畢業(yè)論文（設(shè)計）玻璃激光內(nèi)雕機控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、玻璃激光內(nèi)雕機控制系統(tǒng)的設(shè)計摘要：激光內(nèi)雕機是集激光技術(shù)、精密機械、電子技術(shù)、計算機等學科于一體的高技術(shù)設(shè)備。激光要能雕刻玻璃,其能量密度須大于使玻璃破壞的某一臨界值,或稱閾值。這樣,通過適當聚焦,可以使激光的能量密度在進入玻璃及到達加工區(qū)之前低于玻璃的破壞閾值,而在希望加工的區(qū)域那么超過這一臨界值。激光在極的時間內(nèi)產(chǎn)生脈沖,其能量能夠在瞬間使水晶受熱破裂,從而產(chǎn)生極小的白點,在玻璃內(nèi)部雕出預(yù)定的形狀,而玻璃或水晶的其余局部那么保持原樣完好無損。本論文主要通過對玻璃激光內(nèi)雕機的運動結(jié)構(gòu)的分析，提出了用plc來控制其運動的可能，通過plc編程，來最終模擬實現(xiàn)玻璃激光內(nèi)雕機的五軸聯(lián)動。關(guān)鍵詞：玻璃

2、激光內(nèi)雕機 ，plc ，五軸聯(lián)動, 振鏡電機Glass laser subsurface engraving machine control system designAbstract:Laser subsurface engraving machine is laser technology, precision machinery, electronic technology, computer and other subjects in a bodys high technology and equipment. Laser to engrave glass, the glass dam

3、aged on its energy density must be greater than a certain critical value, or the threshold. The laser energy density and it somewhere in that point related to the size of the light spot. The same laser beam, the smaller the spot where the energy density is larger. In this way, through proper focus,

4、can make the laser energy density in before we reached into the glass and processing zone below the glass damage threshold, and in the hope the processing area is more than the critical value. The laser pulse in a period of time, its energy can make crystal heat in an instant burst, resulting in a t

5、iny white dot, inside the glass carved a predetermined shape, while the rest of the glass or crystal intact .This paper mainly through the glass in the laser engraving machine movement structure analysis, proposed to use PLC to control the movement of the may, through the PLC programming, to the fin

6、al simulation for five-axis movements of glass in the laser engraving machine.Keywords: glass laser subsurface engraving machine, PLC, five-axis linkage, vibration motor目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc390083832 1前言 PAGEREF _Toc390083832 h 1 HYPERLINK l _Toc390083833 選題背景和意義 PAGEREF _Toc390083833

7、 h 1 HYPERLINK l _Toc390083834 激光產(chǎn)業(yè)開展態(tài)勢分析 PAGEREF _Toc390083834 h 1 HYPERLINK l _Toc390083835 內(nèi)雕機的開展過程 PAGEREF _Toc390083835 h 1 HYPERLINK l _Toc390083836 內(nèi)雕機的現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc390083836 h 4 HYPERLINK l _Toc390083837 大幅畫藝術(shù)玻璃內(nèi)雕機 PAGEREF _Toc390083837 h 4 HYPERLINK l _Toc390083838 內(nèi)雕機的開展前景 PAGEREF _Toc39

8、0083838 h 5 HYPERLINK l _Toc390083839 五軸聯(lián)動雕刻機 PAGEREF _Toc390083839 h 5 HYPERLINK l _Toc390083840 本課題的主要研究內(nèi)容 PAGEREF _Toc390083840 h 6 HYPERLINK l _Toc390083841 2五軸聯(lián)動的關(guān)鍵技術(shù) PAGEREF _Toc390083841 h 8 HYPERLINK l _Toc390083842 五軸聯(lián)動的概述 PAGEREF _Toc390083842 h 8 HYPERLINK l _Toc390083843 五軸聯(lián)動的國外現(xiàn)狀 PAGERE

9、F _Toc390083843 h 8 HYPERLINK l _Toc390083844 五軸聯(lián)動的國內(nèi)現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc390083844 h 9 HYPERLINK l _Toc390083845 五軸聯(lián)動的關(guān)鍵問題 PAGEREF _Toc390083845 h 9 HYPERLINK l _Toc390083846 1五軸聯(lián)動關(guān)鍵技術(shù)的分析 PAGEREF _Toc390083846 h 10 HYPERLINK l _Toc390083847 3五軸聯(lián)動玻璃激光內(nèi)雕機 PAGEREF _Toc390083847 h 13 HYPERLINK l _Toc39008384

10、8 概述 PAGEREF _Toc390083848 h 13 HYPERLINK l _Toc390083849 玻璃激光內(nèi)雕機工作原理與系統(tǒng)組成 PAGEREF _Toc390083849 h 13 HYPERLINK l _Toc390083850 激光振鏡的平面掃描 PAGEREF _Toc390083850 h 14 HYPERLINK l _Toc390083851 五軸激光玻璃內(nèi)雕刻機的結(jié)構(gòu)與特點 PAGEREF _Toc390083851 h 15 HYPERLINK l _Toc390083852 五軸聯(lián)動玻璃激光內(nèi)雕機的關(guān)鍵技術(shù) PAGEREF _Toc390083852

11、h 16 HYPERLINK l _Toc390083853 4系統(tǒng)的硬件設(shè)計 PAGEREF _Toc390083853 h 17 HYPERLINK l _Toc390083854 西門子 S7-200 PLC 的功能概述 PAGEREF _Toc390083854 h 17 HYPERLINK l _Toc390083855 西門子 S7-200 PLC 的硬件結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc390083855 h 17 HYPERLINK l _Toc390083856 西門子 S7-200 PLC 的特點 PAGEREF _Toc390083856 h 18 HYPERLINK l _

12、Toc390083857 西門子 S7-200 PLC 的工作原理 PAGEREF _Toc390083857 h 18 HYPERLINK l _Toc390083858 5系統(tǒng)的軟件設(shè)計 PAGEREF _Toc390083858 h 21 HYPERLINK l _Toc390083859 西門子 S7-200 PLC 的程序結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc390083859 h 21 HYPERLINK l _Toc390083860 52西門子 S7-200 PLC 的編程語言 PAGEREF _Toc390083860 h 21 HYPERLINK l _Toc390083861 主

13、程序設(shè)計流程圖 PAGEREF _Toc390083861 h 22 HYPERLINK l _Toc390083862 6 S7-200PLC的編譯過程與模擬仿真局部截圖結(jié)果 PAGEREF _Toc390083862 h 24 HYPERLINK l _Toc390083863 6.1 S7-200PLC的編譯過程 PAGEREF _Toc390083863 h 24 HYPERLINK l _Toc390083864 系統(tǒng)模擬仿真的局部截圖結(jié)果 PAGEREF _Toc390083864 h 28 HYPERLINK l _Toc390083865 總結(jié) PAGEREF _Toc3900

