平面軌跡切削加工控制系統(tǒng)設計終稿畢業(yè)論文

1、 PAGE58 / NUMPAGES63畢業(yè)設計（論文）題目: 平面軌跡切削加工控制系統(tǒng)設計摘 要本文設計了平面軌跡切削加工控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)由機械工作臺、電氣控制系統(tǒng)、控制軟件三大部分組成。其中，機械工作臺由X、Y、Z、C四軸工作臺、刀庫與液壓系統(tǒng)等組成。通過研究了解本系統(tǒng)各個硬件部分如PLC、雙軸定位模塊、變頻器、步進電機驅動器、伺服電機驅動器、步進電機、伺服電機，三相異步電動機等元器件的工作原理、優(yōu)缺點、選擇原因、各組件之間的相互配合等。學會選擇各元器件、繪制電路圖、搭建系統(tǒng)電路，進行程序設計，通過所給實驗臺模擬平面軌跡切削加工系統(tǒng)，實現(xiàn)X、Z軸的聯(lián)動、Y軸伺服控制、C軸的轉動、主軸的正反

2、轉與變頻調速等，并最終在蠟模一面上銑削出 “中”。關鍵詞：平面軌跡切削加工；雙軸定位模塊；PLC；變頻器；步進電機驅動器；伺服電機驅動器ABSTRACTThis article is designed for Cutting plane trajectory control system. Micro-machining center is composed of mechanical table, electrical control systems and control software . And the machine table is componented by the X, Y

3、, Z, C four-axis table, tool storage ,hydraulic systems and so on. Through the experiment and study to understand the advantages and disadvantages and the reasons for such selection of the various hardware components such as the test bed PLC, inverter, stepping motor driver, servo motor driver and o

4、ther components.Learn to select each components, draw circuit diagram, set up the systemcircuit, design the program, and test-bedsimulationbya givencuttingplanetrajectorysystem, andX, Zaxisof thelinkage,Y servo control, C axis rotation, the spindleisReversal andfrequency control, and eventually the

5、wax models on the side. zhong millingKey words: Cutting plane trajectory; Programmable Controller; Inverter; Stepper Motor Driver; Servo motor drive前 言平面軌跡切削加工控制系統(tǒng)可以一次完成工件的銑、鉆、鏜、鉸、攻螺紋等工作，因其為采用PLC控制的自動化系統(tǒng)，可排除許多人為干擾因素，因而具有高生產(chǎn)率和質量穩(wěn)定性的特點。此畢業(yè)設計需用PLC控制平面軌跡切削加工系統(tǒng)對工件進行加工。PLC是專門為工業(yè)生產(chǎn)服務的控制裝置，已成為當代工業(yè)自動化的主要支柱之一

6、。四十年來，可編程控制器從無到有，實現(xiàn)了工業(yè)控制領域接線邏輯到存儲邏輯的飛躍，其功能從弱到強，實現(xiàn)了邏輯控制到數(shù)據(jù)控制的進步，其應用領域從小到大，實現(xiàn)了從單體簡單控制到運動控制，過程控制與集散控制等體系列功能。 本課題的解決方案為利用PLC程序設計搭建切削系統(tǒng)，以實驗臺為支撐平臺，通過程序設計，實現(xiàn)平面軌跡切削系統(tǒng)的工作。具體體現(xiàn)為刀具在蠟模上的運動軌跡。PLC控制系統(tǒng)設計按以下步驟進行：1.熟悉被控對象，制定控制方案。分析被控對象的工藝過程與工作特點，了解被控對象機、電、液之間的配合，確定被控對象對PLC控制系統(tǒng)的控制要求。2. 根據(jù)控制要求，確定控制的操作方法（手動、自動、連續(xù)、單步等），

7、應完成的動作（動作順序、動作條件），以與必須的保護和連鎖；還要確定所有的控制參數(shù)（轉步時間、計算長度、模擬精度等）3.選擇PLC。選擇時主要包括PLC機型、容量、I/O模塊、電源的選擇。4.分配PLC的I/O地址。根據(jù)所選的PLC的型號列出輸入/輸出設備與PLC輸入輸出端子的對照表，以便繪制PLC外部I/O接線圖和編制程序。5. 設計軟件與硬件進行PLC程序設計。目 錄TOC o 2-3 h z t 章,1HYPERLINK l _Toc295118576第一章緒論 PAGEREF _Toc295118576 h 1HYPERLINK l _Toc2951185771.1概述 PAGEREF

8、_Toc295118577 h 1HYPERLINK l _Toc2951185781.2 本課題研究的目的和意義 PAGEREF _Toc295118578 h 1HYPERLINK l _Toc295118579第二章系統(tǒng)硬件選型 PAGEREF _Toc295118579 h 4HYPERLINK l _Toc2951185802.1 總體方案 PAGEREF _Toc295118580 h 4HYPERLINK l _Toc2951185812.2 總控制系統(tǒng)接線圖 PAGEREF _Toc295118581 h 4HYPERLINK l _Toc2951185822.3可編程控制器（

9、PLC） PAGEREF _Toc295118582 h 5HYPERLINK l _Toc2951185832.3.1系統(tǒng)結構 PAGEREF _Toc295118583 h 5HYPERLINK l _Toc2951185842.3.2系統(tǒng)類型 PAGEREF _Toc295118584 h 5HYPERLINK l _Toc2951185852.3.3規(guī)格 PAGEREF _Toc295118585 h 6HYPERLINK l _Toc2951185862.3.4輸出類型 PAGEREF _Toc295118586 h 7HYPERLINK l _Toc2951185872.3.5選擇

