大尺寸多工步自動推料進給裝置及控制數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設計.doc

大尺寸多工步自動推料進給裝置及控制數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設計第1頁共38頁第一章緒論11PLC在組合機床控制中的應用一.可編程控制器的定義可編程控制器，簡稱PLC（ProgrammablelogicController）,是指以計算機技術(shù)為基礎的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會（InternationalElectricalCommittee）頒布的PLC標準草案中對PLC做了如下定義：“PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。二.PLC的特點1可靠性高，抗干擾能力強高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。2配套齊全，功能完善，適用性強PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。3易學易用，深受工程技術(shù)人員歡迎PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。4系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。5體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。三.在組合機床自動線中，一般根據(jù)不同的加工精度要求設置三種滑臺目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。1開關量的邏輯控制大尺寸多工步自動推料進給裝置及控制數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設計第2頁共38頁這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。2模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過程當中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。3運動控制PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構(gòu)配置來說，早期直接用于開關量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。4過程控制過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。5數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代PLC具有數(shù)學運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?。?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。6通信及聯(lián)網(wǎng)PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。7PLC控制的數(shù)控滑臺結(jié)構(gòu)一般組合機床自動線中的數(shù)控滑臺采用步進電機驅(qū)動的開環(huán)伺服機構(gòu)。采用PLC控制的數(shù)控滑臺由可編程控制器、環(huán)行脈沖分配器、步進電機驅(qū)動器、步進電機和伺服傳動機構(gòu)等部分組成，伺服傳動機構(gòu)中的齒輪Z1、Z2應該采取消隙措施，避免產(chǎn)生反向死區(qū)或使加工精度下降；而絲杠傳動副則應該根據(jù)該單元的加工精度要求，確定是否選用滾珠絲杠副。采用滾珠絲杠副，具有傳動效率高、系統(tǒng)剛度好、傳動精度高、使用壽命長的優(yōu)點，但成本較高且不能自鎖。8控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)軟件結(jié)構(gòu)根據(jù)控制要求而設計，主要劃分為五大模塊：即步進電機控制模塊、定位控制模塊、數(shù)據(jù)撥盤輸入及數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)碼輸出顯示模塊、元件故障的自動檢測與報警模塊。由于整個軟件結(jié)構(gòu)較為龐大，脈沖控制器產(chǎn)生0.1秒的控制脈沖，使移位寄存器移位，提供六拍時序脈沖，通過三相六拍環(huán)形分配器使三個輸出繼電器Y430、Y431、Y432按照單雙六拍的通電方式控制步進電機。為實現(xiàn)定位控制，采用不同的計數(shù)器分別控制粗定位行程和精定位行程，計數(shù)器的設定值依據(jù)行程而定。