第28卷第2期2021年4月
兰州工业学院学报
Journal of Lanzhou Institute of Technology
Vol.28No.2
Apr.2021
文章编号:1009-2269(2021)02-0069-04
基于FX2N-20GM控制的三轴空气等离子
自动切割机械手系统设计
刘振昌1，焦爱胜2
(1.甘肃畜牧工程职业技术学院，甘肃武威733006；2.兰州工业学院机电工程学院，甘肃兰州730050)
摘要：设计了基于PLC和20GM控制的三轴空气等离子自动切割机械手系统•机械手由FX3U-48MT型PLC
为核心控制器，由FX2N-20GM定位模块、驱动步进驱动器、触摸屏、空气等离子切割机组成•系统由PLC控制整机逻辑运行及Z轴的精确定位,20GM模块控制X、y轴的定位及插补运动，触摸屏完成参数设置和实时监控•整机结构简单、运行稳定、定位精度高，软件程序交互性强，具有很好的推广性•
关键词：FX3U；20GM；步进控制；自动切割；机械手
中图分类号:TP241
0引言
在机械加工过程中，大多用氧乙烘气割、空气等离子切割机、切割机等设备将钢板切割成形状不同的盘类、板类零件的坯料，切割生产过程中因操作工人的技术水平、切割设备等因素的限制，难以保证坯料的形状精度、尺寸精度，切口缝隙大、切口不平整，工件变形度大，热影响区明显，切割速度较慢，导致生产效率低，生产成本高，且切割粉尘和气味对操作者的身体危害大，易患肺尘病等职业病.
空气等离子切割具有高可靠性和抗离子干扰能力，能完成各种金属的切割加工，广泛用于汽车、工程机械、化工机械等各种行业•空气等离子切割速度与切割参数合理选用有关，因此，控制空气等离子切割机切割速度能有效的控制切割质量.
基于上述生产实际，设计以三菱FX3U-48MT 型PLC为核心控制器、三菱FX2N-20GM定位模块驱动步
进驱动器，结合传感器监测、触摸屏交互技术，满足精确定位及运动平稳要求的三轴空气等离子自动切割机械手，着力解决切割生产过程中的如
收稿日期：2L2L-11-14
基金项目：2L2L年度甘肃省高等学校创新基金项目(2L2LA-233)作者简介：刘振昌(198L-)，男，甘肃民勤人，高级实验师•文献标志码:A
何保证坯料形状、尺寸精度、切口表面、工件变形等关键技术.
操作者通过触摸屏设定切割图形参数，启动三轴空气等离子自动切割机械手,PLC和定位模块驱动xy轴步进驱动器控制切割机械手xy轴，完成的插补运动和精准定位，即实现切割运行轨迹; PLC控制Z轴步进驱动器、电感式接近传感器精确控制割与工件间的接近距离•当机械手到达预定位置，自动启动空气等离子切割机开始按预设切割轨迹开始切割工件，待工件切割完成，落料传感器检测到工件已脱落，自动关闭切割机，机械手返回原点，等待后续工件装夹后开始下一工件切割•
1硬件设计
三轴空气等离子自动切割机械手主要由三菱FX3U-48MT型PLC、三菱FX2N-20GM定位模块、三菱GS2107触摸屏、电源模块、步进驱动器DM542、空气等离子切割机、传感器、具有XyZ三轴龙门式长安汽车待遇
运动的滚珠丝杠滑台模组等组成的，其硬件控制系统结构［1］如图1所示.
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兰州工业学院学报第 28 卷
汽油消费税空气等离子 切割机
图1硬件控制系统结构
X 轴步进驱动器Y 轴步进驱动器
二鋪灣台DM542DM542
-一 冃 口
模组机械手
割开关切割工件
___f ________i ____
1工件夹具系统选用三菱FX3U-48MT 型PLC 为核心控 制单元，用以实现三轴机械手运动的逻辑控制及Z  轴的精确定位,FX2N-20GM 定位模块用于实现XK  轴的插补运动和精准定位，应用FX2N-GM-5EC 连
接电缆实现PLC 与20GM 定位模块之间的数据通
自选车牌号查询系统
讯与交换；选用DM542步进电机控制器驱动步进 电机，其端子的功能、接线定义如表1[2]所示.
