PLC与触摸屏低成本三轴示教器方案：从脉冲当量到脚本通信

做机器人示教器这事儿，说难不难，说简单也不简单。最近我把一套“三菱FX3U + 昆仑通态触摸屏”的方案跑通了，实现了三轴联动的示教与自动运行。整个项目做完，我最大的感受是：用触摸屏脚本配合小型PLC做示教器，非常适合预算有限、结构简单、控制逻辑不复杂的场景。这篇文章把我从硬件选型到PLC程序、触摸屏脚本、调试踩坑的全过程记录下来，希望能给正在捣鼓类似项目的朋友省点时间。

1. 项目整体设计与方案选型

1.1 为什么用“PLC + 触摸屏”而不是专用示教器

发那科、安川这些专用机器人示教器，体验确实好，但价格摆在那。一套原装示教器加上控制柜，预算经常顶得上好几台小型设备。很多工厂的自动化改造项目里，设备只需要走几个固定轨迹，重复精度要求不高，用专用工业机器人属于杀鸡用牛刀。

我这次做的项目是给一台小型三轴搬运设备做示教功能。设备行程不大，X轴500mm、Y轴400mm、Z轴200mm，驱动用的是三菱MR-JE伺服，PLC是三菱FX3U-32MT，触摸屏是昆仑通态TPC7062Ti。这套组合的核心思路是：PLC负责实时运动控制和IO逻辑，触摸屏负责示教、点表管理和自动运行控制。

用PLC做运动控制，很多人第一反应是“能行吗”。FX3U本身不带运动控制总线，只能通过脉冲输出控制伺服。但FX3U有三个100kHz的高速脉冲输出口，Y0、Y1、Y2正好可以带三个轴。对于点位运动、直线插补这种精度要求不高的场景，脉冲方式完全够用。

1.2 系统架构与工作流程

整个系统分成三个层次：

• 操作层：昆仑通态触摸屏，负责坐标显示、手动点动、示教记录、点表编辑、自动运行监控。
• 控制层：三菱FX3U PLC，负责接收触摸屏指令，执行脉冲输出、回零、限位检测、报警处理。
• 执行层：三个伺服驱动器与电机，按照PLC发出的脉冲数量和频率精确定位。

示教器的工作流程是这样的：先在触摸屏上切到“手动模式”，用点动按钮把设备移动到目标位置，点“记录”保存当前坐标；重复操作记录多个点后，把这些点保存到点表里；然后切到“自动模式”，PLC按点表顺序执行，设备自动走一遍轨迹。如果中途需要修改某个示教点，直接在触摸屏上编辑坐标数值就行，不用重新走一遍。

这里有个非常关键的认知要提前说清楚：昆仑通态的脚本运行在触摸屏的CPU上，不是运行在PLC里。触摸屏脚本读取的是PLC寄存器的数值，通过Modbus协议或者三菱专用协议通信。所以，触摸屏脚本适合做数据管理、界面逻辑、状态判断这类“慢速”工作，不适合做实时的脉冲控制。实时的运动控制必须放在PLC里，用梯形图或ST语言实现。这个边界如果搞混了，项目大概率会翻车。

1.3 方案优势和潜在问题

这套方案的优势很明显：

• 成本低，不增加额外的硬件模块。
• 操作直观，不需要工人学习专业示教器的复杂菜单。
• 维护简单，触摸屏和PLC都是成熟产品，备件好找。

问题也有，主要集中在几个方面：

• FX3U的脉冲输出频率限制在100kHz，伺服电子齿轮比不能设太高，否则速度跟不上。
• 三轴联动不是真正的插补。FX3U的三路脉冲是独立输出的，虽然可以同时启动，但不会根据轨迹自动计算各轴速度。也就是说，直线斜线运动时，不是标准的线性插补轨迹，而是一段一段的“折线”。对于大多数点位搬运场景，这完全够用，但如果要做圆弧或精密轨迹追踪，就得考虑FX3U加配运动控制模块，或者换成FX5U。
• 触摸屏脚本的扫描周期不稳定，不能用于高速逻辑判断，只能做低优先级的数据处理。

