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1 路徑插補(bǔ)功能簡(jiǎn)介
1.1 基本概念
插補(bǔ)的概念源于數(shù)控機(jī)床。在數(shù)控機(jī)床中，刀具不能嚴(yán)格地按照要求加工的曲線(直線)運(yùn)動(dòng)，只能用折線軌跡逼近所要加工的曲線。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)依照一定方法確定刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的過程，叫做插補(bǔ)。也可以說，已知曲線上的某些數(shù)據(jù)，按照某種算法計(jì)算已知點(diǎn)之間的中間點(diǎn)的方法，或者稱為“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化”。插補(bǔ)的動(dòng)作過程：在每個(gè)插補(bǔ)周期（極短時(shí)間，一般為毫秒級(jí)）內(nèi)，根據(jù)指令、進(jìn)給速度計(jì)算出一個(gè)微小直線段的數(shù)據(jù)，刀具沿著微小直線段運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過若干個(gè)插補(bǔ)周期后，刀具從起點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)，完成輪廓的加工。
路徑運(yùn)動(dòng)初來自于機(jī)器人和CNC領(lǐng)域，用機(jī)器人編程語言或G-Code編程。它是指在多維空間中，通過一組軸的協(xié)作動(dòng)作，各軸之間無主從之分，它們按照設(shè)定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)路徑對(duì)象從起點(diǎn)到終點(diǎn)的的路徑軌跡運(yùn)動(dòng)。
路徑插補(bǔ)產(chǎn)生路徑的運(yùn)行軌跡，計(jì)算插補(bǔ)周期內(nèi)的路徑插補(bǔ)點(diǎn)，并通過機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換獲得對(duì)應(yīng)插補(bǔ)周期內(nèi)插補(bǔ)點(diǎn)的各路徑軸設(shè)定值。
隸屬于機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的單獨(dú)軸在S7 technology中被為路徑軸，路徑軸通過路徑對(duì)象執(zhí)行路徑運(yùn)動(dòng)。參考圖1 路徑軸與路徑對(duì)象。
圖1 路徑軸與路徑對(duì)象
1.2 S7-Technology 路徑功能特點(diǎn)
S7-Technology 路徑插補(bǔ)功能概述：
> 從S7-Technology V4.2開始
> 允許進(jìn)行3軸插補(bǔ)操作
> 路徑插補(bǔ)可以通過直線、圓弧、多項(xiàng)式表示實(shí)現(xiàn)
> Move Path命令可以組成連續(xù)運(yùn)動(dòng)
> 支持多種機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)模型
> 可以與外部位置值同步，實(shí)現(xiàn)傳送帶跟蹤功能
S7-Technology 路徑插補(bǔ)的技術(shù)特點(diǎn)：
> 所有的路徑軸都相互同步移動(dòng)
> 所有的路徑軸都同時(shí)到達(dá)目標(biāo)位置
> 路徑軌跡的移動(dòng)，將會(huì)始終是以一個(gè)固定的合成速度進(jìn)行 (如果動(dòng)態(tài)
特性限制沒有被超越)
> 低速度性能的軸，決定了整個(gè)軌跡的高動(dòng)態(tài)特性
路徑差補(bǔ)可以執(zhí)行多3軸之間的2D或者3D的線性、圓弧或者多項(xiàng)式插補(bǔ)，路徑差補(bǔ)工藝對(duì)象(TO) ，適用于機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)控制范疇，一個(gè)共同的系統(tǒng)中，可以存在多個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)控制結(jié)構(gòu)。同步于路徑軸的“同步軸”，仍然可以實(shí)現(xiàn)同步控制，例如，旋轉(zhuǎn)，凸輪開關(guān)，測(cè)量功能。通過圖形化編輯器，可以簡(jiǎn)便地設(shè)置機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)控制系統(tǒng)的參數(shù)；通過動(dòng)態(tài)特性輪廓窗口，可以輕松定義路徑的動(dòng)態(tài)特性；通過軌跡點(diǎn)表格，可以輕松定義路徑差補(bǔ)，計(jì)劃目的地路徑。另外還可以定義保護(hù)防撞區(qū)域和實(shí)現(xiàn)傳送帶位置的精確跟蹤。
