通用兩維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)說(shuō)明書(shū)

1、摘 要X-Y工作臺(tái)是指能分別沿著X向和Y向移動(dòng)的工作臺(tái)。數(shù)控機(jī)床的加工系統(tǒng)、立體倉(cāng)庫(kù)中堆垛機(jī)的平面移動(dòng)系統(tǒng)、平面繪圖儀的繪圖系統(tǒng)等,盡管結(jié)構(gòu)和功能各不相同,但基本原理相同。機(jī)電一體化系統(tǒng)是將機(jī)械系統(tǒng)與微電子系統(tǒng)結(jié)合而形成的一個(gè)有機(jī)整體。本文通過(guò)對(duì)X-Y工作臺(tái)的機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及接口電路的設(shè)計(jì),闡述了機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中共性和關(guān)鍵的技術(shù)。本次課程設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)和研究工作臺(tái)及其電氣原理圖。確定工作臺(tái)的傳動(dòng)系統(tǒng)，并且選擇了滾珠絲杠螺母的傳動(dòng)，驗(yàn)算了滾珠絲杠螺母的剛度、穩(wěn)定性，壽命等參數(shù)；還設(shè)計(jì)了導(dǎo)軌，根據(jù)其用途和使用要求，選擇了直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，確定了其類型、轉(zhuǎn)動(dòng)力矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。利用PLC設(shè)計(jì)其硬件

2、電路圖?！娟P(guān)鍵詞】：滾珠絲杠螺母副；直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副；步進(jìn)電機(jī)；PLC控制目錄第一章 總體設(shè)計(jì)方案11.1系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇11.2機(jī)械傳動(dòng)方式11.3數(shù)控系統(tǒng)選擇11.4總體方案的確定2第二章 機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算32.1 設(shè)計(jì)參數(shù)32.2 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型32.2.1 X向進(jìn)給絲杠32.2.2 Y向進(jìn)給絲杠5滾珠絲杠副的幾何參數(shù)72.3 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的計(jì)算與選擇72.3.1 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的工作載荷計(jì)算72.4 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選擇92.4.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算92.4.2 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩的計(jì)算10第三章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)133.1 數(shù)控系統(tǒng)133.2 PLC

3、數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)133.2.1 PLC數(shù)控控制系統(tǒng)框圖133.2.3 PLC的類型14擴(kuò)展功能模塊的選型143.2.5 I/O口接線設(shè)計(jì)153.3 驅(qū)動(dòng)器的選型163.4 三相步進(jìn)電機(jī)工作原理163.5 控制系統(tǒng)的工作原理17第一章 總體設(shè)計(jì)方案1.1系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位/點(diǎn)線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。為了滿足二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)X-Y兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng),運(yùn)動(dòng)定位,暫停,急停等功能,故選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)。本方案利用了開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，利用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。1.2機(jī)械傳動(dòng)方式 為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠。為了保證一定的傳動(dòng)精

4、度和傳動(dòng)平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時(shí)，為了提高傳動(dòng)剛度和消除傳動(dòng)間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。1.3數(shù)控系統(tǒng)選擇 通用平臺(tái)的控制系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)X-Y兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，設(shè)置工作臺(tái)的越位報(bào)警和緊急事故的急停開(kāi)關(guān)，并響應(yīng)中斷，且具有快速驅(qū)動(dòng)功能。根據(jù)以上條件考慮到數(shù)控裝置的尺寸、經(jīng)濟(jì)型、實(shí)用性、可靠性等因素采用PLC控制系統(tǒng)來(lái)控制平臺(tái)的運(yùn)行。1.4總體方案的確定數(shù)控驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)工作平臺(tái)中拖板圖11 XY數(shù)控工作臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)第二章 機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)1、工作臺(tái)臺(tái)面尺寸：250×2002、工作臺(tái)移動(dòng)尺寸： X×Y=160

5、15;1253、夾具和工作臺(tái)總重： 4、最高運(yùn)行速度：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式：空載：1.5m/mim：切削：0.7m/min；交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式：空載：15m/mim：切削：6m/min；5、系統(tǒng)分辨率：開(kāi)環(huán)模式0.01mm/step；半閉環(huán)模式0.005mm/step；6、系統(tǒng)定位精度：開(kāi)環(huán)模式0.10mm；半閉環(huán)模式±0.01mm/step；7、切削負(fù)載：X向300N；Y向 400N；Z向 500N； 2.2 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型2.2.1 X向進(jìn)給絲杠（1）、計(jì)算工作載荷力作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給牽引力主要包括切削時(shí)的走刀抗力以及移動(dòng)件的重量和切削分力在導(dǎo)軌上的摩擦力。因而

