畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）利用PLC控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點(diǎn)位控制

1、東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘要摘 要 可編程控制器（plc）是專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性極高、體積小、是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化理想控制裝置等顯著優(yōu)點(diǎn)，實(shí)踐與深入研究，本文提出了利用plc控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點(diǎn)位控制功能有關(guān)見解與方法，介紹了控制系統(tǒng)研制中需要認(rèn)識(shí)與解決若干問題，給出了控制系統(tǒng)方案及軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，工礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)相關(guān)機(jī)床改造具有較高應(yīng)用與參考價(jià)值數(shù)控技術(shù)是綜合應(yīng)用了電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、自動(dòng)控制與自動(dòng)檢測(cè)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成就而發(fā)展起來的，目前在許多領(lǐng)域尤其是在機(jī)械加工行業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。數(shù)控系統(tǒng)按其控制方式劃分有點(diǎn)位控制系統(tǒng)、直線

2、控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。在機(jī)械加工時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)的點(diǎn)位控制一般用在孔加工機(jī)床上（例如鉆孔、鉸孔、鏜孔的數(shù)控機(jī)床），其特點(diǎn)是，機(jī)床移動(dòng)部件能實(shí)現(xiàn)由一個(gè)位置到另一個(gè)位置的精確移動(dòng)，即準(zhǔn)確控制移動(dòng)部件的終點(diǎn)位置，但并不考慮其運(yùn)動(dòng)軌跡，在移動(dòng)過程中刀具不切削工件。關(guān)鍵詞：plc 點(diǎn)位控制 步進(jìn)電機(jī) 光電編碼器i東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 畢業(yè)設(shè)計(jì)總體概括abstractbecause plc is one industrial control computer which is specially applied under the industry environment , it has

3、lots of remarkable merits,such as strong antijamming ability , high reliability , slight volume , and it is an ideal control device to realize the integration of machinery and so on.therefore, through the practice and deep research, this article proposes related opinions and methods on realizing the

4、 position control function of the numerical control system by using the plc ,introducing certain questions which needs to be known and solved in the control system development , and giving the design mentality about the control system plan and the software and hardware structure as well.it has high

5、application and reference value to realize the transformation of related engine bed ,regarding the industrial and mining establishment .the numerical control technology develops with applying achievements on modern science technology synthesisly ,such as electronic technology, computation technology

6、, automatic control and automatic detection , and so on .at present , it has been widely spreaded in many domains day by day,particularly in the machine-finishing profession.there are two ways to realize the numerical control system: firstly, using the entirely-functional numerical control installme

7、nt, its function is perfect, but its price is actually expensive.moreover, to position control ,many function is unnecessary; secondly, using the single trigger or the monolithic integrated circuit control, besides carrying on the software development, it needs to design the hardware circuit, the in

8、terface circuit, the driving circuit, especially considering the antijamming question in the industry scene .key words ： plc stepping motor photoelectric encoder緒 論1、數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡史及趨勢(shì) 1946年誕生了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，這表明人類創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分代替腦力勞動(dòng)的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會(huì)中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動(dòng)的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進(jìn)入信息社會(huì)奠定了基礎(chǔ)。 6年后，即在1952年，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床

9、上，在美國誕生了第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個(gè)世紀(jì)以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段和六代的發(fā)展。 1.1 控(nc)階段(19521970年) 早期計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度低，對(duì)當(dāng)時(shí)的科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理影響還不大，但不能適應(yīng)機(jī)床實(shí)時(shí)控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路搭成一臺(tái)機(jī)床專用計(jì)算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控(hard-wired nc)，簡稱為數(shù)控(nc)。隨著元器件的發(fā)展，這個(gè)階段歷經(jīng)了三代，即1952年的第一代-電子管；1959年的第二代-晶體管；1965年的第三代-小規(guī)模集成電路。 1.2 計(jì)算機(jī)數(shù)控(cnc)階段(1970年現(xiàn)在) 到1970年，通用小型計(jì)算機(jī)

10、業(yè)已出現(xiàn)并成批生產(chǎn)。于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進(jìn)入了計(jì)算機(jī)數(shù)控(cnc)階段(把計(jì)算機(jī)前面應(yīng)有的通用兩個(gè)字省略了)。到1971年，美國intel公司在世界上第一次將計(jì)算機(jī)的兩個(gè)最核心的部件-運(yùn)算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術(shù)集成在一塊芯片上，稱之為微處理器(microprocessor)，又可稱為中央處理單元(簡稱cpu)。到1974年微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因?yàn)樾⌒陀?jì)算機(jī)功能太強(qiáng)，控制一臺(tái)機(jī)床能力有富裕(故當(dāng)時(shí)曾用于控制多臺(tái)機(jī)床，稱之為群控)，不如采用微處理器經(jīng)濟(jì)合理。而且當(dāng)時(shí)的小型機(jī)可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高，但可以通過多處理器結(jié)構(gòu)來解決

11、。由于微處理器是通用計(jì)算機(jī)的核心部件，故仍稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控。 到了1990年，pc機(jī)(個(gè)人計(jì)算機(jī)，國內(nèi)習(xí)慣稱微機(jī))的性能已發(fā)展到很高的階段，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。數(shù)控系統(tǒng)從此進(jìn)入了基于pc的階段。 總之，計(jì)算機(jī)數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。即1970年的第四代-小型計(jì)算機(jī)；1974年的第五代-微處理器和1990年的第六代-基于pc(國外稱為pc-based)。還要指出的是，雖然國外早已改稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控(即cnc)了，而我國仍習(xí)慣稱數(shù)控(nc)。所以我們?nèi)粘Ｖv的數(shù)控，實(shí)質(zhì)上已是指計(jì)算機(jī)數(shù)控了。2、實(shí)現(xiàn)機(jī)床數(shù)控化的必要性從微觀上看，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控

