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无锡职业技术学院 系别 部 分院 机电技术学院 班 级 机电 20802 姓 名 吴 昊 学 号 2010080232 课 题 名 称 二维伺服平台控制系统的设计 指 导 教 师 张爱红 职 称 副教授 2011 年 4 月 18 日 无锡职业技术学院毕业设计说明书 I 摘摘 要要 基于电力电子技术的发展 PLC 伺服驱动 触摸屏等技术的综合应用 设 计并制作了二维伺服平台控制系统 以松下 FP0 PLC 为控制器 松下 GT01 触摸 屏为人机界面实现了对富士伺服驱动器 TYPE PYC401D3 VVT2 型 伺服电机 GYS401DC2 T2C 型 的回零 点动 增量及绝对值运动控制 实践证明 系 统操作方便 可靠性高 定位精度 0 01mm 符合要求 是一款理想的二维运动 控制系统 论文内容主要包括 伺服平台系统硬件构成 伺服平台控制软件设计 系 统运行操作等方面 详细介绍了伺服平台的结构 原理 选型 硬件连接 控 制程序编辑 触摸屏界面设计 伺服参数设置等 内容新颖 具有较高的实用 价值 关键词关键词 PLC 触摸屏 伺服驱动 平台 无锡职业技术学院毕业设计说明书 II ABSTRACTSABSTRACTS Along with the development of the power electronic technology PLC servo drive touch screen technology the application of two dimensional servo platform control system came into being Taking PLC panasonic FP0 series for controller touch screen panasonic GT01 for human computer interface realized to Fuji servo driver TYPE TYPE and servo motor GYS401DC2 T2C TYPE return zero or say go back to the reference points back to the starting point the point start incremental and absolute value motion control Practice shows that the system operation convenience high reliability control positioning accuracy accords with a requirement is an ideal two dimensional motion control system Paper content mainly includes servo platform servo system hardware and software design system platform control operating etc Introduces the structure principle of servo platform selection hardware connection control program edits touch screen interface design servo parameter setting content novel has high practical value Keywords Keywords PLC Touch screen Servo drive Platform 无锡职业技术学院毕业设计说明书 III 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 伺服的发展历史 1 1 2 伺服产品的特点 4 第二章第二章 伺服平台系统的硬件组成伺服平台系统的硬件组成 5 2 1 机械机构 5 2 2 电气部分 5 2 2 1 伺服控制系统的组成 5 2 2 2 电气控制原理图 6 2 2 3 伺服电机 7 2 2 4 伺服驱动器 9 2 2 5 PLC 13 2 2 6 触摸屏 16 2 2 7 低压电器 19 第三章第三章 伺服平台控制软件设计伺服平台控制软件设计 20 3 1 PLC 输入 输出定义 20 3 2 PLC 控制程序设计 21 3 3 触摸屏控制界面设计 27 3 4 伺服驱动器参数设置 28 第四章第四章 系统运行操作系统运行操作 32 4 1 伺服通 断电控制 32 4 2 回参考点控制 32 4 3 点动与增量控制 32 4 4 绝对值定位控制 33 第五章第五章 总结与展望总结与展望 34 致致 谢谢 35 参考文献参考文献 36 附附 录录 37 无锡职业技术学院毕业设计说明书 1 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 伺服的发展历史伺服的发展历史 1 直流伺服系统 伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程 电气伺服系统根据所驱动的电机类型分为 