6、其數(shù)值的大小與導(dǎo)軌的型式有關(guān)，由于在設(shè)計(jì)中采用的是加有導(dǎo)軌塊的滾動(dòng)導(dǎo)軌，所以選擇的計(jì)算公式為綜合導(dǎo)軌的計(jì)算公式。計(jì)算公式為：式中 、-切削分力（N）； -移動(dòng)部件上的重量（N）； -主軸上的扭距（N·cm）； -導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，隨導(dǎo)軌型式而不同； -考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)；綜合導(dǎo)軌的 , ，取，式中，, ，代入計(jì)算得 （2）、計(jì)算最大動(dòng)載荷初選絲杠導(dǎo)程，則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速取滾珠絲杠的使用壽命，代入絲杠壽命系數(shù)查表3-30取載荷系數(shù)，再取硬度系數(shù)，代入式3-23求得最大載荷（3）、滾珠絲杠螺母副的選型所選絲杠螺母副規(guī)格如下（其中載荷單位為kgf）表2-1 絲杠螺母副規(guī)格根據(jù)以上算得的

7、最大動(dòng)負(fù)載在表中選用型號(hào)額定動(dòng)載荷為4612，滿足前面進(jìn)給方向的要求。（4）、傳動(dòng)效率計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率：式中 -絲杠螺旋升角； -摩擦角，滾珠絲杠的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，其摩擦角約等于。 導(dǎo)程代入由選用的W1L2506的滾珠死杠的相關(guān)數(shù)據(jù)可知絲杠螺旋升角代入公式計(jì)算得 2.2.2 Y向進(jìn)給絲杠（1）計(jì)算進(jìn)給牽引力作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給牽引力主要包括切削時(shí)的走刀抗力以及移動(dòng)件的重量和切削分力在導(dǎo)軌上的摩擦力。因而其數(shù)值的大小與導(dǎo)軌的型式有關(guān)，由于在設(shè)計(jì)中采用的是加有導(dǎo)軌塊的滾動(dòng)導(dǎo)軌，所以選擇的計(jì)算公式為矩形導(dǎo)軌的計(jì)算公式。最大工作載荷的計(jì)算公式如下：式中 -進(jìn)給方向載荷（N）； -橫向載荷

8、（N）； -垂直載荷（N）； -導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)； -顛復(fù)力矩影響系數(shù)； -移動(dòng)部件總重力；綜合導(dǎo)軌的, ，取，式中， ， 代入計(jì)算得 （2） 最大動(dòng)載荷的計(jì)算最大動(dòng)載荷的計(jì)算公式如下：式中 ，取； -滾珠絲杠副的壽命，以為一單位； -載荷系數(shù)，由表3-30查的； -硬度系數(shù)， -滾珠絲杠副的最大工作載荷，單位為代入計(jì)算的 （3） 規(guī)格型號(hào)的初選 由額定動(dòng)載荷和額定靜載荷，查表3-31，選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的G系列1604-3型滾珠絲杠副，為固定反向器單螺母式，其公稱直徑為16mm，導(dǎo)程為4mm，循環(huán)滾珠數(shù)為3圈1列，精度等級(jí)取5級(jí)，額定動(dòng)載荷為4612N大于，滿足要求。（4）

9、傳動(dòng)效率計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率：式中 -絲杠螺旋升角，由 -摩擦角，一半取。代入公式計(jì)算得 （5）、剛度的驗(yàn)算1、絲杠支承的中心距約為 鋼的彈性模量查表得滾珠直徑 絲杠底徑 絲杠截面積絲杠在工作載荷作用下產(chǎn)生的拉壓變形2、根據(jù)公式該型號(hào)絲杠為單螺母，圈數(shù)列數(shù) 3圈數(shù)列數(shù)=183=54，取軸向預(yù)緊力N因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，所以實(shí)際變形量可減小一半（6）、壓桿穩(wěn)定性校核 根據(jù)式（328）計(jì)算失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷,查表3-34，取支撐系數(shù)；有絲杠底徑，求的截面慣性矩；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù);支撐距離，代入式（3-28），,遠(yuǎn)大于工作載荷，故絲杠不失穩(wěn)。綜上述，初選的滾珠絲杠副滿足使