1.3 機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的選擇
T-CPU 所實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)，等同于人們過去所熟悉機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)?？梢詫⑺鼈兎譃槿缦聝煞N不同的類型。參考圖2 在 T-CPU 中集成的機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)。
圖2 在 T-CPU 中集成的機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)
不同的機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)TCP (Tool Center Point，工具中心點(diǎn)或機(jī)械運(yùn)動(dòng)端點(diǎn))相同的路徑運(yùn)動(dòng)功能。盡管在某些情況下，不同的機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)相同的路徑運(yùn)動(dòng)，但是，如果機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)選擇不合理，將有可能無法完成的路徑功能。所以，必須根據(jù)實(shí)際的工藝需求選擇合適的機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，并在工廠布局中考慮該機(jī)構(gòu)的的合理安裝位置。參考圖3 不同機(jī)械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化。
圖3 不同機(jī)械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化
2 路徑插補(bǔ)的實(shí)現(xiàn)方法
2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型簡(jiǎn)介
常用的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型請(qǐng)參考圖 4 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。
圖 4 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型
下面介紹一些常用的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。直角坐標(biāo)機(jī)器人 (英文名：Cartesian coordinate robot)，大型的直角坐標(biāo)機(jī)器人也稱桁架機(jī)器人或龍門式機(jī)器人，由多個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度建成空間直角關(guān)系的、多用途的操作機(jī)器。工作的行為方式主要是通過完成沿著X、Y、Z軸上的線性運(yùn)動(dòng)。因末端操作工具的不同，直角坐標(biāo)機(jī)器人可以非常方便的用作各種自動(dòng)化設(shè)備，完成如焊接、搬運(yùn)、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測(cè)、探傷、分類、裝配、貼標(biāo)、噴碼、打碼、（軟仿型）噴涂等一系列工作。參考圖5 直角坐標(biāo)機(jī)器人。
圖5 直角坐標(biāo)機(jī)器人
SCARA 機(jī)器人（Selective Compliance Assembly Robot Arm）是一種圓柱坐標(biāo)型的特殊工業(yè)機(jī)器人。有3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線相互平行，在平面內(nèi)進(jìn)行定位，另一個(gè)關(guān)節(jié)是移動(dòng)關(guān)節(jié)，用于完成機(jī)械末端在垂直平面的運(yùn)動(dòng)。SCARA機(jī)器人在x,y方向上具有良好的順從性、靈活性，而在Z軸方向具有良好的剛度，此特性特別適合于裝配工作。SCARA機(jī)器人廣泛應(yīng)用于塑料工業(yè)、汽車工業(yè)、電子產(chǎn)品工業(yè)、藥品工業(yè)和食品工業(yè)等領(lǐng)域。它的主要職能是搬取零件和裝配工作。 參考圖6 SCARA 機(jī)器人。
圖6 SCARA 機(jī)器人
鉸鏈型機(jī)械臂：有很高的自由度，可以多至5~6軸，適合于幾乎任何軌跡或角度的工作，可以自由編程，完成全自動(dòng)化的工作, 提高生產(chǎn)效率；可以代替很多不適合人力完成、有害身體健康的復(fù)雜工作，比如，汽車外殼點(diǎn)焊。參考圖 7 鉸鏈型機(jī)械臂。