表1 DM 542端子的功能、接线定义
端子号功能接线PLS+脉冲信号+3〜24V+
PLS-脉冲信号-20GM 定位模块FP
DIR+方向信号+3〜24V+
DIR-方向信号-20GM 定位模块RP
ENA+脱机+3〜24V+ENA-脱机-接使能-GND 供电电源输入0V +V 供电电源输入
+24 V A+步进电机A 相步进电机红线A-步进电机A 相步进电机绿线B+步进电机B 相步进电机黄线B-步进电机B 相
步进电机蓝线
为确保切割机械手的割与钢板之间的相对
位置在正常工作范围内，防止割与钢板碰撞而烧
毁割咀，在割末端设计安装电感式接近传感器
(LJ18A3-5-Z/BX)，用于精确控制割咀到工件切割
面的距离，为后续的轨迹计算提供数据支持.切割 机械手在钢板切割作业时，开始厚钢板时钢板没有
完全烧穿，会有割渣堆积，这时要求割随着割渣
堆积而自动升高，防止割渣触碰到割咀而堵塞或
烧毁割咀.当钢板烧穿后，割随着割渣流落而快
速下降到原来设定的高度，进行正常切割.
2软件设计
三轴空气等离子切割机械手控制系统的软件
设计由触摸屏交互界面设计和PLC 控制程序设计
2 部分组成.
2.1触摸屏交互界面设计
三菱触摸屏(GS2107)上对开关量、指示灯、运
行状态、数据寄存器及切割图形等相关参数进行设
置和监控，以及完成三轴机械手的启停、回原点、自
动/手动等指令的操作.同时触摸屏通过读取、修改 PLC 内部寄存器对三轴滑台机械手的运行情况进
行实时监控•触摸屏的监控系统窗口画面如图2所
示.画面中的“位置运行监控”模块用于显示滑台机 械手xyz 三轴的实时位置.“手动运行”窗口运用
实现滑台机械手xyz 三个方向的手动操作.窗口
中的x 轴回零、y 轴回零、z 轴回零、启动、急停按
钮用于xyz 三轴的手动回零、程序自动运行和急
停操作.
图2触摸屏监控系统
2.2 PLC 控制程序设计
三轴空气等离子切割机械手的工作流程如图 3所示.应用GX  Works2设计PLC 程序主要完成Z
丰田汉兰达汽车轴步进电机的定位控制、FX2N-20 GM 的数据交 换、xyz 三轴运动的协调控制，应用FX-VPS-E 专 用软件编制20 gm 控制程序，用于控制xy 轴步进
电机实现直线插补、圆弧插补运动[2-3].
2.2.1 PLC 与20GM 数据通讯程序
应用专用连接电缆FX2N-GM-5EC 实现PLC
与20 GM 定位模块之间的数据通讯与交换.通过
PLC 的FROM 指令可以把20 GM 的缓冲区(BFM#
第2期刘振昌等：基于FX2N-20 GM 控制的三轴空气等离子自动切割机械手系统设计
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20和BFM#21）中的内容读取到PLC，其中BFM#20 用来设置同步2轴和X 轴的运行方式,BFM#21用
来设置Y 轴的运行方式[2].通过TO 指令可以把 PLC 寄存器中的内容写入#BFM 中.通过FROM/
TO 指令完成的XY 轴初始化程序如图4所示⑷.
辅助取料
料落已
重新装料工件切割
落料机构
丰田宣布大规模停产
等离子切割机停
止
已落料
「未落料
图3三轴空气等离子切割机械手工作流程
0K9132 K0KI — -----------------------------------------------------------------------------------L Q  丄 U
4U
K9232KI
[DTO  KO
K0
35M8000「"DC “ 17c \
K9132D100
L-T  nuivi  hu 「"TDClk" lzn K9232D102L-T  rtVlvi  JxU [TO
K0K20
K4M50K21
K4M70
[TO  K0
图4 PLC 与20GM 通讯初始化程序
控制系统上电后M8002接通一个初始脉冲,
将零点位置分别写入20 GM 定位模块的BFM#
9132（X  轴）和 BFM#9232（ Y  轴）.M8000 接通,PLC
将20 GM 中BFM#9132的数据传送至D100，将 BFM#9232的数据传送至D102，并将PLC 的M65
至M50数据写入20 GM 的缓冲寄存器BFM#20，将 PLC 的M85至M70数据写入20 GM 的缓冲寄存
器BFM#21.如图4所示的初始化程序完成后，通过 改变触摸屏相关元件的状态，便可实现XY 轴的正
反方向的点动、回零操作•例如，通过GS2107触摸
屏改变PLC 相关中位元件“M30”的置位，即可实
现Y 轴电机的回零操作，触摸屏即可显示“D100” （X 轴位置）和“D102”（ Y 轴位置）的数据，实现对 XY 轴的实时数据监控.
