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大尺寸多工步自动推料进给装置及控制数据管理系统设计第一章 绪论11 PLC在组合机床控制中的应用一.可编程控制器的定义 可编程控制器，简称PLC（Programmable logic Controller）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。二.PLC的特点 1 可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 2 配套齐全，功能完善，适用性强 PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 3 易学易用，深受工程技术人员欢迎 PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 4 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 5 体积小，重量轻，能耗低 以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 三.在组合机床自动线中，一般根据不同的加工精度要求设置三种滑台 目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。 1 开关量的逻辑控制 这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 2 模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 3 运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 4 过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 5 数据处理 现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 6 通信及联网 PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。 7 PLC控制的数控滑台结构 一般组合机床自动线中的数控滑台采用步进电机驱动的开环伺服机构。采用PLC控制的数控滑台由可编程控制器、环行脉冲分配器、步进电机驱动器、步进电机和伺服传动机构等部分组成， 伺服传动机构中的齿轮Z1、Z2应该采取消隙措施，避免产生反向死区或使加工精度下降；而丝杠传动副则应该根据该单元的加工精度要求，确定是否选用滚珠丝杠副。采用滚珠丝杠副，具有传动效率高、系统刚度好、传动精度高、使用寿命长的优点，但成本较高且不能自锁。 8 控制系统的软件结构 软件结构根据控制要求而设计，主要划分为五大模块：即步进电机控制模块、定位控制模块、数据拨盘输入及数据传输模块、数码输出显示模块、元件故障的自动检测与报警模块。 由于整个软件结构较为庞大，脉冲控制器产生0.1秒的控制脉冲，使移位寄存器移位，提供六拍时序脉冲，通过三相六拍环形分配器使三个输出继电器Y430、Y431、Y432按照单双六拍的通电方式控制步进电机。为实现定位控制，采用不同的计数器分别控制粗定位行程和精定位行程，计数器的设定值依据行程而定。例如，设刀具或工作台欲从A点移至C点，已知AC200mm，把AC划分为AB与BC两段，AB196mm，BC4mm，AB段为粗定位行程，采用0.1mm/步的脉冲当量快速移动，利用了6位计数器（C660/C661），而BC段为精定位行程，采用0.01mm/步的脉冲当量精确定位，利用了3位计数器C460，在粗定位结束进入精定位的同时，PLC自动接通电磁离合器输出点Y433以实现变速机构的更换。 9 PLC控制系统的接地方法 （1）由于PLC机柜和操作台、配电柜等用电设备的金属外壳及控制设备正常不带电的金属部分，由于各种原因（如腐蚀、绝缘破损等）而有可能带危险电压，所以应该进行保护接地，低于36V供电的设备，无特殊要求可不做接地保护。 （2）PLC控制系统中的基准电位是各回路工作的参考电位，基准电位的连接线称为系统地，通常是控制回路直流电源的零伏导线，系统接地的方式有浮地方式、直接接地方式和电容接地方式。 （3）为防止静电感应和磁场感应而设置的屏蔽接地端子应做屏蔽接地。其中信号回路接地和屏蔽接地又通称为工作接地。 一般以上接地方法的控制原则是：保护地和工作地不能混用，这是由于在每一段电源保护地线的两点间会有数毫伏，甚至几伏的电位差，这对低电平信号电路来说是一个非常严重的干扰。屏蔽地，当信号电路是单点接地时，低频电缆的屏蔽层也应单点接地，如果电缆的屏蔽层接地点有一个以上时，将产生噪声电流，形成噪声干扰源。 本系统采用的接地电阻都需要在规定的范围内，对于PLC组成的控制系统一般应小于4，而且要有足够的机械强度，事前都需要进行防腐处理。PLC组成的控制系统进行单独设置接地系统，也可以利用现场条件进行“等电位联结”进行接地设计。 10 PLC控制梯形图： 梯形图是通过连线把PLC指令的梯形图符号连接在一起的连通图，用以表达所使用的PLC指令及其前后顺序，它与电气原理图很相似。它的连线有两种：一为母线，另一为内部横竖线。内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组，这个指令组一般总是从装载（LD）指令开始，必要时再继以若干个输入指令（含LD指令），以建立逻辑条件。最后为输出类指令，实现输出控制，或为数据控制、流程控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。母线是用来连接指令组的。下图是三菱公司的FX2N系列产品的最简单的梯形图例： 它有两组，第一组用以实现启动、停止控制。第二组仅一个END指令，用以 结束程序。11 梯形图与助记符的对应关系： 助记符指令与梯形图指令有严格的对应关系，而梯形图的连线又可把指令的顺序予以体现。一般讲，其顺序为：先输入，后输出（含其他处理）；先上，后下；先左，后右。