畢業(yè)設(shè)計（論文）基于plc的單軸數(shù)控運(yùn)動系統(tǒng)設(shè)計

1、 第一章 單軸數(shù)控運(yùn)動系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域及特點1.1 單軸數(shù)控運(yùn)動系統(tǒng)的基本概念單軸數(shù)控運(yùn)動系統(tǒng)就是在一個時段內(nèi)只能控制一個軸運(yùn)動的運(yùn)動系統(tǒng)，如點位數(shù)控運(yùn)動系統(tǒng)和直線直線數(shù)控運(yùn)動系統(tǒng)。在點位數(shù)控系統(tǒng)中，數(shù)控系統(tǒng)僅控制機(jī)床運(yùn)動部件從一點尊卻得移動到另一點，在移動過程中不進(jìn)行加工。在直線數(shù)控系統(tǒng)中，除了控制運(yùn)動部件從一個點到另一點的準(zhǔn)確定位外，還要控制兩點之間的運(yùn)動速度和運(yùn)動軌跡。在移動過程中，刀具只能以制定的進(jìn)給速度切屑，且運(yùn)動軌跡平行于機(jī)床坐標(biāo)。1.2 單軸數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)用領(lǐng)域單軸數(shù)控的應(yīng)用范圍很廣，如鉆床、拉床等，其特點是:機(jī)床移動部件能實現(xiàn)由一個位置到另一個位置的精確移動,即準(zhǔn)確控制移動部件的終

2、點位置, 在移動過程中刀具不切削工件。實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點位控制的方法。最常見的例如鉆床類的搖臂鉆床，它操作方便靈活、適用范圍廣、具有典型性，適用于單件中或批量生產(chǎn)中帶有許多孔的大型零件的孔加工，我國搖臂鉆床的電氣控制系統(tǒng)普遍采用的是傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制方式。因其所要控制的電機(jī)較多所以電路較復(fù)雜，在日常的生產(chǎn)作業(yè)當(dāng)中，經(jīng)常發(fā)生電氣故障，從而影響生產(chǎn)。另外，一些復(fù)雜的控制如;時間、計數(shù)控制用繼電器接觸器控制方式較難實現(xiàn)，所以，有必要對傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。plc電氣控制系統(tǒng)可以有效的彌補(bǔ)上述系統(tǒng)的這一缺陷?？删幊踢壿嬁刂破骱喎Qplc，是從早期的繼電器邏輯電氣控制系統(tǒng)發(fā)展而來，它不斷吸收微型計

3、算機(jī)控制技術(shù)，使之功能不斷增強(qiáng)，逐漸適合復(fù)雜的電氣控制系統(tǒng)，plc之所以有較強(qiáng)的生命力，在于它更加適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場和市場要求?？煽啃愿?，抗干擾能力強(qiáng)，編程方便，價格低，壽命長。與單片機(jī)相比，可靠性高、功能比較豐富、能在各種不同的控制場合使用，它的輸入/輸出端更接近現(xiàn)場設(shè)備，不需添加太多的中間部件，這樣可以大大節(jié)省用戶的開發(fā)時間與生產(chǎn)成本。現(xiàn)在應(yīng)用于各種工業(yè)控制領(lǐng)域的plc種類繁多，規(guī)模大小和功能強(qiáng)弱千差萬別，但她們具有以下一些共同的特點.可靠性高?？煽啃允怯脩舻氖走x要求，目前各廠家生產(chǎn)的plc，平均無故障時間都大大超過iec規(guī)定的10萬小時，例如：西門子、abb、松下三菱等微小型plc，而且都有完

4、善的自診斷功能，判斷故障的迅速。靈活組態(tài)。plc是系列化產(chǎn)品。通常采用模塊化結(jié)構(gòu)來完成不同的任務(wù)組合。輸入輸出端口選擇靈活，有多種機(jī)型，組合方便。功能強(qiáng)大。除基本的邏輯控制、定時、計數(shù)、算術(shù)運(yùn)算功能外，配合特殊功能模塊還可實現(xiàn)點位控制、pto運(yùn)算、過程運(yùn)算、數(shù)字控制等功能，為方便工廠管理又可以與上位機(jī)通信，通過遠(yuǎn)程模塊可以控制遠(yuǎn)程設(shè)備。因此plc幾乎是全能的工業(yè)控制計算機(jī)。編程方便、易于使用。plc的編程可采用與繼電器極為相似的梯形圖語言，直觀易懂，深受現(xiàn)場電氣人員的歡迎。近年來又發(fā)展了面向?qū)ο蟮捻樋刂屏鞒虉D語言，使編程更加簡單方便。運(yùn)行速度快。傳統(tǒng)的機(jī)電接觸電氣控制系統(tǒng)通過大量觸點的機(jī)械動作

