机械毕业设计1666支撑目标运动机构技术设计
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机械毕业设计1666支撑目标运动机构技术设计,机械毕业设计论文
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弹 体支撑运动机构及目标模拟器控 制系统设计 1 第一章 概述 1 1 课题的意义 任何零件的质量检测都应有 “ 检测标准或规范 ” ，其中含有判定零件如何检测，及判定是否合格的标准。按照检测标准和规范进行零件的检测和合格与否的判定即可。检测过程中会需要各类量具，如卡尺、千分尺、角规等等。 任何的复杂的产品也是有相关的 “ 检测标准或规范 ” ，需要检测校验的方面是比较多的，所使用的 器件量具也是复杂的， ，多样的， 有通用的， 也 用专用的 ，还有组合的 。 本次研究的课题是 弹 体支撑运动机构及目标模拟器的控制机构设计，研究的主要目的就是设计出一个检测导弹的弹头的跟踪系统的安装 位置是否准确的的一个组合型检测系统的机械结构部分。设计这个机构的意义在于在设计出机械结构后，在检测弹体弹头或者就单个弹头的跟踪系统的安装位置时，弹体或 者 弹头有了一个统一，安全的安装 固定 支撑 运动环境 ，同时在检测过程中，能够轻松，随意移动弹体或弹头的空间位置，有利于更全面的测定跟踪系统安装位置的准确性，操作灵活方便。而在安装激光检测装置的问题上，所设计的目标模拟器的安装平台的位置的灵活性移动和安装结构的灵活设计，保证了能够安装不同体积大小，不同型号，不同种类的检测装置，能够实现对于不同的弹体或者弹头的 跟踪系统安 装位置的测定。 1.2 课题的发展前景 目前中国的军事正处于蓬勃发展，欣欣向荣的时期，而导弹在一个国家的国防地位中处于中坚力量。对于导弹的控制又很多方法，通过弹头的跟踪系统来控制改变导弹的速度或者走向或者打击的目标等是一种很基本的方法，而这都是需要跟踪系统系统的安装位置的准确性来保证的，本课题设计的这套机械系统装置就是为了测试导弹弹头或者单个弹头上跟踪系统安装位置的准确性为目的的。有了这套系统，在检测导弹弹头或者单个弹头上跟踪系统安装位置的准确性 的检测方法上，在操作性上就有了很大的提高，这样提高了弹头跟 踪系统安装时或者检测时的方便性，有利于提高对于导弹的控制性能。 同时这套系统在设计上保证了支撑运动机构和目标运动机构的装拆的方便灵活性，使得这套系统有很大的扩展空间，在机构上增加一些外部 的设备后，又能起到别的作用。同时，这套系统也能扩展用到其他领域方面，如工厂中利用这套机构来为检测他们产品提供安装条件。 1.3 课题 研究 的内容 本次设计的内容分为两部分， 本课题 为 弹 体体 目标模拟器支撑目标运动机构及控制系统设计 。其中机械结构主要包括 弹 体支撑机构与目标运动机构 两部分，软件方面主要是一些S7-200 PLC软件 及其 OP320操作界面软件的应用设计。 弹 体支撑机构与目标运动机构共同构成了测试系统的试验安装台架，为 弹 体、 弹 体头和目标模拟器提供安装平台，同时要求它们能够方面分离，以便于进行配置选择。 弹 体支撑机构可为整个 弹 体或者单独的 弹 体头提供安装和固定环境，并可提供手动方式控制的 俯仰和滚转运动；目标的运动机构将通过伺服或者步进电机带动轻型转台及可调安nts弹 体支撑运动机构及目标模拟器控 制系统设计 2 装支架来实现，运动控制方式既可通过位置控制也可通过速度控制，安装支架长度可调，并提供目标模拟器的安装平面。目标运动机构将接受测试仿真系统的控制，按其设定的位置和速度运行 ；同时还需要设计控制目标运动机构 的软件方面的 S7-200 PLC软件及其 OP320操作界面软件的应用设计。 1.4 课题 的 实现方法 弹 体支撑机构与目标运动机构共同构成了测试监测系统的试验安装台架，为 弹 体、 弹 体头和目标模拟器提供安装平台，同时要求它们能够方面分离，以便于进行配置选择。本课题设计的 弹 体支撑运动机构及 目标模拟器 控制系统，总体上要求成本低，操作简单方便，可靠性好。 在满足功能要求的前提下，按尽可能使用、操作方便、制造简单、价格低廉的总体要求进行设计。 