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南通
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一维速度工作台设计（南通）,速度,工作台,设计,南通
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南通职业大学 14 届毕业设计（论文）任务书学生姓名周烽所学专业机电一体化技术班 级机电112课题名称一维速度工作台设计工作内容（应完成的设计内容、论文内容）1、工作台移动最大速度不小于300mm/s，采用伺服电机驱动，控制系统采用S7-200 PLC；2、系统能调节运动速度，实时显示运动速度，并通过触摸屏监控工作台工作状态；3、绘制系统电路原理图、编制相关控制程序；4、控制程序应通过仿真软件调试通过；5、撰写符合学校规定的毕业设计说明书；6、将一篇专业相关英文资料翻译成中文。工作要求（设计应达到的性能、指标，论文质量要求）1、相关设计图纸 1套2、软件流程图与程序 1套3、毕业论文 20000字以上4、本专业相关英语资料翻译成中文 翻译后中文1000字左右主要参考资料1、机电类专业毕业设计指南，张桂香主编，机械工业出版社，2006；2、单片机原理与接口技术（第二版），曹天汉主编，电子工业出版社，2009；3、单片机应用系统开发实例导航，靳达主编，人民邮电出版社，2008；4、电子CAD技术，关健主编，电子工业出版社，2007；5、电气控制与PLC应用技术，周开俊主编，电子工业出版社，2012；6、自动化生产线安装与调试（第二版），吕景泉主编。中国铁道出版社，2008工作进度要求1、查找资料 4周2、控制系统硬件设计 3周3、控制系统软件设计 4周4、毕业设计说明书撰写 4周5、准备答辩 1周课题组其他成员无指导教师（签名）石剑锋教研室主任（签名）部门批准（盖章）签发日期2013.10.15注：本任务书一式三份，由指导教师填写，教研室主任审核，系部批准后下发；学生、指导教师、系部各一5.4.2 估计算法实验的目标和确定转发模型是能够解决逆问题,并验证它是否已被精确地解决。为了解决逆问题，主要的要求是模型中的噪声和和模型发生的变化而使用尽可能多的数据。虽然有可能试图转化每一个时刻的压力测量,这将保证一个次优的结果。例如,压力方程(5.8)是一种强度的平方函数,因此旋转方向的涡流会无法确定在一个时间时测量。然而,旋转的漩涡也决定了方向移动时如果使用多个时间实例数据可以解决这分歧。此外，逆问题的解决方案需要被限制在某些情况下，显式或隐式，由于逆问题在技术上是良态在一定条件下（例如，小信号）。(类似于第三章,因为它已被描述为跟踪涡通过压力传感器自然地融入了隐马尔可夫模型的结构，测量只取决于涡流状态的问题，,和在此之前的一个新的涡状态。(实际模型的进展是连续时间漩涡与离散时间描述给出,但是HMM概念可以扩展。该模型结构可以使用数量的估计算法,包括卡尔曼和粒子过滤器等。两个卡尔曼和粒子过滤器满足所需的特征的估计算法。估计算法与实现在不同的可能性的评估方法,卡尔曼滤波器被选为这个问题由于其能够优化内存的长度的过程及其广泛的应用于许多工程问题。限制滤波器的记忆长度允许估计改变如果模型发生变化或漂移由于外部的影响。例如,对于一个旋涡,只能往X方向,有限的内存允许Y位置改变即使大量的时间过去Y位置的变化。由于它的广泛使用,许多不同的原始卡尔曼滤波器可用于不同程度的非线性和不同类型的模型。从方程（5.3）和（5.8）明显得知，对压力测量矢量有关的涡流状态向量方程不是线性的。卡尔曼滤波非线性问题已有多途径的应用。41,27 在这种情况下,一个简单的一阶近似的非线性压力函数用于通过扩展卡尔曼滤波算法。此外,连续时间状态进展被加上一个离散时间测量更新。实现了细节描述27。卡尔曼滤波是非线性的变体，包括扩展卡尔曼滤波器被使用在本章中，模型在系统中的噪声是白色的和拥有一个高斯分布。高斯分布不是在关注跟踪涡而是跟踪在第3章中缸。高斯分布已经合理描述测量噪声。然而,建模噪声在状态转移模型为高斯是一个近似,因为这种噪声词代表的一些影响,不包括在流模型如其他涡流或任何外部流。状态转换噪声在卡尔曼滤波算法的收敛性和适应性也发挥了重要作用（见下一节）。涡流跟踪问题明显不同于缸跟踪问题中有一个对应的物理传感器。(具体来说,如果涡强度估计不是零,那么压力相应的估计中,Y位置非常小的会非常大,因此大大不同于测量压力。此错误增加涡流的方法来接近传感器的作用是估计从后面的传感平面涡流交叉排斥（导致非物理的情况）。有两个例外，它仍可能有涡流测量交叉X轴。首先,如果涡估计将涡远离传感器在X方向,然后穿过传感器阵列的成本是大大降低。第二,在初始阶段的卡尔曼滤波状态估计的大小修正来弥补缺乏的信息,这可能导致不能评估交叉X轴与Y位置的中间点。