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基于PLC的数控车床控制系统的设计,基于,PLC,数控车床,控制系统,设计
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编编 号号无锡太湖学院毕毕业业设设计计（论论文文）题目：题目： 基于基于 PLCPLC 的数控车床控制的数控车床控制 系统的设计系统的设计 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业学 号： 0923177学生姓名： 曹 剑 指导教师： 潘国峰 （职称：副教授 ） （职称： ）2013 年 5 月 25 日无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚诚 信信 承承 诺诺 书书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 基于 PLC 的数控车床控制系统的设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 94 学 号： 0923177 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日无无锡锡太太湖湖学学院院信信 机机系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书一、题目及专题：一、题目及专题：1、题目基于 PLC 的数控车床控制系统的设计 2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 现代工业制造量很大，产品质量要求很高，传统的加工方法已经基本无法打到生产的要求。为了能够在保证产品质量的前提下，最大地提高工作效率，就必须采用先进的数控加工手段。数控系统就是指械运动及加工过程进行数字化信息控制的所具备相应的硬件和软件的总和。 数控技术在制造业中占有举足轻重的地位，甚至一定程度上代表该国家的机械发展水平。如今数控技术已成为机械工业的自动化三大支柱之一，从而成为世界各国学术界研究的重点和热点。目前我国主要使用的还是以经济型车床为主，多以德国西门子和日本法兰克系统为主体，但我国国产系统的发展潜力不容忽视。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 熟悉数控系统的发展历程，特别是近十几年来基于 PLC 的控制系统； I 熟悉数控车床，包括机械结构、控制系统结构、工作原理等； 合理设计控制系统中各个子系统的控制方案； 掌握控制系统的各个硬件电路的设计以及运动控制器的连线与PLC 的配线； 熟练 PLC 进行对数控系统进行软件编程，给出 PLC 控制步进电机、主轴电机和系统报警程序； 熟练使用 MATLAB 进行所设计的系统仿真。 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 94 班班 姓名姓名 曹 剑 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期：自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师指导教师签名签名 签名签名 签名签名教教研研室室主主任任学科组组长研究所学科组组长研究所所长所长签名签名 系主任系主任 签名签名2012 年年 11 月月 12 日日II摘摘 要要采用数控车床控制系统进行机械加工具有加工精度高、生产效率高、改善劳动力条件、利于生产管理现代化的特点，极大满足对产品多样化的需求。论文以数控车床为研究对象，对其基于PLC的控制系统进行了设计。主要有一下几点内容：（1）提出了基于PLC数控车床的控制系统设计的总体方案：伺服驱动控制系统设计方案、联动控制设计方案等。简单的地进行了对数控车床的主要机械结构、控制系统结构以及数控车床工作原理和流程介绍 ； （2）较为详细地进行了数控车床控制的设计，其中包括元器件选则，硬件电路设计，和相关模块的接线，如运动控制器的接线，PLC配线等以及PLC对步进电机、主轴电机、电路报警的程序设计；（3）采用Matlab进行对本次设计中的进给系统进行仿真，进行了模型的建立，仿真数据的分析。 