1 4 1 弹 体支撑 弹 体支撑机构 弹 体支撑机构为测试过程中 对整 弹 体或 弹 体头的安装支撑机构，综合测试和运动仿真过程中用于固定整 弹 体， 弹 体头单元测试中用于固定 弹 体头。 弹 体支撑机构上配有整 弹 体或 弹体头的俯仰及滚转控制机构，测试过程中可通过手动控制方式控制整 弹 体及 弹 体头的滚转及俯仰运动。 弹 体支撑机构也将为目标运动机构提供安装平台。其运动指标要求如下： 手动俯仰偏转角度范围： 30 30 手动滚转角度范围： 90 90 为实现设计内容的运动要求，初步选定的 弹 体支撑运动机构的机械示意简图如图 1-2 图 1-2 弹 体支撑运动机构的示意简图 图中： 1为 弹 体 、 2为滚转手柄、 3为俯仰手轮、 4为蜗轮蜗杆减速箱、 5为俯仰平台 、 6为支撑架。 弹 体的俯仰运动通过俯仰手 轮带动减速箱的转动，再有轴带动俯仰平台的俯仰运动， 弹体或者 弹 体头在做俯仰运动的过程中，重力对于俯仰轴和减速箱的扭矩通过减速器的自锁来克服。 滚转运动 的实现方法也简单，首先在卡具 2上和滚转卡具的接触面上对应着雕上刻度，nts弹 体支撑运动机构及目标模拟器控 制系统设计 3 然后通过手掰动滚转手柄，通过使刻度与刻度之间的相互转动来实现 弹 体或者 弹 体头的滚转运动。 1.4.2 目标运动机构 目标运动机构主要由伺服或步进电机控制的小型转台和延长支架组成，是目标模拟器的安装平台。在测试过程中控制目标模拟器延以绕 弹 体头中心的弧线运动，确保目标模拟器一直对正 弹 体头中心。其运动指标要求 和运动示意图 如下： 目标弧线运动范围： 50 目标模拟器安装位置距目标运动机构中心距离： 100mm300mm可调； 目标运动最大运动速度： 25 /s 目标载荷： 10kg xy1 0 0 3 0 0 m m图 1-3 目标运动机构示意图 在这个机构中运动的实现分为互相独立的两部分来实现的。目标模拟器的安装位置离运动机构中心的距离 在精度要求不是很高的情况下，设计 的是手动实现的，具体设计为手东手轮带东滑动丝杆的转动，从而带动目标模拟器安装平台的移动 ，设计的机械示意图为 图 1-4 目标模拟器安装位置实现的示意图 目标运动机构的运动弧线范围和运动速度 这部分的运动要求是 通过软件控制来实现的，具体的设计思想为 通过显示屏输入相对应的运动弧线范围和运动速度，然后把信息传递给PLC， PLC 经过分析处理，输出脉冲和运动方向驱动电机运动，从而带动小型转台和目标模延长支架 转台 激光检测装置 nts弹 体支撑运动机构及目标模拟器控 制系统设计 4 拟器的安装平台的转动。 在编制软件的过程中要考虑到外部的激光检测装置的接口设计和接口程序的编制 ，设计的实现功能的简易图为 图 1-4 目标运动机构弧线范围和运动速度的实现软件示意图 nts弹 体支撑运动机构及目标模拟器控 制系统设计 5 第二章 弹 体支撑运动机构及目标模拟器控制系统设计 2.1 总体框架的设计 在设计此次机构时，通过任务书要求， 现总体上把握设计的框架，任务中要求 弹 体支撑运动机构和目标运动机构要方面装拆，同时又要求在空间结构上不能互相干涩，本着这样的要求设计图如下： 由图知要使 弹 体支撑运动机构和目标运动机构在空间结构不干涉，就修要保证，当 弹 体做俯仰运动时，到达最低点时， 弹 体头不能跟目标运动机构相互干涉，在此次设计中， 弹 体中心线离机架底座的距离为 500mm，假 设 弹 体的旋转中心在它的径向中心线上，当运动到最低点时， 弹 体头里安装平台的高度为 5 0 0 7 2 5 s i n 3 0 1 3 7 . 5H m m 住体头里机构中心的距离为 7 2 5 c o s 3 0 6 2 7 . 8 5L m m 而 设计的 目标运动机构中 安装平台离机架的高度为和离中心线距离分别为 1 6 7 , 6 4 5H m m L m m 这样就在空间位置上保证了两个机构在空间上不互相干涩了。 而两个机构的装拆灵活性表现在它们的连接进食靠两螺钉连接的，操作性方面。 2.2 弹 体支撑运动机构的设计 具体参数如下 ： 弹 体长度： 1450mm； 弹 体直径： 180mm； 弹 体重量： 50kg 手动俯仰偏转角范围： -30 +30； 手动滚转角度范围： -90 +90。 