10、 PAGEREF _Toc295118587 h 7HYPERLINK l _Toc2951185882.4變頻器與三相交流異步電動機 PAGEREF _Toc295118588 h 8HYPERLINK l _Toc2951185892.4.1變頻器定義 PAGEREF _Toc295118589 h 8HYPERLINK l _Toc2951185902.4.2工作原理 PAGEREF _Toc295118590 h 8HYPERLINK l _Toc2951185912.4. 3操作面板 PAGEREF _Toc295118591 h 9HYPERLINK l _Toc295118592

11、2.4.4接線方法 PAGEREF _Toc295118592 h 9HYPERLINK l _Toc2951185932.4. 5三相異步交流電動機 PAGEREF _Toc295118593 h 10HYPERLINK l _Toc2951185942.5步進電機驅動器與步進電機 PAGEREF _Toc295118594 h 10HYPERLINK l _Toc2951185952.5.1步進驅動器的選擇 PAGEREF _Toc295118595 h 10HYPERLINK l _Toc2951185962.5.2步進電動機的選擇 PAGEREF _Toc295118596 h 13H

12、YPERLINK l _Toc2951185972.6伺服電機驅動器與伺服電機 PAGEREF _Toc295118597 h 15HYPERLINK l _Toc2951185982.6.1伺服驅動器 PAGEREF _Toc295118598 h 17HYPERLINK l _Toc2951185992.6.2伺服電機 PAGEREF _Toc295118599 h 18HYPERLINK l _Toc2951186002.7NC運動控制模塊 PAGEREF _Toc295118600 h 19HYPERLINK l _Toc2951186012.7.1定義 PAGEREF _Toc295

13、118601 h 19HYPERLINK l _Toc2951186022.7.2功能 PAGEREF _Toc295118602 h 19HYPERLINK l _Toc2951186032.7.3選擇 PAGEREF _Toc295118603 h 19HYPERLINK l _Toc2951186042.8繼電器(KA)與接觸器（KM） PAGEREF _Toc295118604 h 19HYPERLINK l _Toc2951186052.8.1繼電器 PAGEREF _Toc295118605 h 19HYPERLINK l _Toc2951186062.8.2接觸器 PAGEREF

14、 _Toc295118606 h 20HYPERLINK l _Toc2951186072.8.3接觸器與繼電器的區(qū)別 PAGEREF _Toc295118607 h 20HYPERLINK l _Toc295118608第三章系統(tǒng)軟件設計 PAGEREF _Toc295118608 h 22HYPERLINK l _Toc2951186093.1總體設計方案 PAGEREF _Toc295118609 h 22HYPERLINK l _Toc2951186103.2 總控制系統(tǒng)工作流程圖 PAGEREF _Toc295118610 h 22HYPERLINK l _Toc2951186113

15、.3輸入輸出線表 PAGEREF _Toc295118611 h 22HYPERLINK l _Toc2951186123.4步驟一：步進電機兩軸聯(lián)動 PAGEREF _Toc295118612 h 23HYPERLINK l _Toc2951186133.4.1控制系統(tǒng)原理圖 PAGEREF _Toc295118613 h 23HYPERLINK l _Toc2951186143.4.2控制系統(tǒng)接線圖 PAGEREF _Toc295118614 h 24HYPERLINK l _Toc2951186153.4.3程序 PAGEREF _Toc295118615 h 24HYPERLINK l

16、 _Toc2951186163.4.4工作原理 PAGEREF _Toc295118616 h 25HYPERLINK l _Toc2951186173.5步驟二：交流伺服電機控制 PAGEREF _Toc295118617 h 25HYPERLINK l _Toc2951186183.5.1控制系統(tǒng)原理圖 PAGEREF _Toc295118618 h 25HYPERLINK l _Toc2951186193.5.2控制系統(tǒng)接線圖 PAGEREF _Toc295118619 h 25HYPERLINK l _Toc2951186203.5.3程序 PAGEREF _Toc295118620

17、h 26HYPERLINK l _Toc2951186213.5.4工作原理 PAGEREF _Toc295118621 h 28HYPERLINK l _Toc2951186223.6步驟三：步進電機C軸旋轉 PAGEREF _Toc295118622 h 28HYPERLINK l _Toc2951186233.5.1步進電機C軸控制接線圖 PAGEREF _Toc295118623 h 28HYPERLINK l _Toc2951186243.5.2程序 PAGEREF _Toc295118624 h 29HYPERLINK l _Toc2951186253.5.3工作原理 PAGERE

18、F _Toc295118625 h 30HYPERLINK l _Toc2951186263.6步驟四：變頻調速 PAGEREF _Toc295118626 h 30HYPERLINK l _Toc2951186273.6.1變頻調速接線圖 PAGEREF _Toc295118627 h 30HYPERLINK l _Toc2951186283.6.2程序 PAGEREF _Toc295118628 h 31HYPERLINK l _Toc2951186293.6.3工作原理 PAGEREF _Toc295118629 h 31HYPERLINK l _Toc2951186303.7本章小結

