螺旋线插补
深圳市雷赛智能控制股份有限公司 聂国强 左 力
摘 要：SMC6480运动控制器与传统PLC运动控制系统相比在编程灵活性、插补性能及成本控制方面具有极大优势：其不但具有PLC的I/O逻辑控制功能，而且不需要任何扩展模块即可实现高精度直线插补、圆弧插补、螺旋插补等轨迹控制。本文通过一个锂电池焊接机运动控制系统的案例，详细介绍了采用SMC6480运动控制器通过BASIC程序控制多轴复杂轨迹的方法。
关键词：运动控制器、BASIC程序、电池焊接
一 运动控制器的特点
SMC6480运动控制器是雷赛智能自主研发的基于10/100M以太网的通用型独立式运动控制器，可支持多个控制器和PC机组成运动控制系统；也可应用于各种单工位自动化设备上。
本控制器可控制4个步进或伺服电机，具有轨迹控制、网络控制等高级功能。基于FPGA的硬件结构，确保SMC6480控制器实现运动控制的高性能和系统运行的稳定性。运动控制算法及控制模块如：直线插补、圆弧插补、指令脉冲速度控制、原点及限位等信号的检测处理，均由运动控制器完成。
二 BASIC指令集的特点
SMC6480运动控制器采用雷泰公司自主开发的BASIC指令集编写用户的控制程序，通过简单的编程、参数设定即可开发出稳定可靠、高性能、高速连续轨迹运动控制系统。该指令集具有如下优点：
1．简单易学：基本的程序指令和Visual BASIC兼容；电机控制指令十分简单。和常用的PC机编程语言相比，该指令集具有统一变量类型、动态参数识别等特点，使用更加灵活。
2．交互性强：程序为解释执行方式，可以实时交互控制，用户可以随时了解程序执行的状态。
3．实时多任务：可以同时运行6个子任务，所以具有强大的实时多任务处理功能。
4. 中断响应：定时器信号、通用数字输入信号、限位信号可作为中断源，中断处理程序使控制器的响应速度更快。
三 电池焊接机的运动轨迹
某客户电池焊接机要求焊接电池端面顶部跑道形轨迹，产品外形如图1、图2所示。焊接轨迹如图3所示。
图1 电池产品外形一 图2 电池产品外形二
图3 焊接轨迹图
该电池焊接机的机械结构很特殊：X轴上固定Y轴，Y轴上固定U轴；电池工装固定在U轴上；激光焊接头水平固定，如图4所示。在焊接过程中焊接头始终保持和焊缝垂直的状态。
图4 焊接机俯视图
在运动控制器的控制之下，电池运动的位置如图5所示变化，先是C1位、然后是C2、C3、C4、C5和C6位。
图5 运动轨迹俯视图
如图6所示，电池的运动可以分解为X、Y轴的圆弧插补运动和U轴的旋转运动；即U轴的轴心OU绕圆心点O做圆弧插补运动；同时，电池绕U轴的轴心OU做旋转运动。当圆弧插补运动的圆心角a和电池绕U轴的转角b相等时，相当于电池绕圆心O做旋转运动。
图6 运动轨迹分析
电池焊缝上的点P0运动到P（m，n）处的轨迹方程为：
m = R sin a
n = R cos a
其中R为图6中的线段OP。
显然，该轨迹就是复合运动所产生的圆弧。在SMC6480运动控制器的BASIC程序中，调用螺旋插补命令，该复合运动就可以十分简单地完成。
四 电池焊接机的硬件结构
设备控制系统硬件结构图如图7所示。客户通过以太网从PC机下载BASIC程序至SMC6480运动控制器；机器正常运行时，不需要PC机参与工作。触摸屏通过串口与SMC6480交换信息、显示控制器的运动状态，接收操作者的指令。
图7 设备硬件系统结构图
五 焊接机BASIC程序
电池外形尺寸如图8所示，触摸屏界面如图9所示。
图8 焊接轨迹图
图9 触摸屏界面
BASIC程序代码如下：
auto: ’开机自动运行程序
Dim speed1 ’定义速度变量
FLASH_READ 1, speed1 ’读取已储存在Flash中的速度值
modbus_reg(2) = speed1 ’将读取的速度值显示在触摸屏上
run_state = 1 ’ 定义运动状态：1：停止，2：运行
out(1,0) ’初始化输出口1
out(3,0) ’初始化输出口3
while 1
if in(1) = 1 then ’ 触摸屏的启动按钮按下
if run_state = 1 then
stop 1
run 1, runtask ’启动任务1：runtask
end if
else
if in(4) = 1 then ’ 触摸屏的回零按钮按下
if run_state = 1 then
homemove ’运动平台回原点
end if
else
if modbus_bit(0) = 1 then ’ 触摸屏的保存参数按钮按下
modbus_bit(0) = 0
speed1= modbus_reg(2)
FLASH_WRITE 1, speed1 ’将速度参数保存到FLASH中
end if
end if
end if
wend
end
runtask: ’运行
run_state =2
out(3,0) ’ 运动完成信号置零
out(1,1) ’开激光
base(0,1,2)
VSPEED = speed1 ’设定当前坐标系插补轨迹速度
pmoveabs(100,100) ’按绝对坐标点位运动到起始点
wait idle ’等待轴停止
move(1000,0) ’直线插补，相对运动到(1000,0)
wait idle ’等待轴停止
MHELICAL(-1000,0,-500,0,1,100,1) ’螺旋插补，XY轴顺时针、相对运动半个圆、
’同时U轴转180度；
’U轴设定为每100个脉冲对应180度
wait idle ’等待轴停止
move(1000,0) ’直线插补，相对运动到(1000,0)
wait idle ’等待轴停止
MHELICAL(-1000,0,-500,0,1,100,1) ’螺旋插补，XY顺时针相对运动半个圆、
’同时U轴转180度
wait idle ’等待轴停止，整个轨迹结束
out(1,0) ’关激光
run_state = 1
out(3,1) ’ 运动完成信号输出
end
程序中几个关键指令解释如下：
1.PMOVEABS
语法：PMOVEABS( position1, position2, position3, position4 )
描述：点位运动
参数：position i：第i个轴运动坐标
2.MOVE
语法：MOVE( distance1 ,distance2 ,distance3 ,distance4 )
描述：直线插补运动
参数：distance i：第i个轴运动距离
3.MHELICAL
语法：MHELICAL(end1,end2,centre1,centre2,direction,distance3,mode)
描述：螺旋插补运动，第一轴和第二轴进行圆弧插补，第三轴相对于一、二轴的圆弧角做比例运动
参数：end1：第一个轴终点坐标
end2：第二个轴终点坐标
centre1：第一个轴圆心坐标，相对与起始点
centre2：第二个轴圆心坐标，相对与起始点
Direction：0-逆时针，1-顺时针
distance3：第三个轴运动距离
Mode：0-第三轴参与速度计算；1-第三轴不参与速度计算
六 总结
综上所述，我们可以看出，和PLC相比SMC6480运动控制器具有运动控制功能多、处理I/O信号能力强、性价比高等优点；而且采用BASIC编程十分简单、方便，很容易上手；使用SMC6480运动控制器可以轻而易举地完成各种自动化设备的复杂运动控制。
作者简介
聂国强 男 ，工程师 2007年河北工程大学自动化专业毕业，现在深圳从事自动化技术研发工作。
左 力 男， 博士，高级工程师 1998年华中理工大学机械学院毕业，现在深圳从事自动化技术研发工作。