基于PLC的除尘清洁设备的设计

I基于 PLC 的除尘清洁设备的设计摘 要除尘清洁设备是一种为清洁加工工件设计的专用机床，随着制造业的不断发展，各种不同种类的除尘清洁设备在不同的行业内得到了广泛的应用，大幅度提高了生产效率。20 世纪末期，PLC 与交流伺服技术飞速发展，基于 PLC 和交流伺服的运动控制系统开始被广泛的应用于各种数控机床中，同样，在除尘清洁专用机床中应用也是相当广泛。专用机床除尘清洁装置一般主要由工作台与清洁气源组成，这台除尘清洁设备的设计主要用于轮胎模具的表面清洁，轮胎模具放在圆形回转工作台上，由变频器驱动回转工作台旋转并进行调速，交流伺服控制清洁气源做精确地进给运动。PLC （可编程控制器）是除尘清洁设备的核心部分，对设备的运动系统以及逻辑开关综合控制。关键词 除尘清洁设备 交流伺服 PLC 运动控制IIThe Design of Dust CleaningEquipment Based on PLCAbstractThe dust cleaning equipment is a kind of special machine that is designed to clean the work piece. With the continuous development of the manufacturing sector, a variety of different types of dust cleaning equipment has been widely used in different industries, it has greatly improved production efficiency.Late 20th century, PLC and AC servo technology has developed rapidly, the motion control system based on PLC and AC servo began to be widely used in a variety of CNC machine tools, similarly, the application in special machine cleaning dust is quite extensive.Dust cleaning machine tools are generally composed of the table and cleaning gas source. This dust cleaning equipment is designed primarily for cleaning the surface of the tire mold, Tire mold is placed on the circular rotary table, and the rotary table is driven by the inverter, AC servo controlls clean air supply to make precise feed motion. PLC (Programmable Logic Controller) is the core of the dust cleaning equipment, responsible for controlling the movement of the device as well as logic switching system.Keywords Dust Cleaning Equipment AC servo PLC Motion controlIII目 录Abstract.II第 1 章 绪论 .11.1 PLC 与交流伺服的发展概况 .11.1.1 PLC 的发展与应用 .11.1.2 交流伺服的发展概况 .21.2 PLC 概述 .21.2.1 PLC 的基本概念 .21.2.2 PLC 的特点及应用领域 .31.3 基于 PLC 控制的伺服系统概述 .31.4 本章小结 .4第 2 章 除尘设备的主要功能及其实现方案 .52.1 除尘设备的主要功能解析 .52.2 除尘清洁设备控制系统的组成 .62.3 除尘清洁设备相关功能的实现方案 .62.3.1 关于工作台限定圈数的实现方案 .62.3.2 气源开启时工作台恒线速要求的实现方案 .92.3.3 气源定位精度需确保在1mm 内的可行性分析 .92.3.4 运动机构自动回零的实现方案 .112.3.5 自动工作时间限定 20 分钟的可行性分析 .122.4 本章小结 .13第 3 章 PLC 伺服驱动器、变频器在除尘设备中的应用 .143.1 PLC 在控制系统中的应用 .143.1.1 PLC 的 I / O 口分配 .143.1.2 PLC 在控制系统中的功能 .153.1.3 系统涉及的相关指令及 PLC 的编程 .163.2 伺服驱动器及其伺服电机的应用 .213.2.1 伺服电机工作方式的选择以及相关功能阐述 .213.2.2 伺服驱动器的接线方法 .223.2.3 伺服驱动器的参数设置 .243.3 变频器对旋转工作台的控制 .263.3.1 变频器的接线 .263.3.2 变频器参数设置 .273.4 变频器对旋转工作台的控制 .293.5 本章小结 .29第 4 章 除尘清洁设备综合设计 .30IV4.1 除尘清洁设备相关元件的选型 .304.1.1 PLC 的选型 .304.1.2 伺服驱动器及伺服电机的选型 .304.1.3 变频器的选择 .314.2 电器元件布置图 .314.3 除尘清洁设备综合设计 .324.3.1 电气连线及电气原理图 .324.3.2 PLC 编程 .334.4 本章小结 .33结论 .34致谢 .35参考文献 .36附录 .371第 1 章 绪论随着工业水平的不断提高，数控机床被广泛的应用于工业的各个领域，各种专用、通用机床在机械制造等各个行业发挥着不可替代的作用。工业的发展对运动控制的精度提出了更高的要求，PLC 在运动控制系统的引入为运动控制提供了很大的方便，通过 PLC 产生的高速脉冲配合交流伺服系统，完美的实现了高精度的运动控制，光栅尺、编码器等反馈传感设备的应用形成全闭环运动控制系统，可以更加精确的实现运动控制，减小行程误差。本设计是一个简单的专用机床，主要用于轮胎模具的除尘清洁，对于本除尘清洁设备的设计，主要应该涉及机械部分与电气部分两个部分的设计，本文主要针对设备的电气控制部分的设计展开讨论，从机床内部的各种逻辑控制与运动控制入手，重点介绍基于 PLC 的开关逻辑控制以及 PLC与交流伺服系统配合应用实现的高精度运动控制，通过介绍除尘清洁设备专用机床的设计过程以及控制流程，实现对电气设计以及电气控制中运动控制的初步了解。本论文首先对机床中应用的各种设备进行简单的介绍，使读者对PLC、交流伺服等设备有初步的了解，通过介绍它们的发展史、工作原理以及应用方法，便于对整个机床的控制系统的了解。然后，对课题中提出的要求进行可行性分析，证明这台设备可以实现课题中实现的要求，并使读者对本机床的具体情况有具体的了解。在后边的章节中，将着重深入讲解运动控制系统的具体设计过程，包括设备的接线，PLC 的编程以及各种驱动器的参数设置等各方面，并且对以上内容做出总结，综合设计出除尘清洁设备，并满足可提要求。1.1 PLC 与交流伺服的发展概况1.1.1 PLC 的发展与应用世界公认的第一台 PLC 是美国 DEC 公司 1969 年研制的，PLC 真正地进入实用化的发展阶段是在 20 世纪 70 年代末期，计算机计数的引入使其功能发生了飞跃，PLC 更加适用于工业控制的需求，PLC 体积小但运算速度极高，而且抗干扰能力强，工作可靠，所以在工业控制领域占有很高的地位。当前的工业应用中，中小型 PLC 占大多数，但是为了适应工业控制的多种需求,PLC 正朝着多种方向发展，超大型 PLC 和超小型 PLC 的应用都极2为广泛。在一些非常复杂的工业控制中使用的超大型 PLC 的 I/O 点数可以高达 14336 点，它采用 32 位微处理器，多 CPU 并行工作以及大容量存储器，功能十分强大。小型 PLC 的发展则趋向于小型模块化结构，使配置更加灵活方便。1.1.2 交流伺服的发展概况最早在伺服系统中使用的电机是直流电机，直流电机的电刷是不可忽视的缺点，直流电机自身结构复杂制造成本高，维护麻烦，维修成本高。20 世纪 80 年代以来，随着电力电子技术和交流变频调速驱动技术的发展，永磁交流电机在伺服系统中的使用得到了广泛的推广，交流伺服技术成为了各国著名电器厂商的主要发展对象。