直流 DC 伺服系统和交流 AC 伺服系统 50 年代 无刷电机和直流电机实现了产品化 并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用 70 年代则是直流伺服电机的应用最为 广泛的时代 2 交流伺服系统 从 70 年代后期到 80 年代初期 随着微处理器技术 大功率高性能半导体功率器件技术 和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高 交流伺服技术 交流伺服电机 和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品 交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的 基础技术之一 并将逐渐取代直流伺服系统 交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分 主要有两大类 永磁同步 SM 型 电 动机交流伺服系统和感应式异步 IM 型 电动机交流伺服系统 其中 永磁同步电动机交流 伺服系统在技术上已趋于完全成熟 具备了十分优良的低速性能 并可实现弱磁高速控制 拓宽了系统的调速范围 适应了高性能伺服驱动的要求 并且随着永磁材料性能的大幅度提 高和价格的降低 其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛 目前已成为交流伺服系 统的主流 感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固 制造容易 价 格低廉 因而具有很好的发展前景 代表了将来伺服技术的方向 但由于该系统采用矢量变 换控制 相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂 而且电机低速运行时还存在着效 率低 发热严重等有待克服的技术问题 目前并未得到普遍应用 系统的执行元件一般为普通三相鼠笼型异步电动机 功率变换器件通常采用智能功率模 块 IPM 为进一步提高系统的动态和静态性能 可采用位置和速度闭环控制 三相交流电流 的跟随控制能有效地提高逆变器的电流响应速度 并且能限制暂态电流 从而有利于 IPM 的 安全工作 速度环和位置环可使用单片机控制 以使控制策略获得更高的控制性能 电流调 节器若为比例形式 三个交流电流环都用足够大的比例调节器进行控制 其比例系数应该在 保证系统不产生振荡的前提下尽量选大些 使被控异步电动机三相交流电流的幅值 相位和 频率紧随给定值快速变化 从而实现电压型逆变器的快速电流控制 电流用比例调节 具有 结构简单 电流跟随性能好以及限制电动机起制动电流快速可靠等诸多优点 3 交直流伺服系统的比较 无锡职业技术学院毕业设计说明书 2 直流伺服驱动技术受电机本身缺陷的影响 其发展受到了限制 直流伺服电机存在机械 结构复杂 维护工作量大等缺点 在运行过程中转子容易发热 影响了与其连接的其他机械 设备的精度 难以应用到高速及大容量的场合 机械换向器则成为直流伺服驱动技术发展的 瓶颈 交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷 换向器等机械部件所带来的各种缺点 特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性 所以交流伺服 系统在工厂自动化 FA 等各个领域得到了广泛的应用 从伺服驱动产品当前的应用来看 直流伺服产品正逐渐减少 交流伺服产品则日渐增加 市场占有率逐步扩大 在实际应用中 精度更高 速度更快 使用更方便的交流伺服产品已 经成为主流产品 4 伺服系统的发展趋势 从前面的讨论可以看出 数字化交流伺服系统的应用越来越广 用户对伺服驱动技术的 要求越来越高 总的来说 伺服系统的发展趋势可以概括为以下几个方面 1 交流化 伺服技术将继续迅速地由 DC 伺服系统转向 AC 伺服系统 从目前国际市场的情况看 几 乎所有的新产品都是 AC 伺服系统 在工业发达国家 AC 伺服电机的 市场占有率已经超 过 80 在国内生产 AC 伺服电机的厂家也越来越多 正在逐步地超过生产 DC 伺服电机的厂 家 可以预见 在不远的将来 除了在某些微型电机领域之外 AC 伺服电机将完全取代 DC 伺服电机 2 全数字化 采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机 DSP 的伺服控制单元将全面代替以模拟 电子器件为主的伺服控制单元 从而实现完全数字化的伺服系统 全数字化的实现 将原有 的硬件伺服控制变成了软件伺服控制 从而使在伺服系统中应用现代控制理论的先进算法 如 最优控制 人工智能 模糊控制 神经元网络等 成为可能 3 采用新型电力电子半导体器件 目前 伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半导体器件 主要有大功率晶体管 GTR 功率场效应管 MOSFET 和绝缘门极晶体管 IGBT 等 这些 先进器件的应用显著地降低了伺服单元输出回路的功耗 提高了系统的响应速度 降低了运 行噪声 尤其值得一提的是 最新型的伺服控制系统已经开始使用一种把控制电路功能和大 