X-Y工作臺伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

1、湖南工程學(xué)院湖南工程學(xué)院課程設(shè)計X-Y工作臺伺服控制系統(tǒng)設(shè)計年 級: 機(jī)械電子0901 學(xué) 號: 38 姓 名: 蔣 博 專 業(yè): 機(jī)械電子 指導(dǎo)老師:譚季秋 吳晨曦 二零一二年六月課程設(shè)計任務(wù)書 設(shè)計題目：XY 工作臺伺服控制系統(tǒng)設(shè)計姓名蔣博系別機(jī)械學(xué)院專業(yè)機(jī)械電子班級 0901學(xué)號38指導(dǎo)老師譚季秋、吳晨曦 教研室主任陳小異一、基本任務(wù)及要求1設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個步進(jìn)開環(huán)伺服系統(tǒng)，其控制對象為機(jī)床的XY工作臺。設(shè)計參數(shù)：1）脈沖當(dāng)量為0.01mm/step； 2)鍵控命令輸入；3）運動范圍：X: 0100mm Y:0100mm ；V:01m/min ；a:00.1m/s2 F=1000N：4）

2、顯示當(dāng)前運動位置、越界報警、并停止運動。（1）XY工作臺機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計（A2圖紙）。 （2）步進(jìn)電機(jī)的計算與選擇。 （3）驅(qū)動電路的設(shè)計。 （4）系統(tǒng)控制軟件設(shè)計。如啟停、調(diào)速、報警等。2要求（1）設(shè)計總體方案，畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；（2）設(shè)計伺服驅(qū)動（電路）系統(tǒng)，編寫系統(tǒng)控制軟件，并進(jìn)行部分調(diào)試； （3）撰寫設(shè)計說明書（56千字），并附程序清單及其功能注釋。二、進(jìn)度安排及完成時間1設(shè)計時間 二周（從2012年6月 10日至2012年6月 23 日）2進(jìn)度安排：第1周 布置設(shè)計任務(wù)；查閱資料； 設(shè)計機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。第2周 設(shè)計硬件電路；編寫各功能子程序并調(diào)試。整理資料；按格式撰寫設(shè)計說明書；上交設(shè)計作業(yè)

3、（打印稿及電子文檔）；并參加答辯。注：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計23人；硬件電路設(shè)計23人。軟件設(shè)計目 錄第1章 緒論1.1.1 引言11.4 課題研究目的11.3 課題展望.1.2 研發(fā)背景及意義第2章 確定課題設(shè)計方案.2.4 XY工作臺的傳動方式2.2伺服系統(tǒng)的選擇.2.3算機(jī)系統(tǒng)的選擇2.1系統(tǒng)運動方式的確定第3章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計.3.1 工作臺外形尺寸及重量初步估算3.2 滾動導(dǎo)軌副的計算、選擇3.3 滾珠絲杠計算、選擇3.3.1 傳動效率計算3.3.2穩(wěn)定性驗算3.3.3 剛度驗算3.4 齒輪計算、設(shè)計3.5 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計算3.5.1等效轉(zhuǎn)動慣量的計算3.6 步進(jìn)電機(jī)的選用3.6.1步進(jìn)電

4、機(jī)啟動力矩的計算3.6.2步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率第4章 控制硬件系統(tǒng)設(shè)計.4.1 plc的選擇4.1.2 估計需要的plc規(guī)模4.1.3 輸入，輸出估算4.1.4 存儲容量的估算4.1. plc選型的注意事項4.2 Plc接口設(shè)計及連線圖第5章 軟件系統(tǒng)設(shè)計5.1系統(tǒng)控制軟件方案的確定5.1.1根據(jù)本課題的軟件控制方面的功能要求5.1.2方案的確定.5.2元器件選型.5.2.1限位開關(guān)選擇5.2.2 開關(guān)按鍵的選擇5.2.3 PLC型號選擇5.3 PLC輸入輸出分配表5.4元器件清單5.5 PLC電氣接線圖：5.6系統(tǒng)控制流程圖設(shè)計結(jié) 論參考文獻(xiàn)第1章 緒 論1.1 引言X-Y工作臺伺服系統(tǒng)設(shè)