2. 关键参数计算与核心细节解析

2.1 伺服电子齿轮比与脉冲当量计算

这是做整套系统最先要敲定的事。脉冲当量决定了PLC发多少个脉冲对应伺服走多远，直接关系到示教精度的标定。

以我用的三菱MR-JE伺服为例，编码器分辨率是131072脉冲/转（17位）。如果我设定丝杠导程为10mm，那么电机每转一圈，工作台移动10mm。这时候，PLC每发一个脉冲，伺服走多少距离，取决于电子齿轮比CMX/CDV。

脉冲当量计算公式：

• 伺服电机每转一圈需要的指令脉冲数 = 131072 × CDV / CMX
• 工作台每移动1mm需要的脉冲数 = 伺服电机每转一圈需要的指令脉冲数 / 丝杠导程

我实际设电子齿轮比CMX=131072，CDV=10000，这样每转一圈需要的指令脉冲数就是131072 × 10000 / 131072 = 10000个脉冲。丝杠导程10mm，那么每个脉冲对应0.001mm。也就是说，脉冲当量是1μm，PLC发10000个脉冲，工作台走10mm。

在触摸屏上做示教时，所有坐标值我都以毫米为单位显示，PLC内部寄存器存的是实际脉冲数，昆仑通态的脚本里做一次数值换算。这个换算逻辑不要放在PLC里，因为触摸屏修改坐标后要立即显示对应关系，放PLC还得来回读，容易出逻辑混乱。

2.2 PLC寄存器规划

三菱FX3U的D寄存器是16位的，但脉冲计数可能要超过32767，所以坐标值我用32位存储，每个轴占用两个D寄存器，低字和高字。我规划的寄存器地址如下：

点表存储在PLC的D200开始的区域，每个点的X、Y、Z坐标占6个寄存器，连续存100个点就是600个寄存器。FX3U的D寄存器有8000多个，完全够用。这里不建议把点表放在触摸屏的组态里，虽然昆仑通态的配方功能可以做，但配方数据是存在触摸屏里的，一旦触摸屏故障或者换屏，所有数据都没了。把点表放PLC里，断电用电池保持，更换触摸屏不影响工艺数据。

2.3 昆仑通态脚本的分类与使用边界

昆仑通态的脚本分几类：启动脚本、循环脚本、窗口打开脚本、按钮脚本、事件脚本。我这次项目中，核心用到了循环脚本和按钮脚本。

循环脚本在触摸屏运行时周期执行，有点类似PLC的扫描程序。我把它用来做状态监控和点表显示刷新，每500ms执行一次。这地方有个经验：循环脚本的执行间隔不要设置太短，否则触摸屏的CPU占用率会飙升，界面操作卡顿。尤其是TPC7062Ti这种老型号，CPU性能有限，500ms是安全值。

按钮脚本是点击按钮时触发，我用来处理“记录示教点”“删除示教点”“插入点”“启动运行”这类一次性操作。按钮脚本的执行时机是用户点下按钮的瞬间，不占用循环资源，逻辑写起来也更清晰。

事件脚本是在某个条件满足时触发一次。我在项目里用它来处理PLC返回的报警信息，比如“伺服报警”“限位触发”“回零未完成”，一旦条件成立就弹窗提示并停止运行。注意，事件脚本的触发电平是“边沿”还是“状态”，在组态的时候要区分清楚。我用的是状态触发，条件成立就弹窗，但设置了弹窗去重标记，防止每次循环都弹。

3. PLC梯形图实现与三轴联动控制逻辑

3.1 回零与限位逻辑

设备每次上电后必须回零，否则位置坐标无法确定。三个轴的正负限位开关分别接在PLC的X0~X5上，回零传感器接X6、X7、X10。

回零逻辑我采用“快找+慢找”两段式：先以50kHz频率朝负方向快速移动，碰到回零传感器后停止，再以5kHz频率反向慢速离开传感器，等传感器信号消失后锁存零点。这样回零精度比单纯碰传感器再停止要高得多，重复精度大概能到±3个脉冲左右，换算下来就是±3μm。