nts弹 体支撑运动机构及目标模拟器控 制系统设计 6 在设计这部分机构前，先分析任务要求可知道重点和难点在于当实现俯仰运动时 弹 体（或者 弹 体头）不能对机架有相对的滑动或者滑动的趋势 ，且要保证 弹 体（或者 弹 体头）做俯冲运动时 弹 体头不能碰着机架和目标模拟器 。同时在水平状态下要能轻易准确实现 弹 体（或者 弹 体头）的滚转运动，而不挪动 弹 体（或者 弹 体头）的位置。 2。 2。 1卡具的设计 在设计卡具时，要想保证 弹 体（或者 弹 体头） 俯仰运动时纹丝不动，必须要保证能有足够大的力来克服 弹 体（或者 弹 体头）俯仰运动时重力带来的影响，同时又要保证不能对 弹 体（或者 弹 体头）有所损坏和磨损。本着这样的目的设计的机构简图如下： 图 2-1 卡具装配示意图 图中跟 弹 体直接接触的是 4 个小轮，这样可以缓冲压力，减小卡具对 弹 体的损伤 ,同时又保证了 弹 体滚转运动和俯仰运动的独立性。 螺栓强度的校验： 当 弹 体 （或者 弹 体头） 水平放置时， 弹 体 （或者 弹 体头） 重力作用在 2个卡具的 固定环的 6个小轮上即 6个螺栓上， 假设 弹 体 （或者 弹 体头） 是平均作用在 2卡具上的， 此时力的分布如下 图： nts弹 体支撑运动机构及目标模拟器控 制系统设计 7 图 2-2 弹 体或 弹 体头对卡具的受力示意图 很明显此时 F2受的力最大，假设所有的力都作用在 F2轮上， 力 大小为 ： F2=G/2=m/2 g/2=50/2 10=250N。 此时螺钉杆与卡具壁的接触表面受挤压；在联接接合面处，螺钉杆受剪切，假设螺钉杆与孔壁表面上的压力分布是均匀的，又因这种联接所受的预紧力很小， 所以不考虑预禁力和螺纹摩擦力矩的影响。 螺钉杆受力分布图为 图 2-3 螺栓的受力分析图 螺钉杆的 剪切 强度为 22 2 200250224 . 2 34 4 4 6af MF Pdd 所选的螺钉为 GB6191-1986 六角花形圆 弹 头螺钉 M6x40,材料为 45钢，查 GB/T 38-1976可知 45 钢的 疲劳极限为 259-340MPa，因此所选零件符合要求。 2。 2。 2 RV 蜗轮蜗杆减速箱的选择 nts弹 体支撑运动机构及目标模拟器控 制系统设计 8 RV 系列蜗轮减速器按 Q/MD1-2000 技术质量标准设计制造。产品在符合按国家标准GB10085-88 蜗杆轮参数基础之上 ,吸取国内外最先进科技 ,独具新颖一格的 “ 方箱型 ” 外结构 ,箱体外形美观 ,以优质铝合金压铸而成。 它具有以下优势性能： 1、 机械结构紧凑、体积外形轻巧、小型高效； 2、 热交换性好，散热快； 3、 安装简易、灵活轻捷、性能优越、易于 检修； 4、 运行平稳、噪声小、经久耐用； 5、 适用性强、安全可靠性大。 RV系列减速器目前已广泛应用于各类行业生产工艺装备的机械减速装置，深受用户的好评、是目前现代工业装备实现大扭矩。大速比低噪音。搞稳定机械减速传动控制装备的最佳选择。它的一般结构图如下： 图 2-4 RV减速箱的一般结构图 在此次设计中选用的是 RV 75 60 FB Z型的 RV 减速器。究原因主要有以下几点： 1、 用减速箱方便美观，操作性能优越； 2、 外形美观，易于安装维修； 3、 弹 体（或者 弹 体头）放置在俯仰机架上时，可以假设中心就是俯仰中心线所在处，则 此时 弹 体对于蜗轮蜗杆几乎没有扭矩。 4、 采用涡轮蜗杆的自锁功能防止 弹 体放置不均时摆动； 强度校正： 假设 弹 体的重量都集中在减速器输出轴 的径向方向 上，则输出受到的扭矩为 T=500N 0.725M=36.25NM 即输入轴上受的扭矩也为 36.25NM， 查资料可得输入轴的直径为 24mm， 因此输入轴上受到的力为 F=36.25/0.24=151N 有下表可知， RV 70 60的输出轴许用最大 径向加载 力为 5599N，远大于实际所受的力，应此符合要求。 nts弹 体支撑运动机构及目标模拟器控 制系统设计 9 表 2-1 减速机出力轴的许可径向加载力 选择 RV75 型的原因 在于 RV75减速箱的 体积 大小跟 所 设计的机架 的体积大小相配合 ，以美观为基础来选择的。 2。 2。 