基于PLC的雕刻機控制系統(tǒng)設計說明書

-.z.目錄1緒論11.1課題的研究意義11.2雕刻機的應用及發(fā)展11.2.1雕刻機的應用11.2.2國內外發(fā)展與現(xiàn)狀21.3課題研究的主要內容31.3.1實驗平臺簡介32方案選擇42.1三軸驅動方案選擇4直流驅動42.1.2交流伺服驅動52.1.3步進驅動52.2控制器的選擇62.3限位開關73硬件電路設計93.1主電路設計9步進電機及步進驅動器93.1.2主軸及變頻驅動93.2控制電路設計11控制要求113.2.2步進電機驅動器123.2.3PLC選型143.2.4I/O配置及PLC外部接線圖164軟件設計184.1PTO/POS配置184.1.1PTO配置194.1.2PTO/PWM組件234.2主程序245總結43致謝43基于PLC的雕刻機控制系統(tǒng)設計摘要自從有了人類的社會活動以后，就有了雕刻這一行業(yè)，伴隨著人類社會的發(fā)展，如今人們對雕刻有了全新的認識，隨著人們對雕刻機的認識和掌握逐步加深，應用*圍會得到不斷擴大，應用水平也會逐步提高，雕刻加工必定會有更廣闊的前景。本文論述了雕刻機的控制要求及驅動方式，設計了基于PLC控制的三維雕刻機的電氣控制線路，并編制了實現(xiàn)軌跡運行的控制程序。三維雕刻機為滾珠絲杠設計，*、Y、Z三軸采用步進系統(tǒng)，分別通過CPU的高速脈沖輸出PTO及定位模塊EM253實現(xiàn)三根軸的位置控制，主軸采用交流變頻驅動，系統(tǒng)中設置了限位開關和位置感應器以防止運動超程。調試結果表明，系統(tǒng)可以實現(xiàn)一定精度的雕刻軌跡控制，達到了設計指標的要求。關鍵詞：雕刻機；PLC；位置控制；滾珠絲杠ABSTRACTEversincehumansocialactivitylater,thereisasculptureoftheindustry,alongwiththedevelopmentofhumansociety,andnowpeoplehaveanewunderstandingofsculpture,engravingmachinesaspeoplegraduallydeepeningunderstandingandgraspthescopeofapplicationwillbeene*pandingtheapplicationlevelwillgraduallyincrease,engravingprocessmustbemorebroadprospects.Thispaperdiscussestherequirementsanddrivemodecontrolengravingmachine,thedesignofPLC-basedelectricalcontrolcircuitcontrolsthethree-dimensionalengravingmachineandpreparedtoachievetrajectorycontrolprogramrunning.Three-dimensionalengravingmachinefortheballscrewdesign,*,Y,Z-a*issteppersystem,respectively,toachievethree-a*ispositioncontrolwithhigh-speedpulseoutputPTOandthepositioningmoduleEM253CPU,thespindleACvariablefrequencydrive,thesystemsetuplimitswitchesandpositionsensorstopreventovertravelmovementDebuggingresultsshowthatthesystemcanachieveacertainprecisionengravingtrajectorycontrol,mettherequirementsofthedesignspecifications.Keywords：Engravingmachine;PositionControl;ballscrewshaft-.z.1緒論1.1課題的研究意義自從有了人類的社會活動以后，就有了雕刻這一行業(yè)，伴隨著人類社會的發(fā)展，現(xiàn)如今人們對雕刻有了全新的認識，電腦雕刻加工的興起與發(fā)展是時代發(fā)展的需要，電腦雕刻代替機械雕刻已是大勢所趨。電腦雕刻加工可以就是目前理想的選擇，雖然有些地區(qū)電腦雕刻加工業(yè)務量不是很多，但它是雕刻行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。雕刻加工涉及各行各業(yè)、分布很廣，有禮品業(yè)、廣告業(yè)、印章業(yè)、木器加工業(yè)、建筑業(yè)、藝術模型業(yè)、機械加工、工裝模具等等，隨著人們對雕刻機的認識和掌握逐步加深，應用*圍會得到不斷擴大，應用水平也會逐步提高，雕刻加工必定會有更廣闊的前景。