一种基于plc的教学用二维运动示教平台及其实现方法

专利名称：一种基于plc的教学用二维运动示教平台及其实现方法
技术领域：
本发明涉及一种教学实验平台及其实现方法，尤其是利用PLC作为运动控制器的 二维数控实验系统，利用其高速计数器实时记录编码器的运动位置信息，完成示教；通过其 高速脉冲输出端输出高速脉冲，控制两轴电机运转，再现预定运动轨迹的方法，具体地说是 一种基于PLC的教学用二维运动示教平台及其实现方法。
背景技术：
示教功能在传统的焊接机器人、机械手等运动控制中得到了广泛的应用。运动控 制系统通常采用基于PC机编程软件，通过专用的运动控制卡实现对机器人或机械手的示 教。 在许多诸如焊接机器人、雕刻机等工业应用场合，执行机构需要完成的曲线或曲 面往往比较复杂。按照运动学与几何学规律，应该为执行机构所要完成的运动轨迹选取合 适的坐标系，在该坐标系下建立轨迹的数学模型，并采用数学解析方法精确计算出运动轨 迹上各个点的空间坐标。然后将这些点的空间坐标值转换成电机的旋转脉冲，从而控制机 械执行机构依次走完这些点，完成整个运动轨迹。不仅需要计算坐标值的工作量巨大，而且 许多运动轨迹的数学模型也极难获得；这就给使用者造成了很大的麻烦。而利用示教的方 法，操作者就可以通过手动控制各轴电机点动运行，使执行部件末端运动到不同位置，记录 下各个位置点的坐标或者编码器的脉冲数并存储下来；然后执行编写的再现程序，执行机 构就可以再现预定的运动轨迹，这就是示教。示教方法的应用大大简化了获取运动轨迹空 间位置的步骤，使得非专业人员可以方便地获取电机预完成的各种复杂的运动曲线。
随着微电子、通信技术的飞速发展，可编程控制器PLC以其可靠性高、编程灵活、 功能扩展方便、运算速度快等特点，在运动控制领域正越来越受到重视。西门子S7-200系 列PLC具有极高的可靠性以及丰富的内部集成功能，广泛应用于工业及民用领域中的检 测、控制的自动化，如冲压机床、印刷机械、橡胶化工机械，电梯控制，运动控制系统等。
在工业控制领域，上位机加下位机结合起来的双CPU或多CPU进行控制是比较常 见的结构，下位机主要负责实时任务，上位机可以完成监控管理等非实时性任务。上位机与 下位机通常通过工业串行接口进行通信，可以通过VB/VC/Delphi等应用软件编程或通过 WinCC/InTouch/组态王等监控组态软件结合下位机程序变成实现。未来发展方向是现场总 线控制系统。 运动控制是自动化技术的一个分支，运动控制系统中的运动控制器通常采用基于 PC机的ISA或PCI插槽的运动控制板卡，诸如插补运算等功能均集成于运动控制板卡中，对 于一般应用型机电一体化、自动化或机械制造及自动化专业的学生要进行二次开发相对比 较难。而PLC应用是以上专业学生必学科目，学生对PLC的开发环境比较熟悉。但是，现有 小型PLC只集成高速计数输入与高速脉冲输出端，但没有示教、插补运算等功能。而带运动 控制功能的运动控制模块又比较昂贵，且内部程序一般不公开。因此，现有技术无法达到简 单的方法实现运动示教，且适合于应用型大学相关专业的学生学习和使用的要求。
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本发明的目的是针对高等院校或高职院校教学中，现有小型PLC只集成高速计数 输入与高速脉冲输出端，没有示教、插补运算等功能的问题，提出一种基于PLC的教学用二 维运动示教平台及其实现方法。