5、進(jìn)行控制，速度很慢，而且系統(tǒng)愈大速度愈慢。plc的控制速度則由plc與pc機(jī)之間的差別越來越小。同時，plc還具備了網(wǎng)絡(luò)功能。能進(jìn)行多臺plc或plc與pc機(jī)之間的聯(lián)網(wǎng)通訊，使用plc可以很方便的構(gòu)成“集中管理、分散控制”的分布式電氣控制系統(tǒng)，通過現(xiàn)場總線的plc通訊網(wǎng)絡(luò)、可使工廠的各種資源共享，就更適合于工廠自動化的需要，為工廠自動化提供了技術(shù)保證。正是由于plc電氣控制系統(tǒng)的種種優(yōu)點，可以大大提高單軸數(shù)控設(shè)備的工作穩(wěn)定性，為工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化帶來生機(jī)，同時，提高了plc編程水平和時間能力，為今后在實際工作中熟練使用plc進(jìn)行工業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計打好基礎(chǔ)。1.3單軸數(shù)控運(yùn)動系統(tǒng)的特點1.3.1 高速

6、、高精密化高速、精密是機(jī)床發(fā)展永恒的目標(biāo)。隨著科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，機(jī)電產(chǎn)品更新?lián)Q代速度加快，對零件加工的精度和表面質(zhì)量的要求也愈來愈高。為滿足這個復(fù)雜多變市場的需求，當(dāng)前機(jī)床正向高速切削、干切削和準(zhǔn)干切削方向發(fā)展，加工精度也在不斷地提高。另一方面，電主軸和直線電機(jī)的成功應(yīng)用，陶瓷滾珠軸承、高精度大導(dǎo)程空心內(nèi)冷和滾珠螺母強(qiáng)冷的低溫高速滾珠絲杠副及帶滾珠保持器的直線導(dǎo)軌副等機(jī)床功能部件的面市，也為機(jī)床向高速、精密發(fā)展創(chuàng)造了條件。數(shù)控車床采用電主軸，取消了皮帶、帶輪和齒輪等環(huán)節(jié)，大大減少了主傳動的轉(zhuǎn)動慣量，提高了主軸動態(tài)響應(yīng)速度和工作精度，徹底解決了主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時皮帶和帶輪等傳動的振動和噪聲問題

7、。采用電主軸結(jié)構(gòu)可使主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到10000r/min以上。直線電機(jī)驅(qū)動速度高，加減速特性好，有優(yōu)越的響應(yīng)特性和跟隨精度。用直線電機(jī)作伺服驅(qū)動，省去了滾珠絲杠這一中間傳動環(huán)節(jié)，消除了傳動間隙（包括反向間隙），運(yùn)動慣量小，系統(tǒng)剛性好，在高速下能精密定位，從而極大地提高了伺服精度。直線滾動導(dǎo)軌副，由于其具有各向間隙為零和非常小的滾動摩擦，磨損小，發(fā)熱可忽略不計，有非常好的熱穩(wěn)定性，提高了全程的定位精度和重復(fù)定位精度。通過直線電機(jī)和直線滾動導(dǎo)軌副的應(yīng)用，可使機(jī)床的快速移動速度由目前的1020m/mim提高到6080m/min，甚至高達(dá)120m/min。1.3.2 高可靠性 數(shù)控機(jī)床的可靠性是數(shù)控機(jī)床產(chǎn)

8、品質(zhì)量的一項關(guān)鍵性指標(biāo)。數(shù)控機(jī)床能否發(fā)揮其高性能、高精度和高效率，并獲得良好的效益，關(guān)鍵取決于其可靠性的高低。1.3.3 智能化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化和集成化21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)。智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動生成；為提高驅(qū)動性能及使用連接方面的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動識別負(fù)載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機(jī)界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控等方面的內(nèi)容，以方便系統(tǒng)的診斷及維修等。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近年來機(jī)床發(fā)展的一個熱點。

9、數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實現(xiàn)新的制造模式，如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元。數(shù)控機(jī)床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是：從點（數(shù)控單機(jī)、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床）、線（fmc、fms、ftl、fml）向面（工段車間獨立制造島、fa）、體（cims、分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng)）的方向發(fā)展，另一方面向注重應(yīng)用性和經(jīng)濟(jì)性方向發(fā)展。柔性自動化技術(shù)是制造業(yè)適應(yīng)動態(tài)市場需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是各國制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢，是先進(jìn)制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)。其重點是以提高系統(tǒng)的可靠性、實用化為前提，以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標(biāo)，注重加強(qiáng)單元技術(shù)的開拓和完善。cnc單