隨著近年來我國制造業(yè)的迅速發(fā)展，我國的雕刻機產(chǎn)業(yè)也獲得了良好的發(fā)展機遇，數(shù)控木工雕刻機、模具雕刻機、激光雕刻機等電腦雕刻加工有效地促進了我國雕刻機的生產(chǎn)和推廣應用。我國的雕刻機起步于經(jīng)濟型機床，隨著科學技術的進步，經(jīng)過十多年的發(fā)展，已形成了多個國產(chǎn)品牌的雕刻機，但是中國雕刻核心技術還是與國外有很大的差距，需要我們去努力去接近國外，擁有自己的核心技術。要立足國內，結合國情，面向經(jīng)濟建設的需要，開發(fā)出有自己特色，符合中國人習慣的雕刻機結構及其軟件。1.2雕刻機的應用及發(fā)展1.2.1雕刻機的應用在現(xiàn)在這個科技時代，計算機應用技術和機電一體化技術的飛速發(fā)展，機械領域、電子領域和控制、檢測領域都空前發(fā)展，小型雕刻機也將隨著這些技術的發(fā)展，涉及眾多工業(yè)品的生產(chǎn)和加工過程,獲得一個更為廣闊的應用*圍。如今，雕刻機在各行各業(yè)中的應用已日益廣泛，因此，此行業(yè)的競爭是十分激烈的。目前國內外市場上出現(xiàn)的雕刻機，雖然性能較好，但價格也非常昂貴。普通的雕刻機都是萬元以上，令一些小單位及個人用戶望而卻步。如美國的“雕霸”、法國的“嘉寶”和日本的“御牧”都是此行業(yè)的佼佼者，但其價格非常昂貴，不管大小都在10萬元人民幣以上。近些年，國內的雕刻機，如的“精雕”、**的“啄木鳥”在國內也有一定的市場，但其價格也不菲。因此，著力提高雕刻機的性價比是十分必要的。隨著電子技術的發(fā)展，雕刻機也逐步地向數(shù)控雕刻方向發(fā)展。傳統(tǒng)的雕刻加工工業(yè)是一門技術性要求很高的手工技藝，雕刻品的質量完全取決于雕刻師的技藝水平，所以生產(chǎn)的效率很低、成本也很高，制品的隨意行強、一致性差，嚴重制約了雕刻行業(yè)的發(fā)展。數(shù)控雕刻機是數(shù)控技術和雕刻工藝相結合的產(chǎn)物，是一種專用的數(shù)控機床，實現(xiàn)了雕刻加工的自動化，較傳統(tǒng)的手工雕刻、仿形雕刻，具有更高的生產(chǎn)效率和加工精度。1.2.2國內外發(fā)展與現(xiàn)狀雕刻加工涉及到了各行各業(yè)、分布很廣，有禮品業(yè)、廣告業(yè)、印章業(yè)、木器加工業(yè)、建筑業(yè)、藝術模型業(yè)、機械加工、工裝模具等行業(yè)，介于雕刻機的廣泛用途，隨著社會的發(fā)展，雕刻機行業(yè)的發(fā)展也是必然的，其競爭會呈現(xiàn)出更加激烈的局面，因此，對雕刻技術的創(chuàng)新是十分必要的。功能完善、性格穩(wěn)定、造型美觀和價格合理成為雕刻機研制的基本要求。數(shù)控雕刻機作為制造業(yè)一個有力工具，有著非常廣闊的發(fā)展前景，隨著計算機技術、機電技術、機械技術等各個科學技術的發(fā)展，數(shù)控雕刻機的功能將日益強大，性能將更趨穩(wěn)定。雕刻機發(fā)展趨勢總結如下：（1）更加精密控制部分和機械部分精度的提高將極大地提高雕刻系統(tǒng)的精度，控制部分將向閉環(huán)私服方向發(fā)展，通過反饋調整做到誤差補償，從而可以大幅度提高精度；機械部分將采用更高精度的滾珠絲杠和驅動電機，同時裝配工藝的提高也將進一步提高系統(tǒng)的精度。（2）更加高效高性能運動控制技術如DSP技術、32為單片機等的發(fā)展，驅動電機性能提高，刀具性能提高，采用規(guī)*的軟件開發(fā)技術等等，都將會推動數(shù)控雕刻系統(tǒng)向著高速、高效、高可靠性的方向發(fā)展。利用移動通訊技術和網(wǎng)絡技術飛速的發(fā)展，數(shù)控雕刻機將朝著數(shù)值化、網(wǎng)路化的方向發(fā)展。1938年世界第一臺手動雕刻機“嘉寶”在法國問世，1950年“嘉寶”生產(chǎn)出世界第一臺真正意義的電動、可縮放比例的手動雕刻機。隨后美國、日本等國也開始研制。20世紀90年代，隨著微電子技術的突飛猛進，直接推動微型計算機的急劇發(fā)展。微電子技術和微型計算機技術帶動了整個高技術群體飛速發(fā)展，從而使雕刻機產(chǎn)生了質的飛躍。雕刻機完成了從2D—2.5D—3D加工的變革，功能完善、性能穩(wěn)定、造型美觀和價格合理成為雕刻機研制的基本要求。21世紀，PLC會有更大的發(fā)展。從技術上看，計算機技術的新成果會更多地應用于可編程控制器的設計和制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現(xiàn)；從產(chǎn)品規(guī)模上看，會進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，完美的人機界面、完備的通信設備會更好地適應各種工業(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)控制計算機組網(wǎng)構成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術的發(fā)展方向。