贴片机的PLC控制设计

攀枝花学院本科毕业设计（论文） 贴片机的PLC控制设计学生姓名： 宋 权 峰 学生学号： 200810503056 院（系）： 电气信息工程学院 年级专业： 自动化专业 指导教师： 伍维根 教授 助理指导教师 范方灵 副教授 二一二年五月摘 要射频卡贴片技术和我们的生活息息相关。现在，贴片机从早期的低速机械贴片机发展为高速光学对中贴片机，并向多功能、柔性连接模块化发展。随着电子工业的飞速发展，贴片设备已经广泛应用于各个领域，其中射频卡芯片贴片机也被广泛运用，使我们的生活变得更方便快捷，对贴片机的效率影响最重要的就是它的控制系统。随着数字控制技术的进一步发展和对贴片机在工业应用上的要求提高。传统的贴片机的控制系统，已没法满足我们对贴片机效率和精度的更好的要求，为此，我们必须选用一套新的技术实现对贴片机的控制要求。本课题的基本内容是设计一个以S7-200型PLC为控制核心的贴片机。它是IC卡芯片专用贴片机。通过各种传感器检测，使用PLC控制走带步进电机、转臂步进电机、空气压缩机、震动给料器、震动给料条、气动阀、气缸、点胶机等部件，实现全自动贴片。关键词 贴片机，控制系统，自动ABSTRACT Rf card patch technology and our life. Now, placement machine has from the early low speed mechanical placement machine for high speed development of optical in placement machine, and to muti_function, flexible connection of modular development. Along with the rapid development of electronic industry, patch equipment has been used widely in all fields, including radio frequency card chip placement machine also has been widely used, make our life more convenient and fast, the influence of placement machine efficiency of the most important is the control system. With the further development of the digital control technology and the placement machine in industrial application of the demands of the improved. The traditional placement machine control system, has tried to satisfy our placement machine efficiency and precision of the better requirements, therefore, we must choose a new technology to realize the control requirements of placement machine. This topic is the basic content to design a S7-200 PLC to control the core of placement machine. It is IC chip special placement machine. Through the various sensor test, the use of PLC control go take step motor, turn arm step motor, air compressor, vibration feeder, shaking the feeding, pneumatic valve, the article cylinder, glue machine parts, realize the automatic patch. Key words Placement machine ，Control system ，automatic 目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 课题的背景11.2 课题的来源及研究目标12 PLC的简单介绍32.1 PLC的定义32.2 PLC的工作原理32.3 PLC的循环扫描42.4 PLC的硬件组成52.5 PLC的编程语言62.6 PLC的特点63 基于PLC为核心的运动控制总体方案设计83.1 控制器的选择83.1.1 S7-200PLC的基本简介：83.2 驱动电机的选择133.3 贴片机运动控制的总体设计153.3.1 开放式数控设计154 各类传感器介绍174.1 激光传感器简介174.2 红外传感器简介174.3 负压传感器194.4 霍尔传感器194.5 几类传感器参数对比205 贴片机硬件系统235.1 步进电机机构235.2 空气压缩机机构235.3 震动给料器机构245.4 点胶机机构245.5 摆动机构结构图：255.6 振动盘机构：266 贴片机的软件系统设计276.1 系统工作流程图276.2 贴片机总体结构图：286.4 系统中断程序设计326.5 系统主程序设计35结 论40参考文献41附录A：系统主程序完整程序42致 谢441 绪论1.1 课题的背景随着科学技术的进步及提高，贴片机也日益发展。贴片机起源于上世纪70年代中后期。随着数字技术的飞速发展，贴片机也朝更好的方向发展，当今的贴片机相比以前的贴片机，具有更快的速度，更好的精度，维修保养也更容易。本课题主要是设计一个基于PLC为核心的贴片机控制系统。