梯形图的核心逻辑是：

步1：启动回零，先检测Z轴限位是否触发，未触发则以脉冲输出指令DRVI正向移动（Z轴向上为安全方向） 步2：Z轴到上限位后停止，回零完成标志位M10置ON 步3：依次对X轴、Y轴执行相同的“快找+慢找”操作 步4：三个轴全部回零后，M20置ON，通知触摸屏可以做示教了

这里有一个很关键的细节：回零顺序必须先Z后X/Y。因为Z轴在最低位时，X/Y运动可能撞到下方的工件或者夹具，先把Z抬起来才安全。这个顺序在项目文档里一定要写清楚，我在调试时就因为顺序搞反，差点把夹具顶坏。

3.2 手动点动与示教记录

手动模式时，触摸屏上显示X/Y/Z三个轴的“正/负”点动按钮，按下移动、松开停止。PLC这边用PLSY指令或者DRVI指令做定长运动。

我的实现方式是：触摸屏按下点动按钮时，把对应轴的点动速度设定值写到D寄存器，并把点动使能位M30置ON；松开按钮时M30置OFF。PLC扫描到M30为ON后，用DRVI按设定频率连续发脉冲，直到收到停止信号或者限位信号。

示教记录的逻辑相对独立。操作流程是：

• 操作员用点动按钮把设备移动到目标位置。
• 在触摸屏上点击“记录当前点”按钮。
• 触摸屏脚本读取当前X/Y/Z坐标（D100~D105），写入示教缓冲D140~D145。
• 触摸屏脚本根据当前点序号（D110）把缓冲数据写入点表对应位置。
• 点序号自动加1，点表总数同步更新。

这里有个容易忽略的问题：坐标值是32位的，触摸屏读写时要注意高低字节的排列。昆仑通态和FX3U通信时，默认是低字在前、高字在后。我在脚本里读32位数据时，用的是“读D100，再读D101，然后按低字+高字合并”，写回去的时候同样要拆开。很多新手在这里会栽跟头，显示出来的坐标值忽大忽小，其实就是高低字顺序搞错了。

3.3 自动运行与三轴联动

自动运行是整套系统最核心的部分。PLC收到触摸屏的“启动”命令后，按点表顺序逐个执行。每个点的执行流程是：

• 读取当前点坐标。
• 计算当前坐标与目标坐标在各轴上的差值。
• 根据设备的运行速度要求，计算出各轴脉冲输出频率和输出时间。
• 三轴同时启动脉冲输出，等待所有轴到位后，再执行下一点。

我采用的梯形图方式是：先用ZRN指令回零确认原点，然后循环从点表中取出坐标数据，用DRVI指令对三个轴分别发脉冲。

DRVI是相对定位指令，指令格式是DRVI(S1)(S2)(D1)(D2)，其中S1是输出脉冲数，S2是脉冲频率，D1是输出口地址。我用X轴做示例：

LD M50 // 自动运行启动标志 ANI M8029 // 上一次定位完成标志 DRVI D200 D300 Y0 Y004 // X轴移动到示教点，脉冲数在D200，频率在D300

但三轴联动时有个问题：DRVI指令是单轴指令，三个轴同时发指令只能靠“同一扫描周期内，连续执行三条DRVI”。FX3U的高速脉冲输出是硬件实现的，三条DRVI同时激活后，三路脉冲在硬件层面被同步发出。实际上，由于PLC扫描周期的影响，三路脉冲的启动时间会有零点几毫秒到几毫秒的差异。对于点位搬运，这个时间差无关紧要，但如果你要做轨迹要求很高的应用，一定要认识到这个局限。

为了控制三轴运动的协调性，我设计了一个“主从联动”逻辑：

• 主轴（X轴）运动到目标位置需要的时间T = X轴脉冲数 / X轴频率。
• Y轴和Z轴按照相同的T时间来计算各自频率，公式是：从轴频率 = 从轴脉冲数 / T。
• 每条DRVI指令的脉冲频率都动态计算好，写入D寄存器。

这样处理的好处是：虽然三条轴不是真正的直线插补，但最终三个轴几乎同时到达目标点，设备在视觉上看起来是“联动”的，不像逐轴运动那样一顿一顿。实际运行效果，对于简单的搬运码垛，视觉上完全没有问题。