10、機(jī)向高精度、高速度和高柔性方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床及其構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)能方便地與cad、cam、capp及mts等聯(lián)結(jié)，向信息集成方向發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向開放、集成和智能化方向發(fā)展。第二章 可編程控制器（plc）與步進(jìn)電機(jī)2.1可編程控制器起源與特點2.1.1 可編程控制器起源20世紀(jì)是人類科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的一個世紀(jì)，電氣控制技術(shù)也由繼電器控制過渡到計算機(jī)控制系統(tǒng)。各種工業(yè)用計算機(jī)控制產(chǎn)品的出現(xiàn)，對提高機(jī)械設(shè)備的自動控制性能起到了關(guān)鍵的作用。進(jìn)入21世紀(jì)，各種自動控制產(chǎn)品的出現(xiàn)正向著控制可靠，操作簡單，通用強(qiáng)，價格低的方向發(fā)展，使自動控制的實現(xiàn)越來越容易。自動控制裝置的研究，是為了最大限度在滿足人們及機(jī)

11、械設(shè)備的要求。曾一度在控制領(lǐng)域占主導(dǎo)位置的繼電器控制系統(tǒng)，存在著控制能力弱，可靠性低的缺點，并且設(shè)備的固定接線控制裝置不利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代。20世紀(jì)60年代末期，在技術(shù)改革浪潮產(chǎn)沖擊下，使汽車結(jié)構(gòu)及外形為斷改進(jìn)，品種不斷增加，需要經(jīng)常變更生產(chǎn)工藝。這就希望在控制成本的前提下，盡可能縮短產(chǎn)品的更新?lián)Q代周期，以滿足生產(chǎn)的需求，使企業(yè)在激烈的市場競爭中取勝。2.1.2 可編程控制器的主要特點(1) 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。由于采用大規(guī)模集成電路和微處理器，使系統(tǒng)器件數(shù)大大減少，并且在硬件的設(shè)計和制造的過程中采取了一系列隔離和抗干擾措施，使它能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，具有很高的可靠性。(2) 編程簡單，使

12、用方便。目前大多數(shù)plc均采用梯形圖編程言，沿用了繼電接觸控制的一些圖形符號，直觀清晰，易于掌握。(3) 通用性好，具有在線修改能力。plc硬件采用模塊化結(jié)構(gòu)，可以靈活地組態(tài)以適應(yīng)不同的控制對象，控制規(guī)模和控制功能的要求。且可通過修改軟件，來實現(xiàn)在線修改的能力，因此其功能易于擴(kuò)展，具有廣泛的工業(yè)通用性。(4) 縮短設(shè)計、施工、投產(chǎn)的周期，維護(hù)容量。目前plc產(chǎn)品朝著系列化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，只需根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，選用相應(yīng)的模塊進(jìn)行組合設(shè)計，同時用軟件編程代替了繼電控制的硬連線，大大減輕了接線工作，同時plc還具有故障檢測和顯示功能，使故障處理時間縮短。(5) 體積小，易于實現(xiàn)機(jī)電一體化。plc

13、體積小，重量輕，便十安裝。的結(jié)構(gòu)緊湊，它與被控制對象的硬件連接方式簡單、接線少，便于維護(hù)。2.2 可編程控制器的語言特點和形式2.2.1 語言特點 1、圖形式指令結(jié)構(gòu): 程序由圖形方式表達(dá)，指令由不同的圖形符號組成，易于理解和記憶。系統(tǒng)的軟件開發(fā)者已把工業(yè)控制中所需的獨立運(yùn)算功能編制成象征性圖形，用戶根據(jù)自己的需要把這些圖形進(jìn)行組合，并填入適當(dāng)?shù)膮?shù)。在邏輯運(yùn)算部分，幾乎所有的廠家都采用類似于繼電器控制電路的梯形圖，很容易接受。如西門子公司還采用控制系統(tǒng)流程圖來表示，它沿用二進(jìn)制邏輯元件圖形符號來表達(dá)控制關(guān)系，很直觀易懂。較復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算、定時計數(shù)等，一般也參照梯形圖或邏輯元件圖給于表示，雖然

