[工学]实验指导书HJD1校内.doc

HJD-1系列机电一体化教学实验系统实 验 指 导 书华中科技大学机械学院工艺装备及自动化系2006年8月目 录前 言实验一 三相异步电动机启停控制实验(1) 实验二 PLC控制三相异步电动机正反转控制实(4) 实验三 PLC控制三相异步电动机变频调速实验(8) 实验四 PLC顺序控制程序设计与调试实验(15) 实验五 步进电机单轴定位控制实验(18) 实验 交流伺服电机单轴定位控制实验(24) 实验六 PC与PLC串行通信程序设计与调试实验(29) 实验七 PC和PLC 两级控制程序设计和调试实验(35) 实验八 步进电机两轴联动控制实验 (39) 实验九 数控机床基本组成及功能部件的认识实验(44) 实验十 蜡模的定位钻孔加工实验(49)实验十一 蜡模的平面轨迹铣削加工实验(51)前 言HJD-4型机电一体化教学实验系统是在深入调研和全面考察国内相关专业教学实验现状，掌握了大量第一手资料的基础上，研制开发出的新型教学实验产品。它由PC机、电气控制系统和微加工中心机械平台及控制软件等组成。其中电气控制系统包括：PLC、变频调速器、交流伺服电动机及驱动、步进电动机及驱动、1PG、20GM定位模块、PLC与PC通信接口板、继电器和接触器及控制面板等。HJD-4机电一体化教学实验系统是我们开发的机电一体化教学实验系列产品中最复杂的一种。 该教学实验产品具有如下用途 ：1可完成机电传动控制、可编程控制器原理与应用、机床电气控制、机床概论、机械加工自动化、数控技术、数控机床、机电一体化控制技术与系统等课程的实验教学 ；2为机电类本科生、专科生的课程设计及毕业设计提供实践条件 ；3为教师和相关科技人员从事机电产品开发提供实验平台 ；4为企业培养机电一体化设备的维护管理人员 。该产品因其具有先进性、启发性、实战性等特点，在向华中科技大学机械学院研究生、本科生、专科生开出实验后，受到了学生们的普遍欢迎，收到了良好的教学效果。通过实验训练后，学生可根据实际需求独立设计和调试较复杂的机电控制系统。 自从该教学实验产品研制成功并投入使用以来，我们已接待了一大批来自全国各地高等院校的教师及有关专家的参观、咨询，得到了来访者的肯定和称赞。概括起来就是：“起点高，内容新，覆盖面广，实战性强，值得大力推广！” 。该产品于2001年在北京市高校教设招标活动中一举中标；于2002年在世行贷款教设招标活动中一举中标。现已有几十家兄弟院校有意向或已经购买该教学实验产品，如：浙江大学、湘潭大学、北京石油化工学院等等。本实验系统实验内容包括如下几个方面：1数控设备的基本结构和主要部件开放式的数控平台对数控机床的基本结构和主要部件产生感性认识。2继电器接触器基本控制电路电气控制系统中包括自动化设备中常用的手动电器、自动电器、保护电器。通过继电器接触器组成的异步电动机启停控制、正反转控制等基本电路的设计和实验，使学生更进一步了解各种电器的基本结构、工作原理、作用、使用场合以及继电器接触器控制电路的组成和工作原理。3可编过程控制器的应用包括PLC对异步电动机的启停和正反转控制、交通灯的控制、电梯的控制、PLC高速输出端实现单轴定位、PLC定位模块实现定位控制以及PLC与PC的通讯等实验。通过实验使学生了解PLC在各种领域的应用，学会应用PLC组成各种控制系统的方法和技能以及PLC编程技巧。4交流异步电动机变频调速控制PLC通过变频器实现主轴的无级调速控制，使学生弄清一般交流变频器的工作原理、使用方法以及利用PLC的高速输入端进行速度测量的方法和使用技巧。5步进电动机控制系统通过PLC的定位模块对步进电动机驱动器进行控制，实现单轴定位。通过设计、实验与分析更深刻理解步进电动机控制系统的工作原理和步进电动机的各种特性（如突跳频率、运行频率、低频振动等）以及步进电动机控制系统在定位控制中脉冲当量的计算方法、原位的意义。6交流伺服控制系统通过PLC对交流伺服驱系统进行控制，实现单轴定位。通过设计、实验与分析更深刻理解交流伺服系统的工作原理和各种特性以及脉冲单位的确定和脉冲当量的计算方法。进一步了解步进电动机系统和交流伺服系统的性能差别。