有了梯形图就可将其翻译成助记符程序。上图的助记符程序为： 地址 指令 变量 0000 LD X000 0001 OR X010 0002 AND NOT X001 0003 OUT Y000 0004 END 反之根据助记符，也可画出与其对应的梯形图。 12 梯形图与电气原理图的关系： 如果仅考虑逻辑控制，梯形图与电气原理图也可建立起一定的对应关系。如梯形图的输出（OUT）指令，对应于继电器的线圈，而输入指令（如LD，AND，OR）对应于接点，互锁指令（IL、ILC）可看成总开关，等等。这样，原有的继电控制逻辑，经转换即可变成梯形图，再进一步转换，即可变成语句表程序。 有了这个对应关系，用PLC程序代表继电逻辑是很容易的。这也是PLC技术对传统继电控制技术的继承。 四、数控滑台的PLC控制方法 数控滑台的控制因素主要有三个： 1 行程控制 一般液压滑台和机械滑台的行程控制是利用位置或压力传感器（行程开关/死挡铁）来实现；而数控滑台的行程则采用数字控制来实现。由数控滑台的结构可知，滑台的行程正比于步进电机的总转角，因此只要控制步进电机的总转角即可。由步进电机的工作原理和特性可知步进电机的总转角正比于所输入的控制脉冲个数；因此可以根据伺服机构的位移量确定PLC输出的脉冲个数： n= DL/d （1） 式中 DL伺服机构的位移量（mm） d 伺服机构的脉冲当量（mm/脉冲） 2 进给速度控制 伺服机构的进给速度取决于步进电机的转速，而步进电机的转速取决于输入的脉冲频率;因此可以根据该工序要求的进给速度,确定其PLC输出的脉冲频率: f=Vf/60d (Hz) (2) 式中 Vf伺服机构的进给速度(mm/min) 3 进给方向控制 进给方向控制即步进电机的转向控制。步进电机的转向可以通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向;如三相步进电机通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A时步进电机正转;当绕组按A-AC-C-CB-B-BA-A顺序通电时步进电机反转。因此可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出顺序来实现，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现。 五.PLC的国内外状况 世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。 20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。 六.PLC未来展望 21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。12 课题的主要任务1、硬件的设计利用步进电动机带动丝杆转动，利用丝杆的转动带动工作台的前进。对进给装置电气传动系统的关键部件进行设计计算，同时也要对进给装置传动装置的关键部件进行设计计算。2、软件的设计利用PLC来实现对电机的控制。针对不同的工件调用相应的程序来对电机的运行进行控制，实现多工步自动推料进给。第二章 设备的测试与转接板的制作21设备的测试1、设备改造分析原设备为PMAC设备，现在用的是其中的电机驱动电路和限位关系，因此必须了解其中的MYCOM步进电机的驱动关系和限位原点定义。MYCOM步进电机的驱动器说明：CP11端子：1-5V 2-PLUS（脉冲输入） 3-5V 4-DIR（方向输入）CP12端子：1-电机A向 2-电机A/向 3-电机B向 4-电机B/向CP13端子：1-24V 2-24V 3-GND 4-GND要实现多工步自动推料进给，只要电机要按照规定的方式转动即可，故只需控制脉冲和方向。即只需将外部信号给CP11端子，CP12端子和CP13端子并不会影响电机的转速和转动方向，故可以用原PMAC设备的部件。2、设备限位关系的测量限位原点的定义： 经过对原设备的观察，得知原设备及限位开关是点接触式的限位开关，故电压大小不会影响其工作。图1图1为原PMAC设备的限位接控制输入的十针插座，在各个位置时对十针插座的测量结果如下：任意位置时：1、3、4、5、6、7、8、9接通X电机转动，X轴带动工作台到X原点时：1、3、5、6、7、8、9接通Y电机转动，Y轴带动工作台到Y原点时：1、3、4、6、7、8、9接通X电机转动，X轴带动工作台到X左极限时：1、3、4、5、7、8、9接通X电机转动，X轴带动工作台到X右极限时：1、3、4、5、6、7、9接通Y 电机转动，Y轴带动工作台到Y左极限时：1、3、4、5、6、8、9接通Y 电机转动，Y轴带动工作台到Y右极限时：1、3、4、5、6、7、8接通注：在测量X 轴向的各个位置时Y轴位于非圆点，非极限位：在测量Y轴向的各个位置时X轴位于非圆点，非极限位。由以上测量结果分析可知：（1）、原设备的限位开关使用的是限位开关的常闭触点；（2）、原设备的COM端是1、3即模拟地，而2和10没有使用；（3) 、X轴原点接入点为4，Y轴原点接入点为5，X轴左极限接入点为6，X轴右极限接入点为8，Y轴左极限接入点为7，Y轴右极限接入点为9。可以得出原设备的限位接线关系如图2 所示：图2 22制作转接板及电路分析、 电路分析要实现PLC对步进电机的控制要做以下两步：（）：将PLC的发出的脉冲和方向信号送给步进电机驱动器；（）：将工作台的限位开关引入到PLC的输入点。、电路原理图如图图其中电阻和分别为脉冲和方向的下拉电阻。下拉电阻的连接说明：程序编好后，经PLC调试有脉冲输出，但是当它跟设备的电机驱动器连接后电机却不转，为了解决这一问题做了以简单的检验设备，如图：图发光二极管的最大要求电流是10MA而所要测的电路中两端电压是5V，所以取得电阻为500欧姆。检验过程如下：（1）、通过原设备的手摇设备使原设备有脉冲输出并驱动电机转动，PLC的脉冲输出是断开的，经检验，发光二极管闪烁，得知原设备输出的是高低电平脉冲。