課程設計（論文）數(shù)控機床主軸系統(tǒng)的PLC控制設計

1、中北大學課程設計說明書目錄一. 目的與要求 2二步進電機的工作原理 2三可編程邏輯控制器概述 3四. 輸入輸出信號分析與plc i/o分配圖 5五. plc的選型 65.1 plc的類型 6 5.2 輸入輸出模塊的選擇 75.3 電源的選擇 7 5.4 存儲器的選擇 7六. 主要元器件的型號選擇 8 七. 控制程序 8八. 梯形圖設計 9九. 指令表 10十. 運行與調試程序13 十一.總結 14十二參考文獻14一.目的與要求 通過對某數(shù)控機床主軸系統(tǒng)的plc控制設計，使學生熟練掌握plc在數(shù)控機床主軸系統(tǒng)的控制作用、動作順序與原理，并學會應用plc。主軸系統(tǒng)的plc控制主軸的控制包括控制轉速

2、、正反轉及步數(shù)?？刂埔螅翰竭M電機為連續(xù)可控動行操作；有正反轉功能，由一個控制開關控制，開關合上為正轉，斷開為反轉；有停止開關；轉速分四級，轉速控制由兩個輸入開關通過編碼后實現(xiàn)。通過本課程設計,完成：輸入輸出信號分析與plc i/o分配圖plc選型主要元器件型號的選擇程序設計完成梯形圖設計并完成相應指令。要求獨立完成主軸系統(tǒng)的plc控制設計，包括程序的編制和調試，并根據(jù)規(guī)定格式完成課程設計說明書的撰寫。二步進電機的工作原理步進電動機是一種將電脈沖信號轉換成角位移或線位移的機電元件。步進電動機的輸入量是脈沖序列，輸出量則為相應的增量位移或步進運動。正常運動情況下，它每轉一周具有固定的步數(shù)；做連續(xù)

3、步進運動時，其旋轉轉速與輸入脈沖的頻率保持嚴格的對應關系，不受電壓波動和負載變化的影響。由于步進電動機能直接接受數(shù)字量的控制，所以特別適宜采用微機進行控制。圖1 三相反應式步進電動機的結構示意圖1定子 2轉子 3定子繞組圖1是最常見的三相反應式步進電動機的剖面示意圖。電機的定子上有六個均布的磁極，其夾角是60。各磁極上套有線圈，按圖1連成a、b、c三相繞組。轉子上均布40個小齒。所以每個齒的齒距為e=360/40=9，而定子每個磁極的極弧上也有5個小齒，且定子和轉子的齒距和齒寬均相同。由于定子和轉子的小齒數(shù)目分別是30和40，其比值是一分數(shù)，這就產(chǎn)生了所謂的齒錯位的情況。若以a相磁極小齒和轉子

4、的小齒對齊，如圖1，那么b相和c相磁極的齒就會分別和轉子齒相錯三分之一的齒距，即3。因此，b、c極下的磁阻比a磁極下的磁阻大。若給b相通電，b相繞組產(chǎn)生定子磁場，其磁力線穿越b相磁極，并力圖按磁阻最小的路徑閉合，這就使轉子受到反應轉矩（磁阻轉矩）的作用而轉動，直到b磁極上的齒與轉子齒對齊，恰好轉子轉過3；此時a、c磁極下的齒又分別與轉子齒錯開三分之一齒距。接著停止對b相繞組通電，而改為c相繞組通電，同理受反應轉矩的作用，轉子按順時針方向再轉過3。依次類推，當三相繞組按abca順序循環(huán)通電時，轉子會按順時針方向，以每個通電脈沖轉動3的規(guī)律步進式轉動起來。若改變通電順序，按acba順序循環(huán)通電，則

5、轉子就按逆時針方向以每個通電脈沖轉動3的規(guī)律轉動。因為每一瞬間只有一相繞組通電，并且按三種通電狀態(tài)循環(huán)通電，故稱為單三拍運行方式。單三拍運行時的步矩角b為30。三相步進電動機還有兩種通電方式，它們分別是雙三拍運行，即按abbccaab順序循環(huán)通電的方式，以及單、雙六拍運行，即按aabbbcccaa順序循環(huán)通電的方式。六拍運行時的步矩角將減小一半。反應式步進電動機的步距角可按下式計算： b=360/ner (1)式中 er轉子齒數(shù)； n運行拍數(shù)，n=km，m為步進電動機的繞組相數(shù)，k=1或2。三可編程邏輯控制器概述“plc是一種數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程的存儲器