关键词：关键词：PLC；数控车床；控制系统；仿真IIIAbstractThe machining operation employs CNC lathe control system, and with the features of high precision, high production efficiency, improved labor conditions, conducive to production and modern management, which can greatly meet the diverse needs of the product. The study object of this paper is CNC lathe, and the main contents of its PLC-based control system designs are as following:the overall design program of PLC-based CNC lathe control system: design programme of servo drive control system, design programme of linkage control. A brief introduction about CNC lathe mechanical structure, control system structure as well as CNC lathe working principle and process are given; Give a detailed introduction on CNC lathe control design, including the components selection, hardware circuit design, wiring with related modules, such as motion controller wiring, PLC wiring as well as PLC program design on stepper motor, spindle motor and circuit alarm; To simulate the feed system by using Matlab, establish model, and carry out the analysis ofthe simulation data. Keywords: PLC; CNC lathes; control system; simulation目目 录录摘 要.IIIABSTRACT.IV目 录 .V1 绪论.11.1 数控系统的发展.11.1.1 国外数控系统发展.11.1.2 国内数控发展.11.2 数控加工的意义.21.3 PLC 在数控车床上功用、优点.31.4 课题研究背景及意义.41.4.1 研究意义.41.4.2 研究内容.42 基于 PLC 数控车床控制系统的设计方案.52.1 数控车床简介.52.1.1 数控车床机械结构.52.1.2 控制系统的组成.52.1.3 数控车床工作原理和流程.62.2 控制系统设计流程.62.2 控制系统设计方案.62.2.1 伺服驱动控制系统设计方案.62.2.2 联动控制设计方案.72.2.3 主轴控制系统设计方案.82.3 数控车床控制系统关键技术.92.4 本章小节.103 基于 PLC 数控车床控制系统的设计.113.1.器件选择.113.2 硬件电路设计.123.2.1 主电路设计.123.2.2 供电电源电路.133.2.3 供电电源接线.143.2.4 交流控制电路.153.2.5 直流控制电路.173.2.6 步进电机驱动电路设计.183.2.7 运动控制器设计.183.2.8 PLC 配线设计.203.3 软件设计.213.3.1 P LC 对步进电机控制程序设计.21I3.3.2 PLC 对主轴电机控制程序设计.233.3.3PLC 故障报警设计.253.4 本章小结.264 基于 MATLAB 的仿真设计 .274.1MATLAB介绍.274.2 建立系统仿真模型.274.3 仿真结果及分析.274.4 本章小结.285 结论与展望.295.1 结论.295.2 不足之处及未来展望.29致 谢.30参考文献.31无锡太湖学院学士学位论文01 绪论绪论1.1 数控系统的发展数控系统的发展数控系统（numerical control system）是数字控制系统的简称，它是机械运动及加工过程进行数字化信息控制的所具备相应的硬件和软件的总和。1.1.1 国外数控系统发展国外数控系统发展采用数控技术进行机械加工的想法最早是在上个世纪40年代初提出。第一阶段：数控阶段（NC）时间：19591970年第一代数控系统（电子管数控系统）：1952年，由美国的著名麻省理工学院（MIT）与美国帕森斯公司(Parsons Co)合作研发出世界上第一台三坐标的数控铣床，标志着数控系统由此诞生。第二代数控系统（晶体管数控系统）：借助于1959年电子相关行业研发的出晶体管元件，并结合印刷电路板技术在电子计算机上的应用，数控系统成功地步入了第二代。与此同时美国的耐.杜列克公司（Keaney&Trecker Corp.简称K&T公司）在机床上安装了刀库，并通过机械手将刀具装夹在主轴上来自动选择生产所需的刀具，这样以来以大大缩减了装卸刀具和定位装卡零件所耗时间，后来人们把这种带有自动交换刀装置的数控机床称为“加工中心”（Machining center简称MC）。第三代数控系统（集成电路数控系统）：数控系统发展到第三代是因为功耗低的小规模集成电路在1960年的出现使数控系统的可靠性得到了明显提高。