數(shù)控平臺設(shè)計.doc

機電傳動單向數(shù)控平臺設(shè)計 機械工程及自動化專業(yè)專業(yè)課程設(shè)計說明書 專 業(yè)：機械工程及其自動化 班 級：機自09-4班學(xué)生姓名： 王棟 學(xué) 號： 22090118 指導(dǎo)老師： 程延海 2012年6月18日目錄一前言 3 二.設(shè)計任務(wù) 1.1設(shè)計任務(wù)介紹及意義 4 1.2設(shè)計任務(wù)明細 41.3設(shè)計的基本要求 5三總體方案設(shè)計1導(dǎo)軌的選擇 82滾珠絲桿的選擇及校核 10 3 步進電動機的選擇 17 4 聯(lián)軸器的選用 21 5 鍵的校核 21 6 滾動軸承的選用與校核 22四電器控制系統(tǒng)設(shè)計4.1設(shè)計的基本原則 244.2 PLC控制系統(tǒng)具體設(shè)計 254.3 PLC高速脈沖輸出控制 33五.總結(jié) 36六.參考文獻 36 一 前言現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學(xué)科的交叉與滲透，導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化，使機械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發(fā)展階段。X-Y數(shù)控工作臺是許多機電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車床的縱橫向進刀機構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的X-Y工作臺、激光加工設(shè)備的工作臺、電子元件表面貼裝設(shè)備等。 模塊化的X-Y數(shù)控工作臺，通常由導(dǎo)軌座、移動滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副，以及伺服電動機等部件構(gòu)成。其中伺服電動機做執(zhí)行元件用來驅(qū)動滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動滑塊和工作平臺在導(dǎo)軌上運動，完成工作臺在X、Y方向的直線移動。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機等均以標準化，由專門廠家生產(chǎn)，設(shè)計時只需根據(jù)工作載荷選取即可?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標準的工作控制計算機，也可以設(shè)計專用的微機控制系統(tǒng)。 二 設(shè)計任務(wù)1.1設(shè)計任務(wù)介紹及意義u 課程設(shè)計題目機電傳動單向數(shù)控平臺設(shè)計u 主要設(shè)計內(nèi)容(1)機械傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計 (2)電氣控制系統(tǒng)u 課程設(shè)計意義：培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，獨立進行機電控制系統(tǒng)(產(chǎn)品)的初步設(shè)計工作。 培養(yǎng)學(xué)生搜集、閱讀和綜合分析參考資料，運用各種標準和工具書籍以及編寫技術(shù)文件的能力，提高計算、繪圖等基本技能。培養(yǎng)學(xué)生掌握機電產(chǎn)品設(shè)計的一般程序和方法，進行工程師基本素質(zhì)的訓(xùn)練。1.2設(shè)計任務(wù)明細：機電傳動單向數(shù)控平臺設(shè)計：1.21 電機驅(qū)動方式：步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機；1.22 機械傳動方式：螺旋絲桿、滾珠絲桿、同步皮帶、鏈傳動等；1.23 電氣控制方式：單片微機控制、PLC控制；1.24 功能控制要求：速度控制、位置控制；1.25 主要設(shè)計參數(shù)：單向工作行程800、500、300 mm；移動負載質(zhì)量100、50 kg；負載移動阻力100、50 N；移動速度控制3、6 m/min；1.3設(shè)計的基本要求方案設(shè)計：根據(jù)課程設(shè)計任務(wù)的要求，在搜集、歸納、分析資料的基礎(chǔ)上，明確系統(tǒng)的主要功能，確定實現(xiàn)系統(tǒng)主要功能的原理方案，并對各種方案進行分析和評價，進行方案選優(yōu)?？傮w設(shè)計：針對具體的原理方案，通過對動力和總體參數(shù)的選擇和計算，進行總體設(shè)計，最后給出機械系統(tǒng)的控制原理圖或主要部件圖（A1一張）。