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圖7鉸鏈型機(jī)械臂
Delta 3D機(jī)器人：外形酷似一只蜘蛛，這種*的幾何結(jié)構(gòu)賦予了它們質(zhì)量輕，強(qiáng)度大，輕便靈活，節(jié)省空間，高速，敏捷；適用于高速分揀。參考圖8 Delta 3D機(jī)器人。
圖8 Delta 3D機(jī)器人
2.2 路徑插補(bǔ)實(shí)現(xiàn)方法
首先需要做軸的定義，選擇“Path interploation”。參考圖 9 路徑軸的定義。
圖9 路徑軸的定義
問題1：S7-200 CPU內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)類
回答：S7-200 CPU內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)分為易失性的RAM存儲(chǔ)區(qū)和保持的EEPROM兩種，其中RAM包含CPU工作存儲(chǔ)區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)域中的V數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)、M數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)、T(定時(shí)器)區(qū)和C(計(jì)數(shù)器)區(qū)，EEPROM包含程序存儲(chǔ)區(qū)、V數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的全部和M數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的前14個(gè)字節(jié)。
也就是說V區(qū)和MB0-MB13這些區(qū)域都有對(duì)應(yīng)的EEPROM保持區(qū)域。
EEPROM的寫操作次數(shù)是有限制的(少10萬次，典型值為100萬次)，所以請(qǐng)注意只在必要時(shí)才進(jìn)行保存操作。否則，EEPROM可能會(huì)失效，從而引起CPU故障。
EEPROM的寫入次數(shù)如果超過限制之后，該CPU即不能使用了，需要整體更換CPU，不能夠只更換CPU內(nèi)EEPROM，西門子不提供這項(xiàng)服務(wù)。
問題2：S7-200 CPU的存儲(chǔ)卡的作用？
回答：S7-200還提供三種類型的存儲(chǔ)卡用于存儲(chǔ)程序，數(shù)據(jù)塊，系統(tǒng)塊，數(shù)據(jù)記錄（歸檔）、配方數(shù)據(jù)，以及一些其他文件等，這些存儲(chǔ)卡不能用于實(shí)時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，只能通過PLC—存儲(chǔ)卡編程的方法將程序塊/數(shù)據(jù)塊/系統(tǒng)塊的初始設(shè)置存于存儲(chǔ)卡內(nèi)。
存儲(chǔ)卡分為兩種，根據(jù)大小共有三個(gè)型號(hào)。
32K存儲(chǔ)卡：僅用于儲(chǔ)存和傳遞程序、數(shù)據(jù)塊和強(qiáng)制值。32K存儲(chǔ)卡只可以用于向新版（23版）CPU傳遞程序，新版CPU不能向32K存儲(chǔ)卡中寫入任何數(shù)據(jù)。而且32K存儲(chǔ)卡不支持存儲(chǔ)程序以外的其他功能。訂貨號(hào)：6ES7 291-8GE20-0XA0。
64K/256K存儲(chǔ)卡：可用于新版CPU（23版）保存程序、數(shù)據(jù)塊和強(qiáng)制值、配方、數(shù)據(jù)記錄和其他文件（如項(xiàng)目文件、圖片等）。64K/256K新存儲(chǔ)卡只能用于新版CPU（23版）。64K存儲(chǔ)卡訂貨號(hào)： 6ES7 291-8GF23-0XA0；256K存儲(chǔ)卡訂貨號(hào)：6ES7 291-8GH23-0XA0。
為了把存儲(chǔ)卡中的程序送到CPU中，必須先插入存儲(chǔ)卡，然后給CPU上電，程序和數(shù)據(jù)將自動(dòng)復(fù)制到RAM及EEPROM中。
存儲(chǔ)卡的使用完整限制條件，請(qǐng)參考《S7-200系統(tǒng)手冊(cè)》附錄A 技術(shù)規(guī)范—可選卡件一節(jié)。
S7-200的外部存儲(chǔ)卡有哪些功能？
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問題3：S7-200 CPU內(nèi)的程序是否具有掉電保持特性？
回答：S7-200 CPU內(nèi)的程序塊下載時(shí)，會(huì)同時(shí)下載到EEPROM中，也就是說程序下載后，將保持。同樣，系統(tǒng)塊和數(shù)據(jù)塊下載時(shí)，也會(huì)同時(shí)下載到EEPROM中。
問題4：S7-200 CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)的掉電保持特性？