尽管数控系统得到了三代的发展，但这个阶段的系统拥有一个共同的弊端，那就是都以硬件为基础且数控系统的大部分功能依靠硬件电路完成，例如加工程序的输入、运算、输出等。由于硬件结构的固定化就导致一旦加工成型就很难在进行改动，这就为数控系统的后期开发、维护带来了极大的不便。与此同时，由于硬件电路所实现的功能有限，可靠性相比较低，因此数控系统要想得到更好的应用仍急需快速地发展。第二阶段：计算机数控阶段（CNC）时间:1970现在第四代数控系统（小型计算机数控系统）：1970年，第四代数控系统在美国的芝加哥国家展览会上得到了首次亮相。它的主要发展动力源是当时计算机技术的迅猛发展，使得系统的控制单元由硬件转变为计算机控制。第五代数控系统（微型计算机数控系统）：在20世纪70年代初美国英特尔（Intel）公司开发出的微处理器引发了数控系统的第五次换代。自1974年，由美、日、德等国率先研制出的这种以微处理机为核心的数控系统被称为第五代数控系统（MNC，通称为CNC）后，数控机床在往后的20年中开始了前所未有的大发展。第六代数控系统（PC数控系统）：进入90年代后，借助于PC机由过去的8位，16位发展到如今的32位，性能得到大幅度的提高数控系统的革新也伴之进行。首台基于PC的CNC数控系统在1994年的问世引起世界范围的关注，并标志着数控系统迈入第六代。1.1.2 国内数控发展国内数控发展我国是自1958年才开始对数控系统进行研发工作。研发工作的进行着主要是由科研机构，高等院校和少数机床厂担当。由于当时国产的电子器件水平有限，与国外发达国基于 PLC 的数控车床控制系统的设计1家相比有明显差距，再加上研发工作在经济上受到制约，导致我国数控系统在这个时期研发进度不是很大。但在改革开放，我国的数控技术终于发生了革命性的发展。经过“六五”时期对国外先进数控技术的引进，“七五”期间积极对引进技术上地消化，截止“八五”时期国家开始了对数控技术研发点的大力支持，使得我国数控技术得到了前所未有的发展。在这个时期国家进行了产品的验收工作。验收的产品主要包含：由华中数控公司生产的华中I型，沈阳的高档数控国家工程研究中心研制的蓝天I型，以及其他通过“国家机床质量监督测试中心”测试合格的国产数控系统。通过2003年4月我国最高级别的机床展览会第八届北京国际机床展览会以及许多资料都已经明确表明了，目前我国数控系统生产的类型依然主要为经济型。销量较大产品制造公司主要有广州数控，南京华兴数控，南京新万达数控，江苏仁和数控，成都广数控，北京帝特马数控等。1.2 数控加工的意义数控加工的意义采用数控系统进行加工与传统的机械加工相比，前者的优益之处主要体现于以下6个方面：（1）加工精度高数控机床是按照用户的程序指令进行零件的。同传统机床相比，数控机床优化了其传动装置，提高了分辨率。如今数控机床的脉冲当量已经普遍达到了每个脉冲为0.001 mm的程度，这就使得众多中小型数控机床的定位精度普遍能够达到0.03 mm，重复定位精度达到0.01 mm的数值。而且在加工的整个过程中反向间隙与丝杠螺距误差等都是由数控装置进行自动补偿，可以有效地减少由于操作人员参与所带来的人为误差，所以可以肯定数控机床的加工精度相比传统的车床精度高许多。（2）加工效率高工件加工所需的时间主要是由机动时间和辅助时间两部分构成。所以数控机床可以助其数控机床轴转速和进量的调速范围比普通机床大的优势，使它可以选用最有利的切削用量进行加工，同时数控机床以其所具有的良好的刚性来快速移动以及停止采用了加速、减速的措施来提高空行程的运动速度，使得能够有效地减少了机动时间。而且在加工的过程中，采用数控机床可以避免传统机床所需的划线过程以及快速换刀，从而又缩减了辅助时间。(3)柔性度高在数控机床上进行工件的加工我们主要依靠的是用户所编程的程序。同传统的机床对比来看，数控机床能够减少不必要的来回更换夹具、工具，以及过多重复的调整机床本身。因此凭借其高度的柔性，数控机床可以很好的加工小批量复杂型的工件。(4)劳动强度低，劳动条件改善数控机床对工件的加工是自动进行的，加工完毕后自动停车。操作者不需要过多的参与，只需要对系统进行程序地编写、程序地输入、工件地装卸以及检验等工作，所以极大程度地降低了劳动强度。同时由于众多数控机床如今多为封进行加工，所以既清洁又安全，这又使得劳动条件得到了改善。无锡太湖学院学士学位论文2(5)生产管理化程度高由于数控机床是采用程序进行加工的，所以对于每个相同的工件来说，其加工时间都是基本一致的。这样利用数控机床加工工件，就可以预计出整批相同件的所需时间，从而有利于进行均衡生产和预计产量的提高。(6)就业压力减轻，就业待遇高如今我国数控加工技术仍然处于大力发展的阶段，大量的数控机床急需操控熟练的加工员。然而目前在我国该行业熟练数控技术操作的人员的数量却始终处于更不上的现状，从而导致该行业严重缺乏人才。但同时可以从侧面看出，这给众多空闲劳动力给拱了就业机遇而且就业待遇高，一定程度上解决了就业压力，解放和发展了劳动力。不论是为我国经济的发展还是个体的经济收入都谋得实质性的利益。1.3 PLC 在数控车床上功用、优点在数控车床上功用、优点PLC之所以能够广泛用于数控系统的控制之中与其自身的6大优点难舍难分。