伴隨著計算機網(wǎng)絡的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制網(wǎng)絡和國際通用網(wǎng)絡的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領域發(fā)揮越來越大的作用。1.3課題研究的主要內容1.3.1實驗平臺簡介KNT-PHT3三自由度運動控制系統(tǒng)實訓裝置可以模擬數(shù)控車床銑床的加工過程，其三自由度十字滑臺如圖1.1所示。主要由控制工作臺在*、Z軸二個方向上運動的二個滾珠絲杠副和控制刀具安裝夾具在垂直方向（即*軸）上下運動的滾珠絲杠副、刀具旋轉的主軸驅動設備等器件構成。圖1.1三自由度十字滑臺（1）工作臺：主要功能是用來固定工件或夾具等，工作臺上面的T型為工件的拆裝提供了便利。（2）滾珠絲杠副：是運動執(zhí)行機構，通過絲桿的正、反轉動帶動裝在直線導軌副上的螺母塊左右運動，以滾直線導軌副為導向支承的方式構成，具有活動靈活、運動平穩(wěn)、精度高、摩擦系數(shù)小、結構緊湊等特點，如圖1.2所示。圖1.2滾珠絲杠副（3）主要技術指標如下：橫向行程：250（mm）、縱向行程：250（mm）1.3.2課題研究的主要內容（1）了解三維十字滑臺機械運動執(zhí)行機構的組成，工件加工路徑的控制要求。（2）能按照工件實際需要的加工路徑進行高精度的切削加工；（3）設計雕刻機電氣控制系統(tǒng)（硬件電路及控制程序）。2方案選擇2.1三軸驅動方案選擇雕刻機床的三軸驅動電機一般有步進電機，交流伺服電機，直流伺服電機和直線電機等。2.1.1直流驅動無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。無刷直流電機外形圖如圖2.1所示。圖2.1無刷直流電機外形圖電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。電動機的轉子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉子的極性，在電動機內裝有位置傳感器。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成，其功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調整轉速；提供保護和顯示等等。直流電機具有響應快速、較大的起動轉矩、從零轉速至額定轉速具備可提供額定轉矩的性能，但直流電機的優(yōu)點也正是它的缺點，因為直流電機要產(chǎn)生額定負載下恒定轉矩的性能，則電樞磁場與轉子磁場須恒維持90°，這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機轉動時會產(chǎn)生火花、碳粉因此除了會造成組件損壞之外，使用場合也受到限制。交流電機沒有碳刷及整流子，免維護、堅固、應用廣，但特性上若要達到相當于直流電機的性能須用復雜控制技術才能達到?，F(xiàn)今半導體發(fā)展迅速功率組件切換頻率加快許多，提升驅動電機的性能。微處理機速度亦越來越快，可實現(xiàn)將交流電機控制置于一旋轉的兩軸直角坐標系統(tǒng)中，適當控制交流電機在兩軸電流分量，達到類似直流電機控制并有與直流電機相當?shù)男阅堋?.1.2交流伺服驅動（1）伺服驅動伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度。20世紀80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術和交流可變速驅動技術的發(fā)展，永磁交流伺服驅動技術有了突出的發(fā)展，各國著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動機和伺服驅動器系列產(chǎn)品并不斷完善和更新。交流伺服系統(tǒng)已成為當代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機。90年代以后，世界各國已經(jīng)商品化了的交流伺服系統(tǒng)是采用全數(shù)字控制的正弦波電動機伺服驅動。交流伺服驅動裝置在傳動領域的發(fā)展日新月異。