10、用要求。（7）滾珠絲杠的長(zhǎng)度確定X向和Y向： 螺紋長(zhǎng)度；支承跨距；絲杠全長(zhǎng)；2.2.3滾珠絲杠副的幾何參數(shù)圖2-2 滾珠絲杠副幾何參數(shù)2.3 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的計(jì)算與選擇目前，滾動(dòng)導(dǎo)軌在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用非常廣泛，因?yàn)槠淠Σ料禂?shù)=；動(dòng)、靜摩擦系數(shù)很接近，幾乎不受運(yùn)動(dòng)速度的變化的影響，運(yùn)動(dòng)輕便、靈活，所需驅(qū)動(dòng)功率小，摩擦發(fā)熱小，磨損小，精度保持性好；低度運(yùn)動(dòng)時(shí)不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，因而定位精度高，所以選用滾動(dòng)導(dǎo)軌。2.3.1 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的工作載荷計(jì)算(1) 、滑塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌的選取 工作載荷是影響導(dǎo)軌副的使用壽命的重要因素。對(duì)于水平布置的十字工作臺(tái)，多采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式?；瑝K承受工作載

11、荷的計(jì)算公式： 根據(jù)=0.625,初選直線導(dǎo)軌滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為表（3-41）JSA-KL型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌 任務(wù)書(shū)工作臺(tái)面工作臺(tái)臺(tái)面尺寸：250×200工作臺(tái)加工范圍， X×Y=160×125，查表（3-35）得選取導(dǎo)軌長(zhǎng)度為400mm。(2)、距離額定壽命的計(jì)算1、額定壽命計(jì)算其計(jì)算公式如下：式中 -距離額定壽命，單位為Km -額定動(dòng)載荷；額定動(dòng)載荷-計(jì)算載荷, -溫度系數(shù)；運(yùn)行時(shí)的溫度小于100查相關(guān)資料可的；-接觸系數(shù)；導(dǎo)軌上的滑塊數(shù)為2查相關(guān)資料 -載荷系數(shù)；無(wú)明顯沖擊和震動(dòng)，中速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合速度在15-60m/min之間查相關(guān)資料-硬度系數(shù)；滾道硬度不得低于H

12、RC58故通常取代入公式計(jì)算得：=11768km2、壽命時(shí)間的計(jì)算L遠(yuǎn)大于 故初選型號(hào)滿足設(shè)計(jì)要求。表2-3 直線導(dǎo)軌副的參數(shù)2.4 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選擇選用步進(jìn)電機(jī)時(shí)，必須首先根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)草圖計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)裝置及負(fù)載折算到電機(jī)軸上的等效慣量，分別計(jì)算各種共況條件下所需的等效力矩，再根據(jù)步進(jìn)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩選擇合適的步進(jìn)電機(jī)。2.4.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算(1）、絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 由于用步進(jìn)電機(jī)則省去了齒輪的傳動(dòng)比，以及齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算所以只要計(jì)算絲杠本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量即可,絲杠導(dǎo)程=4mm，名義直徑,兩支撐間距L=289mm可計(jì)算出絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，公式如下：由于絲杠是通過(guò)聯(lián)軸器與電機(jī)直接進(jìn)行連接

13、的，所以，絲杠折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(2)、工作臺(tái)折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量根據(jù)機(jī)電裝備設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)表4-22所示工作臺(tái)折算到絲杠軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，由絲杠導(dǎo)程L0=4mm，工作臺(tái)重量為500N，則工作臺(tái)的折算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： (3)、絲杠傳動(dòng)時(shí)傳動(dòng)系折算到電機(jī)上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由于絲杠是通過(guò)聯(lián)軸器與電機(jī)直接進(jìn)行連接的，所以，絲杠傳動(dòng)時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：在上式中沒(méi)有考慮電機(jī)轉(zhuǎn)子本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，傳動(dòng)系統(tǒng)慣量和轉(zhuǎn)子慣量之間，有一個(gè)慣量匹配的問(wèn)題，的比值不能太小，否則機(jī)床動(dòng)態(tài)特性將主要取決于負(fù)載特性，此時(shí)不同重量和行程的各坐標(biāo)的特性將有很大差別，并且很容易受切削力、摩擦力