5、計是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便而且能夠保證一定的精度，降低成本，是可編程控制器（PLC)技術(shù)的最簡單的應(yīng)用，它充分的利用了微機(jī)的軟件和硬件功能，以實現(xiàn)對機(jī)床、立體車庫等的控制，使機(jī)床的加工范圍擴(kuò)大。精度和可靠性進(jìn)一步得到提高，X-Y工作臺伺服系統(tǒng)設(shè)計是利三菱FX2N的PLC及其一系列繼電器、接觸器等組成，在控制系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)上編寫一定的程序以實現(xiàn)一定的加工功能。其驅(qū)動電機(jī)為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。它是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)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的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢?/p>

6、通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。本設(shè)計的基本思想是根據(jù)工作要求，通過控制輸入脈沖的頻率和旋向來實現(xiàn)工作臺實際移動速度和運動方向與要求相一致從而實現(xiàn)正常工作的目的。1.2 研發(fā)背景及意義本設(shè)計結(jié)合機(jī)電一體化課程教學(xué)環(huán)節(jié)需要，設(shè)計用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的X-Y工作臺。通過論述X-Y工作臺機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計。設(shè)計和控制電路接口設(shè)計,闡述了機(jī)電一體化設(shè)計中的共性和關(guān)鍵技術(shù)。微型計算機(jī)控制機(jī)械傳動畢業(yè)設(shè)計是機(jī)電一體化專業(yè)的學(xué)生必須要經(jīng)歷的一個重要的實踐環(huán)節(jié)。通過本環(huán)節(jié)的鍛煉力爭能把以前所學(xué)的知識融會貫通，從而達(dá)到溫

7、故而知新的目的，提高解決實際工程課題的能力。根據(jù)教學(xué)要求，結(jié)合自己的資料掌握狀況，選擇基于PLC控制X-Y工作臺機(jī)械部分的設(shè)計作為課程設(shè)計課題。PLC控制X-Y工作臺是眾多控制機(jī)械傳動方法的一種，它利用單片機(jī)發(fā)出指令控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制X-Y工作臺兩方向的移動，實現(xiàn)畫線，移動物體等功能。PLC控制X-Y工作臺主要由三部分組成：工作臺及傳動支撐部分，減速裝置，控制部分及電機(jī)組成。加工工件固定在X-Y工作臺上。X、Y兩方向的運動各由一臺步進(jìn)電機(jī)控制。控制系統(tǒng)每發(fā)出一個信號，步進(jìn)電機(jī)就走一步，并通過中間傳動機(jī)構(gòu)帶動兩方向的絲杠旋轉(zhuǎn)，分別使得X、Y工作臺進(jìn)給。1.3 課題展望隨著現(xiàn)代工業(yè)

8、設(shè)備的自動化，越來越多的工廠設(shè)備采用PLC。因為此自動化程度越來越高。電路控制技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)工藝不斷提出新的要求而得到迅速發(fā)展的。在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中。為了提高勞動生產(chǎn)率，降低成本，減輕工人的勞動負(fù)擔(dān)。要求整個生產(chǎn)工藝全程自動化，這就離不開控制系統(tǒng)。未來展望，21世紀(jì)。PLC會有更大的發(fā)展，從技術(shù)上看，計算機(jī)技術(shù)的新成果會更多地應(yīng)用于可編程控制器的設(shè)計和制造上，會有運算速度更快、儲存容量更大、智能更強(qiáng)的品種出現(xiàn)：從產(chǎn)品規(guī)模上看，會進(jìn)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(jī)界面、完備的通信會更好地適應(yīng)各種工業(yè)控制場合的需求；從市