電氣控制線路圖：根據(jù)控制功能要求，完成電氣控制設(shè)計，給處電氣控制電路原理圖（A2圖一張）。成果展示：課程設(shè)計的成果最后集中表現(xiàn)在課程設(shè)計說明書和所繪制的設(shè)計圖紙上，完成課程設(shè)計說明書一份，不少于30頁，設(shè)計圖紙不少于兩張。繪圖及說明書：用計算機繪圖，打印說明書。三 總體方案設(shè)計2.1設(shè)計基本依據(jù)步進電機又稱脈沖電機。它是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的執(zhí)行元件。每當輸入一個電脈沖時，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時間上與輸入脈沖同步。只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電機繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。步進電動機具有以下特點：1、工作狀態(tài)不易受各種干擾因素(如電壓波動、電流大小與波形變化、溫度等)的影響； 2 、步進電動機的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后也會出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)以后，其累積誤差變?yōu)椤傲恪?；3、由于可以直接用數(shù)字信號控制，與微機接口 比較容易；4、控制性能好,在起動、停止、反轉(zhuǎn)時不易“丟步”；5、不需要傳感器進行反饋，可以進行開環(huán)控制； 6、缺點是能量效率較低。滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運動的理想的產(chǎn)品。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，這是滾珠螺絲的進一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點：1、與滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩為1/3 由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動運動,所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩達到1/3以下,即達到同樣運動結(jié)果所需的動力為使用滾動絲杠副的1/3。在省電方面很有幫助。 2、高精度的保證 滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對溫度、濕度進行了嚴格的控制，由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。 3、微進給可能 滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動,所以啟動力矩極小,不會出現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實現(xiàn)精確的微進給。 4、無側(cè)隙、剛性高 滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達到負值,進而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加予壓力,在實際用于機械裝置等時,由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強)。 5、高速進給可能 滾珠絲杠由于運動效率高、發(fā)熱小、所以可實現(xiàn)高速進給(運動)?？删幊绦蚩刂破鱌LC可靠性高、抗干擾能力強，能抗諸如電噪聲、電源波動、振動、電磁干擾等的干擾，能抗1000V、1脈沖的干擾，能在高溫、高濕以及空氣中存有各種各種強腐蝕物質(zhì)粒子的惡劣環(huán)境下可靠地工作，PLC能夠承受電網(wǎng)電壓的變化，即使在電源瞬時斷電的情況下，仍可以正常工作。另外PLC是通過軟件實現(xiàn)控制的，其控制程序編在軟件中，實現(xiàn)程序軟件化，因而對于不同的控制對象都可以采用相同的硬件配置。PLC 提供標準通信接口，可以方便地進行網(wǎng)絡(luò)通信。而且PLC體積小、能耗低、便于機電一體化。通過PLC可以實現(xiàn)對步進電動機的控制，實際上控制時電動機的轉(zhuǎn)動受脈沖控制。利用PLC產(chǎn)生高速脈沖串，調(diào)節(jié)脈沖頻率，從而實現(xiàn)步進電動機啟動加速、恒速運行、減速停止過程。