14、等干擾的影響。但是的比值太大，也是很不經(jīng)濟(jì)的。電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以查出，初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為90BF003，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 所以=1.61，基本滿足慣量匹配要求。傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.9732.4.2 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩的計(jì)算計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 分快速空載起和承受最大切削工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算。(1)、快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩式中 -快速空載起動(dòng)力矩； -空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)上的加速力矩； -折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩； -由于絲杠欲緊時(shí)折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩可以忽略。其中 式中 傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的等校轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 -電機(jī)的最大

15、轉(zhuǎn)速； -運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)停止起動(dòng)加速到最快進(jìn)給速度所需時(shí)間;代入上式折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩：根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果可得 =0.019+0.0025 =0.0215<1.96N*m比初選的電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩小符合設(shè)計(jì)要求。(2)、最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 式中 包括三部分：折算到電動(dòng)機(jī)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 ，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 ，滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 。相對(duì)于和很小，可以忽略不計(jì)。則有 其中 式中 -進(jìn)給方向上的最大切削力；代入數(shù)據(jù)計(jì)算得綜合以上數(shù)據(jù)可算得 =經(jīng)過(guò)上述計(jì)算后，得到加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩：(3) 、步

16、進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 根據(jù)來(lái)選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)靜轉(zhuǎn)矩時(shí)候需要考慮安全系數(shù)。取，則,對(duì)于前面預(yù)選的90BF003型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由表4-5可知，可見(jiàn)完全滿足要求。(4) 、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核1） 最快工作進(jìn)度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書(shū)給定，脈沖當(dāng)量 從90BF003步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻特性圖看出電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大于,滿足要求。2） 最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書(shū)給定，則在此頻率下電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大于，滿足要求。3） 最快移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核 任務(wù)書(shū)給定 對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率可知90BF003步進(jìn)電機(jī)極限運(yùn)行頻率為15000可見(jiàn)沒(méi)有超過(guò)上限。4） 起動(dòng)頻率的計(jì)算 可知電動(dòng)機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)

17、慣量，轉(zhuǎn)子慣量，電動(dòng)機(jī)的空載起動(dòng)頻率為，則求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率為：，上述說(shuō)明保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)不失步，任何時(shí)候都小于。 綜上述，電動(dòng)機(jī)90BF003滿足設(shè)計(jì)要求。 第三章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1 數(shù)控系統(tǒng)通用平臺(tái)的控制系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)X-Y兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，設(shè)置工作臺(tái)的越位報(bào)警和緊急事故的急停開(kāi)關(guān)，并響應(yīng)中斷，且具有快速驅(qū)動(dòng)功能。根據(jù)以上條件考慮到數(shù)控裝置的尺寸、經(jīng)濟(jì)型、實(shí)用性、可靠性等因素采用PLC控制系統(tǒng)來(lái)控制平臺(tái)的運(yùn)行。由于三菱FX系列PLC擁有編程簡(jiǎn)單，產(chǎn)品類型多，高性能，高速運(yùn)算，具有很高的性價(jià)比特點(diǎn)，決定采用三菱FX系列的FX2N-型號(hào)PLC控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)由數(shù)控部分

18、，鍵盤(pán)、顯示器、I/O接口、擴(kuò)展功能模塊、驅(qū)動(dòng)器等幾部分組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過(guò)鍵盤(pán)操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用LED顯示器。3.2 PLC數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.2.1 PLC數(shù)控控制系統(tǒng)框圖 數(shù)控系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件軟件才能有效的運(yùn)行驅(qū)動(dòng)器1PGPLC控制信號(hào)步進(jìn)電機(jī)外設(shè)（鍵盤(pán)、顯示器、蜂鳴器等）圖3-1機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖3.2.3 PLC的類型可編程控制器的結(jié)構(gòu)多種多樣，但其組成的一般原理基本相同，都是以微處理器為核心的結(jié)構(gòu)。通常由中央處理單元（CPU）、存儲(chǔ)器（RAM、ROM）、輸入單元（I/O）、電源盒編程器等幾個(gè)部分組成。PLC實(shí)質(zhì)上是一種

