浅谈运动控制系统开展一体化教学实施

摘 要：2011年在德国的汉诺威工业博览会上正式推出“工业4.0”，其核心目的是为了提高德国工业的竞争力，在新一轮工业革命中占领先机;2015年，国务院正式印发《中国制造2025》，部署全面推进实施制造强国战略。“中国制造2025”与德国“工业4.0”的合作对接，引领新一轮职业教育热浪，其中较为典型的工业机器人专业在各省市职业院校广泛开设。

关键词：FX2N-20GM FX3U 伺服控制 运动平台

运动控制系统是工业机器人专业的基础专业课;我院教学设备系统由三菱FX3U控制器、智能插补定位模块FX2N-20GM、台达伺服放大器和昆仑通态触摸屏（TPC7062Ti）7寸屏组成。其中FX3U控制器负责系统的整体逻辑控制、参数运算、设备间的通讯及Z轴定位控制，FX2N-20GM定位模块负责系统X、Y轴的定位和圆弧插补控制（可控制方向、行程、定位、弧度、运行速度等），触摸屏负责完成系统的实时监控和参数设置;通过一体化教学成果表明，控制系统运行稳定、定位精度高，转速快、适应性强等特点在运动控制中得到广泛应用，三轴运动平台是自动化工业领域常用的装置，也是国内中高职院校学生重要的学习基础设备，具有职业教育推广必要性。

一、学生分析

（一）主要针对电气自动化或工业机器人专业，五年制高级工班级，在校第三年学生，有一定的三菱PLC基础。

（二）心理特点：好奇心强，喜欢上网交流，有追求欲。

（三）学习能力：有一定较强的自学能力、表达能力和组织能力，有一定的团队合作精神。

（四）学习态度：积极性较高，思维活跃，喜欢动手。

（五）学习基础：认识电气元器件，识读电气原理，已学会了之前的第二单元9个课题控制线路安装。

二、教学目标

（一）掌握FX2N-20GM脉冲发生单元，通过给X轴，Y轴伺服电机驱动器发脉冲，控制两台伺服电机，可实现两轴（XY轴）精确定位和插补控制;

（二）掌握FX2N-20GM可用流程图形式的编程软件（SWOD5-FXVPS-E），开发可视化的程序。

（三）掌握三菱FX3U-48MT高速脉冲输出端口Y2向Z轴伺服电机驱动器发脉冲，实现Z轴精确定位。系统选用FX3U-48MT作为主控单元，利用连接电缆FX2N-20GM-5EC实现FX3U与20GM之间的数据交换;

三、课中学习明确任务

可按3—5人组成小组学习，发放一体化教学工作业或任务书，小组成员分工，阅读工作任务单，并讨论工作任务、地点及工时等，并填写任务书及相关表格，明确任务具体要求及专业技术标准等;同时分析PLC设備外围接线端子，确定学习工作流程，实现做中学、学中做过程。

四、课中学习实施工作过程

根据工作业或任务书的要求，确定实施工作（学习）计划后对三轴伺服控制系统的软件设计，实现下列控制要求。

（一）标注PLC与HMI之前的地址联系。设备中Z轴位置，是由HMI（触摸屏）设定行程（mm），通过PLC的存储器D多少，从HMI将数据发送至PLC，再由PLC程序通过计算结果发脉冲个数至伺服控制器控制伺服电机运行多少单位（mm）。或X/Y两轴位置，是由HMI设定行程（mm），通过PLC的存储器D多少，从HMI将数据发送至PLC，由PLC程序通过计算结果再发送至20GM定位模块控制伺服控制器控制伺服电机运行多少单位（mm）。

（二）参数设定;设定FX2N-20GM相关参数，包括单位参数、运动平台丝杠螺距参数、速度参数、机械零点参数。设定伺服参数，包括伺服电机额定电压、额定电流、额定转速、额定功率等

（三）系统软件编程;系统的软件设计包括PLC控制程序和20GM的定位程序编写两部分，其中20GM程序编写主要完成X、Y轴伺服电机控制，PLC程序编制主要完成Z轴伺服电机的控制、20GM的数据交换、三轴运动的协调控制。通过PLC发出的数据将通过程序传送至20GM缓冲区BMF中。20GM针对X、Y两轴的运动有专门的缓冲区（BFM#20和BMF#21），每个缓冲区有2个字，即16位的容量，每一位都代表了不同的运动特性。BFM#20号缓冲区设置同步2轴和X轴的运行方式，BFM#21号缓冲区设置Y轴的运行方式。利用PLC的FROM/TO指令完成二者之间的通讯。通过HMI改变PLC相关位辅助继电器的状态，实现运动平台X/Y轴电机的正转点动、反转点动和回零操作。例如：通过触摸屏将PLC里的位元件辅助继电器M，即可实现X轴电机的回零操作。利用触摸屏读取PLC寄存器“D100”和“D102”数据，将其显示在触摸屏屏幕上，即可实现对X，Y轴位置的实时监控;同时可用FX-VPS-E软件进行可视化流程图形式的编程，实现测试程序要求。

五、总结和评价

通过一周时间对任务的实施，完成三轴伺服控制系统的设计和编程任务，根据工作过程中出现的问题进行总结和评价;

（一）根据教师展示教学过程中的图片和视频对专业技能和职业素养方面做得较好与不足之处进行记录并对任务评价表进行自我评价和小组评价。

（二）根据综合评价表进行自我评价和小组评价。

（三）各组派代表，对学习过程，成功经验和遇到问题进行总结。

（四）对完成安全操作、速度、质量、标准等进行综合评比。

（五）安排下拓展任务做好预习并做好记录。

结语

通过本次任务教学实施，以课前学习，提高课中学习效率;实现“翻转课堂”，学生以小组形式分工合理，团队协作使成员参与度高，学习气氛良好;但课中也存不足，学生基础不牢固，学员展示不够全面，使得学员展示时紧张;最后由于在一体化教学经验不多，有不足之处，请各位同行给予指正。

参考文献

[1]三菱FX2N-10GM-20GM编程手册.2000.

[2]三菱FX3U用户手册.2005.

[3]李金城.三菱PLC系列PLC定位控制应用技术[M].电子工业出版社，2014.

作者简介

杨明（1984.12—），男，汉族，籍贯：广西北流市，本科，讲师，研究方向：电气自动化及工业机器人专业。