本次設(shè)計設(shè)計了啟動、停止、設(shè)置行程等按鈕。還采用了步進電動機的專門控制芯片PMM8713，利用單片機定時中斷的方法輸出脈沖給PMM8713芯片，通過PMM8713芯片和功率放大器把脈沖分配給步進電動機，驅(qū)動電動機的運行。再通過帶動滾珠絲杠帶動滑動平臺做直線運動，對于位置控制，在平臺始末兩端安裝2個行程開關(guān)，當?shù)竭_始末2端時使步進電動機自動的方向旋轉(zhuǎn)，使平臺方向運行。同時還增加了平臺行程的設(shè)置功能，當需要改變平臺的行程，通過擴展的鍵盤就可以實現(xiàn)。本次設(shè)計的總體工作原理如下圖所示：2.2總體方案確定，參數(shù)初設(shè)如下：電機驅(qū)動方式：步進電機機械傳動方式：滾珠絲杠電氣控制方式：PLC控制功能控制要求：速度控制主要設(shè)計參數(shù)：單向最大工作行程800mm；工作臺重量70kg 移動負載質(zhì)量100kg； 負載移動阻力100N；移動速度控制3 選用矩形導(dǎo)軌；工作臺滑動摩擦系數(shù)；三 機械傳動系統(tǒng)設(shè)計計算及說明結(jié)果1導(dǎo)軌的選擇1、已知條件 本設(shè)計選擇滾動絲桿，已知： 單向工作行程800mm 移動速度 3m/min 負載質(zhì)量 ：70kg采用2根導(dǎo)軌、4個滑座數(shù)，工作平臺和滑塊的質(zhì)量假設(shè)為100kg.壽命要求 ：每天開機8h，一年按300個工作日，壽命8年以上2、動載荷的計算 作用在滑塊上的力=（+）g=(70+100)x9.8=1666N 則單個滑座受力 =1666/4=416.5N 導(dǎo)軌壽命 行程長度壽命：=2Thlsn/103=3456h 其中n為每分鐘運行的次數(shù) n=3/2x0.8=1.875 設(shè)計平臺上共有滑塊4個，每根導(dǎo)軌2個滑塊。 有 K 壽命系數(shù) 取K=50 硬度系數(shù) 取=1 溫度系數(shù) 取=1 接觸系數(shù) 取=0.81 負荷系數(shù) 取=1.5 則動載荷有： Ca=3165.4N=800mm=3m/min=70kg=100kg=1666N=416.5Nn=1.875=3456hK=50=1=1=0.81=1.5Ca=3165.4N 已知動載荷 Ca=3165.4N 查機電一體化設(shè)計手冊 導(dǎo)軌選擇 型號：HSR 15TA滾動導(dǎo)軌 基本額定載荷為7600N 每個滑塊的質(zhì)量為0.2kg2滾珠絲桿的選擇及校核 2.1根據(jù)機器的工作條件及完成的功能，滾珠螺母的循環(huán)方式和預(yù)緊方式。滾珠螺母的循環(huán)方式為內(nèi)循環(huán)預(yù)緊方式為雙螺母墊片預(yù)緊導(dǎo)軌的摩擦力為：= 工作臺的質(zhì)量 取=100kg 移動負載的質(zhì)量=70kg 導(dǎo)軌的摩擦系數(shù) 取=0.15=250N2.2 初選絲桿導(dǎo)程 根據(jù)公稱直徑范圍選擇=5mm2.3 計算滾珠絲桿的動載荷 動載荷公式為： 滾珠絲桿副軸向載荷 = KFX+（FZ+G）=365N 影響滾珠絲桿副壽命綜合系數(shù) 溫度系數(shù) 取=0.95 硬度系數(shù) 取=1.11 負荷性質(zhì)系數(shù) 取=1.5 精度系數(shù) 取=1 壽命系數(shù) 轉(zhuǎn)速系數(shù) 運行轉(zhuǎn)速 =V/= 600r/min 則動載荷為 =6806.5N2.3初選滾珠絲杠副的型號和有關(guān)參數(shù) 根據(jù)上面所計算的數(shù)據(jù)，選取的滾珠絲桿的基本額定動載荷要大于計算出來的動載荷。 初選型號為FFZD2505型內(nèi)循環(huán)浮動返向器雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲桿副 其主要參數(shù)：額定動載荷為=10KN 額定靜載荷為 公稱直徑 導(dǎo)程=5mm 鋼球直徑、 預(yù)緊力計算 2.4絲桿螺紋部分長度 =工作臺最大行程+螺母長度+兩端余程 =800+86+40=926mm 軸承的支撐距離應(yīng)大于螺紋部分的長度 取支撐距離 =1200mm型號 HSR 15TA=100kg=70kg=0.15=250N、=5mm=365N=0.43586=0.95=1.11=1.5=1=3.1=600r/min=0.3814Ca=6806.5N=10KN=5mm=926mm=1200mm2.5絲桿穩(wěn)定性驗算 根據(jù)工作環(huán)境選擇兩端采用角接觸軸承固定的工作方式，則絲桿不發(fā)生失穩(wěn)的最大工作載荷為： 材料的拉壓彈性模量 鋼取 絲桿軸最小截面慣性矩 為滾珠絲桿的公稱直徑 =25mm 為滾珠直徑 圈數(shù)列數(shù) 絲桿長度 =1200mm 絲桿支撐方式系數(shù) =4.49105N 根據(jù)所受的軸向力可知 