14、83865 h 31 HYPERLINK l _Toc390083866 參考文獻 PAGEREF _Toc390083866 h 32 HYPERLINK l _Toc390083867 致謝 PAGEREF _Toc390083867 h 33 HYPERLINK l _Toc390083868 附錄A I/O分配表 PAGEREF _Toc390083868 h 34 HYPERLINK l _Toc390083869 附錄B五軸聯(lián)動PLC程序圖 PAGEREF _Toc390083869 h 351前言從20世紀60年代第1臺激光器誕生至今已逾 40多年，激光器已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用

15、，同時 更多的應(yīng)用領(lǐng)域也對激光器的開展提出了更高的要求。激光器現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于打標、切割、內(nèi)雕、焊接、演示、測量、軍工生產(chǎn)以及醫(yī)療等各個領(lǐng)域，不同領(lǐng)域?qū)す飧鲄?shù)的要求也不盡相同。隨著社會的開展和工業(yè)需求的逐步提高，激光器也由當初的紅寶石激光器、逐步開展為氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器和液體激光器等幾大類，其中固體激光器因其激光特性及造價本錢等方面的優(yōu)勢，現(xiàn)已成為市場需求量最大，開展速度最快的激光器。世界激光產(chǎn)業(yè)的開展按區(qū)域可劃分為美國、歐洲、日本及太平洋 地區(qū)。市場份額美國約占55%，歐洲約占22%，日本及太平洋地區(qū)約占23%。500瓦以下的中、小功率激光器是美國占優(yōu)勢，500瓦以上用于

16、材料加工的高功率激光器是德國占優(yōu)勢，而小功率的半導(dǎo)體激光器那么是日本占優(yōu)勢，占世界市場的70%以上。美國、日本、德國三個國家激光產(chǎn)業(yè)的開展代表了當今世界激光產(chǎn)業(yè)開展的趨勢。 德國在激光材料加工設(shè)備方面占明顯優(yōu)勢，美國在激光醫(yī)療及激光檢測方面領(lǐng)先在前，日本那么在光電子技術(shù)方面占首位。這說明各個國家的開展都與他們自己的工業(yè)根底有關(guān)。美國之所以在光電子技術(shù)方面落后于日本，主要原因是美國的半導(dǎo)體工業(yè)落后于日本，因此，美國光電子工業(yè)開展協(xié)會提出要在光電子工業(yè)方面迎頭趕上，使美國在光電子世界市場上占有較大的份額1。隨著社會的開展，人們的鑒賞水平有了很大的提高，水晶內(nèi)雕工藝品不再是超出人們經(jīng)濟能力范圍的奢侈

17、品，在興旺國家已走進尋常百姓家。這為激光器在內(nèi)雕行業(yè)中的應(yīng)用帶來了強大的動力。目前，水晶內(nèi)雕機已經(jīng)完成了由白光機向綠光機、燈泵機向半導(dǎo)體泵浦機；工位機向振鏡機的轉(zhuǎn)變，內(nèi)雕的效果越來越好，內(nèi)雕機的工作效率也越來越高。對于水晶工藝品加工行業(yè)來說，激光相對于其他加工方式有著先天的優(yōu)勢，它能夠在不損傷工件外表的情況下，對內(nèi)部的特定位置進行打點加工。把激光的焦點定在水晶內(nèi)部，使焦點處的能量密度剛好到達水晶爆炸點破壞閾值，而在水晶外表及內(nèi)部其他部位由于光能沒有到達水晶的破壞閾值將不會造成任何損傷，再結(jié)合計算機精確方位控制，就不難在水晶內(nèi)部雕出特定的三維圖案。這里所說的水晶并不是真正的水晶，而是人造水晶，其

18、實也就是含有氧化鉛的玻璃，這種玻璃透光性好、亮度高、從不同方向看都是均勻透明的。但這并不是說有色玻璃就不能內(nèi)雕，有色玻璃由于里面含有一些有色元素而呈現(xiàn)出特定的顏色，由于這些元素的存在，其對光能的吸收可能會高一些，所以光相對要弱一些，但一般來說在光強足夠大的情況下能夠雕刻。早期的工位機是將水晶粘在工作平臺上，由和個方向的電機帶動絲杠轉(zhuǎn)動來使工作平臺移動，軸的移動那么由軸方向的電機控制。由于這種機械移動需要帶上負載，因此速度不可能太快，致使工位機的雕刻速度一般都達不到理論最大值，遠不能滿足高速內(nèi)雕的需要。然而，振鏡那么是通過控制光的方向，用類似于光掃描的方式來控制打點，因此速度非?？?，幾乎能在接近

19、理論最大速度的情況下工作，其工作速度能夠滿足3000以上的頻率要求。各內(nèi)雕機生產(chǎn)商已經(jīng)開始在燈泵機上使用振鏡，但振鏡機并沒有立刻取代工位機，因為聚焦鏡補償能力有限，造成其工作范圍太小，使用100的聚焦鏡，其工作范圍約為60。使用長焦距的聚焦鏡能使雕刻范圍有所增加，比方使用160的聚焦鏡，工作范圍是110。但這又會帶來其他問題：焦距太長，焦深也就長，雕出的點子就比較細長，圖案在正面看沒有大問題，但從側(cè)面看，圖案就顯得很朦朧，不夠清晰。目前內(nèi)雕機生產(chǎn)商為了獲得更好的雕刻效果，一般多采用焦距在100 110的聚焦鏡。同時，為了克服振鏡機工作范圍 小的缺點，又派生出五維內(nèi)雕技術(shù)。其實，所謂的五維就是用

20、振鏡結(jié)合工位機的特點，將圖案分成假設(shè)干塊，每一塊都用振鏡來雕刻，完成一塊后再通過電機移動到另一塊。這樣既能實現(xiàn)高速內(nèi)雕，又能兼顧大幅面工作。但這樣做存在拼接問題，目前的工作重點是如何才能使塊與塊之間拼接的非常好且看不出任何的縫隙或者重疊。采用半導(dǎo)體激光器，可使振鏡機的高速性能得到充分發(fā)揮2。最初工業(yè)用的內(nèi)雕機是燈泵式白光機，內(nèi)雕行業(yè)所謂的白光就是肉眼見不到的1064的紅外光，這個波長的光能夠用于內(nèi)雕，但點子過于粗大使內(nèi)雕的效果比較粗糙，因此圖案的分辨率不高。后經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，1064的倍頻光532在雕刻效果方面優(yōu)于白光機，而且532的綠光在可見光范圍內(nèi)易于調(diào)節(jié)，只是多一個倍頻晶體而已。因此，在很短