12、系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的威力。 2.1可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。 2.2 可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，而且是柔性自動(dòng)化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高37倍。由于計(jì)算機(jī)有記憶和存儲(chǔ)能力，可以將輸入的程序記住和存儲(chǔ)下來，然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動(dòng)化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動(dòng)化，故被稱為實(shí)現(xiàn)了柔性自動(dòng)化。 2.3 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要修配。 2.4 可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，

13、減少零件 在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。 2.5 擁有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間無人看管加工。 2.6由以上五條派生的好處。如：降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力(一個(gè)人可以看管多臺(tái)機(jī)床)，減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對(duì)市場(chǎng)需求作出快速反應(yīng)等等。以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個(gè)極為重大的突破。此外，機(jī)床數(shù)控化還是推行fmc(柔性制造單元)、fms(柔性制造系統(tǒng))以及cims(計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng))等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動(dòng)化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。 從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍、民機(jī)械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模

14、應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)(包括軍、民機(jī)械工業(yè))進(jìn)行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機(jī)床、fmc、fms外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行cad、cae、cam、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行mis(管理信息系統(tǒng))、cims等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對(duì)國外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造(稱之為信息化)，最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)力大為增強(qiáng)。而我們?cè)谛畔⒓夹g(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約落后20年。如我國機(jī)床擁有量中，數(shù)控機(jī)床的比重(數(shù)控化率)到1995年只有1.9%，而日本在1994年已達(dá)20.8%，因此每年都有大量機(jī)

15、電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。3、數(shù)控未來發(fā)展的趨勢(shì) 3.1 繼續(xù)向開放式、基于pc的第六代方向發(fā)展基于pc所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點(diǎn)，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會(huì)走上這條道路。至少采用pc機(jī)作為它的前端機(jī)，來處理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。pc機(jī)所具有的友好的人機(jī)界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程通訊，遠(yuǎn)程診斷和維修將更加普遍。 3.2 向高速化和高精度化發(fā)展這是適應(yīng)機(jī)床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。 3.3 向智能化方向發(fā)展隨著人工智能在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。 3.3.1

16、 應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù) 數(shù)控系統(tǒng)能檢測(cè)過程中一些重要信息，并自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的目的。 3.3.2 引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工 將熟練工人和專家的經(jīng)驗(yàn)，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。 3.3.3 引入故障診斷專家系統(tǒng) 3.3.4 智能化數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)裝置 可以通過自動(dòng)識(shí)別負(fù)載，而自動(dòng)調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲得最佳的運(yùn)行。 4、我國機(jī)床產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀我國機(jī)床總量380余萬臺(tái)，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11.34萬臺(tái)，即我國機(jī)床數(shù)控化率不到3%。近10年來，我國數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為0.60.8萬臺(tái)，年產(chǎn)值約為18億元機(jī)床的年產(chǎn)量數(shù)控化率

17、為6%，年產(chǎn)值數(shù)控化率為12%(后兩項(xiàng)日本分別為31.6%和75.4%)。而且數(shù)控機(jī)床中經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床占80%以上，自動(dòng)機(jī)床等高級(jí)機(jī)床不多。我國機(jī)床役齡10年以上的占60%以上；10年以下的機(jī)床中，自動(dòng)/半自動(dòng)機(jī)床不到20%，fmc/fms等自動(dòng)化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)(美國和日本自動(dòng)和半自動(dòng)機(jī)床占60%以上)?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機(jī)床。即使是數(shù)控機(jī)床，多數(shù)是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，生產(chǎn)裝備和技術(shù)陳舊而落后。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內(nèi)市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，直接影響一個(gè)企

18、業(yè)的產(chǎn)品、市場(chǎng)、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。據(jù)專家預(yù)測(cè)，到2000年，我國數(shù)控機(jī)床消費(fèi)額可達(dá)240.2億元。這些需求一方面通過購置新設(shè)備來滿足，另一方面，如果充分利用我國的現(xiàn)有的存量資產(chǎn)，用更新改造后的設(shè)備替代和減少購置新設(shè)備，可以起到事半功倍的效果。以240.2億元的需求量估計(jì)，即使10%的需求通過設(shè)備的再生改造來實(shí)現(xiàn)，每年也有24億元的市場(chǎng)。5、進(jìn)口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場(chǎng)我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進(jìn)技術(shù)、設(shè)備和生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)改造。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從19791988年10年間，全國引進(jìn)技術(shù)改造項(xiàng)目就有18446項(xiàng)，大約165.8億美元。這些項(xiàng)目中

19、，大部分項(xiàng)目為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了應(yīng)有的作用。但是有的引進(jìn)項(xiàng)目由于種種原因，設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴(yán)重的使企業(yè)陷入困境。為了充分利用這些設(shè)備和生產(chǎn)線，我們對(duì)部分引進(jìn)10年以上、與機(jī)械行業(yè)有關(guān)的技術(shù)改造項(xiàng)目進(jìn)行了一次調(diào)查。我們了解到一些設(shè)備、生產(chǎn)線從國外引進(jìn)以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護(hù)不當(dāng)，結(jié)果運(yùn)轉(zhuǎn)不良；有的引進(jìn)時(shí)只注意引進(jìn)設(shè)備、儀器、生產(chǎn)線，忽視軟件、工藝、管理等，造成項(xiàng)目不完整，設(shè)備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動(dòng)運(yùn)行，沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用；有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好，但是因?yàn)樵O(shè)備故障不能達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)；有的因?yàn)槟芎母?、產(chǎn)品合格率低而造成虧損；有的已引進(jìn)較長