7计算机控制技术（CNC方面的应用）使用PLC的PC编程软件进行PLC程序的编写、读入、写入、监控、参数的修改等，掌握PLC的PC编程软件的使用方法；使用高级语言编写和调试PC与PLC的串行通讯、控制接口、直线插补、圆弧插补、一般两级系统的控制、位置控制板卡的二次开发等程序，掌握计算机技术在自动化领域的应用技能。本书作为该教学实验产品的配套实验指导书。教师可根据课程类别以及学生情况来选择实验项目或在此基础上开发新的实验项目。由于编者水平有限，错误或不足之处在所难免，殷望广大教师和读者不惜斧正。 编 者 实验一 三相异步电动机启停控制实验一、实验目的1、 进一步学习和掌握接触器以及其它控制元器件的结构、工作原理和使用方法；2、 通过三相异步电动机的启、停控制电路的实验，进一步学习和掌握接触器控制电路的结构和工作原理。二、实验原理图1-1为三相异步电动机的继电器接触器基本启停控制电路，左边为电路的主回路，右边为电路的控制回路。图 1-1 三相异步电动机直接启停控制电路图中：QG刀开关，为电源开关；FU熔断器，电路的基本保护之一，短路保护；KH热继电器，电路的基本保护之二，超载保护； KM接触器，是三相异步电动机起停控制的主要电器，线圈由控制回路控制得电或失电，从而控制主触头闭合或断开，使电动机接通电源运行或断开电源停止。1SB启动按钮；2SB停止按钮。电路的基本工作原理是：首先合上刀开关QG ，再按下启动按钮1SB，KM线圈得电并自锁，主触头闭合，电动机得电运行。按下停止按钮2SB，KM线圈失电，主触头断开，电动机失电停止。三、实验步骤 实验电路如图1-2所示。图中QF5为断路器，它集刀开关、熔断器和热继电器的功能于一体，在电路中起电源开关、短路保护、超载保护以及欠压保护的作用。电路中控制的交流电动机M为主轴电动机，因此，电动机运行时，主轴旋转。1在操作面板上找到交流电源、交流电机、接触器KM5以及操作按钮“启动”、“停止”所对应的接线端子；2按图1-2完成控制电路的接线（为了安全起见，虚线外的联机已接好，接线时请务必断开QF5）；图1-2 三相异步电动机直接启停控制电路接线图3经老师检查认可后进行下面操作；4合上断路器QF5，观察电动机和接触器的工作状态；5按下操作控制面板上“启动”按钮，观察接触器和电动机的工作状态；6按下操作控制面板上“停止”按钮，观察接触器和电动机的工作状态。7当未合上断路器QF5时，进行4和5步操作，观察结果。四、注意事项1接线和拔线时，请务必断开QF5；2QF5合上后，请不要用手触摸接线端子；3请务必不能将导线一端接入交流电源、交流电机、KM5的接线端子上，另一端放在操作台上而合上QF5。 4通电实验时，请不要用手触摸主轴。五、实验用电器组件和工具 三相异步电动机 1台 断路器(QF5) 1个 接触器(KM5) 1个 按 钮 2个 实验导线 若干 六、实验前的准备 预习实验报告，复习教材的相关章节。七、实验报告要求1 记录实验中所用异步电动机的名牌数据；2 弄清QF5型号和功能；3 比较实验结果和电路工作原理的一致性；4 说明6步的实验结果并分析原因。 八、思 考 题1 控制回路的控制电压是多少？2 接触器是交流接触器，还是直流接触器？接触器线圈的工作电压是多少3 如果将控制回路从W4的联机改接在W5上，电路是否能正常工作？为什么？4 控制电路是怎样实现短路保护和超载保护的？5 电动机什么情况下采用直接启动方法？实验二 PLC控制三相异步电动机正反转实验一、实验目的 1 学习和掌握PLC的实际操作和使用方法 ；2 学习和掌握PLC控制三相异步电动机正反转的硬件电路设计方法；3 学习和掌握PLC控制三相异步电动机正反转的程序设计方法；4 学习和掌握PLC控制系统的现场接线与软硬件调试方法。二、实验原理三相异步电动机定子三相绕组接入三相交流电，产生旋转磁场，旋转磁场切割转子绕组产生感应电流和电磁力，在感应电流和电磁力的共同作用下，转子随着旋转磁场的旋转方向转动。因此转子的旋转方向是通过改变定子旋转磁场旋转的方向来实现的，而旋转磁场的旋转方向只需改变三相定子绕组任意两相的电源相序就可实现。如图2.1所示为PLC控制异步电动机正反转的实验原理电路。图2.1 PLC控制三相异步电动机正反转实验原理图左边部分为三相异步电动机正反转控制的主回路。