9、場上看，各國各自生產(chǎn)多品種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(luò)的發(fā)展情況看，可編程控制器和其他工業(yè)控制計算機(jī)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。伴隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制網(wǎng)絡(luò)和國際通用的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。1.4 課題研究目的1、通過設(shè)計，使學(xué)生全面地、系統(tǒng)地了解和掌握X-Y工作臺伺服系統(tǒng)的基本及其相關(guān)知識，學(xué)習(xí)總體方案德爾擬定。分析與比較的方法。2、通過對機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計，掌握常用電機(jī)的工作原理、計算方法與控制驅(qū)動方式。3掌握常用伺服電機(jī)的工作原

10、理、計算控制方法與控制方式。4、培養(yǎng)學(xué)生獨立分析問題和解決問題的能力，學(xué)習(xí)并樹立“系統(tǒng)設(shè)計”的思想。5、鍛煉提高學(xué)生應(yīng)用手冊和標(biāo)準(zhǔn)、查閱文獻(xiàn)資料及撰寫科技論文的能力。第2章 確定課題設(shè)計方案總體方案設(shè)計的內(nèi)容包括：系統(tǒng)運動方式的確定，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳動方案的確定，伺服電機(jī)類型及調(diào)速方案確定，計算機(jī)控制系統(tǒng)的選擇。進(jìn)行方案的分析、比較和論證。2.1系統(tǒng)運動方式的確定該系統(tǒng)要求工作臺沿各坐標(biāo)軸的運動有精確的運動關(guān)系因此采用連續(xù)控制方式。2.2伺服系統(tǒng)的選擇開環(huán)伺服系統(tǒng)在負(fù)載不大時多采用功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服電機(jī).開環(huán)控制系統(tǒng)由于沒有檢測反饋部件，因而不能糾正系統(tǒng)的傳動誤差。但開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整維修容

11、易，在速度和精度要求不太高的場合得到廣泛應(yīng)用。.考慮到運動精度要求不高，為簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，宜采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動。2.3算機(jī)系統(tǒng)的選擇采用三菱FX2N系列PLC。其主要特點是，實時性好.可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，性價比高,模塊化.安裝簡單.維修方便。2.4 XY工作臺的傳動方式為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺的運動部件重量和工作載荷不大，故選用滾動直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺的摩擦系數(shù)，提高運動平穩(wěn)性。 考慮電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，以及考慮步進(jìn)電機(jī)負(fù)載匹配，采

12、用齒輪減速傳動。系統(tǒng)總體框圖如下:圖2.1 總體構(gòu)思圖PLC光電隔離功率放大步進(jìn)電機(jī)X向工作臺光電隔離功率放大步進(jìn)電機(jī)Y向工作臺圖.2 系統(tǒng)總體框圖第3章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計機(jī)械部分設(shè)計內(nèi)容包括：運動部件慣性的計算，選擇步進(jìn)電機(jī)，傳動及導(dǎo)向元件的設(shè)計、計算與選擇，繪制機(jī)械部分裝配圖等。3.1 工作臺外形尺寸及重量初步估算根據(jù)給定的有效行程，畫出工作臺簡圖，估算X向和Y向工作臺承載重量WX和WY。取X向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?10mm,Y向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?00mm,設(shè)計工作臺簡圖如下:圖3.1工作臺簡圖X向拖板(上拖板)尺寸為: 長*寬*高=120*110*30重量:按重量=體積*材料比重估算

13、為: = 120×110×30×10-3×7.8×10-2=31mm3Y向拖板(下拖板)尺寸為: 120×100×30=36000=120×100×30×10-3×7.8×10-2=28mm3上導(dǎo)軌(含電機(jī))重量為(250×140×8+2×200×35×30)×7.8×10-2×10-3=55N夾具及工件重量:約150NX-Y工作臺運動部分總重量為:W=31+28+55+150=264N3.2 滾

14、動導(dǎo)軌副的計算、選擇根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.03.0(一般運行狀況)，3.05.0（運動時受沖擊、振動）。根據(jù)計算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌：因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取CXY=FslpxyPxy=0.5×(FZ+WXY)Px=0.5×(1000+31)=515.5NPY=0.5×(1000+28)=514NCox=Fslpx=4×515.5=2062NCoY=FslpY=4×514=2056N根據(jù)計算額定靜載荷初