本发明的技术方案是 —种基于PLC的教学用二维运动示教平台，包括上位计算机PC、下位计算机可编 程控制器PLC、由X向伺服驱动器和Y向伺服驱动器构成的X、Y向伺服驱动器、由X向伺服 电机和Y向伺服电机构成的X、Y向伺服电机、由各功能按键、开关构成的输入部件和二维机 械执行机构，所述的X向伺服电机包括X向电机和X向光电码盘，Y向伺服电机包括Y向电 机和Y向光电码盘，其特征是所述的PC通过串行通信电缆与可编程控制器PLC相连，X向 光电码盘和Y向光电码盘作为所述二维运动示教平台的输入，它们检测运动装置的当前位 置并通过连接电缆分别与各自对应的X向伺服驱动器和Y向伺服驱动器的信号反馈输入 端相连，X向光电码盘和Y向光电码盘的检测信号输出端与可编程控制器PLC的对应检测 信号输入端相连，X向伺服驱动器和Y向伺服驱动器的控制输入端通过连接电缆与可编程 控制器PLC的对应信号输出端相连，X向伺服驱动器和Y向伺服驱动器的控制输出端与相 应的X向电机、Y向电机的控制信号端相连，X向电机和Y向电机作为所述二维运动示教平 台的执行元件，控制二维机械执行机构，输入部件的各控制信号输出端与可编程控制器PLC 的输入端相连。 本发明的可编程控制器PLC设有高速计数输入端、数字输入端、高速脉冲输出端
和数字输出端，可编程控制器PLC作为下位计算机是整个平台的运动控制器。 本发明的二维机械执行机构包括X轴滚珠丝杠副、Y轴滚珠丝杠副、X轴导轨、Y轴
导轨、X轴联轴器、Y轴联轴器、控制工作平台、笔架、绘图笔、电磁阀线圈和底座，X向电机、
Y向电机分别通过X轴联轴器、Y轴联轴器与二维机械执行机构的X轴滚珠丝杠副的丝杠、
Y轴滚珠丝杠副的丝杠相连，二维机械执行机构的底座上固定有笔架，绘图笔通过电磁阀线
圈固定在笔架上，二维机械执行机构的X、Y两轴串联安装，即X轴滚珠丝杠副的丝杠支承与
底座相连，X轴滚珠丝杠副的螺母与Y轴滚珠丝杠副的丝杠支承相连，Y轴滚珠丝杠副的螺
母与控制工作平台相连。 —种基于PLC的教学用二维运动示教实现方法，包括系统回零GTO、示教存储TCS、 运动再现MPB，其特征是它包括以下步骤 (a).系统回零GTO :可编程控制器PLC上电进行控制系统初始化CSI后待机，若可 编程控制器PLC收到系统回零信号，可编程控制器PLC控制二维机械执行机构的X轴、Y轴 到达各自零点位置后等待示教存储信号； (b).示教存储TCS :控制二维机械执行机构的工作平台运动到预定轨迹点后，给 可编程控制器PLC —个系统示教存储信号，可编程控制器PLC将当前轨迹点位置数据DCP 存储到PLC运动记录缓冲区MBF，重复以上步骤可以存储多个轨迹点位置数据到PLC运动记 录缓冲区MBF进行示教存储TCS ; (c).运动再现MPB :给可编程控制器PLC—个运动再现信号，读取PLC运动记录缓 冲区MBF起点位置数据，PLC控制电磁阀线圈通电从而使绘图笔抬起，然后控制工作平台快速回到起点，绘图笔下降后依次读取PLC运动记录缓冲区MBF各轨迹点位置数据控制工作 平台按照示教轨迹运行直到轨迹终点，点到点之间走直线段，运动再现X向、Y向合成速度 可控，进行轨迹点的运动再现。 本发明的上位计算机PC通过串行通信电缆跟下位计算机可编程控制器PLC进行 串行通信，上位计算机PC对可编程控制器PLC进行程序下载和调试；上位计算机PC在示 教存储TCS过程中分批接收下位机可编程控制器PLC的海量示教轨迹数据DTT进行保存； 上位计算机PC在运动再现MPB过程中向下位机可编程控制器PLC分批发送示教轨迹数据 DTT，同时接收下位机可编程控制器PLC运动再现轨迹实时数据RTDP并绘制再现轨迹。
本发明的可编程控制器PLC根据示教存储控制信号将伺服电机当前位置依次记 录在PLC运动记录缓冲区MBF中，PLC运动记录缓冲区MBF被分为相等容量的两部分，第一 部分MBF1存储满后继续存储第二部分MBF2同时将第一部分数据向上位计算机PC发送，第 二部分MBF2存储满后继续存储到第一部分MBFl同时将第二部分数据向上位计算机PC发 送，如此PLC运动记录缓冲区MBF两部分轮流暂时存储和上传数据，示教结束后全部示教轨 迹数据DTT和示教轨迹点总数TTP均上传到上位机PC并保存于相应的文件中；可编程控制 器PLC得到运动再现功能按键信号后，通过串行通信电缆通知上位机PC机进行示教轨迹数 据DTT的传输，上位机PC将示教轨迹点总数TTP和海量示教轨迹数据DTT分批通过串行通 信电缆传输给可编程控制器PLC并存储于运动记录缓冲区MBF，运动记录缓冲区第一部分 MBFl传输存储完毕即开始运动再现功能同时继续传输后续示教轨迹数据DTT并存储于PLC 运动记录缓冲区第二部分MBF2，运动记录缓冲区第一部分MBFl的数据供运动再现使用完 毕进入第二部分MBF2数据的运动再现读取使用后才继续通知上位机PC继续传输后续示教 轨迹数据DTT，如此轮流直到运动再现结束，保证运动记录缓冲区MBF每一部分传输存储时 间小于每一部分运动再现执行时间，以免发生数据冲突。