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。到 20 世纪 80 年代中后期，几乎所有的电气公司都拥有了完整的交流伺服系列产品。整个伺服装置市场都已经相交流伺服系统转型。现在的伺服控制系统中，高精度的伺服系统大多采用永磁同步型交流电机，控制驱动器多采用定位快速准确的全数字位置伺服系统。1.2 PLC 概述1.2.1PLC 的基本概念国际电工委员会在 1987 年颁布的 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、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入输出，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按照易于与工业控制系统形成以各种体，易于扩展其功能的原则而设计8。早期的 PLC 称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller） ，一台 PLC 可以实现许多继电器才能实现的复杂逻辑控制。随着微型计算机技术的发展与引入，这种工业控制设备的功能已经远远超过了它最初的功能范围，因此，现在人们称它为可编程控制器，简称 PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以依然将可编程序控制器简称 PLC。自 1969 年美国数据设备公司（DEC）研制出 PLC，到现在 PLC 已经得到了飞速的发展并且广泛的应用于各控制领域。现行西门子、三菱、欧姆龙等电气公司生产的 PLC 可以实现多种功能，根据不同的需要被各个领域广泛的应用。PLC 实质上可以认为是经过一次开发的工控计算机，但是，换个角度说，PLC 是一种通用机，没有二次开发，它不能实现任何的工业控制。不3过 PLC 的开发编程十分容易，它很大程度上推进了工业自动化控制在各个领域的普及，通过一台 PLC 普通的电气工人就可以完成自动化控制系统的设计。1.2.2 PLC 的特点及应用领域PLC 采用了大规模集成电路技术，并且采用了非常先进的抗干扰技术，具有很高的工作可靠性。像本设计中应用的三菱的一款 F 系列 PLC 的平均无故障工作时间就能高达 30 万小时。PLC 发展到今天，已经形成了小、中、大不同规模的系列化产品，我们可以根据不同的控制需求选择不同规模的PLC。PLC 是一种面向大众的工业控制设备，其编程语言更容易让工程技术人员接受，调试更加方便。同时，PLC 的体积很小，非常容易嵌入机械控制系统内部，而且 PLC 能耗很低，是实现机械控制自动化的理想设备。目前，PLC 在国内外已经被广泛应用在各个行业，PLC 可以实现开关量逻辑的控制，这是 PLC 最基本、最广泛的应用，与传统的继电器控制线路比较，PLC 的逻辑控制有更大的扩展空间，应用更加灵活方便。另外，PLC 还广泛应用于模拟量控制、运动控制等其他领域。1.3 基于 PLC 控制的伺服系统概述伺服系统又称随动系统，它可以实现精确地运动控制，包括速度、位置、转矩等各方面的控制，反馈在伺服系统中使用相当广泛。我们通常所说的伺服系统包括四部分：控制部分，伺服驱动部分，反馈部分和伺服电机。在本设计中，控制装置是可编程序控制器（PLC） ，而功率驱动装置为伺服驱动器，PLC 发出指令脉冲给伺服驱动器，同时伺服驱动器接收动力机构反馈的脉冲信号，实现闭环控制。通常伺服系统的反馈是通过伺服电机上的编码器实现的，电机旋转通过编码器发出脉冲反馈给伺服驱动器，这样驱动器接收 PLC 的脉冲控制电机旋转，同样又接收编码器反馈的脉冲，伺服驱动器与电机形成一个闭环系统，在排除外部干扰的前提下，伺服电机在整个系统的控制下可以实现十分精确的进给运动。现在，依然有部分伺服系统采用直流电机，有刷直流电机结构简单，成本低，但是维护成本高，抗干扰能力弱，只有在特殊场合才会采用，优良的转矩特性是直流电机所独有的特点，通过长时间的研究，人们提出了用电力电子设备代替电刷实现交流电机换流的构想，从而诞生了无刷直流电机，无刷直流电机运行起来更像是交流电机，它结构简单，成本低，在4涉及成本问题的控制场合可以考虑使用。