15、選導(dǎo)軌:選擇GGA系列滾動直線導(dǎo)軌,其型號為: GGA16AA2P2×480×E×J基本參數(shù)如下:額定載荷/N靜態(tài)力矩/N*M滑座重量導(dǎo)軌重量導(dǎo)軌長度動載荷靜載荷L(mm)380050001981982880.603.1480滑座個數(shù)單向行程長度每分鐘往復(fù)次數(shù)M40.64表3.1 滾動導(dǎo)軌參數(shù)圖導(dǎo)軌的額定動載荷Ca=3800N依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導(dǎo)軌的基本動額定載荷 (kN)驗算導(dǎo)軌的工作壽命Ln：額定行程長度壽命:TS=K()3F=66NfT=1,fW=1.5,fC=0.81,FH=1,K=22TS=K()3=22(×)3=8019338

16、4018km導(dǎo)軌的額定工作時間壽命: TH=()TH=()=278449250062.5h3.3 滾珠絲杠計算、選擇初選絲杠材質(zhì)：CrWMn鋼，HRC5860，導(dǎo)程：l0=5mm強(qiáng)度計算絲杠軸向力：(N)其中：K=1.15，滾動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=0.0030005；在車床車削外圓時：Fx=(0.10.6)Fz，F(xiàn)y=(0.150.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，F(xiàn)y=0.6Fz計算。取f=0.004,則:FX=0.5FZ=0.5×1000=500NFY=0.6FZ=0.6×1000=600NFXmax=1.15×500+0.004(1000+31)=579.124N

17、FYmax=1.15×600+0.004(1000+281)=694.112N壽命值：，其中絲杠轉(zhuǎn)速(r/min)T=15000hn=L=180h最大動載荷：式中：fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時為1.21.5；fH為硬度系數(shù)，HRC58時為1.0。查表得中等沖擊時則:QX=×1.2×1×579.124=3923.83NQY=×1.2×1×694.112=4702.93N根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)最大動載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠的型號為: CM系列滾珠絲桿副，其型號為：CM2005-2.5。其基本參數(shù)如下: 圖3

18、.2 滾珠絲杠表3.2 滾珠絲杠參數(shù)說明其額定動載荷為23500N> 足夠用.滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式,預(yù)緊方式采用雙螺母螺紋預(yù)緊形式.滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計算如下表名稱計算公式結(jié)果公稱直徑20mm螺距mm接觸角鋼球直徑 3.175mm螺紋滾道法向半徑1.651mm偏心距0.04489mm螺紋升角4o33螺桿外徑19.365mm螺桿內(nèi)徑16.788mm螺桿接觸直徑17.755mm螺母螺紋外徑23.2120mm螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）20.7mm表3.3 滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)3.3.1 傳動效率計算絲杠螺母副的傳動效率為：式中：=10，為摩擦角；為絲杠螺旋升角。=0.963.3.2

19、穩(wěn)定性驗算絲杠兩端采用止推軸承時不需要穩(wěn)定性驗算。3.3.3 剛度驗算滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量為：(cm)Y向所受牽引力大,故用Y向參數(shù)計算FY=694.112Nl0=0.5cmE=20.6 (N/cm2)S=R2=3.14×（）2=2.14cm2L1=±=7.87×10-6cm絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計。導(dǎo)程變形總誤差為=L1=7.87×10-6×=14.72×10-4mE級精度絲杠允許的螺距誤差 =15m/m。3.4 齒輪計算、設(shè)計因步進(jìn)電機(jī)步距角滾珠絲杠螺距t=5mm,要實現(xiàn)脈沖當(dāng)量,在傳動系統(tǒng)中應(yīng)加一