20、時(shí)間，需要進(jìn)行技術(shù)更新。種種原因使有的設(shè)備不僅沒有創(chuàng)造財(cái)富，反而消耗著財(cái)富。這些不能使用的設(shè)備、生產(chǎn)線是個(gè)包袱，也是一批很大的存量資產(chǎn)，修好了就是財(cái)富。只要找出主要的技術(shù)難點(diǎn)，解決“卡脖子”的關(guān)鍵技術(shù)問題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產(chǎn)，爭(zhēng)取到最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。這也是一個(gè)極大的改造市場(chǎng)。6、課題研究的目標(biāo)我們采用plc作為數(shù)控系統(tǒng)的主控芯片，利用plc控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。通過步進(jìn)電機(jī)的脈沖控制，從而使車床的x軸和y軸進(jìn)行快進(jìn)和工進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)車床數(shù)控加工。1 、畢業(yè)設(shè)計(jì)總體概括1.1 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書1 用步進(jìn)電機(jī)與旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)速2 x方向：絲杠（螺距6）進(jìn)給當(dāng)量0.01。步進(jìn)電

21、機(jī)：三相相六拍，步距角0.75。 速度v5m/min（分級(jí)可調(diào)）。最大運(yùn)行距離2m 、對(duì)輸出力矩?zé)o要求.3 y方向：絲杠（螺距6）進(jìn)給當(dāng)量0.01。步進(jìn)電機(jī)：三相六拍，步距角0.75、速度v3m/min（分級(jí)可調(diào)）。最大運(yùn)行距離300m m 、 對(duì)輸出力矩?zé)o要求。4 步進(jìn)電機(jī)：三相六拍，步距角0.755 反饋元件采用增量式光電碼盤6 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，特性同上述一樣7 為了克服系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)間隙有找準(zhǔn)系統(tǒng)絕對(duì)原點(diǎn)功能.t加速加速減速5m/min3m/min減速vv00t 圖1-1 x方向速度特性曲線圖 圖1-2 y方向速度特性曲線旋轉(zhuǎn)編碼器工作臺(tái)plc步進(jìn)電機(jī)功率放大器脈沖分配器聯(lián)軸器齒輪組圖1

22、-3 機(jī)械傳動(dòng)示意圖1.2 數(shù)控機(jī)床概述本節(jié)主要介紹數(shù)控機(jī)床的定義、組成、工作原理等有關(guān)概念。1.2.1 數(shù)控的定義數(shù)控的定義：電子計(jì)算機(jī)以數(shù)字方式控制機(jī)床的技術(shù)稱為數(shù)字控制技術(shù)，簡稱數(shù)控（nc）。1.2.2 數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床是由普通機(jī)床演變而來的，它的控制采用計(jì)算機(jī)數(shù)字控制方式，它各個(gè)坐標(biāo)方向的運(yùn)動(dòng)均采用單獨(dú)的伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，取代了普通機(jī)床上聯(lián)系各坐標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜齒輪傳動(dòng)鏈。數(shù)控機(jī)床一般由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床主體組成。如圖1-4所示，其中實(shí)線部分表示開環(huán)系統(tǒng)。加虛線為閉環(huán)控制。控制介質(zhì)控制裝置伺服系統(tǒng)機(jī)床本體控制介質(zhì)圖1-4 數(shù)控機(jī)床的組成1.2.3 控制介質(zhì)數(shù)控機(jī)床加

23、工時(shí)，所需的各種控制信息要靠某種中間載體攜帶和傳輸，這種載體稱作“控制介質(zhì)”?？刂平橘|(zhì)是存儲(chǔ)數(shù)控加工所需要的全部動(dòng)作和刀具相對(duì)工件位置信息的媒介物，它記載著零件的加工程序?？刂平橘|(zhì)有多種，如穿孔帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等，也可同坐通信接口直接輸入所需的各種信息。采用何種控制介質(zhì)取決于數(shù)控裝置的類型。1.2.4 數(shù)控裝置數(shù)控裝置可以分為普通數(shù)控裝置（cn）和計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置（cnc）兩大類。前者利用專用的控制計(jì)算機(jī)，又稱硬件數(shù)控；后者利用通用的小型計(jì)算機(jī)或微機(jī)加軟件，又稱軟件數(shù)控。數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心，一般由輸入裝置、控制器、運(yùn)算器和輸出裝置等組成。數(shù)控裝置根據(jù)輸入的程序和數(shù)據(jù)，經(jīng)過系統(tǒng)軟件或邏

24、輯電路進(jìn)行編譯、運(yùn)算和邏輯處理后，輸出各種信號(hào)和指令控制機(jī)床的各個(gè)部分，進(jìn)行規(guī)定的、有序的動(dòng)作?？刂菩盘?hào)中最基本的信號(hào)是：經(jīng)插補(bǔ)運(yùn)算決定的各坐標(biāo)軸（即作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的各執(zhí)行部件）的進(jìn)給速度、進(jìn)給方向和位置量指令信號(hào)（送伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)）；主運(yùn)動(dòng)部件的變速、換向和啟動(dòng)信號(hào)；選擇和交換刀具的刀具指令信號(hào)；控制冷卻、潤滑的啟動(dòng)、工件和機(jī)床部件頌凱、夾緊、分度工作臺(tái)轉(zhuǎn)位等輔助指令信號(hào)等。1.2.5 伺服系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)電路和伺服驅(qū)動(dòng)裝置組成，并在機(jī)床上的執(zhí)行部件和機(jī)械傳動(dòng)部件組成數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)。它根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)出來的速度和位移指令控制執(zhí)行部件的進(jìn)給速度、方向和位移。伺服驅(qū)動(dòng)