本发明的有益效果 本发明利用PLC作为主控部件，将光电码盘的脉冲信号接入可编程控制器PLC的 高速计数器，通过示教等功能按键，记录下示教路径的信息并存储到PLC的数据块中；通过 再现程序，控制执行机构完成示教路径的再现；通过上位机与下位机编程通信，实现示教路 径记录点的无限点扩充；通过上位机PC与PLC的通信，在上位机PC屏幕中绘制出两轴示教 路径与再现路径的实时曲线。可以针对高等院校或高职院校自动化、机电一体化、机械制造 及其自动化等相关专业的学生作如下训练PLC在运动控制系统中的应用、伺服系统认知、 上位机监控技术、机器示教技术、插补技术等，在此开放数控系统基础上方便地进行二次开 发，进行相关实验和研究，进一步在工业领域应用。 本发明利用可编程控制器PLC的高速计数器和高速脉冲输出实现了两轴运动控 制示教与再现功能，系统具有体积小、抗干扰能力强、功能扩展方便等特点；如果示教的位 置点足够多，两点间距离足够小，则系统能够达到一定再现精度的要求；通过硬件扩展，目 前的两轴可以拓展为多轴，在焊接机器人、雕刻机等需要轮廓控制的运动控制场合均有广 泛应用。


图1是本发明的结构框图。
图2是本发明的结构示意图。 图3是本发明的功能实现流程图。 图4是本发明的示教存储及示教轨迹数据上传示意图。 图5是本发明的运动再现数据传输示意图。 图中1、计算机PC; 2、可编程控制器PLC ;201、高速计数输入端；202、数字输入端；203、高速脉冲输出
端；204、数字输出端； 3、 X、 Y向伺服驱动器；301、 X向伺服驱动器；302、 Y向伺服驱动器； 4、X向、Y向伺服电机;401、X向电机;402、Y向电机;403、X向光电码盘;404、Y向
光电码盘； 5、二维机械执行机构；501、X轴滚珠丝杠副；502、Y轴滚珠丝杠副；503、X轴导轨； 504、 Y轴导轨；505、 X轴联轴器；506、 Y轴联轴器；507、工作平台；508、笔架；509、绘图笔；
510、电磁阀线圈；511、底座； 6、输入部件；601、系统回零功能按键；602、 X正向点动功能按键；603、 X负向点动 功能按键；604、 Y正向点动功能按键；605、 Y负向点动功能按键；606、示教存储功能按键； 607、运动再现功能按键；608、示教结束功能按键；609、X轴零点开关；610、Y轴零点开关。 GTO :系统回零；TCS :示教存储；MPB :运动再现；CSI :控制系统初始化；DCP :当前 轨迹点位置数据；MBF :PLC运动记录缓冲区；MBF1 :运动记录缓冲区第一部分；MBF2 :运动 记录缓冲区第二部分；DTT :示教轨迹数据；RTDP :运动再现轨迹实时数据；TTP :示教轨迹 点总数。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。 —种基于PLC的教学用二维运动示教平台，包括上位计算机PC1、下位计算机可编 程控制器PLC2、由X向伺服驱动器301和Y向伺服驱动器302构成的X、Y向伺服驱动器3、 由X向伺服电机和Y向伺服电机构成的X、Y向伺服电机4、由各功能按键、开关构成的输入 部件6和二维机械执行机构5，所述的X向伺服电机包括X向电机401和X向光电码盘403， Y向伺服电机包括Y向电机402和Y向光电码盘404，其特征是所述的PC1通过串行通信电 缆与可编程控制器PLC2相连，X向光电码盘403和Y向光电码盘404作为基于PLC的教学 用二维运动示教平台的输入检测运动装置的当前位置并通过连接电缆分别与各自对应的X 向伺服驱动器301和Y向伺服驱动器302的信号反馈输入端相连，X向伺服驱动器301和Y 向伺服驱动器302的控制输入端通过连接电缆与可编程控制器PLC2的对应信号输出端相 连，X向伺服驱动器301和Y向伺服驱动器302的控制输出端与相应的X向电机401、 Y向 电机402的控制信号端相连，X向电机401和Y向电机402作为基于PLC的教学用二维运 动示教平台的执行元件控制二维机械执行机构5，输入部件6的输出与可编程控制器PLC2 的输入端相连。