（2）、将PLC接通并将程序输入到PLC中，通过检验PLC输出端，此时输出端没有联接到电机驱动器上，经检查，发光二极管闪烁，得知PLC输出的也是高低电平脉冲。（3）、将PLC输出端联接到电机驱动器上，并将检验电路接到脉冲输出端和0V之间，此时电机转动，发光二极管也闪烁。通过以上的检测，推理得知在电机驱动器里应该有一个电容，当脉冲处于高电平时电容充电，当脉冲处于低电平时由于有电容，低电平不能马上被输入到电机驱动器里，不能被识别所以电机不转。当接一电阻时起到了将电容电压拉低的作用，这样低电平可以输入到电机驱动器里，这样电机就可以转了。示意图如图：图下拉电阻的连接说明：当程序编好进行调试时，发现不管方向控制输出端是还是电机只是右转，为分析并解决这一问题做以下测试：（）、将的方向输出端与电机驱动器断开，用万用表的支流档来测试的方向输出端电压是否有变化。测量结果是当方向控制输出端是时该端电压是伏，当方向控制输出端是时该端电压是伏。（）、将原设备的脉冲方向端接到电机驱动器上，通过原设备的手摇设备驱动电机转动。测量结果是当电机右转时方向控制端的电压是伏，当电机左转是方向输出端的电压是伏，当电机不转时方向输出端的电压是伏。（）将原设备的脉冲方向端与电机驱动器上断开，测的电机驱动器的方向控制端的电压是伏。对测试结果分析得知：电压驱动器上在方向端提供伏的电压。故当需要电机左转时需要一个下拉电阻来将方向端的电压拉低，使得电机可以左转。通过使用来控制继电器来使得电压拉低。环形分配器说明（如图6）：步进电动机的各相绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作。这种位电动机绕组的通电顺序按一定规律变化的部分称为脉冲分配器，又称为环型脉冲分配器。实现环型分配的力法有3种：一种是采用计算机软件，利用查表或计算方法来进行脉冲的环型分配，简称软环分。该方法能充分利用计算机软件资源，以降低硬件成本尤其是对多相电动机的脉冲分配具有更大的优点。但由于软环分占用计算机的运行时间，故会使插补次的时间增加，易影响步进电动机的运行速度。另种足采用小规模集成电路搭接而成的三相六拍环型脉冲分配器。这种方式灵活性很大，可搭接任意通电顺序的环形脉冲型分配器，同时在工作时不占用计算机的工作时间。第三种是采用专用环型分配器器件，如cH250，即为一种三相步进电动机专用环型分配器，它可以实现三相步进电动机的各种环型分配，使用方便，接口简单。ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成。 该电路的特点如下：ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路 直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。图6高低压功串放大电路说明（如图7）：高低压功串放大电路为采用脉冲变压器T1组成的高低压控制电路原理图。吴脉冲输入时，VT1、VT2、VT3、VT4均截至，电动机绕组W无电流通过，电动机不转。有脉冲输入时，VT1、VT2、VT4饱和导通，在VT2由截止到饱和期间，其集电极电流，也就是脉冲变压器T1的一次电流急剧增加，在变压器二次侧感生成一个电压，使VT3导通，80V的高电压经高压管VT3加到绕组W上，使电流迅速上升，当VT2进入稳定状态后，T1一次侧感电流暂时恒定，无磁通量变化，二次侧的感应电压为0，VT3截至。这时，12V低压电源经VD1加到电动机绕组W上并维持绕组中的电流。输入脉冲结束后VT1、VT2、VT3、VT4又都截至，储存在W中的能通过18的电阻和VD2放电，18电阻的作用是减小放电回路的时间常数，改善电流波形的后沿。该电路由于采用高压驱动，电流增长加快，脉冲电流的前沿变陡，电动机的转矩和运行频率都得到提高。高低压功串放大电路由于仅在脉冲开始时的一瞬间接通高压电源，其余时间均由低压供电，故效率很高。又由于电流上升率高，故高速运行性能好，但由于电流波形陡，有时还会产生过冲，故谐波成分丰富，致使电动机运行时震动较大（尤其在低速运行时）。图7、转接板的说明因为原设备的电机驱动器和限位电缆位于原设备内，要将PLC信号输入到电机驱动器并将限位电缆的限位信号取到PLC中，必须做一个装接板，该板的功能有以下几个：（1）、将PLC信号输入到电机驱动器（2）、将限位电缆的限位信号取到PLC中（3）、将5V电源分别送到PLC输出端及电机驱动电路的脉冲输入端（4）、将电路的线合理的分布，不至于太乱电路转接板如图：图第三章 程序的设计31 S7-200的工作原理在PLC通电后，需要对硬件和软件作一些初始化的工作。为了使PLC的输出及时响应各种输入信号，初始化后反复不停地分阶段处理各种不同的任务，即以扫描模式工作。PLC的工作步骤一般有7个，如下： （）、读取输入在PLC的存储器中，设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入过程映像寄存器和输出过程映象寄存器。CPU以字节（8位）为单位来读写输入/输出过程影响寄存器。在读取输入阶段，PLC把所有外部数字量输入电路的1/0状态（或称ON/OFF状态）读入输入过程影响寄存器。外部的输入电路闭合时，对应的输入过程映像寄存器为1状态，梯形图中对应的输入点的常开触电接通，常闭触电断开。外接的输入电路断开时，对应的输入过程映像寄存器为0状态，梯形图中对应的输入点的常开触电断开，常闭触电接通（）、执行用户程序PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按顺序排列。在RUN工作模式的程序执行阶段，在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序。在执行指令时，从I/O映像寄存器或别的位元件的映像寄存器读出其0/1状态，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到相应的映像寄存器中，因此，各映像寄存器（只读的输入过程映像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。