25、系統(tǒng)有開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)之分。1.2.6 機(jī)械部件數(shù)控機(jī)床的機(jī)械部件包括：主運(yùn)動(dòng)部件；進(jìn)給運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件，如工作臺(tái)；拖板及其傳動(dòng)部件；床身、立柱等支承部件；此外，還有冷卻、潤滑、轉(zhuǎn)位和夾緊等輔助裝置。對(duì)于加工中心類的數(shù)控機(jī)床，還有存放刀具的刀庫，交換刀具的機(jī)械手等部件。1.3 數(shù)控機(jī)床的工作原理數(shù)控機(jī)床的工作原理是：將加工零件的幾何信息和工藝信息便支撐程序，由輸入部分送到計(jì)算機(jī)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)的處理、運(yùn)算，按各坐標(biāo)的分量送到各軸的驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)過轉(zhuǎn)換、放大去驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)各軸運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)行反饋控制，使各軸精確走到要求的位置。如此進(jìn)行下去，各個(gè)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)進(jìn)行，一直加工零件的全部輪廓。1.4 數(shù)控機(jī)床的

26、分類數(shù)控機(jī)床的分類大體上可從按運(yùn)動(dòng)方式分類和控制方式分類來分。1.4.1 按運(yùn)動(dòng)方式分類按運(yùn)動(dòng)方式分類可以分三種：點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)、輪廓控制系統(tǒng)。1. 點(diǎn)位控制系統(tǒng) 點(diǎn)位控制系統(tǒng)是指數(shù)控系統(tǒng)只控制刀具或機(jī)床工作臺(tái)，從一點(diǎn)準(zhǔn)確地移動(dòng)到另一點(diǎn)，而點(diǎn)與點(diǎn)之間運(yùn)動(dòng)的軌跡不需要嚴(yán)格控制的系統(tǒng)。為了減少移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)與定位時(shí)準(zhǔn)確移動(dòng)到終點(diǎn)定位位置，以保證良好的定位精度。2. 點(diǎn)位直線控制系統(tǒng) 點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)是指數(shù)控系統(tǒng)不僅控制刀具或工作臺(tái)從一個(gè)點(diǎn)準(zhǔn)確移動(dòng)到另一個(gè)點(diǎn)，而且保證在兩點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)軌跡是一條直線的控制系統(tǒng)。3. 輪廓控制系統(tǒng)輪廓控制系統(tǒng)也稱連續(xù)控制系統(tǒng)，是指數(shù)控系統(tǒng)能夠?qū)蓚€(gè)或兩個(gè)

27、以上的坐標(biāo)軸同時(shí)進(jìn)行嚴(yán)格聯(lián)系的控制系統(tǒng)。它不僅能控制移動(dòng)部件從一個(gè)點(diǎn)準(zhǔn)確地移動(dòng)到另一個(gè)點(diǎn)，而且還能控制整個(gè)加工過程每一個(gè)點(diǎn)的速度和位移量，將零件加工成一定的輪廓形狀。本次設(shè)計(jì)為點(diǎn)位控制。1.4.2 按控制方式分類按控制方式分類也可分三類：開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)。1. 開環(huán)控制系統(tǒng) 開環(huán)控制系統(tǒng)是指不帶反饋裝置的控制系統(tǒng)。它是根據(jù)穿孔紙帶上的數(shù)據(jù)指令，經(jīng)過控制運(yùn)算發(fā)出脈沖信號(hào)，輸送到伺服驅(qū)動(dòng)裝置（如步進(jìn)電機(jī)）使伺服驅(qū)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)過對(duì)應(yīng)的角度，然后經(jīng)過減速齒輪或絲杠螺母機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)換為移動(dòng)部件的直線移動(dòng)。如圖1-5所示為開環(huán)控制系統(tǒng)框圖。由于開環(huán)控制系統(tǒng)不具有反饋裝置，不能進(jìn)行誤差校正

28、，因此系統(tǒng)精度較低。雖然開環(huán)控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、使用維修方便及成本低的優(yōu)點(diǎn)，但它已不能滿足數(shù)控機(jī)床日益提高的精度要求?？刂平橘|(zhì)數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)工作臺(tái)圖1-5 開環(huán)控制系統(tǒng)框圖2. 半閉環(huán)控制系統(tǒng)半閉環(huán)控制系統(tǒng)是在開環(huán)控制系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)中裝有角位移檢測(cè)裝置，通過檢測(cè)伺服機(jī)構(gòu)的滾珠絲杠轉(zhuǎn)角，間接檢測(cè)移動(dòng)部件的位移，然后反饋到數(shù)控裝置的比較器中，與輸入原指令位移值進(jìn)行比較，用比較后的差值進(jìn)行控制，使移動(dòng)部件補(bǔ)充位移，直到差值消除為止的控制系統(tǒng)。由于半閉環(huán)控制系統(tǒng)中移位部件的傳動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)不包括在閉環(huán)之內(nèi)，所以傳動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)的誤差仍然會(huì)影響移動(dòng)部件的位移精度。如圖1-6所示為半閉環(huán)控制