功率电子开关器件集成在一起的新型模块 称为智能控制功率模块 Intelligent Power Modules 简称 IPM 这种器件将输入隔离 能耗制动 过温 过压 过流保护及故障诊断 无锡职业技术学院毕业设计说明书 3 等功能全部集成于一个不大的模块之中 其输入逻辑电平与 TTL 信号完全兼容 与微处理器 的输出可以直接接口 它的应用显著地简化了伺服单元的设计 并实现了伺服系统的小型化 和微型化 4 高度集成化 新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元两个模块的做 法 代之以单一的 高度集成化 多功能的控制单元 同一个控制单元 只要通过软件设置 系统参数 就可以改变其性能 既可以使用电机本身配置的传感器构成半闭环调节系统 又 可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度的全闭环调节系统 高度的集成 化还显著地缩小了整个控制系统的体积 使得伺服系统的安装与调试工作都得到了简化 5 智能化 智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势 伺服驱动系统作为一种高级的工业控制装 置当然也不例外 最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产品 它们的智能化特点 表现在以下几个方面 首先他们都具有参数记忆功能 系统的所有运行参数都可以通过人机对 话的方式由软件来设置 保存在伺服单元内部 通过通信接口 这些参数甚至可以在运行途 中由上位计算机加以修改 应用起来十分方便 其次它们都具有故障自诊断与分析功能 无论 什么时候 只要系统出现故障 就会将故障的类型以及可能引起故障的原因通过用户界面清 楚地显示出来 这就简化了维修与调试的复杂性 除以上特点之外 有的伺服系统还具有参数 自整定的功能 众所周知 闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环节 也是 需要耗费较多时间与精力的工作 带有自整定功能的伺服单元可以通过几次试运行 自动将 系统的参数整定出来 并自动实现其最优化 对于使用伺服单元的用户来说 这是新型伺服 系统最具吸引力的特点之一 6 模块化和网络化 在国外 以工业局域网技术为基础的工厂自动化 Factory Automation 简称 FA 工程 技术在最近十年来得到了长足的发展 并显示出良好的发展势头 为适应这一发展趋势 最 新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口 如 RS 232 或 RS 422 接口等 和专用的局域 网接口 这些接口的设置 显著地增强了伺服单元与其它控制设备间的互联能力 从而与 CNC 系统间的连接也由此变得十分简单 只需要一根电缆或光缆 就可以将数台 甚至数十 台伺服单元与上位计算机连接成为整个数控系统 也可以通过串行接口 与可编程控制器 PLC 的数控模块相连 综上所述 伺服系统将向两个方向发展 一个是满足一般工业应用要求 对性能指标要 求不高的应用场合 追求低成本 少维护 使用简单等特点的驱动产品 如变频电机 变频 无锡职业技术学院毕业设计说明书 4 器等 另一个就是代表着伺服系统发展水平的主导产品 伺服电机 伺服控制器 追求高性 能 高速度 数字化 智能型 网络化的驱动控制 以满足用户较高的应用要求 1 21 2 伺服产品的特点伺服产品的特点 用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统 在很多情况下 伺服系统专指被控制 量 系统的输出量 是机械位移或位移速度 加速度的反馈控制系统 其作用是使输出的机 械位移 或转角 准确地跟踪输入的位移 或转角 伺服系统的结构组成和其他形式的反 馈控制系统没有原则上的区别 无锡职业技术学院毕业设计说明书 5 第二章第二章 伺服平台系统的硬件组成伺服平台系统的硬件组成 2 12 1 机械机构机械机构 伺服平台系统机械机构由 X 与 Y 方向丝杠 联轴器 支架 法兰所组成的 工作台由 X Y 轴丝杠控制 丝杠螺距为 5mm 总长为 80mm X Y 丝杠分别由两台伺服电机驱动 丝杠 与电机之间通过联轴器连接 电机外部由法兰 支架支撑 如图 2 1 所示 图 2 1 伺服平台系统机械机构图 2 22 2 电气部分电气部分 伺服平台系统电气部分组成元件有 伺服电机 伺服驱动器 PLC 触摸屏 低压电器 等 2 2 12 2 1 伺服控制系统的组成伺服控制系统的组成 伺服控制系统用来控制二维平台的平面运动 操作人员通过触摸屏来控制 PLC PLC 采用 梯形图编程 将脉冲与方向信号传递给伺服驱动器 控制伺服电动机的动作 最后由伺服电 动机带动平台运动 图 2 2 为二维伺服平台系统的组成框图 无锡职业技术学院毕业设计说明书 6 图 2 2 伺服控制系统组成框图 2 2 22 2 2 电气控制原理图电气控制原理图 图 2 3 电气控制原理图 无锡职业技术学院毕业设计说明书 7 伺服电机控制的基本过程 当 PLC 输出触点闭合 外部直流 24V 电回路接通使继电器 KA1 线圈得电后 KA1 的常开触头闭合 交流接触器 KM1 KM2 线圈通电 然后 KM1 KM2 的常 开触头闭合 