19、PAGEREF _Toc295118630 h 31HYPERLINK l _Toc295118631參考文獻 PAGEREF _Toc295118631 h 31HYPERLINK l _Toc295118632附錄一：文獻翻譯 PAGEREF _Toc295118632 h 33HYPERLINK l _Toc295118634附錄二：文獻檢索 PAGEREF _Toc295118634 h 46HYPERLINK l _Toc295118635附錄三：程序 PAGEREF _Toc295118635 h 49HYPERLINK l _Toc295118636 辭 PAGEREF _Toc

20、295118636 h 57第一章 緒 論1.1概述平面軌跡切削加工系統(tǒng)是由 HYPERLINK :/baike.baidu /view/445456.htm t _blank PLC控制系統(tǒng)與機械設備組成的用于加工平面中各種復雜形狀工件的高效率 HYPERLINK :/baike.baidu /view/16286.htm t _blank 自動化機床。此系統(tǒng)備有刀庫，具有自動換刀功能，是對工件一次裝夾后進行多工序加工的 HYPERLINK :/baike.baidu /view/18040.htm t _blank 自動化機床。它也是高度 HYPERLINK :/baike.baidu /

21、view/18397.htm t _blank 機電一體化的產(chǎn)品，工件裝夾后，系統(tǒng)能控制 HYPERLINK :/baike.baidu /view/9884.htm t _blank 機床按不同工序自動選擇、更換 HYPERLINK :/baike.baidu /view/26232.htm t _blank 刀具、自動對刀、自動改變主軸轉速、進給量等，可連續(xù)完成鉆、鏜、銑、鉸、攻絲等多種工序，因而大大減少了工件裝夾時間、測量和機床調整等輔助工序時間，對加工形狀比較復雜，精度要求較高，品種更換頻繁的零件具有良好的經(jīng)濟效果。本次設計的自動化平面軌跡切削加工系統(tǒng)由機械工作臺、電氣控制系統(tǒng)、控制軟

22、件三大部分組成。其中，機械工作臺由X、Y、Z、C四軸工作臺、刀庫與液壓系統(tǒng)等組成。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的圍。PLC是專門為工業(yè)生產(chǎn)服務的控制裝置，已成為當代工業(yè)自動化的主要支柱之一。四十年來，可編程控制器從無到有，實現(xiàn)了工業(yè)控制領域接線邏輯到存儲邏輯的飛躍，其功能從弱到強，實現(xiàn)了邏輯控制到數(shù)據(jù)控制的進步，其應用領域從小到大，實現(xiàn)了從單體簡單控制到運動控制，過程控制與集散控制等一系列功能。1.2 本課題研究的目的和意義

23、工件在切削系統(tǒng)上經(jīng)一次裝夾后，控制系統(tǒng)能控制機床按不同工序，自動選擇和更換刀具，自動改變機床主軸轉速、進給量和刀具相對工件的運動軌跡與其他輔助機能，依次完成工件幾個面上多工序的加工。并且有多種換刀或選刀功能，從而使生產(chǎn)效率大大提高3。 此切削系統(tǒng)由于工序的集中和自動換刀，減少了工件的裝夾、測量和機床調整等時間，使機床的切削時間達到機床開動時間的80左右(普通機床僅為1520)；同時也減少了工序之間的工件周轉、搬運和存放時間，縮短了生產(chǎn)周期，具有明顯的經(jīng)濟效果。加工中心適用于零件形狀比較復雜、精度要求較高、產(chǎn)品更換頻繁的中小批量生產(chǎn)5。PLC的優(yōu)點如下：1.應用簡便(1)應用靈活、安裝簡便標準的

24、積木式硬件結構與模塊化的軟件設計，是PLC不僅適用大小不同、功能復雜的控制要求，而且適應工程流程變化較多的場合。(2)變成簡化PLC采用電氣操作人員習慣的梯形圖形式編程，直觀易懂。因此，不僅程序開發(fā)速度快，而且程序的可讀性強，軟件維護方便。(3)操作方便、維修容易工程師編好的程序十分清晰直觀，只要寫好操作說明書，操作人員經(jīng)短期培訓就可以使用。另外，PLC具有完善的監(jiān)視和診斷功能，對其部工作狀態(tài)、通信狀態(tài)、I/O點狀態(tài)和異常狀態(tài)等有明顯的提示，使維修人員能與時、轉缺德判斷故障點，迅速替換故障模塊或插件，恢復生產(chǎn)。2.可靠性高PLC的可靠性高，主要是因為它在硬件與軟件兩方面都采取了嚴格的措施。在硬

25、件設計方面，首先是選用優(yōu)質器件，再者是合理的系統(tǒng)結構，簡化安裝，使他易于抗沖擊振動。對印刷電路板的設計、加工與焊接都采用了極為嚴格的工藝措施，而且在電路、結構與工藝上采取了一些獨特的方式，例如，在輸入輸出電路中采用了光隔離措施，做到電浮空；各個I/O端口除采用常規(guī)模擬器濾波以外，還加上數(shù)字濾波；部采用了電磁屏蔽措施，防止輻射干擾；采用了較先進的電源電路，以防止電源回路中串入的干擾信號；采用了較合理的電路形式，支持模塊在線插拔，調試時不會影響PLC的正常運行。在軟件設計方面也采取了很多特殊措施，設置了警戒時鐘WDT。系統(tǒng)運行時對WDT定時刷新，一旦程序出現(xiàn)了死循環(huán)，使之能立即跳出，重新啟動并發(fā)出