14、象征性不如邏輯運(yùn)算部分，也受用戶歡迎。 2.明確的變量常數(shù): 圖形符相當(dāng)于操作碼，規(guī)定了運(yùn)算功能，操作數(shù)由用戶填人，如:k400, t120等。plc中的變量和常數(shù)以及其取值范圍有明確規(guī)定，由產(chǎn)品型號決定，可查閱產(chǎn)品目錄手冊。 3.簡化的程序結(jié)構(gòu): plc的程序結(jié)構(gòu)通常很簡單，典型的為塊式結(jié)構(gòu)，不同塊完成不同的功能，使程序的調(diào)試者對整個程序的控制功能和控制順序有清晰的概念。 4.簡化應(yīng)用軟件生成過程: 使用匯編語言和高級語言編寫程序，要完成編輯、編譯和連接三個過程，而使用編程語言，只需要編輯一個過程，其余由系統(tǒng)軟件自動完成,不要求用戶有高深的軟件設(shè)計能力。 5.強(qiáng)化調(diào)試手段: 無論是匯編程序，

15、還是高級語言程序調(diào)試，都是令編輯人員頭疼的事，而plc的程序調(diào)試提供了完備的條件，使用編程器，利用plc和編程器上的按鍵、顯示和內(nèi)部編輯、調(diào)試、監(jiān)控等，并在軟件支持下，診斷和調(diào)試操作都很簡單。 總之，plc的編程語言是面向用戶的，對使用者不要求具備高深的知識、不需要長時間的專門訓(xùn)練。2.2.2 編程語言的形式 plc最常用的兩種編程語言，一是梯形圖，二是助記符語言表。采用梯形圖編程，因為它直觀易懂，但需要一臺個人計算機(jī)及相應(yīng)的編程軟件;采用助記符形式便于實驗，因為它只需要一臺簡易編程器，而不必用昂貴的圖形編程器或計算機(jī)來編程。雖然一些高檔的plc還具有與計算機(jī)兼容的c語言、basic語言、專用

16、的高級語言(如西門子公司的graph5、三菱公司的melsap )，還有用布爾邏輯語言、通用計算機(jī)兼容的匯編語言等。不管怎么樣，各廠家的編程語言都只能適用于本廠的產(chǎn)品。 1、編程指令:指令是plc被告知要做什么，以及怎樣去做的代碼或符號。從本質(zhì)上講，指令只是一些二進(jìn)制代碼，這點plc與普通的計算機(jī)是完全相同的。同時plc也有編譯系統(tǒng)，它可以把一些文字符號或圖形符號編譯成機(jī)器碼，所以用戶看到的plc指令一般不是機(jī)器碼而是文字代碼，或圖形符號。常用的助記符語句用英文文字(可用多國文字)的縮寫及數(shù)字代表各相應(yīng)指令。常用的圖形符號即梯形圖，它類似于電氣原理圖是符號，易為電氣工作人員所接受。 2、指令系

17、統(tǒng):一個plc所具有的指令的全體稱為該plc的指令系統(tǒng)。它包含著指令的多少，各指令都能干什么事，代表著plc的功能和性能。一般講，功能強(qiáng)、性能好的plc，其指令系統(tǒng)必然豐富，所能干的事也就多。我們在編程之前必須弄清plc的指令系統(tǒng) 3、程序:plc指令的有序集合，plc運(yùn)行它，可進(jìn)行相應(yīng)的工作，當(dāng)然，這里的程序是指plc的用戶程序。用戶程序一般由用戶設(shè)計，plc的廠家或代銷商不提供。用語句表達(dá)的程序不大直觀，可讀性差，特別是較復(fù)雜的程序，更難讀，所以多數(shù)程序用梯形圖表達(dá)。 4、梯形圖:梯形圖是通過連線把plc指令的梯形圖符號連接在一起的連通圖，用以表達(dá)所使用的plc指令及其前后順序，它與電氣原

18、理圖很相似。它的連線有兩種:一為母線，另一為內(nèi)部橫豎線。內(nèi)部橫豎線把一個個梯形圖符號指令連成一個指令組，這個指令組一般總是從裝載(ld)指令開始，必要時再繼以若干個輸入指令 (含ld指令)，以建立邏輯條件。最后為輸出類指令，實現(xiàn)輸出控制，或為數(shù)據(jù)控制、流程控制、通訊處理、監(jiān)控工作等指令，以進(jìn)行相應(yīng)的工作。母線是用來連接指令組的。 梯形圖與助記符的對應(yīng)關(guān)系:助記符指令與梯形圖指令有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，而梯形圖的連線又可把指令的順序予以體現(xiàn)。一般講，其順序為:先輸入，后輸出(含其他處理);先上，后下;先左，后右。有了梯形圖就可將其翻譯成助記符程序。反之根據(jù)助記符，也可畫出與其對應(yīng)的梯形圖。 梯形圖與電