3 轴的设计 校核 轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。轴的结构主要取决于以下因素： 1、轴在及其中的安装位置及形式； 2、轴上安装的零件的类型、尺寸，数量以及和轴的联接的方法； 3、载荷的性质、大小。放心啊个及分布情况； 4、轴的加工工艺等。 影响轴的因素很多，因此轴的结构形式也是多样的，但不论在什么情况下，轴的结构都应满足： 1、轴和装在轴上的零件要又转却的工作位置； 2、轴上的零件应便于装拆和 调整； 3、轴应具有良好的制造工艺性等。 （ 1）、轴的结构和轴上零件的装配方案： 首先拟定轴上零件的装配方案，这是进行轴的结构设计的前提，它决定这轴的基本形式。本次设计中设计了两个短轴，俯仰主动轴和俯仰从动轴。 以主动轴为例分析计算校核：减速箱，机架，轴承，俯仰平台依次从轴的右端向左安装 ，左端最后用螺钉跟俯仰平台联接在一起。 nts弹 体支撑运动机构及目标模拟器控 制系统设计 10 图 2-5 俯仰主动轴结构示意图 （ 2）、根据轴向定位要求确定各段轴的直径和长度。 轴承的选择：因为在设计的课题中轴承主要 受 径向力的作用，故选用角接触轴承。参照工作要求，由轴承产品目 录中初步选取 0基本游隙组、标准精度等级的 GB/T276-1994 深沟球轴承 60000型 18系列 两个 ， 其 基本尺寸为 d D B=35mm 47mm 7mm。 确定各段轴的长度时，应尽量使结构紧凑，同时还要保证零件的装配或调整空间。州的各段长度主要是根据各零件与轴配合部分的轴向尺寸和相邻零件间必要的空隙来确定的。本次 设 计 的 主 动 轴 的 长 度 和 直 径 从 左 到 右 依 次 是 L1=10mm ， D1=80mm ，L2=18mm,D2=40mm,L3=18mm,D3=35mm,L4=40mm， D4=28mm。 （ 3）、轴上零件的轴向定位 RV75减速器、俯仰平台与轴的周向定位用键连接。减速器与轴的连接用 GB/T1096-1979普通平键 A型： 8 mm X 7 mm。 键槽用键槽铣刀来加工，长为 32mm（标准键长见/ 1 0 9 5 1 9 7 9G B T ），同时为了保证带轮与轴配合有良好的对中性，故选择带轮轮毂与轴的配合为 76Hm。同样俯仰平台与轴的周向定位选用 GB/T1096-1979普通平键 A型 :5 mm X 5 mm连接， 键槽用键槽铣刀来加工，长为 32mm（标准键长见 / 1 0 9 5 1 9 7 9G B T ），同时为了保证带轮与轴配合有良好的对中性，故选择带轮轮毂与轴的配合为 76Hm。角接触球轴承与轴的周向定位用过渡配合来保证的，此次设计轴用的公差配合为 H6/js5。 轴与机架的轴向定位是通过定位轴肩来实现的，因为利用轴肩定位是最方面的最可靠的方法，定位轴肩的高度一把趣味 H=（ 0.07-0.1） d， d为与零件相配合出的轴的直径，单位为mm。 轴承与轴的轴向定位是通过套筒和定位轴肩共同作用定位的，它要求定位轴肩高度必须低于轴承内 圈端面的高度，以便于拆卸轴承，此时轴肩的高度可查询手册周轴承的安装尺寸，套筒定位的好处是结构简单，定位可靠，轴上不需要开槽、钻孔和切制螺纹，不会影响轴的疲劳强度。套筒定位一般用于两个零件之间的定位 ，但是如果两零件的兼具较大时，不宜采用套筒地位，以免增大套筒的质量及其材料的用量。同时因为套筒与轴的配合较松，如在轴nts弹 体支撑运动机构及目标模拟器控 制系统设计 11 的转速很高时，也不宜用套筒定位。 俯仰平台与轴的轴向定位是通过套筒和轴端挡圈来实现的。轴端挡圈常用于固定轴端的零件，可以承受较大的轴向力。轴端挡圈可采用单螺钉固定，在为例防止轴端挡圈转动照成螺钉松脱的 情况下，可加圆 弹 销锁定轴端挡圈，也可采用双螺钉加止动垫片防止等固定方法。 （ 5）、轴的圆角和倒角的确定。 参考教材机械设计表 15-2，取轴端倒角为 1 45 ，轴肩圆角都为 R1。 （ 6）、轴上载荷的计算。 作用在俯仰主轴上的扭矩只要是由于 弹 体的旋转中心跟 轴线方向的旋转中心线 的不一直而引起的， 当 弹 体做俯仰运动到两极限位置时，对于轴的扭转强度最大。