它是IC卡，公交卡等射频卡芯片的专用贴片机，自上个世纪九十年代以来，射频识别技术在全世界范围内得到了很快的发展。全球的总销量以年均25%以上的速度快速增长，经过十几年的发展，射频率识别技术在各行各业，尤其是在电子信息行业得到了广泛的应用。射频识别技术在我国的应用，应该还处于一个起步的阶段。差距首先表现在技术上，虽然在低频和中频产品应用上面，已经有了一定的基础，但在高频领域基本上没有大规模成熟的应用案例；其次表现在应用环境上，电子标签是一种提高识别效率和准确性的工具。市场化程度越高，越具有竞争性，组织对于效率的要求就会越强烈。在这种情况下，电子标签才会具有广泛应用的可能性。以电子标签在供应链上的应用为例，必须是以供应链成熟广泛运用为基础的，而我国供应链的发展只是刚有一个好的开端，对绝大多数企业而言，这种先进的管理方法和技术还刚刚起步。 从长远来看，电子标签特别是高频远距离电子标签的市场在未来几年内将逐渐成熟，成为IC卡领域继公交、手机、身份证之后又一个具有广阔市场前景和巨大容量的市场。将为国内表比较熟的IC卡行业一个重大的产业机会。在这个产业机会面前，国内厂商应加大投入力度，未雨绸缪，实现技术的突破。另外，除了厂商的努力以外，政府的主管部门也应该起到引导和牵头的作用，支持国内的厂商，根据国内的需求制定行业标准，从标准入手，建立自主知识产权的整个体系，进一步缩短与国内先进水平的差距，壮大国内智能卡行业的发展。复旦微电子将长期致力于非接触电子标签技术的开发和推广，在为客户提供满足他们需求的产品同时，也将为整个产品的其他厂商提供有关RFID射频识别应用方面的全方面的技术支持。1.2 课题的来源及研究目标对于我国的贴片机发展，我国的贴片机发展较晚，但发展速度很快，对于射频卡芯片的专用贴片机，我国相比较欧美等发达国家，还有一定的技术差距，主要体现在精度和速度上有一定的差距，因此，我国国内一部分射频卡贴片机不得不从欧美等发达国家进口，不仅价格偏高而且维修保养也不容易，尽管国家也很重视贴片机的发展，但总的来说，差距还是有的，我国贴片机的最主要的缺点就是通用性不高。由此，为了打破国外企业对该行业的垄断，自主研究一套贴片机的控制系统也就显得很有必要。本课题的基本内容是设计一个以S7-200型PLC为控制核心的贴片机。它是IC卡芯片专用贴片机。通过各种传感器检测，使用PLC控制走带步进电机、转臂步进电机、空气压缩机、震动给料器、震动给料条、气动阀、气缸、点胶机等部件，实现全自动贴片。 2 PLC的简单介绍2.1 PLC的定义 美国国际电工委员会（IEC）在1987年时对可编程序控制器做出以下定义：可编程序控制器就是一类专门为在工业环境下应用而设计的数字式电子系统，它采用了可编程序的存储器，用来在它的内部进行存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、算术运算和记数等功能的面向用户的指令，并通过模拟式或数字式的输入或者输出，控制各类型的机械或者生产过程。可编程序控制器极其相关的一些外部设备，都应该按照易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩展其功能的原则来设计。 定义强调了PLC应该直接应用于工业环境，它必须具有非常强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用的范围。这也是一个区别于一般微机控制系统的一个重要的特征。 定义还强调了PLC是数字运算操作的电子系统，他也是一种计算机，它是“专为在工业环境下应用而设计的”工业计算机。这种工业计算机采用“面向用户的指令”，因此编程比较方便简单。它能完成顺序运算、逻辑运算、定时、算术运算和记数等各类操作，它还具有“数字量和模拟量输入和输出”的能力，并且非常容易与工业控制系统联成一体，容易扩充。2.2 PLC的工作原理 PLC的工作原理与计算机的工作原理基本上是一致的，可以简单地表述为在系统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户任务。PLC通电后，首先对硬件和软件作一些初始化操作，初始化反复不停地分阶段处理各类不同的任务（见图2.1）。但是PLC也有其自己的一些特点，PLC在确定了工作任务，装入了专用程序后就成为一种专用机，它采用了循环扫描的工作方式，系统工作任务管理及应用程序执行都是用循环扫描方式来完成的。 图2.1 各阶段处理任务 2.3 PLC的循环扫描 对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。PLC的扫描全过程如图2.2所示。 输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映像区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映像区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入时脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入都能被读入。用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序。在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输入输出刷新阶段。在此期间将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，CPU按照I/O映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，在经过输出电路驱动相应的外围设备。这时，才是PLC的真正实际输出。