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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

随着工业化进程的不断推进及工业4.0概念的提出，各国对工业生产自动化、集成化、智能化的要求也在不断加强。自动化技术的发展使多轴机械运动平台成为了现代制造生产系统中的一个重要组成部分。多轴运动平台作为空间运动机构可以在高温、高压、潮湿、粉尘等恶劣环境下代替人类完成无法完成的操作，因此在工业生产领域得到了广泛的应用。可根据平台的搭建方式和工具的选取组合应用于自动点胶机，焊锡机，喷码机，锁螺机，摆料机等。多轴机械运动平台的广泛应用，对其运动控制的要求不断提高，准确的定位、移动、停车已成为对多轴平台运行性能的基本要求，也成为自动生产过程中降低作业成本、提高作业能力和效率的重要保证。因此对多轴平台控制系统的研究具有重要的显示意义和应用前景。

以三轴平台控制系统为研究对象，以plc为核心控制器，应用伺服驱动、传感器监测、触摸屏技术，结合电气驱动等多项技术，通过对控制系统的设计，实现三轴平台轨迹运动，以此推动部分制造业向着自动化，智能化转型，以达到提高生产效率和提高产品精度的目的。了解plc的工作原理，具备设计、调试和维护plc控制系统的能力，已经成为现代工业对电气技术人员和工科学生的基本要求。

国内外研究现状

基于plc的三轴运动平台发展源自于可编程逻辑控制器工艺的不断进步以及对工业生产自动化的不断追求，可编程逻辑控制器plc 产生于20世纪60 年代末的美国马萨诸塞州, 以准计算机的形式出现。其功能一般只用于单一工序的自动控制, 可以说是一种继电器控制装置的替代物。但在i/o 接口电路上有些改进以便适应工业控制现场的要求, 器件选择上使用了磁芯存储器、分立元件和中小规模集成电路以提高抗干扰能力。软件方面采用梯形图,易被电气工程技术人员接受, 性能优于普通继电器控制装置。

2. 研究的基本内容

本课题的研究内容如下：

1．总结三轴平台控制系统的研究背景和控制特点，归纳三轴平台控制系统的应用范围，并选择其中一种，例如三轴平台示教绘图，进行具体设计。深入理解机器人示教功能以及三轴平台直线、圆弧插补的功能实现，建立该控制系统的控制模型，给出设计要求和控制要求，构建基本的设计框架，并据此绘制出程序设计的顺序功能图。

2．使用plc的通信接口，实现plc与触摸屏的通讯。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

实施方案：

本课题拟针对三轴运动平台的发展需要，基于信捷XDC系列PLC设计一种三轴控制运动平台系统，设计采用PLC和触摸屏控制。

1.控制要求：

三轴运动控制平台动作复杂，要求控制系统能够实现各轴点动控制、定位控制、PBPATH机器人指令控制。操作简单迅速，使用方便，系统稳定、维护量小，使用环境安全。这是三轴运动平台的基本特点。

三轴平台对控制系统主要有下面几个方面的要求：

各轴软限位报警：三轴平台运行过程中存在高速运行过程，为了避免电机出现撞停抱死的情况，我们需要给各轴伺服驱动器内部寄存器设软限位报警，当电机超程时驱动器报警，电机停止运行。

高速、高精度：由于三轴平台应用范围广泛，不乏一些对控制精度要求较高的设备，要求传动装置能以高速运行，同时要保证平台运行位置的准确平稳。

2.工艺要求：

(1)各轴能够点动正反转，软限位报警。

(2)回机械原点

①已在原点→中速离开原点开关→慢速接近原点开关

②不在原点→快速返回接近原点开关→中速离开原点开关→慢速接近原点开关

(3)回电气原点

①设置相对机械原点的绝对位置

②直接点回电气原点，程序自动先回机械原点再回电气原点。

(4)示教再现

示教再现是一种可重复再现通过示教编程存储起来的作业程序的功能。在触摸屏上绘制好点动的工作环境、分配好示教所用的寄存器，将需要绘制的图形放在三轴平台正下方，在完成回原点操作后，通过触摸屏点动控制三轴平台联动并将图形中线段点的位置及属性存放在相应寄存器中。

如果是圆弧插补，需要根据起点坐标、终点坐标和半径换算出圆弧上的一个经过点坐标（X，Y）。

(5)制作若干组配方存储

(6)参数自检

设置X、Y、Z轴运行范围；

所有X、Y、Z轴坐标不能超过运行范围；

超出范围提示报警。

(7)动作顺序

启动→（判断在不在电气原点位置）①在：启动

②不在：报警提示（调用回原点）

半自动模式：加工一个产品自动停机回机械原点再回电气原点。

启动中停止按钮相当于暂停，再次按启动可以继续运行。

全自动模式：根据设定的数量自动停机。

启动中停止按钮相当于暂停，再次按启动可以继续运行。

(8)触摸屏画布功能

示教后，通过画布显示，在触摸屏上显示示教的图形。

(9)机械参数开放：丝杆螺距、减速比、伺服每圈脉冲等等。

(10)做四级密码锁:分一级密码锁，二级密码锁，三级密码锁，四级密码锁。比如一级密码锁设置三个月，三个月时间到，机器停机，不能运行。需要一级密码锁破解，一级密码破解后，二级密码自动生效，以此类推。

(11)原点开关损坏，总线故障，伺服故障，误操作报警齐全。

(12)HMI美观。

3.控制系统设备选型

设备	型号	数量
PLC	XDC-60C4-E	1
触摸屏	TG765-MT	1
伺服驱动器	DS3E-20P4-PFA	3
运动总线扩展板	XD-NE-BD	1
总线通讯模块	JA-NE-L	3
接近开关	TL－W3MC1	6
电机	MS-60STE-M01330B-20P4	3

不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程环境、价格各不相同，使用场合也各有侧重。由于这次我用到了RBPATH机器人指令需要用到现场总线和运动总线的功能，并且综合考虑容量、I/O模块、电源模块、拓展模块、通讯方式等方面，所以选择了信捷XDC系列PLC。

4.设计过程流程图：

进度安排：

2017年12月1日-12月20日 查阅资料，确定选题

2018年1月1日-1月19日 填写任务书

2018年1月20日-2月28日 完成开题报告

2018年1月-3月 搜集相关资料，归纳总结PLC的相关知识点以及学习多轴运动平台相关知识来帮助更加轻松地理解本课题的主要实现功能和原理，以及现实生活中的应用。

2018年3月-4月 完成三轴平台相关设计，学习触摸屏软件，通过学习触摸屏软件以及PLC的相关知识完成三轴平台的设计，搭建三轴平台机械并调试程序，对控制效果进行比较分析。

2018年5月-6月 总结全文，完成毕业论文的撰写

预期效果：

本课题研究内容在实际工业生产中有很大作用,将会提高工业生产的自动化、产品加工精细化。当用户将运行轨迹示教好并以配方的方式保存下来，那么生产产品时可以方便的调用。在平台Z轴应用不同工具可以实现绘图、点胶、切割等多种涉及轨迹运动的工作。

4. 参考文献

[1] 张崇巍，李汉强.运动控制系统[m].武汉:武汉理工大学出版社.2002.

[2] 党媚.基于s7-200 smart plc 三轴运动控制系统设计[j].自动化与仪器仪表，2015（9）：92-94.

[3] 邵强，邵诚.基于plc的直线插补控制及其实现[j].机械设计与制造，2007（8）：122-123.