由图可知：如果KM5的主触头闭合时电动机正转，那么KM6主触头闭合时电动机则反转，但KM5和KM6的主触头不能同时闭合，否则电源短路。右边部分为采用PLC对三相异步电动机进行正反转控制控制回路。由图可知：正向按钮接PLC的输入口X0，反向按钮接PLC的输入口X1，停止按钮接PLC的输入口X2；继电器KA4、KA5分别接于PLC的输出口Y33、Y34，KA4、KA5的触头又分别控制接触器KM5和KM6的线圈。实验中所使用的PLC为三菱FX2N系列晶体管输出型的，由于晶体管输出型的输出电流比较小，不能直接驱动接触器的线圈，因此在电路中用继电器KA4、KA5做中间转换电路。在KM5和KM6线圈回路中互串常闭触头进行硬件互锁，保证软件错误后不致于主回路短路引起断路器自动断开。电路基本工作原理为：合上QF1、QF5，给电路供电。当按下正向按钮，控制程序使Y33为1，继电器KA4线圈得电，其常开触点闭合，接触器KM5的线圈得电，主触头闭合，电动机正转；当按下反向按钮，控制程序使Y34为1，继电器KA5线圈得电，其常开触点闭合，接触器KM6的线圈得电，主触头闭合，电动机反转。三、实验步骤1断开QF1、QF5，按图2-2接线（为安全起见，虚线框外的联机已接好） ；2在老师检查合格后，接通断路器QF1、QF5 ； 3运行PC机上的工具软件FX-WIN，并使PLC工作在STOP 状态；4输入对应上述控制电路的异步电动机正反转的PLC程序并将程序传至PLC； 5使PLC工作在RUN状态，操作控制面板上的相应按钮，实现电动机的正反转控制。在PC机上对运行状况进行监控，同时观察继电器KA4、KA5和接触器KM5 、KM6的动作以及主轴的旋转方向，调试并修改程序直至正确 ；6重复4、5步骤，调试其它实验程序。 图 2-2 实验接线图四、实验说明及注意事项1 本实验中，继电器KA4、KA5的线圈控制电压为24V DC，其触点5A 220V AC（或5A 30V DC）；接触器KM5、KM6的线圈控制电压为220V AC，其主触点25A 380V AC。2 三相异步电动机的正、反转控制是通过正、反向接触器KM5、KM6改变定子绕组的相序来实现的。其中一个很重要的问题就是必须保证任何时候、任何条件下正反向接触器KM5、KM6都不能同时接通，否则会造成电源相间瞬时短路。为此，在梯形图中应采用正反转互锁，以保证系统工作安全可靠。3 接线和拔线时，请务必断开QF5；4 QF5合上后，请不要用手触摸接线端子；5 请务必不能将导线一端接入交流电源、交流电机、KM5、KM6的接线端子上，另一端放在操作台上而合上QF5。 6 通电实验时，请不要用手触摸主轴。五、实验用仪器工具 PC 机 1台 PLC 1台 编程电缆线 1根 三相异步电动机 1台 断路器（QF1、QF5） 2个 接触器（KM5、KM6） 2个 继电器（KA4、KA5） 2个 按钮 3个 实验导线 若干 六、实验前的准备1 预习实验报告，复习教材的相关章节；2 熟悉三菱FX2N编程工具、编程方法以及调试监控方法；3 根据实验电路，编写好如下实验程序（梯形图、指令代码均可）：1）按“正向”按钮，主轴正转，按“反向”按钮，主轴反转。但主轴由正转变反转或由反转变正转必须先停止；2）无论主轴处于何种状态（正转、反转或停止），按“正向”按钮，主轴正转，按“反向”按钮，主轴反转。3）改变“正向”、“反向”、“停止”按钮与PLC输入接口的连接对应的程序。七、实验报告要求画出调试好的程序梯形图，写出指令代码，分析实验结果。八、思 考 题1 试比较继电器和接触器的结构及工作原理的异同点；2 请说明本实验中继电器的线圈工作电压和接触器的线圈工作电压分别是多少？3 试比较可编程控制器的三种输出接口：晶体管输出方式、晶闸管输出方式、继电器输出方式的工作原理异同点；4 能否将接触器KM5，KM6的线圈直接接至PLC的输出端Y33、Y34（注：本实验所用的PLC为FX2N-64MT，其输出接口为晶体管型）？实验三 PLC控制三相异步电动机变频调速实验一、实验目的1. 学习和掌握变频器的操作及控制方法 ；2. 深入了解三相异步电动机变频调速性能；3. 