交流伺服电机也是没有电刷的，我们使用的交流伺服电机通常有永磁同步交流电机和感应异步交流电机两种类型，其中，永磁同步电机具备良好的低速性能、可以进行弱磁调速，速度调节区间大，动态特性好工作效率也很高，在伺服系统中占主导地位。而异步伺服电机虽然结构坚固、制造简单、成本低，但是相对于永磁同步电机，特性差和效率低，仅在需要大功率驱动时得到重视。交流伺服系统最早的应用领域是军事和航天，比如对火炮、雷达的控制。现在，交流伺服已经广泛的渗透到工业领域和民用领域。其中在工业中，应用最为广泛的是数控机床。1.4 本章小结本章主要介绍了5第 2 章 除尘设备的主要功能及其实现方案2.1 除尘设备的主要功能解析本课题是除尘清洁设备的设计，主要应用于对表面不规则零件在加工完成后需做清洁处理，可以认为是一种用于清理工件的专用机床。除尘清洁设备中，放置工件的工作台是一种圆形旋转工作台，需要清洁的不规则零件均匀分布在圆形旋转工作台上，工件在工作台上以工作台中心为圆心做圆周运动。在圆形工作台的上方设置一个运动控制机构带动清洁气源，运动控制机构带动清洁气源延工作台径向移动，气源开启时，工作台旋转，从而达到全面清洁共建的目的。旋转工作台不规则工件图 2.1 工作台与不规则工件布置简图在本设计中，除尘清洁设备需要满足以下要求：（1）设备需具有手自动切换功能。在自动运行过程中由运动控制机构自动控制气源清洁零件，自动运行完成后如有工件尚未清洁完全由手动控制气源进行简单清洁。在设备自动运行时，手动按钮全部失效。（2）为防止意外事故发生，设备需做一安全装置，在箱门打开后气源无法启动。（3）运动机构需做行程保护，以免超出行程发生撞击损坏设备。（4）自动运行时需在距旋转工作台圆心200mm、400mm、600mm、800mm 处开启自动清洁气源，开启时间至少为工作台旋转两周所需时间，其他位置不得开启自动气源。（5）为保持零件清洁的均衡性，在自动气源开启的四个位置旋转工作台需保持恒线速且定位误差不能大于1mm。（6）请设置急停装置，用以在紧急事故发生时停止设备运行。（7）为提高设备的工作效率，自动工作周期需控制在 20 分钟以内。设备的具体控制功能如下：6（1）手动控制：接通电源转入手动控制手动控制开始（按下喷气按钮，气源喷气）点击手动旋转工作台工作台旋转松开按钮工作台停止。（2）自动控制：设备上电转入自动模式移动设备回原点自动清理开始（工作台旋转，自动气源动作，运动装置运行）自动清理完成气源自动返回原点设备等待操作指令。2.2 除尘清洁设备控制系统的组成除尘清洁设备的控制系统主要是运动控制系统，运动控制系统中，主要包括变频器控制的旋转工作台以及由伺服系统控制的气源运动控制系统，在中套系统中，PLC 作为控制器在系统中处于核心地位，而变频器，伺服驱动器是运动控制的驱动设备，直接驱动变频电机以及伺服电机等动力设备。另外，设备需要配备按钮、转换开关、指示灯等设备应用于控制面板，以实现对机床的直接控制，以及工作新状态指示。为了防止运动机构超出行程发生撞击损坏设备，还需要限位开关作为行程保护，还需要原点限位来确定设备的工作原点以实现设备的自动回原点功能。PLC 是整个机床控制的核心部分，PLC 的输入点连接机床的按钮，限位开关以及驱动器的信号输出，而输出部分连接驱动器，指示灯，电磁阀等装置，通过接收输入点的输入信号并进行逻辑处理控制整台机床的正常运行，同时，PLC 产生高速脉冲输出给伺服驱动器，从而控制伺服电机精确的转动相应的行程。伺服驱动器以及变频器是设备的动力驱动装置，它们直接驱动伺服电机与变频电机，为它们供给合适的电压并通过接收 PLC 输出的控制信号，控制电机的转动与停止、转速等动作，实现机床各运动部分有条不紊的配合工作。2.3 除尘清洁设备相关功能的实现方案2.3.1 关于工作台限定圈数的实现方案课题中设备要求气源开启时间至少为工作台旋转两周的时间，已达到全面清洁工件的目的，可以以工作台的旋转为信号控制气源的开启与关闭，在工作台保持恒线速转动的时候开启气源，工作台转完限定圈数后气源关闭。