目前一个国家的PLC技术已经在一定程度上代表该国家的电气程序的发展水平。如今PLC已与数控技术、工业机器人成为机械工业的自动化三大支柱。（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。基于 PLC 的数控车床控制系统的设计3 (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。1.4 课题研究背景及意义课题研究背景及意义1.4.1 研究意义研究意义我国数控车床自20世纪70年代开始初步投入市场生产到如今经过各科研机构、厂商地努力取得了肯定性的成果:数控车床的质量可靠，类型、规格齐全等。但同时面临诸多困境：产品转型升级、技术手段不过最先进行列等。其中众多院校多以书本理论知识为主，脱离实际，导致学生空有理论。本课题就是在这种背景下产生，目的是为了是学生增加动手，思考能力，将所学书本知识用于实践运用和系统开发中。1.4.2 研究内容研究内容本次基于数控车床控制系统的设计内容主要包括下几个部分：（1）给出本次控制系统设计总体方案，包括进给伺服系统的设计方案，联动控制的设计方案，主轴控制系统的设计方案。（2）详细进行本次设计，主要包括硬件元件的选择、硬件电路设计和软件程序编程。（3）基于Matlab软件对本次数控车床控制系统设计进行仿真，检验本次设计的可行性。无锡太湖学院学士学位论文42 2 基于基于 PLCPLC 数控车床控制系统的设计方案数控车床控制系统的设计方案2.1 数控车床简介数控车床简介2.1.1 数控车床机械结构数控车床机械结构数控机床的机械结构主要由以下几部分组成：（1）主传动系统它包括动力源、传动件及主运动执行件(主轴)等，其功用是将驱动装置的运动及动力传给执行件，以实现主切削运动。（2）二进给传动系统它包括动力源、传动件及进给运动执行件(工作台、刀架)等，其功用是将伺服驱动装置的运动与动力传给执行件，以实现进给切削运动。（3）基础支承件它是指床身、立柱、导轨、滑座、工作台等，是整台机床的基础和框架，支承机床的各主要部件，并使它们在静止或运动中保持相对正确的位置。（4）辅助装置辅助装置是指实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置。辅助装置视数控机床的不同而异，按机床的功能需要选用，如自动换刀系统、液压气动系统、润滑冷却装置和排屑防护装置等。2.1.2 控制系统的组成控制系统的组成数控车床的控制系统主要包括输入装置、输出装置、数控装置、可编程控制器、主轴控制模块、进给伺服控制模块及位置检测装置等部分。控制系统组成图如图2.1所示： 图 2.1 控制系统组成图其中，输入装置的作用是把控制介质中的程序代码转变为对应的电脉冲信号，然后传入并存入数控装置中；输出装置则是起到打印和显示功用。数控装置是数控机床控制系统的核心部位。它对接受从输入装置传送来的脉冲信号，通过其控制软件以及逻辑电路进行着编译、运算、逻辑处理处理工作，最后再将加工出输入装置通信线路输出装置计算机数控系统装置主轴控制单元可编程控制器速度控制单元主轴伺服驱动机 床进给伺服驱动位置监测装置基于 PLC 的数控车床控制系统的设计5的各种信息指令传输到伺服系统，从而实现对数控车床各个部位的有序规定动作。伺服系统的作用是将数控装置发过来的位移和速度脉冲信号转变为数控车床执行部件的方向、位移和进给速度。可编程程序的接口部分是用来实现对数控车床的强电控制的作用，即执行实现数控装置发出的辅助功能。 位置检测装置的主要作用是进行主轴、进给轴的位置检测的完成工作。配合着主轴控制模块、进给伺服控制模块完成相应的位置控制。2.1.3 数控车床工作原理和流程数控车床工作原理和流程（1）输入：零件加工程序一般通过DNC从上一级计算机输入而来。 （2）译码：译码程序将零件加工程序翻译成计算机内部能识别的语言。 （3）数据处理：包括刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能的处理。（4）插补：是在已知一条曲线的种类、起点、终点以及进给速度后，在起点和终点之间进行数据点的密化。 （5）伺服输出：伺服控制程序的功能是完成本次插补周期的位置伺服计算，并将结果发送到伺服驱动接口中。2.2 控制系统设计流程控制系统设计流程本次设计的主要流程如图2.2所示： 图 2.2 控制系统设计流程图2.2 控制系统设计方案控制系统设计方案2.2.1 伺服驱动控制系统设计方案伺服驱动控制系统设计方案本次设计设计中关于伺服驱动系统的设计采用的是具有位置反馈、速度反馈以及电流反馈的三闭环的结构形式的高性能伺服系统。其中，伺服驱动系统中的电流环和速度环是内环，位置环为外环。伺服驱动控制系统框图如图2.3所示：系统设计准备控制系统方案提出数控车床控制系统设计器件选择硬件电路设计软件设计仿真测试无锡太湖学院学士学位论文6图 2.3 伺服驱动控制系统框图（1）电流环电流环是由控制器和逆变器两个部分组建而成，它的作用是使得电机的绕组电流实时、准确地跟踪电流的参考信号。在全数字交流伺服系统中，它分别起到对d、q轴电流进行控制作用。其中，q轴指令电流是来自于速度环的输出，而d轴的指令电流是电流直接给出的。