19、被專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件機(jī)構(gòu)盒微機(jī)是基本一致。如圖：PLC硬件的基本結(jié)構(gòu)圖根據(jù)其經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、可靠性、選擇三菱FX2N系列FX2N-32MR-001型號(hào)作為數(shù)控主控制器。具有系統(tǒng)配置既固定又靈活,編程簡(jiǎn)單；備有可自由選擇，豐富的品種；令人放心的高性能，高速運(yùn)算，使用于多種特殊用途；外部機(jī)器通訊簡(jiǎn)單化，共同的外部設(shè)備等特點(diǎn)。它是一種小型化，高速度，高性能和所有方面都是相當(dāng)于FX系列中高檔次的小型程序裝置。3.2.4擴(kuò)展功能模塊的選型 步進(jìn)電機(jī)的PLC控制系統(tǒng)要由PLC控制器、步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器等器件組成，都是靠PLC發(fā)出的高速脈沖來(lái)控制的，這下指令都需要頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生脈沖個(gè)數(shù)的多少來(lái)實(shí)

20、現(xiàn)準(zhǔn)確的定位，所以控制的關(guān)鍵是控制產(chǎn)生的脈沖。為控制脈沖選擇使用三菱FX2N-1PG定位模塊，通過(guò)寫(xiě)緩沖區(qū)的方式控制它發(fā)脈沖進(jìn)行定位。FX2N-1PG有簡(jiǎn)易控制所需的7種運(yùn)行模式，可連接8臺(tái)，最大輸出100kHz的脈沖串通過(guò)順控系統(tǒng)進(jìn)行定位等特點(diǎn)，滿足設(shè)計(jì)所需的要求。3.2.5 I/O口接線設(shè)計(jì)I/O接口是一電子電路(以IC芯片或接口板形式出現(xiàn) ),其內(nèi)有若干專用寄存器和相應(yīng)的控制邏輯電路構(gòu)成。它是CPU和I/O設(shè)備之間交換信息的媒介和橋梁。CPU與外部設(shè)備、存儲(chǔ)器的連接和數(shù)據(jù)交換都需要通過(guò)接口設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，前者被稱為I/O接口，而后者則被稱為存儲(chǔ)器接口。存儲(chǔ)器通常在CPU的同步控制下工作，接口

21、電路比較簡(jiǎn)單；而I/O設(shè)備品種繁多，其相應(yīng)的接口電路也各不相同。它進(jìn)行端口地址譯碼設(shè)備選擇,向CPU提供I/O設(shè)備的狀態(tài)信息和進(jìn)行命令譯碼。進(jìn)行定時(shí)和相應(yīng)時(shí)序控制。對(duì)傳送數(shù)據(jù)提供緩沖，以消除計(jì)算機(jī)與外設(shè)在“定時(shí)” 或數(shù)據(jù)處理速度上的差異。 提供計(jì)算機(jī)與外設(shè)間有關(guān)信息格式的相容性變換和有關(guān)電氣的適配，還可以中斷方式實(shí)現(xiàn)CPU與外設(shè)之間信息的交換。根據(jù)設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)的I/O口分配如下表：輸入端輸出端輸入設(shè)備輸入端子輸出設(shè)備輸出端子開(kāi)關(guān)1 （STOP）X00指示燈L2Y00開(kāi)關(guān)2 （復(fù)位）X01指示燈L3Y01開(kāi)關(guān)3 （X向正向）X02蜂鳴器1Y02開(kāi)關(guān)4 （X向反向）X03蜂鳴器2Y03開(kāi)關(guān)5 （Y

22、向正向）X04蜂鳴器3Y04開(kāi)關(guān)6 （Y向反向）X05蜂鳴器4Y05開(kāi)關(guān)7 （X向正向點(diǎn)動(dòng)）X06指示燈L4Y06開(kāi)關(guān)8 （X向反向點(diǎn)動(dòng)）X07指示燈L5Y07開(kāi)關(guān)9 （Y向正向點(diǎn)動(dòng)）X08指示燈L6Y08開(kāi)關(guān)10（Y向反向點(diǎn)動(dòng)）X09指示燈L7Y09熔斷器FU2COM1熔斷器FU3COM2熔斷器FU4COM33.3 驅(qū)動(dòng)器的選型 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈

23、沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速和定位的目的。驅(qū)動(dòng)器接受的信號(hào)和輸出是一一對(duì)應(yīng)的，即收到高電平，則對(duì)應(yīng)的輸出端輸出高電平。驅(qū)動(dòng)器把輸出電流給放大，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的目的。因?yàn)榭刂破骷腎/O口不能直接輸出這么大的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。考慮經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，且根據(jù)計(jì)算出的電機(jī)的各類數(shù)據(jù)選擇SH3F090M步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。3.4 三相步進(jìn)電機(jī)工作原理 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將脈沖信號(hào)變換成相應(yīng)的角位移(或線位移)的電磁裝置，是一種特殊的電動(dòng)機(jī)。一般電動(dòng)機(jī)都是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)則有定位和運(yùn)轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當(dāng)有脈沖輸進(jìn)肘步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)，每給它一個(gè)脈沖信號(hào)，它就轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度。步進(jìn)電動(dòng)

24、機(jī)的角位移量和輸進(jìn)脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比，在時(shí)間上與輸進(jìn)脈沖同步，因此只要控制輸進(jìn)脈沖的數(shù)目、頻率及電動(dòng)機(jī)繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在沒(méi)有脈沖輸進(jìn)時(shí)，在繞組電源的激勵(lì)下氣隙磁場(chǎng)能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按其輸出轉(zhuǎn)矩的大小來(lái)分，可以分為快速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。快速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)工作頻率高而輸出轉(zhuǎn)矩較小，一般在N·cm級(jí)，可以作為控制小型精密機(jī)床的工作臺(tái)(例線切割機(jī)床)也可以和液壓轉(zhuǎn)矩放大器組成電液脈沖馬達(dá)往驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)，而功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩就比較大是N·m級(jí)的，可以直接往驅(qū)動(dòng)機(jī)床的移動(dòng)部件。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按其勵(lì)磁

25、相數(shù)，可以分為三相、四相、五相、六相甚至八相。一般來(lái)說(shuō)隨著相數(shù)的增加，在相同頻率的情況下，每相導(dǎo)通電流的時(shí)間增加，各相均勻電流會(huì)高些，從而使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性會(huì)好些，步距角亦小。但是隨著相數(shù)的增加，電動(dòng)機(jī)的尺寸就增加，結(jié)構(gòu)亦復(fù)雜，目前多用36相的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著輸進(jìn)脈沖頻率變化而變化，調(diào)速范圍很廣，靈敏度高，輸出轉(zhuǎn)角能夠控制，而且輸出精度較高，又能實(shí)現(xiàn)同步控制，所以廣泛地使用在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，也還可用在一般通用機(jī)床上，進(jìn)步進(jìn)給機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化水平。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按其工作原理來(lái)分，主要有磁電式和反應(yīng)式兩大類，這里只介紹常用的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理，現(xiàn)用下圖的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)化圖來(lái)

26、加以說(shuō)明。 在電動(dòng)機(jī)定子上有A、B、C三對(duì)磁極，磁極上繞有線圈，分別稱之為A相、B相和C相，而轉(zhuǎn)子則是一個(gè)帶齒的鐵心，這種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)稱之為三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。假如在線圈中通以直流電，就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)A、B、C三個(gè)磁極的線圈依次輪流通電，則A、B、C三對(duì)磁極就依次輪流產(chǎn)生磁場(chǎng)吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。 首先有一相線圈(設(shè)為A相)通電，則轉(zhuǎn)子1、3兩齒被磁極A吸住，轉(zhuǎn)子就停留在圖55a的位置上。然后，A相斷電，6相通電，則磁極A的磁場(chǎng)消失磁極B產(chǎn)生了磁場(chǎng)，磁極召的磁場(chǎng)把離它最近的2、4兩齒吸引過(guò)往，停止在圖b的位置上，這時(shí)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)了30°。再接下往B相斷電，C相通電。根據(jù)同樣道理，轉(zhuǎn)子又逆時(shí)針轉(zhuǎn)了30°，停止在圖c的位置上。若再A相通電，C相斷開(kāi)，那么轉(zhuǎn)子再逆轉(zhuǎn)30°，使磁極A的磁場(chǎng)把2、4兩個(gè)齒吸住。定子各相輪流通電一次轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒。這樣按ABCABCA次序輪流通電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就一步一步地按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。通電線圈每轉(zhuǎn)換一次，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)30°，我們把步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每步轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱之為步距角。假如把步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通電線圈轉(zhuǎn)換的次序倒過(guò)來(lái)?yè)Q成ACBA