永磁交流伺服電動機同直流伺服電動機比較，主要優(yōu)點有：⑴無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養(yǎng)要求低；⑵定子繞組散熱比較方便；⑶慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性；⑷適應于高速大力矩工作狀態(tài)；⑸同功率下有較小的體積和重量。（2）變頻器變頻器是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內部IGBT的開斷來調整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應用。2.1.3步進驅動步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。其內部結構如圖2.2所示。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。圖2.2步進電機結構圖步進電機的優(yōu)點為：①步距值不受各種干擾因素的影響。②誤差不長期積累。③控制性能好，啟動、停車、翻轉都是在少數(shù)脈沖內完成。然而步進電機存在以下缺點：①輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降②啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉的現(xiàn)象，停止時轉速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象。③步進電機從靜止加速到工作轉速。2.2控制器的選擇目前采用傳統(tǒng)的繼電器控制的普通車床在中小型企業(yè)中仍然大量使用。然而繼電器系統(tǒng)接線復雜，故障診斷與排除都比較困難，并且存在以下幾點缺點：①觸點容易被電弧燒壞而導致接觸不良；②機械方式控制下的觸點控制反應比較慢；③繼電器的控制功能被固定在線路中，功能較單一，靈活性差，造成生產(chǎn)效率低，效益低下。采用變頻技術和單片機原理，實現(xiàn)對數(shù)控車床主軸和進給系統(tǒng)的自動控制，可以有效的節(jié)約電能、提高設備自動化、產(chǎn)品產(chǎn)量和質量，提高可觀的經(jīng)濟效益。單片機已經(jīng)廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè)控制自動化系統(tǒng)中，掌握單片機技術是從事工業(yè)控制的重要技能。單片機的片內資源豐富，成本便宜，但與PLC相比，其抗干擾性能方面較差。（1）單片機控制控制器是CPU的神經(jīng)中樞，它包括定時控制邏輯電路、指令寄存器（register）、譯碼器、地址指針DPTR及程序計數(shù)器PC（Programcounter）、堆棧指針SP（stackpointer）等。這里程序計數(shù)器PC是由16位（8+8）寄存器構成的計數(shù)器。要單片機執(zhí)行一個程序，就必須把該程序按順序預先裝入存儲器ROM的*個區(qū)域。單片機動作時應按順序一條條取出指令來加以執(zhí)行。因此，必須有一個電路能找出指令所在的單元地址，該電路就是程序計數(shù)器PC。當單片機開始執(zhí)行程序時，給PC裝入第一條指令所在地址，它每取出一條指令（如為多字節(jié)指令，則每取出一個指令字節(jié)），PC的內容就自動加1，以指向下一條指令的地址，使指令能順序執(zhí)行。只有當程序遇到轉移指令、子程序調用指令，或遇到中斷時（后面將介紹），PC才轉到所需要的地方去。8051CPU指定的地址，從ROM相應單元中取出指令字節(jié)放在指令寄存器中寄存，然后，指令寄存器中的指令代碼被譯碼器譯成各種形式的控制信號，這些信號與單片機時鐘振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖在定時與控制電路中相結合，形成按一定時間節(jié)拍變化的電平和時鐘，即所謂控制信息，在CPU內部協(xié)調寄存器之間的數(shù)據(jù)傳輸、運算等操作。（2）PLC控制PLC是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎上引入了微電子技術、計算機技術、自動控制技術和通訊技術而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，目的是用來取代繼電器、執(zhí)行邏輯、記時、計數(shù)等順序控制功能，建立柔性的程控系統(tǒng)。具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。PLC內部工作方式一般是采用循環(huán)掃描工作方式，在一些大、中型的PLC中增加了中斷工作方式。當用戶將用戶程序調試完成后，通過編程器將其程序寫入PLC存儲器中，同時將現(xiàn)場的輸入信號和被控制的執(zhí)行元件相應的連接在輸入模塊的輸入端和輸出模塊的輸出端，接著將PLC工作方式選擇為運行工作方式，后面的工作就由PLC根據(jù)用戶程序去完成?？