电源经过空气开关 QF1 KM1 KM2 主触头供电给伺服驱动器 伺服驱动器通电 使能后便可接受 PLC 的脉冲与方向控制信号以驱动伺服电机运转 2 2 32 2 3 伺服电机伺服电机 1 型号说明 伺服电机采用 GYS 系列 GYS401DC2 T2C 伺服电机 编码器线和动力线引出导线 0 3m 带连接器 除轴穿过部分和连接器外 其余保护等级为 IP67 伺服电机的外形尺寸如图 2 4 所示 图 2 4 伺服电机 无锡职业技术学院毕业设计说明书 8 表 2 1 伺服电机参数 额定输出0 4KW 额定转矩1 27N M 最大转矩3 82N M 额定旋转速度3000r min 最大旋转速度5000r min 惯性矩0 0000246kg m2 额定电流2 7A 最大电流8 1A 绝缘等级B 类 额定连续额定 通风保护全封闭自行冷却 IP67 不包括轴穿过部分及连接器部分 端子 电机 电缆 0 9 米 带连接器 端子 检验器 电缆 0 9 米 带连接器 过热保护无 使用伺服放大器检测 安装方式法兰安装 IMB5 L51 LMVI L52 LM53 L53 轴端直轴 带键 涂饰色N1 5 检验器17 位编码器 2 伺服电机的工作原理 1 伺服主要靠脉冲来定位 基本上可以这样理解 伺服电机接收到1 个脉冲 就会旋转 1 个脉冲对应的角度 从而实现位移 因为 伺服电机本身具备发出脉冲的功能 所以伺服电机每旋转一个角度 都会发出对应数量的脉冲 这样 和伺服电机接受的脉冲 形成了呼应 或者叫闭环 如此一来 系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机 同时又收 无锡职业技术学院毕业设计说明书 9 了多少脉冲回来 这样 就能够很精确的 控制电机的转动 从而实现精确的定位 可以 达到 0 001mm 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 启动 转矩大 调速范围宽 控制容易 需要维护 但维护方便 换碳刷 产生电磁干扰 对环境有要求 因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合 无刷电机体积小 重量轻 出力大 响应快 速度高 惯量小 转动平滑 力矩稳定 控制复杂 容易实现智能化 其电子换相 方式灵活 可以方波换相或正弦波换相 电机 免维护 效率很高 运行温度低 电磁辐射很小 长寿命 可用于各种环境 2 交流伺服电机也是无刷电机 分为同步和 异步电机 目前运动控制中一般都 用同步电机 它的 功率范围大 可以做到很大的功率 大惯量 最高转动速度低 且随 着功率增大而快速降低 因而适合做低速平稳运行的应用 3 伺服电机内部的转子是永磁铁 驱动器控制的U V W 三相电形成电磁场 转 子在此磁场的作用下转动 同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器 驱动器根据反馈 值与目标值进行比较 调整转子转动的角度 伺服电机的精度决定于编码器的精度 线数 2 2 42 2 4 伺服驱动器伺服驱动器 1 初始设定及注意事项 伺服放大器的指令控制序列输入输出端子的初始值如下 CONT1 伺服启动 OUT1 端子 伺服准备就绪 CONT2 警报复位 OUT2 端子 定位结束 CONT3 无指定 OUT3 端子 伺服报警 b 接点 CONT4 无指定 OUT4 端子 无指定 CONT5 无指定 连接时的注意事项 1 连接器 4 CN4 在伺服电机运行时不使用 采用测量器等观测伺服电机的速度波形 转矩波形时使用 2 在切断动力用电源期间 进行参数编辑时 连接制动电源输入端子 sL1 sL2 伺服 放大器只使用动力电源工作 3 不能将指令控制序列输入 输出用 DC24V 和制动用 DC24V 电源共用 制动断开时 有时因线圈出现电压超量上冲 需同时采用浪涌吸收器 无锡职业技术学院毕业设计说明书 10 图 2 5 伺服驱动器接线示意图 2 指令控制序列输入输出 CN1 伺服放大器的连接器 1 CN1 上 连接与上位控制器相通的信号 无锡职业技术学院毕业设计说明书 11 图 2 6 电缆线侧适配的连接器 表 2 2 CN1 端子的符号名称与定义 端子符号插头编号名称功能及意思 P24 M24 1 14 指令序列输入输 出用电源 指令序列输入输出信号 输入电源 CONT1 CONT2 CONT3 CONT4 CONT5 2 3 4 5 6 输入指令控制序 列 输入指令序列信号 在 出厂时的初始值中设定 了以下信号 DC24V 10mA CONT1 运行命令 RUN CONT2 复位 RST CONT3 无指定 CONT4 无指定 CONT5 无指定 OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 15 16 17 18 输出指令控制序 列 输出指令控制序列信号 在出厂时的初始值中设 定了以下信号 最大 DC30V 50mA OUT1 ALMA OUT2 无指定 RDY 在可运行状态下 接通 REST 定位结束时接通 PPI CA CA CB CB 19 7 8 20 21 输入脉冲串PPI 集电极开路电源 输出 DC24V 5 5 CA CA CB CB 最 大输入频率 1MHz CA CB 最大输入频率 