6、，用來在內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關設備，都應按易于與工業(yè)控制器系統(tǒng)聯(lián)成一體、易于擴充功能的原則設計?！鄙鲜鍪菄H電工委員會于1985年1月對plc所作的權威性的定義。對于plc的定義，其補充說明如下。以微處理技術為基礎，應用于以控制開關量為主，或包括控制過程參量在內的邏輯控制、機電運動控制或過程控制等工業(yè)控制領域的新型工業(yè)控制裝置。1.1.2 plc的功能可編程控制器是采用微電子技術來完成各種控制功能的自動化設備，按照預先輸入的程序控制現(xiàn)場的執(zhí)行機構，并按照一定規(guī)律進行動

7、作。其主要功能體現(xiàn)在以下幾方面：1順序邏輯控制順序邏輯控制在plc應用領域中應用最廣泛，可以取代繼電器控制系統(tǒng)，實現(xiàn)邏輯控制和順序控制。它既可以用于單機控制或多機控制，又可用于自動化生產(chǎn)線的控制。plc根據(jù)操作按鈕、限位開關及其他現(xiàn)場給出的指令信號和傳感器信號，控制機械運動部件進行相應的操作。2運動控制在機械加工行業(yè)，plc與計算機數(shù)控集成在一起，用以完成機床的運動控制。很多plc制造廠家已提供了拖動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模板。在多數(shù)情況下，plc將描述目標位置的數(shù)據(jù)送給模板，模板移動一軸或數(shù)軸到目標位置。當每個軸移動時，位置控制模板將保持適當?shù)乃俣群图铀俣?，以確保運動平滑。目

8、前已用于控制無心磨削、沖壓、復雜零件分段沖裁、滾削、磨削等應用中。3定時控制plc為用戶提供了一定數(shù)量的定時器，并設置了定時器指令。一般每個定時器可實現(xiàn)0.1999.9s或0.0199.99s的定時控制，也可按一定方式進行定時時間的擴展。定時精度高，定時設定方便、靈活。同時plc還提供了高精度的時鐘脈沖，可用于準確地實時控制。4計數(shù)控制plc提供了多種計數(shù)器，如普通計數(shù)器、可逆計數(shù)器、高速計數(shù)器等，可以用來完成不同用途的計數(shù)控制。當計數(shù)器的當前計數(shù)值等于計數(shù)器的設定值，或在某一數(shù)值范圍時，發(fā)出控制命令。計數(shù)器的計數(shù)值可以在運行中被讀出，也可以在運行中進行修改。5步進控制plc為用戶提供了一定數(shù)

9、量的移位寄存器，并完成步進控制功能。在一道工序完成之后，自動進行下一道工序；一個工作周期結束后，自動進入下一個工作周期。有些plc還專門設有步進控制指令，使得步進控制更為方便。6數(shù)據(jù)處理大部分plc都具有不同程度的數(shù)據(jù)處理功能，如f2系列、c系列、s5系列plc等可完成數(shù)據(jù)運算（如加、減、乘、除、乘方、開方等）、邏輯運算（如與、或、異或、求反等）、移位、數(shù)據(jù)比較和傳送及數(shù)值的轉換等操作。7模數(shù)和數(shù)模轉換在過程控制或閉環(huán)控制系統(tǒng)中，存在溫度、壓力、流量、速度、位移、電流、電壓等連續(xù)變化的物理量（或稱模擬量）。過去，由于plc善于邏輯運算控制，對于這些模擬量主要依靠儀表（如果回路數(shù)較少）或分布式控

10、制系統(tǒng)dcs（如果回路數(shù)較多）來控制。目前，不但大、中型plc具有模擬量處理功能，甚至很多小型plc（如c系列p型機）也具有模擬量處理功能，而且編程和使用都很方便。8通信及聯(lián)網(wǎng)目前大多數(shù)plc都具有了通信能力，能夠在plc與計算機之間同時進行同位鏈接及上位鏈接。通過這些通信技術，使plc更容易構成工廠自動化系統(tǒng)。也可與打印機、監(jiān)視器等外部設備相連，記錄和監(jiān)視有關數(shù)據(jù)。四.輸入輸出信號分析與plc i/o分配圖步進電機正反轉和調速、步數(shù)控制輸入輸出點分配表：表格1輸入信號100步開關s7x007名稱代號輸入點編號暫停開關s8x010啟動開關s0x000停止按鈕sb2x011慢速開關s1x001輸

