電熱管檢測線控制系統(tǒng)電動部分設(shè)計

1、成都學院課程設(shè)計報告 運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計報告題 目 電熱管檢測線控制系統(tǒng)電動部分設(shè)計學 院 電子信息工程學院 專 業(yè) 自動化 學生姓名 秋涼 學 號22222222222222 年級 2010 級 指導教師 一葉 職稱 高工 2013年 12 月 30 日電熱管檢測線控制系統(tǒng)電動部分設(shè)計摘要：作為家用電熱器中一種極為常見的發(fā)熱元件，電熱管主要適用范圍為電飯鍋、電熱水器、電水壺以及電火鍋等家用電熱電器。電熱管質(zhì)量以及穩(wěn)定性直接決定著產(chǎn)品的使用期限以及用戶的人身財產(chǎn)安全，對此需要采用良好的制造控制工藝及檢測技術(shù)。而檢測技術(shù)控制更是對所有制造工序的產(chǎn)品質(zhì)量均具有直接性影響，是工藝控制的關(guān)鍵所在。通

2、過基于PLC的自動化控制系統(tǒng)，能夠做好檢測技術(shù)控制，可以促進電熱管產(chǎn)品合格率的穩(wěn)定性，進而為產(chǎn)品的使用期限以及用戶的人身財產(chǎn)安全提供最有力保障。關(guān)鍵詞：電熱管； 控制系統(tǒng)；PLCElectric heating tube test line control system of electric designSummary ：As a very common household electric heating elements, tubular heater range is mainly used for rice cookers, electric water heater, electr

3、ic kettle and household electric appliances such as electric hot pot. Electric heating tube directly determines the lifespan of the product quality and stability, as well as personal and property safety of the user, which requires good manufacturing process and testing technology. Control and detect

4、ion techniques for all manufacturing process of the product quality has a direct impact, are key to process control. Through automatic control system based on PLC and detection technology controls can contribute to heat pipes product qualified rate stability, and for the duration of product use and

5、users provide the strong protection of personal and property safety.Keyword ：Electric tube; control system; PLC 目錄緒論11 運動控制系統(tǒng)的定義31.1 基于模擬電路的運動控制系統(tǒng)31.2 基于可編程邏輯控制器的運動控制系統(tǒng)32系統(tǒng)分析42.1 生產(chǎn)過程分析42.1.1 項目需求分析42.1.2 自動檢測線的工藝流程分析53 電熱管檢測系統(tǒng)設(shè)計73.1 控制器選擇73.2系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計73.3引線帽尺寸檢測傳感器93.4冷態(tài)電阻測量傳感器選擇103.5步進電機的選擇103.6 步進

6、電機驅(qū)動器的選擇123.7人機界面設(shè)置133.7.1 設(shè)備及需求133.7.2 人機界面詳細設(shè)計143.8 系統(tǒng)調(diào)試163.9 注意事項16結(jié)論18參考文獻19致謝20緒論運動控制 (Motion Control)通常是指在復雜條件下,將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機械運動,實現(xiàn)機械運動精確的位置控制、速度控制加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制。按照使用動力源的不同,運動控制主要可分為以電動機作為動力源的電氣運動控制、以氣體和流體作為動力源的氣液控制和以燃料(煤、油)等作為動力源的熱機運動控制等。據(jù)資料統(tǒng)計,在所有動力源中,90%以上來自于電動機,電動機在現(xiàn)代化生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用,

7、因此在這幾種運動控制中,電氣運動控制應(yīng)用最為廣泛。本文論述的運動控制也均是針對電氣運動控制而展開的。 電氣運動控制是由電力拖動發(fā)展而來的,電力拖動或電氣傳動是對以電動機為對象的控制系統(tǒng)的通稱。從電力拖動開始,經(jīng)歷四十多年的發(fā)展過程,現(xiàn)代運動控制已成為一個以控制理論為基礎(chǔ)，涵蓋電機技術(shù)、電力電子技術(shù)（電力電子器件、電力電子線路）、微電子技術(shù)、傳感器檢測技術(shù)、信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、微計算機技術(shù)和計算機仿真和輔助制造（CAM）技術(shù)等許多學科 ,且多種不同學科交叉應(yīng)用的控制技術(shù)。運動控制技術(shù)作為這些周邊技術(shù)的有機結(jié)合體,隨著各種學科技術(shù)的發(fā)展而不斷向前邁進。隨著運動控制技術(shù)日新月異的迅猛發(fā)展 ,