进一步学习PLC控制系统硬件电路设计和程序设计、调试。二、实验原理通过改变三相异步电动机定子绕组电压的频率，可以改变转子的旋转速度，当改变频率的同时改变电压的大小，使电压与频率的比值等于常数，则可保证电动机的输出转矩不变。 变频器就是专用于三相异步电动机调频调速的控制装置。它的输入为单相交流电压（控制750W及以下的小功率电动机）或三相交流电压（控制750W以上的大功率电动机），而输出为幅值和频率均可调的三相交流电压供给三相异步电动机。变频器的生产厂家很多，产品也很多，但基本原理相同。本实验中采用的是三菱小型变频器E-500，有如下几种操作模式。1运行/停止、正转/反转的操作模式：对于电动机的启动/停止以及正反转的控制有外部操作和面板操作两种模式，通过专用参数（Pr79）的设定来实现。面板操作模式：通过变频器自带面板上的操作键实现运行/停止、正转/反转控制；外部操作模式：通过接在变频器专用输入端开关信号的接通、断开实现运行/停止、正转/反转。2频率设定模式：频率的设定分为面板设定、外部设定两种，通过专用参数（Pr79）和（Pr79）的设定来实现。面板设定模式是根据面板上的电位器或专用键来设定频率的大小。外部设定模式可以通过变频器上专用输入端上的电位器、电压信号、电流信号、开关编码信号以及PWM信号来实现频率的设定。本次实验的主要内容有两种。1 外部控制和外部电位器频率设定；2 外部控制和外部开关编码信号频率设定。 实验原理电路如图3-1所示。图3-1 实验原理图操作按钮“启动”、“正向”、“反向”、“停止”、“复位”以及主轴计数用行程开关“主轴准停”分别接在PLC的输入端X0、X1、X2、X3、X4和X5上，输出Y22控制KA3，而输出Y10Y14根据变频器的工作方式不同，与变频器的控制信号的连接不同。电路的基本工作原理是：1编写PLC程序，完成如下功能1）当按下启动按钮时，程序使Y22为1，KA3线圈通电，动合触头闭合使接触器KM4线圈通电，KM4主触头闭合，变频器通电。按下停止按钮，程序使Y22为0，变频器断电。2）在外部控制模式下，按“正向”按钮，电动机正转，按“反向”按钮，电动机反转，按“停止”按钮，电动机停止运行。3）“主轴准停”为安装于主轴上的接近开关的一个常开触点，用于测量主轴的旋转速度（r/min）。X5作为高速计数输入端，与其相关联的内部高速计数器为C240。在实验中，速度的测量方法是：当速度达到稳定后，按“复位”按钮，定时器开始定时60S，同时计数器开始对“主轴准停”信号计数，当计数器的值稳定时（定时器定时时间到）即为主轴速度值（r/min）。2外部控制和外部电位器频率设定工作方式1) 采用外部控制和外部电位器频率设定工作方式时，电路连接如图3-2所示。2）当采用外部控制和外部电位器频率设定工作方式时其相关参数设定见表3-1。表3-1 外部控制和外部电位器频率设定工作方式参数设定参数编号设定数据意 义Pr790输入端5的信号为“1”时，电动机正转，否则停止；输入端6的信号为“1”时，电动机反转，否则停止；外部电位器设定频率大小图3-2 外部控制和外部电位器频率设定工作方式电路连接图由图3-2和表3-1可知：正转时，PLC程序要使Y10为1，反转时要使Y11为1，Y10、Y11不能同时为1，同时为0时电动机停止。频率大小通过改变1、2、3端连接的电位器位置来调节。3外部控制和外部开关编码信号频率设定 1) 采用外部控制和外部开关编码信号频率设定工作方式时，电路连接如图3-3所示。2） 当采用外部控制和外部开关编码信号频率设定工作方式时其相关参数设定见表3-2。表3-2 外部控制和外部开关编码信号频率设定工作方式参数设定参数编号设定数据意 义Pr793输入端5的信号为“1”时，电动机正转，否则停止；输入端6的信号为“1”时，电动机反转，否则停止；Pr590频率由7、8、9端的开关信号确定。图3-3外部控制和外部开关编码信号频率设定工作方式电路连接图7、8、9端的开关信号与频率的关系如表3-3所示。