在程序执行阶段，即使外部输入的状态发生了变化，输入过程映像寄存器的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的读取输入阶段被读入。执行程序时，对输入/输出的存取通常是通过映像寄存器，而不是实际的I/O点。这样做在程序执行完后再用输出过程映像寄存器的值更新输出点，使系统的运行稳定；而且由于用户程序读写I/O映像寄存器比读写I/O点快得读哦，可高了程序的执行速度。（）、通信处理在通信请求处理阶段，CPU处理从通信接口和智能模块接收到的信息，例如读取智能模块的信息并存放在缓冲区中，在适当的时候将信息传送给通信请求方。（）、CPU自诊断测试自诊断测试包括定期检查CPU模块的操作和扩展模块的状态是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。（5）、改写输出CPU执行完用户程序后，将输出过程映像寄存器的0/1状态传送到输出模块并锁存起来。梯形图中某一输出位的线圈“通电”时，对应的输出过程映像寄存器为1状态。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触电闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中输出点的线圈“断电”，对应的输出过程映像寄存器中存放的二进制数为0，将它送到继电器型输出模块，对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触电断开，外部负载断电，停止工作。（）、中断程序的处理如果在程序中使用了中断，终端事件发生时，CPU停止正常的扫描工作模式，立即执行中断程序，中断功能能够提高PLC对某些事件的响应速度。（7）、在程序执行过程中使用立即I/O指令可以直接存取I/O点。用立即I/O指令读输入点的值时，相应的输入过程映像寄存器的值未被更新。用立即I/O指令改写输出点时，相应的输出过程映像寄存器得知被更新。32 高速脉冲输出（PTO）脉冲输出指令（PLS）用于在高速输出（Q0.0和Q0.1）上控制脉冲串输出（PTO）和脉宽调制（PWM）功能。PTO可以输出一串脉冲（占空比50%），用户可以控制脉冲的周期和个数。PWM可以输出连续的、占空比可调的脉冲串，用户可以控制脉冲的周期和脉宽S7-200有两个PTO/PWM发生器，它们可以产生一个高速脉冲串或者一个脉宽调制波形。一个发生器是数字输出点Q0.0，另一个发生器是数字输出点Q0.1。一个指定的特殊寄存器（SM）位置为每个发生器存储下列数据：一个控制字节（8位），一个计数值（32位无符号数）和一个周期或脉宽值（16位无符号数）。PTO/PWM发生器与过程映像寄存器共用Q0.0和Q0.1。当在Q0.0或Q0.1上激活PTO或PWM功能时，PTO/PWM发生器对输出拥有控制权，同时普通输出点功能被禁止。输出波形不受过程映象区状态、输出点强制值或者立即输出指令执行的影响。当不使用PTO/PWM发生器功能时，对输出点的控制权交回到过程映象寄存器。过程映象寄存器决定输出波形的起始和结束状态，以高低电平产生波形的启动和结束。在使能PTO或者PWM操作之前，将Q0.0和Q0.1过程映象寄存器清0。所有控制位、周期、脉宽和脉冲计数值的缺省值均为0。PTO/PWM的输出负载至少为10的额定负载，才能提供陡直的上升沿和下降沿。PTO按照给定的脉冲个数和周期输出一串方波（占空比50）。PTO可以产生单段脉冲串或者多段脉冲串（使用脉冲包络）。可以指定脉冲数和周期（以微秒或毫秒为增加量）。在单段管线模式，需要为下一个脉冲串更新特殊寄存器。一旦启动了起始PTO段，就必须按照第二个波形的要求改变特殊寄存器，并再次执行PLS指令。第二个脉冲串的属性在管线中一直保到第一个脉冲串发送完成。在管线中一次只能存储一段脉冲串的属性。当第一个脉冲串发送完成时，接着输出第二个波形，此时管线可以用于下一个新的脉冲串。重复这个过程可以再次设定下一个脉冲串的特性。除去以下两种情况之外，脉冲串之间可以作到平滑转换：时间基准发生了变化或者在利用PLS指令捕捉到新脉冲之前，启动的脉冲串已经完成。当管线已满时，如果试图装入脉冲列参数，状态寄存器的PTO溢出位（SM66.6或SM76.6）被置1。PLC进入RUN模式时，该位被初始化为0。如果监测到溢出，必须手工清除该位。在多段管线模式，CPU自动从V存储器区的包络表中读出每个脉冲串的特性。在该模式下，仅使用特殊存储器区的控制字节和状态字节。选择多段操作，必须装入包络表在V存储器中的起始地址偏移量（SMW168或SMW178）。时间基准可以选择微秒或者毫秒，但是，在包络表中的所有周期值必须使用同一个时间基准，而且在包络正在运行时不能改变。执行PLS指令来启动多段操作。每段记录的长度为8个字节，由16位周期值、16位周期增量值和32位脉冲个数值组成。表1中给出了包络表的格式。您可以通过编程的方式使脉冲的周期自动增减。在周期增量处输入一个正值将增加周期；输入一个负值将减少周期；输入0将不改变周期。当PTO包络执行时，当前启动的段的编号保存在SMB166（或SMB176）。表1从包络表开始的字节偏移包络段数描述0段数（1255），如果为0 将产生致命错误11初始周期（265535个基准时间单位）3每个脉冲的周期增量（-3276832767个时间单位）5脉冲数（14294967295）92初始周期（265535个基准时间单位）11每个脉冲的周期增量（-3276832767个时间单位13脉冲数（14294967295）173段数（1255），如果为0 将产生致命错误（继续）继续PLS指令会从特殊存储器SM中读取数据，使程序按照其存储值控制PTO/PWM发生器。SMB67控制PTO0或者PWM0，SMB77控制PTO1或者PWM1。表2对用于控制PTO/PWM操作的存储器给出了描述。表2Q0.0Q0.1描述状态字节SM66.4SM76.4PTO包络由于增量计算错误而终止：0=无错误，1=有错误SM66.5SM76.5PTO包络因用户命令中止：0=不是因用户命令中止，1=因用户命令中止SM66.6SM76.6PTO管线溢出：0=无溢出，1=有溢出SM66.7SM76.7PTO空闲位：0=PTO正在运行。