但俯仰平台的重量未知，因此计算时假设把轴放置在旋转中心的一边， 则此时轴受到的扭矩示意图为： 图 2-6 轴的受力示意图 此时轴受到的扭矩为 5 0 1 0 7 2 5 3 6 2 5 0 0 3 6 2 . 5T F L G L N m m N M 则轴的扭转强度为 33362500 310785322 3. 10 . 2 0 . 2 0 . 1 8 aT TTT M P aPW d 试中 ： T 轴所受的扭矩；单位为 NM T 扭转切应力； TW 轴的抗扭截面系数； d 计算截面的直径 ； T 许用扭转切应力， 查教材机械设计表 15-3可知 45钢的T在 25-45MPa之间。明显可见 T 1 2 2 10 10 24 电动机 轻微冲击 1.00 1.30 1.50 nts弹 体支撑运动机构及目标模拟器控 制系统设计 15 中等冲击 1.30 1.50 1.75 较大冲击或惯性冲击 1.50 1.75 2.00 表 2-2 XB1谐波齿轮减速机工况系数 4、 减速机输出轴装有齿轮、链轮、三角皮带轮及平皮带轮时需要校验轴伸的悬臂负荷Fc1校验公式为： Fc1=2TKA/DFR D 齿轮、链轮、皮带轮的节圆直径（ m) FR 悬臂负荷系数 齿轮 FR=1.5 链轮 FR=1.2 三角皮带轮 FR=2 平皮带轮 FR=2.5 当悬臂负荷 Fc1FR ( 见表 2-3) 即可通过。 型 号 XB1-100 XB1-120 XB1-160 XB1-200 XB1-250 许用悬臂负荷 FR 4000 5000 10000 15000 17000 表 2-3 XB1谐波齿轮减速机轴伸许用悬臂负荷 在这次课题中选用的是 XB1-50-60型号谐波齿轮。 2.3.4、 步进电机的选 择 步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量 步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。 步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机 等。 选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩 Mjmax大的电机，负载力矩大。 选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精 度。精度是由电机的固有特性所决定。 选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。 此次课设中选用的是步进电机是四通公司的 56系列两相混合式步进电机中的 56BYG250Bnts弹 体支撑运动机构及目标模拟器控 制系统设计 16 型号电机。 电机的 的基本参数 如下： 电机型号： 56BYG250B 电机定位转矩： 0.03NM 电机保持转矩： 0.65NM 电机相数：两相 电机步进角： 0.9/0.8 电机静态相电流： 2.4A 电机相电阻： 0.95 电机相电感： 2.4mH 空载启动方式：（半步方式） 2.7KHz 电机重量： 0.48千克 转动惯量： 180 2g cm 电机外形图： 56 56 45mm 其中电机空载的启动条件为：驱动电压为 48V。 验证电机合理性计算如下 : 本次设计中假设目标模拟器和安装平台 跟 电机 的连接示意图为： nts弹 体支撑运动机构及目标模拟器控 制系统设计 17 等效负载转矩公式 112mnm je q jjkknVT F Tnn 2 0 . 3 2 0 . 4 3 6 0 . 8 2A mR W R N sV 等效转动惯量 公式为 22 2222 11111 1044116 0 6 0mnkie q jijjikknVJ J JMnn 明显这数极小，可以忽略。因此 1 0 . 8 21 0 0 0 . 4 9 92 2 6 . 1 6meq NMT 查询 56BYG250B电机的特性曲线可知在这转矩的作用下，电机的脉冲为 2KHz 电机转速为 300rpm，这完全符合设计任务中目标运动机构的要求，所以选择的电机符合要求。 