所述的X向光电码盘403和Y向光电码盘404作为基于PLC的教学用二维 运动示教平台的输入检测运动装置的当前位置并与可编程控制器PLC2的对应检测信号输 入端相连。 本发明的可编程控制器PLC2设有高速计数输入端201、数字输入端202、高速脉冲输出端203和数字输出端204，可编程控制器PLC2作为下位计算机是整个平台的运动控制 器。 本发明的二维机械执行机构5包括X轴滚珠丝杠副501、Y轴滚珠丝杠副502、X轴 导轨503、Y轴导轨504、X轴联轴器505、Y轴联轴器506、控制工作平台507、笔架508、绘图 笔509、电磁阀线圈510和底座511， X向电机401、 Y向电机402分别通过X轴联轴器505、 Y轴联轴器506与二维机械执行机构5的X轴滚珠丝杠副501的丝杠、Y轴滚珠丝杠副502 的丝杠相连，二维机械执行机构5的底座511上固定有笔架508，绘图笔509通过电磁阀线 圈510固定在笔架508上，二维机械执行机构5的X、 Y两轴串联安装，即X轴滚珠丝杠副 501的丝杠支承与底座511相连，X轴滚珠丝杠副501的螺母与Y轴滚珠丝杠副502的丝杠 支承相连，Y轴滚珠丝杠副502的螺母与控制工作平台507相连。 —种基于PLC的教学用二维运动示教实现方法，包括系统回零GTO、示教存储TCS、 运动再现MPB，可编程控制器PLC2上电进行控制系统初始化CSI后待机，通过系统回零功能 按键601给可编程控制器PLC2 —个系统回零信号，可编程控制器PLC2控制二维机械执行 机构5的X轴、Y轴到达各自零点位置后等待示教存储信号；通过X正向、X负向、Y正向、Y 负向点动功能按键602、603、604、605控制二维机械执行机构5的工作平台507运动到预定 轨迹点后通过示教存储功能按键606给可编程控制器PLC2 —个系统示教存储信号，可编程 控制器PLC2将当前轨迹点位置数据DCP存储到PLC运动记录缓冲区MBF，重复以上步骤可 以存储多个轨迹点位置数据到PLC运动记录缓冲区MBF进行示教存储TCS ;通过运动再现 功能按键607给可编程控制器PLC2 —个运动再现信号，读取PLC运动记录缓冲区MBF起点 位置数据，PLC控制电磁阀线圈510通电从而使绘图笔509抬起，然后控制工作平台507快 速回到起点，绘图笔509下降后依次读取PLC运动记录缓冲区MBF各轨迹点位置数据控制 工作平台507按照示教轨迹运行直到轨迹终点，点到点之间走直线段，运动再现X向、Y向 合成速度可控。通过PC1与可编程控制器PLC2的数据交换与控制，可以实现无限轨迹点的 示教与再现。 本发明的上位计算机PC1通过串行通信电缆跟下位计算机可编程控制器PLC2进 行串行通信，结合应用软件上位计算机PC1对可编程控制器PLC2进行程序下载和调试；上 位计算机PC1在示教存储TCS过程中分批接收下位机可编程控制器PLC2的海量示教轨迹 数据DTT进行保存；上位计算机PC1在运动再现MPB过程中向下位机可编程控制器PLC2分 批发送示教轨迹数据DTT，同时接收下位机可编程控制器PLC2运动再现轨迹实时数据RTDP 并软件绘制再现轨迹。可编程控制器PLC2根据示教存储功能按键606控制信号将伺服电 机当前位置依次记录在PLC运动记录缓冲区MBF中，PLC运动记录缓冲区MBF被分为相等 容量的两部分，第一部分MBF1存储满后继续存储第二部分MBF2同时将第一部分数据向上 位计算机PC1发送，第二部分MBF2存储满后继续存储到第一部分MBF1同时将第二部分数 据向上位计算机PC1发送，如此PLC运动记录缓冲区MBF两部分轮流暂时存储和上传数据， 示教结束后全部示教轨迹数据DTT和示教轨迹点总数TTP均上传到上位机PCI并保存于相 应的文件中；可编程控制器PLC2得到运动再现功能按键607信号后，通过串行通信电缆通 知上位机PCI机进行示教轨迹数据DTT的传输，上位机PCI将示教轨迹点总数TTP和海量 示教轨迹数据DTT分批通过串行通信电缆传输给可编程控制器PLC2并存储于运动记录缓 冲区MBF，运动记录缓冲区第一部分MBFl传输存储完毕即开始运动再现功能同时继续传输