29、系統(tǒng)框圖。工作臺(tái)控制介質(zhì)數(shù)控裝置比較器放大器伺服系統(tǒng) 反饋信號(hào)圖1-6 半閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖3. 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)是機(jī)床移動(dòng)部件位置上直接裝有直線位置檢測(cè)裝置，將檢測(cè)到的實(shí)際位移反饋到數(shù)控裝置的比較器中，與輸入的原指令位移值進(jìn)行比較，用比較后的差值控制部件作補(bǔ)充位移，直到差值消除時(shí)才停止移動(dòng)，達(dá)到精確定位的控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)定位精度高，一般應(yīng)用在高精度數(shù)控機(jī)床上。由于系統(tǒng)增加了檢測(cè)、比較和反饋裝置，所以結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)試維修比較困難。反饋信號(hào)控制介質(zhì)數(shù)控裝置工作臺(tái)比較器伺服機(jī)構(gòu)放大器檢測(cè)元件圖1-7 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖1.5 數(shù)控機(jī)床的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：1 小批量而又輪番生產(chǎn)的零件；2

30、 幾何形狀復(fù)雜的零件；3 需進(jìn)行多種工序加工的零件；4 切削余量大的零件；5 加工精度高的零件；6 工藝設(shè)計(jì)會(huì)經(jīng)常變化的零件；7 貴重零件；8 需全部檢測(cè)的零件 缺點(diǎn)：1. 初次設(shè)備投資大；2. 對(duì)使用者技術(shù)要求高1.6點(diǎn)位控制設(shè)計(jì)論證點(diǎn)位控制系統(tǒng)是指數(shù)控系統(tǒng)只控制刀具或機(jī)床工作臺(tái)，從一點(diǎn)準(zhǔn)確地移動(dòng)到另一點(diǎn)，而點(diǎn)與點(diǎn)之間運(yùn)動(dòng)的軌跡不需要嚴(yán)格控制的系統(tǒng) 。這類數(shù)控機(jī)床僅能控制在加工平面內(nèi)的兩個(gè)坐標(biāo)軸帶動(dòng)刀具與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從一個(gè)坐標(biāo)位置快速移動(dòng)到下一個(gè)坐標(biāo)位置，然后控制第三個(gè)坐標(biāo)軸進(jìn)行鉆鏜切削加工。特點(diǎn)：在整個(gè)移動(dòng)過程中不進(jìn)行切削加工，因此對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡沒有任何要求，但要求坐標(biāo)位置有較高的定位精度。

31、點(diǎn)位控制的數(shù)控機(jī)床用于加工平面內(nèi)的孔系，這類機(jī)床主要有數(shù)這類數(shù)控機(jī)床僅能控制在加工平面內(nèi)的兩個(gè)坐標(biāo)軸帶動(dòng)刀具與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從一個(gè)坐標(biāo)位置快速移動(dòng)到下一個(gè)坐標(biāo)位置，然后控制第三個(gè)坐標(biāo)軸進(jìn)行鉆鏜切削加工。特點(diǎn)：在整個(gè)移動(dòng)過程中不進(jìn)行切削加工，因此對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡沒有任何要求，但要求坐標(biāo)位置有較高的定位精度。點(diǎn)位控制的數(shù)控機(jī)床用于加工平面內(nèi)的孔系，這類機(jī)床主要有數(shù)控鉆床、印刷電路板鉆孔機(jī)、數(shù)控鏜床、數(shù)控沖床、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等。要獲得高的定位速度，同時(shí)又要保證定位精度，可以把整個(gè)定位過程劃分為兩個(gè)階段：粗定位階段和精定位階段。這兩個(gè)階段均采用相同頻率的脈沖控制步進(jìn)電機(jī)，但采用不同的脈沖當(dāng)量。粗定位階段：由于

32、在點(diǎn)位過程中，刀具不切削工件，因此在這一階段，可采用較大的脈沖當(dāng)量，如0.1mm/步或1mm/步，甚至更高。例如步進(jìn)電機(jī)控制脈沖頻率為20hz，脈沖當(dāng)量為0.1mm/步，定位距離為120mm，則走完全程所需時(shí)間為1分鐘，這樣為速度顯然已能滿足要求。精定位階段：當(dāng)使用較大的脈沖當(dāng)量使刀具或工作臺(tái)快速移動(dòng)至接近定位點(diǎn)時(shí)，（即完成粗定位階段），為了保證定位精度，再換用較小的脈沖當(dāng)量進(jìn)入精定位階段，讓刀具或工作臺(tái)慢慢趨近于定位點(diǎn)，例如取脈沖當(dāng)量為0.01mm/步。盡管脈沖當(dāng)量變小，但由于精定位行程很短（可定為全行程的五十分之一左右），因此并不會(huì)影響到定位速度。步進(jìn)電機(jī)是一種性能良好的數(shù)字化執(zhí)行元件，在

33、數(shù)控系統(tǒng)的點(diǎn)位控制中，可利用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在開環(huán)控制中，步進(jìn)電機(jī)由一定頻率的脈沖控制。由plc直接產(chǎn)生脈沖來控制步進(jìn)電機(jī)可以有效地簡化系統(tǒng)的硬件電路，進(jìn)一步提高可靠性。由于plc是以循環(huán)掃描方式工作，其掃描周期一般在幾毫秒至幾十毫秒之間，因此受到plc工作方式的限制以及掃描周期的影響，步進(jìn)電機(jī)不能在高頻下工作。例如，若控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率為4000hz，則脈沖周期為0.25毫秒，這樣脈沖周期的數(shù)量級(jí)就比掃描周期小很多，如采用此頻率來控制步進(jìn)電機(jī)。則plc在還未完成輸出刷新任務(wù)時(shí)就已經(jīng)發(fā)出許多個(gè)控制脈沖，但步進(jìn)電機(jī)仍一動(dòng)不動(dòng)，出現(xiàn)了嚴(yán)重的失步現(xiàn)象。若控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率為100hz，