nts弹 体支撑运动机构及目标模拟器控 制系统设计 18 第三章 目标控制系统设计 本次课题中软件控制系统 是在目标运动机构的设计这部分，它的相关参数要求如下 ： 转台绕旋转中心转 动 的角度范围为： -50 +50 转台转动的速度 范围为 为： 25 /s； 目标载荷： 10kg。 课题刚开始要求用和利时公司的 6030PCI运动控制卡编制控制系统的相关内容，后因为和利时公司无法提供 PCI控制卡，改用西门子 S7-200系列 PLC cpu224来实现其控制功能。设计的电路接线图如下： 图 3-1 目标控制系统电路接线图 3.1、电源的选择 对于 PLC，它们的供电电压都为 DC24V， 同时 OP320的输入电压为 DC12V_DC24V， 因此选择了 S-35-24型电源。而所选步进电机 空载的启动条件为驱动电压为 48V，因此又为电机选择了S-100-48型电 源。 3.2、显示屏的 选择 选择是 为了 满足 在任务要求的运动范围和运动速度直接的任意数值间选择，同时又 能满足能起到监视转台运动速度的作用，因此设计了具有显示屏的电路图。本次设计选择的是和利时公司的 OP320显示屏。 OP320显示屏是可编程控制器的小型的人机界面，以文字或指示灯等形式监视、修改 PLC内部寄存器或继电器的数值及状态。从而使操作人员能够自如地控制机器设备。 OP320显示nts弹 体支撑运动机构及目标模拟器控 制系统设计 19 器具有以下特长： 1、编辑软件 DP200在计算机上作画，自由输入汉字及设定 PLC地址，使用串口通讯下载画面； 2、 通讯协议和画面数 据一同下载到显示器，无需 PLC编写通讯程序； 3、对应 PLC机种广泛，包括三菱 FX系列、欧姆龙 C系列、西门子 S7-200系列、光洋 SG系列等； 4、具有密码保护功能； 5、具有报警列表功能，逐行实时显示替代当前报警信息； 6、 7个按键可被定义成功能键，可替代部分控制柜上机械按键； 7、自由选择通讯方式， RS232/RS422/RS485任选； 8、带背景光 STN液晶显示，可显示 24字符 4行，即 12汉字 4行； 9、显示表面 IP65构造，防水。防油。 OP320显示屏的外形及跟功能键的作用如下： nts弹 体支撑运动机构及目标模拟器控 制系统设计 20 图 3-2 OP320显示屏的外形及跟功能键的作用 图 3-3 OP320显示屏的背部结构外形及跟功能键的作用 OP320显示屏的串行通讯口引脚定义： OP320与 S7-200的连线图为： nts弹 体支撑运动机构及目标模拟器控 制系统设计 21 3.3、 电机 驱动器的选择 因为此次课题的控制系统的设计要求简单，电机要求的电压，电流都低。选择的是四通公司自产的 SH-20403驱动器既能满足要求。 SH-20403驱动器的内部开关电源设计保证了可以适应较宽的电压范围，用户可根据各自的情况在 10V到 40VDC之间选择。 SH-20403驱动器的最大电流为 3A/相，通过 驱动器面板桑六位拨码开关的第 5、 6、 7三位可组合出八中状态，对应八种电流 ，从 0.9S到 3A，可以适应不同的电机使用详细的选择参照下表： 本次设计中所选电机为 56BYG250B，因此选择的是 5位 OFF， 6位 ON， 7位 0FF。 SH-20403驱动器 可提供整步、改善半步、 4细分、 8细分、 16细分、 32细分和 64细分七种运行模式，利用驱动器上六位波码开关的第 1， 2， 3三位可组合出不同的状态详细细分模式见下表： 驱动器具有自动半电流的功能，当上位控制机在半秒内没有发出步进脉冲信号，驱动器将自动进入节电的半电 流运行模式，电机绕组的相电流将减为设定值的一半，在次状态下电机和驱动器的功耗得以降低，但电机的输出力矩也相应下降，在下个脉冲带来时驱动器自动恢复输出电流为额定值，本次设计中又上位机输入的数据时间上是个未知数，采用次驱动器将能降低很大的功耗，节省了使用成本。 同时当两项电机与驱动器连接时，为了放置用户接相接错而损坏驱动器本驱动器设计了nts弹 体支撑运动机构及目标模拟器控 制系统设计 22 错相保护电路，用户即使 接错相驱动器也不会，不过电机运行会不正常，主要变现在出力极小。当遇到情况，用户应该检查电机接线是否正确。 