氣動爪1通過氣動缸體從位置d左移到位置e，氣動爪2閉合之后氣動爪1松開并回至原位，氣動爪2通過由電機帶動的絲桿迅速從位置e到達位置f，位置f的限位開關觸發剝皮裝置，對待加工導線的另外一端進行剝皮。剝皮之后的導線經由氣動爪2送回到位置e，氣動爪3閉合的同時氣動爪2松開導線經由氣動缸體送至位置g，再經由電機和絲桿帶動氣動爪4往復運動完成待加工導線另外一端端子的壓著。最后經由氣動缸體帶動已閉合的氣動爪5將加工好的端子線送至成品存放位置i處，從而完成一次端子線的加工過程。以300mm長雙端端子線加工為例，其加工周期最短為0.8s。

　　1.2 系統控制方案

　　對上述端子機的工作過程進行分析可以得出：控制系統不但要完成3個氣動缸體、5個氣動爪、2個壓著端子模頭的往復運動(氣動元件由電磁閥控制)、切刀切線、端子壓著和剝皮檢測等二值邏輯控制，還要實現由6個電機帶動的擺動裝置、送線輪、剝皮裝置、氣動爪2和4的高速精確位移。

　　二值邏輯控制由三菱Q系列PLC基本CPU(如QOO)實現。而端子機的高速精確位移控制則由三菱Q系列運動控制CPU(如Q172)控制6個伺服電機實現。一個Q172 CPU最多可控制8個同步軸，具備多軸插補、速度控制、軟件凸輪定形、軌跡控制等功能，運動指令執行周期僅為0.88ms，為業界速度最高的PLC。Q172 cPu可以共用Q系列PLC的電源模塊、基板和I／O模塊，適合與Q系列PLC基本CPU一起構成多CPU系統，兩者的CPU即可以獨立運行亦可以通過專用Q.bus總線使用專用指令和共享存儲器等方式進行通信，從而實現系統資源的最優化配置。運動控制Q172 CPU對6個伺服電機的控制通過SSCNET(伺服系統控制總線)高速串行通信總線實現。

　　與傳統的基于PC架構和多軸運動控制卡的方案相比，本方案在系統的可擴展性、開發的難易程度、開發周期和可靠性等方面都有著明顯的優勢。

2 系統控制程序設計

　　系統控制程序設計主要包括系統二值邏輯控制LC程序設計和系統運動控制的程序設計兩部分。

　　2.1 程序設計方法

　　系統控制程序采用國際電工委員會(IEC)所制定的標準語言——順序功能圖(SFC)進行設計。基于SFC的設計思路是將系統的一個工作周期劃分為若干個順序相連的階段，這些階段稱為步(Step)。每一步則根據輸出量的狀態變化進行劃分，且可以嵌套相應的梯形圖程序。在任何一步之內，各輸出量的ON／OFF狀態不變，相鄰兩步的輸出量所發生的使系統由當前步轉入到下一步的信號稱為轉換條件。由轉換條件控制代表各步的編程元件，使其狀態按一定的順序變化，并用代表各步的編程元件去控制PLC的輸出。因此，基于SFC的PLC程序與基于梯形圖的PLC程序相比具有條理性好、可讀性強、易于擴展與維護等優點。

　　用以二值邏輯控制的PLC程序開發環境采用三菱GX Developer，GX Simulator和GT Simulator可以實現PLC程序的完全軟件化仿真和調試舊1；而對基于運動控制器Q172 CPU的運動控制程序的開發環境則采用MT Developer。MT Developer是用于開發基于運動控制器Q172 CPU應用程序的集成開發環境HJ。通過該開發環境可以實現運動控制SFC程序、伺服系統參數、CAM數據、G代碼等相關程序和數據的編輯、調試與監控。

　　2.2 PLC基本CPU與運動控制CPU的通訊

　　在多CPU系統中，PLC基本CPU和運動控制CPU可以采用以下三種方式進行通訊。

　　2.2.1 CPU共享內存的自動刷新

　　在多CPU系統里CPU的共享內存用以CPU之間的數據傳送，從000H到FFFH共4096個字節。CPU的共享內存分為4個區域：自CPU操作數據區域、系統區域、自動刷新區域和用戶自定義區域。PLC基本CPU的32點(BO到B1F)和運動控制CPU的32點(B20到B3F)進行自動刷新的過程。