20、對齒輪降速傳動.齒輪傳動比： ，初選步進(jìn)電機(jī)步距角：= 1.5/step。取小齒輪齒數(shù) 則大齒輪齒數(shù)因傳遞的扭距較小,取模數(shù)m=1mm則:分度圓直徑: 齒頂圓直徑: 齒根圓直徑: 齒寬: 取 中心距: 分度圓壓力角: 大小齒輪均采用漸開線標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪小齒輪采用兩片薄齒輪錯齒排列以消除間隙.雙片齒輪錯齒消隙結(jié)構(gòu)圖如下:圖3.4 雙片齒輪錯齒消隙結(jié)構(gòu)1、2-薄齒輪, 3彈簧, 4、8凸耳, 5調(diào)節(jié)螺釘, 6、7螺母3.5 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計算根據(jù)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算公式，有：3.5.1等效轉(zhuǎn)動慣量的計算折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量為：式中：為折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載；為步進(jìn)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動慣量

21、；為齒輪的轉(zhuǎn)動慣量；為齒輪的轉(zhuǎn)動慣量；為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量；為移動部件的質(zhì)量。對鋼材料的圓柱零件可以按照下式進(jìn)行估算：J=0.78×10-3×D4×L式中為圓柱零件直徑，為圓柱零件的長度。所以有：J1=0.78×10-3×2.44×2.5=6.47×10-2kg.cm2 J2=0.78×10-3×5.04×3.0=146.25×10-2kg.cm2J1=0.78×10-3×2.54×10=30.47×10-2kg.cm2電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動慣量很小，可以

22、忽略，所以有：J=6.47×10-2+()2(146.25×10-2+26.4()2=0.51 kg.cm23.6 步進(jìn)電機(jī)的選用3.6.1 步進(jìn)電機(jī)啟動力矩的計算設(shè)步進(jìn)電機(jī)的等效負(fù)載力矩為，負(fù)載力為，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的功與負(fù)載力所做的功有如下的關(guān)系：式中為電機(jī)轉(zhuǎn)角，為移動部件的相應(yīng)位移，為機(jī)械傳動的效率。若取，則，且。所以：式中：為移動部件負(fù)載（N），G為移動部件質(zhì)量（N），為與重力方向一致的作用在移動部件上的負(fù)載力（N），為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，為步進(jìn)電機(jī)的步距角（rad）,T為電機(jī)軸負(fù)載力矩（N.cm）。取=0.3（淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)），.96，=694.11

23、2?？紤]到重力影響，向電機(jī)負(fù)載較大，因此31+55=86，所以有：T=23.14N.cm考慮到啟動時運動部件慣性的影響，則啟動轉(zhuǎn)矩：取系數(shù)為.，則：Tq= =57.86N.cm對于工作方式為三相拍的步進(jìn)電機(jī)：Tjmax=66.81N.cm3.6.2 步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率為使電機(jī)不產(chǎn)生失步空載啟動頻率要大于最高運行頻率,同時電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩要足夠大,查表選擇兩個90BF001型反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī).電機(jī)有關(guān)參數(shù)如下:型號主要技術(shù)參數(shù)相數(shù)步距角電壓(V)相電流(A)最大靜轉(zhuǎn)矩(n.m)空載啟動頻率空載運行頻率分配方式90BF00140.98073.92200080004相8拍外形尺寸(mm)重量kg轉(zhuǎn)子

24、轉(zhuǎn)動慣量Kg.m外直徑長度軸直徑9014594.51764表3.4 電機(jī)參數(shù)第4章 控制硬件系統(tǒng)設(shè)計控制X-Y工作臺X,Y軸的主要包括plc，步進(jìn)電動機(jī)，限位開關(guān)，操作面板（按鈕及一些控制開關(guān)）硬件系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)注意幾點：電動機(jī)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，響應(yīng)性能好，造價低，可維護(hù)性，人機(jī)交互界面可操作性比較好。4.1 plc的選擇基于本次課程設(shè)計的要求我組成員的任務(wù)是用plc控制電機(jī)進(jìn)而控制X.Y軸的運動，隨著科技的進(jìn)步plc也不斷完善，plc得以廣泛應(yīng)用離不開下面的有點：1. 可靠性高，抗干擾性能高，高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。2 . 配套齊全，功能完善，適應(yīng)性強(qiáng)plc的發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大，中，