8后续示教轨迹数据DTT并存储于PLC运动记录缓冲区第二部分MBF2，运动记录缓冲区第一 部分MBF1的数据供运动再现使用完毕进入第二部分MBF2数据的运动再现读取使用后才继 续通知上位机PCI继续传输后续示教轨迹数据DTT，如此轮流直到运动再现结束，保证运动 记录缓冲区MBF每一部分传输存储时间小于每一部分运动再现执行时间，以免发生数据冲突。 实施例一 —种基于PLC的教学用二维运动示教平台，如图1和图2所示，它包括带有位置传 感器的X伺服电机、带有位置传感器的Y伺服电机、可编程控制器PLC(采用西门子S7-200 系列的CPU 226DC/DC/DC)和PC机，所述的带有位置传感器的伺服电机(型号为富士 GYS201DC2-T2C)的光电码盘信号接入伺服驱动器(型号为富士 RYC201D3-VV2)，伺服驱动 器工作在位置控制模式。光电码盘信号经转换处理后输出增量式正交编码脉冲信号，作为 基于PLC的教学用二维运动示教平台的输入检测运动装置当前位置并与可编程控制器PLC 的对应检测信号输入端相连，X向伺服驱动器和Y向伺服驱动器的各控制输入端与可编程 控制器PLC的对应信号输出端相连。可编程控制器PLC与PC机的对应信号端连接，PC机 作为基于PLC两轴运动控制的示教与再现系统的输出显示运动装置的运动轨迹。
该可编程控制器PLC具有4个最高20KHz的正交高速脉冲计数器，能够对输入的 正交编码脉冲信号进行4分频，本例采用其中的两个，即HSC1和HSC2 ;2个最高20KHz的 高速脉冲输出；共有与高速计数输入端复用的24个数字输入端和与高速脉冲输出端复用 的16个数字输出端；其布尔型指令执行时间只有0. 22 s。高速脉冲输出端分别接X向、 Y向伺服驱动器脉冲输入口 ；数字输出端分别用作两电机方向控制信号；X、Y向伺服电机的 位置传感器的增量式正交编码信号分别接到PLC高速计数输入的相应接口，用以检测当前 位置。 图3是本平台功能实现流程图。该图描述了 PLC的控制系统初始化SI步、系统回 零S2 S3步、示教存储S4a S8a步和运动再现S4b S9b步四个分流程。PLC上电即进 行系统初始化CSI， Sl步主要完成高速计数器HSC1、 HSC2的配置和开启；示教轨迹点总数 TTP计数器Cl和相应存储单元清零；将运动记录缓冲区首地址取出存放作数据存储指针等 操作。 S2步PLC不断扫描系统回零功能按键601上升沿，S3步进行系统回零，控制伺服 电机定向慢速旋转，使工作台向系统零点(或称原点、参考点)靠近，当X轴零点开关得到 一个上升沿信号则停止X向伺服电机的运转，同样当Y轴零点开关得到一个上升沿信号则 停止Y向伺服电机的运转，从而实现系统回零GT0。 系统回零后，可进入两条选择支路， 一条示教存储TCS，另一条运动再现MPB，分别 以示教存储功能按键和运动再现功能按键来选择分支，进入一条分支后，只要没回到系统 回零后状态，就不能实现另一分支功能。 在示教存储TCS功能流程中，S4a步操作人员选择按下X正向、X负向、Y正向或 Y负向4个点动功能按键，可以控制工作平台移动到预定位置；S5a步判断示教存储功能按 键上升沿；S6a步为记录当前电机的位置数据到PLC运动记录缓冲区，指针指向下一存储单 元，重复以上步骤可以存储多个轨迹点位置数据到PLC运动记录缓冲区MBF ;S7a步扫描判 断示教结束功能按键上升沿；S8a步将全部示教轨迹数据DTT和示教轨迹点总数TTP均上传到上位机PC1并保存于上位机示教轨迹数据文件中，完成示教存储TCS。