这些可能的异常都是初始化的卡尔曼滤波器。由于没有初始化之前的估计算法的传感器阵列注册一个信号从漩涡,通过限制级的初始化的估计误差协方差矩阵,问题背后的涡流传感器阵列平面交叉不存在实践中。参数测定扩展卡尔曼滤波器具有许多内部参数需要指定。这些包括初始状态估计的协方差矩阵，协方差矩阵的转换，以及测量的协方差矩阵。作为一般规则，在扩展卡尔曼滤波器对这些内部旋钮值分别为所有涡跟踪实验保持不变，不管的流线型身体或平板是用来测量压力。(这样做是为了防止对每个数据集过度的估计方法，由于在两种情况下的不同状态向量，仍有细微的差别。首先要考虑的是内部参数的初始状态协方差矩阵。卡尔曼滤波的状态向量的分布实时估计值（假设一个高斯形式），相当于规定的平均值和它的误差协方差矩阵。在状态估计的信心，由协方差矩阵来表示的，是在确定的校正的响应的测量和预测在接下来的测量更新压力之间的差异的大小的仪器的应用。在所有的实验在跟踪漩涡,小信息用于提供初始状态值,因此几乎没有信心。最好是，校正使用大量使用第一状态估计的测量。由于这些原因,初始值的状态协方差矩阵需要相当大的。此外，由于没有一个先验的理由，介绍了变量之间的依赖性，初始状态误差协方差矩阵的对角。其对角的实际值是根据变量的尺寸和所选择的问题。所有的长度变量状态被初始化方差为。强度变量的状态向量有单位为。鉴于问题的基本尺度是毫米，而强度的典型值为，最初的方差被设置为。测量的选择和状态转换噪声协方差矩阵相互是因为它们强烈的影响着卡尔曼滤波行为。特别是，两个矩阵的相对大小确定依赖于对新的测量信息的算法。如果测量噪声方差状态相对于过渡噪声方差小的状态下，那么估计将接近瞬时的逆估计的状态测量。如果测量仍然有大量的噪音，这意味着状态估计会变化很大。零测量噪声的极端情况下是无效的卡尔曼滤波的变体。在相反的情况，当状态噪声方差相对于测量噪声方差小时，状态估计响应的预测值和测量的压力之间的差异要慢得多。可能有过渡噪声方差为零，这意味着状态的过渡确切知道。这通常导致了“硬化”状态估计，经过一定时间的瞬变由于到初始状态误差协方差消失，状态估计可能进展仅通过状态转移规则，并完全独立新的测量。在这方面，把换噪声方差的下限状态作为误差协方差是一个有效的方式。采用上界的状态估计的信心，估计在新信息的基础上该算法是能够改变的。出于这个原因，即使有没有物理源噪声，它常常是有利于模型的状态转移一些噪音。测量噪声的方差的过程（或状态转换）噪声方差的比率，根据实验和相对的组合信号强度的结合。霍尼韦尔所使用的压力传感器相对应的实际测量噪声非常小，与标准偏差只差几帕斯卡。对于状态转换，没什么类似的可量化噪音，但它有可能检查在组件从PIV估计的位置的Y位置的漂移量。在这约1cm的整个数据组，接近于1mm的实际量。这是以每个协方差矩阵得到一个粗糙面波震级，协方差的测量为10和的元素协方差状态转移。图5-12：模拟扩展卡尔曼滤波应用调整内部参数。上面的图基于卡尔曼滤波器的状态估计绘制出了仿真的压力（黑色虚线）和重建的压力（彩色）。下面的图显示状态估计的（彩色）与真实状态（黑色虚线）的融合。对应于每个噪声协方差矩阵的标准偏差粗糙的初始值是通过测试的扩展卡尔曼滤波算法对人工生成的数据进一步调整。特别是,该问题的解决每个协方差矩阵内的相对水平。对于测量协方差矩阵，每个传感器独立行动，并具有独立的噪声。因此，它是代表测量协方差矩阵作为一个相等的元素沿斜对角矩阵的一个小的假设。然而。在这种情况下，状态转换噪声协方差矩阵的元素也可能都比一样。这是通过模拟实验得出的。对于这些，压力测量是通过前面讨论的模型产生的，通过简单的轨迹之后，根据从模型中诱导速度与旋涡的正演模型的生成。使用初始条件充分的真实状态下，对状态转换的协方差矩阵的不同的值可以被检测和收敛速度的真实状态（以及最终的误差）被用来作为度量。图5-12所示的一个例子基于的流线型车身远期模型模拟的压力和收敛结果。假设状态转换的协方差矩阵对角，作为每个状态变量可以独立地变化。基于这些模拟试验的实验，发现强度的方差应小于位置变量，根据它们的相对尺寸，而仅为100倍。X和Y位置方差之间的差异似乎有轻微的影响。然而，在1.3涡流线型车身正演模型的情况下，第二旋涡的距离并不会影响被测压力的强烈。在远离第二旋涡的Y位置的小的变化不会随着Y变小或最近的旋涡X位置相同的压力变化而引起的幅度。这种敏感性降低也意味着，卡尔曼滤波器缓慢的验证这个状态。为了应对这一问题，增加这一状态变量的状态转换的方差，这种相对不敏感的变量的的估计值。增加的一个方差5相对于X和Y位置最近的涡流产生了良好的效果。在运行的扩展卡尔曼滤波实现的实验数据中，人们发现测量过程的协方差的最佳比例略有改变给定的压力信号的幅度。大幅度的压力信号与高达100帕的峰值，测量噪声的标准偏差为10帕时运行良好，而10的方差往往会强调测量过度，导致状态估计不一致。