然后通过电流的控制器，获得给定的控制电压，从而通过空间欠量脉冲宽调制算法利用DSP产生触发脉冲控制工IGBT。（2）速度环它是用来保证电机的转速和指令的一致性的，消除负载转矩的扰动等因素对电机转速的影响。速度的指令与反馈的电机的实际转速进行比较，它们的差值则是通过速度调节器直接产生了q轴指令电流，进而控制电机的匀速、减速和减速，最终使得电机的实际转速与指令的一致性。其中速度调节器是采用PI控制方式。（3）位置环位置环的根本作用是实现执行机构对位置指令的精确的跟踪，其可以产生电机的速度指令并使得电机准确的进行定位与跟踪。它通过对设定的目标位置和电机所要求达到的准确定位的实际位置进行比较，利用它们间的偏差通过采用位置调节器从而产生电机的速度指令。2.2.2 联动控制设计方案联动控制设计方案本次设计中联动控制的设计，联动控制原理图和硬件设计的连线分别如图2.4，2.5所示：在步进电机和驱动电气的主控电路以及PLC外围的继电器KA2和接触器KM2输出线路已接好的情况下，进行对合上自动开关QF1和QF2操作。然后将编程的电缆连接到PLC上，利用PC机上的编程软件向PLC传送控制程序。基于 PLC 的数控车床控制系统的设计7图2.4 联动控制原理图图2.5 硬件接线图2.2.3 主轴控制系统设计方案主轴控制系统设计方案本次设计的主轴控制系统主要是用来实现对主轴的正反转动的控制、多档位调速和无级调速。再与脉冲编码器相互结合起来，构成闭环控制，用来实现主轴转动和进给运动之间的相互联系。主轴控制系统结构框图如图2.6所示：无锡太湖学院学士学位论文8图 2.6 主轴控制系统结构框图在设计中，主轴调速采用分段的无级调速和多档位有级调速分段的无级调速能够在满足无级调速的功能基础上扩大最高转速的范围，从而不受电机最高转速的限制。通过液压拔叉系统来实现高速与低速之间的相互转换。而每段的无级调速则是通过变频器功能实现。编码器的信号反馈回到PLC，进而构成了闭环系统。主轴转动和进给运动之间通过编码器来实现车螺纹等功能。2.3 数控车床控制系统关键技术数控车床控制系统关键技术数控车床控制系统的设计，其主要是基于PLC的电气控制系统的设计。在进行该设计的过程中主要设计以下关键技术：（1）各个元器件合理选型；（2）各个硬件电路的设计；编 码 器PC 机运动控制卡端子板接口板点动按钮控制面板端子板接口板PLC 输入模块PLC 中央处理器PLC 输出模块端口板变频器电机接口三相异步电机变 速 器主 轴基于 PLC 的数控车床控制系统的设计9（3）运动控制器的接线，PLC的配线；（4）PLC对数控系统中步进电机的控制，主轴电机的控制；（5）仿真软件Matlab的使用方法和仿真结果的分析；2.4 小节小节本章简单的进行了对数控车床的机械结构，控制系统结构以及数控车床工作原理的简单的介绍。主要进行了数控车床控制系统总体方案的设计，包括伺服驱动控制系统设计方案，联动控制设计方案以及主轴控制的系统设计。给出了设计的主要设计流程步骤。为数控车床系统设计提供了设计思路和设计方法。无锡太湖学院学士学位论文103 3 基于基于 PLCPLC 数控车床控制系统的设计数控车床控制系统的设计 基于 PLC 数控车床控制系统的设计主要包括对系统中伺服驱动系统的设计、联动控制的设计以及主轴控制系统的设计。3.1 器件选择器件选择数控车床的控制系统的功用主要是为了使被控制对象能够达到规定的性能指标，设计的结构要求必须实现所有被控制对象的动作，且达到各项技术指标。在本次控制系统的设计中，经过验算和可行性分析后，采用了以下各型号元器件，如表3-1所示：表 3-1 各型号元器件表名称代号型号主要参数KM1CJ20-100选择额定电压为380V，主触头额定电流为 100A KM2CJ20-10额定电压为 380V，主触头额定电流为 10A KM3CZ0-40择额定电压为 440V，主触头额定电流为40A，吸引线圈电压为22V 接触器KM4、KM5、KM6、KM7CJ20-10额定电压为 380V，主触头额定电流为 10A QF1DZ15-63/3额定电流为 63A，额定电压为 380VQF2DZ15-100/3额定电流为 100A，额定电压为 380V QF3DZ47-1/3额定电流为 1A，额定电压为 380V QF4DZ47-3/3额定电流为 3A，额定电压为 380V 断路器QF5DZ47-5/3额定电流为 5A，额定电压为 380V 主轴电机SIEMENS-MICROMASTER440功率 3kw，额定电压 280V变频器M440输入频率 4763Hz输出频率 0650步进电机130BYG3501箱数 3，步矩角 0.6驱动器 SH30822M电源 AC220V，细分范围 1256基于 PLC 的数控车床控制系统的设计113.2 硬件电路设计硬件电路设计3.2.1 主电路设计主电路设计主电路设计主要是为了实现数控车床系统中各个电动器件连接：冷泵电机、冲削电机、换刀电机的供电和启停控制连接方法等，电路设计如图3.1所示： 图 3.1 电气主电路图本次设计采用的是三相电压为380V ，频率为50HZ三相动力电源进行供电，并且采取可靠接地来防止当电机受潮等情况导致触电情况的发生。