删幊炭刂破鳎≒LC）具有以下優(yōu)點：①通用性和適應性強；②完善的故障自診能力而且維修方便；③可靠性高與柔韌性強，而且小型PLC的價格目前也很便宜。國外發(fā)達國家應用PLC控制機床的技術已相當成熟，（3）單片機與PLC比較單片控制板同PLC的區(qū)別在于，PLC主要專注于邏輯關系，是一種繼電器邏輯，一般電工比較容易理解上手。而單片機控制器對于學習使用者來說相對門檻要求就高了一些。不僅要熟悉了解單片機本身內部資源，將其內部資源按功能定義好，還需要了解其單片機外圍電路的特性，這樣才能編寫出好的有質量的工業(yè)控制動作流程的程序出來。因此，在國內相對流傳得比較少了。而對于PLC的使用者來說就不需要則高的門檻了，對于硬件、系統(tǒng)定義之類煩瑣的處理已經(jīng)有了現(xiàn)成的處理，要實現(xiàn)工業(yè)控制的動作流程只要專注于軟件上的邏輯控制的編寫。相對大大降低了使用門檻。目前國外對這種的控制器使用相對較國內多得多。隨著電腦的普及，C語言編程人員越來越普及化，相信這種C語言編程的PLC會是一種流行的趨勢的！2.3限位開關限位開關就是用以限定機械設備的運動極限位置的電氣開關。限位開關有接觸式的和非接觸式的。接觸式的比較直觀，機械設備的運動部件上，安裝上行程開關，與其相對運動的固定點上安裝極限位置的擋塊，或者是相反安裝位置。當行程開關的機械觸頭碰上擋塊時，切斷了（或改變了）控制電路，機械就停止運行或改變運行。由于機械的慣性運動，這種行程開關有一定的“超行程”以保護開關不受損壞。非接觸式的形式很多，常見的有干簧管、光電式、感應式等，這幾種形式在電梯中都能夠見到。典型的限位開關如下圖所示。圖2.3限位開關限位開關是一種常用的小電流主令電器。利用生產(chǎn)機械運動部件的碰撞使其觸頭動作來實現(xiàn)接通或分斷控制電路，達到一定的控制目的。通常，這類開關被用來限制機械運動的位置或行程，使運動機械按一定位置或行程自動停止、反向運動、變速運動或自動往返運動等。在電氣控制系統(tǒng)中，限位開關的作用是實現(xiàn)順序控制、定位控制和位置狀態(tài)的檢測。用于控制機械設備的行程及限位保護。構造：由操作頭、觸點系統(tǒng)和外殼組成。在實際生產(chǎn)中，將限位開關安裝在預先安排的位置，當裝于生產(chǎn)機械運動部件上的模塊撞擊行程開關時，限位開關的觸點動作，實現(xiàn)電路的切換。因此，行程開關是一種根據(jù)運動部件的行程位置而切換電路的電器，它的作用原理與按鈕類似。限位開關廣泛用于各類機床和起重機械，用以控制其行程、進行終端限位保護。在電梯的控制電路中，還利用行程開關來控制開關轎門的速度、自動開關門的限位，轎廂的上、下限位保護。限位開關可以安裝在相對靜止的物體（如固定架、門框等，簡稱靜物）上或者運動的物體（如行車、門等，簡稱動物）上。當動物接近靜物時，開關的連桿驅動開關的接點引起閉合的接點分斷或者斷開的接點閉合。由開關接點開、合狀態(tài)的改變去控制電路和機構的動作。⑴活塞型根據(jù)密封方法不同，有表中的A型和B型2個種類。A型是用O型環(huán)或薄膜密封的，由于密封橡膠沒有外露，在抵制工作機械的切割碎屑方面功能較強大，但其反面影響是，有可能會將砂子、切割粉末等壓入活塞的滑動面。B型雖然不會把砂子、切割粉末等壓入，且密封性能優(yōu)于A型，但由于熾熱的切割碎屑飛濺過來，有可能會損壞橡膠帽。⑵鉸鏈擺桿型在擺桿端部（滾珠），柱塞的行程量根據(jù)擺桿的比例擴大，因此，一般不使用OT吸收機構。⑶旋轉擺桿型3硬件電路設計3.1主電路設計3.1.1步進電機及步進驅動器基于PLC的步進電機控制系統(tǒng)如圖3.1所示，步進電機驅動部分如圖3.2所示。圖3.1基于PLC的步進電機控制系統(tǒng)圖3.2驅動電源方框圖*Y軸采用步進電機驅動，步進電機是一種將電脈沖信號轉換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件，每當對其施加一個電脈沖時，其輸出軸便轉過一個固定的角度。步進電機的輸出位移量與輸入脈沖個數(shù)成正比，其轉速與單位時間內輸入的脈沖數(shù)(即脈沖頻率)成正比，其轉向與脈沖分配到步進電機的各相繞組的相序有關。只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率及電機繞組通電的相序，便可控制步進電機的輸出位移量、速度和轉向。步進電機具有較好的控制性能,其啟動、停車、反轉及其它任何運行方式的改變，都在少數(shù)脈沖內完成，且可獲得較高的控制精度，因而得到了廣泛應用。步進電機的PLC直接控制方式可以大大減少系統(tǒng)設計的工作量，不存在各部分接口信號的匹配問題，提高了系統(tǒng)的可靠性。