核心梯形图的顺序是：

1. 从点表中读取第N点的X/Y/Z坐标到D200/D202/D204。
2. 用减法指令SUB计算出与当前坐标的差值，结果存到D210/D212/D214。
3. 用除法指令DIV计算各轴频率，分别写入D300/D302/D304。
4. 连续执行三条DRVI指令启动三轴。
5. 用M8029（定位完成标志）或者三轴各自的完成位做“全部到位”判断。
6. 全部到位后，N加1，继续下一个点。
7. 所有点执行完毕后，自动运行完成标志置ON，通知触摸屏。

3.4 速度倍率与加减速控制

示教器上必须要有速度倍率功能。我做了两种：手动点动倍率和自动运行倍率。触摸屏上放一个滑动滑块，范围10%~100%，滑块值写入D160。PLC在计算脉冲频率时，统一乘以倍率系数。

加减速控制方面，我使用的是三菱DRVI指令自带的加减速时间设定。通过D8340（X轴）、D8341（Y轴）、D8342（Z轴）设定加减速时间。我实际设定加减速时间都是100ms。这个值不能太大，否则设备会显得很“肉”；也不能太小，否则机械冲击大、特别是Z轴容易抖动。三轴负载不太重的话，100~150ms是比较舒服的范围。

4. 昆仑通态组态与脚本实现细节

4.1 画面布局设计

我做了4个画面：主画面、手动示教画面、点表管理画面、参数设置画面。

主画面显示设备当前工作模式、运行状态、三轴坐标、报警信息，以及模式切换按钮。手动示教画面是核心操作界面，包含三轴的点动按钮矩阵、当前位置显示、示教点序号选择、记录按钮、坐标微调输入框。点表管理画面用表格形式显示所有示教点的坐标，支持点击选择、修改、删除、插入。参数设置画面配置运行速度、回零速度、加减速时间等参数。

这里要注意：昆仑通态的表格控件操作起来不算顺手，数据量大时刷新会有延迟。如果点表超过50个点，不建议用表格控件做全量刷新，而是按“当前选中行”局部刷新，或者只显示当前编辑点的坐标。

4.2 脚本通信机制与寄存器读写

昆仑通态与FX3U通信使用的是内置的“三菱FX系列编程口协议”。通信参数默认是9600波特率、8位数据、偶校验、1位停止位。触摸屏组态时选择好PLC型号和通信协议即可。

脚本里读PLC数据用的是函数：

!ReadFromPLC(站号, 寄存器类型, 起始地址, 数据个数, 数据缓冲区名称)

写PLC数据用的是：

!WriteToPLC(站号, 寄存器类型, 起始地址, 数据个数, 数据缓冲区名称)

注意寄存器类型要对应，D寄存器用“D”，M寄存器用“M”，X输入用“X”。地址从0开始编号，所以在脚本里读写D100时，地址写“99”。

我写了一个读取三轴坐标并刷新显示的循环脚本，每500ms执行一次。脚本里先定义局部变量，然后读PLC数据到变量中，再把变量值赋给界面上的标签控件。

这里分享一个经验：昆仑通态的脚本变量分全局变量和局部变量。在循环脚本里尽量用局部变量，用完就释放，避免全局变量堆积导致内存碎片。TPC7062Ti的内存不大，脚本写多了、变量攒多了，长时间运行会越跑越慢，甚至黑屏重启。

4.3 手动点动与示教记录脚本

手动点动按钮的逻辑我拆成了按下和弹起两个状态。昆仑通态的按钮支持“按下脚本”和“弹起脚本”，正好对应点动的启动和停止。

按下脚本的逻辑是：

!WriteToPLC(0, "M", 30, 1, 1) // 写M30为ON，启动X轴正向点动 !WriteToPLC(0, "D", 159, 1, 0) // 点动速度设定为当前手动速度值

弹起脚本就是把M30写成OFF。

这里有个操作小技巧：点动速度不要和自动运行速度混用同一个寄存器。手动点动速度一般设低一些，20mm/s左右，方便精确对位；自动运行速度设高一些，根据工艺需求可到200mm/s以上。如果只用一个速度值，做手动示教时经常会出现“点动太快，冲过头”的问题，最后示教出来的点全偏了。