表3-3 7、8、9端的开关信号与频率的关系端子号运行频率说 明9(Y14)8(Y13)7（Y12）000第1速内部面板设定的频率001第2速参数Pr06的设定值为工作频率010第3速参数Pr05的设定值为工作频率011第4速参数Pr34的设定值为工作频率100第5速参数Pr04的设定值为工作频率101第6速参数Pr25的设定值为工作频率110第7速参数Pr26的设定值为工作频率111第8速参数Pr27的设定值为工作频率由图3-3和表3-2可知：正转时，PLC程序要使Y10为1，反转时要使Y11为1，Y10、Y11不能同时为1，同时为0时电动机停止。频率大小通过改变7、8、9端状态来调节。三、实验步骤 (一) 外部控制、外部电位器调频控制方式1按图3-2接线（虚线框外的联机已接好） ；2征得老师同意后，合上断路器QF1和QF4，输入PLC程序并运行；3执行PLC中的“监控测试/开始监控”，PLC进入监控状态；4按“启动”按钮，变频器通电，按表3-1设定变频器参数；参数设定方法如下：1）按动变频器面板上的“MODE”键，直到显示参数号Pr01；2）按“”或“”键，调节参数号，使其为所需设定的参数号；3）按“SET”键，进入修改参数状态（数字闪烁）；4）按“”或“”键，改变数字使其为所需设定的数字；5）按“SET”键，设定值被写入；6）重复2）、3）、4）、5）设定其它参数。5按“正向”按钮，Y10输出，电动机正转；6调节电位器旋钮，使变频器的显示频率分10；7按“复位”按钮，待计数器C240的计数值稳定后读取数据寄存器D0的值并记录于表3-4中；表3-4 实验记录表1 显示频率（HZ）正 转反 转 速度（r/min） 速度（r/min）10152025303540458调节电位器的旋钮，使变频器的显示频率分别为表3-4中的资料，重复7；9按“反向”按钮，Y11输出，电动机反转，重复6、7、8；10按“停止”按钮，电动机停转 ；11断开电源QF1、QF4。(二) 外部控制、外部开关编码调频控制方式1按图3-3接线（虚线框外的联机已接好）；2征得老师同意后，合上断路器QF1和QF4，PLC运行；3按“启动”按钮，变频器通电，按表3-2设定变频器参数，并按表3-5设定参数；4执行PLC中的“监控测试/开始监控”，PLC进入监控状态；5按“正向”按钮，Y10输出，电动机正转；6此时，Y12、Y13、Y14均为0，频率由电位器的位置确定，调节电位器的位置，速度变化；7按“复位”按钮，待计数器C240的计数值稳定后读取数据寄存器D0的值和对应的变频器显示值并记录于表3-5中；8执行PLC中的“监控测试/强制Y输出”，分别使Y12、Y13、Y14为表3-5中的状态，重复7；9按“停止”按钮，电动机停转 ；10断开电源QF1、QF4。表3-5 实验记录表2输入端子设定值显示值(Hz)速度（r/min）9(Y14)8(Y13)7（Y12）参数号设定值000001Pr0610010P0515011P2420100P0425101P2530110P2635111P2740其中：0OFF，1ON四、实验说明及注意事项1 本实验中，电动机的工作电压为380VAC ，请注意安全 ；2继电器接触器KM4的作用是给变频器上电，不可作为变频器的启停控制，否则损坏变频器。变频器的启停由对变频器的输入端5、6的控制来实现 ；3编写PLC程序时，要保证Y10、Y11互锁。五、实验用仪器工 PC 机 1台 PLC 1台 变频器 1台 三相异步电动机 1台 断路器（QF1、QF4） 2个 继电器（KA3） 1个接触器（KM4） 1个 按钮 5个实验导线 若干六、实验前的准备预习实验指导书及附录相关内容，编写好实验用程序。 七、实验报告要求1画出PLC控制程序梯形图并写出相对应的指令代码 ；2已知电动机的转差率S0.02，主轴的机械传动比j47/36，请计算表3-4、3-5各频率下对应主轴的理想速度，并与实测值进行比较，分析误差产生的主要原因。3将两种速度设定方法所测得的实际速度进行比较分析。八、思 考 题1 三相异步电动机调速的主要方法有几种？2 为什么三相异步电动机调频调速时要同时改变电压的大小？ 实验四 PLC顺控程序设计及调试实验一、实验目的 1 学习和掌握PLC的实际操作方法 ；2 学习和掌握PLC顺控程序的设计及调试方法 ；二、实验原理 PLC的主要功能之一是逻辑控制和顺序控制，本实验就是通过对三个灯的顺序通断电的控制实验，达到学习和掌握计数器、定时器的使用方法以及逻辑控制的编程和调试方法。