相反，对于数据集，其中压力有峰值幅度约10-20帕， 10帕的标准偏差水平不会充分响应的测量。这也许会导致扩展卡尔曼滤波的自适应实现，在测量噪声方差的大小依赖于被测压力的大小。然而，本次调查中，10方差是一致的测量协方差矩阵的对角。5.4.2 流线型体结果在本章中介绍这两个实验设置，最近的漩涡被成功跟踪位置和强度的结合使用了能模型,扩展卡尔曼滤波器并调整其内部参数。在调查的细节，这将有可能进一步了解在什么条件下涡流可以追踪。实验这一线性阵列的封闭压力传感器在一个流线型的管状体需要1.3涡转发模型,重建这压力传感器确定了不存在的建模。在逆问题的适用于这种情况的结果，最近的涡的跟踪状态出人意料地好。在大量的未建模的信号源的存在下，在不明压力信号减弱下，状态估计将稳定的返回精确值。图5-13：流线型体涡估计审判的结果。左上的PIV数据是估计状态变量（黑线）进行比较的值, 在右上角的位置估计压力（黑点）与PIV估计的（红点）涡的涡量分布按照时间分布在图中间. 传感器的位置和传感器的边缘被标记在图像的右边缘。在底部，所测得的压力显示，以20赫兹的截止频率滤波。前两个例子的状态估计为一个流线型没实质性变化的力. 图5-13显示从线性压力传感器阵列的旋涡的估计结果，比较了来自PIV数据的立估计。(每个估计状态的意味着在每个状态变量的概率条件并包括时间的估算。首先把重点放在图中的左上部分，基于压力的每个状态估计的真实状态的行为与PIV密切相关。最好的是X的位置，指示位置的旋涡沿着阵列的长度。这个估计的X位置与PIV数据几乎一样。相比之下,Y位置估计基于压力的轨道，涡旋的位置在大多数数据显示良好，但平稳的在尾部四处漂浮。强度估计似乎有一个恒定的偏置，高估在PIV结果比较涡的强度，但在整个数据集的强度不会衰减。不幸的是，对于PIV最后引起了质量上的衰变，使得传感器的漂移远离受到怀疑。(由右图可见 ，PIV位置的估计开始失去凝聚力。然而,未能跟踪小漂移主要的原因可能在于卡尔曼滤波器的参数。它是可能的,到那时,数据已经符合模型,降低了新的测量。本例的结果于另一个可视化图5-14，其中的旋涡的位置估计从压力和PIV示对相应的涡量分布在不同的时间点。在比较了状态估计结果与实测压力,有一个明确的调整的y位置,发生在大约56.4秒。相对于时间，第一个传感器相比于人在开始有明显的不同。这种行为是预期的，因为在这之前的时间点的资料很少, 也许不能归因于在测量噪声。然而,它也带来了重要的一点。这里使用的方法来跟踪一个涡大量使用初始化瞬变的卡尔曼过滤波。因为很少假定旋涡的位置和大小，在最初的阶段，测量估计比稳定行为更敏感，这对于涡的定位很重要。图5-14：流线型体涡估计试验结果。结果回应如图5-13相同的数据基于PIV数据的位置估计（红圈）进行比较，根据压力数据（黑圈）在不同阶段中的时间序列。每一个较小的子图，从顶部垂直左出发，对应于由一个虚线上面要标记时间。第二个例子演示的方案与第一个略有不同，扩展卡尔曼滤波器的实现也跟着在最近的旋涡运动的意义变化。这些结果在图5-15和图5-16可见。虽然在一般的涡旋态跟踪都非常的例子，到目前为止，还有一些实质性的差异。不同于第一个例子，第二个轨道涡流强度好，没有高估他。此外，如前所述，卡尔曼滤波结果跟踪方向的重大变化的涡方法的传感器阵列在Y轴在最初保持不变。然而，在进一步的对比以前的结果，基于压力小振荡的Y位置估计具有真实价值。目前还不清楚是什么原因导致这种情况的。这个例子和以前的一个区别是，涡流的强度较大。这可能是负责提高跟踪涡流的强度，但不太可能引起振荡。他最有可能的原因是，一些小的二次剩余未建模涡存在附近的传感器，这是不足以破坏旋涡跟踪，但没有改变它。需要注意的是，在这两个例子，到目前为止讨论的重要，只有最近的涡流状态跟踪)。1.3涡模型被用于扩展卡尔曼滤波器的基础是一个模型，包括两个涡，与二次涡限制一个自由变量代表两个旋涡之间的距离。然而，在实施过程中，观察到这种分离变量是极大的不一致和强烈低估了所观察到的比较（PIV）的二次涡位置。当涡接近一个在流场，最有可能大大降低灵敏度位置。这种差异的敏感性一直在扩展卡尔曼滤波仿真试验以前观察到的，但它是可跟踪的那个阶段。在实际的噪声和未建模流体包裹体结构，它被确定，而该第二涡流必须获得良好的模型，但在这第二涡流逆问题中，没什么信心。作为一个结果，涡流跟踪在这个问题的重点是准确地跟踪最近的旋涡.图5-15：流线型体涡估计审判的结果。左上的PIV数据是估计状态变量（黑线）进行比较的值, 在右上角的位置估计压力（黑点）与PIV估计的（红点）涡的涡量分布按照时间分布在图中间. 传感器的位置和传感器的边缘被标记在图像的右边缘。在底部，所测得的压力显示，以20赫兹的截止频率滤波。图5-16：流线型体涡估计试验结果。