34、則脈沖周期為10毫秒，與plc的掃描周期約處于同一數(shù)量級(jí)，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)亦可能會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。因此用plc驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)時(shí)，為防止步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)失步與誤差，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)在低頻下運(yùn)行，脈沖信號(hào)頻率選為十至幾十赫茲左右，這可以利用程序設(shè)計(jì)加以實(shí)現(xiàn)。37東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 總體方案設(shè)計(jì)2 總體方案設(shè)計(jì)2.1 總體方案確定plc鍵盤輸入數(shù)字顯示部分傳感器x軸驅(qū)動(dòng)電路y軸驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)電源圖2-1 系統(tǒng)總體框圖整個(gè)系統(tǒng)由電源、plc、鍵盤輸入、數(shù)字顯示、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)以及傳感器組成。2.1.1 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)由于工件在移動(dòng)的過程中沒有進(jìn)行切削，故應(yīng)用點(diǎn)位控

35、制系統(tǒng)。定位方式采用增量坐標(biāo)控制。為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)x-y工作臺(tái)。2.1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點(diǎn)位控制的通常方法可以有兩種：一是采用全功能的數(shù)控裝置，這種裝置功能十分完善，但其價(jià)格卻很昂貴，而且許多功能對(duì)點(diǎn)位控制來說是多余的；二是采用單板機(jī)或單片機(jī)控制，這種方法除了要進(jìn)行軟件開發(fā)外，還要設(shè)計(jì)硬件電路、接口電路、驅(qū)動(dòng)電路，特別是要考慮工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的抗干擾問題。 綜上可得：基于抗干擾性、可靠性、體積等因素分析。第三種方案在實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制裝置等明顯長處，因此通過實(shí)踐與深入研究，本文提出了利用plc控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點(diǎn)位控制功能的有關(guān)見解與方法，先

36、容了控制系統(tǒng)研制中需要熟悉與解決的若干題目，給出了控制系統(tǒng)方案及軟硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，對(duì)于工礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)相關(guān)機(jī)床改造具有較高的應(yīng)用與參考價(jià)值?；诳垢蓴_性、可靠性、體積等因素分析。本課題采用plc控制的點(diǎn)位控制技術(shù)方案。控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤、led、i/o接口、光電偶合電路、步進(jìn)電機(jī)、電磁鐵功率放大器電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)。led顯示數(shù)控工作臺(tái)的狀態(tài)。2.1.3 x-y工作臺(tái)的傳動(dòng)方式為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，又要求結(jié)構(gòu)緊湊，所以選用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)載荷不大，因此采用有預(yù)加載荷的雙v形滾珠導(dǎo)軌。采

37、用滾珠導(dǎo)軌可減少兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)面的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，減小振動(dòng)?？紤]電機(jī)步距角和絲桿導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，需采用齒輪降速傳動(dòng)。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 數(shù)控系統(tǒng)硬件組成3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件組成 本次設(shè)計(jì)主要以plc為主控芯片，用led顯示，外加上電機(jī)驅(qū)動(dòng)和鍵盤構(gòu)成。3.1 plc基礎(chǔ)知識(shí)簡介 在自動(dòng)化控制領(lǐng)域，plc是一種重要的控制設(shè)備。目前，世界上有200多廠家生產(chǎn)300多品種plc產(chǎn)品，應(yīng)用在汽車（23%）、糧食加工（16.4%）、化學(xué)/制藥（14.6%）、金屬/礦山（11.5%）、紙漿/造紙（11.3%）等行業(yè)。為了使各位初學(xué)者更方便地了解

38、plc，本文對(duì)plc的發(fā)展、基本結(jié)構(gòu)、配置、應(yīng)用等基本知識(shí)作一簡介，以期對(duì)各位網(wǎng)友有所幫助。3.1.1 plc的發(fā)展歷程 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動(dòng)作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動(dòng)作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動(dòng)或電氣控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。1968年美國gm（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱programmable controller（pc）。 個(gè)人計(jì)算機(jī)（簡稱pc）發(fā)展起來后，為了方便，也為

39、了反映可編程控制器的功能特點(diǎn)，可編程序控制器定名為programmable logic controller（plc），現(xiàn)在，仍常常將plc簡稱pc。plc的定義有許多種。國際電工委員會(huì)（iec）對(duì)plc的定義是：可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。上世紀(jì)80年代至90年代中期，是plc發(fā)展最快的時(shí)期，年增長率一

40、直保持為3040%。在這時(shí)期，plc在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，plc逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的dcs系統(tǒng)。 plc具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單等特點(diǎn)。plc在工業(yè)自動(dòng)化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來，是無法取代的。3.1.2 s7-200簡介s7-200 是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。s7-200系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此s7-200系列具有極高的性能/價(jià)格比。

41、 s7-200系列出色表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： * 極高的可靠性 * 極豐富的指令集 * 易于掌握 * 便捷的操作 * 豐富的內(nèi)置集成功能 * 實(shí)時(shí)特性 * 強(qiáng)勁的通訊能力 * 豐富的擴(kuò)展模塊 s7-200系列在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等。如：沖壓機(jī)床，磨床，印刷機(jī)械，橡膠化工機(jī)械，中央空調(diào)，電梯控制，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。 s7-200系列plc可提供4個(gè)不同的基本型號(hào)的8種cpu供您使用。，（cpu 221，222

42、具有180ma輸出， cpu 224，cpu 224xp，cpu 226分別輸出280，400ma?？捎米髫?fù)載電源）。 本次設(shè)計(jì)選用cpu226。本機(jī)集成24輸入/16輸出共40個(gè)數(shù)字量i/o 點(diǎn)?？蛇B接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量i/o 點(diǎn)或35路模擬量i/o 點(diǎn)。13k字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6個(gè)獨(dú)立的30khz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20khz高速脈沖輸出，具有pid控制器。2個(gè)rs485通訊/編程口，具有ppi通訊協(xié)議、mpi通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。i/o端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的