示教记录按钮的脚本逻辑是：

1. 从PLC读取当前X/Y/Z坐标到缓冲变量。
2. 读取当前点序号D110。
3. 根据点序号计算点表起始地址：起始地址 = 199 + (点序号-1) * 6。
4. 把三个坐标值分别写入点表对应的6个连续寄存器。
5. 点序号加1写回PLC。
6. 刷新点表总数。

脚本里坐标写PLC时要拆成低16位和高16位。三菱FX3U的32位寄存器中，低字在前。脚本里要手工做位运算拆分：

// 假设coord是32位整数变量，value_low是低16位，value_high是高16位 value_low = coord % 65536 value_high = (coord - value_low) / 65536

写入时先写低字再写高字，读的时候先读低字再读高字再组合。这个看似啰嗦的步骤，是保证坐标数据不出错的关键。我见过有的工程师图省事，用16位读写，结果坐标值一到±32767就跳变，现象就是设备走到一半自己开始乱跑。

4.4 自动运行控制脚本

自动运行按钮的脚本不负责运动执行，只做两件事：写指令字、监控状态。

点击“启动”按钮时：

!WriteToPLC(0, "D", 130, 1, 1) // 指令字=1，请求启动

点击“暂停”按钮：

!WriteToPLC(0, "D", 130, 1, 2) // 指令字=2，请求暂停

点击“停止”按钮：

!WriteToPLC(0, "D", 130, 1, 3) // 指令字=3，请求停止

PLC梯形图对D130做解码，分别触发M50（启动）、M51（暂停）、M52（停止）三个标志。这样脚本和PLC的逻辑彻底解耦，脚本只管发命令、PLC只管执行命令，不会出现两边逻辑绞在一起的情况。

循环脚本里，我监控D120运行状态字。等于1时，界面显示“运行中”状态灯变绿；等于2时显示“已暂停”；等于0时显示“停止”。同时把当前正在执行的示教点序号和总点数显示出来，方便操作员了解进度。

4.5 速度倍率滑块与数据校验

速度倍率滑块用的是昆仑通态“滑动输入器”控件，绑定D160寄存器。范围设定为10~100。PLC侧读取D160的值作为倍率百分比，在计算脉冲频率时参与运算。

关于滑块的绑定方式，我建议不要直接绑定PLC寄存器，而是先绑定到触摸屏的全局变量，然后在循环脚本里把全局变量值写入PLC。原因很实在：滑动输入器拖动过程中的中间值变化非常频繁，直接绑PLC会导致通信总线拥堵，影响PLC实时响应。经过触摸屏变量中转后，可以加上“防抖”逻辑，比如数值变化超过2%才写一次PLC，这样通信负载低很多。

4.6 配方与点表保存方案

点表数据存在PLC的D200~D799，这些是电池保持区域。三菱FX3U的D寄存器默认大部分是锁存的，断电后数据不会丢失。但要注意一点：如果你在PLC程序里用了“初始化脉冲”（M8002），千万不要把它用来清零D200~D799。M8002只在PLC首次上电时ON一个扫描周期，如果程序里写了MOV 0 TO D200，那以后每次断电重启点表就全丢了。

我的做法是：点表清零操作只在触摸屏上通过“清除所有示教点”按钮触发，PLC程序里根本不做任何点表数据的初始化。这样即使PLC程序被重新下载，只要不清除保持区，点表数据还在。

5. 调试过程与常见问题

5.1 触摸屏与PLC通信异常

我调试时第一次碰到的问题是触摸屏上显示“通信超时”，所有数据都读不到。

排查思路先看接线。FX3U的编程口是圆头8针，昆仑通态TPC7062Ti的COM口是9针串口。接线要按“2对2、3对3、5对5”的标准直连方式。但很多二手线缆是按照“2对3、3对2”的交叉方式做的，这就导致通信不上。

另外要注意波特率设置。FX3U编程口默认波特率是9600，但有些PLC的程序被改过通信参数。我在调试时就用三菱GX Works2连接PLC，把PLC通信格式改成“9600，8，E，1”，触摸屏端也保持一致，问题解决。