26、報警信號。上述有效措施，保證了PLC的高可靠性。所以它的平均無故障時間（MTBF）超過45萬小時，某些優(yōu)秀產(chǎn)品更高達十幾萬小時以上。3.抗電磁干擾性能好，環(huán)境適應性強PLC是按直接應用于工業(yè)環(huán)境而設計的，產(chǎn)品在相當寬的環(huán)境溫度、濕度，規(guī)定的機械振動、沖擊以與額定的電源電壓與頻率變化、電源瞬間中斷電源電壓降低等因素作用下，均能正常工作。4.功能完善PLC的基本功能包括邏輯運算、定時、計數(shù)、數(shù)值換算，不僅控制等。其擴展功能還有A/D、D/A轉換、PID閉環(huán)回路控制、高速計數(shù)、通信連網(wǎng)、中斷控制與特殊功能函數(shù)運算功能，可以通過上位機進行顯示、報警、記錄、人機對話，使控制水平大大提高。第二章 系統(tǒng)硬件

27、選型2.1 總體方案2.2 總控制系統(tǒng)接線圖總控制接線圖見附頁2.3可編程控制器（PLC）圖2-1 OMRON CP1H-X40DT-D PLC2.3.1系統(tǒng)結構2.3.2系統(tǒng)類型圖 2-2 最大通用輸入輸出點數(shù)圖名稱型號電源電壓輸出特性輸入特性擴展I/O單元最接數(shù)最大擴展點數(shù)CP1H X型CP1H-X40DR-AAC100240V繼電器輸出16點DC24V24點7280點（最多7單元，40點/單位）CP1H-X40DT-DDC24V晶體管輸出漏型16點CP1H-X40DT1-D晶體管輸出源型16點CP1HXA型CP1H-XA40DR-AAC100240V繼電器輸出16點DC24V24點7同上

28、CP1H-XA40DT-DDC24V晶體管輸出漏型16點CP1H-XA40DT1-D晶體管輸出源型16點CP1H Y型CP1H-Y20DT-DDC24V晶體管輸出漏型8點DC24V24點7同上本次畢業(yè)設計用到的是CP1H-X40DT-D型號的PLC，其輸出接口為晶體管型。2.3.3規(guī)格(1)輸入規(guī)格（XA/A型）X/XA型CP1H擁有24個輸入點，如圖2-3所示。0.000.11位共12點，1通道1.001.11位共12點，2個通道合計24點。圖2-3 X/XA型輸入端子臺排列圖X/XA型CP1H的通用輸入端子可以根據(jù)PLC的系統(tǒng)設定進行選擇和分配。 (2)輸出規(guī)格X/XA型CP1H擁有16個

29、輸出點，如圖2-4所示。100通道100.00100.07位共8點，101通道101.00101.07位共8點，合計16點。圖2-4 X/XA型輸出端子臺排列圖X/XA型CP1H的通用輸出端子可以根據(jù)PLC的系統(tǒng)設定進行脈沖輸出。2.3.4輸出類型= 1 * GB3繼電器輸出型繼電器型可接交流220V或直流24V負載，沒有極性要求。 繼電器型的負載電流比較大，可以達到2A。但是繼電器型響應時間比較慢（約10ms-20ms）。而且它是機械元件，動作次數(shù)（壽命）會受到限制，且與負載容量有關，隨著負載容量的增加，觸點壽命幾乎按級數(shù)減少。= 2 * GB3晶體管輸出型晶體管型只能接直流24V負載，有極

30、性要求。晶體管型負載電流為0.2-0.3A。其響應時間比較快，約0.2ms-0.5ms，甚至可以達到10。晶體管型的是電子原件，只有老化，沒有使用壽命限制。= 3 * GB3脈沖輸出型= 4 * GB3PWM輸出型2.3.5選擇繼電器輸出型電流大，響應慢，有機械壽命，適用于驅動中間繼電器、接觸器的線圈、指示燈等動作頻率不高的場合。晶體管輸出型電流小，頻率高，壽命長，適用于控制伺服控制器、固態(tài)繼電器等要求頻率高、壽命長的應用場合。在高頻應用場合，如果同時需要驅動大負載，可以加其他設備（如中間繼電器，固態(tài)繼電器等）方式驅動。因此，此次畢業(yè)設計選擇的是晶體管輸出型PLC（OMRON CP1H-X40

31、DT-D）2.4變頻器與三相交流異步電動機2.4.1變頻器定義變頻器是利用電力半導體器件吧電壓、頻率固定的交流電變成電壓、頻率可調的交流電的變換器。它主要由兩部分電路構成，一是主電路（整流模塊、電解電容和逆變模塊），二是控制電路（開關電源板、控制電路板）。CPU就安裝在控制電路板上，變頻器的操作軟件燒錄在CPU上，同一型號的變頻器軟件是固定的，唯一例外的就是三晶變頻器，軟件可根據(jù)使用需求更改。2.4.2工作原理交流變頻技術的原理是把工頻50HZ的交流電轉換成頻率和電壓可調的交流電，通過改變交流電動機定子繞組的供電頻率，在改變頻率的同時也改變電壓，從而達到調節(jié)電動機轉速的目的（即VVVF技術）。