例如，設刀具或工作臺欲從A點移至C大尺寸多工步自動推料進給裝置及控制數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設計第3頁共38頁點，已知AC200mm，把AC劃分為AB與BC兩段，AB196mm，BC4mm，AB段為粗定位行程，采用0.1mm/步的脈沖當量快速移動，利用了6位計數(shù)器（C660/C661），而BC段為精定位行程，采用0.01mm/步的脈沖當量精確定位，利用了3位計數(shù)器C460，在粗定位結(jié)束進入精定位的同時，PLC自動接通電磁離合器輸出點Y433以實現(xiàn)變速機構(gòu)的更換。9PLC控制系統(tǒng)的接地方法（1）由于PLC機柜和操作臺、配電柜等用電設備的金屬外殼及控制設備正常不帶電的金屬部分，由于各種原因（如腐蝕、絕緣破損等）而有可能帶危險電壓，所以應該進行保護接地，低于36V供電的設備，無特殊要求可不做接地保護。（2）PLC控制系統(tǒng)中的基準電位是各回路工作的參考電位，基準電位的連接線稱為系統(tǒng)地，通常是控制回路直流電源的零伏導線，系統(tǒng)接地的方式有浮地方式、直接接地方式和電容接地方式。（3）為防止靜電感應和磁場感應而設置的屏蔽接地端子應做屏蔽接地。其中信號回路接地和屏蔽接地又通稱為工作接地。一般以上接地方法的控制原則是：保護地和工作地不能混用，這是由于在每一段電源保護地線的兩點間會有數(shù)毫伏，甚至幾伏的電位差，這對低電平信號電路來說是一個非常嚴重的干擾。屏蔽地，當信號電路是單點接地時，低頻電纜的屏蔽層也應單點接地，如果電纜的屏蔽層接地點有一個以上時，將產(chǎn)生噪聲電流，形成噪聲干擾源。本系統(tǒng)采用的接地電阻都需要在規(guī)定的范圍內(nèi)，對于PLC組成的控制系統(tǒng)一般應小于4，而且要有足夠的機械強度，事前都需要進行防腐處理。PLC組成的控制系統(tǒng)進行單獨設置接地系統(tǒng)，也可以利用現(xiàn)場條件進行“等電位聯(lián)結(jié)”進行接地設計。10PLC控制梯形圖：梯形圖是通過連線把PLC指令的梯形圖符號連接在一起的連通圖，用以表達所使用的PLC指令及其前后順序，它與電氣原理圖很相似。它的連線有兩種：一為母線，另一為內(nèi)部橫豎線。內(nèi)部橫豎線把一個個梯形圖符號指令連成一個指令組，這個指令組一般總是從裝載（LD）指令開始，必要時再繼以若干個輸入指令（含LD指令），以建立邏輯條件。最后為輸出類指令，實現(xiàn)輸出控制，或為數(shù)據(jù)控制、流程控制、通訊處理、監(jiān)控工作等指令，以進行相應的工作。母線是用來連接指令組的。下圖是三菱公司的FX2N系列產(chǎn)品的最簡單的梯形圖例：它有兩組，第一組用以實現(xiàn)啟動、停止控制。第二組僅一個END指令，用以結(jié)束程序。11梯形圖與助記符的對應關系：助記符指令與梯形圖指令有嚴格的對應關系，而梯形圖的連線又可把指令的順序予以體現(xiàn)。一般講，其順序為：先輸入，后輸出（含其他處理）；先上，后下；先左，后右。有了梯形圖就可將其翻譯成助記符程序。上圖的助記符程序為：地址指令變量0000LDX0000001ORX0100002ANDNOTX0010003OUTY0000004END反之根據(jù)助記符，也可畫出與其對應的梯形圖。12梯形圖與電氣原理圖的關系：如果僅考慮邏輯控制，梯形圖與電氣原理圖也可建立起一定的對應關系。如梯形圖的輸大尺寸多工步自動推料進給裝置及控制數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設計第4頁共38頁出（OUT）指令，對應于繼電器的線圈，而輸入指令（如LD，AND，OR）對應于接點，互鎖指令（IL、ILC）可看成總開關，等等。這樣，原有的繼電控制邏輯，經(jīng)轉(zhuǎn)換即可變成梯形圖，再進一步轉(zhuǎn)換，即可變成語句表程序。有了這個對應關系，用PLC程序代表繼電邏輯是很容易的。這也是PLC技術(shù)對傳統(tǒng)繼電控制技術(shù)的繼承。四、數(shù)控滑臺的PLC控制方法數(shù)控滑臺的控制因素主要有三個：1行程控制一般液壓滑臺和機械滑臺的行程控制是利用位置或壓力傳感器（行程開關/死擋鐵）來實現(xiàn)；而數(shù)控滑臺的行程則采用數(shù)字控制來實現(xiàn)。由數(shù)控滑臺的結(jié)構(gòu)可知，滑臺的行程正比于步進電機的總轉(zhuǎn)角，因此只要控制步進電機的總轉(zhuǎn)角即可。由步進電機的工作原理和特性可知步進電機的總轉(zhuǎn)角正比于所輸入的控制脈沖個數(shù)；因此可以根據(jù)伺服機構(gòu)的位移量確定PLC輸出的脈沖個數(shù)：n=DL/d（1）式中DL伺服機構(gòu)的位移量（mm）d伺服機構(gòu)的脈沖當量（mm/脈沖）2進給速度控制伺服機構(gòu)的進給速度取決于步進電機的轉(zhuǎn)速，而步進電機的轉(zhuǎn)速取決于輸入的脈沖頻率；因此可以根據(jù)該工序要求的進給速度,確定其PLC輸出的脈沖頻率:f=Vf/60d(Hz)(2)式中Vf伺服機構(gòu)的進給速度(mm/min)3進給方向控制進給方向控制即步進電機的轉(zhuǎn)向控制。