1=PTO空闲控制字节SM67.0SM77.0PTO/PWM更新周期值：1=写新的周期值SM67.1SM77.1PWM更新脉冲宽度值：1=写新的脉冲宽度SM67.2SM77.2PTO更新脉冲数：1=写新的脉冲数SM67.3SM77.3PTO/PWM基准时间单位：0=1s,1=1msSM67.4SM77.4PWM更新方式：0= 异步更新，1=同步更新SM67.5SM77.5PTO操作：0=单段操作（脉冲和周期存在SM寄存器中）1=多段操作（包络表存在V寄存器中）SM67.6SM77.6PTO/PWM模式选择：0= PTO，1= PWMSM67.7SM77.7PTO/PWM有效位：0=无效，1=有效其他PTO/PWM寄存器SMW68SMW78PTO/PWM周期值（2-65535倍时间基准）SMW70SMW80PWM脉冲宽度值（2-65535倍时间基准）SMD72SMD82PTO脉冲计数值（1-4，294，967，295）SMB166SMB176运行中的段数（仅在多段PTO操作中）SMW168SMW178保络表的起始位置，从V0开始的字节偏移量来表示（仅在多段PTO操作中）SMB170SMB180线性包络状态字节SMB171SMB181线性包络结果寄存器SMD172SMD182手动模式频率寄存器可以通过修改SM存储区（包括控制字节），然后执行PLS指令来改变PTO或PWM波形的特性，也可以在任意时刻禁止PTO或者PWM波形，方法为：首先将控制字节中的使能位（SM67.7或者SM77.7）清0，然后执行PLS指令。PTO状态字节中的空闲位（SM66.7或者SM76.7）标志着脉冲串输出完成。另外，在脉冲串输出完成时，您可以执行一段中断服务程序。（参考中断指令和通讯指令中的描述）。如果您使用多段操作，可以在整个包络表完成之后执行中断服务程序。下列条件使SM66.4（或SM76.4）或SM66.5（或SM76.5）置位：（1）如果周期增量使PTO在许多脉冲后产生非法周期值，会产生一个算术溢出错误，这会终止PTO功能并在状态字节中将增量计算错误位（SM66.4或者SM76.4）置1，PLC的输出变为由映象寄存器控制。（2）如果要手动终止一个正在进行中的PTO包络，要把状态字节中的用户终止位（SM66.5或SM76.5）置1。（3）当管线满时，如果试图装载管线，状态存储器中的PTO溢出位（SM66.6或者SM76.6）置1。如果想用该位检测序列的溢出，必须在检测到溢出后手动清除该位。当CPU切换至RUN模式时，该位被初始化为0。如果要装入新的脉冲数（SMD72或SMD82）、脉冲宽度（SMW70或SMW80）或周期（SMW68或SMW78），应该在执行PLS指令前装入这些值和控制寄存器。如果要使用多段脉冲串操作，在使用PLS指令前也需要装入包络表的起始偏移量（SMW168或SMW178）和包络表的值。33 PLC发脉冲程序设计在软件编程前，必须根据实际控制系统与工艺要求进行步进电机的“启动频率”和“停止频率”的标定，步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率”，“停止频率”是指系统控制信号突然关断，步进电机不冲过目标位置的最高频率。步进电机在起动和停止时有一个加速及减速过程，且加速度越小则冲击越小，动作越平稳。所以，步进电机工作时般要经历这样个变化过程：加速一恒速(高速)一减速一低速一停止。其中步进电动机在运行过程中般采用如下运行曲线，主要要考虑步进电动机的起动时必须有个加速缓冲的过程，对步进电动机起保护作用。其程序如下：主程序LD SM0.1ATCH 初始化结束中断, 3R .1, 1CALL 包络表子程序包络表子程序LD SM0.0MOVB 16#AC, SMB77MOVW +500, SMW178MOVB 3, VB500MOVW +50, VW501MOVW -1, VW503MOVD 45, VD505MOVW +5, VW509MOVW +0, VW511MOVD 9910, VD513MOVW +5, VW517MOVW +1, VW519MOVD 45, VD521PLS 1初始化结束中断LD SM0.0R SM77.7, 1PLS 1在主程序中先将脉冲输出端清零(R .1, 1),并设置相应的中断（位I0.1的下降沿），在中断程序中禁止。接着调用相应的子程序，在子程序中设置的控制字节（MOVB 16#AC, SMB77），十六进制二进制10101100,根据表得知：允许；模式；多段操作；异步更新；基准时间单位是ms；写新的脉冲数；不写脉冲宽度；不写新的周期值。接着在SMW178寄存器中设置包络表的起始位置为vb500，根据表一设置包络表中的周期值、周期增量和脉冲数。计算包络表的值：周期增量值：De给定段的周期增量=ECT-ICT/Q其中：ECT=该段结束周期时间ICT=该段初始化周期时间Q=该段的脉冲数量段的最后一个脉冲的周期在包络中不直接指定，但必须计算出来（除非周期增量是0）。如果在段之间需要平滑转换，知道段的最后一个脉冲的周期是有用的。计算段的最后一个脉冲周期的公式是：段的最后一个脉冲的周期时间=ICT+（DEL*（Q-1）其中：ICT=该段的初始化周期时间DEL=该段的增量周期时间Q=该段的脉冲数量周期增量只能以微秒数或毫秒数指定，周期的修改在每个脉冲上进行这两项的影响使对于一个段的周期增量的计算可能需要叠代方法。对于结束周期值或给定段的脉冲个数，可能需要作调整。在确定校正包络表值的过程中，包络段的持续时间很有用。按照下面的公式可以计算完成一个包络段的时间长短：包络段的持续时间=Q*（ICT+（DEL/2）*（Q-1）其中：Q=该段的脉冲数量ICT=该段的初始化周期时间DEL=该段的增量周期时间3. 数据在存储器中的数据类型与间接寻址二进制数的位（bit）只有和两种不同的值，可以用来表示开关量的两种不同状态。如果该位为，则表示梯形图中对应的编程元件的线圈通电，其常开触点接通，常闭触点断开。以后称改编程元件为状态。如果该位为，对应的编程元件的线圈和触点的状态与上述的相反，称该编程元件为状态。