32、我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交直交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率10。圖2-5變頻器的基本原理框圖2.4. 3操作面板圖2-6 變頻器操作面板顯示部位顯示輸出頻率、電流、線速度、異常容、設定功率時的數(shù)據(jù)與其參數(shù)NoRUN(運行)鍵是變頻器運行的鍵STOP(停止)鍵是變頻器運行停止的鍵MODE（模式

33、）鍵切換“輸出頻率電流顯示“、”頻率設定監(jiān)控“、”旋轉方向設定“、”功能設定“等各種模式以與將數(shù)據(jù)顯示切換為模式顯示所用的鍵SET(設定鍵)切換模式和數(shù)據(jù)顯示以與存儲數(shù)據(jù)所用鍵。在“輸出頻率電流顯示模式“下，進行頻率顯示和電流顯示的切換UP（上升）鍵改變數(shù)據(jù)或輸出頻率以與利用操作板使其正常運行時，用于設定正轉方向DOWN(下降)鍵改變數(shù)據(jù)或輸出頻率以與利用操作板使其正常運行時，用于設定反轉方向頻率設定鍵用操作板設定運行頻率而使用的旋鈕2.4.4接線方法圖2-7變頻器接線圖端子規(guī)格：螺絲尺寸M3（母螺絲） 緊固力矩 0.50.6Nm頻率設定電位器（VR）規(guī)格：10k，1/4W以上的電位器4繼電器

34、輸出接點規(guī)格：1c無電壓接點，250VAC 0.5A（電阻負荷）開路式集電極輸出規(guī)格：最大額定值50VCD,50mA注：在頻率設定中使用420mA信號時，一定要連接200、1/4W的電阻。（如不連接電阻，變頻器可能燒壞）2.4. 5三相異步交流電動機三相交流異步電動機主要由定子和轉子構成，定子是靜止不動的部分，轉子是旋轉部分，在定子與轉子之間有一定的氣隙。由于本系統(tǒng)中，三相交流異步電動機用來帶動刀具進行切削，需要較大的轉矩，但是對轉動的精度卻基本沒有要求，故選擇三相交流異步電動機可以很好的達到設計要求，還能降低成本。綜合考慮以上因素，在粗加工時主軸速度較低,切削深度和切削用量較大,輸出較大轉矩

35、，而精加工時主軸速度較高,切削深度和切削用量較小,輸出轉矩較小,即主軸滿足恒功率調速要求。故根據(jù)/T 1009-1991選擇YS 系列三相交流異步電動機，其基本參數(shù)為：代號45，功率16W，電流0.09A，轉速2800r/min，額定轉矩2.4N.m，其具有體積小，重量輕，結構簡單，運行可靠，維修方便等優(yōu)點。2.5步進電機驅動器與步進電機圖2-8步進驅動器2.5.1步進驅動器的選擇此次畢業(yè)設計選擇的是兩相混合式步進電機細分驅動器 SH-20403細分驅動器的原理是通過改變相鄰（A，B）電流的大小，以改變合成磁場的夾角來控制步進電機運轉的。（一）接線圖圖2-9步進電機驅動器與步進電機接線圖（二）

36、性能指標表2-3電氣性能（環(huán)境溫度Tj=25時）供電電源10V40VDC,容量0.03KVA輸出電流峰值3A/相（Max）（電流可由面板數(shù)碼開關設定）驅動方式恒相流PWM控制勵磁方式整步、半步、4細分、8細分、16細分、32細分、64細分絕緣電阻在常溫常壓下100M絕緣強度在常溫常壓下0.5KV，1分鐘表2-4使用環(huán)境與參數(shù)冷卻方式自然冷卻使用環(huán)境場合盡量避免粉塵、油霧與腐蝕氣體溫度0C+50C濕度80%RH,無凝露，無結霜震動5.9m/ Max保存溫度-20C+65C外形尺寸1166037mm重量0.21kg（三）電源電壓驅動器部的開關電源設計保證了可以適應較寬的電壓圍，用戶可根據(jù)各自的情況

37、在10V到40VDC之間選擇。一般來說較高的額定電源電壓有利于提高電機的高速力矩，但卻會加大驅動器的損耗和升溫 7。（四）輸出電流選擇本驅動器最大輸出電流值為3A/相（峰值），通過驅動器面板上六位撥碼開關的第5、6、7三位可組合出八種狀態(tài)，對應八種輸出電流，從0.9A到3A，以配合不同的電機使用 8。表2-5輸出電流選擇567567567567ONONON0.9AONOFFON1.5AONONOFF1.2AONOFFOFF1.8AOFFONON2.1AOFFOFFON2.7AOFFONOFF2.4AOFFOFFOFF3A（五）細分選擇本驅動器可提供整步、改善半步、4細分、8細分、16細分、32

38、細分和64細分七種運行模式，利用驅動器面板上的六位撥碼開關的第1、2、3三位可組合出不同的狀態(tài) 8。表2-6細分選擇123123123123ONONON保留ONOFFON32細分ONONOFF8細分ONOFFOFF半步OFFONON64細分OFFOFFON16細分OFFONOFF4細分OFFOFFOFF整步將“電機固有步距角”細分成若干小步的驅動方法，稱為細分驅動，細分是通過驅動器精確控制步進電機的相電流實現(xiàn)的，與電機本身無關。其原理是，讓定子通電相電流并不一次升到位，而斷電相電流并不一次降為0（繞組電流波形不再是近似方波，而是N級近似階梯波），則定子繞組電流所產(chǎn)生的磁場合力，會使轉子有N個新