5.2 坐标显示跳动

坐标显示出来之后，数字一直在跳，轻轻晃动都有几次脉冲的波动。这个现象是正常的。伺服电机在静止状态下，由于机械振动、负载扰动，编码器会检测到微小的位置波动，反馈到PLC的当前位置计数器里。

处理办法有两种：

• 在PLC侧做滤波，位置值在小范围内波动时不更新显示。
• 在触摸屏侧做显示滤波，监视值的变化量小于设定阈值就保持原显示。

我选了第二种，在昆仑通态的循环脚本里加了个比较逻辑，非常有效：

if abs(当前位置 - 上次显示值) < 5 then 显示值 = 上次显示值 else 显示值 = 当前位置 上次显示值 = 当前位置 endif

这个阈值5就是0.005mm，肉眼完全感受不到，但画面稳定多了。

5.3 三轴联动时某轴“偷跑”

自动运行过程中发现，Y轴偶尔会提前启动，或者X轴还没到位，Z轴就开始动作了。这个问题的根因在PLC程序的扫描周期和DRVI指令的启动时刻不完全同步。

排查之后发现，问题出在我用了“同一扫描周期内执行三条DRVI指令”，但在某些情况下，某条DRVI的启动条件没有被同时满足，导致它推迟到下个扫描周期才执行。例如，某个轴的当前位置计数器有轻微的“回差”，导致差值计算不为零但绝对值小于脉冲输出许可值。

解决办法是，在三轴启动前增加一个“就绪判断”：分别计算三个轴的目标脉冲数与当前位置差值的绝对值，如果三个差值都大于设定的最小脉冲数（比如10个脉冲，即0.01mm），才允许启动。这样从逻辑上保证了三条DRVI指令在同一周期内可以被同时触发。

5.4 点表数据丢失

用户反馈有时候点表数据保存后，断电重启就没了。我查了一下，不是PLC电池的问题，而是操作员在使用触摸屏时，误触了“系统设置”里的“恢复出厂设置”，触摸屏恢复默认后，虽然配方数据不在了，但PLC里的点表还在。后来我在触摸屏脚本里加了一个“数据备份”功能，点表修改后自动上传一份到触摸屏的存储目录里。

触碰屏内部存储的数据在掉电后不会丢失，这块可以做一个备份机制。PLC里的点表是“主存储”，触摸屏目录里的CSV文件是“备份存储”。一旦检测到PLC点表数据异常（比如总数不对），就提示操作员从备份恢复。这个功能做起来很简单，但对用户来说却是救命级别的保护。

5.5 Z轴抖动

Z轴垂直安装，断电或者运动停止后有下垂现象，运动过程中有明显抖动。这其实是机械问题，伺服增益没调好的典型表现。MR-JE伺服可以通过面板或者软件调整位置环增益和速度环增益。

我调整后试下来的经验是：Z轴因为有重力的影响，增益要比水平轴低一些，否则容易振荡。位置环增益降到原来的70%左右，速度环积分时间常数拉大一点，抖动基本消除。另外机械上，Z轴有配重或者氮气平衡的话，伺服能轻松很多。这个项目里没有平衡装置，调试时就得靠伺服参数来补偿。

6. 一些值得说的体会

这个项目从设计到调试完成，大概花了两周时间。和专门的机器人示教器相比，这套方案在功能上有各种局限，但在“点位示教、顺序搬运、简单轨迹”这类场景中，性价比确实很高。

最后分享一个心得：做这种项目，别急着写程序，先把“数据流”理清楚。触摸屏上按一个按钮，数据经过什么路径、最终落在哪个寄存器、PLC怎么响应，这一条链路在动工前画出来，后面能省一大半时间。我就是因为前期没画清楚，中途改了两次寄存器地址，差点把点表数据搞乱。

还有一点，示教功能做完后，一定要让操作工实际用几天再交付。他们用起来觉得顺手的，才是真正好用的示教器。我就根据他们反馈，增加了“点动短行程”模式，按下按钮移动0.1mm，松开就停，这样精确微调特别方便。这个需求如果不上现场，靠坐在办公室里是想不出来的。