3.4 设计电路的功能示意图 nts弹 体支撑运动机构及目标模拟器控 制系统设计 23 第四章 控制软件的 编制 4.1 OP320显示屏的设计 OP320显示屏的应用画面的专用开发软件是 DP200，它运行于 WINDOWS95/98以下。作为二次开发工具，该软件使用方便，简洁易学，能直接设置中英文字。 4.1.1 DP200的基本功能与应用 首先打开 DP200后，用户就能够新建或者打开画面。每幅画面都可以放置中英文文字、指示灯、开关、数据显示设定窗、跳转键等元素。每幅画面之间可实现自由跳转，操作者可完成设局监视，参数设定，开关控制，报警列表等操作。 DP200的基本是由流程如下： 4.1.2 编辑用户画面 运行 DP200软件后，计 算机显示器中央出现画面编辑器， 图上个功能键的用处为： nts弹 体支撑运动机构及目标模拟器控 制系统设计 24 然后新建工程，选择 OP320显示屏和 S7-200系列的 PLC 图中几个编辑按键的作用如下： 本次任务编制的操作界面的内容应该包括： nts弹 体支撑运动机构及目标模拟器控 制系统设计 25 1、 具有输入弧线运动范围和运动速度的文本输入功能； 2、 具有超出范围时的报警显示功能。 具体的编辑过程为： 打开 DP200软件，新建工程，选择 OP320显示屏， S7-200PLC，进入编制画面 创建画面如图所示： 图中在运动速度上输入想要的运动速度大小，单位 /s； 弧线范围输入希望转台转过的角度。 画面 中的的键从左到右一次的功能设定为指示灯，起到当超出范围时报警的作用；上下左右四个键为数据输入的作用； SET键起重新输入数据的作用， ENT键起确定输入的数据，实现数据传送到 PLC的作用。在设置这些键位功能的时候，报警键和 SET、 ENT键要设定好响应的虚拟线圈值，这设的是报警键为 M10， SET键为 M11， ENT键为 M12.而数据输入键要设定好寄nts弹 体支撑运动机构及目标模拟器控 制系统设计 26 存器地址和数据的范围，以及寄存器的个数。这里设定运动速度的寄存器地址为 VW200，弧线范围的寄存器地址为 VW201.数据范围为运动速度为 25 /s之间，弧线范围为 50之间。同时在 PLC的编程过程中要设定好定好的线圈号和各个数据的寄存器地址。编制的最后画面为 编制好主画面后，再 编制报警列表，来实现报警功能。 通过编制报警列表，输入的数据和类型就能得到很好的控制。当有报警时，他就能在画面上nts弹 体支撑运动机构及目标模拟器控 制系统设计 27 显示响应的错误。操作人员确认后。就可以采取想也难怪的措施纠正，这时要回到主显示画面，按下 键就能切回主显示画面。 4.1.3 OP320显示屏与 PLC的联接 把编制好的画面保存或者通过电缆将计算机 9针 RS232串口和 OP320的 9针串口连接起来，按下载键直到下载完成就行了。完成后 在关掉电源的情况下用电缆吧 S7-200和 OP320联起来，给它们上电，若通讯正常，便能进行数据监视等各项操作。若显示屏和 PLC的通讯不正常，应该检查以下项目： 1、 工程选择的 PLC和实际连接 PLC是否相等； 2、 是否连接通讯电缆； 3、 通讯电缆连接是否正确； 4、 PLC通讯参数设置是否正确； 5、 PLC和显示屏是够都已经加上电源； 6、 如果仍然查不出请与供应商联系。 4.2 S7-200软件的编制 本次设计软件部分要实现的目标是实现目标运动机构在规定的运动弧线范围和运动速度内做饶选中中心的旋转运动，具体的设计思想为通过显示屏输 入相对应的运动弧线范围和运动速度，然后把信息传递给 PLC， PLC 经过分析处理，输出脉冲和运动方向驱动电机运动，从而带动小型转台和目标模拟器的安装平台的转动。在编制软件的过程中要考虑到外部的激光检测装置的接口设计和接口程序的编制。 4 2 1、 控制流程图 本次控制的任务是通过显示屏的录入和 PLC 的读取输出来控制电机在规定的 速度上运动到规定的弧线范围。