符合壓桿穩(wěn)定性要求2.6為了不發(fā)生共振，需校核臨界轉(zhuǎn)速 不發(fā)生共振最高轉(zhuǎn)速成為臨界轉(zhuǎn)速，表示 可以將上試化簡為 絲桿的支撐方式系數(shù) 取 臨界轉(zhuǎn)速計算距離 =1200mm 鋼的密度 取 安全系數(shù) =0.8 nc=f22d2/Lc=3203r/min 滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)速 =600r/min 能夠達到不共振要求 此外滾珠絲桿還應(yīng)滿足發(fā)熱條件 d 0n=25600=1500070000mm 綜上，滾珠絲桿滿足壓縮失穩(wěn)、共振、發(fā)熱的條件 2.7 滾珠絲桿副的系統(tǒng)剛度計算絲桿副的剛度和變形量是否滿足要求系統(tǒng)剛度計算公式為 絲桿副的系統(tǒng)總剛度 絲桿本身的剛度 絲桿副內(nèi)滾珠與滾道接觸剛度 螺母座、軸承座剛度 承受軸向載荷的軸承接觸剛度 （1）絲桿的拉壓剛度 當滾珠絲桿兩端固定 =d2E/1000l3=0.232N/m （2）絲桿副內(nèi)滾珠與滾道接觸剛度 查表有 （3）承受軸向載荷的軸承接觸剛度 角接觸球軸承的軸向剛度按下式計算 已知軸向預(yù)緊力 按下式計算 滾珠直徑 =3.5mm 軸向預(yù)緊力 工作螺母中的鋼球總數(shù) 螺旋的導(dǎo)程角 （4）螺母座、軸承座剛度 如果采取結(jié)構(gòu)措施提高螺母座剛度，則可忽略螺母座的剛度不計，此外，由于絲桿扭轉(zhuǎn)變形引起的軸向位移值很小，可忽略不計。 可得系統(tǒng)總剛度（5）滾珠絲杠副的變形量 =Fa/K=365/0.115=317m1mm（6） 預(yù)緊轉(zhuǎn)矩計算 預(yù)緊力一般取當量載荷的三分之一或額定動載荷的十分之一，其相應(yīng)的預(yù)緊轉(zhuǎn)矩可用下式求?。?式中：傳動效率，=tan/tan(+r)=91% r=0.37=0.054Nm預(yù)緊轉(zhuǎn)矩遠小于額定轉(zhuǎn)矩，驗算合格。 2.8靜載荷校核 本額定靜載荷 系數(shù)：當，時，=63.7； ，=41.16 靜載荷硬度影響系數(shù)滿足靜載荷條件2.9軸向總變形量軸向載荷F產(chǎn)生的軸向變形量=10.910-4絲杠采用兩端固定的方式 式中：絲杠兩支撐間的距離（mm）絲杠的計算長度，指和作用處到固定支承端的距離絲杠材料的彈性模量，鋼材的（Mp）絲杠的計算截面面積轉(zhuǎn)矩T產(chǎn)生的軸向變形量=1.53410-4絲杠的螺紋導(dǎo)程絲杠計算截面的極慣性矩，絲杠材料的切變模量，鋼材的螺旋傳動的轉(zhuǎn)矩滾珠絲杠副的當量摩擦系數(shù)：，當量摩擦角軸向載荷F使鋼球與螺旋滾道間產(chǎn)生的軸向變形量=2.510-4因為，而且有預(yù)緊，所以 式中鋼球直徑工作螺母中的鋼球總數(shù) 預(yù)緊力，一般取載荷分布不均勻系數(shù)，一般取軸向總變形量=2.5+10.9+1.754=2.910-3絲杠的軸向剛度=19.3910-4絲杠允許的軸向剛度3 步進電動機的選擇 3.1 脈沖當量的選擇 選擇步進電動機時，考慮是否有現(xiàn)成的與其配套的驅(qū)動器，目前我國市場有反應(yīng)式和混合式兩種，在本設(shè)計中初選三相六拍運行方式。初選步距角為1.5度，著其轉(zhuǎn)動一周需要的脈沖數(shù)為： 初選脈沖當量（每輸入一個指令脈沖，步進電動機驅(qū)動工作臺移動的距離） 為了結(jié)構(gòu)簡單，提高精度，這里取 =1 3.2 等效負載轉(zhuǎn)矩計算 工作室負載轉(zhuǎn)矩 TL=FmPh/2i=0.319Nm 負載總的合力 3.3 等效轉(zhuǎn)動慣量 （1）滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量Js=4.1710-4Nm2（2）工作臺等效到電機輸出軸上 Jw=Gph2/42=4.43710-5Nm2（3）聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量 根據(jù)滾珠螺桿和電動機輸出軸的直徑選擇YLD1聯(lián)軸器，其轉(zhuǎn)動慣量為 因此，換算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 Jt= Js+Jw+JL=26.60710-4 Nm2 3.4初選電動機型號 已知負載轉(zhuǎn)矩TL=0.319Nm等效轉(zhuǎn)動慣量Jt=26.60710-4 Nm2 初選電動機型號為110BF003，反應(yīng)式步進電動機，其最大靜轉(zhuǎn)矩為Tmax=8Nm 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量為 由此 