显然扫描周期的长短主要取决与程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每一个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，故使系统存在输入、输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。由此可见，若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出会相应地发生变化。反之，若在本次刷新之后输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，而要到下一次扫描的I/O刷新期间输出才会发生变化。这对于一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成不利影响， 图2.2 PLC的扫描全过程反而可以增强系统的抗干扰能力。这是因为输入采样仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间里实际上是外设隔离的。而工业现场的干扰常常是脉冲式的、短时的，由于系统响应较慢，往往要几个扫描周期才响应一次，而多次扫描后，因瞬间干扰而引起的误操作将会大大减少，从而提高了系统的抗干扰能力。但是对于控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序，必要时采用一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应滞后等不良影响。2.4 PLC的硬件组成 PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口、电源等几部分组成。其中，CPU是PLC的核心组成部分，与微型计算机系统中CPU一样，在PLC系统中它通过地址总线、数据总线和控制总线与存储器、I/O接口等连接，在整个系统中起到类似人体神经中枢的作用，来协调控制整个系统。输入、输出单元通常又称I/O单元，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。存储器注意用于存放系统程序、用户程序和工作数据。通信接口用于连接编程器、上位计算机等外部设备，其硬件构成图如图2.3。 编程器 存储器系统 用户 数据程序 程序 外部 设备 接口I/O扩展接口 输出 接口 中央处理单元 CPU 输入 接口图2.3 PLC硬件结构图2.5 PLC的编程语言 PLC为用户提供了完善的编程语言来满足编制用户程序要求。它提供的编程语言通常有以下5种：梯形图（LAD）、语句表（STL）、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD）和结构文本（ST）。2.6 PLC的特点可靠性高、抗干扰能力强PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累下来的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路。I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。编程简单，使用方便PLC没有采用计算机控制中所使用的汇编语言来编程，而是采用“梯形图”语言来进行编程。这种梯形图语言与继电器控制电路图相类似，形式简练，容易掌握，不需要专业的计算机知识。广大电气工程人员都可以在比较短的时间内学会用梯形图编制控制程序。PLC还提供了功能表图、语句表等编程语言，梯形图、功能表图、语句表之间还可以相互转换，使用起来非常灵活简便。控制系统结构简单，通用性强PLC及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。功能完善在PLC内部具有许多控制功能，诸如时序、计算机、主控继电器以及移位寄存器、中间寄存器等。体积小，维护操作方便PLC体积小，质量轻，便于安装。设计、施工、调试、的周期短PLC采用模块化积木式结构，故仅需按性能、容量等选用组装，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。易于实现网络化PLC可连成功能很强的网络系统。PLC将电控（逻辑控制）、电仪（过程控制）和电结（运动控制）这三电集于一体。可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。3 基于PLC为核心的运动控制总体方案设计3.1 控制器的选择对贴片机的运动控制系统而言，要想获得较好的控制速度就必须得有足够快的处理器来完成处理数据的工作，完成各个环节的运算。由于西门子公司生产的S7-200贴片机作为控制核心。3.1.1 S7-200PLC的基本简介SIMATIC S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。SIMATIC S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此SIMATIC S7-200系列具有极高的性能/价格比。SIMATIC S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。 S7200 PLC的基本构成 1) 基本单元：由CPU、存储器、电源、数字量I/O单元组成。图3.1 S7200CPU模块CPU226模块的I/O总数为40点，其中输入点24点，输出点16点。图3.2 CPU266 AC/DC/继电器模块I/O接线图表1.1 CPU266模块主要性能指标特性CPU226程序存储器4096字用户数据存储器2560字扩展模块7个内部继电器256定时器/计数器256/256顺序控制继电器256内置高速计数器6个（30kHz）高速脉冲输出2个（20kHz）模拟量调节电位器2个 2) 个人计算机（PC）或编程器 个人计算机（PC）或编程器装上STEP7Micro/WIN32编程软件后，即可供用户进行程序的编辑、调试和监视等。 