在运动再现MPB功能流程中，点到点之间走直线段，每走完一轨迹点称为走一步。 其实质是示教存储时根据轨迹曲率半径和偏差的需要，实行一种插补周期可变的粗直线插 补。图3中，S4b步扫描运动再现功能按键607上升沿；S5b步读取PLC运动记录缓冲区MBF 起点位置数据，PLC控制电磁阀线圈510通电从而使绘图笔509抬起，然后控制工作平台 507快速回到起点，绘图笔509下降，高速脉冲输出功能打开；S6b步根据下一点和当前点位 置数据预备X、 Y向伺服驱动器的脉冲数、脉冲频率和方向信号。读取PLC运动记录缓冲区 MBF下一轨迹点位置数据，将下一点位置数据减去当前点位置数据，根据两者之差的符号判 别方向而置位或复位PLC相应数字输出端，两者之差的绝对值为本步两轴的脉冲数，PLC根 据合成速度、每步X、 Y向所需脉冲数按照勾股定理分配X、 Y向脉冲频率，从而保证点到点 之间走直线段，数据准备好后示教轨迹点总数自减1运算，PLC高速脉冲输出端以脉冲串输 出PTO方式输出占空比50 %的高速脉冲，辅以方向信号控制X、 Y向伺服电机旋转，使执行 机构拟合预定的运动轨迹走一步；S7b步判断本次走步程序两轴是否都已走到目标点；S8b 步判断所有示教轨迹数据点是否走完；从而控制工作平台507按照示教轨迹运行直到轨迹 终点。S9b步根据S8b的判断停止高速脉冲输出，回到系统回零后的状态而待机。运动再现 的X向、Y向合成速度可由上位机PC1给定。 图4和图5是PLC结合上位机PC和相关应用软件进行示教无限点扩展的数据流 示意图。示教轨迹数据的上传和运动再现数据的传输可通过PC机安装VB/VC/Delphi等应 用软件编程实现。 图4是示教存储及示教轨迹数据上传示意图。图4中，可编程控制器PLC2根据 示教存储功能按键606控制信号将伺服电机当前位置依次记录在PLC运动记录缓冲区MBF 中，PLC运动记录缓冲区MBF被分为相等容量的两部分，第一部分MBF1示教存储满后继续示 教存储第二部分MBF2，开始示教存储第二部分MBF2后，此时将第一部分数据批量向上位计 算机PC1发送并被存储于上位机示教轨迹数据文件相应位置；第二部分MBF2示教存储满后 继续示教存储到第一部分MBF1，开始示教存储第一部分MBF1后，此时将第二部分数据向上 位计算机PC1发送并依次存储于上位机示教轨迹数据文件。如此PLC运动记录缓冲区MBF 两部分轮流存储和上传数据，示教结束功能按键608给PLC—个示教结束信号后余下最后1 个或不满1个运动记录缓冲区第一部分MBF1/第二部分MBF2的示教轨迹数据DTT上传到 上位机PC1并保存于上位机示教轨迹数据文件中相应位置，同时将示教轨迹点总数TTP数 值上传存储于上位机示教轨迹数据文件首单元并停止数据上传。可根据需要同时将示教轨 迹绘制于PC机屏幕。 图5是运动再现数据传输示意图。图5中，可编程控制器PLC2得到运动再现功能 按键607信号后，通过串行通信电缆通知上位机PC1机进行示教轨迹数据DTT的传输，上位 机PC1将示教轨迹点总数TTP和海量示教轨迹数据DTT分批通过串行通信电缆传输给可编 程控制器PLC2并存储于运动记录缓冲区MBF。运动记录缓冲区第一部分MBF1传输存储完 毕即开始运动再现功能同时继续传输后续示教轨迹数据DTT并存储于PLC运动记录缓冲区 第二部分MBF2 ;运动记录缓冲区第一部分MBF1的数据运动再现使用完毕转而进入第二部 分MBF2数据调用执行运动再现后，此时通知上位机PC1继续传输后续示教轨迹数据DTT，如 此轮流直到最后一批示教轨迹数据传输并存储于PLC运动控制缓冲区供PLC调用进行运动再现直到示教轨迹点总数等于0而结束。合理设置运动记录缓冲区MBF的大小，保证运动 记录缓冲区MBF每一部分传输存储时间远小于每一部分运动再现执行时间，以免发生数据 冲突或运动再现过程的非正常停顿。开始运动再现前上位机可将示教轨迹绘制于PC机屏 幕；运动再现过程中可通过上位机改变X、Y向的合成速度，在运动再现数据载入之余，可以 进行运动再现轨迹的实时绘制，其颜色、线形、粗度可以与示教轨迹有所区别。