结果回应如图5-15相同的数据基于PIV数据的位置估计（红圈）进行比较，根据压力数据（黑圈）在不同阶段中的时间序列。每一个较小的子图，从顶部垂直左出发，对应于由一个虚线上面要标记时间。在考虑其他应用的例子扩展卡尔曼滤波的涡跟踪方法,可以观察时就会发生一个错误的传感器阵列,或当一个明显异常瞬态信号介入。鉴于流线型车身封闭的只有四个传感器中的压力传感器阵列，每个传感器的重要性必须增加。由接下来的两个例子可见。图5 17 5 - 20。在这两种数据,第一个压力传感器通过涡的一个偏移量约10 Pa。回想一下,卡尔曼滤波器实现使用不同的归一化压力传感器,通过消除平均归一化发生的基于时间的样本生成几种常见模式振荡远离涡的刺激。在一个正常的传感器的情况下，该参考水平正常化在整个实验测试是恒定的。然而，在第一传感器在这些例子中, 参考涡旋的通过期间的水平的变化。这可能占一个泡沫从外部端口导致身体内部的传感器，由于通过涡转向线压力的变化。不管什么原因,有一点是清楚的,有一个漂移的参考电平的传感器由于压力差的方式对相邻传感器不归零在双方的数据集。这个简单的10 Pa漂移在第一个传感器是戏剧性的结果。直到压力传感器测量了第一个平等的与参考电平,这个漩涡状态估计是损坏的。这是特别真实的Y位置估计，这是被迫更加错误的传感器。有趣的是，涡流状态估计恢复相当迅速，在这两种情况下后的漂移向量的影响是过去的一个准确的状态。恢复的速度可能有一定的关系的方式,在强度和X位置组件的状态合理估计的真实状态。这个数量的错误在这些状态估计比发现的例子中有四个工作传感器,但远不及Y位置的水平估计。事实上，X位置跟踪了以及在例子的全套工作传感器。总体看来,一个偏移量传感器产生轻微扰动在X和K的估计,但使y估计偏离现实。图5-17：流线型体涡估计审判的结果。左上的PIV数据是估计状态变量（黑线）进行比较的值, 在右上角的位置估计压力（黑点）与PIV估计的（红点）涡的涡量分布按照时间分布在图中间. 传感器的位置和传感器的边缘被标记在图像的右边缘。在底部，所测得的压力显示，以20赫兹的截止频率滤波。图5-18：流线型体涡估计试验结果。结果回应如图5-17相同的数据基于PIV数据的位置估计（红圈）进行比较，根据压力数据（黑圈）在不同阶段中的时间序列。每一个较小的子图，从顶部垂直左出发，对应于由一个虚线上面要标记时间。图5-19：流线型体涡估计审判的结果。左上的PIV数据是估计状态变量（黑线）进行比较的值, 在右上角的位置估计压力（黑点）与PIV估计的（红点）涡的涡量分布按照时间分布在图中间. 传感器的位置和传感器的边缘被标记在图像的右边缘。在底部，所测得的压力显示，以20赫兹的截止频率滤波。图5-20：流线型体涡估计试验结果。结果回应如图5-19相同的数据基于PIV数据的位置估计（红圈）进行比较，根据压力数据（黑圈）在不同阶段中的时间序列。每一个较小的子图，从顶部垂直左出发，对应于由一个虚线上面要标记时间。另一个例子显示, 从流线型的车身在面对不理想的工作条件的涡跟踪图5-21和图5-22。在本实验的结果，所测得的压力差大约961.8秒的，其中第三传感器中的压力在一段时间内突然增加。这一增长的原因是未知的，在这种情况下，似乎在PIV附近的旋涡最接近传感器的，因此有可能是二次涡流与感官体界面形成。不管是什么原因，涡流跟踪算法无法准确地跟踪最近的涡在一个传感器是测量是不是由于在涡流问题受到一个大的刺激。又然后，一旦瞬态不明信号传递，基于压力数据的估计似乎恢复跟踪PIV再次估计（注意，PIV估计成为继由于固体体附近散发。通过大量的例子证明，一个小的线性传感器阵列的四个压力传感器是足够的跟踪在一个小的流线型体附近的一个漩涡，如鱼或水下航行器。这些结果也验证了1.3涡模型，假设具有流线型车身不会影响预测的压力测量的目的变动。可侧线像传感器的详细程度有着很高的预期。拥有全套功能的传感器，旋涡中心的位置追踪平均误差几毫米，小于粘性的旋涡核心问题。这些成功的结果也证实，鱼有足够的信息来提取这方面的详细信息流，专注于最近的旋涡侧线的大小和位置。鱼是否需要这一级别的详细推理了附近的涡还是未知的，通过鱼的实验解答。只有四个传感器，这是显而易见的，在测量中存在冗余度小，因此，即使在一个单一的传感器测量小的差异情况下可以摆脱旋涡跟踪。然而，同样明显的是,通过涡流传感器，涡流跟踪估计可以修复故障传感器。在更大数量的传感器情况下，这将有可能正确地估计一个旋涡状态虽然单一的传感器提供了错误读数。图5-21：流线型体涡估计审判的结果。左上的PIV数据是估计状态变量（黑线）进行比较的值, 在右上角的位置估计压力（黑点）与PIV估计的（红点）涡的涡量分布按照时间分布在图中间. 传感器的位置和传感器的边缘被标记在图像的右边缘。在底部，所测得的压力显示，以20赫兹的截止频率滤波。图5-22：流线型体涡估计试验结果。