39、的平衡位置（形成N個步距角）。2.5.2步進電動機的選擇圖2-10步進電機（一）定義步進電機是將電 HYPERLINK :/baike.baidu /view/107414.htm t _blank 脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。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“ HYPERLINK :/baike.baidu /view/1054115.htm t _blank 步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控

40、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。由于脈沖信號數(shù)與步距角的線性關系，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單1。（二）特點(1)進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。 (2)外表允許的最高溫度。 步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。

41、(3)機的力矩會隨轉速的升高而下降。 當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。 (4)機低速時可以正常運轉,但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。步進電機有一個技術參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）1。 （三）步進電機的一些基本參

42、數(shù)(1)電機固有步距角它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如86BYG250A型電機給出的值為0.9/1.8（表示半步工作時為0.9、整步工作時為1.8），這個步距角可以稱之為電機固有步距角，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅動器有關。 (2)步進電機的相數(shù)是指電機部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9/1.8、三相的為0.75/1.5、五相的為0.36/0.72 。在沒有細分驅動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使

43、用細分驅動器，則相數(shù)將變得沒有意義，用戶只需在驅動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。 (3)保持轉矩是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如，當人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2N.m的步進電機。（三）絲杠的選擇根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇滾珠絲桿，綜合各種因素選擇循環(huán)滾珠絲杠(/T 9893-1999), 此絲杠的規(guī)格代號為1604；公稱直徑=16mm；公稱導程=4

44、mm；（四）步進電機的選擇根據(jù)本系統(tǒng)的設計可知，Z軸運動所需的轉矩最大，三相交流異步電動機的重量為 ，加上步進電機、固定板、刀具等的重量共為10kg.滾珠絲杠所需驅動扭矩為： =T：驅動扭矩Fa：導向面上的摩擦阻力：導向面上的摩擦系數(shù)g：重力加速度Ph：進給絲杠的導程：進給絲杠的正效率滾珠絲杠=0.003，=0.96推出： =0.195故選擇56BYG250D-SASSBL-0241型步進電動機，此電動機的參數(shù)：相數(shù)：2；步距角：0.9/1.8；靜態(tài)相電流：2.4A；相電阻:1.5;相電感：5.4mH；保持轉矩：1.72N.m；定位轉矩：0.07 N.m；空載啟動頻率：3.0KHZ；重量：1k

45、g；轉動慣量：460g/；驅動電壓：48VDC。（五）步進電機與絲杠的配合計算根據(jù)以上步進電動機與絲杠的選擇，可知步距角為0.9，絲杠的導程為4mm.由此可計算出當步進電機驅動器毎發(fā)出一個脈沖絲杠移動的距離SS=4mm =0.01mm2.6伺服電機驅動器與伺服電機由于在刀具進給方向上，需要對被控對象實現(xiàn)高精度的位置控制，而實現(xiàn)精確位置控制的一個基本條件是需要有高精度的執(zhí)行機構。當脈沖當量和進給速度都要求太高時，傳統(tǒng)的步進電機或直流伺服電機將面臨一系列問題，且實現(xiàn)起來難度大，成本較高。而交流伺服電機傳動技術卻能以較低的成本獲取極高的位置控制精度，所以在本系統(tǒng)中Y軸方向的運動采用伺服驅動器控制伺服

46、電機進行進給2.6.1伺服電機驅動器（一）伺服電機驅動器控制面板圖2-11伺服電機驅動器控制面板表2-7面板說明按 鍵激 活 條 件功 能在模式顯示時有效在以下5種模式之間切換：監(jiān)視器模式參數(shù)設置模式EEPROM寫入模式自動調整模式輔助功能模式一直有效用來在模式顯示和執(zhí)行顯示之間切換僅對有小數(shù)點閃爍的那一位數(shù)據(jù)有效改變各模式里的顯示容、更改參數(shù)、選擇參數(shù)或執(zhí)行選中的參數(shù)把可移動的小數(shù)點移動到更高位數(shù)（二）驅動器的各個接口圖2-12伺服驅動器接口圖（三）驅動器的工作原理伺服驅動器的工作目的，主要是根據(jù)伺服控制器送出的指令（P,V,T）工作。同步電機并非完全同步于旋轉磁場，驅動器必須進行修正工作，

47、使電機工作穩(wěn)定不失步。本系統(tǒng)通過PLC將動作信息傳輸輸給伺服驅動器，伺服驅動器通過部的位置控制單元、速度控制單元與驅動單元的配合去驅動伺服電機，伺服電機帶動絲杠，以完成PLC程序中所要求的動作。2.6.2伺服電機（一）定義伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，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。伺服電機可使控制速度、位置精度非常準確。將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。其主要分為直流伺服電機和交流伺服電機。（二）主要特點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。（三）工作原理交流伺服電動機定子的構造基本上與電容分相式單相異步電動機相似