11、出信號中速開關s2x002快速開關s3x003名稱代號輸出點編號正/反轉s4x004u相功放電路uy000單步按鈕sb1x005v相功放電路vy00110步開關s6x006w相功放電路wy002plc i/0配置及接線圖2圖2五.plc的選型 plc是20世紀70年代以來以微處理器為核心，綜合計算機技術、自動控制技術和通信技術發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動控制，被廣泛應用于各個領域，因為它具有幾個突出的特點：可靠性高，抗干擾強；編程簡單，易于掌握；功能完善，靈活方便；體積小，質量輕，功耗低。i/o點數(shù)估算時應考慮適當?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，再增加10%20%的可擴展余量后，作為輸入輸出

12、點數(shù)估算數(shù)據(jù)。存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。設計階段，由于用戶應用程序還未編制，因此，程序容量在設計階段是未知的，需在程序調試之后才知道。為了設計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。plc選型原則：（一）plc的類型plc按結構分為整體型和模塊型兩類，按應用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類；按cpu字長分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應用角度出發(fā)，通?？砂纯刂乒δ芑蜉斎胼敵鳇c數(shù)選型。整體型plc的i/o點數(shù)固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控

13、制系統(tǒng)；模塊型plc提供多種i/o卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的i/o點數(shù)，功能擴展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。（二）輸入輸出模塊的選擇輸入輸出模塊的選擇應考慮與應用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應用要求。對輸出模塊，應考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應時間較長等特點；可控硅輸出模塊適用于開關頻繁，電感性低功率因數(shù)負荷場合，但價格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應用要求應一致?？筛鶕?jù)應用要求，合理選用智能型輸入輸出模塊，以便提高控制水

14、平和降低應用成本?？紤]是否需要擴展機架或遠程i/o機架等。（三）電源的選擇plc的供電電源，除了引進設備時同時引進plc應根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設計和選用外，一般plc的供電電源應設計選用220vac電源，與國內電網(wǎng)電壓一致。重要的應用場合，應采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。如果plc本身帶有可使用電源時，應核對提供的電流是否滿足應用要求，否則應設計外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入plc，對輸入和輸出信號的隔離是必要的，有時也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。（四）存儲器的選擇由于計算機集成芯片技術的發(fā)展，存儲器的價格已下降，因此，為保證應用項目的正常投運，一般要求plc的存儲器容量，按

15、256個i/o點至少選8k存儲器選擇。需要復雜控制功能時，應選擇容量更大，檔次更高的存儲器。綜上所述： 在此次課程設計中我選用fx2n-32mr，因為它的編程相對簡單易懂，是理想的可編程控制器。而在設計中的i/o點數(shù)在48以下，則用的是微型plc。其基本單元中的輸入點按照x000x007,x010x017 這樣的八進制進行編號，而輸出點按照yoooy007,y010y017這樣的八進制進行編號，內部繼電器可多次使用，定時器將1ms,10ms,100ms等脈沖進行加法計數(shù)，計數(shù)器可進行向上向下計數(shù)。六.主要元器件的型號選擇（如表2所示）表2文字符號名稱型號規(guī)格m1主軸電機jo2-72-430kw

16、,1470r/minkm1，km2，km3,km4交流接觸器cj0-7575a,線圈電壓220vfr熱繼電器tk-e02r-c10a,線圈電壓220vfu熔斷器rm1-100qs斷路器式刀開關3vu16sb1,sb2主軸電動機啟動按鈕la8-1sb3主軸電動機停止按鈕la8-1sb4主軸電動機的沖動按鈕la8-1七.控制程序 轉速控制。由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生不同周期t的控制脈沖,通過脈沖控制器的選擇,再通過三相六拍環(huán)形分配器使三個輸出繼電器y000、y001和y002按照單雙六拍的通電方式接通,其接通順序為： y000 t y000、y001 t y001、y002 t y002 t y002、y0