19、氣原理圖的關(guān)系:如果僅考慮邏輯控制，梯形圖與電氣原理圖也可建立起一定的對應(yīng)關(guān)系。如梯形圖的輸出(out)指令，對應(yīng)于繼電器的線圈，而輸入指令(如ld, and, or)對應(yīng)于接點，互鎖指令(il, ilc)可看成總開關(guān)，等等。這樣，原有的繼電控制邏輯，經(jīng)轉(zhuǎn)換即可變成梯形圖，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，即可變成語句表程序。有了這個對應(yīng)關(guān)系，用plc程序代表繼電邏輯是很容易的。這也是plc技術(shù)對傳統(tǒng)繼電控制技術(shù)的繼承。2.3步進(jìn)電機(jī)介紹步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到

20、一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。2.4步進(jìn)電機(jī)分類及特點2.4.1 步進(jìn)電機(jī)分類(1)永磁式步進(jìn)電機(jī)永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度。(2)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī). 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但聲和振動都很大。(3)混合式步進(jìn)電機(jī)混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相。兩相步進(jìn)角一般分

21、為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。2.4.2 步進(jìn)電機(jī)特點1一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。2步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點。步進(jìn)電機(jī)溫度過高時會使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常3步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機(jī)隨

22、頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。4步進(jìn)電機(jī)低速時可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。 2.5步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理2.5.1 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部機(jī)械構(gòu)造如圖2-1:圖2-1 步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部機(jī)械圖三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2-2所示:定子、轉(zhuǎn)子是用硅鋼

23、片或其他軟磁材料制成的。定子的每對極上都繞有一對繞組，構(gòu)成一相繞組，共三相稱為a、b、c三相圖2-2 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)在定子磁極和轉(zhuǎn)子上都開有齒分度相同的小齒，采用適當(dāng)?shù)凝X數(shù)配合，當(dāng)a相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒一一對應(yīng)時，b相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒相互錯開1/3齒距，c相則錯開2/3齒距。2.5.2步進(jìn)電機(jī)工作原理步進(jìn)電動機(jī)用電脈沖對多相定子繞組進(jìn)行輪流控制，利用電磁鐵原理，每來一個電脈沖，電動機(jī)轉(zhuǎn)動一個角度，將脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移。如圖2-3所示為一臺三項步進(jìn)電機(jī)的工作原理，步進(jìn)電機(jī)的定子上有6個極，組成a/a、b/b、c/c三相，轉(zhuǎn)子有1、2、3、4四個均勻分布的齒，兩個齒之間的距離稱為

24、齒距角，用t表示，t=360/z,其中z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。在此列中齒距角等于90。當(dāng)a相繞組通電時，因磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合（圖中虛線表示磁力線回路及方向），將迫使轉(zhuǎn)子齒1、3和定子極a/a對齊，轉(zhuǎn)子將在空間轉(zhuǎn)過一個角度，如圖2-3（a）所示。a相斷電，b相繞組通電，使轉(zhuǎn)子齒2、4和定子極b/b對齊，轉(zhuǎn)子將在空間轉(zhuǎn)過一個角度，如圖2-3（b）所示。如果繼續(xù)使b相斷電，c相繞組斷電，則齒1、3和定子c/c對齊，轉(zhuǎn)子又在空間轉(zhuǎn)過一個角度，如圖2-3“（c）所示，當(dāng)電動機(jī)通電順序經(jīng)歷了a相b相c相a相一個循環(huán)以后，磁場也旋轉(zhuǎn)過一周，而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距角，如此循環(huán)往復(fù)，步進(jìn)電機(jī)便按一定方向連續(xù)轉(zhuǎn)動。

25、圖2-3 三相步進(jìn)電機(jī)工作原理26步進(jìn)電機(jī)的plc直接控制技術(shù)2.6.1步進(jìn)電機(jī)控制原理1運(yùn)動速度的控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于輸入的脈沖頻率。從圖2-4可以看出,當(dāng)改變輸入脈沖的周期時,abc三相繞組高低電平的寬度將發(fā)生變化,這就導(dǎo)致通電和斷電變化的速率發(fā)生變化,使電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化,所以調(diào)節(jié)輸入脈沖的周期就可以控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動速度。圖2-4 脈沖分配波形圖2正、反轉(zhuǎn)控制步進(jìn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制可通過改變步進(jìn)電繞組的通電順序來改變其轉(zhuǎn)向三項單三拍拍步進(jìn)通電順為abca.時電機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)按acba.順序通電時電機(jī)反轉(zhuǎn).因可以通過plc輸出的方向控制信號改變硬件環(huán)配器的輸出順序,或經(jīng)編程改變輸出脈沖的順