安装有STEP 7Micro/WIN V4. 0的PC机通过PPI协议进行PLC程序的下载、调 试。运动轨迹的绘制可通过VB/VC/Delphi等编程实现或通过上位机监控组态软件WinCC/ Intouch/KingView等编程实现，比如可以通过访问西门子的OPC服务器PC Access,上位机 监控软件WinCC能够及时读取PLC数据块中运动轨迹的位置信息，并存储为XML文件；通过 WinCC来绘制X、Y轴实时运动曲线。 本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
权利要求
一种基于PLC的教学用二维运动示教平台，包括上位计算机PC(1)、下位计算机可编程控制器PLC(2)、由X向伺服驱动器(301)和Y向伺服驱动器(302)构成的X、Y向伺服驱动器(3)、由X向伺服电机和Y向伺服电机构成的X、Y向伺服电机(4)、由各功能按键、开关构成的输入部件(6)和二维机械执行机构(5)，所述的X向伺服电机包括X向电机(401)和X向光电码盘(403)，Y向伺服电机包括Y向电机(402)和Y向光电码盘(404)，其特征是所述的PC(1)通过串行通信电缆与可编程控制器PLC(2)相连，X向光电码盘(403)和Y向光电码盘(404)作为所述二维运动示教平台的输入，它们检测运动装置的当前位置并通过连接电缆分别与各自对应的X向伺服驱动器(301)和Y向伺服驱动器(302)的信号反馈输入端相连，X向光电码盘(403)和Y向光电码盘(404)的检测信号输出端与可编程控制器PLC(2)的对应检测信号输入端相连，X向伺服驱动器(301)和Y向伺服驱动器(302)的控制输入端通过连接电缆与可编程控制器PLC(2)的对应信号输出端相连，X向伺服驱动器(301)和Y向伺服驱动器(302)的控制输出端与相应的X向电机(401)、Y向电机(402)的控制信号端相连，X向电机(401)和Y向电机(402)作为所述二维运动示教平台的执行元件，控制二维机械执行机构(5)，输入部件(6)的各控制信号输出端与可编程控制器PLC(2)的输入端相连。
2. 根据权利要求1所述的二维运动示教平台，其特征是所述的可编程控制器PLC(2)设 有高速计数输入端(201)、数字输入端(202)、高速脉冲输出端(203)和数字输出端(204)， 可编程控制器PLC(2)作为下位计算机是整个平台的运动控制器。
3. 根据权利要求l所述的二维运动示教平台，其特征是所述的二维机械执行机构(5) 包括X轴滚珠丝杠副(501) 、 Y轴滚珠丝杠副(502) 、 X轴导轨(503) 、 Y轴导轨(504) 、 X轴 联轴器(505)、Y轴联轴器(506)、控制工作平台(507)、笔架(508)、绘图笔(509)、电磁阀线 圈(510)和底座(511)， X向电机(401)、 Y向电机(402)分别通过X轴联轴器(505) 、 Y轴 联轴器(506)与二维机械执行机构(5)的X轴滚珠丝杠副(501)的丝杠、Y轴滚珠丝杠副 (502)的丝杠相连，二维机械执行机构(5)的底座(511)上固定有笔架(508)，绘图笔(509) 通过电磁阀线圈(510)固定在笔架(508)上，二维机械执行机构(5)的X、Y两轴串联安装， 即X轴滚珠丝杠副(501)的丝杠支承与底座(511)相连，X轴滚珠丝杠副(501)的螺母与Y 轴滚珠丝杠副(502)的丝杠支承相连，Y轴滚珠丝杠副(502)的螺母与控制工作平台(507) 相连。