位数据的数据类型为BOOL型。位二进制数组成个字节，其中第位为最低位，第位为最高位。两个字节组成一个字，两个字组成一个双字。一般用二进制补码表示有符号数，其中最高位为符号位，最高位为时为正数，为时为负数，最大的正数为，表示十六进制数。位存储单元的地址由字节地址和位地址组成，例如I3.2,其中的区域标示符“”表示输入，字节地址为，位地址为，这种存取方式称为“字节位”寻址方式。相邻的两个字节组成一个字，VW100表示由VB100和VB101组成的一个字，VW100中的为区域标示符，表示字，为起始字节的地址。VD100表示由VB100-VB103组成的双字，V为区域标示符，D表示存取双字，为起始字节的地址。见图图间接寻址是指用指针来访问存储区数据。指针以双字的形式存储其它存储区的地址。只能用V存储器、L存储器或者累加器寄存器（AC1、AC2、AC3）作为指针。要建立一个指针，必须以双字的形式，将需要间接寻址的存储器地址移动到指针中。指针也可以作为参数传递到子程序中。S7-200允许指针访问以下存储区： I、Q、V、M、S、AI、AQ、SMT（仅限于当前值）和C（仅限于当前值）。您无法用间接寻址的方式访问单独的位，也不能访问HC或者L存储区。要使用间接寻址，您应该用“&”符号加上要访问的存储区地址来建立一个指针。指令的输入操作数应该以“&”符号开头来表明是存储区的地址，而不是其内容将移动到指令的输出操作数（指针）中。当指令中的操作数是指针时，应该在操作数前面加上“”号。如图4-11所示，输入*AC1指定AC1是一个指针，MOVW指令决定了指针指向的是一个字长的数据。在本例中，存储在VB200和VB201中的数值被移动到累加器AC0中。见图图.5 数据管理程序大尺寸多工步自动推料进给装置的控制数据管理系统要实现对指定文件自动存取，文件存储区的起始地址设在VB1000，当通过上位机触摸屏在数字输入栏中输入数值时，按下存数据键，PLC根据文件号自动存到相应的存储区。当需要对工件进行加工时通过上位机输入文件号，按下取数据键时，PLC根据文件号自动取出相应的存储区中的数据。其程序如下：存数据子程序：（vb1000 数据存储区起始地址；vw80 存文件号地址；vd10 数据存储区指针，vb100-vb104 存数据缓存区）LD SM0.0MOVD &VB1000, VD10指定指针ITD VW80, VD80 文件号数据类型转换*D +10, VD80+D VD80, VD10 将偏移量与指针相加并给指针BMW VW100, *VD10, 5将存数据缓存区的个数移到指针指向的地址取数据子程序：（vb1000 数据存储区起始地址；vw90 存文件号地址；vd30 数据存储区指针；vb200-vb204 存数据缓存区）LD SM0.0MOVD &VB1000, VD30 指定指针ITD VW90, VD90 文件号数据类型转换*D +10, VD90+D VD90, VD30 将偏移量与指针相加并给指针BMW *VD30, VW200, 5 将指针指向地址以下的个数移到取数据缓存区地址存取的数据均为实际距离，且都为相对距离，单位是mm，要将距离转化为脉冲数，经测量10000个脉冲电机走的距离是100mm，取出的数据进行加工进给时要将距离转化为脉冲数，即将距离乘以100并给相应的存脉冲数的寄存器。.6 分步运动程序分析 将取出的数据转化为脉冲数，分别放入五步所对应的脉冲数存储器里，并将第一步进给允许位置一。在进行第一步进给时设置脉冲发送完毕进中断，在中断程序中将第一步进给允许位置0，设定第二步进给允许，当再次按下进给按钮，进行第二步的进给。在进行第二步进给时设置脉冲发送完毕进中断，在中断程序中将第二步进给允许位置0，设定第三步进给允许，当再次按下进给按钮，进行第三步的进给。第三步、第四部和第五步一样，在第五步的中断里设定进给结束标志位，外界知道进给结束。第四章 大尺寸多工步自动推料进给装置系统的上位系统设计（E-VIEW）41 E-VIEW及其设计软件MT500的介绍 PLC(Programmable Logical Controller) 通常称为可编程逻辑控制器，是一种以微处理器为基础，综合了现代计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，由于它拥有体积小、功能强、程序设计简单、维护方便等优点，特别是它适应恶劣工业环境的能力和它的高可靠性，使它的应用越来越广泛，已经被称为现代工业的三大支柱(即PLC、机器人和CAD/CAM)之一。 人机界面是在操作人员和机器设备之间作双向沟通的桥梁，用户可以自由的组合文字、按钮、图形、数字等来处理或监控管理及应付随时可能变化信息的多功能显示屏幕。随着机械设备的飞速发展，以往的操作界面需由熟练的操作员才能操作，而且操作困难，无法提高工作效率。但是使用人机界面能够明确指示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变的简单生动，并且可以减少操作上的失误，即使是新手也可以很轻松的操作整个机器设备。使用人机界面还可以使机器的配线标准化、简单化，同时也能减少PLC控制器所需的I/O点数，降低生产的成本同时由于面板控制的小型化及高性能，相对的提高了整套设备的附加价值。 触摸屏作为一种新型的人机界面，从一出现就受到关注，它的简单易用，强大的功能及优异的稳定性使它非常适合用于工业环境，甚至可以用于日常生活之中，应用非常广泛，比如:自动化停车设备、自动洗车机、天车升降控制、生产线监控等，甚至可用于智能大厦管理、会议室声光控制、温度调整。 随着科技的飞速发展，越来越多的机器与现场操作都趋向于使用人机界面， PLC控制器强大的功能及复杂的数据处理也呼唤一种功能与之匹配而操作又简便的人机的出现，触摸屏的应运而生无疑是21世纪自动化领域里的一个巨大的革新。 MT500系列触摸屏是专门面向PLC应用的，它不同于一些简单的仪表式或其它的一些简单的控制PLC的设备，其功能非常强大，使用非常方便，非常适合现代工业越来越庞大的工作量及功能的需求。日益成为现代工业必不可少的设备之一。 