顺序控制的动作示意如图4-1所示。图 4-1 顺序控制动作循环示意图图4-2 实验电路原理图由图4-1可知：除三个灯亮有一定顺序要求外，还有时间和计数要求，即要使用PLC的内部资源时间器和计数器。顺序控制的编程方法有常用的经验法和状态转移图两种方法。经验法就是利用继电器接触器电路的设计方法进行程序设计，这种方法设计的程序往往不够完整，调试工作量大。状态转移图程序设计方法是一种类似于动作循环图的程序表达方式，使用PLC专用组件状态组件S，具有逻辑顺序关系清楚，调试方便的特点（详细编程方法见相关使用说明书）。实验电路原理图如图4-2所示。顺序工作的原理为：当按下“启动”按钮时，三个灯按图3-1动作顺序自动循环三次而停止。在循环的过程中，按下“停止”按钮，循环立即停止，所有灯熄灭。三、实验步骤 1在断电的情况下，按图4-3接线 （虚线外的联机已接好）；2经老师检查合格后方接通断路器QF1；3运行工具软件FXGP-WIN，输入已编辑好的程序梯形图；4执行“工具/转换”将梯形图转换为指令代码；图4-3 实验电路接线图5执行“PLC/传送/写出”，将控制程序传给PLC；6执行“PLC/运行”，执行控制程序，观察信号灯的亮灭情况；7如果信号灯的亮灭情况不正确，须进行程序修改和调试。可借助“梯形图监控”和“组件监控”两种方法对程序进行监控、调试，直至程序正确 。 四、实验仪器及工具软件PC 机 1台 PLC 1台 RS-232串行电缆线 1根断路器 1个 按钮 2个 指示灯 3个 实验导线 若干五、实验说明及注意事项1 不可带电拔插RS-232串行电缆线，以免损坏PC和PLC接口 ； 2直流24V电源的极性一定要正确。六、实验前的准备1预习实验报告，编写顺序控制的经验法程序和状态转移图程序的梯形图；2熟悉三菱FX2N系列PLC编程软件的使用方法。七、实验报告要求1 简要说明工具软件FX-WIN的作用及其先进性 ；2 画出实验中所调试好的控制程序梯形图并写出相应指令。八、思 考 题1 编写能实现下列要求的PLC控制程序 ：实验五 步进电机单轴定位控制实验一、实验目的 1 学习和掌握步进电机及其驱动器的操作和使用方法 2 学习和掌握步进电机单轴定位控制方法3 学习和掌握PLC单轴定位模块的基本使用方法二、实验原理步进电动机是一种将电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移量的机电执行组件，即步进电动机输入的是电脉冲信号，输出的是角位移或直线位置。每给一个脉冲，步进电动机转动一个角度，这个角度称为步距角。运动速度正比于脉冲频率，角位移正比于脉冲个数。步进电动机典型控制系统框图如图5-1所示。步 进电动机步进电动机驱动器位置控制单元 图5-1 步进电动机典型控制系统框图位置控制单元可根据需要的频率和个数以及设定的加减时间控制步进电动机运动。由于步进电动机需要正反转运动，因此定位单元的输出脉冲形式有“脉冲方向”和“正脉冲负脉冲”两种，它们均可控制步进电动机正反转运动。输出脉冲形式通过参数设定来选择。其脉冲形式如图5-2所示。反转转正转反转转正转脉冲信号方向信号正向脉冲反向脉冲(a) 脉冲方向)正向脉冲(b) 正脉冲负脉冲)正向脉冲图5-2 定位模块的两种输出脉冲形式由于步进电动机的电磁惯性和所驱动负载的机械惯性，速度不能突变，因此定位模块要控制升降频过程。步进电机升、降频过程如图5-3。 频 率（HZ）脉冲数（PLS） f1S2S3S1 图 5-3 步进电机升、降频示意图其中：f1设定的运行频率，它不大于步进电动机的最高频率；S1设定的总脉冲个数；S2升频过程中脉冲个数，由加速时间和运行频率确定；S3降频过程中脉冲个数，由减速时间和运行频率确定。 一般情况下，S2S3。步进电动机驱动器将位置定位模块的输出脉冲信号进行分配并放大后驱动步进电动机的各相绕组，依次通电而旋转。驱动器也可接受两种不同形式的脉冲信号，通过开关来选择，定位模块和驱动器的脉冲形式要相同。