TL：Tmax=0.319:8=0.040.5 JL：Jm=4.6137:4.7=0.984 3.5 矩頻特性步進電動機的空載啟動轉(zhuǎn)矩應(yīng)該大于步進電動機名義起動轉(zhuǎn)矩，即 步進電機所需的起動轉(zhuǎn)矩 空在啟動運動部件由靜止升速到最大速度所需轉(zhuǎn)矩 空載時折算到電機軸的摩擦力矩 由于絲桿預(yù)緊折算到電機軸上的附加摩擦力矩 （1）加速力矩 各部件折算到電機軸總轉(zhuǎn)動慣量 Jt=26.6010-4 Nm2為靜止部件有靜止加速到最大速度 取 、 （2） 空載摩擦力矩 運動部件的總重力 G=1470N 導(dǎo)軌的摩擦系數(shù) 取 =0.15 傳動的總效率 取 滾珠絲杠的基本導(dǎo)程 =800 齒輪傳動降速比 =40.127 （3）附加摩擦力矩 預(yù)緊力 未預(yù)緊時的效率 =31.283 則需總轉(zhuǎn)矩為 =1.01 名義啟動轉(zhuǎn)矩 所以最大靜轉(zhuǎn)矩符合啟動要求。上面的計算僅僅是檢查電機的最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，但不能保證電機在快速啟動時不失步，需要對啟動矩頻特性進行校核。由于突跳啟動過程極短，加速度力矩很大，啟動時丟步是不可避免的。因此，突跳啟動很少使用。這里我們使用升速啟動方式。如圖所示：根據(jù)空載啟動力矩查手冊，找到對應(yīng)的允許啟動頻率約最大頻率：為了使，所以啟動矩頻特性滿足要求，我們將分二個階段啟動，每個階段的啟動頻率僅為最高啟動頻率的1/2,即3012Hz 4 聯(lián)軸器的選用 根據(jù)步進電動機輸出軸的直徑和滾珠絲杠的直徑，選用YLD1式凸緣聯(lián)軸器。其公稱轉(zhuǎn)矩 許用轉(zhuǎn)速 軸孔直徑 軸孔長度 螺栓數(shù)量3個，采用M6螺栓 Y型 轉(zhuǎn)動慣量 5 鍵的校核 （1）連接步進電動機與聯(lián)軸器上鍵的校核選A型普通平鍵。d=11mm查表GB/T1095-2003選鍵：b=4mm,h=4mm,L=20mm 鍵的強度較合。驗算其擠壓強度 ，查表得其許用壓應(yīng)力鍵的工作長度，則 符合要求；（2）連接聯(lián)軸器和滾珠絲桿鍵校核 鏈接聯(lián)軸器和滾珠絲桿上的鍵與鏈接電機輸出軸與聯(lián)軸器的鍵采用相同的鍵，對于同樣的負載轉(zhuǎn)矩同樣能夠達到設(shè)計要求。 6 滾動軸承的選用與校核根據(jù)工作情況以及滾珠絲杠的受力，初選軸承為 角接觸球軸承，其，型號為7002AC 基本額定載荷為 受力情況如下圖： 為徑向外載荷 為軸向外載荷 軸承支反力 軸承派生軸向力 軸承所受軸向載荷 則 計算軸承當量動載荷，工作在中等沖擊 載荷系數(shù) 查表 查表 計算當量動載荷 計算軸承的壽命 因為 故按進行校核 取溫度系數(shù) 故 壽命指數(shù) 對于球軸承 因為 所以軸承符合要求 7002AC角接觸軸承基本尺寸 內(nèi)圈直徑 外圈直徑 軸承寬度 軸承質(zhì)量 靜載荷 動載荷 =1200mmFC=4.49105N符合要求=1200mm=0.8nc=3203r/min符合要求d 0n=15000滿足要求絲桿滿足使用要求=0.232N/m=3.5mm =69符合要求Tp=0.054Nm驗算合格 查表15-26=45200N=429N=1.0=10.910-4=800mm=1200mm=1.53410-4=5T=465=2.510-4=122N滿足剛度條件TL=0.319Nm Js=4.1710-4Nm2 Jt=26.6010-4 Nm2=800=40.127=31.283=1.01 四 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計4.1設(shè)計的基本原則在電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中，應(yīng)遵循以下幾個原則：1) 最大限度滿足機床和工藝對電氣控制的要求；2) 在滿足控制要求的前提下，設(shè)計方案應(yīng)力求簡單、經(jīng)濟和實用，不宜盲目追求自動化和高性能指標；3) 妥善處理機械與電氣的關(guān)系。很多生產(chǎn)機械是采用機電結(jié)合控制方式來實現(xiàn)控制要求的，要從工藝要求、制造成本、機械電氣結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和使用維護等方面協(xié)調(diào)處理好二者的關(guān)系；4) 把電氣系統(tǒng)的安全性和可靠性放在首位，確保使用安全、可靠。5) 合理的選用電器元件。4.12設(shè)計步驟1) 分析被控對象并提出控制要求詳細分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象機、電、液之間的配合，提出被控對象對PLC控制系統(tǒng)的控制要求，確定控制方案，擬定設(shè)計任務(wù)書。