43、內(nèi)部集成特殊功能?？赏耆m應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。 s7-200系列plc是西門子公司的產(chǎn)品，另外，國內(nèi)外還有一些廠家生產(chǎn)與其完全兼容的產(chǎn)品，例如德國vipa公司，中國上海正航電子科技有限公司等。3.1.3 plc的輸入輸出通信地址表31 plc的輸入輸出通信地址i0.0x軸旋轉(zhuǎn)編碼器a相q0.0x軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)i0.1x軸旋轉(zhuǎn)編碼器b相q0.1y軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)i0.2x軸旋轉(zhuǎn)編碼器復(fù)位q0.2x軸電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向驅(qū)動(dòng)信號(hào)i0.3y軸旋轉(zhuǎn)編碼器a相q0.3y軸電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向驅(qū)動(dòng)信號(hào)i0.4y軸旋轉(zhuǎn)編碼器b相q0.4鍵盤第四行控制i0.5y軸旋轉(zhuǎn)編碼器復(fù)位q0.5鍵盤第三行控制i0.6鍵盤第四列

44、控制q0.6鍵盤第二行控制i0.7鍵盤第三列控制q1.7鍵盤第一行控制i1.0鍵盤第二列控制q1.0led驅(qū)動(dòng)i1.1鍵盤第一列控制q1.1led驅(qū)動(dòng)i1.2啟動(dòng)電源q1.2led驅(qū)動(dòng)i1.3緊急停車q1.3led驅(qū)動(dòng)i1.4x軸正向運(yùn)行q1.4led片選i1.5x軸反向運(yùn)行q1.5led片選i1.6y軸正向運(yùn)行q1.6led片選i1.7y軸反向運(yùn)行q1.7led片選i2.0復(fù)位3.2 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。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(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一

45、線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。 雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。 目前,生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設(shè)備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。3.2.1 步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相

46、數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來了。1. 步距角的選擇 電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度 （三相電機(jī)）等。圖3-1步距角2. 靜力矩的選擇 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)

47、（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長度便能確定下來（幾何尺寸）3. 電流的選擇 靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓） 綜上所述選擇電機(jī)一般應(yīng)遵循以下步驟：圖3-2電機(jī)選擇步驟3.2.2 力矩與功率換算步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下： p= m =2n/60 p=2nm/60 其p為功率單位為瓦，為每秒角速度，單位為弧度，n為每

48、分鐘轉(zhuǎn)速，m為力矩單位為牛頓米 p=2fm/400(半步工作） 其中f為每秒脈沖數(shù)（簡稱pps)3.2.3 應(yīng)用中的注意點(diǎn)1. 步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場(chǎng)合-每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，（0.9度時(shí)6666pps)，最好在1000-3000pps(0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時(shí)電機(jī)工作效率高，噪音低。2. 步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時(shí)振動(dòng)大。3. 由于歷史原因，只有標(biāo)稱為12v電壓的電機(jī)使用12v外，其他電機(jī)的電壓值不是驅(qū)動(dòng)電壓伏值 ，可根據(jù)驅(qū)動(dòng)器選擇驅(qū)動(dòng)電壓（建議：57byg采用直流24v-36v，86byg采用直流50v,110byg采用高于直流80v），當(dāng)然12

49、伏的電壓除12v恒壓驅(qū)動(dòng)外也可以采用其他驅(qū)動(dòng)電源， 不過要考慮溫升。4. 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機(jī)座號(hào)電機(jī)。5. 電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時(shí)，一般不在工作速度起動(dòng)，而采用逐漸升頻提速，一電機(jī)不失步，二可以減少噪音同時(shí)可以提高停止的定位精度。6. 高精度時(shí)，應(yīng)通過機(jī)械減速、提高電機(jī)速度,或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動(dòng)器來解決，也可以采用5相電機(jī)，不過其整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被淘汰的說法是外行話。7. 電機(jī)不應(yīng)在振動(dòng)區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。8. 電機(jī)在600pps（0.9度）以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū)動(dòng)。9. 應(yīng)遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動(dòng)的原則。 本

50、設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)采用的是三相六拍的工作方式（三個(gè)線圈a、b、c），其正轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋篴-ab-b-bc-c-ca-a，其反轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋篴-ac-c-cb-b-ba-a。步進(jìn)時(shí)鐘a相波形b相波形圖3-3 三相六拍工作方式時(shí)相電壓波形（正轉(zhuǎn)）c相波形步進(jìn)時(shí)鐘a相波形b相波形圖3-4 三相六拍工作方式時(shí)相電壓波形（反轉(zhuǎn)）c相波形步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能不僅與電機(jī)本身的特性、負(fù)載有關(guān)，而且還與配套使用的驅(qū)動(dòng)電源有著密切相關(guān)的關(guān)系，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源包括功率放大器，主要使電機(jī)各相按一定的順序和時(shí)間導(dǎo)通或切斷， 并根據(jù)輸入指令使電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，故按照電機(jī)電機(jī)的工作方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，有硬件環(huán)形分配器和軟件分配器兩種

51、形式。采用硬件分配脈沖達(dá)到三相六拍的工作方式即用軟件進(jìn)行脈沖分配的優(yōu)點(diǎn)是線路簡單、成本低、還可以靈活改變步進(jìn)電機(jī)的控制方案，而驅(qū)動(dòng)功能仍由硬件來完成。程序中表現(xiàn)為對(duì)plc的q0.0-q0.1口的輸出脈沖進(jìn)行控制分別對(duì)三相供電。通過光電耦合器隔離，由+80v、+12v高低壓驅(qū)動(dòng)vmos管，在改變繞組通電順序的情況下來控制它的正反轉(zhuǎn)、及三相六拍通電方式。此次設(shè)計(jì)中所用的步進(jìn)電機(jī)需要plc高速脈沖的輸出。s7-200每個(gè)cpu有兩個(gè)pto/pwm（脈沖列/脈沖寬度調(diào)制）發(fā)生器，分別通過數(shù)字量輸出點(diǎn)q0.0及q0.1輸出高速脈沖列或脈沖寬度可調(diào)的波形。pto/pwm發(fā)生器與輸出映像寄存器共同使用q0.