200KHz FFA FFA FFB FFB FFZ 9 10 11 12 23 分频输出是分频输出端子 输出 与伺服电机的旋转量成 正比的 90 度相位差 2 信号 差动输出 FZ 端子是集电极开路输 无锡职业技术学院毕业设计说明书 12 FFZ FZ M5 24 25 26 出 最大 DC30V 50mA M5 标准定位 Vref22 模拟量输出是模拟电压的输入端子 输入速度控制时的速度 命令电压 转矩控制时 的转矩命令电压 标准电位 M5 端子 3 编码器 CN2 将伺服电机的编码器信号接到伺服放大器的连接器 2 CN2 图 2 7 编码器 CN2 的端口示意图 4 编程器 CN3 将电脑连接到伺服放大器的连接器 3 CN3 连接时请使用信号转换器及市场出售的 LAN 电缆线 CAT 5 全线接线 最多可以连接 31 台伺服放大器 图 2 8 编程器 CN3 接口示意图 无锡职业技术学院毕业设计说明书 13 电脑接到 UP 接口 上侧 伺服放大器接到 DN 接口 下侧 和下一个伺服放大器的 UP 接口 不需要最终的终端电阻 5 监控端口 CN4 将测量器等连接到伺服放大器的连接器 4 CN4 上 该监控端口在伺服放大器运行时不 用 而用于测定伺服电机的速度波形和转矩波形 CN4 位于触摸面板上 图 2 9 监控器接口示意图 可用参数设定 MON1 及 MON2 端子的输出内容 标准电位为 M5 端子 图 2 10 伺服驱动器接口端子示意图 2 2 52 2 5 PLCPLC 1 CPU 运算和控制中心起 心脏 作用 无锡职业技术学院毕业设计说明书 14 纵 当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中 然后 CPU 根据系统所赋予的功能 系统程序存储器的解释编译程序 把用户程序翻译成 PLC 内部所认可的用户编译程序 横 输入状态和输入信息从输入接口输进 CPU 将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存 器 然后由 CPU 把数据和程序有机地结合在一起 把结果存入输出映象寄存器或工作数据存 储器中 然后输出到输出接口 控制外部驱动器 组成 CPU 由控制器 运算器和寄存器组成 这些电路集成在一个芯片上 CPU 通过地址总线 数据总线与 I O 接口电路相连接 2 存储器 具有记忆功能的半导体电路 分为系统程序存储器和用户存储器 系统程序存储器用以存放系统程序 包括管理程序 监控程序以及对用户程序做编译处理的 解释编译程序 由只读存储器 ROM 组成 厂家使用的 内容不可更改 断电不消失 用户存储器 分为用户程序存储区和工作数据存储区 由随机存取存储器 RAM 组成 用户 使用的 断电内容消失 常用高效的锂电池作为后备电源 寿命一般为 3 5 年 3 输入 输出接口 1 输入接口 光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成 发光二级管 在光电耦合器的输入端加上变化的电信号 发光二极管就产生与输入信号 变化规律相同的光信号 光电三级管 在光信号的照射下导通 导通程度与光信号的强弱有关 在光电耦合器的 线性工作区内 输出信号与输入信号有线性关系 输入接口电路工作过程 当开关合上 二极管发光 然后三极管在光的照射下导通 向内部 电路输入信号 当开关断开 二极管不发光 三极管不导通 向内部电路输入信号 也就是 通过输入接口电路把外部的开关信号转化成 PLC 内部所能接受的数字信号 2 输出接口 PLC 的继电器输出接口电路的工作过程 当内部电路输出数字信号 1 有电流流过 继电 器线圈有电流 然后常开触点闭合 提供负载导通的电流和电压 当内部电路输出数字信号 0 则没有电流流过 继电器线圈没有电流 然后常开触点断开 断开负载的电流或电压 也 就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作 3 还有特别用来输入 输出模拟电流信号和高速脉冲信号的特殊结构 例如 模数 数 模转换模块 高速计数模块等 4 编程器 无锡职业技术学院毕业设计说明书 15 编程器分为两种 一种是手持编程器 方便 我们实验室使用的就是手持编程器 二种 是通过 PLC 的 RS232 口 与计算机相连 然后敲击键盘 通过 NSTP GR 软件 或 WINDOWS 下 软件 向 PLC 内部输入程序 5 PLC 的基本工作原理与选型 PLC 采用 顺序扫描 不断循环 的工作方式 1 每次扫描过程 集中采集输入信号 集中对输出信号进行刷新 2 输入刷新过程 当输入端口关闭时 程序在进行执行阶段时 输入端有新状态 新 状态不能被读入 只有程序进行下一次扫描时 新状态才被读入 3 一个扫描周期分为输入采样 程序执行 输出刷新 4 元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的 5 扫描周期的长短由三条决定 CPU 执行指令的速度 指令本身占有的时间 指令 条数 现在的 PLC 扫描速度都是非常快的 6 由于采用集中采样 集中输出的方式 存在输入 输出滞后的现象 即输入 输出响 应延迟 考虑到输出高频的脉冲与方向信号 本系统运动控制器选用的是松下 FPO 型 PLC 基本 模块 C16CT 晶体管输出型 