17、00該過程對應于三相步進電動機的通電順序是: u t u、v t v、w t w t w、v選擇不同的脈沖周期t,以獲得不同頻率的控制脈沖,從而實現(xiàn)對步進電動機的調速。 正反轉控制。通過正、反轉驅動環(huán)節(jié)(調換相序),改變y000、y001和y002接通的順序,以實現(xiàn)步進電動機的正、反轉控制。即 步進電機正轉:y000 y000、y001 y001、y002 y002 y002、y000步進電機反轉: y000 y001、y000 y000、y002 y002 y002、y001步數(shù)控制。通過脈沖計數(shù)器,控制六拍時序脈沖數(shù),以實現(xiàn)對步進電動機步數(shù)的控制八.梯形圖設計 用功能指令實現(xiàn)步進電機控制的

18、梯形圖3如下圖3九.指令表9.1主軸電動機正轉控制按下主軸電動機正轉啟動按鈕sb1,第一邏輯行中x0閉合，y0接通并自鎖，t0接通并開始計時；第3邏輯行x0閉合，通用繼電器m1接通。第2邏輯行y0常閉觸點閉合，通用繼電器m0接通；第5邏輯行m0,m1常開觸點閉合y3接通，主軸電動機正向啟運轉。當主軸電動機正向旋轉速度達到一定值時，第6邏輯行x11常開觸點閉合，為主軸電動機正向旋反向制動作好準備。t0計時5秒后動作，第9邏輯行t0常開觸閉合，接通y5，電流表a開始監(jiān)測主軸電動機的電流。9.2 主軸電動機反轉控制 按下主軸電動機正轉啟動按鈕sb2，第2邏輯行中x1閉合，y0接通并自鎖，t0接通并開

19、始計時；第4邏輯行x1閉合，通繼電器m2常開觸點閉合，y4接通,y 4接通，主軸電動機反向起動運轉。當主軸電動機反向旋轉速度達到一定值時，第5邏輯行x12常開閉合， 為主軸電動機反向制動做好準備。t0計時經(jīng)過5秒后動作，第9邏輯行常開觸點閉合接通y5，電流表a開始監(jiān)測主軸電動機的電流。9.3 主軸電動機正向啟動運行反向制動停止控制 當y0、y3、t0、y5閉合，主軸電動機正向運轉時，按下停止按鈕sb4，第第一邏輯行x3常閉觸點斷開，y0、t0失電，第3邏輯行x3常閉點斷開，m1失電； 而第5邏輯行m1常開觸點復位斷開，y3失電，主軸電動機停止正轉。同時， 第6邏輯行x3常開觸點閉合，y4接通，

20、給主軸電動機通入反轉電源，使之產(chǎn)生一個反轉力矩制動主軸電動機的正向旋轉，主軸電動機的正轉速度迅速下降。當正轉速度下降至一定速度時，速度繼電器ks1觸點斷開，x11常開觸點復位斷開，y4斷電，完成主軸電動機的正向啟動運行反向制動停止過程。 指令如下：ld x000ani m1ani m2ani m3 ani m4ani m5 out m10ld m20ani c0ani c1ani x010sftr m10 m0 k6 k1ld m5or m0or m1out 100ld m3or m2or m1out m101ld m5or m4or m3out m102ld x004and m100ldi

21、x004and m101orbld xoo4and m101ldi x004and m100ld m102out y002ldi t0out t0 k10 ldi t1out t1 k5ldi t2out t2 k2ld x005pls m11ld x001and t0ld x002and t1orbld x003and t2orbld m11out m20ld x006and m20c0 k10ldi x006 rst c0ld x007and m20and m20c1 k100ldi x007rst c1end十.運行與調試程序 將梯形圖編寫對應的指令程序,并將其寫入plc的ram,運行調試程序。 轉速控制。選擇慢速(接通s1),接通啟動開關s0。脈沖控制器產(chǎn)生周期為1s的控制脈沖,使m0m5的狀態(tài)隨脈沖向右移位,產(chǎn)生六拍時序脈沖,并通過三相六拍環(huán)形分配器使y000、y001和y002按照單雙六拍的通電方式接通,步進電動機開始慢速步進運行。斷開s1、s0;接通s2、s0或s3、s0,觀察步進電動機的轉速控制運行情況。正反轉控制。先接通正、反轉開關s4,再重復上述轉速控制操作,觀察步進電動機的運行情況。步數(shù)控制。選擇慢速(接通s1);選擇10步(接通