因PLC工作可靠、編程方便，目前中、小型PLC已廣泛應用于自動化設備中。但PLC要實現(xiàn)多軸聯(lián)動等復雜的運動控制，則代價很高。為此，雷賽公司開發(fā)了SMC6400獨立式運動控制器，將運動控制卡優(yōu)良的運動控制功能與PLC穩(wěn)定可靠的工作性能、簡單的編程方式有機地結合起來。自動化設備研發(fā)工程師不需要掌握復雜的VB、VC軟件，只用簡單的G代碼就可以開發(fā)出動作復雜的運動控制系統(tǒng)。

下面以一種6軸全自動繞線機的控制系統(tǒng)為例，詳細介紹SMC6400獨立式運動控制器的特點及應用方法。

1. SMC6400控制器的特點

l        以32位RISC為核心，可控制4軸步進電機、伺服電機，完成各種復雜的單軸、多軸運動；

l        各軸最高脈沖輸出頻率可達8MHz；

l        多達28路輸入28路輸出的通用I/O口；

l        采用ISO國際標準G代碼編程，易學易用；

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

l        控制器上可存貯16個程序，程序切換方便；G代碼程序最長可達5000行。

2. 六軸全自動繞線機控制系統(tǒng)結構

某公司新近開發(fā)的一款特種電機線圈全自動繞線機的外形如圖1所示。由于在整個繞線過程中，有大量的直線插補、圓弧插補運動，若選用帶有插補功能的PLC，則成本高昂，且程序開發(fā)比較復雜。故選用SMC6400運動控制器來彌補PLC的不足。

該設備在一個工作周期內(nèi)，機器主要完成絞線與繞線兩部分動作。為了便于調(diào)試與操作，客戶要求絞線與繞線兩部分動作必須分開控制。

圖1  六軸全自動繞線機外形

      繞線部分有四個軸。X、Y、Z三軸正好在左右、上下及前后三個方向構成一個空間直角坐標系，分別由三個交流伺服電機驅(qū)動滾珠絲桿使導針實現(xiàn)直線插補或螺旋插補軌跡。U軸為旋轉(zhuǎn)軸，即繞線軸，繞線時與排線軸（即前后運動的Z軸）作直線插補運動。而絞線部分只有兩個軸，且動作比較簡單，故選用一款普通的小型PLC即可。該設備的控制系統(tǒng)結構圖如圖2所示。

  
                            圖2  六軸全自動繞線機控制系統(tǒng)結構框圖

      圖2中的各軸專用數(shù)字輸入信號包括：原點、限位、伺服報警、位置完成等信號；各軸專用數(shù)字輸出信號包括：電機脈沖及方向信號，伺服使能、報警清除等信號。通用數(shù)字輸入信號包括：啟動、停止、復位按鈕、急停開關；氣缸位置傳感器信號、PLC給出的絞線完成信號。通用數(shù)字輸出信號包括：發(fā)給PLC的絞線啟動信號、電磁閥開關信號等。

3. G代碼編程

3.1  繪制流程圖、時序圖

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

 
圖3  繞線機動作流程圖

 
圖4  繞線機動作時序圖

3.2  程序編寫

根據(jù)繞線機動作流程圖與時序圖進行G代碼編程。其中，程序中相關參數(shù)及各軸坐標可先估算設定，取比較保險、安全的數(shù)值為好。

下面針對繞線機控制程序中幾個重要部分進行詳細分析。

 ①氣缸動作可用M80、M81、M82、M83四條指令進行控制。其中M80、M81控制電磁閥通斷；M82、M83讀取位置傳感器信號的有無。若需要延時，可用G04指令設定延遲時間。

控制下料動作的代碼及注釋如下： 

N50 M80 S5     ;指定Output5開(下料氣缸將線圈推出)

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100毫秒

N70 M81 S5     ;指定Output5關(下料氣缸返回)

N75 M83 S13    ;等待Input13無效(下料傳感器OFF)