带两个高速脉冲输出通道 Y0 Y1 扩展模块型号为 E16RS 属于继电器输出型 因此系统总的输入 输出点数为 32 FP0 C16CT 模块 FP0 E16RS 模块的接线分别如图 2 11 2 12 所示 图 2 11 C16CT 模块的接线 无锡职业技术学院毕业设计说明书 16 图 2 12 E16RS 模块的接线 2 2 62 2 6 触摸屏触摸屏 1 触摸屏的安装图如下 图 2 13 触摸屏外形图 无锡职业技术学院毕业设计说明书 17 2 GT 系列的系统构成 使用 GT 系列时需要以下的设备 图 2 14 触摸屏与电脑连接图 表 2 3 GT 系列的品种 品名内容订货序号 RS232C 灰黑 色 AIGT0030B1GT01 本体可编程显 示器 RS232C 灰白 色 AIGT0030H1 画面传送电缆GTWIN 和 GT 间的数据传送 电缆 AFC8503 PLC 连接电源 1与 FP0 FP FP2 FP2SH FP M 的 TOOL 端口进行连接应用 微型 DIN5pin 散线 2m AIGT8142 PLC 连接电源 2与 FP10SH 的 COM 端口及 其 PLC COM 端口进行连接 应用 D SUB9bin 散线 2m AIP81842 前面保护片GT01 用前面保护片 更换用 10 枚装 AIGT080 无锡职业技术学院毕业设计说明书 18 3 根据不同状况显示 3 种颜色 图 2 15 触摸屏屏幕 图 2 16 触摸屏画面传递 4 电源的接线 1 进行电源的接线时 必须保证连接器端子部的连接牢固可靠 2 电源供给线使用双绞线 为了减小噪声的影响 电源线请进行加捻处理 绞线处理 3 采用有内置保护电路的绝缘型电源 无锡职业技术学院毕业设计说明书 19 为了防止来自电源线路异常电压的损害并保护设备 对于电源 请使用有内置保护电路 的绝缘型电源 GT 系列内置转换器中所使用的是非绝缘型 若使用没有内置保护电路的电源装置 则必须在利用保险丝等保护器件后 向 GT 系列 供电 4 电源电压在工作电压范围内 工作电压范围 4 5V DC 5 5V DC COM 端口的接线 附属通信连接器 适用电线 COM 端口用通信连接器 附属于本体 使用螺丝紧固型的端子座 电线请使用下列型号产 品 2 2 72 2 7 低压电器低压电器 本设计用到了一些低压电器比如一些接触器 继电器 开关电源模块 220V 24V 空气 开关 用接触器 KM 的主触头控制伺服驱动器的通断电 PLC 的输出信号控制电源模块是否给 继电器 KA 供电 进而控制接触器 KM 是否吸合 最终控制伺服驱动器能否得电 如图 2 17 图 2 17 PLC 继电器 接触器连接示意图 无锡职业技术学院毕业设计说明书 20 第三章第三章 伺服平台控制软件设计伺服平台控制软件设计 3 13 1 PLCPLC 输入输入 输出定义输出定义 根据伺服平台控制要求 本设计 PLC 输入 输出信号分配如表 3 1 内部继电器与触摸屏 操作界面用到的软元件如表 3 2 所示 表 3 1 PLC 输入 输出信号表 输入信号输入功能信号来源输出信号输出功能输出到 X0 X 轴回零到位接近开关 S2 Y0 X 轴脉冲伺服驱动器 CN1 X1 Y 轴回零到位接近开关 S5 Y1 Y 轴脉冲伺服驱动器 CN1 X2 伺服上电按钮盒 Y2 X 轴方向伺服驱动器 CN1 X3 伺服断电按钮盒 Y3 Y 轴方向伺服驱动器 CN1 X4 伺服使能按钮盒 Y4 Y6 未定义 X5 X 轴正向限位接近开关 S1 Y7 PLC 运行指 示 X6 X 轴负向限位接近开关 S3 X21 X 轴正向点动按钮盒 X22 X 轴负向点动按钮盒 Y21 伺服上电 继电器 接触 器 伺服驱动器 上电 X23 Y 轴正向点动按钮盒 X24 Y 轴负向点动按钮盒 X25 Y 轴负向限位接近开关 S6 X26 Y 轴正向限位接近开关 S4 Y20 Y22 Y27 未定义 表 3 2 PLC 内部继电器功能表 序号内部继电器功能序号内部继电器功能 1R0 X 轴回参考点 13R40 X 轴绝对定位值增加 2R1 X 轴正向点动 14R41 X 轴绝对定位值减少 3R2 X 轴负向点动 15R42 Y 轴绝对定位值增加 4R3 轴暂停 PAUSE 16R43 Y 轴绝对定位值减少 5R4 Y 轴回参考点 17RC X 轴绝对运动 6R5 Y 轴正向点动 18RD Y 轴绝对运动 7R6 Y 轴负向点动 19RE 未定义 8R7 急停 伺服断电 20RF 伺服上电 9R8 X 轴正向增量运动 21DT0 X 轴的当前值 10R9 X 轴负向增量运动 22DT2 Y 轴的当前值 11RA Y 轴正向增量运动 23DT4 X 轴绝对定位设定值 12RB Y 轴负向增量运动 24DT6 Y 轴绝对定位设定值 无锡职业技术学院毕业设计说明书 21 3 23 2 PLCPLC 控制程序设计控制程序设计 1 FPWin GR 软件的编程方法 图 3 1 符号梯形图编辑栏 输入区段栏 在通常情况下显示光标所在位置的指令或操作数 在在程序编辑状态下 显 示正在输入的指令或操作数 数字键栏 利用鼠标操作可输入 0 到 9 A 到 F 等数字 功能键栏 在输入程序时 利用鼠标点击或按功能键 选择所需指令或功能 图 3 2 梯形图模式下的功能键栏 2 梯形图程序 程序中包括回零 点动 增量控制 