电气主电路中，电源控制开关QF1起到实现车床总电源的通断的控制，还能够对整个动力线路的起到过流保护、电压保护以及过载保护的巨大功用。若数控车床通电之则，操作面板上的车床电源指示灯将会亮起。其中断路器QF2开关可为了给主轴变压器TC1供电作用，TC1输出操的三相200V电压经过断路器开关QF2和接触器KM1向电源模块PSM进行供电。在此次供电的过程中，交流接触器KM1是用来实现对电源模块PSM的通断状态的控制。断路器QF4开关起到了向实现冷泵电机M2供电功用，交流接触器KM2能够用来实现对冷却电机M2的启动和停止的控制功用。断路器QF5开关可向冲削电机M3提供电力，交流接触器KM3能够用来实现对冲削电机M3的启动和停止功能的控制功用。断路器QF6开关可向换刀电机M5提供电力，交流接触器KM4能够用来实现对换刀电机M5的启动和停止的控制功用。断路器QF3可向主轴电机风扇提供电力，主电路能够直接为电源变压器TC2提供电力无锡太湖学院学士学位论文12需求。3.2.2 供电电源电路供电电源电路数控车床控制系统中供电电源电路的设计主要是为了确定数控车床中各个电源对哪些部件进行控制的。即，使得各个总电源与其相应的供电部件相互对应起来。设计电图如图3.2所示：图 3.2 供电电源电路11L+是CNC和PMC分布式I/O单元的电源输入，断路器F10的采用是为了进行保护。此支路将不再受直流24V继电器-接触器控制回路的控制。当总电源接通过之后，CNC与PMC的从站直接投入工作，这样方便对设备进行较为有效的控制。 串联与12L+的触点K4/1给机床启动信号，它一般是在机床启动后接通。控制电源的支路13L+是控制系统中的继电器-接触器控制回路用的电源，主要是用来进行紧急分断电路、启动车床/停止控制电路和安全电路作用等。PMC输出模块的电源14L+同样是有本支路供给，但是必须在紧急分断回路正常、车床启动之后才能够提供。 PMC输入电源支路（15L+）是PMC的全部输入信号的公用电源支路，断路器F12+的采用是用来进行保护。 16L+是电机制动器电源支路，该电源用来对X、Y轴伺服电机的制动器的松开的控制。16L+是通过紧急分断继电器的K4与机床启动继电器K4/1进行控制。基于 PLC 的数控车床控制系统的设计13PMC输出电源支路1（17L+）为驱动安全防护门闭锁装置PMC输出电源，当总电源接通后将直接工作，这样方便便打开防护门进行维修与调整。 PMC输出电源支路2（18L+）为进行提供机床液压系统电磁阀PMC输出电源，该支路是受继电器-接触器控制回路中的安全防护门用安全继电器组合设备K6/1的控制。并且必须在车床启动、安全防护门都完全关闭之后才能工作。3.2.3 供电电源接线供电电源接线该电路的的设计主要是用来控制进行解决各部分供电电源的连接问题。电路设计如图3.3所示：控制电路是由TC2电源变压器进行供电。变压器TC2的原边接在AC380V上，其副边三组绕组则分别提供AC1100V、AC22V、AC220V电压。处在AC110V电路上连接着润滑电机M9和热交换器FN1、FN2供电，并且它还可以作为交流控制回路控制电源；AC22V是用来向工作灯HL101、HL102供电；AC220V通过整流器将其从交流电压转变为直流电压，向24V的直流稳压电源供电。熔断器FU2、FU3、FU4则是用来实现进行对线路进行过载保护和短路保护。无锡太湖学院学士学位论文14图 3.3 控制电路电源图3.2.4 交流控制电路交流控制电路该电路的设计主要是为了明确了是如何进行对数控车床控制系中各个元件控制，即：伺服变压器、冲削电机通断状态控制，刀库如何正反转等。设计电路如图3.4所示：基于 PLC 的数控车床控制系统的设计15图 3.4 交流控制电路图交流控制线路，需要有110V电源有电源控制的电路接入。其中电路图中与KM1至KM7接触器线圈分别并联着RC21到RC27，它们都为单项阻容吸收器起到灭弧的作用。各元件功用表如表3-2所示：表 3-2 各元件功用表元件名称功用KM1伺服变压器通断KM2冷却点击启停KM3控制器电源通断KM4刀库正转 KM5刀库反转KM6冲削电机通断KM7换刀机构启停YV1刀具放松夹紧TV2主轴锥孔吸气在本次设计的交流电路中所有接触器的线圈通断状态均是接受继电器KA的控制。3.2.5 直流控制电路直流控制电路直流控制电路的设计主要是为了实现两大功能，即：无锡太湖学院学士学位论文16（1）实现把PMC I/O接口的输出控制信号转变为可以进行控制执行机构的操作的功用。（2）实现把急停的信号传送到控制器上，并停止对主轴和伺服以及冷泵等执行机构的动作的功用。直流控制电路设计如图3.5所示：图 3.5 直流控制电路图与交流控制电路不同，直流电源电路需要的是24V通过电源控制的电源的接入。在本次设计的控制系统直流控制电路中， KA2、KA3是数控车床强点急停的复位继电器。开关SQ1-1、SQ2-1、SQ3-1实现控制与限位保护，来避免车床超程；按钮SB3起到对外部急停的控制；热继电器FR起到对冷泵过热的保护的功用；KM1对伺服失电等任意一种车床出现异常的控制，即产生急停并且切断外部正在进行的的所有的动作，如主轴电机、冷泵等。