2) 確定輸入/輸出設(shè)備根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定系統(tǒng)所需的全部輸入設(shè)備（如：按鈕、位置開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)及各種傳感器等）和輸出設(shè)備（如：接觸器、電磁閥、信號指示燈及其它執(zhí)行器等），從而確定與PLC有關(guān)的輸入/輸出設(shè)備，以確定PLC的I/O點數(shù)。3）選擇PLCPLC選擇包括對PLC的機型、容量、I/O模塊、電源等的選擇等等。4）分配I/O點并設(shè)計PLC外圍硬件線路 分配I/O點畫出PLC的I/O點與輸入/輸出設(shè)備的連接圖或?qū)?yīng)關(guān)系表，該部分也可在第2步中進行。 設(shè)計PLC外圍硬件線路畫出系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖，包括主電路和未進入PLC的控制電路等。由PLC的I/O連接圖和PLC外圍電氣線路圖組成系統(tǒng)的電氣原理圖。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經(jīng)確定。5) 根據(jù)PLC所要完成的任務(wù)及應(yīng)具備的功能，進行PLC程序設(shè)計，同時可進行控制臺的設(shè)計等。4.2 PLC控制系統(tǒng)具體設(shè)計4.21 控制要求在本設(shè)計中我要做的是數(shù)控機床工作臺的位置控制，由于工作臺的移動速度已給定，根據(jù)工作行程的計算可算出單向行程的行走時間，通過PLC的計時器功能，控制其正反轉(zhuǎn)，由可編程控制器通過PTO/PWM控制，輸出脈沖和方向控制信號，控制三相交流伺服電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，進而控制工作臺的前進和后退，達到對工作臺位置的控制。而且通過選擇合適的伺服驅(qū)動器和在可編程控制器中把高速計數(shù)指令和PTO/PWM控制結(jié)合實用實現(xiàn)了閉環(huán)控制。 現(xiàn)把步進電機的原理陳述如下：4.22 PLC的選擇PLC=Programmable logic Controller，可編程邏輯控制器，一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?，F(xiàn)在PLC種類很多，有西門子、三菱、松下等等，而且每種PLC都有很多的系列，他們的功能各不相同，以滿足不同用戶、不同環(huán)境的要求。由于我們在PLC課程學(xué)習時學(xué)的是西門子S7200系列的PLC，故我們對西門子PLC的性能、特點及使用等比較熟悉，所以我們從西門子PLC著手選起，最后確定選用S7-224PLC,通過分析，它可以達到工作要求：1) 功能強弱適當，因為系統(tǒng)對響應(yīng)速度要求不高，S7-200系列足以滿足需要；2) 結(jié)構(gòu)合理，S7-224具有模塊化結(jié)構(gòu)，通過相應(yīng)模塊可以實現(xiàn)控制要求；3) 可在線編程，其特點是主機和編程器各有一個CPU，編程器的CPU可隨時處理由鍵盤輸入的各種編程指令；4) 由于工作環(huán)境并不惡劣，S7-224已經(jīng)可以很好的適應(yīng)環(huán)境了。4.23步進電機專用芯片的選擇：在選擇電機時，因為考慮到伺服系統(tǒng)的關(guān)系，使用與其配套的PMM8713。PMM8713是單片CMOS芯片，用于控制三相和四相步進電機PMM8723 是表面安裝器件，用于控制二相步進電機，是PMM8713的簡化設(shè)計，價格低于PMM8713PMM8714是單片CMOS芯片，用于控制五相步進電機對于PMM8713，它的基本規(guī)格如下：1） 控制步進電機工作方式：4相輸出1相勵，2相勵磁，1-2相勵磁。 3相輸出1相勵，2相勵磁，1-2相勵磁2） 電源電壓范圍 ：3） 輸出電流 ：源極或漏極輸出電流最小為20mA4） 抗干擾能力強 ：所有輸入端內(nèi)部都設(shè)置施密特電路5） 兩種類型脈沖輸入方式 1）2輸入端（CW和CCW輸入方式） 2）1輸入端一切換端（CK和U/D輸入方式）6）有勵磁監(jiān)視 ： PMM8713的E腳輸出可說明控制器的工作方式PMM8713的管腳功能如下：管腳編號符號 功能管腳編號符號功能1輸入脈沖 Up時鐘9復(fù)位2輸入脈沖 DOWN 時鐘103輸入時鐘114U/D方向切0-反轉(zhuǎn)1-正轉(zhuǎn)125勵磁方式切換控制13614勵磁監(jiān)視73,4相選擇15輸入脈沖監(jiān)視80V (地)16電源（+4-+18V）PMM8713的其他相關(guān)參數(shù)參見參考書及相關(guān)手冊 4.24控制電路設(shè)計主程序框圖： PTO/PWM控制框圖： 高速計數(shù)程序中的中斷程序框圖： 高速計數(shù)程序框圖：4.26 PTO/PWM控制寄存器及相關(guān)計算(1) PTO/PWM控制寄存器S7-224 有兩臺PTO/PWM 發(fā)生器，建立高速脈沖串或脈寬調(diào)節(jié)信號波形。