21、的時間內(nèi)綠光機取代了白光機，進入了內(nèi)雕加工工業(yè)。隨著半導(dǎo)體激光器的開展和應(yīng)用，燈泵機與半導(dǎo)體泵浦激光內(nèi)雕機相比，半導(dǎo)體泵浦激光器的優(yōu)勢越來越明顯，具體表達如下：燈泵機耗材多，調(diào)節(jié)麻煩。由于燈泵機的燈管需要經(jīng)常清洗及更換，要通過一些旋鈕來調(diào)節(jié)透鏡的角度，因此經(jīng)常會因為一些振動而導(dǎo)致激光器失調(diào)，需要經(jīng)常性調(diào)節(jié)。而半導(dǎo)體激光器各部件一般在出廠時就已經(jīng)固定好，而且要12年才更換一次，所以使用方便。燈泵機速度慢。普通的燈泵機能量低，頻率只能到達200左右，理論最高速度12000。要到達較高頻率，只能增加燈功率，但會導(dǎo)致散熱缺乏。而半導(dǎo)體激光器的光光轉(zhuǎn)換效率高，能量高，頻率能夠到達幾千赫茲。燈泵機體積大。

22、由于燈泵機的光光轉(zhuǎn)換效率為，大局部能量都轉(zhuǎn)化為熱量，因此必須配備一個較高功率的制冷系統(tǒng)，即風冷系統(tǒng)的功率太低，遠不能滿足制冷需求，這樣就造成燈泵機必須有一個大功率的水冷箱，因此體積比較大。燈泵機因為本錢低，所以并沒有完全被淘汰，仍然可以滿足低端客戶的需要。但是，隨著生產(chǎn)力水平的提高，各種原材料的價格降低，半導(dǎo)體激光器的本錢呈下降趨勢，并將最終取代燈泵機成為市場的主流。隨著人們對美的追求和社會的需要，水晶玻璃內(nèi)雕作品在色彩上變得更為豐富是必然的。利用水晶玻璃工藝品的內(nèi)雕局部對光線具有較強的反射、折射作用,而空白局部對光線具有較好的通透性能的光學原理,由微控制電路按照三基色調(diào)色板原理,分別控制幾種

23、色彩的燈,在/內(nèi)雕圖像上混色,變化出多種絢麗的色彩,從而使原本白色的內(nèi)雕圖像呈現(xiàn)出五彩繽紛、光榮奪目的效果。在彩色內(nèi)雕的技術(shù)研究上,上海光機所/光子技術(shù)國際合作實驗室有突出表現(xiàn)。有關(guān)專家在開拓激光誘導(dǎo)空間選擇性三維微結(jié)構(gòu)創(chuàng)新研究的根底上,采用脈沖激光誘導(dǎo)方法,按照設(shè)計要求在玻璃中成功地內(nèi)雕出立體多色圖案。伴隨著行業(yè)的成熟和市場需求標準的提高,激光內(nèi)雕技術(shù)必然由無色向彩色工藝開展?，F(xiàn)階段應(yīng)用在激光內(nèi)雕行業(yè)的半導(dǎo)體激光器主要分2類：電光調(diào)激光器和聲光調(diào)激光器，它們各有優(yōu)缺點。對于水晶內(nèi)雕而言，電光調(diào)方式由于脈寬窄，峰值功率高，每個脈沖都會到達水晶的爆炸點，因此一般的玻璃鋼化玻璃除外都能打進去，但在

24、高頻條件下電光調(diào)不夠穩(wěn)定，電光調(diào)頻率一般不超過1000。聲光調(diào)由于峰值功率不高，水晶有雜質(zhì)局部就可能因為峰值功率達不到爆炸點而漏點。而且，就算對于純度非常高的水晶，激光器的出光功率也不可能是百分之百穩(wěn)定，必然有波動，功率較低的時候也可能打不出點，但卻能在高頻下穩(wěn)定工作，通常3000以上的內(nèi)雕機都是用聲光調(diào)激光器。如何解決電光調(diào)在高頻下不穩(wěn)定的問題，或者如何解決聲光調(diào)峰值功率不夠高的問題，這都是將來工作的重點3。大幅面玻璃激光內(nèi)雕，是一種以電子、激光、LED三種技術(shù)為根底的新型建材產(chǎn)品，產(chǎn)品與電子技術(shù)、燈光相結(jié)合，表現(xiàn)形式多樣，產(chǎn)品低碳、節(jié)能、環(huán)保，它的出現(xiàn)，賦予了藝術(shù)玻璃全新的生命，同時也大大

25、提升了玻璃行業(yè)的技術(shù)開展，也對整個建材行業(yè)的開展影響深遠。它的內(nèi)雕是以激光機將一定波長的激光打入玻璃或者水晶內(nèi)部，令其內(nèi)部的特定部位發(fā)生細微的爆裂形成氣泡，從而勾勒出預(yù)置形狀的一種加工工藝，將平面或立體的圖案“雕刻在水晶或者玻璃的內(nèi)部。也泛指以這種工藝加工出來工藝品。經(jīng)過不斷開展內(nèi)雕玻璃廣泛應(yīng)用到公司或家庭的移門、幕墻、隔斷、背景墻、相框和樓梯的裝修上4。圖1.1 圣石激光大幅面藝術(shù)玻璃內(nèi)雕機中國禮品市場目前雖然種類繁多，但是能到達永遠收藏和獨特個性的很少很少。激光水晶內(nèi)雕設(shè)備提供的水晶內(nèi)雕個性化立體人像定制效勞能將一張普通的平面照片轉(zhuǎn)成3D立體人像，雕刻在透明的水晶體內(nèi)，外部無任何損，這種表

26、現(xiàn)方式填補了數(shù)碼照片和藝術(shù)雕像的空白。這項技術(shù)，給平靜的中國禮品和數(shù)碼照片市場帶來了新的開展機遇 5。五軸聯(lián)動雕刻機，目前已獲得2項創(chuàng)造專利和4項實用新型專利。該雕刻機可加工鋁及各種非金屬材料的復(fù)雜曲面，適用于各種模型制作及五聯(lián)動加工人才的培訓。 五軸聯(lián)動雕刻機創(chuàng)新地采用新型并聯(lián)球面輪系做擺動刀頭，以構(gòu)成混聯(lián)機床，在同等體積和重量前提下，具有加工精度高、加工范圍大、剛度高、控制便捷、性價比高等優(yōu)點。世界興旺國家的五軸聯(lián)動機床和加工中心三軸的數(shù)量比例已高達4比6左右，伴隨著我國制造業(yè)的日趨開展，急需大量五軸數(shù)控加工技術(shù)人才。目前，一臺五軸聯(lián)動機床動輒上百萬元，且五軸聯(lián)動機床的進口一直受到西方興旺