若在正常开机时，上述异常情况没有发生，那么拔出急停按钮后，按下面板上急停复位按钮SB4，就可以使数控车床脱离急停的状态，开始再次进入正常工作模式。当若出现故障时，必须排在除故障之后，才可以进行复位操作；其中电路图中的HL1、HL36、HL2、HL101分别是电源指示灯，机床准备还指示灯，控制器电源指示灯和手动指示灯。基于 PLC 的数控车床控制系统的设计173.2.6 步进电机驱动电路设计步进电机驱动电路设计该电路的设计主要是为了实现对步进电机的驱动器的控制，设计的电路图如图3.6所示：图 3.6 步进电机驱动电路图驱动电路分析：因为当三极管T1处于饱和状态时，接通电路，所以三极管T1可通导电流且流过的集电极电流为最大值；相反当三极管T1处于截止时，电路处于断开状态，无集电极电流流通。由此可见，该三极管在步进电动机相当于开关的功用。三极管T2和T3组成了达林顿式功放电路，驱动步进电动机的3个绕组，由此可使得电动机的静态电流可大2A。其中光电耦合器在步进电动机中主要起到了控制和驱动信号隔离的作用。若输入的信号为低电平时，则三极管T1处于截止状态，输出为高电平。此时红外发光二极管处截止状态，光敏三极管不导通，使得绕组中没有电流流通。相反若输入信号为高电平，三极管T1则处于饱和状态，电路处于闭合状态。此时红外发光二极管点亮，使得光敏三极管也得到了导通，并且由此将基级电流向功率驱动级晶体管提供，所以功率驱动级晶体管导通，绕组可通过电流。3.2.7 运动控制器设计运动控制器设计本次数控车床控制系统设计中，联动功能控制的实现要以来运动控制器。因为运动控制器能够用来实现两种轨迹的多个轴之间的协调运动形式：直线插补和圆弧插补。在进行描述复杂的多个轴之间的运动的轨迹时，最简单且行之有效的方法就是采用坐标系，因为在坐标系里我们可以最方便的对运动对象的运动轨迹加以描述。而运动控制器就是利用坐标的映射将控制周从单轴运动控制模式转变为坐标系运动控制模式（多轴协调运动）。在坐标系的运动控制模式中，能够完美的实现单端轨迹运动以及多段轨迹的连续运动。而且运动控制器开辟了底层运动数据缓冲区，所以还能够实现多段轨迹的快速、稳定的连续运动。运动控制器主要是利用了专用I/O接口，以及控制信号接口来实现对数控车床系统中进给系统的控制。无锡太湖学院学士学位论文18（1）其中专用的输入接口包含：原点信号、报警信号以及驱动报警信号三种。且是通过端子板的CN5、CN6、CN7、CN8，CN12与步进电机驱动器以及其外部开关进行相关的连接。专业输出接口主要包含：驱动允许和驱动报警复位两种。它是利用端子板上的CN5、CN6、CN7、CN8与步进电机驱动器进行连接。其中CN5、CN6、CN7、CN8各自一次对应1轴、2轴、3轴和轴，且CN5到CN8它们的引脚定义相同。 引脚如图表3-3、3-4所示，连线图如3.5所示：表 3-3 CN5、CN6、CN7、CN8 引脚定义表引脚信号说明引脚1OGND外部电源地14OVCC2ALM驱动报警15RESET3ENABLE驱动允许16保留4A-编码器输入17A+5B-编码器输入18B+6C-编码器输入19C+7+5V电源输出20GND8DAC模拟输出21DIR-9DIR+步进方向输出22PULSE+10GND数字地23GND11PULSE-步进脉冲输出24保留12保留保留2513GND数字地表 3-4 CN12 引脚定义表引脚信号说明引脚信号说明1HOMEO1 轴原点输入9LIMT0+3 轴正向限位2HOME12 轴原点输入10LIMT0+3 轴负向限位3HOME23 轴原点输入11LIMT0+4 轴正向限位4HOME34 轴原点输入12LIMT0+4 轴负向限位5LIMT0+1 轴正向限位13EXI0通用输入6LIMT1+1 轴负向限位14EXI1通用输入7LIMT1-2 轴正向限位15OGND外部电源地8LIMT2+2 轴负向限位16OVCC+12V/24V 输出（2）控制输出信号固高运动控制器中可以输出模拟信号和脉冲量信号两种。在运动控制器作用于步进电机时，运动控制器起先把将要控制的信号的输出模式改变为脉冲量的信号。一般在脉冲量的信号模式之下有两种工作方式，即：脉冲/方向信号模式和正/负脉冲信号模式。其中脉冲/方向信号的是利用端子板上的CN5、CN6、CN7、CN8引脚中的9、22、23、11进行输出。基于 PLC 的数控车床控制系统的设计19图 3.7 专用输入输出信号连接图 3.2.8 PLC 配线设计配线设计根据S7-200PLC的配线图，我们就可以确定出每个输入输出点所对应的开关量以及对信号初步的初步给定。输入/输出点说明如表3-5所示，配线图如图3.8所示：表 3-5 PLC 输入/输出点说明符号电器元件功能符号电气元件功能FR热继电器系统保护T1脚踏按钮夹具夹紧SB1点动按钮主轴正转T2脚踏按钮夹具松开SB2点动按钮主轴反转LD4-C0625电动刀架换刀SB3点动按钮主轴停止KM1接触器冷却液电机起/停SP1开关冷却液控制YV1电磁阀夹具夹紧SB4点动按钮尾座前进YV2电磁阀夹具松开SB5点动按钮尾座后退YV3电磁阀尾座前进SP2检测开关尾座延时停止YV4电磁阀尾座后退Z1多档按钮每档对应一个主轴转速YV5电磁阀液压拔叉向左Z2多档按钮没挡对应一个到位MM440变频器主轴的方向及其调速SP3开关主轴档位控制无锡太湖学院学士学位论文20图 3.8 PLC 输入/输出点配线图3.3 软件设计软件设计3.3.1 P LC 对步进电机控制程序设计对步进电机控制程序设计PLC在控制步进电机时，控制脉冲由PLC产生。