一臺發(fā)生器指定給數(shù)字輸出點Q0.0，另一臺發(fā)生器指定給數(shù)字輸出點Q0.1。脈沖串（PTO）功能提供50%占空比的方波輸出或指定的脈沖數(shù)及指定的周期。脈寬調(diào)制（PWM）功能提供帶變量占空比的固定周期輸出。每臺PTO/PWM發(fā)生器有一個8 位的控制字節(jié)，一個不帶符號的16位的周期值、一個不帶符號的16位的脈寬值和一個不帶符號的32位脈沖個數(shù)值。這些值全部存儲在特殊內(nèi)存區(qū)域SM的指定位置，一旦設(shè)置這些特殊的內(nèi)存位，選擇所需的操作后，執(zhí)行脈沖輸出指令（PLS）即啟動操作。因此，在執(zhí)行高速脈沖輸出指令之前，必須設(shè)置好控制寄存器。在編寫程序之前，編程人員必須明確的知道控制寄存器各個位的功能，具體說明見下表(見下頁) 。(2) 相關(guān)計算PMM8713有很多參數(shù)，參數(shù)的設(shè)置值影響電機的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)編碼器的反饋信號，同時決定輸入輸出接口中脈沖和方向的類型。由于驅(qū)動器的輸入輸出接口與S7-224連接，而S7-224的I/O為24VDC的單端信號，必須實現(xiàn)驅(qū)動器和S7-224輸入輸出信號類型及電平的匹配。由于S7-224脈沖輸出和和計數(shù)器的最高頻率均為20KHz，所以Pr44和Pr4B的設(shè)定值必須確保在合適的范圍內(nèi)。伺服驅(qū)動器中A相和B相反饋脈沖均為差分信號，而PLC不能直接輸入差分信號，必須對信號進行轉(zhuǎn)換，并放大至24VDC信號，信號轉(zhuǎn)換及放大處理。PTO/PWM控制寄存器各位功能表Q0.0Q0.1描述狀態(tài)字節(jié)SM66.4SM76.4PTO包絡(luò)由于增量計算錯誤而終止，0無錯誤；1有錯誤SM66.5SM76.5PTO包絡(luò)由于用戶命令而終止，0不中止；1終止SM66.6SM76.6PTO管線溢出，0無溢出；1有溢出SM66.7SM76.7PTO空閑，0執(zhí)行中；1PTO空閑控制字節(jié)SM67.0SM77.0PTO/PWM更新周期值，0不更新；1更新周期值SM67.1SM77.1PWM更新脈沖寬度值，0不更新；1更新脈沖寬度值SM67.2SM77.2PTO更新脈沖數(shù)，0不更新；1更新脈沖數(shù)SM67.3SM77.3PTO/PWM時間基準選擇，01us；11msSM67.4SM77.4PWM更新方法，0異步更新，1同步更新SM67.5SM77.5PTO操作，0單段操作；1多段操作SM67.6SM77.6PTO/PWM模式選擇，0PTO；1=PWMSM67.7SM77.7PTO/PWM允許，0禁止；1允許其它寄存器SMW68SMW78PTO/PWM周期值（范圍265535）SMW70SMW80PWM脈沖寬度值（范圍065536）SMD72SMD82PTO脈沖計數(shù)值（范SMW166SMW176操作中的段數(shù)（僅在多段PTO操作中）SMW168SMW178包絡(luò)表的起始位置，用從V0開始的字節(jié)偏移量表示電平匹配的問題已通過控制電路設(shè)計解決掉了，現(xiàn)在我們做相應(yīng)計算來解決脈沖的問題： 因為絲杠的導(dǎo)程為5mm，所以絲杠轉(zhuǎn)動一圈是前進5mm，本設(shè)計中負載的工作行程是1500mm，故可得出絲杠走完全程需要1500/5300轉(zhuǎn)； 為了S7-224和驅(qū)動器功率協(xié)調(diào)，我們就設(shè)最高工作頻率為10KHZ，此時電機步距角為1.5，由此可算出電機轉(zhuǎn)動一圈需要的脈沖數(shù)為360/1.5=240個脈沖，所以完成負載的行動共需300240=72000個脈沖；由以上計算就可得出MDDDT5540-003驅(qū)動器的設(shè)置參數(shù)為：編號參數(shù)名稱設(shè)定值功能說明Pr40指令脈沖輸入選擇0通過光耦電路輸入Pr41旋轉(zhuǎn)方向設(shè)置0Pr42指令脈沖輸入方式3Pr44反饋脈沖分倍頻分子75電機每轉(zhuǎn)一圈，編碼器反饋的脈沖為Pr44*4Pr45反饋脈沖分倍頻分母0Pr48指令脈沖分倍頻分子0Pr4B指令脈沖分倍頻分母300電機每轉(zhuǎn)一圈所需的脈沖數(shù)為Pr4B4.27高速計數(shù)器S7-224 支持6 臺高速計數(shù)器 (HSC0 至HSC5)，可配置為十二種不同的操作模式。