实现工作台旋转圈数的限定有如下实现方案：（1）确定工作台运行两圈的时间工作台在气源开启时要求保持恒线速运行，这样在7200mm、400mm、600mm、800mm 处工作台旋转的角速度是不同的，假设在某处工作台保持恒线速运行，运行速度为 v，而此处距离工作台圆心的距离为 r，那么，工作台此时的角速度为：（2-1）r那么，工作台旋转两周为 720 度，工作台旋转两周所需要的时间为：t720（2-2）vrt1因为工作台恒线速， v 是常数，所以：（2-3）t从而，可以通过 PLC 内的定时器控制旋转工作台的旋转时间以及气源的开启关闭，在伺服电机运行到相应位置后开启气源并开始计时，计时器在时间 t 之后关闭气源并通过 PLC 控制变频器进入下一段速。通过这个方案，可以准确的控制工作台的旋转以及气源的开闭，并且能够很好地实现动作的同步性，工作可靠，但是不同段速时工作台的旋转角速度不同，这个方案需要复杂的计算来实现。（2）通过感应开关实现为了感应工作台的旋转，可以在旋转工作台上加感应铁块，并在铁片的下方加一个感应开关，铁块在感应开关的感应范围之内，感应开关接PLC 的输入点，PLC 通过计数器对感应开关发出的信号进行计数，工作台每旋转一圈，感应开关发生出一次信号，那么，可以通过计数器获得的计数次数来控制工作台的旋转圈数，以限定工作台的运行圈数。图 2.2 旋转工作台俯视图8旋转工作台感应铁块感应开关图 2.3 工作台主视图此方案可以去除复杂的计算过程，但是存在很大的弊端，理论上工作台旋转一周感应开关可以感应到铁块一次，但是，每次运动机构到位气源开启时，感应铁块不一定在什么位置，如果设定旋转工作台运行时间为计数器计数两次的间隔，那么，工作台的旋转时间为 1-2 圈，最高可以达到两圈，但是大多是不到两圈甚至只有一圈，如果设定计数器为 3，那么旋转圈数为 2-3 圈，工作台旋转圈数不确定成都太大，难以掌握时间，而且容易造成清洁程度不统一。（3）感应开关改进方案上面提出了使用感应开关的方案，但是存在一定的弊端，可以通过一些改进来提高该方案的工作可靠性。本设备可以通过增加计数密度来实现计数的准确性，也就是在工作台上增加感应铁块的数量，使每圈计数器接收信号的次数增加，这样就可以提高对工作台运行圈数限定的精确性。鉴于此机床对运动控制的精度要求并不高，所以在工作台周围均匀分布 4 个感应铁块，也就是工作台每旋转一周，感应开关发出四次脉冲，这样，如果计数器统计感应开关发出了 9 次脉冲，工作台旋转了至少 2 周最多 2.25周。这样，工作台限定圈数的波动在可控范围之内，控制可靠性相对提高。当然，如果继续增加旋转工作台上感应铁块的数量，工作台限定的旋转圈数可以控制在更精确的范围之内，鉴于本设备不需要非常精确的精度，这里使用 4 个感应铁块就足够实现要求的功能了。图 2.4 改进后旋转工作台俯视图92.3.2 气源开启时工作台恒线速要求的实现方案为保持零件清洁的均衡性，在自动气源开启的四个位置旋转工作台需保持恒线速，为了实现工作台在不同位置时的恒线速运行，需要在不同的位置调节变频电机的转速，在气源距旋转工作台圆心200mm、400mm、600mm、800mm 的时候，旋转工作台的转速是不同的，而气源处的工件旋转的线速度是相同的。这里，可以通过变频器的调速功能实现，本机床选用三菱 FX-A700 系列的变频器，通过 RH，RM，RL，REX 信号的组合可以进行速度 415 段速度的设定,在这里，只需要 4 个段速，就可以实现工作台 4 个位置的不同转速。假设工作台旋转的角速度为 ，那么距离工作台圆心距离为 l 的一点的线速度为：（2-4）lv那么，当距离工作台圆心距离为 l 的某一点保持恒线速 运转时，工0v作台的角速度为： lv0在距离工作台圆心 200mm、400mm、600mm、800mm 的距离时，想要工作台保持恒线速 v 运转，那么，工作台相应的旋转角速度分别为：201402v603v804v:121：变频电机的转速：（2-5）n所以，只需要控制变频电机在四个位置的转速比例为 12:6:4:3，就可以实现工作台的恒线速运行，至于变频电机不同段速的具体速度，需要考虑其他要求进行详细计算后得出结论。2.3.1 气源定位精度需确保在1mm 内的可行性分析在伺服系统中，可以通过设定伺服电机旋转一圈需要的脉冲数来实现运动行程的精确控制，也可以使用电子齿轮功能来实现相应的功能，但两种方案都很容易实现定位精确度在1mm 以内。（1）使用电子齿轮10伺服系统中，使用电子齿轮后，机械可以以任意倍率的输入脉冲进行移动。