25、小各種模型系列化產(chǎn)品。3. 易學(xué)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(jī)，是面向工礦企業(yè)設(shè)備。4 系統(tǒng)的設(shè)計，建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造。5 體積小，重量輕，能耗低。從設(shè)計的系統(tǒng)來看，我們首相分析我們需要實現(xiàn)怎樣的功能，進(jìn)而確定I/O點數(shù)。4.1.2 估計需要的plc規(guī)模Plc的規(guī)模估算：主要取決于設(shè)備對輸入輸出點的需求量和控制過程的難易程序。4.1.3 輸入，輸出估算。在工藝允許的情況下，將模擬量轉(zhuǎn)換為開關(guān)量留15%20%的接點余量，在本課程設(shè)計中，我組需要啟動，停止，正傳，反轉(zhuǎn)，復(fù)位以及兩個限位開關(guān)有輸入點7個，根據(jù)估算原則，我們應(yīng)該選擇的輸入點大概選擇9個輸入點。輸出

26、端子有4個連接驅(qū)動器的脈沖信號，電平信號，脫機(jī)信號以及一個公共端口，那么估算輸出端子應(yīng)該選擇5個左右。4.1.4 存儲容量的估算：用戶程序占用的內(nèi)存的多少魚多種因素有關(guān)，如輸入，輸出點的數(shù)量和類型，輸入，輸出量之間關(guān)系的復(fù)雜程度，需要進(jìn)行計算的次數(shù)，處理量的多少，程序的優(yōu)劣都與內(nèi)存有關(guān)，所以一般只能根據(jù)輸入，輸出的點數(shù)及其類型，控制簡繁的程度加以估算，一般粗略的估計方法是：（輸入點數(shù)+輸出點數(shù)）=指令句數(shù)通常再增加15%20%，經(jīng)過估算指令語句數(shù)應(yīng)該在 左右4.1. plc選型的注意事項plc產(chǎn)品種類很多，型號很多，他們的功能，價格，使用條件各不相同所以選擇要綜合考慮輸入接口模塊?？紤]輸入點的

27、參數(shù)，主要是他們的工作電壓和工作電流輸出接口模塊。他的電流應(yīng)大與負(fù)載的額定工作電壓和電流，對于感性負(fù)載，測應(yīng)注意在斷開瞬間，可能產(chǎn)生很高的反向感應(yīng)電動勢。為避免這種感應(yīng)電動勢擊穿元器件或干擾plc主機(jī)的正常工作，應(yīng)采取必要的仰止措施。4.2 Plc接口設(shè)計及連線圖Plc接口部分包括限位開關(guān)部分，步進(jìn)驅(qū)動器部分以及控制面板三部分。示意圖如下：4.1 系統(tǒng)框圖Plc I/O分配表如下:序號輸入輸出端口功能1輸入X0啟動2輸入X1停止3輸入X2正向4輸入X3反向5輸入X4右限位6輸入X5左限位7輸入X6復(fù)位8輸出Y1脈沖信號9輸出Y2方向信號表4. PLC I/O分配表步進(jìn)電機(jī)的選型參數(shù)從下表中選取

28、的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器為：SJ-2H110MS其參數(shù)為：表4.2 ：SJ-2H110MS其參數(shù)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路和工作原理步進(jìn)電機(jī)的速度控制比較容易實現(xiàn)而且不需要反饋電路。設(shè)計時的脈沖當(dāng)量為0.01mm，步進(jìn)電機(jī)每走一步，工作臺直線行進(jìn)0.01mm。圖4.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路電路中的功放電路是一個單電壓功率放大電路，當(dāng)A得電時，電動機(jī)轉(zhuǎn)動一步。電路中與繞組并聯(lián)的二極管D起的續(xù)流作用，即在功放管載止是，是儲存在繞組中的能量通過二極管形成續(xù)流回路泄放，從而保護(hù)功放管。與繞組W串聯(lián)的電阻為限流電阻，限制通過繞組的電流不至超過額定值，以免電動機(jī)發(fā)熱厲害被燒壞。傳感器和人機(jī)界面由于步進(jìn)電機(jī)不需要反饋電路，但是要