27、國家的限制，因而難以在高等院校中得到普及使用，影響了人才的培養(yǎng)。另外，該五軸聯(lián)動雕刻機可以運用于工業(yè)設(shè)計、建筑裝潢等方面的模型制作，具有極高的性價比。圖1.2 五軸聯(lián)動雕刻機通過以上內(nèi)容對玻璃內(nèi)雕機行業(yè)、現(xiàn)狀、分類及開展狀況的分析，可以得出的結(jié)論是：這個行業(yè)依然在不斷的進化，不斷的開展，它的市場前景還是相當樂觀的；與此同時，內(nèi)調(diào)的技術(shù)也在越來越趨于成熟，而內(nèi)調(diào)的核心就在于怎么樣去調(diào)整或是開發(fā)其系統(tǒng)的控制局部，當然方法還是有很多種的。在工業(yè)自動化領(lǐng)域，可編程控制器(PLC)、機器人和 CAD/CAM 成為自動控制的三大技術(shù)支柱，在現(xiàn)代工業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用。目前工業(yè)機器人由設(shè)計開發(fā)到應(yīng)用已經(jīng)相當

28、普及，且絕大局部采用交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)，控制器往往采用基于 PC 或 DSP 的嵌入式控制器。但是，隨著 PLC 技術(shù)的快速開展，特別是運動控制和網(wǎng)絡(luò)功能的加強，PLC 已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對機器人的控制，因此對基于 PLC控制的玻璃激光內(nèi)雕機系統(tǒng)進行研究并實現(xiàn)運動控制就顯得十分必要。本論文主要任務(wù)內(nèi)容是在熟練運用PLC及相關(guān)配套軟件的根底上，實現(xiàn)對玻璃激光內(nèi)雕機運動部件的控制，用PLC來實現(xiàn)玻璃激光內(nèi)雕機控制系統(tǒng)地五軸聯(lián)動。2五軸聯(lián)動的關(guān)鍵技術(shù)“五軸是指機床工作臺擁有五個運動軸，即XYZ三個直線運動軸和AB兩個旋轉(zhuǎn)軸?！?五軸聯(lián)動，是指機床的這五個運動軸，在加工工件時能同時協(xié)調(diào)運動。五軸數(shù)控技術(shù)是在三

29、軸的根底上增加了兩個旋轉(zhuǎn)軸。所以,在復(fù)雜曲面的高效、精密、自動化加工方面,五軸聯(lián)動加工具有三軸加工所不能比較的的優(yōu)勢。主要表達在以下幾個方面:1).可以加工一般三軸數(shù)控機床所不能加工或很難一次裝夾完成加工的連續(xù)、平滑的自由曲面。2).可以提高空間自由曲面的加工精度、質(zhì)量和效率等。3).可以實現(xiàn)工件的一次裝夾,集中工序進行高精、高效和復(fù)合加工,從而保證了工件各個外表間的位置精度等6。五軸聯(lián)動技術(shù)是一種科技含量、精密度高,專門用于加工復(fù)雜曲面的技術(shù)，這種技術(shù)系統(tǒng)對一個國家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設(shè)備等等行業(yè)有著舉足輕重的影響力,是解決大型薄壁零件、整體葉輪、渦輪機葉片、精密光學

30、零件與模具的關(guān)鍵設(shè)備,能極大地提高加工效率、生產(chǎn)能力和加工質(zhì)量,縮短加工周期，降低加工本錢。作為數(shù)控加工技術(shù)中難度最大、應(yīng)用范圍最廣的技術(shù)，它集計算機控制、高性能伺服驅(qū)動和精密加工技術(shù)于一體,應(yīng)用于復(fù)雜曲面的高效、精密、自動化加工。作為多軸數(shù)控技術(shù)中的一個類型,五軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)已成為評價一個國家生產(chǎn)設(shè)備自動化水平的重要標志。當前國外五軸聯(lián)動數(shù)控機床以歐美、日本為代表,這些國家的五軸聯(lián)動數(shù)控機床代表了當今五軸聯(lián)動數(shù)控機床開展的最高水平。如:德國海德漢公司(Heidenhain)的TNC530數(shù)控系統(tǒng),可控制12個軸,聯(lián)動5個軸,具有1024段(可通過機床參數(shù)設(shè)置)預(yù)讀功能,能預(yù)測方向的未來變化,

31、來調(diào)整運動速度、加速度,使之符合編程外表要求。iTNC530系統(tǒng)同時具有理想的程序段處理速度性能,能實現(xiàn)短的程序段處理時間(0.5ms);日本FANUC推出的30i/31i/32i系列數(shù)控系統(tǒng),采用了高速CPU, CNC系統(tǒng)的內(nèi)部總線高速化,采用了光纖電纜實現(xiàn)了高速的數(shù)據(jù)傳輸,從而使CNC的性能大幅度的提高。采用了納米高精度插補、納米平滑、智能輪廓控制等先進技術(shù),具有多軸、多通道控制能力。FANUC最新的高檔控制器llS30iMODELA系統(tǒng),最大控制系統(tǒng)數(shù)為10個系統(tǒng)(通道),最多軸數(shù)和最大主軸配置數(shù)為40軸,其中進給軸32軸,主軸為8軸,最大同時控制軸數(shù)為24軸/系統(tǒng)。最大PMC系統(tǒng)為3個

32、系統(tǒng)。最大I/O點數(shù)為4096點,PMC根本命令速度為25ns。最大可預(yù)讀程序段:1000段。我國的數(shù)控研究,經(jīng)過六五到現(xiàn)今近幾十年的開展,通過引進、消化、吸收,巳初步形成了自己的數(shù)控產(chǎn)業(yè)。目前，我國引進的產(chǎn)品根本上是被國外淘汰或即將淘汰的技術(shù), 在此形勢下，破國際壟斷開展具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù),己成為中國政府、企業(yè)、研究機構(gòu)的共識。2005年9月28日,在國務(wù)院常務(wù)會議討論通過的?國務(wù)院關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的假設(shè)干意見?中，開展大型、精密、高速數(shù)控設(shè)備：控系統(tǒng)和功能部件列為國家振興的重要目標之一。 在此共識下，家、企業(yè)、各級研究機構(gòu)均加大了對五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)的研究投

33、入，且在近幾年取得某些方面突破,取得了可喜的進步。在五軸聯(lián)動數(shù)控編程系統(tǒng)方面,北京航空航天大學研制成功的PANDA4 I NC，夠提供5軸的NC加工編程能力。凡在PANDA4中建立的曲面和實體都可以用NC模塊進行NC編程,還可以用假設(shè)干典型加工特征進行NC編程。對加工刀具軌跡可以自動檢査和消除刀具干預(yù)等。此外,還有南京航空航天大學開發(fā)的superMan;北航海爾公司開發(fā)的CAXA制造工程師；州紅地技術(shù)開發(fā)的金銀花OMEGA；中科技大學天喻信息公司開發(fā)的lateSolid等。這些系統(tǒng)都初步到達了實用化程度。在五軸聯(lián)動數(shù)控機床的研制上,近幾年來，珊星、華中數(shù)控、廣州數(shù)控公司、西安交通大學、沈陽數(shù)控