结果回应如图5-21相同的数据基于PIV数据的位置估计（红圈）进行比较，根据压力数据（黑圈）在不同阶段中的时间序列。每一个较小的子图，从顶部垂直左出发，对应于由一个虚线上面要标记时间。 毕业设计类 型：R毕业设计说明书 毕业论文题 目：一维速度工作台指导教师：石 剑 锋学生姓名：周 烽专 业：机电一体化技术班 级：机电112学 号：110101242时 间：2014年4月南通职业大学毕业设计（论文） 一维速度工作台目录摘要1摘要1Abstract21 绪论32 工作台的组成42.1 伺服电机52.1.1伺服电机介绍52.1.2伺服电机工作原理62.1.3伺服电机的选择62.2 伺服驱动器62.2.1伺服驱动器原理62.2.2使用伺服驱动器的基本要求72.3 滚珠丝杠螺母副82.3.1滚珠丝杠的结构组成82.4 联轴器92.5 传感器102.6 S7-200可编程控制器112.6.1 S7-200的高速脉冲输出功能132.6.2 脉冲输出（PLS）指令132.6.3 用于脉冲输出（Q0.0或Q0.1）的特殊存储器132.6.5 S7-200中断指令功能163系统硬件的设计174 控制系统执行184.1 PLC的选型，I/O分配和控制系统接线184.2 PLC控制程序20参考文献24致谢25附录1:26附录2：27摘要随着科学技术的发展，PLC在工业控制中越来越广泛的应用。 PLC控制系统的可靠性直接影响到工业企业生产的安全性，该系统的抗干扰能力涉及到整个系统的可靠运行。各种型号的PLC被使用在自动化系统中，有的集中安装在控制室，有的安装在生产现场和各种电器设备，其中大部分在强电电路和强电设备形成的恶劣电磁环境中。为了提高PLC控制系统的可靠性，要求生产商提高了抗干扰能力PLC设备，并且要求工程设计、安装和维护的重视，以提高问题有效解决并提高系统的抗干扰性。本文主要介绍了伺服电机，伺服驱动器，联轴器，传感器，和PLC控制程序的执行。设计了基于PLC运行的一维工作台，由PLC控制工作台运行的程序，操作简单和容易理解，实现多种功能等。该系统主要实现程序运行，顺序启动和停止，速度的调节等功能。关键字： PLC 伺服电机 控制系统 工作台AbstractWith the development of science and technology, PLC applications in industrial control more widely. PLC control system reliability directly affects the safety of industrial enterprises in the production of anti-jamming capability; the system is related to the reliable operation of the key to the whole system. Automation systems used in various types of PLC, and some centralized installation in the control room, some mounted on the production site and various electrical equipment, most of them in a harsh electromagnetic environment strong electrical circuits and high voltage equipment formed. To improve the reliability of PLC control system, ask the manufacturer to improve the anti-jamming capability PLC equipment, on the other hand requires engineering design, installation and maintenance of the high degree of attention, in order to improve problem solving with multi-effectively enhance system robustness.This paper mainly introduces theservo motor,servo drives,couplings,sensor, and the implementation ofPLC control program Designof one-dimensionalWorktableBased onPLCoperation,controlled by the PLC operating procedures,simple operationandeasy to understand,to achieve a variety offunctions.The system mainly realizes theprogram running,in orderto start and stop,speedregulatingfunction.Keywords: PLC Servo motor Control system Bench 1 绪论一般普通机床中工作台的移动通过人工来手动操作，而数控机床工作台运动通过编程加工程序来控制。 