绝对运动 位置指示 以及超程与急停控制等功能 模块 1 通 断电程序 X2 X3 分别是伺服通 断电控制的输入信号 无锡职业技术学院毕业设计说明书 22 伺服通电控制 X2 接通 其常开触点闭合 R13 闭合并自锁 Y21 常开触头闭合 Y21 输 出控制 KA1 继电器 线圈通电 接着由 KA1 的常开触点控制 KM1 接触器 线圈通电 而 KM1 是伺服驱动器的主控接触器 因此 KM1 接通后伺服将上电 断电控制 X3 接通 其常闭触点断开 控制 R13 断开 自锁回路断开 伺服断电 PLC 程序如下 图 3 3 通 断电 PLC 梯形图程序 2 X 轴回参考点 程序中 H122 为控制码 赋予参数表存储的起始地址 DT200 位 2 表示脉冲宽度 0 占 空比 50 1 固定脉冲宽度 0 1 位组合表示 操作模式与方向信息输出 22 表示原 点返回 方向输出信号 OFF F168 梯形位置控制指令中 DT200 为参数表存储的起始地址 H0 n 0 指定用于输出脉 冲的输出通道 Yn n 0 或 1 本例中 n 0 因此输出通道为 Y0 即向轴 1 X 轴 输出脉 冲 其余参数的含义 DT201 初始速度 Hz DT202 最高速度 Hz DT203 加减 速时间 ms 图 3 4 X 轴回参考点梯形图程序 控制过程如下 首先由触摸屏发送指令控制 R0 接通 1 秒 其上升沿 DF 信号触发 R10 闭合并自锁 随后 R11 接通 1 个扫描周期 启动 F168 回参考点 回参考点完成后标志位 无锡职业技术学院毕业设计说明书 23 R903A 断开 其下降沿 DF 信号触发 R12 闭合并自锁 其常闭触点断开 故 R10 断开 经 0 5 秒延时后 R12 也断开 控制触点恢复定位前的状态 3 Y 轴回参考点 图 3 5 Y 轴回参考点梯形图程序 控制过程如下 首先由触摸屏发送指令控制 R4 接通 1 秒 其上升沿 DF 信号触发 R20 闭合并自锁 随后 R21 接通 1 个扫描周期 启动 F168 回参考点 回参考点完成后标志位 R903B 断开 其下降沿 DF 信号触发 R22 闭合并自锁 其常闭触点断开 故 R20 断开 经 0 5 秒延时后 R22 也断开 控制触点恢复定位前的状态 4 X 轴正向点动 程序中 H112 为控制码 赋予参数表存储的起始地址 DT10 位 2 表示脉冲宽度 0 固定 脉冲宽度 1 9 占空比 10 90 0 1 位组合表示 操作模式与方向信息输出 12 表示增计数 方向输出信号 OFF 其余参数含义 DT11 脉冲频率 Hz 图 3 6 X 轴正向点动 PLC 梯形图程序 控制过程如下 首先由触摸屏发送指令控制 R1 接通 随后接通 1 个扫描周期 启动 F169 PLS 点动运行控制 控制码为 H112 方向输出为 OFF X 轴正向点动 5 X 轴负向点动 无锡职业技术学院毕业设计说明书 24 程序中 H122 为控制码 位 2 表示脉冲宽度 0 固定脉冲宽度 1 9 占空比 10 90 0 1 位组合表示 操作模式与方向信息输出 22 表示减计数 方向输出信 号 ON 图 3 7 X 轴负向点动 PLC 梯形图程序 控制过程如下 首先由触摸屏发送指令控制 R2 接通 随后接通 1 个扫描周期 启动 F169 PLS 点动运行控制 控制码为 H122 方向输出为 ON X 轴负向点动 6 Y 轴正向点动 图 3 8 Y 轴正向点动 PLC 梯形图程序 控制过程如下 首先由触摸屏发送指令控制 R5 接通 随后接通 1 个扫描周期 启动 F169 PLS 点动运行控制 控制码为 H112 方向输出为 OFF Y 轴正向点动 7 Y 轴负向点动 图 3 9 Y 轴负向点动 PLC 梯形图程序 控制过程如下 首先由触摸屏发送指令控制 R6 接通 随后接通 1 个扫描周期 启动 F169 PLS 点动运行控制 控制码为 H122 方向输出为 ON Y 轴负向点动 8 X 轴正 负向增量运动 无锡职业技术学院毕业设计说明书 25 程序中 H102 为控制码 赋予参数表存储的起始地址 DT50 位 2 表示脉冲宽度 0 占 空比 50 1 固定脉冲宽度 0 1 位组合表示 操作模式与方向信息输出 02 表示增 量型 方向信号 OFF 时为正向运动 方向信号 ON 时为负向运动 其余参数含义 DT51 初始速度 Hz DT52 最高速度 Hz DT53 加减速时间 ms DT54 DT55 目标值高低位 脉冲数 DT56 固定指定 0 图 3 10 X 轴正向增量运动 PLC 梯形图程序 图 3 10 X 轴正向增量运动 PLC 梯形图程序 图 3 10 控制过程分析如下 首先由触摸屏发送指令控制 R8 接通 1 秒 其上升沿 DF 信号触发 R15 闭合并自锁 随后 R16 接通 1 个扫描周期 启动 F168 向 X 轴正向增量运动 50mm 5000 个单位量 运动完成后标志位 R903A 断开 其下降沿 DF 信号触发 R17 闭 合并自锁 其常闭触点断开 故 R15 断开 经 0 5 秒延时后 R17 也断开 控制触点恢复定位 前的状态 X 轴负向增量运动与正向增量运动控制原理相同 区别在于移动量为 50mm 5000 个单 位量 梯形图程序如图 3 11 无锡职业技术学院毕业设计说明书 26 图 3 11 X 轴负向增量运动 PLC 