34、公司為首的一批企業(yè)、學校也成功推出了一批五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng),并且初步投入實用。然而相比較國外幾十年的五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)研制與開發(fā)的歷史與水平來講,尤其是國際研究前沿正朝著高速五軸加工技術(shù)邁進的今天.我國的五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)的研究與開發(fā)才剛剛起歩。1)五軸聯(lián)動數(shù)學模型架構(gòu)。選定一個通用并穩(wěn)定的五軸數(shù)學模型是搭建五軸數(shù)控系統(tǒng)的根底,可靠的根底研究能為后期的開發(fā)工作帶來許多便利。(2)三軸或四軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)。在開發(fā)五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)前,對三軸或四軸系統(tǒng)的了解非常必要,沒有三軸或四軸數(shù)控系統(tǒng)為支撐,開發(fā)五軸系統(tǒng)就如紙上談兵。(3)多軸聯(lián)動運動控制算法。由于三軸聯(lián)動的運行是有實際空間軌跡可循的,因此

35、，運動控制相對來說是比較簡單的,開發(fā)五軸聯(lián)動系統(tǒng),兩個旋轉(zhuǎn)軸的平穩(wěn)、高精控制是研究的關(guān)鍵。(4)多軸聯(lián)動插補技術(shù)。三軸聯(lián)動直線插補與圓弧插補的運用是最為廣泛的，而五軸聯(lián)動運行已不再是直線,而是合成的曲線運行,其插補方法的研究重要性不言而喻。(5)多軸聯(lián)動拐點判定技術(shù)。三軸聯(lián)動的拐點判定可以依據(jù)空間直線的夾角,但五軸聯(lián)動中兩兩代碼之間的夾角如何計算是研究的難點之一。(6)柔性加減速算法。柔性加減速是保證機床平穩(wěn)運行的重中之重,機床加減速運行的平穩(wěn)性直接關(guān)系著加工效率、質(zhì)量和機床壽命7。2.41五軸聯(lián)動關(guān)鍵技術(shù)的分析(1)五軸聯(lián)動數(shù)學模型架構(gòu)分析。一個通用并穩(wěn)定的五軸數(shù)學模型是搭建五軸數(shù)控系統(tǒng)的根

36、底,因此模型的根底研究是幵發(fā)工作不可或缺的局部。多數(shù)文獻將五軸聯(lián)動數(shù)控模型分三種類型: (A)雙轉(zhuǎn)臺型,適合加工中小型零件,轉(zhuǎn)臺本錢相對較低,幵發(fā)時只需要在三軸聯(lián)動普通機床根底上加上一個雙轉(zhuǎn)臺,即可進行首期開發(fā),非常適合一期模型的加工驗證,且控制思路相對簡單,開發(fā)五軸定位鉆孔攻牙功能相對較容易,缺點是難以加工大型的工件,拖動大型工件旋轉(zhuǎn)比較困難;(B)雙擺頭型,優(yōu)點是適合加工大型零件,如汽車模型、大型柴油發(fā)動機、大型汽輪機禍旋葉片等,缺點是雙擺頭本錢高,且主軸難以在一定體積范圍內(nèi)實現(xiàn)大的扭矩,鉆孔攻牙控制算法較難實現(xiàn),退刀避讓保護考慮必需周到,否那么極易撞刀;(C) 轉(zhuǎn)臺一擺頭型,該類型為前兩

37、種方法的擇中類型,適合中小型零件的加工,一般為繞C軸方向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺,擺頭可為A、 B軸任意一種類型。本文在三種類型綜合考慮的根底上選擇了經(jīng)濟實惠的雙轉(zhuǎn)臺型,開發(fā)本錢相對較低,適合一期幵發(fā)。(2)三軸或四軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)。在開發(fā)五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)前,對三軸或四軸系統(tǒng)的了解非常必要,找到一個現(xiàn)成的三、四軸系統(tǒng)架構(gòu)是非常困難的,從零開始的五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計,難度之大可想而知,由于本實驗室有長期合作企業(yè)諾信數(shù)控,能合理有效的運用該企業(yè)已投產(chǎn)的聯(lián)合幵發(fā)數(shù)控系統(tǒng)平臺,因此開發(fā)五軸聯(lián)動系統(tǒng)具有很大優(yōu)勢,該難題的合理解決是開發(fā)團隊長期努力的結(jié)果。(3)多軸聯(lián)動運動控制算法。由于三軸聯(lián)動的運行是有實際空間軌跡可

38、循的,因此其運動控制相對來說是比較簡單的,幵發(fā)五軸聯(lián)動系統(tǒng),移動和旋轉(zhuǎn)軸的平穩(wěn)控制是研究的關(guān)鍵,是系統(tǒng)開發(fā)效果的關(guān)鍵指標之一,直接關(guān)系到最大進給速度可到達的指標及加工效果的好壞。多軸聯(lián)動運動控制算法中的前瞻算法、加減速自適應(yīng)控制算法、區(qū)域軌跡連續(xù)加減速控制算法、抖動濾波算法等大體上都可以運用三軸聯(lián)動的分析思路,只需要經(jīng)過小范圍的更新即可,難點是五軸聯(lián)動的運動控制軌跡規(guī)劃,如何實現(xiàn)五個軸的協(xié)調(diào)運行,使其聯(lián)動軌跡不失真,且運行平穩(wěn),沒有大的波動。本文采用同時參考工件和刀具的相對運動軌跡(即實際加工軌跡)及單軸的運行矢量(即把各軸看做不相干軸分析)的方法妥善的解決了該問題。(4)多軸聯(lián)動插補技術(shù)。零

39、件的數(shù)控加工刀具路徑一般由直線、圓弧、橢圓等簡單曲線組成,少數(shù)曲線有用到高級的B樣條、NURBS曲線。簡單曲線組成的刀具路徑可以運用相應(yīng)簡單的插補算法,直線路徑一般運用直線插補算法,圓弧路徑插補那么有圓弧插補算法.曲線所組成的刀具路徑,目前一般的做法有兩種:第一種是這些復(fù)雜曲線按照給定的精度要求預(yù)分解成大量的直線或圓弧段,再由數(shù)控系統(tǒng)對這些直線或圓弧進行插補;另一種做法是將這些復(fù)雜曲線的參數(shù)直接傳遞到數(shù)控系統(tǒng)中,由數(shù)控系統(tǒng)實時地對這些復(fù)雜曲線進行插補。應(yīng)用最為經(jīng)典的是NURBS曲線,但目前只有FANUC, Siemens等少數(shù)數(shù)控系統(tǒng)支持NURBS插補,且CAM軟件對輸出參數(shù)方程技術(shù)要求極高,