设计中通过PLC内部供给的延时闭合继电器T33和T44制定了可以调节宽度的脉冲程序。设计的程序梯形图如下3.9所示，对步进电机程序设计如图3.10所示:若I1.1接通，PLC的输出点Q2.4即可以产生一个脉冲量。基于 PLC 的数控车床控制系统的设计21图 3.9 时序脉冲产生梯形图 PLC对步进电机的控制不仅需要脉冲量还需要对其进行旋转方向进行控制的量。图 3.10 PLC 控制步进电机程序无锡太湖学院学士学位论文223.3.2 PLC 对主轴电机控制程序设计对主轴电机控制程序设计（1）具有点动功能的启动、停止控制因为数控车床中，许多运动部件位置的往往需要进行调整，所以这就需要用到点动调整的控制功能。在结构上，步进要有启动按钮SB1、停止按钮SB2,还需要有点动按钮SB3。I/O分配表如表3-6所示，接线图和程序图如图3.11和3.12所示 ：表 3-6 I/O 分配表输入信号输出信号停止按钮 SB1I0.0启动按钮 SB2I0.1点动按钮 SB3I0.2接触器 KMQ0.1图 3.11 电动机起、停、点动控制 I/O 接线图图 3.12 电动机起、停、点动控制梯形图（2）正反转控制电动机正转、反转控制是在日常工业生产中常使用的控制。下表为本次主轴电机正反转控制程序设计的I/O分配表如表3-7所示，接线图和程序图分别见3.13和3.14：基于 PLC 的数控车床控制系统的设计23表 3-7 I/O 分配表输入信号输出信号停止按钮 SB1I0.0正转按钮 SB2I0.1停止按钮 SB3I0.2正转接触器 KM1反转接触器 KM2Q0.1Q0.2图 3.13 电动机正、反转梯控制 I/O 接线图无锡太湖学院学士学位论文24图 3.14 电动机正、反转梯形图在输入信号中SB2为停止按钮，SB2为正向启动按钮，SB3为反向启动按钮。在输出信号中KM1、KM2分别为正反接触器。3.3.3 PLC 故障报警设计故障报警设计报警是数控车床中电器自动控制中一个不可或缺的设计环节，一个标准的报警功能的实现主要体现在声音和光的两个方面。当数控车床中出现故障时，报警的指示灯应该闪烁起来，报警电铃也应随之响动。操作员知道故障的发生之后，按停铃按钮，将电铃关掉，报警指示灯应从闪烁转变为长亮状态。故障消失，报警灯熄灭。程序设计图如图3.15所示：闪烁电路部分设计： 故障指示灯部分设计： 故障消铃逻辑部分设计：基于 PLC 的数控车床控制系统的设计25 电铃控制设计： 图 3.15 故障报警梯形图3.4 小结小结本章对本次基于PLC数控车床控制系统的设计进行了从硬件到软件的详细说明。硬件方面主要包括各个元器件的选型，硬件电路的设计，运动控制器的接线方法，PLC的正确配线设计。软件设计主要包括PLC对步进电机控制，主轴电机启停、正反转，数控车床故障报警的程序编程。无锡太湖学院学士学位论文264 4 基于基于 Matlab 的仿真设计的仿真设计4.1 Matlab 介绍介绍MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB和Mathematica、Maple、MathCAD并称为四大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面可谓是首屈一指。MATLAB可以用来进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法和创建用户界面以及连接其他编程语言的程序等，主要应运用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。4.2 建立系统仿真模型建立系统仿真模型实现利用智能PI型的模糊控制器对系统进行仿真的研究，首先就是要建立PI控制器的模型。当然在进行模糊控制之前，还应该根据受控对象的参考数学模型，用经验试凑发搭建成PI控制器的模型，接着在根据阶跃响应曲线进行PI参数调整。系统仿真模型如图4.1所示：图 4.1 系统仿真模型图4.3 仿真结果及分析仿真结果及分析通过利用阶跃响应输入，进行对PI模糊型控制伺服系统电流回路的阶跃响应曲线和原电流调节器系统控制的响应曲线进行比较，如图4.2所示：基于 PLC 的数控车床控制系统的设计2701234567891000.511.5t/s制 制 制 制 %制制 制 制 制 制PLC制 制 制 制图 4.2 系统的阶跃响应图更小从上面响应的曲线可以很清楚的看出，PI型模糊控制器系统上升的时间更短暂，超调量更小，并且PI型模糊控制的响应性能更好，过渡的过程非常短，能够很快的打到稳定状态。所以本次设计的数控系统
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