4. 一种利用如权利要求l-3之一所述的二维运动示教平台进行示教的方法，包括系统 回零GTO、示教存储TCS、运动再现MPB，其特征是它包括以下步骤(a) .系统回零GT0:可编程控制器PLC(2)上电进行控制系统初始化CSI后待机，若可 编程控制器PLC(2)收到系统回零信号，可编程控制器PLC(2)控制二维机械执行机构(5) 的X轴、Y轴到达各自零点位置后等待示教存储信号；(b) .示教存储TCS :控制二维机械执行机构(5)的工作平台(507)运动到预定轨迹点 后，给可编程控制器PLC(2) —个系统示教存储信号，可编程控制器PLC(2)将当前轨迹点位 置数据DCP存储到PLC运动记录缓冲区MBF，重复以上步骤可以存储多个轨迹点位置数据到 PLC运动记录缓冲区MBF进行示教存储TCS ;(c) .运动再现MPB :给可编程控制器PLC (2) —个运动再现信号，读取PLC运动记录缓 冲区MBF起点位置数据，PLC控制电磁阀线圈(510)通电从而使绘图笔(509)抬起，然后控制工作平台(507)快速回到起点，绘图笔(509)下降后依次读取PLC运动记录缓冲区MBF 各轨迹点位置数据控制工作平台(507)按照示教轨迹运行直到轨迹终点，点到点之间走直 线段，运动再现X向、Y向合成速度可控，进行轨迹点的运动再现。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征是所述的上位计算机PC(1)通过串行通信电 缆跟下位计算机可编程控制器PLC(2)进行串行通信，上位计算机PC(l)对可编程控制器 PLC(2)进行程序下载和调试；上位计算机PC(l)在示教存储TCS过程中分批接收下位机可 编程控制器PLC(2)的海量示教轨迹数据DTT进行保存；上位计算机PC(l)在运动再现MPB 过程中向下位机可编程控制器PLC(2)分批发送示教轨迹数据DTT，同时接收下位机可编程 控制器PLC(2)运动再现轨迹实时数据RTDP并绘制再现轨迹。
6. 根据权利要求4所述的方法，其特征是可编程控制器PLC(2)根据示教存储控制信 号将伺服电机当前位置依次记录在PLC运动记录缓冲区MBF中，PLC运动记录缓冲区MBF 被分为相等容量的两部分，第一部分MBF1存储满后继续存储第二部分MBF2同时将第一部 分数据向上位计算机PC(l)发送，第二部分MBF2存储满后继续存储到第一部分MBF1同时 将第二部分数据向上位计算机PC(l)发送，如此PLC运动记录缓冲区MBF两部分轮流暂时 存储和上传数据，示教结束后全部示教轨迹数据DTT和示教轨迹点总数TTP均上传到上位 机PC(l)并保存于相应的文件中；可编程控制器PLC(2)得到运动再现功能按键(607)信号 后，通过串行通信电缆通知上位机PC(l)机进行示教轨迹数据DTT的传输，上位机PC(l)将 示教轨迹点总数TTP和海量示教轨迹数据DTT分批通过串行通信电缆传输给可编程控制器 PLC(2)并存储于运动记录缓冲区MBF，运动记录缓冲区第一部分MBF 1传输存储完毕即开 始运动再现功能同时继续传输后续示教轨迹数据DTT并存储于PLC运动记录缓冲区第二部 分MBF2，运动记录缓冲区第一部分MBF1的数据供运动再现使用完毕进入第二部分MBF2数 据的运动再现读取使用后才继续通知上位机PC(l)继续传输后续示教轨迹数据DTT，如此 轮流直到运动再现结束，保证运动记录缓冲区MBF每一部分传输存储时间小于每一部分运 动再现执行时间，以免发生数据冲突。
全文摘要
一种基于PLC的教学用二维运动示教平台及其实现方法，包括上位计算机PC(1)、下位计算机可编程控制器PLC(2)、由X向伺服驱动器(301)和Y向伺服驱动器(302)构成的X、Y向伺服驱动器(3)、由X向电机(401)、Y向电机(402)、X向光电码盘(403)和Y向光电码盘(404)构成的X、Y向伺服电机(4)、二维机械执行机构(5)和输入部件(6)。本发明利用高速计数器和高速脉冲输出实现了两轴运动控制示教与再现功能，系统具有体积小、抗干扰能力强、功能扩展方便等特点；通过硬件扩展，目前的两轴可以拓展为多轴，在焊接机器人、雕刻机等需要轮廓控制的运动控制场合均有广泛应用。
文档编号G09B19/00GK101739865SQ20091023262
公开日2010年6月16日 申请日期2009年12月3日 优先权日2009年12月3日
发明者孙承志, 季鹏, 熊田忠 申请人:三江学院