3.1.2主軸及變頻驅動（1）交流伺服電機伺服電機（servomotor）是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉現(xiàn)象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。（2）變頻器交流變頻調速日益完善，調速方便簡單成為電機調速主流。三菱變頻器以其高性能，適中的價格應和了中國工控行業(yè)的需要，在國內得到了廣泛的應用。節(jié)能的需要為三菱變頻器的應用帶來了巨大的契機，三菱變頻驅動產(chǎn)品在中國得到了更大的發(fā)展。三菱變頻器主要有以下幾個系列：MicroMaster430是全新一代標準變頻器中的風機和泵類變轉矩負載專家。功率*圍7.5kW至250kW。它按照專用要求設計，并使用內部功能互聯(lián)（BiCo）技術，具有高度可靠性和靈活性。控制軟件可以實現(xiàn)專用功能：多泵切換、手動/自動切換、旁路功能、斷帶及缺水檢測、節(jié)能運行方式等。

MicroMaster420是全新一代模塊化設計的多功能標準變頻器。它友好的用戶界面，讓你的安裝、操作和控制象玩游戲一樣靈活方便。全新的IGBT技術、強大的通訊能力、精確的控制性能、和高可靠性都讓控制變成一種樂趣。MicroMaster440是全新一代可以廣泛應用的多功能標準變頻器。它采用高性能的矢量控制技術，提供低速高轉矩輸出和良好的動態(tài)特性，同時具備超強的過載能力，以滿足廣泛的應用場合。創(chuàng)新的BiCo（內部功能互聯(lián)）功能有無可比擬的靈活性。在本次方案中采用三菱公司MicroMaster420控制主軸轉速，其簡單靈活，模塊化設計。外形如圖3.3所示。圖3.3三菱公司MicroMaster420MICROMASTER420特點：設計緊湊：電抗器和濾波器等基本部件可對緊湊型解決方案加以補充功能多樣：可方便地針對多種用途進行調試具有通信功能：各種通訊接口可確保能夠用于最常見的網(wǎng)絡應用MICROMASTER420技術數(shù)據(jù)如表3.1所示。表3.1技術數(shù)據(jù)電壓和功率*圍200-240V，±10%，單相交流，0.12-3kW(0.16-4HP)200-240V，±10%，三相交流，0.12-5.5kW(0.16-7.5HP)380-480V，±10%，三相交流，0.37-11kW(0.5-15HP)控制類型FCC（磁通電流控制），多點特性（可參數(shù)化的V/f特性），V/f特性MICROMASTER420典型用途：輸送機系統(tǒng)、物料輸送、泵、風機、機械工程。3.2控制電路設計3.2.1控制要求（1）手動操作按工作臺*軸方向的+*運動控制按鈕，工作臺向左運動，按工作臺*軸方向的-*運動控制按鈕，工作臺向右運動，按停止按鈕工作臺停止運動；按工作臺Z軸方向的+Z運動控制按鈕，工作臺向前運動，按工作臺Z軸方向的-Z運動控制按鈕，工作臺向后運動，按停止按鈕工作臺停止運動；按Y軸軸方向的+Y運動控制按鈕，刀具向上運動，按工作臺Y軸方向的-Y運動控制按鈕，刀具向下運動，按停止按鈕刀具停止運動。（2）自動運行起始位置工作臺停在原點位置，起動運行后工作臺在*軸方向向右運動、工作臺在Y軸方向向前運動、工作臺在Z軸方向向上運動；工作臺移動到位后，接到設在*軸側、Y軸側、Z軸側三個限位傳感器的命令后，工作臺在*軸方向向左運動、工作臺在Y軸方向向后運動、工作臺在Z軸方向向下運動；工作臺移動到位后，接到設在*軸另外一側、Y軸另外一側、Z軸另外一側三個限位傳感器的命令后，工作臺在*軸方向又向右運動、工作臺在Y軸方向又向前運動、工作臺在Z軸方向又向上運動；如此反復循環(huán)，按停止按鈕后，如果工作臺還在運動過程中，只有執(zhí)行完這個循環(huán)過程后，工作臺回到原點后停止運行。（3）控制點要求輸入點：*軸控制：限位（2個）、軸選（1個）、軸參考點（1個）；Y軸控制：限位（2個）、軸選（1個）、軸參考點（1個）；Z軸控制：限位（2個）、軸選（1個）、軸參考點（1個）；其他控制：啟動（1個）、停止（1個）、手動/自動（1個）；主軸：正反轉（2個）、急停（1個）、復位（1個）、軸方向（2個）、速度（2個）；總計：23個輸入點。輸出點：*軸控制：脈沖（1個）、方向（1個）、使能（1個）、選燈（1個）；Y軸控制：脈沖（1個）、方向（1個）、使能（1個）、選燈（1個）；Z軸控制：選燈（1個）；其他控制：主軸正反轉（2個）、指示燈（3個）、方向燈（2個）、主軸速度（1個）；總計：17個輸出點。3.2.2步進電機驅動器步進驅動器是一種能使步進電機運行的功率放大器，能把控制器發(fā)來的脈沖信號轉化為步進電機的功率信號，電機的轉速與脈沖頻率成正比，所以控制脈沖頻率就可以精確調速，控制脈沖數(shù)就可以精確定位。步進電機驅動器外部接線圖如圖3.4所示，型號為SWT-204M。