52、0及q0.1。當(dāng)q0.0或q0.1被置為pto或pwm功能時(shí)，pto/pwm發(fā)生器控制這些輸出點(diǎn)，在該輸出點(diǎn)禁止使用數(shù)字量輸出功能，此時(shí)輸出波形不受輸出映像寄存器的狀態(tài)、輸出強(qiáng)制或立即輸出指令的影響。不使用pto/pwm發(fā)生器時(shí)。q0.0與q0.1作為普通的數(shù)字輸出使用。建議在啟動(dòng)pto或pwm操作之前，用r指令將q0.0或q0.1的映像寄存器置為0.此次設(shè)計(jì)中用q0.0驅(qū)動(dòng)x軸步進(jìn)電機(jī)，q0.1驅(qū)動(dòng)y軸步進(jìn)電機(jī)。3.3 矩陣式鍵盤工作原理矩陣式鍵盤是相對(duì)于獨(dú)立式鍵盤而言的，也叫行列式鍵盤，是當(dāng)鍵數(shù)較多時(shí)為節(jié)省i/o點(diǎn)而采取的一種結(jié)構(gòu)。在微機(jī)系統(tǒng)中，矩陣式鍵盤的構(gòu)成方式如圖所示。圖35 矩陣式

53、鍵盤結(jié)構(gòu)圖首先，判斷整個(gè)鍵盤上有無鍵按下。方法是:將列全輸出為0，然后讀入行的狀態(tài)，如果行讀入的狀態(tài)全為1，則無鍵按下，不全為1則有鍵按下。其次，若有鍵按下則逐列掃描。方法是:依次將列線送低電平0，檢查對(duì)應(yīng)行線的狀態(tài);若行線全為1，則按鍵不在此列;若不全為1，則按鍵必在此列，且是與0電平行線相交的那個(gè)鍵。最后，確定鍵值，并進(jìn)入鍵處理程序。3.3.1 矩陣式鍵盤硬件設(shè)計(jì)在plc系統(tǒng)中設(shè)計(jì)矩陣式鍵盤不僅要用到輸入口，而且也要用到輸出口，因此，了解plc i/o口內(nèi)部電路的結(jié)構(gòu)以及工作原理是十分重要的。下面以s7-200的dc輸入、輸出模塊為例，簡要說明其工作原理。1. 輸入模塊如圖所示，為plc的

54、dc輸入模塊，其中，k1-輸入開關(guān);m-公共端;i0.0-輸入點(diǎn);r1、r2的典型值為5.6k、1k。圖3-6 直流輸入模塊電路圖工作原理:若輸入開關(guān)k1閉合，則輸入信號(hào)經(jīng)rc濾波和光電隔離后，轉(zhuǎn)換為plc的cpu所需的電平(一般為5v)，再經(jīng)過輸入選擇器與cpu的總線相連，從而將外部輸入開關(guān)的“on”狀態(tài)輸入到plc內(nèi)部，此時(shí)輸入指示燈亮，且與該輸入點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入映像寄存器為“1”。若輸入開關(guān)斷開，則信號(hào)沒有形成通路，此時(shí)輸入指示燈不亮，表示為“off”狀態(tài)。2. 輸出模塊如圖所示，為plc的dc輸出模塊，其中，l+接dc24v;q0.0-輸出點(diǎn)。圖3-7 直流輸出模塊電路圖工作原理:若用戶程

55、序?qū)⑤敵鲋脼椤皁n”狀態(tài)，則在刷新輸出階段cpu將“on”信號(hào)送給輸出鎖存器，再經(jīng)過光電耦合送給場(chǎng)效應(yīng)管，使之飽和導(dǎo)通，此時(shí)輸出指示燈亮，且通過場(chǎng)效應(yīng)管將dc24v和負(fù)載連通，從而使得負(fù)載獲得工作電流。反之，若用戶程序?qū)⑤敵鲋脼椤皁ff”狀態(tài)，則輸出指示燈不亮，情況與上述相反。3.3.2 鍵盤的硬件設(shè)計(jì)由以上分析可知:plc的i/o口內(nèi)部電路與一般的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(如單片機(jī)系統(tǒng))有較大的不同，這就決定了在plc系統(tǒng)中設(shè)計(jì)矩陣式鍵盤也有其特殊性。首先，由于輸入模塊中有rc濾波電路，其濾波延遲時(shí)間可以通過編程軟件設(shè)置，即其本身存在硬件消抖動(dòng)的功能，因此不再需要軟件延時(shí)消抖動(dòng);其次，由于用到了plc的輸出口，它本身可以輸出對(duì)m端有dc24v的電壓，因此不再需要外接電源;最后，由于plc的輸入口有6k左右的輸入電阻，因此可以將dc24v的電壓直接加上，若為了延長i/o口的使用壽命，一般按照輸入模塊的技術(shù)指標(biāo)來配置限流電阻，經(jīng)查閱輸入電流的典型值為4ma，一般取r1=r2=r3=0.5k即可。如圖所示為4行4列矩陣式鍵盤的結(jié)構(gòu)圖