工作台运动通过PLC输出信号给伺服驱动器，同时伺服驱动器反馈给电机，控制电机的正反转运行和转速的控制，带动丝杠从而控制工作台的移动。2 工作台的组成 本工作台的结构其组成大体包括PLCS7-200、伺服电机、工作台，机械元件等。结构图和平面图如图2.1，图2.2所示。2.1 伺服电机 2.1.1伺服电机介绍 伺服电机（Servo Motor）是指在伺服系统中机械部件的控制操作，是一种辅助马达的间接传输装置。伺服电机可精确控制速度和位置的调控，电压信号可以被转换为转矩和速度，然后驱动控制对象。输入信号控制伺服电机转子转速，电机自动控制系统的快速响应，同时把所收到的电信号转换成角位移或角速度输出到电动机上。伺服电机主要分为直流和交流伺服电机两大类，其主要特点是，但电压没有信号输出时，电机自转停止，同时随着转矩的增长，转速匀速的下降。 2.1.2伺服电机工作原理 伺服系统（Servo System）是能跟随输入目标（或给定值）可是任意变化物体的位置、方位,伺服电机运行状态等的自动控制系统。伺服主要通过脉冲从而达到定位的效果，也可以这样理解，当伺服电机接收到1个脉冲量时，就会对应的运行电机的1个脉冲量，从而实现伺服电机调控位移。因为伺服电机自身就具有发送脉冲的功能，所以当伺服电机运行脉冲时，都可以发出对应的脉冲，这样就呼应了伺服电机接受到的脉冲量，这也称为闭环。如此一来，系统就会知道给伺服电机发送脉冲量，同时脉冲复位，这样，就可以精确的控制脉冲的转动，从而实现精确的定位，最低可运行0.001mm的脉冲量。2.1.3伺服电机的选择直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，转矩大，调速范围广，易于控制，但是不方便维护，容易产生电磁干扰，对环境也有要求。因此它可以用于普通工业和民用场合。电机自身缺陷影响直流伺服驱动技术，限制其发展。直流伺服电机机难以应用到高速及大容量驱动运行的场合，因为其机械结构较为复杂，且在运行过程中转子容易发热，从而影响其他机械设备的运行精度。相对于直流伺服电机，交流伺服电机具有过负荷特性和低惯性的优点，同时电刷、换向器等机械元件在交流伺服电机上都可以很好的运行，体现了交流伺服系统的优越性。 从伺服驱动的应用上看，交流伺服电机的市场使用率逐渐扩大。交流伺服电机的精度高，速度快，使用方便使其在实际应用中已成为主流。2.2 伺服驱动器伺服驱动器（Servo Drives）属于伺服系统中的一部分，作为控制伺服电机的控制器，主要应用于一些高精度的定位系统中。通过位置、速度和力矩影响来控制伺服马达，实现高精度的传动系统定位，属于现在传动技术中的高端产品。 2.2.1伺服驱动器原理 数字信号处理器（DSP）可以实现复杂的控制程序，实现数字化、网络化和自动化，使得其已经成为伺服驱动器中主流的控制技术。功率器件普遍的驱动电路采用以智能功率模块（IPM）为核心的设计,智能功率模块内部集成了驱动电路,通过检查电路中的故障从而防止电路受到损坏，同时把软启动电路加入在主回路中,以减小在启动过程中冲击。通过三相全桥整流电路进行整流，使得功率驱动单元相应的电流，再通过变频来驱动交流伺服电机，功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。更多的技术服务商加深了对伺服驱动器的技术研究，以应对伺服驱动器广泛使用中所带来使用、调试、维修中所出现个问题 2.2.2使用伺服驱动器的基本要求 对驱动器要求:1、调速范围宽2、传动刚性足和速度稳定性高3、可靠性高4、大转矩低速，过载能力强5、响应速度快，定位精度高 通过良好的响应速度和精确定位，来确保生产率和加工质量。对电机的要求 1、从最低速加速到最高数时，电机的转矩波动小，可以平稳的运转，尤其是在低速运行时，仍可以平稳的运行且没有爬行的现象。 2、为满足大转矩低速运行，电机应具有强大的过载能力。 3、电机的转动惯量越小，堵转转矩越大，同时时间常数和启动电压应尽可能的小，才能满足电机快速响应的要求。 4、电机可以承受高强度的频繁的启动，制动和反转。 