8、其內(nèi)涵也不斷擴大,原有電力拖動的概念己經(jīng)不能充分適應(yīng)電氣運動控制技術(shù)的發(fā)展需求。因此,二十世紀八十年代后期,國際上開始出現(xiàn)運動控制系統(tǒng)(Motion Control System) 這一術(shù)語。 運動控制系統(tǒng)多種多樣,但從基本結(jié)構(gòu)上看,一個典型的現(xiàn)代運動控制系統(tǒng)的硬件主要由上位計算機、運動控制器、功率驅(qū)動裝置、電動機、執(zhí)行機構(gòu)和傳感器反饋檢測裝置等部分組成。其中的運動控制器是指以中央邏輯控制單元為核心,以傳感器為信號敏感元件,以電機或動力裝置和執(zhí)行單元為控制對象的一種控制裝置它的主要任務(wù)是根據(jù)運動控制的的邏輯、數(shù)學運算,為電機或其它動力和執(zhí)行裝置提供正確的控制信號。 運動控制器歷經(jīng)分立電子元件、

9、集成電路（包括小、中、大、超大規(guī)模集成電路）,直至微控制器的出現(xiàn)，使運動控制器發(fā)生了質(zhì)的飛躍由硬件電路發(fā)展到軟件控制。運動控制系統(tǒng)也隨之進入了全數(shù)字化控制的新階段。自20世紀80年代初期，通用運動控制器已經(jīng)開始在國外多個行業(yè)應(yīng)用，尤其是在微電子行業(yè)的應(yīng)用更加廣泛。而當時運動控制器在我國的應(yīng)用規(guī)模和行業(yè)面很小，國內(nèi)也沒有廠商開發(fā)出通用的運動控制器產(chǎn)品，目前，國內(nèi)的運動控制器生產(chǎn)廠商提供的產(chǎn)品大致可以分為三類：第一類是以單片機或微處理器作為核心的運動控制器，這類運動控制器速度較慢精度不高，成本相對較低。在一些只需要低速點位運動控制和對軌跡要求不高的輪廓運動控制場合應(yīng)用。第二類是以專用芯片ASIC作

10、為核心處理器的運動控制器，這類運動控制器結(jié)構(gòu)比較簡單，但這類運動控制器大多數(shù)只能輸出脈沖信號，工作于開環(huán)控制方式。這類控制器對基本滿足單軸的點位控制要求，這類運動控制器不能滿足多軸協(xié)調(diào)運動和高速軌跡插補控制的設(shè)備要求。由于這類控制器不能提供連續(xù)插補功能，也沒有前瞻功能（Look ahead），特別是對于大量的小線段連續(xù)運動的場合。如模具雕刻，不能使用這類控制器。第三類是基于PC總線的以DSP 和FPGA作為核心處理器的開放式運動控制器。這類開放式運動控制器以DSP芯片作為運動控制器的核心處理器，以PC機作為信息處理平臺，運動控制器以插卡形式嵌入PC機即“PC+運動控制器”的模式。這樣將PC機的

11、信息處理能力和開放式的特點與運動控制器的運動軌跡控制能力有機地結(jié)合在一起，具有信息處理能力強、開放程度高運動軌跡控制準、通用性好的特點。這類運動控制器充分利用了DSP的高速數(shù)據(jù)處理功能和FPGA的超強邏輯處理能力，便于設(shè)計出功能完善、性能優(yōu)越的運動控制系統(tǒng)。這類產(chǎn)品通常都能提供板上的多軸協(xié)調(diào)運動控制與復雜的運動軌跡規(guī)劃、實時插補運算、誤差補償、伺服濾波算法，能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制。1 運動控制系統(tǒng)的定義 以控制器為核心，電動機為控制對象，以電力電子功率變換裝置作為驅(qū)動機構(gòu)，在自動控制理論的指導下組成的自動控制系統(tǒng)。運動控制（MC）是自動化的一個分支，它使用通稱為伺服機構(gòu)的一些設(shè)備如液壓泵，線性執(zhí)行機