根据这一目标，编制了软件控制流程图如下 nts弹 体支撑运动机构及目标模拟器控 制系统设计 28 nts弹 体支撑运动机构及目标模拟器控 制系统设计 29 4.2.2、 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 1 1 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） 9 2 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） 17 3 段数（ 1255），如果为 0 将产生致命错误 （继续） 继续 nts弹 体支撑运动机构及目标模拟器控 制系统设计 30 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 2 Q0.0 Q0.1 描述 状态字节 SM66.4 SM76.4 PTO包络由于增量计算错误而终止： 0=无错误， 1=有错误 SM66.5 SM76.5 PTO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 SM66.6 SM76.6 PTO管线溢出： 0=无溢出， 1=有溢出 SM66.7 SM76.7 PTO空闲位： 0=PTO正在运行。 1=PTO空闲 控制字节 SM67.0 SM77.0 PTO/PWM更新周期值： 1=写新的周期值 SM67.1 SM77.1 PWM更新脉冲宽度值： 1=写新的脉冲宽度 SM67.2 SM77.2 PTO更新脉冲数： 1=写新的脉冲数 SM67.3 SM77.3 PTO/PWM基准时间单位： 0=1 s,1=1ms SM67.4 SM77.4 PWM更新方式： 0= 异步更新， 1=同步更新 SM67.5 SM77.5 PTO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） SM67.6 SM77.6 PTO/PWM模式选择： 0= PTO， 1= PWM SM67.7 SM77.7 PTO/PWM有效位： 0=无效， 1=有效 其 他PTO /PWM 寄存器 SMW68 SMW78 PTO/PWM周期值（ 2-65535倍时间基准） SMW70 SMW80 PWM脉冲宽度值（ 2-65535倍时间基准） SMD72 SMD82 PTO脉冲计数值（ 1-4， 294， 967， 295） SMB166 SMB176 运行中的段数（仅在 多段 PTO操作中 ） SMW168 SMW178 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 ） SMB170 SMB180 线性包络状态字节 SMB171 SMB181 线性包络结果寄存器 SMD172 SMD182 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。 nts弹 体支撑运动机构及目标模拟器控 制系统设计 31 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。 4.2.3 主程序 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。 根据这个原则编制了一电机启动的程序： LD SM0.1 ATCH 初始化结束中断 , 3 R .1, 1 R Q 0.2, 1 CALL 包络表子程序 包络表子程序 LD SM0.0 MOVB 16#AC, SMB77 MOVW +500, SMW178 MOVB 3, VB500 MOVW +50, VW501 MOVW -1, VW503 MOVD 45, VD505 MOVW +5, VW509 MOVW +0, VW511 MOVD 9910, VD513 MOVW +5, VW517 MOVW +1, VW519 MOVD 45, VD521 PLS 1 初始化结束中断 LD SM0.0 R SM77.7, 1 PLS 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： nts弹 体支撑运动机构及目标模拟器控 制系统设计 32 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
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