另外，为了提高步进电动机的低频性能，一般具有细分功能，多个脉冲步进电动机转动一步，细分系数一般为1、2、4、8、16、32等几种，通过拨码开关来设定。步进电动机驱动生产机械的运动部件。位置定位模块、步进电动机即驱动器种类很多，本实验中采用的是三菱FX2N系列PLC中的双轴定位模块FX2N-20GM，该模块与PLC相连，可以单独或同时控制两个步进电动机，步进电动机和驱动器为和利时产品。实验系统结构框图如图5-3所示。图5-4 实验系统结构框图工作原理：PLC及20GM实现对步进电动机系统的通电控制和定位控制，步进电动机通过丝杆带动工作台做直线运动。步进电动机转动一步机械实际移动的位移量称为脉冲当量，脉冲当量是数控系统中很重要的参数。脉冲当量的计算公式如下：脉冲当量丝杆螺距/3600 /（步距角细分系数）在实验系统中，丝杆的螺距为5mm，步进电动机的步距角为1.80，细分系数为所设定的数据。正限位和负限位开关的安装位置由丝杆的导程确定，保证丝杆不被损坏，即当这两个开关的位置确定后，定位模块保证工作台的运动只能在这两个行程开关之间进行。原位开关用来确定机械坐标原点的位置。位置控制模块回原点操作，就是使机械原点和电气原点统一。三、实验步骤 (一) 系统通电和准备 1在断电的情况下，按图5-5接线（虚线框外的联机已接好）；2征得老师同意后，合上断路器QF1和QF2 ；3将编程电缆连于 PLC 上，利用PC机上的编程软件“FXGP/WIN-C”向PLC输入PLC控制程序（此时，PLC处于中止运行状态） ；4将编程电缆连于20GM上，利用PC机上的定位软件“FXVPS-E”向20GM输入定位程序（此时，20GM的状态开关拔向手动位置“MANU”） ；5将PLC设置为运行状态，运行PLC，接触器KM2的主触头闭合，驱动器SH-20403得电 ；6将20GM的状态开关拔向自动位置“AUTO”，运行20GM ；7按“复位”按钮，X轴原位，此时的位置为坐标原点，记下该位置A 。（二）基本定位1设定步进电动机细分系数为8（实验中以按该系数进行了脉冲当量的计算和设定）；2设定相对于A点的目标位置（单位为mm，正值在A点的右边，负值在A点的左边）和运动速度（单位为cm/min），把它们用参数设定的方法分别输入到位置量寄存器D2（实验程序定义）和速度寄存器D4（实验程序定义）中；3按“启动”按钮，X轴以设定的速度运动到指定的位置B，观测运动速度，运动结束后，测量A到B之间的距离，与设定位置比较；4重新设定目标位置和运动速度，重复3；5设定目标位置为0，让工作台回到A点。（三）细分1使细分系数不为8；2设定位置值和运动速度；3按“启动”按钮，X轴以设定的速度运动到指定的位置B，观测运动速度，运动结束后，测量A到B之间的距离，与设定位置比较；4设定目标位置为0，让工作台回到A点。（四）频率特性实验1设定步进电动机细分系数为1，输入20GM的步进特性实验程序；2当步进电动机的运行频率大于最高运行频率时，步进电动机会失步，影响定位进度，步进电动机应工作在最大运行频率以下。实验中所使用步进电动机的最大运行频率大约为1KHz，计算出运动机构的最高运动速度；3设定运行速度大于最高运动速度和位置值；4按“启动”按钮，观察运动机构的运动想象，运动结束后测量运动的实际位置；5步进电机在较低的频率下运行时，步进电机就会振动，从而引起机械振动。步进电机应避免在振动频率下运行。实验中所用步进电动机的振动频率大约为200脉冲/S以下，计算出相对应的机械运动速度；6设定运行速度小于最低运动速度和位置值；7重复4；8输入20GM步进定位程序；9重复4、5、6、7。 图5-5 实验系统接线图四、注意事项 1A点一定通过回原点得到；2位置值为A点到运动终点的距离，因此运动前后的位置值要不同，工作台才有移动；3回原位后，测量一下A点到左边行程开关之间的距离（负向位置最大值）和A点到右边行程开关的距离（正向位置最大值）；4位置值设定为正时要小于正向位置最大值，位置值设定为负时要小于负向位置最大值。