12、或者是電機來控制機器的位置和/或速度, 使其按照預(yù)期的運動軌跡和規(guī)定的運動參數(shù)進行運動。運動控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在包裝、印刷、紡織和裝配工業(yè)中，機械加工，冶金，交通運輸，石油加工，航天航空、國防工業(yè)、家電生產(chǎn)、輕工、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。 1.1 基于模擬電路的運動控制系統(tǒng)早期的運動控制器一般采用運算放大器等分立元件,以模擬電路硬接線方式構(gòu)成。這種運動控制方式具有以下優(yōu)點：對輸入信號進行實時處理,沒有附加延時,響應(yīng)速度快。由于采用硬接線方式可實現(xiàn)無限的采樣頻率,因此控制器的精度較高且具有較大的帶寬。但是,模擬控制系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)相比,也有明顯的缺點:老化和環(huán)境溫度的變化對構(gòu)成系統(tǒng)的元器件的參數(shù)影響很大；

13、構(gòu)成模擬系統(tǒng)需要的元器件較多,增加了系統(tǒng)的復雜性,最終使系統(tǒng)的可靠性降低；由于采用硬接線,系統(tǒng)設(shè)計安裝完成后,幾乎不可能修改系統(tǒng)的功能；受系統(tǒng)規(guī)模的限制,很難實現(xiàn)運算量大、精度高、性能更先進的復雜控制算法。目前在一些早期的系統(tǒng)和功能簡單的系統(tǒng)中仍然采用這種控制方式。1.2 基于可編程邏輯控制器的運動控制系統(tǒng)可編程邏輯控制器 (PLC)是以微處理器為基礎(chǔ),在硬件接線邏輯控制技術(shù)和計算機技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它是將計算機技術(shù)與自動控制技術(shù)綜合為一體的工業(yè)控制產(chǎn)品,由中央處理單元（CPU）、存儲器、輸入/ 輸出單元(I/O)電源、編程器等組成,是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的一種工業(yè)控制計算機?？删?/p>

14、程邏輯控制器一般都具有脈沖輸出功能,以它作為運動控制器，可以控制接收脈沖和方向信號工作的電機,如步進電機和數(shù)字式交流伺服電機等。這種控制方式具有體積小、可靠性高,通用性強,成本較低,軟、硬件開發(fā)周期短,安裝維護簡便,在工業(yè)現(xiàn)場抗干擾能力強等優(yōu)點。但由于PLC是以循環(huán)掃描方式工作, 即每一次狀態(tài)變化需要一個掃描周期 ,其掃描周期一般在幾毫秒至幾十毫秒之間(視PLC工作速度和用戶程序大小而定。由于受到 PLC 工作方式的限制以及掃描周期的影響,被控制電機不能在高頻下工作,轉(zhuǎn)速較慢,且不能實現(xiàn)復雜的運動關(guān)系,故一般只應(yīng)用在點位控制和單軸運動控制等場合。2 系統(tǒng)分析2.1 生產(chǎn)過程分析 2.1.1 項

15、目需求分析（1） 檢測要求：電熱管引線帽尺寸參數(shù)測量冷態(tài)直流電阻值測量工件測量完成后自動分揀合格品與不合格品，并按合格品、引線帽尺寸不合格、電阻值不合格分別輸送至不同區(qū)域（2） 自動檢測線的總體功能組建自動檢測線，實現(xiàn)上述參量自動檢測測試，測試儀器、工具與被測電熱管工件之間需要確保相對位置及相對運動。機械結(jié)構(gòu)以完成工件的夾持、定位和傳送，選用儀器儀表以實現(xiàn)參數(shù)測量，以及設(shè)計控制系統(tǒng)來協(xié)調(diào)自動線按揭牌工作，整個自動線功能構(gòu)成如圖2-1所示。圖2-1 自動線功能圖電熱管自動檢測線分為兩個檢測工位，第一工位檢測電熱管引線帽尺寸，第二工位檢測電熱管冷態(tài)電阻值。整條線共4個工位，檢測線規(guī)劃工位如圖2-2