2.2.2 PLC 控制程序
应用GX  Works2编写PLC 控制程序，实现对
三轴空气等离子切割机械手的Z 轴位置的精确控
制、与20 GM 的数据交换、XYZ 三轴运动的协调控
制.在手动运行模式下，利用触摸屏中相应的位开 关对XYZ 轴进行手动调整和回零操作，在自动运
行模式下，通过设备硬件和传感器信号、开关等与 PLC 进行逻辑运输，完成所需的XYZ 三个方向运
动加工轨迹、实现与20 GM 数据读取以及与触摸
国产马自达3
屏数据、实时监控⑸.
3系统联调与结论
在完成软硬件设计及各参数设置后，分别将
PLC 程序、20 GM 程序、触摸屏程序写入相应主机.
经过程序调试和硬件检测，人机交互界面和PLC  程序模拟仿真运行，传感器、滚珠丝杠模组、指示
灯、夹紧机构、落料机构等硬件运行正常，电气安全
防护措施单位，接头牢固，空气等离子切割机工作
正常，空气压缩机工作正常，运行切割机械手进行
切割试验，切割如图5所示工件，试验测试数据如
测试切割钢板切割尺寸切割表面材料变形量
项目
厚度/mm
误差/m m 精度
/m m 直线1
W0.1光滑W0.12
W0.1
光滑W0.15W0.2较光滑
W0.1多边形
1
W0.2
光滑W0.12W0.3较光滑W0.15W0.5
较光滑
W0.1圆
1
W0.2光滑W0.12W0.3较光滑W0.15
W0.5
较光滑
W0.1
-72-兰州工业学院学报第28卷
表2中定位精度驱动器细分设定10000pul/ r,Xy轴运行精度误差0.1mm,Z轴精度误差0.1 mm；驱动器细分设定1000pul/r,Xy轴运行精度误差0.3mm,Z轴精度误差0.3mm.
通过反复切割测试验证，本系统实际加工得到的零件达到了初期设计目标，能够保证加工精度要求，切口平整，切口变形小•整机系统结构简单、运行稳定，定位精度高，生产效率高，且软件程序交互性强，便于用户根据不同的生产需求，广泛用于汽车、工程机械、化工机械等各种行业.参考文献：
[1]巫莉.电气控制与PLC应用[M].北京：中国电力出版
社,2008.
[2]李金城.三菱FX系列PLC定位控制应用技术[M].
北京：电子工业出版社,2014.
[3]王月芹.基于PLC机械手控制系统设计与实现[J].
机电产品开发与创新,2011(5):149-150.
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10GM-20GM编程手册[Z].2000.
[5]岳东海，葛永康，颜鹏.基于FX2N-20GM的三轴控制
系统设计[J].制造业自动化,2014(6):147-149.
Design of Automatic Cutting Manipulator System Using Three-axis
Air Plasma Based on FX2N-20GM Control
LIU Zhcn-chang1,JIAO Ai-shcng2
(1.Gansu Polytechnic College of Animal Husbandry&Engineering,Wuwei Gansu733006,China；
2.School of Mechatronics Engineering,Lanzhou Institute of Technology,Lanzhou730050,China)
Abstract：The design of automatic cutting manipulator system using three-axis air plasma based on PLC and 20GM control is introduced in this paper.The manipulator is composed of FX3U-48MT PLC as the core control­ler,FX2N-20GM positioning module,driving step driver,touch screen and air plasma cutting machine.PLC controls the logic operation of the whole machine and the accurate positioning of Z axis.The20GM module con­trols the positioning and interpolation movement of X and Y axes.The parameter setting and real-time monitoring are performed on touch screen.The whole machine has the advantages of simple structure,stable operation,high positioning accuracy,strong interaction of software program and good popularization.
Key words：FX3U；20GM；step control；automatic cutting；manipulator
(责任编辑：曾贤灏)