每臺計數(shù)器對支持此類功能的時鐘、方向控制、復(fù)原和起始均有專用輸入。對于雙相計數(shù)器，兩個時鐘均可按最高速度運行。在正交模式中，選擇一倍或四倍的最高計數(shù)速率。所有的計數(shù)器按最高速率運行，而不會相互干擾。在編寫程序之前，編程人員必須明確的知道控制寄存器各個位的功能，具體說明見下面兩個表：(1) 高速計數(shù)器的控制字節(jié)表HSC0HSC1HSC2HSC3HSC4HSC5描述SM37.0SM47.0SM57.0SM147.0復(fù)位有效電平控制位；1=低電平-SM47.1SM57.1-啟動有效電平控制位；1=低電平SM37.2SM47.2SM57.2SM147.2正交計數(shù)速率選擇；1=1*計數(shù)速率SM37.3SM47.3SM57.3SM137.3SM147.3SM157.3計數(shù)方向控制位1=增計數(shù)SM37.4SM47.4SM57.4SM137.4SM147.4SM157.4允許更新計數(shù)方向；1=更新SM37.5SM47.5SM57.5SM137.5SM147.5SM157.5向HSC寫入預(yù)置值1=更新預(yù)置值SM37.6SM47.6SM57.6SM137.6SM147.6SM157.6向HSC寫入當前值1=更新當前值SM37.7SM47.7SM57.7SM137.7SM147.7SM157.7HSC允許；1=允許(2) HSC的當前值和預(yù)置值表要裝入的值HSC0HSC1HSC2HSC3HSC4HSC5新當前值SMD38SMD48SMD58SMD138SMD148SMD158新預(yù)置值SMD42SMD52SMD62SMD142SMD152SMD162結(jié)合以上兩表，由于伺服電機返回A、B 兩相正交編碼信號，在程序中，使用高速計數(shù)器HSC0，工作在模式9，使用內(nèi)部啟動和清零功能，A 相和B 相計數(shù)脈沖通過I0.0、I0.1 輸入，I0.2 為外部復(fù)位。內(nèi)存單元中SMD38、SMD42 分別為HSC0 的初始值和預(yù)置值，SMB37為HSC0 的控制字節(jié)，計數(shù)實時值使用地址HSC0，當計數(shù)實時值等于預(yù)置值時，產(chǎn)生12號中斷，可在對應(yīng)的中斷程序中實現(xiàn)特定的功能。4.3 PLC高速脈沖輸出控制三電動機轉(zhuǎn)動PLC控制I/O分配輸入端：啟動按鈕SB1 I0.0正常停止按鈕SB2I0.1復(fù)位按鈕 I0.2正轉(zhuǎn)按鈕 I0.3翻轉(zhuǎn)按鈕 I0.4轉(zhuǎn)速3m/minI0.5轉(zhuǎn)速6m/minI0.6輸出端：脈沖輸出口CL Q0.0電機轉(zhuǎn)動方向輸出控制Q0.2主程序Main:Network 1 / 網(wǎng)絡(luò)標題/ 網(wǎng)絡(luò)注釋LD SM0.0R I0.0, 8R Q0.0, 2R V100.0, 8/初始化清零Network 2 LD I0.0EU= V100.0/啟動標志內(nèi)存Network 3 LD I0.1EU= V100.1/停止標志Network 4 LD I0.2EU= V100.2/復(fù)位標志Network 6 LD I0.3EU= V100.3/正轉(zhuǎn)標志Network 7 LD I0.4EU= V100.4/反轉(zhuǎn)標志Network 8 LD I0.5EU= V100.5/3m/min標志Network 9 LD I0.6EU= V100.6/6m/min標志Network 10 LD V100.0A V100.3A V100.5= S0.0/正轉(zhuǎn) 3m/min 跳到S0.0 處執(zhí)行Network 11 LD V100.0A V100.3A V100.6= S0.1/反轉(zhuǎn) 6m/min 跳到S0.1處執(zhí)行Network 12 LD V100.0A V100.4A V100.5= S0.2/反轉(zhuǎn) 3m/min 跳到S0.2處執(zhí)行Network 13 LD V100.0A V100.4A V100.6= S0.3/反轉(zhuǎn) 6m/min 跳到S0.3處執(zhí)行Network 14 LSCR S0.0Network 15 LD SM0.0CALL SBR0/調(diào)用子程序0Network 16 LD SM0.0SCRT S0.4Network 17 SCRENetwork 18 LSCR S0.1Network 19 LD SM0.0CALL SBR1/調(diào)用子程序1Network 20 LD SM0.0SCRT S0.4Network 21 SCR