40、較難實現(xiàn),因此目前國內(nèi)絕大多數(shù)控系統(tǒng)只支持直線、圓弧或拋物線插補。 NURBS曲線插補中的權(quán)因子與參數(shù)化問題還未完全解決,權(quán)因子使用得不適宜很可能導(dǎo)致整個曲線曲面的破壞,而有些技術(shù)使用傳統(tǒng)方式并不比高級控制模式差?？紤]到目前本課題的實際研究目標,一期工程初步使用的五 軸插補技術(shù)為直線插補算法。(5)多軸聯(lián)動拐點判定技術(shù)。三軸聯(lián)動的拐點判定可以依據(jù)空間直線的夾角,但五 軸聯(lián)動中兩兩代碼之間的夾角如何計算是研究的難點之一,合理的判定技術(shù)是加工質(zhì)量和效率的根底條件,根據(jù)拐點的大小來規(guī)劃拐點的速度,才能保證拐點處的平穩(wěn)過渡,防止過切、過沖等現(xiàn)象的發(fā)生,使加工允許誤差得到保證。 一般銑床的加工拐點允許誤

41、差為可根據(jù)用戶需求設(shè)定,三軸可根據(jù)該設(shè)定值,在三維空間中反算拐點允許速度,相比之下,五軸加工軌跡在三維空間中,根據(jù)誤差值反算拐點允許速度的方法是比較復(fù)雜的,研究合理的拐點判定方法非常必要。(6)柔性加減速算法。柔性加減速是保證機床平穩(wěn)運行的重點,機床加減速規(guī)劃的合理性直接關(guān)系著加工效率、質(zhì)量和機床壽命。在三軸聯(lián)動中通常使用的加減速方法有直線型(三段)、S曲線型(五段或七段)、指數(shù)函數(shù)(三段)及高次多項式型(三段)等。采用不同的加減速曲線會得到不同的加減速效果,加工效率也是不一樣的,比方在最大加速度相同的條件下,S曲線的加速效率是直線加減速的50%,是三次多項式加減速的75%。通常情況下,加減速

42、曲線的選擇要配合驅(qū)動器的性能,根據(jù)驅(qū)動器的算法配適宜當?shù)募訙p速曲線,才能調(diào)整出理想的效果。3五軸聯(lián)動玻璃激光內(nèi)雕機光，機，電一體化產(chǎn)品是集光學、機械、微電子、自動控制和計算機技術(shù)子一體的高科技產(chǎn)品，具有很高的功能和附加值。隨著全球科技的迅速開展，激光制造作為一種先進的加工技術(shù)，有利于帶動整個國民經(jīng)濟的開展，有利于產(chǎn)品在國際上的競爭力。激光內(nèi)雕機通過接口將各子系統(tǒng)的特性和優(yōu)點有機地融合在一起，揚長避短，從而實現(xiàn)各子系統(tǒng)單獨都無法實現(xiàn)的新功能，到達系統(tǒng)最優(yōu)化。激光內(nèi)雕技術(shù)是將脈沖強激光在透明體內(nèi)聚焦，產(chǎn)生微米量級大小的汽化微裂紋，通過計機控制微裂紋在玻璃體內(nèi)的空間位置，使這些微裂紋呈三維排列而構(gòu)成

43、立體圖像，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1。二軸振鏡掃描系統(tǒng)由2個振鏡電機和2個反光鏡片組成，采用逐行成像原理。振鏡電機驅(qū)動器接收到交變電信號后，那么鏡片發(fā)生振動，使光線掃描成一條條直線。在掃描過程中，到達應(yīng)該出激光位置時，那么由控制器發(fā)出出光信號。兩個鏡片分別負責x方向和Y方向掃描，通過兩個振鏡電機的配合，激光束就能在XY平面上掃描出預(yù)定的軌跡曲線8。三軸步進電機平移負責將工作臺上的工件各部位移到激光器掃描范圍內(nèi)，它是由步進電機驅(qū)動器、步進電機、滾珠絲杠副、工作臺、原點到位開關(guān)組成。步進驅(qū)動器接收脈沖方向信號后，驅(qū)動步進電機正反向旋轉(zhuǎn)，采用柔性聯(lián)軸器接口將滾珠絲杠副與電機旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)結(jié)，帶開工作臺上下、左右

44、、前后運動。其中，脈沖信號控制各軸運行距離，方向信號控制各軸正反轉(zhuǎn)，以完成各軸的位置控制。三維坐標原點處理電路將安裝在工作臺上的三組光電開關(guān)或機械開關(guān)接通和斷開信號轉(zhuǎn)化為上下電平信號，經(jīng)濾波整形后，建立起參考坐標系原點的電氣接口。三軸定位信號檢測電路累計各軸電機實際運行距離，保證步進傳動開環(huán)控制的定位精度。該系統(tǒng)采用Pc機作為上位機，DSP作為運動控制器，傳動機構(gòu)由2軸振鏡電機加3軸步進電機構(gòu)成5軸伺服系統(tǒng)，通過計算機和控制器協(xié)調(diào)5軸運動，實現(xiàn)激光器定點出光，保證工件加工質(zhì)量。圖3.1 五軸激光內(nèi)調(diào)系統(tǒng)的組成框圖振鏡電機具有峰值力矩大、反響速度快、機電延遲時闖小、動作穩(wěn)定、漂移小，其使用壽命長

45、，長期工作可靠性好。高精度的位置檢測技術(shù)保證了振鏡電機位置閉環(huán)控制重復(fù)精度和高分辨率，使它在快速精密隨動系統(tǒng)中，得到了廣泛的應(yīng)用。振鏡電機工作時，信號電流進入定子上的線圈，線圈產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子上的永磁體相互作用，推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使固定在運動軸上的反光鏡片偏轉(zhuǎn)一個角度。激光器發(fā)出的激光束作用在二個偏轉(zhuǎn)的反光鏡片上，由于鏡電機具有極高的運動速度和加速度。從而在平面上掃描出一條條直線點，其結(jié)構(gòu)原理簡圖如圖3.2所示各掃描點之間運動是以微步距方式進行，以保振鏡電機的穩(wěn)定性。通過步進電機作三維運動可將攜帶工件的工作臺移到振鏡掃描范圍內(nèi)，直到完成整個工件加工。圖3.2 激光振鏡平面結(jié)構(gòu)掃圖激光玻璃內(nèi)雕機主要