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

②電機運動可用G00、G01、G02、G03進行控制，或可用G26、G28進行回零操作。此外，為方便編程與調(diào)試，還可用G90、G91進行絕對坐標與相對坐標間的切換。

纏繞線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(導針移至纏腳位)

N240 G91                    ;切換為相對坐標

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(纏上半圈)

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

N280 M90                    ;局部循環(huán)結束

N290 G90                    ;還原為絕對坐標

N300 G01 X85 Y-370 Z20 F50  ;三軸以高速50%直線插補(過溝槽第一步)

G00、G01、G02指令中X、Y、Z后面的參數(shù)為各自的終點坐標值，R后面的參數(shù)為半徑，單位：毫米；每一條運動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)中進行修改。

循環(huán)多次執(zhí)行相同的運動軌跡時，用相對坐標更為方便。循環(huán)指令M91和M90必須成對使用。

 ③繞線動作雖耗時較多，但并不復雜，只是Z、U兩軸反復做直線插補運動。為了防止繞線軸的坐標值無限累積，并且便于實時顯示繞線圈數(shù)，可于每次繞線開始時用M92指令強制設置U軸的坐標為0。繞線動作代碼如下：

 N430 M92 U0              ;強制設置U軸坐標為0

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

N450 G01 Z40 U1000 F100  ;往Z軸正方向繞線一層(100圈)

N460 G01 Z-40 U1000      ;往Z軸負方向繞線一層(100圈)

N470 M90                 ;局部循環(huán)結束

由于SMC6400具有連續(xù)插補功能，故在Z軸兩個方向來回逐層繞線的動作是連續(xù)進行的，中間沒有停頓。

④對于那些在程序不同階段執(zhí)行的相同動作，可將其模塊化，編寫成一段子程序，在需要的時候調(diào)用即可?？刂茖п樞D(zhuǎn)氣缸動作即為一個子程序，代碼編寫如下：

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

……

N1600 M81 S12     ;導針定位桿縮回

N1610 M82 S22     ;等待導針定位傳感器ON

N1620 M80 S11     ;導針旋轉(zhuǎn)氣缸動作90度

N1630 M82 S21     ;等待導針旋轉(zhuǎn)傳感器ON

N1640 M99         ;子程序返回

 注意：子程序結束處必須要有指令M99。

 ⑤為了確保每次開機后第一次運行時各軸先執(zhí)行回原點動作，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

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)及坐標的最佳值，并調(diào)整時序，使得設備能夠按要求順利運行。調(diào)試的大致步驟：先根據(jù)控制要求設定各軸速度、加速度及脈沖當量等參數(shù)；然后手動尋找各軸每一個動作的精確坐標值，以此修改G代碼的相應參數(shù)；反復運行、修改程序及參數(shù)，直至達到理想效果。

 4. 人機界面

    SMC6400控制器可與支持標準Modbus協(xié)議的觸摸屏進行通訊。事實上，SMC6400已經(jīng)有一套比較完整的觸摸屏程序，用戶只需稍作修改即可使用。在這套觸摸屏程序中，不僅有自動操作、手動操作、參數(shù)設置、相關信息顯示及用戶密碼設定等常規(guī)功能，而且可以直接在觸摸屏上編寫、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)相對復雜時，則可借助于計算機，先用PC機的文本編輯軟件，如：Word、寫字板，以行為單位依次編寫G指令；編寫完成后將其拷貝至G代碼編譯軟件，編譯生成G文件，再通過U盤將生成的G文件下載至SMC6400控制器。

 5. 總結

     經(jīng)過一段時間的調(diào)試，電機線圈全自動繞線機達到了設計要求，X、Y、Z軸的重復定位精度達0.01 mm，最大速度達200 mm/s；U軸重復定位精度達0.1度，最高轉(zhuǎn)速為9000 r/min。該設備得到電機廠認可，已投入正常生產(chǎn)。

綜上所述，SMC6400運動控制器運用G代碼編程，不僅可以完成復雜的多軸運動控制，而且程序簡單直觀，程序開發(fā)時間短。在控制多軸聯(lián)動方面比一般中小型PLC更有優(yōu)勢。