一般的人机界面的软件主要提供以下几个功能: 指示灯(PLC I/O显示、内部节点显示、多段指示灯等) 开关 (位状态型开关、多段开关、切换窗口开关等) 各种动态图表 (棒图、仪表、移动元件、趋势图等) 数据显示 (数值显示、ASCII显示、文字显示等) 数据输入 (数值输入、ASCII输入、文字输入等) 异常报警 (报警显示、跑马灯显示、事件显示等) 静态显示 (直线、圆、矩形、文字等)42 上外界面的编写调试1、开机界面其中进入按钮为功能键，进入下一个界面。 2、数据管理界面 该界面分为数据存储和数据调用，按下按钮时分别进入相应的界面，同时还有一返回键3、数据存储界面该界面可以输入数据存储界面，通过村数据按钮将输入的数据根据文件号存入相应的寄存器，同时还有一个村数据完成知识灯。但数据输入完毕后按下“返回”键，回到上一界面。4、数据调用界面该界面主要完成数据的调用及对所调数据进行加工进给。输入文件号，按下“取数据”按钮，系统自动取出文件号所对应的数据。当开始加工按钮按下后，系统会自行退回到进给位置，完成后第一步进给等待中，相应的指示灯亮，按下进给按钮，系统进行第一步的进给，同时相应的进给指示灯闪烁，第一步借给结束后第二步进给等待中，相应的指示灯亮，操作同第一步进给。在出现紧急情况时，按下“急停”按钮，系统立刻停止进给。待紧急情况排除后，可以继续进给。第五章 大尺寸多工步自动推料进给装置的结构设计51 丝杠的选型计算及其校核滚珠丝杠螺母机构是回转体运动与直线运动相互转换的传动装置,它具有下列特点。 摩擦损失小、传动效率高 滚珠丝杠螺母机构的传动效率可达0.92%0.96%,是普通华东丝杠螺母机构的34倍,而驱动转矩仅为华东丝杠螺母机构的四分之一。运动平、摩擦力小灵敏度高、低速时无爬行 由于主要可以存在是滚动摩擦,不仅动、静摩擦系数都很小,且其差值很小,因而启动转矩小,动作灵敏,即使在低速情况下也不会出现爬行现象。轴向刚度高、反省定为精度 由于可以完全消除丝杠与螺母之间的间隙并可以实现滚珠的预紧,因而轴向刚度高,反向时无空行程,定位精度高。 磨损小,寿命长,维护简单 使用寿命是普通滑动丝杠的4010倍。 传动具有可逆性,不能自锁 由于摩擦系数小,不能自锁,因而使该机构的传动具有可逆性,即不仅可以把旋转运动转化为直线运动,而且还可以把直线运动转化为旋转运动。由于不能自锁,在某些场合,如传动垂直运动时必须附加制动装置或防止逆转的装置,以免工作台等因自重下降。 同步性好 用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的部件或装置时,可获得较好的同步性。有专业厂生产,选用配套方便 滚珠的循环方式分为内循环和外循环。滚珠在循环过程中与丝杠始终保持接触称为内循环。内循环的优点是回路短、滚珠数目少、流畅性好、摩擦损失小、传动效率高、且径向尺寸紧凑、轴向刚度高。但此种循环方式不能用于多头螺纹传动,会珠器的槽形复杂,需要用三坐标数控铣床加工。滚珠在循环回路中与丝杠脱离接触的称为外循环。外循环回路结构形式的不同可分为螺旋槽式,插管式,盖板式等,螺旋槽式滚珠循环回路转折平缓,便于滚珠循环,同时结构简单,加工方便,因此在数控机床中广泛应用。插管式滚珠螺母是利用插入螺母的管道作为回珠槽,加工方便,但管道突出于螺母外,径向尺寸较大。数控磨床是高精度的磨床在各方面的要求都比较高,而且要结构紧凑,因此比较适合于用内循环的滚珠循环方式。(2)滚珠丝杠的安装 加工中心的仅给系统要求获得较高的传动精度,除了加强滚珠丝杠螺母机构本身的刚度外,滚珠丝杠的正确安装及其支撑的结构刚度也是不可忽视的因素.滚珠丝杠螺母机构安装不正确以及支撑刚度不足,还会使滚珠丝杠的寿命大大下降.数控凸轮轴磨床要求具有高精度和高进给速度,因此常采用一端固定,一端游动以及两端固定的丝杠安装形式。一端固定一端游动 对于高精度,中等转速较长的卧式安装丝杠,为了防止热变形造成丝杠伸长的影响,常采用一端固定的支撑方式,如图11(a)所示。这种支撑形式的特点安装时需保持螺母与两端支撑同轴,故机构复杂,工艺较困难;丝杠的轴向刚度比两端低;丝杠有热膨胀的余地,即丝杠固定端承受径向力和两个方向的轴向力,而另一端只承受径向力,并能做微量轴向浮动。两端固定 对于高精度,高转速的滚珠丝杠应当采取两端固定的方式,如图11(b)所示.为了给丝杠施加预紧力,可采用两端固定方式,并可在丝杠一端安装碟形弹簧和调整螺母,既能对丝杠施加预紧拉力,又能够让弹簧来补偿丝杠的热变形,保持预紧力几乎不变。 (a)一端固定一端游走（b）两端固定图11丝杠支撑的方式这种支撑的刚度最高,只要轴承无间隙,丝杠的轴向刚度为一端固定的四倍。安装时要保持螺母和两端的支撑座同轴,故结构复杂,工艺较困难，丝杠一般不会受压,无压杆稳定问题,固有频率比一端固定要高，可以预拉伸,预拉伸后可减少丝杠自重的下垂和补偿热膨胀,但需一套预拉伸机构,结构及工艺都比较复杂，要进行预拉伸的丝杠,其目标行程应略小于公称行程,减少量等于拉伸量。因此这种形式适用于刚度和位移精度要求高的场合。丝杠的支撑轴承应采用滚珠丝杠专用轴承,这是一种特殊的向心推理球轴承,其接触角度增大到60度。增加滚珠数目并相应减少了滚珠直径,使轴向刚度增大到普通向心推理球轴承的两倍。该轴承出厂后以调好预紧力,使用极其方便.若选用通用轴承,可采用向心推力轴承或向心球轴承同推力球轴承的组合,一般会增加轴承支座的结构尺寸,增加轴承的摩擦力和发热。丝杠两端轴承座孔与滚珠螺母空应保证严格同轴度,同时要保证滚珠螺母与座孔的配合良好以及孔对端面的垂直度,保证轴承支座和螺母支座的整体刚度、局部刚度、接触刚度等。本次设计中选用的滚珠丝杠型号为汉江机床厂FN1 8019-3型滚珠丝杠副，公称直径为d0=80mm,导程P=10mm。采用两端支撑的支撑方式。