46、由激光器、振鏡控制器和兩片振鏡片、一臺PC機、控制器以及由三臺步進電機驅(qū)動的三維工件臺和一個控制調(diào)試命令小鍵盤組成。系統(tǒng)采用脈沖激光器，可以自鼓勵或外觸發(fā)，雕刻時處于外觸發(fā)狀態(tài)，產(chǎn)生1.06*10-6m的調(diào)脈沖激光。它主要有以下特點：1.工作幅面大、激光頻率高，雕刻速度快；2.自動化程度高，可靠性好，連續(xù)工作時間長；3.使用的軟件豐富，可制作各種平面、立體文字、圖像等；4.非接觸式加工，保證材料外表原有的光潔度；5使用材料廣泛，不僅水晶可進行雕刻，一般裝飾用普通玻璃、有機玻璃等雕刻的圖像、文字灰度控制良好，使圖像、文字高檔、精致美觀。內(nèi)雕加工作為內(nèi)雕技術(shù)的首道關(guān)鍵核心工序,其加工方法和加工質(zhì)量

47、對玻璃內(nèi)雕質(zhì)量起至關(guān)重要的作用。加工內(nèi)雕槽的目的是制造缺口效應(yīng),大幅度提高應(yīng)力集中系數(shù),使其滿足張開型斷裂條件9。確保斷裂發(fā)生在預(yù)定位置,并能夠有效降低內(nèi)雕加工載荷,減少大頭孔變形,滿足內(nèi)雕加工質(zhì)量要求。因此,合理的設(shè)計和內(nèi)雕加工是玻璃激光內(nèi)雕機加工工藝實施的先決條件。激光技術(shù)涉及到激光物理學、光學、傳熱學、激光束反射鏡聚焦透鏡輔助氣體熔渣流體力學、材料學和生產(chǎn)工程等眾多學科。是一種集光、機、電于一體的高新技術(shù)，激光束的參數(shù)控制與數(shù)控系統(tǒng)的性能和精度，都直接影響激光切割的效率和質(zhì)量。可以講，目前激光切割技術(shù)的開展水平是一個國家綜合科技水平的表達,也是綜合國力的表達，許多國家都投入大量的人力物力

48、致力于該技術(shù)的研究,并取得了可喜的成果。玻璃激光內(nèi)雕的過程是玻璃吸收光能并轉(zhuǎn)化為熱能使玻璃熔化、汽化的過程，同其他激光加工方法一樣，玻璃激光內(nèi)雕的物理根底是激光與玻璃材料的相互作用。這是一個極為廣泛的概念，它既包含復(fù)雜的微觀量子過程,也包含激光作用于各種介質(zhì)材料所發(fā)生的宏觀現(xiàn)象這些宏觀現(xiàn)象有材料對激光的吸收、反射、折射、能量轉(zhuǎn)換及傳遞，材料狀態(tài)及周圍氣體成份(或固體粉末成份等)，光束作用于材料外表時的組織效應(yīng)等。因此影響激光切割質(zhì)量的因素十分復(fù)雜，除了機床、加工材料、工藝方法等硬件因素外，還包括激光功率、切割速度、輔助氣體種類和壓力等軟件因素。4系統(tǒng)的硬件設(shè)計4.1西門子 S7-200 PLC

49、 的功能概述西門子S7-200 PLC系列屬于小型可編程序控制器，可用于簡單的控制場合，也可用于復(fù)雜的自動化控制系統(tǒng)。由于它具有極強的通信功能，即使在大型的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮作用。S7-200 PLC 系統(tǒng)是緊湊型可編程序控制器。系統(tǒng)的硬件構(gòu)架是由成系統(tǒng)的CPU 模塊和豐富的擴展模塊組成。它能夠滿足各種設(shè)備的自動化控制需求。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機床、機械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護設(shè)備等等。S7-200 系列除了具有 PLC 的根本控制功能以外，還在以下三個方面有獨到之處：功能強大的指令集指令內(nèi)容包括位邏輯指令、計數(shù)器、定時器

50、、復(fù)雜數(shù)學運算指令、PID 指令、字符串指令、時鐘指令、通訊指令以及和智能模塊配合的專用指令等。豐富強大的通訊功能S7-200 提供了十種左右的通訊方式以滿足不同的應(yīng)用需求，從簡單的S7-200 之間的通訊到 S7-200 通過 Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)通訊，甚至到 S7-200 通過以太網(wǎng)通訊。編程軟件的易用性STEP7-Micro/WIN32 編程軟件為用戶提供了開發(fā)、編輯和監(jiān)控的良好編程環(huán)境。Windows 的界面風格、以及豐富的編程向?qū)Ш蛶椭畔?，能夠使用戶快速上手。西門子 S7-200 系列 PLC 具有極高的性價比，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-2

51、00 系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能10。4.2西門子 S7-200 PLC 的硬件結(jié)構(gòu)西門子 S7-200 系列 PLC 具有牢固緊湊的塑料外殼，通過安裝孔垂直或水平地安裝在板上或安裝在標準 DIN 導(dǎo)軌上。利用總線連接電纜，可以把 CPU 模塊和其他擴展模塊連接起來。采用可選的端子排作為固定的接線配件，易于接線。S7-200 CPU 外形如圖4.1 所示。圖4.1 S7-200 CPU 外形示意圖S7-200 CPU 將一個微處理器、一個集成的電源和假設(shè)干數(shù)字量 I/O 點集成在一個緊湊的封裝中，組成一個功能強大的 PLC。西門子提供了多種類型的 CP

52、U，以適應(yīng)各種應(yīng)用的要求。目前，提供的 S7-200 CPU 有：CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226、CPU 226XM。我們使用的是具有較強控制功能的 CPU 22611。4.3西門子 S7-200 PLC 的特點S7-200 系列具有鮮明的特點：極高的可靠性；極豐富的指令集；數(shù)據(jù)平安性；易于掌握，操作便捷；豐富的內(nèi)置集成功能；實時特性；強勁的通訊能力；豐富的擴展模塊。4.4西門子 S7-200 PLC 的工作原理S7-200 PLC 具有兩種工作模式，分別是：運行RUN模式和停止STOP模式。在運行模式下，通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)控制功能；

53、在停止模式下，S7-200 CPU 不執(zhí)行用戶程序，此時可設(shè)置 CPU 系統(tǒng)的硬件功能，并將用戶程序、數(shù)據(jù)以及硬件設(shè)置信息下載到 S7-200 CPU12。其中用戶程序用編程軟件創(chuàng)立和編輯。CPU 模塊上的模式開關(guān)用于改變和轉(zhuǎn)換 S7-200 PLC 的工作模式。開關(guān)撥到RUN 位置時，CPU 運行，啟動用戶程序的運行；當開關(guān)撥到 STOP 位置時，CPU 停止，用戶程序的運行也停止；開關(guān)撥到 TERM 位置時，不改變當前操作模式。此外還可以通過 Step7-Micro/MIN32 編程軟件控制 S7-200 CPU 的運行和停止13。S7-200 CPU 前面板上的 LED 顯示著當前的工作