本设备中选用的三菱伺服MR-J3-A中，电子齿轮的设定为参数No.PA06与No.PA07的比值：（2-6）No.PA076 参 数参 数CDVMX这台设备中使用的传动机构为滚珠丝杠，电子齿轮的计算方法为以下公式：（2-7）bntlStl.式中：Pb:滚珠丝杆螺纹距mmn:减速比Pt:编码器的分辨率pulse/rev:每个脉冲所对应的移动量mm/pulsel:伺服电机旋转一圈对应的移动量mm/revS本设备中使用的滚珠丝杠螺距为10mm，减速比 n为1，所使用的伺服电机编码器的分辨率为262144，要求设备的位移精确度在1mm以内，那么，设置每个脉冲对应的行程 为0.01mm（每个脉冲对应的行程太大，将导致l加减速时发出噪音，也不能按照设定的速度或加减速时间常数运行伺服电机，所以，最好不要选用 为0.1mm） ，那么：电子齿轮的设定基准范围为 ，而上面计算的结果在201.0 CDVMX这个范围之内，所以，使用电子齿轮功能可以实现设备的位移精确度在1mm 之内，而且可以实现更高的精度要求。（2）不使用电子齿轮将伺服驱动器的参数 No.PA05 设定为 1000，伺服驱动器将设定为电子齿轮无效，那么，PLC 每向驱动器发送 1000 个脉冲，伺服电机旋转一圈，也就是 PLC 每向伺服驱动器发送一个脉冲，伺服电机旋转 1/1000 圈。本课题要求中提供了螺距为 10mm 的滚珠丝杠，用联轴 器将伺服电机与丝杠直接相连，那么，伺服电机每旋转一圈，运动机构带动的气源将运动 10mm 的行程，那么，PLC 每向伺服驱动器发送一个脉冲，气源的行程为 10/1000=1/100mm,也就是说运动控制机构可以带动气源运动1/100mm 的行程，显然，课题中 1mm 的误差是很容易实现的。614.CDVX112.3.4 运动机构自动回零的实现方案除尘清洁设备中，清洁气源的行程与丝杠的方向的是平行的，靠伺服电机带动滚珠丝杠的旋转来实现清洁气源的运动。为了实现伺服系统准确的回原点，在气源接近工作台中心的位置加一个原点限位开关，通过原点限位开关的信号实现伺服系统的回零，实际应用中，根据设备所限制最小误差的不同，可以选择不同的回原点方式来控制运动机构返回原点。1.直接通过限位开关回零最简单的回零方式就是运动机构撞到原点限位开关后立即停止，此点即为伺服系统的控制原点，这种回原点的方式精度不高，受诸多外部环境的影响的影响，原点限位发出信号的反应时间会有偏差，从高速运动到停止没有减速缓冲过程，运动机构回原点的误差将在丝级以上，所以，这种回原点的方式并不常用，偶尔用于对于精度要求不高的运动控制中。工业控制中，伺服系统通常通过 PLC 发出高速脉冲控制伺服电机的进退，现在的 PLC 中，通常有运动控制的回零指令，拿本设计中使用的三菱FX 系列 PLC 为例，在三菱型号为 FX1N 的 PLC 中，有一条 ZRN 指令用于控制伺服系统时的回零。ZRN 指令在回零时，首先通过 PLC 发出高速脉冲控制运动机构以较高的速度接近原点，当运动机构上的限位挡块碰到原点限位开关时，PLC 接收到近点信号，随后发出较低的脉冲使运动机构以较低的速度（爬行速度）运行，当运动机构的限位挡块离开限位开关时，PLC停止向伺服驱动器发出脉冲，伺服电机停止运转，那么此时运动机构的位置就是运动机构的行程原点。以上回原点指令中，回原点需要较长的行程，可以通过控制伺服转向配合使用，驱动器选择使用脉冲加方向的方式控制伺服电机的运转，设置通过 PLC 的 Y4 点的输出信号控制伺服电机的正反转，设置当 Y4 为 ON 时，运动机构反向运行，当 Y4 为 OFF 时，运动机构正向运行，那么，当运动机构限位挡块碰到行程开关的时候，利用限位开关的信号将 Y4 置 ON，那么，运动机构将反向爬行至限位挡块离开限位开关，此点为运动机构的行程原点。通过 ZRN 指令的回零，可以避免回零过程中从高速运行直接停止所造成的误差，理想状况下，可以实现低误差会令，但是，由于诸多外部环境因素的影响，以及限位开关自身的误差，每次会令的位置都会有所不同，存在较大的误差，但是实现误差1mm 还是绰绰有余的。2.Z 相脉冲回原点编码器与伺服驱动器连接后，伺服驱动器接收编码器脉冲并处理后进行输出，编码器的脉冲通常分为 3 相，其中，Z 相脉冲编码器每旋转一圈输出一次，所以，可以通过编码器的 Z 相脉冲实现精确的回原点。