16、所示。圖2-2 檢測線規(guī)劃工位 2.1.2 自動檢測線的工藝流程分析（1）工件結(jié)構(gòu)及定位分析工件定位基準選擇如圖2-3所示。高度以夾具的上表面定位，長度和寬度則通過在夾具上開槽限位（利用前端法蘭結(jié)構(gòu)）。采用V型塊口夾持工件，可以適當補償寬度和高度誤差，能夠?qū)崿F(xiàn)測量時引導對位；長度方向誤差則可進行運動（氣動）補償。圖2-3 工件定位基準選擇（2）幾何參數(shù)測量引線帽尺寸：以三個連接螺柱端面構(gòu)成基準面，電熱管引線帽到基準面的直線距離。螺柱端面到引線帽尺寸允許范圍3.6±0.25mm。測量原理：將導向塊和三個位移傳感器固定在基座上，夾持電熱管移動使螺柱通過導向模塊，使三個連接螺柱端面與基座基

17、準面可靠接觸。此時，位移傳感器將測得相應(yīng)位置的相對位移，經(jīng)過標定計算即可得到需要的尺寸參數(shù)。測量單元結(jié)構(gòu)圖，如圖2-4所示，電熱管處于工作臺上，送至測量工位。利用夾頭夾持電熱管，可以保證中心對齊。采用氣動驅(qū)動夾頭和工件一起運動，完成導入。圖2-4 測量單元結(jié)構(gòu)圖（3）電熱管冷態(tài)電阻值測量電熱管冷態(tài)電阻值允許范圍：26-29測量原理：測量儀器的電觸頭固定在支架上，工件由工作臺送至測量工位。夾頭夾持工件實現(xiàn)定位，夾持移動工件，使電熱管的電熱絲與或外殼分別接觸測量頭，保證一定接觸力和時間，完成相應(yīng)電量測試。夾具固定在傳送臺上，以此定位放置工件，完成工位之間轉(zhuǎn)換。夾頭采用絕緣材料制造。（4）工件自動分

18、選輸出工件測量完畢傳送至工作臺下件工位，利用機械手夾持工件，轉(zhuǎn)送至合格品輸送帶或不合格品存放單元。要求取件時能準確對位，放置時無精度要求。在下料區(qū)設(shè)置三個區(qū)合格品存放區(qū)（相對于取件位置的180度位置）、引線帽尺寸不合格存放區(qū)（60度位置）、電阻值不合格存放區(qū)（120度位置）。機械手夾持工件后旋轉(zhuǎn)到三個區(qū)域的上方停止、釋放工件?？刂埔螅焊鶕?jù)電熱管引線帽尺寸和冷態(tài)電阻的測量結(jié)果進行自動判定，并將其結(jié)果輸入到控制器，由控制器輸出下料機械手的運行位置。3 電熱管檢測系統(tǒng)設(shè)計3.1 控制器選擇根據(jù)實際需求，我們選用三菱FX3U系列PLC。（1） 三菱FX3U系列PLC的特點，內(nèi)置了高達64K步的大容量

19、RAM存儲器；大幅增加了內(nèi)部軟元件的數(shù)量；強化了指令的功能，提供了多達209條應(yīng)用指令；包括像與三菱變頻器通訊的指令；CRC計算指令，產(chǎn)生隨機數(shù)指令等等。（2） 晶體管輸出型的基本單元內(nèi)置了3軸獨立最高100kHz的定位功能；并且增加了新的定位指令：帶DOG搜索的原點回歸（DSZR）；中斷單速定位（DVIT）和表格設(shè)定定位（TBL）；從而使得定位控制功能更加強大，使用更為方便；內(nèi)置6點同時100kHz的高速計數(shù)功能，雙相計數(shù)時可以進行4倍頻計數(shù)。（3） 增強了通信的功能，其內(nèi)置的編程口可以達到115.2kbps的高速通信； 而且最多可以同時使用3個通信口（包括編程口在內(nèi)）。（4） 新增了高速輸

20、入輸出適配器；模擬量輸入輸出適配器和溫度輸入適配器； 這些適配器不占用系統(tǒng)點數(shù)，使用方便；在FX3UC的左側(cè)最多可以連接10臺特殊適配器 。3.2 系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計在此我們選用三菱MR-J3伺服系統(tǒng)。具體參數(shù)如表3-1所以。三菱MR-J3伺服系統(tǒng)將伺服的速度和性能提升到一個新的臺階。功率從50W 到 7kW,放大器和電機的體積進一步減小,增加了高分辨率編碼器,高級自整定功能和共振控制。J3的高扭拒電機速度高達6000 rpm,頻率響應(yīng)900Hz。J3的262,144ppr高分辨率編碼器為標準配置, 這樣低速時能提供更穩(wěn)定的控制。三菱電機自動化開發(fā)的模型自適應(yīng)控制和自整定功能使得高精度的調(diào)節(jié)更容