2.3 滚珠丝杠螺母副 丝杠螺母副是将丝杠的旋转运动装换成工作台的直线运动，是现在机床上常用的运动转换机构。按丝杠与螺母的摩擦性质不同，可将数控机床上常用的丝杠螺母副分为滑动丝杠螺母， 滚珠丝杠螺母副，静压丝杠螺母副三大类。2.3.1滚珠丝杠的结构组成 丝杠、螺母、滚珠和滚珠返回装置组成了滚珠丝杠。在加工时，丝杠和螺纹都有匹配的弧形螺旋槽，当它们装在一起时便形成了螺旋滚道，为了保持丝杠螺母的连续运行，丝杠回转时。滚珠都可以通过螺母上的返回装置完成循环。特点： a) 传动效率高、摩擦损失小。滚珠丝杠螺母副功率消耗只有常规丝杠功率消耗的1/4-1/2。因为其传动的效率是普通滑动丝杠的2-4倍。b) 运动灵敏，低速时无爬行。滚珠丝杠螺母副定位精确、进给时的灵敏度高。因为滚珠与丝杠和螺母存在的是滚动摩擦，运动时所产生的摩擦阻力小。 c) 传动精度高，刚性强。通过适当的预紧，消除传动间隙，真正的实现无间隙的传动。 d) 滚珠丝杠螺母副在运动时中损耗较小，使得其使用寿命较长。 e) 但其无自锁能力，会逆性传动。对于正在垂直使用的滚珠丝杠螺母副，由于重力的缘故，当切断传送时，滚珠丝杠螺母副不会当即停止运动，故应该给滚珠丝杠螺母副附加自锁功能。 f) 滚珠丝杠螺母副的制造工艺尤为复杂，滚珠丝杠和螺母的材质、热处理和加工应与滚动轴承相同，并且螺旋滚道必须经过磨削，因而制造成本高。 滚珠丝杠分成内循环方式和外循环方式两大类。如图2.4所示。 滚珠在循环过程中始终与丝杠接触称为内循环。内循环螺母有着紧密的结构，定位性好，刚性好，不容易磨损，返回是滚道距离短，滚珠不易堵塞滚道，摩擦过程中损耗比较小。但滚珠丝杠的结构复杂，制造工艺复杂，成本价格比较贵。 滚珠在循环过程与丝杠脱离接触称为外循环。外循环的制造工艺相对于内循环简单，应用也比较广泛，但是螺母的径向尺寸比较大，刚性也较差，容易磨损。2.4 联轴器 联轴器是用来连接主动轴与从动轴的机械零件，从而使得主动轴和从动轴共同旋转并相互传递扭矩。主动轴和从动轴需要联轴器来联接。联轴器是轴系传动中的联接部件，联接动力源与工作机之间的构件。常用联轴器包括有膜片，齿式，梅花，滑块，鼓形等。选择联轴器的选择根据电机、使用条件等影响。在根据选择伺服电机后，初选十字滑块联轴器。图2.5所示。2.5 传感器 传感器是接收被测量件并且将其转换成可用信号的器件或装置，一般由敏感和转换两个元件组成。传感器通过接收到被测量的信息，将检测感受到的信息，通过变换成为信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。依据传感器的信号变换从而实现自动检测和控制。接近传感器，无需接触检测对象就可以输出信号，替代了接触式检测方式。通过检测对象的移动和存在信息，并且变换成电气信号。通过电磁感应引起的涡电流的方式、被测量的接近引起的电气信号的容量变化的方式、引导开关的方式转换成电气信号。在JIS的定义中，在传感器中也可以以非接触方式检测对象总称为“接近开关”，由感应型、静电容量型、超声波型、光电型、磁力型等构成。本装置中所用的是LJ12A3-4-2/BX型号的接近传感器，其外观和感应距离如图2.6所示。 接近传感器的接线图，如下图2.7所示2.6 S7-200可编程控制器在工业发展迅速的今天，PLC控制系统被广泛的运用到各个领域当中。但是，就当今的中国来说，PLC的发展并没有跟上经济的脚步。同样，无论是一个普通设备一样小的机器，还是工业领域这种庞大的范围，PLC控制系统技术都存在其中。PLC不应该被理解成是一种概念，而是一种技术。它将在自动化领域起着重要的作用。多功能化信息化是PLC发展的一种方向，当然，为了适应实际需要，它也要变向设备集，单体和离散控制。比如，西门子S7-200它的使用范围广泛，功能强大，使用范围也极其广泛。为了达到不同的地区，多样需求，微机械的发展趋势也很明显。PLC的发展源自于对原继电器控制的模仿，上世纪六七十年代开始，PLC只是一种开关量的控制，并且在汽车领域率先开始运用。它可以运用到监控系统当中，也可以运用到智能手机当中，同样，它可以能够用到传感器当中。这些形形色色的PLC，既能够适用于的批量生产的现实生产当中，也能够满足研究发展各种科技的要求。伺服电机定位主要是通过接收到的脉冲数确定的，单接收到一个脉冲，同时就会对应的产生一个脉冲对应量，从而实现运动。伺服电机驱动器通过接收控制器发来的脉冲信号，然后脉冲按相应的顺序的输出到电机中，从而控制电机的运动，因此需要控制器可以发出高脉冲信号。PLC是计算机技术与传统的继电器接触器控制技术的结合，它克服了机械触点继电器触点控制系统布线复杂性，功耗高，可靠性低，并且缺乏通用性和灵活性，其充分利用微处理器的优点，同时PLC编程对专业知识的要求很低，只是使用一组简单的指令在梯形图为基础，允许用户编程编译形象，直观，易学的形式。