一般情况下，可以在运动机构的限位挡块碰触到限位开关后通过 PLC12控制伺服电机减速，然后捕捉伺服驱动器发出的 Z 相脉冲，在捕捉到 Z 相脉冲后控制伺服电机停止，这样既能避免由于高速运动下直接停止产生较大的误差，同样可以避免由于工作环境因素造成的限位反应上的误差，可以较为精确的实现运动机构的回原点。在精度要求较为精准的数控机床中，通常采用两次捕捉 Z 相脉冲的方式实现运动机构的回原点，首先，伺服电机带动运动机构以较高速度运行寻找原点限位开关，当 PLC 接收到原点限位开关发出的信号时，PLC 控制伺服电机带动运动机构以低速运行寻找 Z 相信号，找到第一个 Z 相信号后，通过控制系统控制运动机构继续往同一方向或者向反向运行，寻找限位开关脱离挡块后的第一个 Z 相脉冲，然后这才是运动机构真正的原点。在 Z 相脉冲回原点的过程中，有时会出现捕捉 Z 相脉冲的点正好在原点档块动作的中间状态的情况，容易发生误动作，在机床调试的时候，可以设定一定的偏移量，避免这种情况的发生，而且，在 Z 相脉冲回原点的过程中，限位挡块的长度一定要大于电机运行转换为直线距离的长度，以保证捕捉第一个 Z 相脉冲的时候原点限位依然处于被碰到的状态。2.3.5 自动工作时间限定 20 分钟的可行性分析上文在对设备的精确度的可行性分析中提到过对于伺服驱动器的设置，在本次设计中，鉴于设备的运动控制不太复杂，同时为了方便行程所花时间的计算，本设备选用不使用电子齿轮的控制方式，如上文中所说，设置伺服驱动器每接收 1000 个脉冲控制伺服电机旋转一圈，由于伺服电机与滚珠丝杠直接相连，所以，伺服电机每旋转一圈，运动机构就会运行丝杠的一个螺距，也就是说，PLC 每向伺服驱动器发送 1000 个脉冲，运动机构就会移动 10mm 的行程。设置 PLC 的频率输出为 2000Hz，那么，当 PLC 连续发出脉冲时，运动机构的每秒的行程为 20mm，运动机构跑完 4 段行程需要的时间为 40s，同理，回零所需要的时间也是 40s，加上自动运行前回零需要的最大时间，总行程时间为 160s，算上中间误差余量，假设中间行程中的消耗时间为 3 分钟，那么，最多有 17 分钟用于吹气清洁工件。从上文的计算中可知，四个位置工作台旋转所需要的时间比例为 1:2:3:4，用 15 分钟用于清洁工件，那么工作台 4 个位置的清洁时间分别为 1.5 分钟、3 分钟、4.5 分钟、6 分钟，那么工作台相对于各个位置的线速度为： min837.2tdv工作台在这种低速旋转的情况下，可以实现对工件的简单清洁，为了提高工作效率，可以适当提高工作台的旋转速度，使整个自动清洁过程在更短的时间内完成。132.4 本章小结本章主要介绍了14第 3 章 PLC 伺服驱动器、变频器在除尘设备中的应用3.1 PLC 在控制系统中的应用3.1.1 PLC 的 I / O 口分配在进行 PLC 的应用之前，需要对与 PLC 相关的参数进行输入输出的分配，以方便 PLC 编程时各软元件的分配以及配盘时控制线的连接。选用的三菱 FX 系列的 PLC 采用的是 8 进制的输入输出点，也就是说，输入输出点的顺序为 0-7、10-17不存在 X8、X9、Y8、Y9等输入输出点。通常情况下，PLC 在用于普通的逻辑开关量的控制时，PLC 的输入输出并没有什么特殊的要求，但是由于本设计中牵扯到运动控制方面的编程，PLC 需要产生高速脉冲来控制伺服电机的动作，在三菱 FX 系列 PLC 中，只有 Y0、Y1 两个输出点可以用于产生高速脉冲，同样，如果需要使用高速计数统计伺服系统回馈的高速脉冲数，同样只能使用 X1、X0 两个输入点作为高速脉冲的输入点。同时，在接手一个项目进行初次 PLC 的输入输出的分配时，对于输入输出点的分配应该留有备用点，这样如果在设计过程中发现有其他位分配的输入或输出的话可以直接使用备用点。