21、易, J3高級振動控制可自動抑制機械共振。MR-Configurator設(shè)定軟件使得參數(shù)設(shè)定,診斷和調(diào)節(jié)非常簡單。MR-Configurator增強了許多診斷功能,如高級機械分析, 軟件示波器,高速監(jiān)視器。參數(shù)設(shè)定窗口使得系統(tǒng)啟動非常容易, USB接口使得高速采樣和長時間波形測量成為可能。MR-J3 支持下列控制模式:位置控制,速度控制,扭矩控制, SSCENT網(wǎng)絡(luò), RS485多點通訊。表3-1 三菱MR-J3伺服系統(tǒng)參數(shù)放大器型號 MR-J310AMR-J3-10A主回路電源電壓/頻率3相 200 to 230 VAC 50/60Hz單相 200 to 240 VAC 50/60Hz允許電

22、壓波動3相 200 to 230 VAC:3相 170 to 253 VAC單相 200 to 230 VAC:單相 170 to 253 VAC允許頻率波動最大±5%控制回路電源電壓/頻率單相 200 to 230 VAC 50/60Hz允許頻率波動最大±5%功耗(W)30MR-J3-10A接口電源電壓24VDC ±10% (容量: 300mA )位置模式最大輸入脈沖頻率1Mpps (差分), 200kpps (集電極開路)定位反饋脈沖262144 p/rev命令脈沖倍數(shù)電子齒輪A/B 相乘, A: 1 to 1048576, B: 1 to 1048576 1

23、/10 < A/B < 2000定位完成寬度設(shè)定0 to ±10000 脈沖 (命令脈沖單位)誤差±3 轉(zhuǎn)扭矩限制參數(shù)設(shè)定或外部模擬輸入 (0 - +10VDC, 最大扭矩)速度模式速度控制范圍模擬速度命令 1:2000, 內(nèi)部速度命令 1:5000模擬速度命令輸入0 - ±10VDC, 額定速度 (10V時速度可通過參數(shù)No. PC12改變.)速度波動最大±0.01% (負載波動 0 to 100%) 0% (電源波動 ±10%) 最大±0.2%。用模擬速度命令時(環(huán)境溫度:0°C (77°F

24、7;50°F)扭矩限制參數(shù)設(shè)定或外部模擬輸入 (0 - +10VDC, 最大扭矩)轉(zhuǎn)矩模式模擬扭矩命令輸入0 - ±8VDC, 最大扭矩 (輸入阻抗10 to 12k)速度限制參數(shù)設(shè)定或外部模擬輸入 (0 - +10VDC, 額定速度)3.3 引線帽尺寸檢測傳感器在此我們選用LVDT（差動變壓器式位移傳感器）來測量引線帽尺寸。LVDT傳感器結(jié)構(gòu)分以下幾個部分：外管，內(nèi)管，線圈，前后端蓋，電路板，屏蔽層，出線等部分構(gòu)成。外管采用不銹鋼制成，內(nèi)管可采用不銹鋼或塑料等。電路板的作用是提供LVDT的初線線圈一個激勵信號，通過差動變壓器原理，在次級產(chǎn)生的輸出信號進入電路板進行信號處理

25、，使輸出信號變成標準的可被計算機或PLC使用的電壓0-5V或4-20mA輸出。其特點有：（1）無摩擦測量LVDT 的可動鐵芯和線圈之間通常沒有實體接觸，也就是說LVDT 是沒有摩擦的部件。它被用于可以承受輕質(zhì)鐵芯負荷，但無法承受摩擦負荷的重要測量。 例如，精密材料的沖擊撓度或振動測試，纖維或其它高彈材料的拉伸或蠕變測試。（2）無限的機械壽命由于LVDT 的線圈及其鐵芯之間沒有摩擦和接觸，因此不會產(chǎn)生任何磨損。這樣LVDT的機械壽命，理論上是無限長的。在對材料和結(jié)構(gòu)進行疲勞測試等應(yīng)用中，這是極為重要的技術(shù)要求。此外，無限的機械壽命對于飛機、導彈、宇宙飛船以及重要工業(yè)設(shè)備中的高可靠性機械裝置也同樣