26、序變步進(jìn)電機(jī)繞組的通電順序?qū)崿F(xiàn)23步數(shù)控制步進(jìn)電機(jī)每輸入一個電脈沖就前進(jìn)一步,其的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比。因此可以根據(jù)電機(jī)的輸出位移量確定plc輸出的脈沖個數(shù),即現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)控制。n=l/ （2-1）式中l(wèi)為步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量(mm),為機(jī)構(gòu)的脈沖當(dāng)量(mm/脈沖).2.6.2步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器控制隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的性能也不斷更新和升級。由于采用超大規(guī)模集成電路，具有高度的抗干擾性及快速的響應(yīng)性，不會像單片機(jī)控制那樣易產(chǎn)生死機(jī)及丟步現(xiàn)象，某公司生產(chǎn)的sh-2h090m型驅(qū)動器控制面板。該驅(qū)動器主要驅(qū)動二相和四相電機(jī)，把計算機(jī)控制系統(tǒng)提供的弱電信號放大為步進(jìn)電機(jī)能

27、夠接受的強(qiáng)電流信號，控制統(tǒng)提供給驅(qū)動器的信號主要有以下3路：(1)步進(jìn)脈沖信號cp：這是最重要的一路信號，因為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的原理就是要把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，或者說：驅(qū)動器每接受一個脈沖信號cp，就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一步距角，cp的頻率和步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，cp的脈沖個數(shù)決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度。這樣，控制系統(tǒng)通過脈沖信號cp就可以達(dá)到電機(jī)調(diào)速和定位的目的。cp脈沖的寬度一般要求不小于2s。(2)方向電平信號dir：此信號決定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。比如說，此信號為高電平時電機(jī)為順時針旋轉(zhuǎn)，此信號為低電平時電機(jī)則為反方向逆時針旋轉(zhuǎn)。此種換向方式，我們稱之為單脈沖方式。另外，還

28、有一種雙脈沖換向方式：驅(qū)動器接受兩路脈沖信號(一般標(biāo)注為cw和ccw)，當(dāng)其中一路(如cw有脈沖信號時，電機(jī)正向運(yùn)行，當(dāng)另一路(如ccw有脈沖信號時，電機(jī)反向運(yùn)行，sh-2h090m型驅(qū)動器就是這種方式。電機(jī)換向時，一定要在電機(jī)降速停止后再換向，并且換向信號一定要在前一個方向的最后一個cp脈沖結(jié)束后以及下一個方向的第一個cp脈沖前發(fā)出。(3)脫機(jī)信號free：此信號為選用信號，并不是必須要用的，只在一些特殊情況下使用，此端為低電平有效，這時電機(jī)處于無力矩狀態(tài)；此端為高電平或懸空不接時，此功能無效，電機(jī)可正常運(yùn)行，此功能若不采用，只需將此端懸空即可。switch settings用來設(shè)定細(xì)分?jǐn)?shù)；

29、ac1和ac2為兩路交流電源接口；ab是步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動器的接口?？刂菩盘栆? ma高電流25 ma，-25 ma低電流0.2 ma，由于plc的控制電源多配置24 v開關(guān)電源,此時可以串接2 k的限流電阻。步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)配套時，體現(xiàn)出更大的優(yōu)越性。2.6.3步進(jìn)電機(jī)的plc直接控制技術(shù)可編程序控制器(plc)是計算機(jī)技術(shù)與繼電器邏輯控制技術(shù)相結(jié)合的一種新型控制器，具有編程簡單、直觀；使系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)和可靠的優(yōu)點。為了配合步進(jìn)電機(jī)的控制，許多plc都內(nèi)置了脈沖輸出功能，并設(shè)置了相應(yīng)的控制指令，可以很好地對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行直接控制。這種控制的優(yōu)點是大大減少系統(tǒng)設(shè)計的工作量，沒有各部分接

30、口信號的匹配問題，提高系統(tǒng)的可靠性。plc具有實時刷新技術(shù)，輸出信號的頻率可以達(dá)到數(shù)千赫茲或更高，使得脈沖分配能有很高的分配速度，充分利用步進(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力，提高整個系統(tǒng)的快速性。并且，plc有采用大功率晶體管的輸出端口，能夠滿足步進(jìn)電機(jī)各相繞組數(shù)10 v級脈沖電壓、1 a級脈沖電流的驅(qū)動要求。因此用plc來控制步進(jìn)電機(jī)，其組合方便，電路簡單可靠。通常plc直接控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計時,在plc和步進(jìn)電機(jī)選型前,需要計算出脈沖當(dāng)量、脈沖頻率上限和最大脈沖數(shù)量3個參數(shù)：脈沖當(dāng)量=(步進(jìn)電機(jī)距角螺距)/(360傳動比)。脈沖頻率上限=移動速度步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)脈沖。當(dāng)量最大脈沖數(shù)量=移動距離步進(jìn)電機(jī)