对于本设备的设计，相关的 I / O 点的分配如下：输入点的分配：Z 相脉冲输入： X0 手动后退按钮： X11变频器报警输入：X2 报警复位按钮： X12急停按钮： X3 伺服报警输入： X13手动、自动切换：X4 正限限位开关： X14程序启动按钮： X5 原点限位开关： X15手动吹气按钮： X6 负限限位开关： X16工作台旋转按钮：X7 门限开关： X17手动前进按钮： X10 工作台感应开关： X21输出点的分配：伺服脉冲输出： Y0 伺服开启： Y5报警指示灯： Y1 伺服复位： Y6伺服清零： Y2 伺服正限： Y715伺服急停： Y3 伺服负限： Y10伺服转向： Y4 工作台正转启动： Y11工作台旋转高速：Y12 工作台旋转中速： Y13工作台旋转低速：Y14 工作台急停： Y15工作台报警复位：Y16 吹气继电器： Y173.1.2 PLC 在控制系统中的功能1.开关逻辑的控制：在本设计中，主要通过 PLC 实现开关逻辑的控制，更加方便快捷，扩展空间更大，稳定性更高，PLC 的输出可以近似的理解为继电器的线圈，但是，与传统的继电器相比，PLC 的输出更加稳定，而且理论上来说，PLC的一个输出线圈的辅助触点是无限的，对于逻辑控制有更大的扩展空间。就拿传统电气线路中的起保停电路来说，在 PLC 中，可以仅通过一个输入点，一个输出点和一条简单的指令实现，去除了复杂的接线过程，节约空间，工作更加稳定。LY 0P E C O M 0C O M Y2 4 +NC O M XY 1X 0 C O M 1X 1Y 3X 3 Y 2C O M 2X 2X 4Y 4X 5 C O M 3X 6Y 7X 1 0 Y 6Y 5X 7X 1 1Y 1 0X 1 2 C O M 4X 1 3Y 1 3X 1 5 Y 1 2Y 1 1X 1 4X 1 6Y 1 4X 1 7 C O M 5X 2 0Y 1 7X 2 2 Y 1 6Y 1 5X 2 1X 2 3PLC自动 / 手动程序启动手动吹气工作台旋转手动前进手动后退报警复位正限伺服报警输入原点负限门限工作台感应开关急停脉冲输入K A 1K A 2K A 3K A 4K A 5K A 6K A 7K A 8K A 9K A 1 0K A 1 1K A 1 3K A 1 2伺服脉冲H L 3报警指示灯伺服清零伺服急停伺服转向伺服复位伺服正限伺服负限工作台启动工作台高速工作台中速工作台低速工作台急停工作台报警复位吹气继电器伺服 O NP PN P2 4 V +2 4 V +2 4 V +2 4 V +2 4 V +2 4 V +162.运动控制在本设计中重点应用了 PLC 在运动控制中的应用，通过 PLC 与交流伺服系统的配合，实现了高精度的直线进给运动。在本运动控制系统中，PLC 按给定的频率发出相应个数的脉冲，从而使伺服电机按需要的速度旋转相应的圈数，并通过滚珠丝杠转化为直线进给运动，并且，可以按照需要精度的不同对整个系统的各个参数进行设定，使运动机构的误差在可控范围之内。3.子程序课题中提供的设备中提出了手自动切换的要求，如果单纯通过逻辑电路实现完美的手自动切换需要花费大量的时间来设计各部分之间的逻辑关系，并且会使程序读起来相当复杂，难以理解。PLC 的子程序更能帮解决了上面的问题，分别将手动程序与自动程序写入两个不同的子程序，按照不同的需求调用相关程序，这样，对于程序的调用处理变得比较方便，同时也增强了程序的可读性。而且，如果系统需要，子程序可以重复调用，相同的工序不需要再次编写程序，是程序不会那么冗杂。4.计数器本设备的工作台旋转圈数限定使用了 PLC 的计数器功能，通过计数器统计感应开关发出的脉冲数来得知旋转工作台旋转的圈数，减少了复杂的计算，并保重了清洁的全面性与均衡性。3.1.3 系统涉及的相关指令及 PLC 的编程1.软元件的置位与复位（1）SET 指令SET 指令为动作保持指令，在 PLC 程序中，SET 指令的输入条件一旦为 ON，即使变为 OFF，SET 指令所置位的软元件仍将保持，不发生改变。以上指令中，一旦输入点 X1 变为 ON，那么，PLC 中的中间继电器 M0置 ON，状态 S0 置位，而且，就算 X1 变为 OFF，软元件 M0、S0 的状态保持不变。（2）RST 指令X 1S E T M 0S E T S 0图 3.2 SET 指令的应用实例17RST 指令刚好与 SET 指令相反，工作原理与 SET 指令相同。在 PLC 中，RST 指令用来解除动作保持、清除当前值和寄存器，对于位元件 Y、M、S和字元件 T、C、D，都可以使用 RST 指令复位，每次只能复位一个软元件。X 2R S T M 0R S T S 0R S