26、是重要的。（3）無限的分辨率LVDT的無摩擦運作及其感應(yīng)原理使它具備兩個顯著的特性。第一個特性是具有真正的無限分辨率。這意味著 LVDT 可以對鐵芯最微小的運動作出響應(yīng)并生成輸出。外部電子設(shè)備的可讀性是對分辨率的唯一限制。（4）零位可重復性LVDT 構(gòu)造對稱，零位可回復。LVDT的電氣零位可重復性高，且極其穩(wěn)定。用在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，LVDT 是非常出色的電氣零位指示器。（5）徑向不敏感LVDT對于鐵芯的軸向運動非常敏感，徑向運動相對遲鈍。這樣，LVDT 可以用于測量不是按照精準直線運動的物體，例如，可把LVDT耦合至波登管的末端測量壓力。（6）輸入/輸出隔離LVDT被認為是變壓器的一種，因為它

27、的勵磁輸入（初級）和輸出（次級）是完全隔離的。LVDT無需緩沖放大器，可以認為它是一種有效的模擬信號元件。在要求信號線與電源地線隔離的測量和控制回路中，它的使用非常方便差動變壓器式(LVDT)位移傳感器的優(yōu)點是高精度、高可靠性,能適應(yīng)惡劣環(huán)境,符合本儀器的要求。本儀器選用的是國產(chǎn)半橋式LVDT直線位移傳感器,其量程為5mm,最小示動值為0.03m,結(jié)合適當?shù)腖VDT信號調(diào)理電路能達到很高的測量精度。3.4 冷態(tài)電阻測量傳感器選擇由測量原理，選擇2511A 型智能直流多電阻測試儀。2511A 型智能直流多電阻測試儀能對變壓器、電機、開關(guān)、繼電器、接插件等各類電阻進行測試，儀器測量范圍1u2M，儀

28、器產(chǎn)生高精度恒流經(jīng)被測件進行四端點測量，有效地扣除了引線誤差，適合用作高精度測量；由于使用直流測試及最多可以進行10組負載的快速掃描測試，所以對各類變壓器及電感的銅阻測量比較適合；2511A 型智能直流多電阻測試儀也擴展了同類儀器的功能，我們可直接設(shè)置兩組標稱值，即電阻直讀顯示上/下限值，百分比標稱值和+/-百分比誤差值，且所有設(shè)置判斷針對于全量程，百分比誤差最大可顯示9999%，最小顯示0.000%，極大地提高了2511A 型智能直流多電阻測試儀使用范圍；此外，測試速度（快速、慢速）的改變，全狀態(tài)、全設(shè)置數(shù)值的斷電保護等功能也極大的方便了我們對產(chǎn)品的測試。在2511A 型智能直流多電阻測試儀

29、背面有LOW 輸出（下超信號輸出），PASS 輸出（合格信號輸出）, HIGH 輸出（上超信號輸出）三個信號輸出，可以將這三個信號輸入PLC，用以控制下料步進電機。由于測量的電阻在范圍2629，所以選擇200檔位，此檔位分辨率可達1m，完全可以滿足我們的測量要求。3.5 步進電機的選擇 步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉(zhuǎn)軸步進一個步距角增量。電機總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。 步進電機是機電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進電機慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點。廣泛應(yīng)

30、用于機電一體化產(chǎn)品中，如：數(shù)控機床、包裝機械、計算機外圍設(shè)備、復印機、傳真機等。 選擇步進電機時，首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率。而在選用功率步進電機時，首先要計算機械系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩，電機的矩頻特性能滿足機械負載并有一定的余量保證其運行可靠。在實際工作過程中，各種頻率下的負載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說最大靜力矩Mjmax大的電機，負載力矩大。 選擇步進電機時，應(yīng)使步距角和機械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機床所需的脈沖當量。在機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當量，一是可以改變絲桿的導程，二是可以通過步進電機的細分驅(qū)動來完成。但細分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由

