基于FX3U系列PLC和伺服电缸的定位控制系统设计

摘 要：三轴控制系统在生产过程中定位更加精确，运行更加稳定，应用广泛。本篇论文主要介绍了一种教学上用的三轴运动控制系统，该设备以FX3U-32M型号的PLC为核心控制器，利用FX3U内置伺服定位功能与MR-J3伺服放大器相连实现对Z轴的控制；利用FX2N-20GM定位模块控制X和Y轴；触摸屏用于监控三轴运动速度等参数；X，Y和Z三轴由三个伺服电缸组成。通过实际操作与理论知识相结合，让学生对三轴控制系统理解更加深刻。

关键词：三轴控制系统；FX3U-32M型号的PLC；伺服电缸

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.078

1 引言

我国作为一个制造大国，生产制造技术不断发展创新，为了减少人力资源和提高生产率，各行各业的制造商迫切希望提高自己生产设备的自动化程度。提升自动化的程度，相当于降低了人工的投入，并且提高了产品的质量。运动控制是实现自动化的一个重要组成部分。运动控制主要是指对机械执行部件的位置和速度的精确定位和控制管理。其中定位控制为自动化运动控制中的基础控制，本文主要介绍了利用三菱FX3U系列PLC为核心控制，通过FX2N-20GM定位模块连接MR-J3伺服放大器，从而实现对三轴的精确定位控制。三轴控制系统凭借它精确的定位性，强能力大的反应和稳定性，在运动控制系统中具有很强的应用性，并在很多智能化自动设备中广泛应用。

2 三轴控制系统组成

三轴系统的硬件组成，主要有三菱FX3U系列PLC，FX2N-20GM定位模块，MR-J3伺服放大器及伺服电缸。如图1所示为三轴控制系统的硬件结构图。

三菱FX3U-32M型号PLC为第三代整体式微型可编程控制器，具有16个输入和16个输出信号点。此款PLC可向伺服电机输出脉冲信号，从而实现定位控制。FX3U可编程控制器最多可外接8个特殊模块。在本文中，FX3U-32M编程器中内有单独定位功能，用于控制三轴中的Z轴。

FX2N-20GM 配有电源CPU 操作系统输入机械系统输出和I/O 驱动单元它也能独立运行。它配有8 个输入点X00到X007和8个输出点Y00到Y007作为通用用途。在本文设备中，FX2N-20GM模块主要用于X轴和Y轴的定位控制。

伺服電缸是将伺服电机与丝杠一体化设计的模块化产品，将伺服电机的旋转运动转换成直线运动，同时将伺服电机最佳优点-精确转速控制，精确转数控制，精确扭矩控制转变成-精确速度控制，精确位置控制，精确推力控制；实现高精度直线运动系列的全新革命性产品。

3 伺服驱动硬件设计

如图2所示，使用FX-3U内部定位功能连接伺服放大器MR-JE-10A，实现对Z轴伺服电缸的控制。此款FX3U-32M型号PLC为漏型输入输出。X10与X11分别为Z轴正方向极限和反方向极限；DOG为Z轴原点回归信号；FX3U-32M输出端Y0连接伺服放大器PP（10）接口，向Z轴伺服电机发出高速脉冲，驱动Z轴电缸正向运转；Y10与伺服放大器NP（35）接口相连，向Z轴伺服电机发出反向高速脉冲，驱动Z轴电缸反向运行。RD为准备就绪信号，从而激发伺服信号为ON；OP为Z轴编码器信号。

X轴和Y轴通过FX2N特殊定位模块来实现控制。如图3所示为X轴和Y轴的电气接线图。

FX20-20GM中CON2模块用来设定两轴的极限位置和原点回归信号。CON3和CON4分别驱动X轴和Y轴运动，由于放大器接线是相似的，以CON3与伺服放大器配合控制X轴为例。

SVEND从伺服放大器接收INP 定位完成信号；SVRDY从伺服放大器接收READY 信号这表明操作准备已经完成；CLR与CR用于消除设备开启时位置控制计数器累计的脉冲；FP为正向脉冲输出；RP为反向脉冲输出。伺服放大器中EM2为强制停止信号；SON为伺服开启信号；RES为复位信号。

4 伺服参数设定

伺服参数设定如图4-5，伺服放大器软件为MR-Configurator2， 本文所用的伺服放大器为MR-JE-10A型号，使用USB连接设置。在基本设置中，控制模式选为‘位置控制模式，检测器输出脉冲数为4000plus。将输入脉冲形式改为‘脉冲列+符号形式，如图3所示。在伺服调整中将模式调为自动调谐模式调整1，负载惯量比为7即为伺服电机的稳定性。

5 PLC程序编写

本套设备主要用于零件的分送。通过X，Y轴电缸的控制实现定位，确定具体物料位置。通过Z轴的上升下降带动吸盘来提取物料。以三菱FX3U系列PLC为核心控制器进行编程控制。部分程序如下，下面为点动的X轴正反转控制。（见图7）

6 结束语

本篇文章介绍的教学三轴定位系统，可以广泛的应用于各种生产定位控制系统中。以FX3U系列PLC为核心控制，利用FX2N-20GM定位功能模块和伺服放大器MR-J3实现三轴的精确定位，并验证了运动的稳定性。

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项目基金来源：2018年江苏省高职院校青年教师企业实践项目；2017年江苏省高等教育教改研究课题：“四方四核多元共赢”的机电一体化技术实训平台建设研究。

基金：“江苏高校品牌专业建设工程资助项目”，项目编号：PPZY2015A088

作者简介：曹嘉佳（1992-），女，江苏江阴人，硕士，主要从事机电一体化专业的教学与科研工作。