步進電機的轉(zhuǎn)向可以通過改變步進電機各繞組的通電順序來改變其轉(zhuǎn)向；如三相步進電機通電順序為A-AB-B-BC-C-CA-A時步進電機正轉(zhuǎn)；當繞組按A-AC-C-CB-B-BA-A順序通電時步進電機反轉(zhuǎn)。因此可以通過PLC輸出的方向控制信號改變硬件環(huán)行分配器的輸出順序來實現(xiàn)，或經(jīng)編程改變輸出脈沖的順序來改變步進電機繞組的通電順序?qū)崿F(xiàn)。五.PLC的國內(nèi)外狀況世界上公認的第一臺PLC是1969年美國數(shù)字設備公司（DEC）研制的。限于當時的元器件條件及計算機發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數(shù)功能。20世紀70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運算及處理的計算機存儲元件都以繼電器命名。此時的PLC為微機技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。20世紀70年代中末期，可編程控制器進入實用化發(fā)展階段，計算機技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應用。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個階段的另一個特點是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。20世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機和超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)大尺寸多工步自動推料進給裝置及控制數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設計第5頁共38頁了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領域的應用都得到了長足的發(fā)展。我國可編程控制器的引進、應用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設備及產(chǎn)品中不斷擴大了PLC的應用。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產(chǎn)的CF系列、杭州機床電器廠生產(chǎn)的DKK及D系列、大連組合機床研究所生產(chǎn)的S系列、蘇州電子計算機廠生產(chǎn)的YZ系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應用。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的PLC生產(chǎn)廠家?？梢灶A期，隨著我國現(xiàn)代化進程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應用天地。六.PLC未來展望21世紀，PLC會有更大的發(fā)展。從技術(shù)上看，計算機技術(shù)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(gòu)成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術(shù)的發(fā)展方向。目前的計算機集散控制系統(tǒng)DCS（DistributedControlSystem）中已有大量的可編程控制器應用。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。12課題的主要任務1、硬件的設計利用步進電動機帶動絲桿轉(zhuǎn)動，利用絲桿的轉(zhuǎn)動帶動工作臺的前進。對進給裝置電氣傳動系統(tǒng)的關鍵部件進行設計計算，同時也要對進給裝置傳動裝置的關鍵部件進行設計計算。2、軟件的設計利用PLC來實現(xiàn)對電機的控制。針對不同的工件調(diào)用相應的程序來對電機的運行進行控制，實現(xiàn)多工步自動推料進給。大尺寸多工步自動推料進給裝置及控制數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設計第6頁共38頁第二章設備的測試與轉(zhuǎn)接板的制作21設備的測試1、設備改造分析原設備為PMAC設備，現(xiàn)在用的是其中的電機驅(qū)動電路和限位關系，因此必須了解其中的MYCOM步進電機的驅(qū)動關系和限位原點定義。MYCOM步進電機的驅(qū)動器說明：CP11端子：1-5V2-PLUS（脈沖輸入）3-5V4-DIR（方向輸入）CP12端子：1-電機A向2-電機A/向3-電機B向4-電機B/向CP13端子：1-24V2-24V3-GND4-GND要實現(xiàn)多工步自動推料進給，只要電機要按照規(guī)定的方式轉(zhuǎn)動即可，故只需控制脈沖和方向。