31、電機的固有特性所決定。 選擇功率步進電機時，應(yīng)當估算機械負載的負載慣量和機床要求的啟動頻率，使之與步進電機的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機床快速移動的需要。 選擇步進電機需要進行以下計算： （1）計算齒輪的減速比 根據(jù)所要求脈沖當量，齒輪減速比i計算如下: i=(.S)/(360.) (3-1) 式中 -步進電機的步距角（o/脈沖） S -絲桿螺距（mm) -(mm/脈沖） （2）計算工作臺，絲桿以及齒輪折算至電機軸上的慣量Jt。 Jt=J1+（1/i2)(J2+Js）+W/g（S/2)2 （3-2） 式中Jt -折算至電機軸上的慣量(Kg.cm.s2) J1

32、、J2 -齒輪慣量(Kg.cm.s2) Js -絲桿慣量(Kg.cm.s2) W-工作臺重量（N） S -絲桿螺距（cm） （3）計算電機輸出的總力矩M M=Ma+Mf+Mt （3-3） Ma=（Jm+Jt).n/T×1.02×102 （3-4） 式中Ma -電機啟動加速力矩（N.m) Jm、Jt-電機自身慣量與負載慣量(Kg.cm.s2) n-電機所需達到的轉(zhuǎn)速（r/min） T-電機升速時間（s） Mf=(u.W.s)/(2i)×102 （3-5） Mf-導軌摩擦折算至電機的轉(zhuǎn)矩（N.m) u-摩擦系數(shù) -傳遞效率 Mt=(Pt.s)/(2i)×10

33、2 （3-6） Mt-切削力折算至電機力矩（N.m) Pt-最大切削力（N） （4）負載起動頻率估算。數(shù)控系統(tǒng)控制電機的啟動頻率與負載轉(zhuǎn)矩和慣量有很大關(guān)系，其估算公式為 fq=fq0(1-(Mf+Mt)/Ml）÷(1+Jt/Jm) 1/2 （3-7） 式中fq-帶載起動頻率（Hz） fq0-空載起動頻率 Ml-起動頻率下由矩頻特性決定的電機輸出力矩（N.m) 若負載參數(shù)無法精確確定,則可按fq=1/2fq0進行估算. （5）運行的最高頻率與升速時間的計算。由于電機的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率 時，由矩頻特性的輸出力矩應(yīng)能驅(qū)動負載，并留有足夠的余量。 （6）負載力矩和

34、最大靜力矩Mmax。負載力矩可按式（3-5）和式（3-6）計算，電機在最大進給速度時，由矩頻特性決定的電機輸出力矩要大于Mf與Mt之和，并留有余量。一般來說，Mf與Mt之和應(yīng)小于（0.2 0.4)Mmax. 3.6 步進電機驅(qū)動器的選擇步進電機必須有驅(qū)動器和控制器才能正常工作。驅(qū)動器的作用是對控制脈沖進行環(huán)形分配、功率放大，使步進電機繞組按一定順序通電。一般來說驅(qū)動器共有三路輸入信號： （1）步進脈沖信號CP：驅(qū)動器每接受一個脈沖信號CP，就驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)一步距角，CP的頻率和步進電機的轉(zhuǎn)速成正比，CP的脈沖個數(shù)決定了步進電機旋轉(zhuǎn)的角度。 （2）方向電平信號UD：此信號決定電機的旋轉(zhuǎn)方向，為

35、高電平時電機為順時針旋轉(zhuǎn)，為低電平時電機則為反方向逆時針旋轉(zhuǎn)。 （3）脫機信號FREE：此端輸入一個5V電平時，電機處于無力矩狀態(tài)；此端為高電平或懸空不接時，此功能無效，電機可正常運行，此功能若用戶不采用，只需將此端懸空即可。我們將選用MS2035MXD步進電機驅(qū)動器MS2035MXD可獨立驅(qū)動兩臺步進電機，為雙極細分型步進電機。該驅(qū)動器內(nèi)部自帶振蕩器，可選擇脈沖/方向模式或內(nèi)部自帶振蕩器模式操作，使用方便靈活，性能穩(wěn)定，成本低。MS2035MXD的特點：可獨立驅(qū)動兩臺步進電機輸出相電流0.1A-2A15檔細分輸入信號光隔離，脈沖響應(yīng)頻率可達1MHz0-5V模擬量輸入轉(zhuǎn)速控制12V-35V直流