五、实验用仪器工具 PC机 1台 PLC 1台 20GM 1个 RS232电缆线 1根 编程电缆 1根 断路器（QF1、QF2） 2个 继电器（KA2） 1个 接触器（KM2） 1个 驱动器（SH-20403） 1台 步进电机（56BYG250E） 1台 六、实验前的准备 1预习实验报告及附录，并画出PLC控制程序和20GM定位程序。 2计算不同细分系数对应的脉冲当量。七、实验报告要求1 画出PLC梯形图，并写出指令代码 ；2 写出定位程序 ；3 计算并分析实验结果和实验现象；4 完成思考题。八、思 考 题 1影响步进电机单轴定位精度的主要因素是什么？ 2什么叫前极限、后极限、机械原点、电气原点 ？3如果设定速度和位置值不变，问当细分系数变大或变小，但脉冲当量没有做相应调整时，运动速度和运动位置会怎样变化？为什么？4系统中采用的是相对坐标还是绝对坐标？ 实验六 PC与PLC串行通信程序设计与调试实验一、实验目的1 学习和掌握PC和 PLC之间的串行通信方法 ；2 加深对PLC和PC的认识和了解 。二、实验原理微机与外设（包括其它微机）之间通常采用串行通讯和并行通讯两种方式。并行通讯是指将构成数据的各位同时传送。如8为数据或16位数据并行传送。串行通讯是指将数据一位接一位地传送。发送器接收器发送器接受器接受器发送器发送器接受器接受器发送器A站点B站点A站点B站点A站点B站点（a）（b）（c）串行通讯的数据传输方向通常有三种：单向数据传送、半双向数据传送和全双向数据传送。如图7-1所示。（a）单向数据传送 （b）半双向数据传送 （c）全双向数据传送图7-1 串行通讯数据传送的方向由图可知：不同的数据传送方式，数据线的接线方式不同。PC和PLC之间的串行通信常常被应用到机电控制系统之中。不同的PLC，数据传送方式有所不同。实验中采用的是三菱FX2N系列的PLC，为全双向数据传送方式。图7-2为PC和三菱FX2N系列PLC连接示意图。原理接线图如图7-3所示。图7-2 三菱FX2N系列PLC和PC串行通讯连接示意图计算机串行口2（RD）3（SD）4（ER）6（DR）5（SG）PLC串行口2（RD）3（SD）4（ER）6（DR）5（SG）图7-3 三菱FX2N系列PLC串行通讯原理接线图图中：RD数据传送 SD资料发送 ER接受数据准备好 DR准备发送资料 SG信号公共端串行通讯还需要有通讯协议，它包括波特率、数据长度、起始位、奇偶校验等。在设置协议时，通讯双方要一致，否则信息无法正确的传送。三菱FX2N系列PLC进行串行通讯的指令为：RS Dxx Kxx Dxx Kxx接受数据个数接受数据寄存器首地址发送资料个数发送数据寄存器首地址通讯协议由设定特殊数据寄存器D8120的状态确定。它的主要定义如表7-1所示。表7-1 通讯协议的设定（D8120）位意义设 定b0数据长度07位 18位b1校验方式b2，b1（0，0）无校验 （0，1）奇校验 （1，1）偶校验b2b3停止位数01位 12位b4波特率b8，b7，b6，b5 （0,0,1,1）300 （0,1,0,0）600 （0,1,0,1）1200 （0,1,1,0）2400 （0,1,1,1）4800 （1,0,0,0）9600（1,0,0,1）19200b5b6b7如在实验中，通信协议的选择为： 数据长度为8位、偶校验、停止位为1位、波特率为2400 ，那么D8120的设定数据为0067H。另外与数据传送有关的主要特殊辅助继电器有：M8122资料发送请求，即PLC将要发送的一组资料准备好后，置M8122为1，当数据发送结束后，M8122自动清0。M8123数据接受完成，即当PLC在接受完一组数据后，M8123 自动为1，用户将接受的数据处理后，要将M8123清0方可再接受数据。实验的内容：在PC机的通讯接口上设定了六个开关和三个模拟指示灯，PLC输出端控制三个指示灯。鼠标点击六个开关时，相应的数据传送到PLC，PLC控制相应指示灯的亮与灭，另外把面板上操作按钮的状态传送到PC，PC过程控制显示相应的状态。三、 实验步骤 1按图7-2和7-5接线 ；2在老师检查合格后，开PC机，接通PLC的电源开关（断路器QF1） ；3发送数据缓冲区的首地址定义为D0，接收数据缓冲区的首地址定义为D20，发送数据和接受数据的字节数均为4，PLC发送数据的定义如表7-2所示，编写一个接受和发送数据的PLC程序