3) STEP7Micro/WIN32编程软件 STEP7Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，它的基本功能是创建、编辑、调试用户程序等。 4) 通信电缆 通信电缆是PLC用来与个人计算机（PC）实现通信的，可以用PC/PPI电缆。 S7200 PLC的软元件的功能 1) 输入映像寄存器 PLC的输入端子是从外部接收信号的窗口。输入端子与输入映像寄存器（I）的相应位对应即构成输入继电器，其常开和常闭触点使用次数不限。注意：输入继电器线圈只能由外部输入信号所驱动，而不能在程序内部用指令来驱动。输入映像寄存器的数据可以bit为单位使用，也可按字节、字、双字为单位使用，其地址格式为：位地址：I字节地址.位地址，如I0.1。字节、字、双字地址：I数据长度起始字节地址，如IB4、IW6、ID8。CPU226模块输入映像寄存器的有效地址范围为：I（0.015.7）；IB（015）；IW（014）；ID（012）。2) 输出映像寄存器 （Q）PLC的输出端子是PLC向外部负载发出控制命令的窗口。输出端子与输出映像寄存器（Q）的相应位对应即构成输出继电器，输出继电器控制外部负载，其内部的软触点使用次数不限。输出映像寄存器的数据可以bit为单位使用，也可按字节、字、双字为单位使用，其地址格式为位地址：Q字节地址.位地址，如Q0.1。字节、字、双字地址：Q数据长度起始字节地址，如QB4、QW6、QD8。CPU226模块输入映像寄存器的有效地址范围为：I（0.015.7）；IB（015）；IW（014）；ID（012）。3) 内部标志位存储器（M）内部标志位存储器（M）也称为内部继电器，存放中间操作状态，或存储其它相关的数据。内部标志位存储器以位为单位使用，也可以字节、字、双字为单位使用。内部标志位存储器（M）的地址格式为：位地址：M字节地址.位地址，如M0.1。字节、字、双字地址：M数据长度起始字节地址，如MB4、MW6、MD8。CPU226模块内部标志位存储器的有效地址范围为：M（0.031.7）；MB（031）；MW（030）；MD（028）。 4) 特殊标志位存储器（SM）特殊标志位存储器（SM）即特殊内部继电器。它为用户提供一些特殊的控制功能及系统信息，用户对操作的一些特殊要求也通过SM通知系统。特殊标志位存储器（SM）以位为单位使用，也可以字节、字、双字为单位使用。SM0.0 RUN监控，PLC在RUN状态时，SM0.0总为1。SM0.1 初始脉冲，PLC由STOP转为RUN时，SM0.1 接通一个扫描周期。 SM0.2 当RAM中保存的数据丢失时，SM0.2接通扫描一个周期。SM0.3 PLC上电进入RUN状态时，SM0.3 接通一个扫描周期。SM0.4 分脉冲；占空比为50，周期为1分钟的脉冲串。SM0.5 秒脉冲；占空比为50，周期为1秒钟的脉冲串。SM0.6 扫描时钟，一个扫描周期为ON，下一个为OFF，交替循环。SM1.0 执行指令的结果为0时，该位置1。SM1.1 执行指令的结果溢出或检测到非法数值时，该位置1。SM1.2 执行数学运算的结果为负数时，该位置1。SM1.3 除数为0时，该位置1。特殊标志位寄存器的地址格式为：位地址：SM字节地址.位地址，如SM0.1。字节、字、双字地址：SM数据长度起始字节地址，如SMB4、SMW6、SMD8。 5) 顺序控制继电器（S）顺序控制继电器（S）是使用顺控继电器指令编程时的重要元件。顺序控制继电器（S）以位为单位使用，也可按字节、字、双字来存取数据，其地址格式为位地址：S 字节地址.位地址，如S0.1。字节、字、双字地址：S 数据长度起始字节地址，如SB4、SW6、SD8。CPU226模块顺序控制继电器的有效地址范围为：S（0.031.7）；SB（031）；SW(030）；SD（028）。 6) 定时器（T）PLC中的定时器的作用相当于时间继电器。定时器的设定值由程序赋与，定时器的分辨率有三种：1ms、10ms、100ms。每个定时器有一个16位的当前值寄存器以及一个状态位。定时器地址表示格式为：T定时器号，如T24。S7200 PLC定时器的有效地址范围为：T（0255）。 7) 计数器（C）计数器是累计其计数输入端子或内部元件送来的脉冲数。计数器的结构与定时器基本一样，其设定值在程序中赋与，它有个16位的当前值寄存器及一个状态位。计数器地址表示格式为：C计数器号，如C24。S7200 PLC计数器的有效地址范围为：C（0255）。 8) 变量寄存器（V）S7200系列PLC有较大容量的变量寄存器。用于模拟量控制、数据运算、设置参数等用途。变量寄存器可以bit为单位使用，也可按字节、字、双字为单位使用。其地址格式为位地址：V 字节地址.位地址，如V0.1。字节、字、双字地址：V 数据长度起始字节地址，如VB4、VW6、VD8。CPU226模块变量寄存器的有效地址范围为：V（0.05119.7）；VB（05119）；VW（05118）；VD（05116）。 9) 累加器(AC)累加器是用来暂存计算中间值的寄存器，也可向子程序传递参数或返回参数。S7200 CPU中提供4个32bit累加器（AC0AC3）。累加器支持以字节、字和双字的存取。以字节或字为单位存取累加器时，是访问累加器的低8位或低16位。 10) 模拟量输入/输出寄存器(AI/AQ)PLC外的模拟量经A/D转换为数字量，存放在模拟量输入寄存器（AI），供CPU运算，CPU运算的相关结果存在模拟量输出寄存器（AQ），经D/A转换为模拟量，驱动外部模拟量控制设备。故其地址格式为 AIW/AQW起始字节地址，如AIW0，2，4，；AQW0，2，4，。CPU226模块模拟量输入/输出寄存器的有效地址范围：AIW0AIW62，AQW0AQW62。 S7-200的适用范围 S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。 S7-200各CPU模块优点CPU 221本机集成6输入/4输出共10个数字量I/O点。无I/O扩展能力。