36、供電自動減流功能H橋雙極恒流驅(qū)動步進脈沖、方向和使能信號控制光電隔離的可編程輸出信號功能框圖如圖3-1所示。圖3-1 MS2035MXD步進電機驅(qū)動器功能框圖3.7 人機界面設(shè)置3.7.1 設(shè)備及需求所需設(shè)備（1）可編程控制器1臺（FX-PLC）；（2）USB串口、422數(shù)據(jù)線各一套；（3）計算機1臺（已安裝GX_Develope編程軟件）；（4）觸摸屏1臺（GTO1150）；（5）選擇開關(guān)1個，按鈕開關(guān)1個；（6）傳感器6個；（7）步進驅(qū)動器2個（Q2HDA）；（8）步進電動機2臺、兩軸絲杠；（9）電工常用工具一套，導線若干。I/O分配輸入端口：急停 x10， x軸左限位傳感器 X4， x軸

37、右限位傳感器X5，軸左傳感器X11，x軸右傳感器X12， y軸上傳感器X6， y軸下傳感器X7。輸出端口：X軸脈沖 y0， x軸方向 y4， y軸脈沖 y1， y軸方向 y5。 觸摸屏按鈕：M0啟動按鈕，M2停止按鈕，M1復位按鈕。自動控制要求（1）復位：不在原點時，按下復位按鈕（m1），回歸原點。（X軸左傳感器，Y軸下傳感器）（2）啟動：在原點條件下點擊啟動按鈕（m0）電機按觸摸屏設(shè)定要運行。（3）停止：按下停止按鈕（m2）后，步進電機完成指定動作，返回原位后停止。（4）急停：按下急停按鈕、限位觸感器動作步進電機馬上停止?，F(xiàn)場控制要求可以對各運動機構(gòu)進行操作，手動與自動應(yīng)互鎖觸摸屏畫面（1）

38、畫面具有啟動、停止、復位功能；（2）畫面能設(shè)定步進電機的初始位置，第一段運行速度、位移、加工 時間，第二段運行速度、位移、加工時間。第4段運行速度、位移、加工時間，以及循環(huán)次數(shù)。3.7.2 人機界面詳細設(shè)計（1）新建工程第一步：GOT類型：選擇GT1165-VNBA-C，顏色設(shè)置：單色16級灰度、 顯 示方式：橫向點下一步。第二步：選擇連接的設(shè)備類型：Melsec-FX點下一步。第三步：連接機器的接口：RS-422或RS-232點下一步。第四步：通訊驅(qū)動程序：默認MELSEC-FX點下一步。第五步：畫面切換元件的設(shè)置：在基本畫面選擇GD100點下一步。第六步：系統(tǒng)環(huán)境確認第七步：系統(tǒng)設(shè)置完成，

39、進入空白界面進行設(shè)計。（2）控制系統(tǒng)的界面設(shè)計與參數(shù)設(shè)置 第一步，插入“文本” 點擊“圖形” “文本”左鍵插入即可，并在文本屬性中進行設(shè)置。第二步，插入“位開關(guān)” 點擊“對象” “開關(guān)” “文本”左鍵插入即可。設(shè)置M0為啟動，選擇點動。在“擴展功能”中勾上“動作條件”，設(shè)置為“多位觸發(fā)”位數(shù)為“2”，M0為ON，M1為OFF。第三步，插入“指示燈” 點擊“對象” “指示燈” “位指示燈”。設(shè)置：ON和OFF兩種狀態(tài)，軟件輸出為Y0100，選擇啟/停的顏色。第四步，插入“數(shù)值輸入” 點擊“對象” “數(shù)值輸入”。以加工時間為例，元件對應(yīng)輸入為D5000?！皵?shù)據(jù)類型”選擇“實數(shù)”，其它設(shè)置可根據(jù)需要設(shè)置。在“擴展功能”勾選“范圍設(shè)置”、“顯示/動作條件”、“數(shù)據(jù)運算”設(shè)置。以X軸位移為例?！胺秶O(shè)置”為0-90MM之間“顯示/動作條件”觸發(fā)類型選擇“ON中”，M20為元件。“數(shù)據(jù)運算”在“監(jiān)視”將0-90之間的數(shù)值除以6.4，進行監(jiān)視第五步，插入“報警系統(tǒng)”首先在“注釋” “基本注釋”添加4種狀態(tài)“初始位”“第一位”“第二位”“返回”。然后點擊“公共設(shè)置” “報警”