回答：S7-200系統(tǒng)手冊(cè)第四章——“PLC基本概念”一章中“理解S7--200如何保存和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)”一節(jié)詳細(xì)介紹了S7-200 CPU內(nèi)數(shù)據(jù)的掉電保持特性，建議用戶仔細(xì)閱讀。
S7-200 CPU內(nèi)的數(shù)據(jù)分為RAM區(qū)和EEPROM區(qū)。
其中，RAM區(qū)數(shù)據(jù)需要CPU內(nèi)置的超級(jí)電容或者外插電池卡才能實(shí)現(xiàn)掉電保持特性。
對(duì)于CPU221和CPU222的內(nèi)置超級(jí)電容，能提供典型值約50小時(shí)的數(shù)據(jù)保持。
對(duì)于CPU224，CPU224XP，CPU224XPsi和CPU226的內(nèi)置超級(jí)電容，能提供典型值約100小時(shí)的數(shù)據(jù)保持。
超級(jí)電容需要在CPU上電時(shí)充電。為達(dá)到上述指標(biāo)的數(shù)據(jù)保持時(shí)間，需要連續(xù)充電至少24小時(shí)。
當(dāng)該時(shí)間不夠時(shí)，可以購(gòu)買電池卡，以獲得更長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)保持時(shí)間。
EEPROM區(qū)能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保持，不依靠超級(jí)電容或者電池就可以保持?jǐn)?shù)據(jù)。
問題5：S7-200 CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)的工作順序？
回答：S7-200 CPU一上電后，CPU先去檢查RAM區(qū)域中的數(shù)據(jù)，如果在超級(jí)電容或者電池有電的情況下，數(shù)據(jù)并未丟失，則使用該RAM區(qū)的數(shù)據(jù)；如果超級(jí)電容或者電池沒電了，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，則CPU去讀EEPROM中相應(yīng)的區(qū)域(包含數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)定義內(nèi)容)，如果在EEPROM中存有保持的數(shù)據(jù)，則CPU將EEPROM中的數(shù)據(jù)寫回到RAM區(qū)中，再進(jìn)行下面的工作。
如果EEPROM中也沒有對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)了，則該存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)將變成0。
問題6：S7-200 CPU電池卡的使用注意事項(xiàng)？
回答：新版S7-200 CPU電池卡有兩種型號(hào)。
對(duì)于CPU221和CPU222，由于其中沒有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，則對(duì)應(yīng)的為時(shí)鐘電池卡，訂貨號(hào)為：6ES7297--1AA23--0XA0。
對(duì)于CPU224，CPU224XP，CPU224XPsi和CPU226，電池卡僅提供電池功能，訂貨號(hào)為：6ES7 291--8BA20--0XA0，該款電池卡型號(hào)又叫做BC293。
電池卡的壽命典型值約為200天，當(dāng)插上電池卡后，如果CPU處于工作狀態(tài)或者超級(jí)電容有電的情況下，并不消耗電池卡的電量。當(dāng)電池卡的電量消耗完畢之后，該電池卡就報(bào)廢了。
S7-200電池卡不能充電，使用完畢就不能再用了，只能購(gòu)買新的電池卡了。
S7-200沒有檢測(cè)電池卡內(nèi)剩余電量的狀態(tài)位和這種功能。
新版S7-200 CPU電池卡不能用于老CPU，即訂貨號(hào)為6ES7xxx-xxx21-0XB0和6ES7xxx-xxx22-0XB0以及更老版本的CPU。
圖1
以上為兩種電池卡以及所在插槽位置。
電池卡的使用完整限制條件，請(qǐng)參考《S7-200系統(tǒng)手冊(cè)》附錄A 技術(shù)規(guī)范—可選卡件一節(jié)。
問題7：S7-200 CPU內(nèi)EEPROM的使用方法？
回答：EEPROM的寫入分為如下幾種情況：
1、MB0—MB13的設(shè)置，只需要在系統(tǒng)塊—斷電數(shù)據(jù)保持中設(shè)置即可。
默認(rèn)情況下，系統(tǒng)塊設(shè)置如下圖藍(lán)框中所示，即MB14—MB31，這些區(qū)域沒有對(duì)應(yīng)的EEPROM區(qū)域，無須考慮EEPROM寫入次數(shù)限制。
圖2