6K字节程序和数据存储空间。4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。1个RS485通讯/编程，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。非常适合于小点数控制的微型控制器。CPU 222本机集成8输入/6输出共14个数字量I/O点。可连接2个扩展模块。6K字节程序和数据存储空间。4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高脉冲输出。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方通讯能力。非常适合于小点数控制的微型控制器。CPU 224本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。CPU 224XP本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展值至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。20K字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器（100KHz），2个100KHz的高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O,位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。CPU 226本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。 S7-200综合优点 1）极高的可靠性；2）极丰富的指令集；3）易于掌握；4）便捷的操作；5）丰富的内置集成功能；6）实时特性；7）强劲的通讯能力；8）丰富的扩展模块。 3.2 驱动电机的选择贴片机运动控制系统中，其运动都是通过电机带动的。通过电压、电流、 频率等控制方式，可以实现定速驱动、变速驱动、反复起停的增量驱动以及其 他复杂驱动，目前常用的控制电机有电压控制感应电动机、直流伺服电动机,步进伺服电动机、感应伺服电机、步进电动机等，每种电机又衍生出不同的小类型，不同的电机的控制方式、特点和应用场合也不相同。由于在贴片机控制系统中，对系统的反应速度和位置控制精度的要求非常 高，很多电机不能同时满足这两项最基本也是最重要的要求，因此在贴片机位 置控制中最常用的电机就是步进电动机和伺服电动机，下面我们对步进电机和伺服电机的特点进行详细的比较： 控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为3.6,1.8,五相混合式步进电机步距角一般为0.72、0.36也有一些高性能的步进电机步距角更小.如 四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09。德国生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为 1.80、0.9，0.72、0.36、0.180、0.09、0.072、 0.360 兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角.伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证.以松下全数字式伺服电机为例，对于带标准 2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360710000-0.036。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收 217=131072个脉冲电机转一圏，即其脉冲当量为3607131072=9.89 秒.是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1/655. 矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较髙转速时会急剧下降，所 以其最髙工作转速一般在300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即 在其额定转速一般为2000RPM或3000RPM)以内，都能输出额定转矩, 在额定转速以上为恒功率输出. 过载能力不同步进电机一般不具有过载能力，伺服电机具有较强的过载能力，以松下伺 服电机为例，它具有速度过载和转矩过载能力，其最大转矩为额定转矩的三倍, 可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能 力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器 在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象. 运行性能不同步进电机的控制为幵环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现 象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、 降速问题。伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进 行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现 象，控制性能更为可靠。 速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转需要200400 毫秒.伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA400W伺服电机为例，从静 止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。由此可看出，在我们贴片机运动控制系统设计中，由于控制系统对速度和 精度的高要求，步进电机才是我们的首选。3.3 贴片机运动控制的总体设计3.3.1 开放式数控设计未来数控技术的发展趋势是采用开放式的体系结构，即开放式数控系统. 目图3.3 开放式数控模型前的专用数控系统基本上不具备可移植性，都是为特定的机床或设备专门开 发的，从而使得其成本十分昂贵。为了使系统具有通用性和便于系统升级，我 们引入了开放式数控系统设计。开放式数控模型如下图3.3所示,具有以下优点： 性价比极高由于开放式数控系统具有较强的可移植性，使其开发费用大大降低，维修更简易，质量更可靠，性能更加完善，增强了开放式数控系统的市场竞争力。 模块化的设计开放式数控系统中的各模块相互独立,可让用户在较大范围内根据需要配 置系统，如加工轴数等，而当系统硬件改变时，只需适当修改数控系统软件，即可满足需求。具有更大的灵活性，更能适应市场的动态变化。 丰富友好的人机界面用户可以在开放式环境下用不同的编程语言随心所欲地开发最适合自己用途 的人机界面，完善自己的数控系统。 支持多种操作平台开放式结构的数控系统比以往的专用数控系统能更好地支持各种不同的操作平台。4 各类传感器介绍4.1 激光传感器简介激光传感器：利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等.激光器按工作物质可分为4种.固体激光器：它的工作物质是固体。常用的有红宝石激光器、掺钕的钇铝石榴石激光器 (即YAG激光器)和钕玻璃激光器等。它们的结构大致相同，特点是小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件，已经达到数十兆瓦。气体激光器：它的工作物质为气体。现已有各种气体原子、离子、金属蒸气、气体分子激光器。常用的有二氧化碳激光器、氦氖激光器和一氧化碳激光器，其形状如普通放电管，特点是输出稳定，单色性好,寿命长,但功率较小，转换效率较低。液体激光器:它又可分为螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器，其中最重要的是有机染料激光器，它的最大特点是波长连续可调。半导体激光器：它是较年轻的一种激光器，其中较成熟的是砷化镓激光器。特点是效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜于在飞机、军舰、坦克上以及步兵随身携带。可制成测距仪和瞄准器。但是输出功率较小、定向性较差、受环境温度影响较大。 激光传感器原理：激光传感器工作时，先是由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号，并将其转化为相应的电信号。常见的是激光测距传感器，它通过记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，就可测定目标距离。激光传感器必须极其精确地测定传输时间，因为光速太快。例如，光速约为3´108m/s，要想使分辨率达到1mm，则传输时间测距传感器的电子电路必须能分辨出以下极短的时间0.001m&;(3´108m/s)=3ps要分辨出3ps的时间，这是对电子技术提出的过高要求，实现起来造价太高。但是如今的激光测距传感器巧妙地避开了这一障碍，利用一种简单的统计学原理，即平均法则实现了1mm的分辨率，并且能保证响应速度。4.2 红外传感器简介红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能可分成五类, 按探测机理可分成为光子探测器和热探测器. 红外传感技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。红外传感器的工作原理 待测目标根据待侧目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定。 大气衰减待测目标的红外辐射通过地球大气层时，由于气体分子和各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。 光学接收器它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。相当于雷达天线，常用是物镜。 辐射调制器对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，并可滤除大面积的干扰信号。又称调制盘和斩波器，它具有多种结构。 红外探测器这是红外系统的核心。它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现出的电学效应。此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。 探测器制冷器由于某些探测器必须要在低温下工作，所以相应的系统必须有制冷设备。经过制冷，设备可以缩短相应时间提高探测灵敏度。 信号处理系统将探测的信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取出信息。然后将此类信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示器中。 显示设备这是红外设备的终端设备。常用的显示器有示波器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。依照上面的流程，红外系统就可以完成相应的物理量的测量。红外系统的核心是红外探测器，按照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类。下面以热探测器为例子来分析探测器的原理。