29、注意工作臺不能超過最大行程。一次，必須在XY軸方向各加上兩個行程開關(guān)。這里行程開關(guān)的作用有兩個：（1）防止工作臺超過最大行程，使電機(jī)損壞（2）可以與定位。所以這4個行程開關(guān)就當(dāng)了傳感器。人機(jī)界面設(shè)計的準(zhǔn)則就是要有良好的人機(jī)交互能力，一般要求操作簡便，界面簡潔明了。此系統(tǒng)中共有9個LED，LED1燈亮表示X軸負(fù)方向禁止通行，LED2燈亮表示X軸正方向禁止通行。LED3燈亮表示Y軸負(fù)方向禁止通行,LED4燈亮表示Y軸正方向禁止通行。LED5燈亮表示手動使工作臺向X軸負(fù)方向通行，LED6燈亮表示手動使工作臺向X軸正方向通行。LED7燈亮表示手動使工作臺向Y軸負(fù)方向通行,LED8燈亮表示手動使工作臺向

30、Y軸正方向通行。LED9燈亮表示通電運行。界面上的7個按鈕意義為：按鈕1是斷電開關(guān)，按鈕2是向X軸負(fù)方向運行的點動開關(guān)，按鈕3是向X軸正方向運行的點動開關(guān)。按鈕4是向Y軸負(fù)方向運行的點動開關(guān),按鈕5是向Y軸正方向運行的點動開關(guān)。按鈕6是復(fù)位開關(guān)。按鈕7是執(zhí)行繪制圓弧開關(guān)圖4.3 人機(jī)界面第5章 軟件系統(tǒng)設(shè)計5.1系統(tǒng)控制軟件方案的確定5.1.1根據(jù)本課題的軟件控制方面的功能要求如下：1通過PLC控制步進(jìn)電機(jī)從而控制X-Y雙軸聯(lián)動。2. 在程序上實現(xiàn)的功能是能夠控制步進(jìn)電機(jī)的啟停、以及超程報警。5.1.2方案的確定；根據(jù)軟件方面的功能要求，1.轉(zhuǎn)速功能控制 運用PLC控制步進(jìn)電機(jī)的啟?？刂?，在電

31、機(jī)的啟停過程中有速度的變化，根據(jù)步進(jìn)的轉(zhuǎn)速與單位時間內(nèi)脈沖的頻率成正比，即與脈沖的時間間隔成反比關(guān)系，從而知只要控制時間間隔就可以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在本設(shè)計中運用定時器控制“拍”與“拍”之間的時間，來達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的作用。2.越界報警功能控制 運用行程開關(guān)達(dá)到精確的報警的控制功能。3.步進(jìn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制，由于步進(jìn)的電機(jī)的轉(zhuǎn)向與線圈的通電順序有關(guān)，正轉(zhuǎn)是通電順序為；A-AB-B-BC-C-CD-D-DA反轉(zhuǎn)時的通電順序為；DA-D-CD-C-BC-B-AB-A5.2元器件選型5.2.1限位開關(guān)選擇限位開關(guān)又稱行程開關(guān)，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

32、行車、門等，簡稱動物）上。當(dāng)動物接近靜物時，開關(guān)的連桿驅(qū)動開關(guān)的接點引起閉合的接點分?jǐn)嗷蛘邤嚅_的接點閉合。由開關(guān)接點開、合狀態(tài)的改變?nèi)タ刂齐娐泛蜋C(jī)。限位開關(guān)分工作限位開關(guān)和極限限位開關(guān)，工作限位開關(guān)是用來給出機(jī)構(gòu)動作到位信號的。極限限位開關(guān)是防止機(jī)構(gòu)動作超出設(shè)計范圍而發(fā)生事故的。工作限位開關(guān)安裝在機(jī)構(gòu)需要改變工況的位置，開關(guān)動作后，給出信號，進(jìn)行別的相關(guān)動作。極限限位開關(guān)安裝在機(jī)構(gòu)動作的最遠(yuǎn)端，用來保護(hù)機(jī)構(gòu)動作過大出現(xiàn)機(jī)構(gòu)損壞。在本設(shè)計中用到了兩個限位開關(guān)，及下限位SQ1，后限位SQ2，用來控制堆垛機(jī)的返回和防止堆垛機(jī)超出范圍。由于本設(shè)計的堆垛機(jī)受載不大，所以，可以選用由歐姆龍公司生產(chǎn)的D4C