54、模式。S7-200 PLC 通電后，需要對硬件和軟件做一些初始化的工作。為了使 PLC的輸出及時地響應(yīng)各種輸入信號。初始化后，S7-200 CPU 按照循環(huán)掃描的方式，完成包括執(zhí)行用戶程序在內(nèi)的各項不同的任務(wù)。S7-200 CPU 周而復(fù)始地分階段執(zhí)行一系列任務(wù)。任務(wù)執(zhí)行依次稱為一個掃描周期。在一個掃描周期內(nèi)，CPU 執(zhí)行如圖4.2 所示。圖 4.2 CPU 執(zhí)行讀輸入在 PLC 的存儲器中，設(shè)置了一片區(qū)域來存放輸入信號和輸出信號的狀態(tài)，它們分別稱為輸入映像存放器和輸出存放器。CPU 以字節(jié)為單位來讀寫輸入/輸出映像存放器。在讀輸入階段，S7-200 CPU 讀取物理輸入點上的 ON/OFF1

55、/0狀態(tài)并復(fù)制到輸入映像存放器。執(zhí)行用戶程序用戶程序由假設(shè)干條指令組成，指令在存儲器中按順序排列，來實現(xiàn)控制邏輯。一般情況下，用戶程序從輸入映像存放器獲得外部控制和狀態(tài)信號，把運算結(jié)果寫入輸出映像存放器，或者存入到不同的數(shù)據(jù)保存區(qū)。在執(zhí)行指令時，從 I/O 映像存放器或別的位元件的映像存放器讀出其 0 或1 狀態(tài)，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運算，運算的結(jié)果寫入到相應(yīng)的映像存放器中。因此，除只讀的輸入映像存放器外，各映像存放器的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化。S7-200 CPU 執(zhí)行完用戶程序后，將輸出映像存放器的 0 或 1 狀態(tài)傳送到輸出模塊并鎖存起來。處理通訊任務(wù)在處理通訊任務(wù)階段， S7

56、-200 CPU 處理通信口接收到的信息，在適當?shù)臅r候?qū)⑿畔鬟f給通信請求方。執(zhí)行自診斷S7-200 CPU檢查整個系統(tǒng)是否工作正常。自診斷測試包括定期檢查EEPROM、用戶程序存儲器、I/O 模塊狀態(tài)以及 I/O 擴展總線的一致性，將監(jiān)控定時器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。寫輸出復(fù)制輸出過程映像存放器中的數(shù)據(jù)狀態(tài)到物理輸出點。過程映像存放器是S7-200 CPU 中的特殊存儲區(qū)，專門用于存放從物理輸入/輸出點讀取或?qū)懙轿锢磔斎?輸出點的狀態(tài)。中斷程序的處理如果在程序中使用了中斷，中斷事件發(fā)生時立即執(zhí)行中斷，中斷程序可能在掃描周期在任意點上被執(zhí)行。5系統(tǒng)的軟件設(shè)計5.1西門子 S7-200

57、PLC 的程序結(jié)構(gòu)S7-200 PLC 系列的控制程序是由主程序OB1、子程序和中斷程序組成。主程序是整個程序的主體，每個工程都必須并且只能有一個主程序。在主程序中可調(diào)用子程序和中斷程序14。主程序通過指令控制整個應(yīng)用程序的執(zhí)行，每次 CPU 掃描都要執(zhí)行一次主程序。子程序是一個可選的指令集合，僅在被其他程序調(diào)用時執(zhí)行。同一子程序可以在不同的地方被屢次調(diào)用，使用子程序可以簡化程序代碼、減少掃描時間、更好地組織程序結(jié)構(gòu)和增強移植性。中斷程序也是一個可選的指令集合，中斷程序不是被主程序調(diào)用，而是在中斷事件發(fā)生時由可編程序控制器的操作系統(tǒng)調(diào)用。中斷事件會在 S7-200 CPU程序循環(huán)周期中任何時刻

58、發(fā)生。中斷程序是用來處理預(yù)先規(guī)定的中斷事件，執(zhí)行中斷程序前后，S7-200 系統(tǒng)會自動保護和恢復(fù)被中斷的程序運行環(huán)境。因為不能預(yù)知何時出現(xiàn)中斷事件，所以不允許中斷程序改寫可能在其他程序中使用的存儲器。中斷程序不會再被中斷。用戶程序由假設(shè)干條指令組成，指令在存儲器中按順序排列，來實現(xiàn)控制邏輯。一般情況下，用戶程序從輸入映像存放器獲得外部控制和狀態(tài)信號，把運算結(jié)果寫入輸出映像存放器，或者存入到不同的數(shù)據(jù)保存區(qū)。在執(zhí)行指令時，從 I/O 映像存放器或別的位元件的映像存放器讀出其 0 或1 狀態(tài)，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運算，運算的結(jié)果寫入到相應(yīng)的映像存放器中。因此，除只讀的輸入映像存放器外，各

59、映像存放器的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化。S7-200 CPU 執(zhí)行完用戶程序后，將輸出映像存放器的 0 或 1 狀態(tài)傳送到輸出模塊并鎖存起來15。52西門子 S7-200 PLC 的編程語言西門子S7-200 PLC系列采用的編程語言常用的有以下三種：梯形圖Ladder Diagram、功能塊圖Function Block Diagram、語言表或稱指令表Instruction/Statement List。 梯形圖梯形圖LAD是使用最多的可編程序控制器編程語言。梯形圖由觸點、線圈和用方框表示的功能塊組成。觸點代表邏輯輸入條件，如外部的開關(guān)、按鈕和內(nèi)部條件等；線圈代表邏輯輸出結(jié)果，用來控制外部的指示燈、交流接觸器和內(nèi)部的輸出條件等；方框表示的功能塊代表定時器、計數(shù)器或者數(shù)學運算等附加指令。觸點和線圈等組成的獨立電路稱為網(wǎng)絡(luò)Network，用編程軟件生成的梯形圖和語言表程序中有網(wǎng)絡(luò)編號，允許以網(wǎng)絡(luò)為單位，給梯形圖加注釋。在網(wǎng)絡(luò)中，程序的邏輯運算按從左到右的方向執(zhí)行。各網(wǎng)絡(luò)按從上到下的順序執(zhí)行，執(zhí)行完所有的網(wǎng)絡(luò)后，返回最上面的網(wǎng)絡(luò)重新執(zhí)行。梯形圖比較適合有電