毕业设计（论文）-一维速度工作台控制系统设计.doc

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 工作台全套图纸加扣 3012250582AbstractWith 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，又自动恢复这些单元原来的状态，即恢复现场。3系统硬件的设计电气控制电路的设计是系统硬件设计的一个很重要的部分，良好的电气控制环节将给整个控制系统带来更高效稳定的工作环境。所以，设计该部分力求做到电气控制线路的安全可靠、简单经济。逻辑设计法是电器控制线路常用的方法，本次设计也采用这种方法。逻辑设计法是利用逻辑代数这一数学工具来设计电气控制线路，同时也可以用于线路的简化。把电器控制线路中的继电器、接触器等电器元件线圈的断电和通电、触头的断开和闭合看成逻辑变量，触头的闭合状态和线圈的通电状态设定为“1”态；触头的断开状态和线圈的断电状态设定为“0”态。根据工艺要求，将这些逻辑变量关系表示为逻辑函数的关系式，再运用逻辑函数基本公式和运算规律，对逻辑函数式进行化简，然后由简化的逻辑函数式画出相应的电气原理图，最后再进一步检查、完善。4 控制系统执行 在设计以PLC为控制系统是，应选择最适宜的PLC型号。以下是在选择PLC型号是应考虑的主要因素：便于PLC逻辑可编程控制器的编程，其控制系统的I/O端口适宜。PLC系统的稳定性高，且运算速度也较快。PLC系统与上位机通信接口的拓展性好，具有较好的联网兼容性。4.1 PLC的选型，I/O分配和控制系统接线SIMATICS7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合的检测、监测及控制自动化，可靠性高，具有极高的性价比。选用S7-200 PLC系列之后，根据实际需求确定PLC的具体型号。首先要分配输入输出信号，只有将割检测信号及控制对象与PLC硬件接口地址对应后，系统才能继续检测盒控制。根据本设计对系统控制要求和控制过程的分析，列出该PLC控制系统I/O点的分配如表2所示。表2 I/O分配表输入名称输出名称I0.0伺服原点Q0.0脉冲输入端口I0.1伺服终点Q0.1脉冲符号输入端口I0.2启动Q0.2位置指令脉冲禁止输入端口I0.3复位Q0.3驱动器“开”信号I0.4方向Q0.4报警