31、細(xì)分?jǐn)?shù)脈沖當(dāng)量。根據(jù)脈沖頻率確定plc高速脈沖輸出頻率，根據(jù)脈沖數(shù)量確定plc的位寬。考慮到系統(tǒng)響應(yīng)的及時性、可靠性和使用壽命，plc應(yīng)選擇晶體管輸出型。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)的選擇要避開電機(jī)的共振頻率。若步進(jìn)電機(jī)的的運(yùn)行速度不超過突跳頻率，且對于定位沒有過高的要求，plc直接控制步進(jìn)電機(jī)可以更簡單，無需計算太多的參數(shù)第三章plc實現(xiàn)單軸數(shù)控運(yùn)動系統(tǒng)的設(shè)計及調(diào)試3.1設(shè)計要求要求通過plc控制步進(jìn)電機(jī)工作，并具有開停機(jī)，自動和手動功能，手動功能中包含低速進(jìn)給，快速進(jìn)給，工作運(yùn)行，點動功能。并能按給定的速度進(jìn)行加工運(yùn)動，并且具有準(zhǔn)確定位功能。 在plc中編寫一個簡單的自動控制程序，電機(jī)運(yùn)行過程分別為快進(jìn)

32、（速度v1）工作（速度v2）慢進(jìn)（速度v3），到位后后退（電機(jī)反轉(zhuǎn)），以v1速度退回，退回到位后重復(fù)上訴過程。采用100線的編碼器進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量。32步進(jìn)電機(jī)plc控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中,步進(jìn)電機(jī)plc控制方案其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。系硬件部分由控制面板、控制器plc、驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)等組成。由控制面板向plc發(fā)出啟停，方向，速度等指令;控制器plc發(fā)出脈沖、方向信號,通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。在滾珠絲桿末端安裝一個編碼器，并將編碼器的信號反饋給plc，將信號輸入plc高速計數(shù)器控制程序。圖3-1步進(jìn)電機(jī)plc控制方案圖3.3硬件選擇（1）步進(jìn)電機(jī):步進(jìn)電機(jī)

33、有步距角、靜力矩、電流三大要素組成。根據(jù)負(fù)載的控制精度要求選擇步距角大小,根據(jù)負(fù)載的大小確定靜力矩,靜力矩一經(jīng)確定根據(jù)電機(jī)矩頻特性曲線來判斷電機(jī)的電流。在本次設(shè)計中，選用步距角為1.2的雷塞573s09步進(jìn)電機(jī)（圖3-2）圖3-2 步進(jìn)電機(jī)(2)驅(qū)動器:遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動的原則,電機(jī)的相數(shù)、電流大小是驅(qū)動器選擇的決定性因素;在選型中,還要根據(jù)plc輸出信號的極性來決定驅(qū)動器輸入信號是共陽極或共陰極。為了改善電機(jī)的運(yùn)行性能和提高控制精度,通常通過選擇帶細(xì)分功能的驅(qū)動器來實現(xiàn),目前驅(qū)動器的細(xì)分等級有8倍、16倍、32倍、64倍等,最高可達(dá)256倍細(xì)分。在實際應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)控制要和步進(jìn)電機(jī)的特性選

34、擇合適的細(xì)分倍數(shù),以達(dá)到更高的速度和更大的高速轉(zhuǎn)矩,使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)精度更高,振動更小 。在本次設(shè)計中，選用與步進(jìn)電機(jī)匹配的3nd583步進(jìn)驅(qū)動器（圖3-3）圖3-3 步進(jìn)驅(qū)動器(3)plc:運(yùn)用plc控制步進(jìn)電機(jī)時,應(yīng)該保證plc具有高速脈沖輸出功能,通過選擇具有高速脈沖輸出功能或?qū)Ｓ眠\(yùn)動控制功能的模塊來實現(xiàn)在本次設(shè)計中，選用三菱的fx2n系列plc（圖3-4）圖3-4 三菱的fx2n系列plc3.4 plc設(shè)計i/o分配3.4.1 plc i/o分配表3-1plc i/o分配表序號輸入/輸出端口功能1輸入x00編碼器反饋脈沖2輸入x01編碼器反饋脈沖3輸入x02啟動4輸入x03停止5輸入x04自

35、動6輸入x05手動7輸入x06正向8輸入x07反向9輸入x10工作運(yùn)行10輸入x11快速進(jìn)給11輸入x112低速進(jìn)給12輸入x13點動13輸出y01脈沖信號輸出14輸出y02方向信號輸出15輸出y03使能信號輸出3.4.2步進(jìn)驅(qū)動器i/o分配表3-2步進(jìn)驅(qū)動器i/o分配表序號輸入/輸出符號功能1輸入pul+（+5v）/pul-（pul） 脈沖控制信號2輸入dir+（+5v）/dir-（dir）方向信號3輸入ena+（+5v）/ena-（ena）使能信號4輸出u,v,w 控制信號輸出3.4.3電氣接口i/o分配圖圖3-5 單軸數(shù)控運(yùn)動系統(tǒng)i/o電器接口圖3.5軟件設(shè)計及調(diào)試3.5.1 plc梯形