PLC控制的可靠性，简单，灵活。从最小的十个I/O点的微型PLC到大型PLC的8000点，PLC的产品不断被丰富、发展。在组成结构上，PLC具有两种模式,分为一体化结构和模式块结构。功能的完善，性能的提高，体积变小都有利于安装一体化结构的PLC。而通过单一功能的各种模块组成模块式结构的PLC，在设计PLC控制系统时拥有强大的灵活性，并使设备的性价比提高。同时，模块式结构也有利于系统的维护和升级，并加强系统的扩展能力。首先对控制任务进行分析，把所有的端口找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O，以及这些其性质。I/O点的性质主要指它们是用继电器还是晶体管或是可控硅型影响直流信号还是交流信号，它们的电源电压，以及输出。 然后要对用户存储器容量进行估算。通过内开关量输入/输出点数、模拟量输入/输出点数等影响用户程序所需内存容量。 可编程控制器的产生是由于工业控制的需求，是面向工业控制方面的专用设备，归纳为以下几点: 1. 可靠性高，抗干扰能力强 2. 灵活性强，控制系统具有良好的柔性。 3. 通用性强，使用方便 4. 功能强，适应面广 5. 编程方法简单，容易掌握 6. PLC控制系统的设计、安装、调试、维护方便 7. 体积小、重量轻、功耗低 2.6.1 S7-200的高速脉冲输出功能S7-200包括PTO、PWM两台高速脉冲发生器。 PTO脉冲串功能可输出指定个数、指定周期脉冲，PWM功能可输出脉宽变化的脉冲信号，用户可以指定脉冲的周期和脉冲的宽度。若PTO指定给数字输出点Q0.0，PWM则指定给数字输出点Q0.1。当PTO、PWM控制输出时，将禁止输出点Q0.0、Q0.1的正常使用，当不使用PTO、PWM控制输出时，输出点Q0.0、Q0.1将恢复正常的使用，即由输出映像寄存器决定其输出状态。 2.6.2 脉冲输出（PLS）指令 脉冲输出（PLS）指令功能检查用于脉冲输出（Q0.0或Q0.1）的特殊存储器位（SM），然后执行特殊存储器位定义的脉冲操作。指令格式如表1所示。 2.6.3 用于脉冲输出（Q0.0或Q0.1）的特殊存储器 （1）控制字节和参数的特殊存储器 每个PTO/PWM发生器都有一个控制字节（8位）、一个脉冲计数值（无符号的32位数值）和一个周期时间和脉宽值（无符号的16位数值）。这些值都放在特定的特殊存储区（SM）。如图2.9和2.10指示，执行PLS指令时，S7-200读这些特殊存储器位（SM），然后执行特殊存储器位定义的脉冲操作，即对相应的PTO/PWM 发生器进行编程。 修改脉冲输出（Q0.0或Q0.1）的特殊存储器SM区，也就是更改PTO或PWM的输出波形，然后再执行PLS指令。 注意：所有控制字节、周期、脉冲宽度和脉冲计数值的默认值均为零。向控制字节的PTO/PWM位写入零，然后执行PLS指令，将禁止PTO或PWM波形的生成。 （2）状态字节的特殊存储器 除了用于控制信息外，还有用于PTO功能的状态位。程序运行时，根据运行状态自动置位。可以通过程序来读取状态，并以此作为判断条件，实现操作。 图2.8 控制字节图2.9 特殊标记寄存器2.6.4 PTO的使用 PTO是高速脉冲串的输出，可以指定脉冲数和周期的占空比为50%。状态字节中的最高位控制脉冲串输出是否完成。可在脉冲串完成时中断程序，如果使用多段操作，则在包络表完成时中断程序。 （1）周期和脉冲数 周期范围从50至65,535微秒或从2至65,535毫秒，为16位无符号数，时基有微秒和毫秒两种，通过控制字节的选择。注意，如果周期小于2个时间单位，则周期的默认值为2个时间单位。 如果周期设定奇数微秒或毫秒，（例如75毫秒），会引起波形失真。 脉冲计数范围从1至4,294,967,295，为32位无符号数，如果设定脉冲计数为0，则系统默认脉冲计数值为1。 （2）PTO的种类及特点 PTO功能可输出多个脉冲串，当脉冲串输出完成时，新的脉冲串输出立即开始。这样就可以保证输出脉冲串的连续性。PTO功能允许多个脉冲串排队，从而形成流水线。流水线分为两种：单段管线和多段管线。 包络表格式有包络段数和各段组成。整个包络表的段数（1-255）放在包络表首字节中（8位）。接下来的每段设定占用8个字节，包括：脉冲初始周期指（16位）、周期增量值（26位）和脉冲技术值（32位）。以包络表3段的包络表为例。若VBn为包络表起始字节地址。则包络表的结构如图2.11所示。表中单位为ms。2.6.5 S7-200中断指令功能 中断指令功能就是调用中断程序，使得系统响应于特殊的内部事件。系统响应中断是自动保护逻辑堆栈、累加器和某些特殊标志存储器位，相当于保护现场。中断处理完成时，又自动恢复
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