热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使探测器中依赖于温度的性能发生变化。检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。当元件接收辐射，引起非电量的物理变化时，可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。红外传感器已经在现代化的生产实践中发挥着它的巨大作用，随着探测设备和其他部分的技术的提高，红外传感器能够拥有更多的性能和更好的灵敏度。 4.3 负压传感器定义：将低于参考点气压的压力(压强)差变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置 。产品结构：全不锈钢封焊结构,采用进口扩散硅压阻机芯，高精稳定放大电路与高精度温度补偿电路,精确度与稳定性更好,微压压力传感器采用进口感压芯片，外壳采用316L不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性，适用于介质压力微弱的场合测量与控制.适用于介质压力微弱的场合的测量与控制。产品特点 1） 压阻式压力传感器的灵敏系数比金属应变式压力传感器的灵敏度系数要大50-100倍。有的时候压阻式压力传感器的输出不需要放大器就可直接进行测量。2） 由于它采用集成电路工艺加工，因而结构尺寸小，重量轻。3）压力分辨率高，它可以检测出像血压那么小的微压。4）频率响应好，它可以测量几十千赫的脉动压力。5）采用半导体材料硅制作，由于传感器的力敏元件及检测元件制在同一块硅片上，所以它作可靠，综合精度高，且使用寿命，性能比较稳定，为OEM客户专门设计、生产，工作温度范围宽、测量综合精度高、长期稳定性好规一化设计与生产保证了产品的先进性、实用性和质量稳定性 。4.4 霍尔传感器定义：霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器 。分类：霍尔传感器分为线型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。 应用：线性型霍尔传感器主要用于一些物理量的测量。电流传感器 由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测量出磁场，从而确定导线中电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。 霍尔电流传感器工作原理如图6所示，标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔传感器插入缺口中，圆环上绕有线圈，当电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器有信号输出。位移测量两块永久磁铁同极性相对放置，将线性型霍尔传感器置于中间，其磁感应强度为零，这个点可作为位移的零点，当霍尔传感器在Z轴上作Z位移时，传感器有一个电压输出，电压大小与位移大小成正比。如果把拉力、压力等参数变成位移，便可测出拉力及压力的大小。开关型霍尔传感器主要用于测转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器、自动控制电路等。测转速或转数在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数（计数器），若接入频率计，便可测出转速。如果把开关型霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当装在运动车辆上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号的分布可以测出车辆的运动速度。4.5 几类传感器参数对比 激光传感器参数：测量精度：2mm分辨率：0.1mm重复性：0.5mm测量距离：0.130m任何物体表面30150m需要加反射器供电电压：1024V功率消耗：1W激光等级：650nm红色可见2级安全激光1mW开关量：报警输出模拟量：420mA防护等级：IP65使用寿命：50000h红外传感器参数：工作电压：DC5V至20V静态功耗：65微安电平输出：高3.3V，低0V延时时间：可调(0.3秒18秒)封锁时间：0.2秒触发方式：L不可重复，H可重复，默认值为H感应范围：小于120度锥角，7米以内工作温度：-15+70度PCB外形尺寸：32*24mm，螺丝孔距28mm，螺丝孔径2mm，感应透镜尺寸：(直径)：23mm(默认)负压传感器参数：量 程：-0.101150(MPa)综合精度：0.1%FS、0.25%FS、0.5%FS、1.0%FS输出信号：420mA(二线制)、05V、15V、010V(三线制)供电电压：24DCV(936DCV)介质温度：-2085150环境温度：常温(-2085)零点温漂移：0.05%FS量程温度漂移：0.05%FS补偿温度070安全过载：150%FS极限过载：200%FS响应时间：5mS(上升到90%FS)负载电阻：电流输出型：最大800；电压输出型：大于5K绝缘电阻：大于2000M(100VDC)密封等级：IP65长期稳定性能：0.1%FS/年振动影响：在机械振动频率20Hz1000Hz内，输出变化小于0.1%FS 霍尔传感器参数：工作电压：DC524V测量范围：020KHz测速齿轮形式：模数24（渐开线齿轮）输出信号：方波，其峰峰值等于工作电源电压幅度，与转速无关，最大输出电流20mA工作温度：-30 +90 -30 +150 （特殊定做）螺纹规格：16传感器（安装螺纹：M161）安装间隙：12mm重 量：约120 5 贴片机硬件系统 5.1 步进电机机构步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的母的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速