48、.其定子上裝有兩個位置互差90的繞組，一個是勵磁繞組Rf，它始終接在交流電壓Uf上；另一個是控制繞組L，聯(lián)接控制信號電壓Uc。所以交流伺服電動機又稱兩個伺服電動機。 交流伺服電動機在沒有控制電壓時，定子只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈動磁場，轉子靜止不動。當有控制電壓時，定子便產(chǎn)生一個旋轉磁場，轉子沿旋轉磁場的方向旋轉，在負載恒定的情況下，電動機的轉速隨控制電壓的大小而變化，當控制電壓的相位相反時，伺服電動機將反轉。 交流伺服電動機的工作原理與分相式單相異步電動機雖然相似，但前者的轉子電阻比后者大得多，所以伺服電動機與單機異步電動機相比，有三個顯著特點： (1)起動轉矩大 由于轉子電阻大，其轉矩特性曲線如

49、圖3中曲線1所示，與普通異步電動機的轉矩特性曲線2相比，有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉差率，這樣不僅使轉矩特性（機械特性）更接近于線性，而且具有較大的起動轉矩。因此，當定子一有控制電壓，轉子立即轉動，即具有起動快、靈敏度高的特點。 (2)運行圍較廣 (3)無自轉現(xiàn)象 正常運轉的伺服電動機，只要失去控制電壓，電機立即停止運轉。當伺服電動機失去控制電壓后，它處于單相運行狀態(tài)，由于轉子電阻大，定子中兩個相反方向旋轉的旋轉磁場與轉子作用所產(chǎn)生的兩個轉矩特性（T1S1、T2S2曲線）以與合成轉矩特性（TS曲線） 交流伺服電動機的輸出功率一般是0.1-100W。當電源頻率為50Hz，電壓有36V、110V、2

50、20、380V；當電源頻率為400Hz，電壓有20V、26V、36V、115V等多種。 交流伺服電動機運行平穩(wěn)、噪音小。但控制特性是非線性，并且由于轉子電阻大，損耗大，效率低，因此與同容量直流伺服電動機相比，體積大、重量重，所以只適用于0.5-100W的小功率控制系統(tǒng)。2.7NC運動控制模塊2.7.1定義NC運動控制模塊是一種快速高精度的運動控制模塊，分為CJ、CS、C200H系列，對應不同的CPU模塊，和置脈沖控制比較，NC模塊可以實現(xiàn)多軸插補，存序列操作與示教，中斷進給以完成更加復雜的運動。2.7.2功能（1）高速響應定位控制單元對于來自CPU 單元的指令在2 毫秒做出響應（2）存儲器操作

51、和直接操作有兩種不同的控制方法。第一種是存儲器操作，在這種操作中定位所需的信息被傳輸?shù)絇CU，然后對應定位控制具體化；第二種是直接操作，在這種操作中目的位置和目的速度每次都要由CPU 單元設置。（3）控制軸的數(shù)量和輸出類型PCU可以有1、2或者4個軸。使用2或4個軸的型號，對于所有的軸線線性線性插都可以實現(xiàn)。對于任何數(shù)目的控制軸，開放式控制器輸出，或者線路激勵器輸出都是可得的。要根據(jù)控制軸的數(shù)量和期望的輸出類型選擇最適當?shù)男吞?。?）可由軸來選擇的電機驅動器步進電機驅動器和脈沖序列輸入類型的伺服電機驅動器可以與PCU相連。對不同的允許混合使用不同類型的電機驅動器的軸可以設置不同的操作模式。（5

52、）中斷進給當一個中斷在脈沖輸出過程中輸入時，定位僅僅繼續(xù)進行一定的數(shù)量然后停止。（6）定位和速度控制圍定位可以在1,073,741,823 至1,073,741,823 個脈沖位置圍被執(zhí)行，速度在每1 個脈沖單位中在1 至500,000 pps 圍。這意味著在大圍以精確的速度定位是可能的。2.7.3選擇由于本次設計平面軌跡切削加工控制系統(tǒng)，即只設計系統(tǒng)滿足平面的切削即可，故選擇雙軸定位模塊來控制X、Z軸的聯(lián)動，已達到完成切削“中”字的要求，雙軸定位模塊的型號為CJ1W-NC2132.8繼電器(KA)與接觸器（KM）2.8.1繼電器(1)定義繼電器是一種當輸入量（電、磁、聲、光、熱）達到一定值時

53、，輸出量將發(fā)生跳躍式變化的自動控制器件。(2)工作原理當輸入量(如 HYPERLINK :/baike.baidu /view/10954.htm t _blank 電壓、 HYPERLINK :/baike.baidu /view/10897.htm t _blank 電流、 HYPERLINK :/baike.baidu /view/8193.htm t _blank 溫度等)達到規(guī)定值時，使被控制的輸出電路導通或斷開的電器。具有動作快、工作穩(wěn)定、使用壽命長、體積小等優(yōu)點。廣泛應用于 HYPERLINK :/baike.baidu /view/69126.htm t _blank 電力保護

54、、 HYPERLINK :/baike.baidu /view/16286.htm t _blank 自動化、運動、 HYPERLINK :/baike.baidu /view/119948.htm t _blank 遙控、測量和通信等裝置中15。(3)作用繼電器一般都有能反映一定輸入變量（如電流、電壓、功率、阻抗、頻率、溫度、壓力、速度、光等）的感應機構（輸入部分）；有能對被控電路實現(xiàn)“通”、“斷”控制的執(zhí)行機構（輸出部分）；在繼電器的輸入部分和輸出部分之間，還有對輸入量進行耦合隔離，功能處理和對輸出部分進行驅動的中間機構（驅動部分）。 2.8.2接觸器(1)定義接觸器(Contactor)