圖3.4步進電機驅動器外部接線圖SWT-204M為高性能細分步進驅動器，它適合驅動中小型的任何3.5A相電流以下的兩相或四相混合式步進電機。由于采用新型的雙極性恒流斬波驅動技術，使用同樣的電機時可以比其他驅動方式輸出更大的速度和功率。其細分功能使步進電機運轉精度提高，震動減少，噪聲減少。（1）外部端子功能外部端子功能如表3.2、3.3所示。表3.2步進電機驅動器弱電接線功能表端子信號功能PUL+(+5V)PUL-(PUL)脈沖信號單脈沖控制方式時為脈沖控制信號，此時脈沖上升沿有效；雙脈沖控制時為正轉脈沖信號，脈沖上升沿有效。脈沖的低電平時間應大于3us。DIR+(+5V)DIR-(DIR)方向信號單脈沖控制時為高/低電平信號，雙脈沖控制時為反轉脈沖信號。脈沖上升沿有效。ENA+(+5V)ENA-(ENA)使能信號此輸入信號用于使能/禁止，高電平使能，低電平時驅動器不能工作。表3.3步進電機驅動器強電接線功能表A+A相頭輸出電機A組，A+、A-互調，可更換一次電機運轉方向。A-A相尾輸出B+B相頭輸出電機B組，B+、B-互調，可更換一次電機運轉方向。B-B相尾輸出AC1電源輸入額定電壓AC（12～30V），60W額定電壓DC（15～40V），60WAC2POWER電源指示電源正常時發(fā)光管亮（綠色）（2）細分和電流設定SWT-204M采用八位撥碼開關設定細分精度，動態(tài)電流和半流/全流。動態(tài)電流：SW1SW2SW3半流/全流：SW4細分精度：SW5SW6SW7SW8①動態(tài)電流設定由SW1、SW2、SW3三位撥碼開關共可設定8個電流級別，如表3.2所示。表3.2動態(tài)電流設定表Io（A）SW1SW2SW31.30001.61001.90102.21102.50012.91013.20113.5111②靜態(tài)電流設定:靜態(tài)電流設定由第四位開關SW4設定，OFF表示靜態(tài)電流設為動態(tài)電流的一半，ON表示靜態(tài)電流與動態(tài)電流相同。③細分設定：細分設定由SW5、SW6、SW7、SW8四個位設定，如表3.3所示。表3.3細分設定表Pulse/revSW5SW6SW7SW821000401008110016001032101064011012811105000110100120010125110140001150101110001111251111本系統(tǒng)中，*、Y軸步進電機驅動器的細分進度為25，即每個脈沖使步進電機移動1.8/25為0.072度；Z軸步進驅動器的細分精度為100，即每個脈沖使步進電機移動1.8/100為0.018度。（3）*、Y軸步進驅動器的撥碼開關設置1，2，5，6，8狀態(tài)為ON，其他為OFF，所以其動態(tài)電流級別為2.2，靜態(tài)電流為動態(tài)電流的一半，細分精度為25。（4）Z軸步進驅動器的撥碼開關設置1，2，6，7，8狀態(tài)為ON，其他為OFF，所以其動態(tài)電流級別為2.2，靜態(tài)電流為動態(tài)電流的一半，細分精度為100。系統(tǒng)中用到的電機為標準兩相電機，電機旋轉50圈，轉過250mm，由此可見電機每圈轉5mm。所以在*和Y軸步進電機中，每個脈沖使電機旋轉5/360*0.072=0.001mm，而Z軸步進電機中，每個脈沖使電機旋轉5/360*0.018=0.00025mm。3.2.3PLC選型（1）可編程序控制器（PC）主機PLC主機面板圖如圖3.4所示，選用CPU226。圖3.4PLC主機面板圖其中：①輸出接線端；②輸出端口狀態(tài)指示；③輸入接線端；④輸入端口狀態(tài)指示；⑤主機狀態(tài)指示及可選卡插槽（可選卡插槽有：EEPROM卡，時鐘卡，電池卡）；⑥模式選擇開關（運行、停止）、模擬電位器、I/O擴展端口；⑦通訊口1；⑧通訊口0；有三個指示燈SF/DIAG：系統(tǒng)錯誤，當出現(xiàn)錯誤時點亮（紅色）；RUN ：運行，綠色，連續(xù)點亮；STOP:停止，橙色，連續(xù)點亮；（2）I/o擴展EM223（3）定位模塊EM253位控模塊使用簡單，是速度與精度的完美協(xié)調。系列號類別產(chǎn)品圖片描述選型型號EM253位置定位控制的模塊。用于位置定位控制的模塊。其輸出信號Q用作位控功能的邏輯控制信號，不能直接直接驅動現(xiàn)場任何執(zhí)行控制器件。6ES7253-1AA22-0*A0控制精確EM253的控制*圍從微型步進電機到智能伺服驅動器；運行快速而不受約束；集成的脈沖接口能夠產(chǎn)生200KHz的脈沖信號，指定位置，速度和方向；集成的定位開關輸入能夠脫離中央處理單元獨立地完成位控任務；適應性強5V直流脈沖或RS422輸入接口；低震蕩；可以選擇的“jerk”/S-curve功能可以減小在啟動，停止和改變速度時產(chǎn)生的震蕩和后座；控制靈活，功能強大通過用戶程序可配置和選擇25個profile，每個profile可以有多達四個速度改變；絕對、相對和手動的定位；可以將距離和位置的單位設置為毫米，英寸，度或者脈沖數(shù)，可以選擇4種不同的參考點搜索模式；簡便的軟件配置圖形化的、集成于STEP