33、C小型限位開關(guān)。此限位開關(guān)為滾珠搖桿型。5.2.2 開關(guān)按鍵的選擇開關(guān)按鍵按鈕主要安裝在控制面板上，是操作人員能夠夠好的操作系統(tǒng)，更容易實現(xiàn)人機(jī)對話。本系統(tǒng)設(shè)計中，總共用到了23個按鍵來控制系統(tǒng)運行。其中SF1-SF2分別控制啟動、停止按鈕各1個，型號KH2022EB。5.2.3 PLC型號選擇1、輸入輸出（I/O）點數(shù)的估算  I/O點數(shù)估算時應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，再增加10%20%的可擴(kuò)展   作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù)據(jù)。實際訂貨時，還需根據(jù)制造廠商PLC的產(chǎn)品特點，對輸入輸出點數(shù)進(jìn)行圓整。  本設(shè)計中有十個輸入器件，十個輸出量

34、，跟據(jù)選擇原則，再查閱西門子plc進(jìn)行圓整，選擇24輸入/16輸出的plc。2、存儲器容量的估算   按數(shù)字量I/O點數(shù)的1015倍，加上模擬I/O點數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（1 6位為一個字），另外再按此數(shù)的25%考慮余量。( 32X10+1000)+(32X10+1000)X25%/16=330。3、機(jī)型的選擇 西門子S7-200系列簡單選型手冊 16ES7 211-0AA23-0XB0CPU221 DC/DC/DC,6輸入/4輸出26ES7 211-0BA23-0XB0CPU221 繼電器輸出,6輸入/4輸出36ES7 212-1AB23

35、-0XB8CPU222 DC/DC/DC,8輸入/6輸出46ES7 212-1BB23-0XB8CPU222 繼電器輸出,8輸入/6輸出56ES7 214-1AD23-0XB8CPU224 DC/DC/DC,14輸入/10輸出66ES7 214-1BD23-0XB8CPU224 繼電器輸出,14輸入/10輸出76ES7 214-2AD23-0XB8CPU224XP DC/DC/DC,14DI/10DO,2AI/1AO86ES7 214-2BD23-0XB8CPU224XP 繼電器輸出,14DI/10DO,2AI/1AO96ES7 216-2AD23-0XB8CPU226 DC/DC/DC,24

36、輸入/16輸出106ES7 216-2BD23-0XB8CPU226 繼電器輸出,24輸入/16輸出 綜合上述條件，本設(shè)計最終選用plc型號：西門子S7-200系列 106ES7 216-2BD23-0XB8CPU226 繼電器輸出,24輸入/16輸出5.3 PLC輸入輸出分配表根據(jù)本課題PLC輸入輸出的控制要求，得出PLC輸入輸出I/O分配，如表5.1所示。輸入輸出元件端子名稱元件端子名稱SF1I0.0啟動Q0.0X-ASF2I0.1停止Q0.1X-BBG1I0.2右限位Q0.2X-CBG2I0.3左限位Q0.3X-DBG3I0.4上限位Q0.4報警指示燈BG4I0.5下限位Q0.5原位指示燈BG5I0.6右極限Q1.0Y-ABG6I0.7左極限Q1.1Y-BBG7I1.0上極限Q1.2Y-CBG8I1.1下極限Q1.3Y-D表5.1 PLC輸入輸出分配表5.4元器件清單表5.2系統(tǒng)元件清單如