MB0—MB13如果在系統(tǒng)塊中設(shè)置成掉電保持區(qū)域，如圖2紅框中所示，并將系統(tǒng)塊下載到CPU之后，則這14個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)在掉電的瞬間會(huì)將數(shù)值寫入EEPROM中，如果掉電時(shí)間超過超級(jí)電容和電池的保持時(shí)間之后，再上電時(shí)，CPU會(huì)將EEPROM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)數(shù)值寫回到RAM中對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)，實(shí)現(xiàn)保持?jǐn)?shù)據(jù)的目的。
注意：實(shí)現(xiàn)該功能一定要將修改過的系統(tǒng)塊下載到CPU中。
2、數(shù)據(jù)塊中定義的數(shù)據(jù)，如圖3所示，當(dāng)下載數(shù)據(jù)塊的時(shí)候，同時(shí)會(huì)將定義的數(shù)據(jù)下載到EEPROM中，這樣，當(dāng)?shù)綦姇r(shí)間超過超級(jí)電容和電池的保持時(shí)間之后，再上電時(shí)，CPU會(huì)將EEPROM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)塊中定義的數(shù)據(jù)數(shù)值寫回到RAM中對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)，實(shí)現(xiàn)保持?jǐn)?shù)據(jù)的目的。也就是恢復(fù)成數(shù)據(jù)的初始設(shè)置值。
注意：實(shí)現(xiàn)該功能一定要將定義好數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊下載到CPU中。
圖3
3、使用SMB31和SMW32控制字來實(shí)現(xiàn)將V區(qū)的數(shù)據(jù)存到EEPROM中
特殊存儲(chǔ)器字節(jié)31 (SMB31)命令S7-200將V存儲(chǔ)區(qū)中的某個(gè)值復(fù)制到存儲(chǔ)器的V存儲(chǔ)區(qū)，置位SM31.7提供了初始化存儲(chǔ)操作的命令。特殊存儲(chǔ)器字32 (SMW32)中存儲(chǔ)所要復(fù)制數(shù)據(jù)的地址。如圖4為S7-200系統(tǒng)手冊(cè)內(nèi)關(guān)于SMB31和SMW32的使用說明。
圖4
采用下列步驟來保存或者寫入V存儲(chǔ)區(qū)中的一個(gè)特定數(shù)值：
1. 將要保存的V存儲(chǔ)器的地址裝載到SMW32中。
2. 將數(shù)據(jù)長(zhǎng)度裝載入SM31.0和SM31.1。具體含義如圖4所示。
3. 將SM31.7置為1。
圖5
注意：如果在數(shù)據(jù)塊中定義了某地址的數(shù)據(jù)，而又使用這種辦法存儲(chǔ)同樣地址的數(shù)據(jù)，則當(dāng)CPU內(nèi)超級(jí)電容或電池沒電時(shí)，CPU再上電時(shí)將采用SMB31和SMW32存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。
問題8：EEPROM寫入次數(shù)的統(tǒng)計(jì)？
回答：每次下載程序塊/數(shù)據(jù)塊/系統(tǒng)塊或者執(zhí)行一次SMB31.7置位的操作都算作對(duì)EEPROM的一次寫操作，所以請(qǐng)注意在程序中一定不要每周期都調(diào)用SMB31/SMW32用于將數(shù)據(jù)寫入EEPROM內(nèi)，否則CPU將很快報(bào)廢。
問題9：不使用數(shù)據(jù)塊的方法，如何在程序中實(shí)現(xiàn)不止一個(gè)V區(qū)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)？
回答：由于SMB31/SMW32一次多只能送入一個(gè)V區(qū)雙字給EEPROM區(qū)域，因而當(dāng)有超過一個(gè)雙字的數(shù)據(jù)需要送入EEPROM中時(shí)，需要程序配合實(shí)現(xiàn)。具體操作方法可參照如下的例子，即使用SMB31/SMW32送完一個(gè)數(shù)據(jù)（字節(jié)/字/雙字）之后，通過一個(gè)標(biāo)志位（如M0.0）來觸發(fā)下一個(gè)SMB31/SMW32操作，之后需要將上一個(gè)標(biāo)志位清零，以用于下一次的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的操作。
由于SM31.7在每次操作結(jié)束之后都自動(dòng)復(fù)位，因而不能使用它作為第二次觸發(fā)操作的條件。
以上程序僅供參考。
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