　　PLC基本CPU在處理END指令時將其B0到B1F的數據傳送到共享內存的自動刷新區域；同時運動控制CPU共享內存的自動刷新區的數據傳送到B20到B3F；運動控制CPU在處理主循環時將其B20到B3F的數據傳送到共享內存的自動刷新區。同時PLC基本CPU共享內存的自動刷新區的數據被傳送到BO到B1F。通過以上操作，寫人到PLC基本CPU B0到B1F的數據讀取為運動控制CPU的B0到B1F。寫入到運動控制CPU B20到B3F的數據，可以自由讀取為PLC基本CPU B20到B3F。PLC基本CPU B0到B1F可以用于PLC基本CPU讀取或寫入，但B20到B3F與運動控制CPU的自動刷新區僅可以用于PLC基本CPU進行讀取，不能用于PLC基本CPU寫入。同樣，運動控制CPU B20到B3F可以被運動控制CPU自由讀取和寫入，但B0到B1F與PLC基本CPU的自動刷新區僅可以被運動控制CPU讀取，不能用于運動控制CPU寫入。通過設置共享內存，只需對PLC基本CPU的I／O和數據寄存器進行操作即可實現對運動控制器CPU進行相應的操作和監控。

2.2.2 從PLC基本CPU傳送指令到運動控制CPU

　　PLC基本CPU用以控制運動控制CPU的指令共有6條。S(P).SFCS指令用以啟動運動控制SFC程序的請求；S(P).SVST指令用以啟動指定伺服控制程序的請求；s(P).CHGA指令用以指定運動軸的當前值變更請求；s(P).CHGV指令用以指定運動軸的速度變更請求；S(P).CHGT指令用以指定運動軸的轉矩控制值變更請求；S(P).GINT指令用以運動控制CPU事件任務的執行請求。以S(P).SFCS指令為例，其通過PLC基本CPU啟動運動控制CPU 。

　　2.2.3 PLC基本CPU對運動控制CPU進行讀／寫操作

　　PLC基本CPU對運動控制CPU進行讀操作的指令為S(P)．DDRD：運動控制CPU的軟元件數據被讀取到PLC基本CPU的軟元件內存；寫操作指令S(P)．DDWR：PLC基本CPU的軟元件數據寫入到運動控制CPU的軟元件內存。

　　2.3 程序設計實例

　　全自動端子機的伺服電機運動控制程序。其程序結構由開始、步、轉移、結束等組成，可自動運行或由PLC基本CPU程序進行調用。

3人機界面設計

　　本系統的人機界面采用基于微軟.net架構的易控組態軟件進行開發，以高級語言C#作為用戶程序腳本語言。集成即時消息軟件、手機短信和電子郵件等功能。人機界面通過采用復合動畫、數據轉發等功能實現獨特的監控效果，使動畫更加美觀和逼真，更富有表現力。基于.net架構所開發出的人機界面系綠色環保應用程序，不會污染用戶計算機的系統目錄和注冊表。人機界面通過與PLC基本CPU(Q00)和運動控制CPU Q172進行變量連接，快捷、直觀、實時地監控全自動高速端子機的工作過程。全自動端子機人機界面通過工業PC機的串行口(RS232／RS485)與三菱Q系列PLC基本CPU和運動控制CPU進行通訊。PLC相關的數據寄存器、輸人／輸出繼電器、通用繼電器、特殊寄存器等都可以通過人機界面進行讀寫。全自動端子機人機界面包括：用戶登錄、流程界面、電氣連接示意圖、系統實時響應曲線、報警記錄、系統功能說明7個子畫面。

4 結束語

　　運動控制在制造業中扮演著重要的角色，本文基于PLC在運動控制領域中的最新技術，采用PLC基本CPU和運動控制CPU構建了雙CPU的端子機控制系統。用于全自動端子機的二值邏輯控制和6個伺服電機的運動控制。人機界面采用基于．net架構的組態軟件開發環境進行設計，具有逼真的動畫效果和良好的跨平臺性。與傳統的基于PC架構和多軸運動控制卡方案相比，本系統的可擴展性、開發的難易程度、開發周期和可靠性等方面都有著明顯的優勢。