55、是指工業(yè)電中利用線圈流過電流產(chǎn)生磁場，使觸頭閉合，以達到控制負載的電器。接觸器由電磁系統(tǒng)（鐵心，靜鐵心，電磁線圈）觸頭系統(tǒng)（常開觸頭和常閉觸頭）和滅弧裝置組成。(2)分類1)按控制線圈的電壓分直流接觸器、交流接觸器 2)按操作機構分電磁式接觸器、永磁式接觸器3)按驅動方式分液壓式接觸器、氣動式接觸器 4)按動作方式分直動式接觸器、轉動式接觸器(3)工作原理當接觸器的電磁線圈通電后，會產(chǎn)生很強的磁場，使靜鐵心產(chǎn)生電磁吸力吸引銜鐵，并帶動觸頭動作：常閉觸頭斷開；常開觸頭閉合，兩者是聯(lián)動的。當線圈斷電時，電磁吸力消失，銜鐵在釋放彈簧的作用下釋放，使觸頭復原：常閉觸頭閉合；常開觸頭斷開11。2.8.3

56、接觸器與繼電器的區(qū)別繼電器：輔助觸點比較多，用于控制電路、電流小，沒有滅 弧裝置，可在電量或非電量的作用下動作。其輔助觸點電流一般小于10A，多數(shù)在5A接觸器：輔助觸點少，用于主電路，電流大，觸頭可以通過大電流，用于主回路較多。有滅弧裝置，一般只能在電壓作用下動作12。 HYPERLINK :/baike.baidu /image/d1e312f41350f0df7709d70a t _blank 圖2-13 西門子接觸器 圖2-14 西門子繼電器第三章 系統(tǒng)軟件設計3.1總體設計方案原點 復位 中間位置 Y軸前進到加工面進行加工 主軸轉動 加工“中”字 Y軸退回 C軸旋轉3.2 總控制系統(tǒng)工

57、作流程圖總控制流程圖見附頁3.3輸入輸出線表表3-1 I/O分配PLC其 它其 它其 它輸入0.00按鈕和選擇開關啟動（左）24V（-）啟動（右）0.01停止（左）停止（右）0.02正向（左）正向（右）0.03反向（左）反向（右）0.04復位（左）復位（右）0.05自動（上）自動（下）0.06手動（上）手動（下）0.07X軸選擇（紅）X軸選擇（黑）0.08Z軸選擇（紅）Z軸選擇（黑）0.09Y軸選擇（紅）Y軸選擇（黑）0.10Y軸信號后極限（紅）后極限（黑）0.11前極限（紅）C軸選擇（黑）1.00原位（紅）COM0、COM1、COM2、COM31.01C軸選擇（紅）COM24V（+）100.

58、01Y軸交流伺服4其 它其 它100.036Y軸交流伺服324V（+）100.0429578Y前極限（紅）9Y后極限（紅）4124V（-） 5V（-）主軸變頻器1電位器（左孔）2電位器（下孔）3電位器（右孔）24V（-）101.02主軸變頻器6U交流電動機U5101.035VV5WW5100.00C軸步進2C軸步進15V（+）100.0233.4步驟一：步進電機兩軸聯(lián)動3.4.1控制系統(tǒng)原理圖圖3-2 步進電機兩軸聯(lián)動控制系統(tǒng)原理圖實驗原理：PLC接受外部操作信號發(fā)送給CJ1WNC213(三菱PLC的兩軸定位模塊)，CJ1WNC213接受命令并控制驅動器使運動軸按軌跡運動13。3.4.2控制系

59、統(tǒng)接線圖圖3-3步進電機兩軸聯(lián)動控制系統(tǒng)接線圖3.4.3程序3.4.4工作原理PLC接受外部操作信號發(fā)送給兩軸定位模塊CJ1W-NC213，CJ1W-NC213接受命令并控制驅動器使運動軸按軌跡運動。此次設計先實現(xiàn)X、Y、軸的復位,然后X軸運動，Z軸運動，使刀具對準到中間位置。X、Y軸聯(lián)動，從而在蠟膜上形成“中”字。3.5步驟二：交流伺服電機控制3.5.1控制系統(tǒng)原理圖圖3-4 典型控制系統(tǒng)框圖3.5.2控制系統(tǒng)接線圖圖3-5 交流伺服電機控制系統(tǒng)接線圖3.5.3程序3.5.4工作原理合上QF1和QF3，PLC通電，交流伺服系統(tǒng)接通控制電壓，PLC使輸出103.01為1，KA2得電，觸頭使KM

60、3線圈得電，主觸頭閉合，伺服系統(tǒng)強電接通，然后PLC使103.04為1，給交流伺服使能。此時，交流伺服完全準備好，可以執(zhí)行定位控制。定位脈沖信號由PLC的100.01發(fā)出，方向由100.03控制。前、后限位開關直接接入交流伺服驅動器的專用輸入端，進行限位保護。3.6步驟三：步進電機C軸旋轉3.5.1步進電機C軸控制接線圖圖3-6步進電機C軸控制接線圖3.5.2程序3.5.3工作原理通過PLC的100.00、100.02輸出端分別產(chǎn)生脈沖和方向信號給步進電動機驅動器SH20403,驅動步進電動機M按升降方式運行。而步進電動機則驅動蝸輪蝸桿，再由蝸輪蝸桿帶動C軸旋轉14。3.6步驟四：變頻調速3.