该丝杆的额定载荷为：动载=42856N，静载=168680N，设定丝杆转速为540r/min，(1)、最大工作载荷Fm的计算工作台推料尺寸最大为3000mm*3000mm,所推板材的最大厚度为5mm，则板材的重量为G=3m3m0.005m8900kg/m310N/kg=4004N4000N由于滚珠是45#钢所以，经查得，钢-钢的摩擦系数是0.15，摩擦力f为：f =FN =0.154000=600N得进给方向载荷Fx=f=600N，横向载荷F y =0,垂直载荷Fz=0采用的是综合导轨,K=1.15, =0.150.18Fm=1.15600+0.154000=1290N（2）、最大动载荷FQ的计算FQ = 滚珠丝杆的寿命：=6054015000/106 =486 载荷系数：=1.01.2硬度系数：=2.40滚珠丝杆副的最大共组载荷：得FQ =24341N经比较丝杆的额定动载荷远大于实际最大动载荷，故丝杆可用。（3）传动效率的计算丝杆的螺旋升角： =2.280度摩擦角：，一般取10分=93.176% （4）、丝杆的拉伸或者压缩变形量 最大工作载荷：,单位为N =1290N 丝杆两端支撑间的距离：，单位为mm =2920 丝杆的弹性模量：，钢的=2.1105 MPa 丝杆按底径d2确定的截面积：单位为mm2 =77.6mm S=/4=4690.84 mm2 转矩：M，单位为N . mm M=129040=51600 N . mm 丝杆按底径d2确定的截面积惯性矩（），单位为mm4 I=295.59 mm4 其中：“+”用于拉伸，“”用于压缩。 经计算得=0.0197 mm 滚珠与滚道间的接触变形量 滚珠直径：D,单位为mm 滚珠总数量：圈数列数 =117 单圈滚珠数： Z=39 为预紧力，单位为N = FQ/3=8114 N =0.0032 刚度验算： 丝杆的总变形量=+=0.0213 mm 值不大于机床定位精度的一半（5）稳定性验算丝杆属于受轴向力的细长杆，如果轴向负载过大，则可能产生失稳现象。失稳时的临界载荷Fk 应满足： 临界载荷： 单位为N 丝杆支撑系数：=1 K：压杆稳定安全系数，一般取2.54 滚珠丝杆两支撑端的距离：a 单位为mm =45876 远大于Fm固丝杆可用。 52 轴承的选型计算及其校核主轴轴承的配置根据所支撑的杆件不同而不同，有滚动轴承，液体静压轴承、气体静压轴承、磁力轴承等。一般中小型数控机床的主轴普遍采用滚动轴承，本设计采用滚动轴承。选择时考虑轴承的极限转速、刚度、阻尼特性和温升等因素，一般采用23个角接触球轴承组合，或者用角接触球轴承和圆柱滚子轴承组合构成支承系统，这些轴承经过预紧后，可得到较高的刚度，除非要求很大的刚性才采用圆柱滚子轴承和双向推力球轴承的组合，但在极限转速上受限制。数控机床主轴常用的几种滚动轴承如图12。图12数控机床主轴常用的几种滚动轴承目前主轴常用的几种滚动轴承的配置如图13。1）前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60角接触双列向心推力球轴承组合，承受径向和轴向载荷；后支承采用成对角接触球轴承，特点是刚度高，可以满足强力切削的要求，数控机床应用较多。（图中a）。2）前轴承采用成组角接触球轴承，23个轴承组成一套，要求背靠背安装，承受径向和轴向载荷；后轴承采用双列短圆柱滚子轴承，适用于高速、重载、精度好的主轴要求，但承受的轴向载荷比前一配置小。（图中b）。3）前后支承均采用高精度的成组角接触球轴承，承受径向和轴向载荷；这类轴承具有良好的高速性能，主轴最高转速达4000r/min，它的承载能力小，适合于高速度、图13数控机床主轴轴承的配置形式轻载荷、高精度的数控机床主轴。（图中c）。4）前轴承采用双列圆锥滚子轴承，能够承受较大的径向和轴向载荷，后轴承采用单列圆锥滚子轴承。能承受重载荷尤其能承受较强的动载荷，可调整性好，但限制了主轴最高转速与精度，适合于低速、重载、中等精度的机床。（图中d）。轴承的精度分为2、4、5、6、0五级，2级最高，0级为普通精度级。主轴轴承以4级为主（记为P4），较低精度的主轴可以用P5级，而P6、P0一般不用。前后轴承之间，前轴承对主轴组件的精度影响比后轴承的影响大。因此后轴承精度可以比前轴承低一级。轴承并列使用时，选择背对背的方式。采用推力轴承时，分清楚先装配内径小的圈还是内径大的圈，内径小的圈随轴转动。该设计中采用圆锥滚子轴承，其代号为32914 2BC,计算系数：e=0.32 ;Y=1.9; Y0=1,基本额定静载荷CR=70800N 额定动载荷COR=115000N采用油脂润滑。圆锥滚子轴承, 采用反排安装 当轴承承受轴向1290N的力时，F a=F d Fr tana=1290Fr4814Fa/Fre P=fp(XFr+YFa)=1.0(0.44814+1.9 1290)=4376.6N0.93.34+0.002+0.0023=3.3443最大工作载荷状态下电动机转轴所承受的负载转矩=1.96进给方向最大工作载荷，单位是N8.96+0.0022+0.0023=1.9645=3.34（3）步进电机的选型将上述计算所得的乘上一个系数K，用K的值来初选电机的最大静转矩，其中的系数K称作安全系数，一般应在2.54之间选取。K取2.5，得电机的最大静转矩为8.35，所选电机的最大静转矩为10。（4）步进电机的性能校核 最快工作进给速度时的电动机输出转矩校核= =2.22 最快工作进给速度 系统的脉冲当量从步进电机的矩频率特性曲线中找出运行频率所对应的输出转矩，同最大工作负载转矩比较，,满足。最快空载时的电动机输出转矩校核=3.7=最快空载工作进给速度从步进电机的矩频率特性曲线中找出运行频率所对应的输出转矩，同最大工作负载转矩比较，,满足。 最快空载移动时的电动机运行频率校核 由最快空载移动速度和系统脉冲当量，算出电动机对应的运行频率。没有超过所选电动机的极限空载运行频率。经计算，电机符合要求。55 联轴器的选型计算及其校核 联轴器是一种常用的机械传动装置中，主要用来联接轴与轴（或联接轴与其他回转零件），以传递运动和转矩。此外，联轴器还具有补偿两轴相对位移、缓冲和减振，以及安全防护等功能。由于制造及安装误差等的影响，通常可根据对各种相对位移有无补偿能力，将联轴器分为刚性联轴器（无补偿能力）和挠性联轴器（有补偿能力）两类。一般联轴器的选用依据是其工作条件和结构形式。在选型时，主要考虑以下几点：1、 选择联轴器的类型根据传递的转矩大小和转速高低，以及对缓冲和震动的要求，参考各类联轴器的特点，选择适用的联轴器类型。2、 计算联轴器的转矩传动轴上的工程转矩T可用下式进行计