36、圖設(shè)計3,5.2 plc指令編輯圖第四章 plc單軸數(shù)控的展望及未來發(fā)展方向4.1 plc單軸數(shù)控的展望目前全球性經(jīng)濟(jì)蕭條的形勢下，中國政府采取了積極的財政政策和適度寬松的貨幣政策，以擴(kuò)大投資和拉動內(nèi)需。在新形勢下，如何捕捉投資與進(jìn)入市場的機(jī)會，如何在危機(jī)中走得更好、更穩(wěn)？中國數(shù)控單軸產(chǎn)業(yè)投資咨詢報告密切關(guān)注數(shù)控單軸行業(yè)的企業(yè)、市場、產(chǎn)業(yè)鏈、競爭、政策等全面信息。本報告詳盡描述了數(shù)控單軸行業(yè)目前的運(yùn)行環(huán)境，重點研究并分析預(yù)測了其市場前景以及供求變化的短期和長期趨勢，針對當(dāng)前行業(yè)發(fā)展面臨的宏觀形勢下的機(jī)遇與威脅，提出了我們對數(shù)控單軸產(chǎn)業(yè)發(fā)展的投資及戰(zhàn)略建議。21世紀(jì)，plc會有更大的發(fā)展。從技術(shù)

37、上看，計算機(jī)技術(shù)的新成果會更多地應(yīng)用于可編程控制器的設(shè)計和制造上，會有運(yùn)算速度更快、存儲容量更大、智能更強(qiáng)的品種出現(xiàn)；從產(chǎn)品規(guī)模上看，會進(jìn)一步向超小型及超大型方向發(fā)展；從產(chǎn)品的配套性上看，產(chǎn)品的品種會更豐富、規(guī)格更齊全，完美的人機(jī)界面、完備的通信設(shè)備會更好地適應(yīng)各種工業(yè)控制場合的需求；從市場上看，各國各自生產(chǎn)多品種產(chǎn)品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現(xiàn)少數(shù)幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現(xiàn)國際通用的編程語言；從網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展情況來看，可編程控制器和其它工業(yè)控制計算機(jī)組網(wǎng)構(gòu)成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術(shù)的發(fā)展方向。目前的計算機(jī)集散控制系統(tǒng)dcs（distributed control sy

38、stem）中已有大量的可編程控制器應(yīng)用。伴隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制網(wǎng)絡(luò)和國際通用網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。4.2 plc單軸數(shù)控的未來發(fā)展方向隨著plc的發(fā)展，速度，插補(bǔ)算法都進(jìn)步很大，完全可以完成多軸加工，多軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)成為當(dāng)今世界數(shù)控機(jī)床發(fā)展的最尖端技術(shù)領(lǐng)域。 “一個軸，只能加工一道線；兩個軸，就能加工一個面；三個軸，就能加工立體空間部件；四軸以上，功能就更為強(qiáng)大，工作平面都能旋轉(zhuǎn)，加工精度極高?！睌?shù)控專家如此形象解釋。多軸聯(lián)動的高性能數(shù)控機(jī)床，能同時控制四個以上坐標(biāo)軸的聯(lián)動。通常三軸機(jī)床可以實現(xiàn)二軸、二軸半、三軸加工；五軸機(jī)床也可以只用到三軸聯(lián)動加工，而其他兩軸不聯(lián)動。它能將數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆床等功能組合在一起，零件在一次裝夾后，可以將加工面進(jìn)行銑、鏜、鉆、擴(kuò)、鉸及攻螺紋等多工序加工，能有效地避免由于多次安裝造成的定位誤差，可加工形狀復(fù)雜，精度要求高的零件，如葉輪葉片等。多軸聯(lián)動的高性能數(shù)控機(jī)床技術(shù)，對一個國家裝備工業(yè)的發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。經(jīng)過多年自主研發(fā)，我國目前已經(jīng)成功掌握這一關(guān)鍵技術(shù)，國產(chǎn)五軸聯(lián)動高性能數(shù)控機(jī)床已在國內(nèi)投產(chǎn)應(yīng)用。（一）向高速度、大容量方向發(fā)展 為了提高plc的處理能力，要求plc具有更好的響應(yīng)速度和更大的存儲容量。目前，有的plc的掃描速度可達(dá)0.1ms/k