7-Micro/WIN,V

3.2(及以上版本)的向導具有以下功能；參數(shù)化（基本參數(shù)的設定）；創(chuàng)建定位profile；確定參考點搜索模式；集成于Micro/Win中的操作簡便的EM253控制面板支持參數(shù)的在線修改和參數(shù)化功能。3.2.4I/O配置及PLC外部接線圖PLC系統(tǒng)編程主要軟元件配置見下表3.4。表3.4IO地址輸入輸出序號地址備注序號地址備注1I0.0啟動14I1.6Z軸正限位2I0.1停止15I1.7Z軸負限位3I0.2手動。自動16I2.0輸入主軸正轉4I0.3*軸選17I2.1輸出主軸反轉5I0.4Y軸選18I2.2復位6I0.5Z軸選19I2.3軸正方向7I0.6急停20I2.4軸負方向8I0.7*軸參考點21I2.5速度選擇19I1.0*軸正限位22I2.6速度選擇210I1.1*軸負限位23Q0.0*軸脈沖11I1.2Y軸參考點24Q0.1Y軸脈沖12I1.3Y軸正限位25Q0.2*軸方向13I1.4Y軸負限位26Q0.3Y軸方向14I1.5Z軸參考點27Q0.4*軸使能28Q0.5Y軸使能34Q1.3Y軸選燈29Q0.6主軸正轉35Q1.4Z軸選燈30Q0.7主軸反轉36Q1.5復位指示燈31Q1.0啟動指示燈37Q1.6軸正方向燈32Q1.1停止指示燈38Q1.7軸負方向燈33Q1.2*軸選燈39Q2.0主軸速度1PLC外部接線圖見附圖。4軟件設計系統(tǒng)控制流程如圖4.1所示。圖4.1控制程序流程圖在程序設計之前首先要先繪制程序框圖即流程圖，繪制流程圖的過程就是確定程序結構的一個過程。流程圖是可以直觀地描述一個具體的工作過程。流程圖是使用一些標準符號代表*些類型的動作，如具體活動用方框表示，決策用菱形框表示。但比這些符號規(guī)定更重要的，是必須清楚地描述工作過程的順序。流程圖也可用于設計改進工作過程，首先可以畫出事情應該怎么做，再將其與實際情況進行比較。流程圖是能夠為后續(xù)的工作做一個準備以及并且對如何改進程序有幫助。4.1PTO/POS配置STEP7編程軟件用于SIMATICS7、M7、C7和基于PC的WINAC，是供用戶編程、監(jiān)控和參數(shù)設置的標準工具。STEP7具有以下功能：硬件配置和參數(shù)設置、通信組態(tài)、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷功能等。在STEP7中，用項目來管理一個自動化系統(tǒng)的硬件和軟件。STEP7用SIMATIC管理器對項目進行集中管理，它可以方便地瀏覽SIMATICS7、M7、C7和WINAC的數(shù)據(jù)。實現(xiàn)STEP7各種功能所需的SIMATIC軟件工具都集成在STEP7中。4.1.1PTO配置（1）指定一個脈沖發(fā)生器S7-200PLC有兩個脈沖發(fā)生器，分別指定給數(shù)字輸出點Q0.0、Q0.1。（2）編輯現(xiàn)有PTO或PWM配置（3）選擇PTO或PWM，并選擇時間基準（4）指定電機速度（5）設置加速和減速時間（6）定義每個已配置的輪廓選定要配置的每個輪廓會被指定一個符號名。在此定義的符號名是您在PTO*_RUN子程序中輸入的參數(shù)。（7）設定輪廓數(shù)據(jù)的起始V內存地址（8）生成項目代碼位置控制向導（EM253位控模塊配置）步驟1指定需要編輯的EM253配置步驟3選擇一個測量系統(tǒng)高級選項標記步驟4配置模塊輸入應答步驟5指定電機速度步驟6設置JOG參數(shù)（用于手動調試）步驟7設置加速和減速時間步驟8設置急停時間參數(shù)步驟9配置參考點（RP）步驟10配置參考點（RP）查找高級選項標記步驟11配置參考點（RP）搜索順序步驟12配置位置輪廓第13步定義每個已配置的輪廓您選定要配置的每個輪廓會被指定一個符號名。在此定義的符號名是您在POS*_RUN子程序中輸入的參數(shù)。步驟14為輪廓數(shù)據(jù)設置起始V內存地址步驟15生成項目代碼4.1.2PTO/PWM組件PTO配置中可能存在下列項目組件。在下面的組件名中，"0"代表Q0.0,"1"代表Q0.1,此外，向導通過附加字符"-Z"確保這些組件名在用戶項目中是唯一的，在此Z是一個基于零的指標。Z將不斷遞增，直至生成唯一的名稱。請點擊組件名，取得詳細說明。（1）PTO*_CTRL（初始化和控制PTO操作）應在每次程序掃描時（于EN輸入處）啟用，并且由子程序調用而在您的程序中只執(zhí)行一次。（2）PTO*_RUN（運行PTO輪廓）用于執(zhí)行特定運動輪廓。當用戶定義了一個或多個運動輪廓后，此子程序將為PTO向導配置生成。（3）PTO*_M