梯形图程序 9 Y 轴正向增量运动 Y 轴与 X 轴增量运动的区别在于控制标志位 R903B 不同 控制原理相同 10 X 轴绝对定位控制 程序中 H112 为控制码 位 2 表示脉冲宽度 0 占空比 50 1 固定脉冲宽度 0 1 位组合表示 操作模式与方向信息输出 12 表示绝对型 方向信号 OFF 时为正向运动 方向信号 ON 时为负向运动 DT91 DT96 参数含义与 X 轴正 负向增量运动 类似 此处省 略 图 3 12 X 轴绝对定位控制 PLC 梯形图程序 控制过程如下 首先由触摸屏发送指令控制 RC 接通 1 秒 其上升沿 DF 信号触发 R30 闭合并自锁 随后 R31 接通 1 个扫描周期 启动 F168 定位控制 定位完成后标志位 R903A 断 开 其下降沿 DF 信号触发 R32 闭合并自锁 其常闭触点断开 图 3 12 中第 1 行 故 R30 断开 经 1 秒延时后 R32 也断开 控制触点恢复定位前的状态 13 Y 轴绝对定位控制 控制过程如下 首先由触摸屏发送指令控制 RD 接通 1 秒 其上升沿 DF 信号触发 R34 闭合并自锁 随后 R35 接通 1 个扫描周期 启动 F168 定位控制 定位完成后标志位 R903B 断 无锡职业技术学院毕业设计说明书 27 开 其下降沿 DF 信号触发 R36 闭合并自锁 其常闭触点断开 图 3 13 故 R34 断开 经 1 秒延时后 R36 也断开 控制触点恢复定位前的状态 图 3 13 Y 轴绝对定位控制 PLC 梯形图程序 无锡职业技术学院毕业设计说明书 28 3 33 3 触摸屏控制界面设计触摸屏控制界面设计 图 3 14 触摸屏控制界面 1 以创建 按钮 SW1 为例 如图 3 14 将 Part type 切换到 Switch 然后 将按钮 Switch Parts No 0 拖动到触摸屏 0 号 中即 修改 按钮 属性仅需双击按 钮即出现如图 3 14 右下角所示窗口 接着根据 PLC 程序 确定按钮所对应的元件号 如 RF 这样就完成了按钮设定 2 按钮 指示灯元件与 PLC 内部元件 R 及输出元件 Y 的关系如下 按下 SVON 启动 输入为 RF 内部元件 输出为 Y7 指示灯 按下 XRTN 输入为 R0 输出为 X0 按下 YRTN 输入为 R4 输出为 Y1 指示灯 按下 ESTP 断电 输入为 R7 输出为 Y21 指示灯 按下 Y JG Y 轴正方向点动 输入为 R5 按下 Y JG Y 轴负方向点动 输入为 R6 无锡职业技术学院毕业设计说明书 29 按下 X JG X 轴正方向点动 输入为 R1 按下 X JG X 轴负方向点动 输入为 R2 按下 Y IC Y 轴正方向增量移动 输入为 RA 按下 Y IC Y 轴负方向增量移动 输入为 RB 按下 X IC X 轴正方向增量移动 输入为 R8 按下 X IC X 轴负方向增量移动 输入为 R9 按下 X X 轴绝对定位增加设定 输入为 R40 按下 XADS 开始执行 输入为 RC 按下 X X 轴绝对定位减少设定 输入为 R41 按下 XADS 开始执行 输入为 RC 按下 Y Y 轴绝对定位增加设定 输入为 R42 按下 YADS 开始执行 输入为 RD 按下 Y Y 轴绝对定位减少设定 输入为 R43 按下 YADS 开始执行 输入为 RD 3 43 4 伺服驱动器参数设置伺服驱动器参数设置 1 需要设定以下参数 其余参数取缺省值 No 1 命令脉冲补偿 No 2 命令脉冲补偿 No 3 输入脉冲串形式 0 命令脉冲 命令符号 1 正转脉冲 反转脉冲 2 90 度相位差 两路脉冲 参数设为 0 其余参数取缺省值 2 利用键选择参数数编辑模式 利用 键选择参数编号 无锡职业技术学院毕业设计说明书 30 图 3 15 伺服驱动器参数 3 利用电脑编程器编辑的方法 无锡职业技术学院毕业设计说明书 31 图 3 16 电脑编程器编辑 4 命令脉冲补偿 的计算 在设计的平台丝杠中 已知丝杠的螺距为 5mm 伺服编码器 131072 脉冲 转 最小设定 单位 0 01mm 伺服电机旋转 1 周移动一个螺距 5mm 设置命令脉冲补偿为 30933 和 118 这两 个参数分别为输到伺服驱动器的 1 号 2 号参数值 两种参数设定方法说明如下 1 方法一 计算法 只需将参数代入计算即可 其中 伺服电机旋转 1 周时的机械系统移动量为 5 mm 单 位量为 0 01 mm 计算并经约分后得到 30933 118 无锡职业技术学院毕业设计说明书 32 2 方法二 软件设定法 上位机上运行富士伺服参数设定软件 PC LOADER for FALDIC W 出现如图 3 17 所 示界面 设定完成后单击 OK 1 号 2 号 参数将自动设定 图 3 17 软件设定法 无锡职业技术学院毕业设计说明书 33 第四章第四章 系统运行操作系统运行操作 4 14 1 伺服通伺服通 断电控制断电控制 1 伺服通 断电控制原理 伺服通 断电梯形图程序如图 3 4 所示 伺服通电控制原理 由触摸屏发送指令控制 RF 接通 随后 R13 闭合并自锁 Y21 常开触 头闭合 Y21 输出控制 KA1 继电器 线圈通电 接着由 KA1 的常开触点控制 KM1 接触器 线圈通电 而 KM1 是伺服驱动器的主控接触器 因此 KM1 接通后伺服将上电 伺服断电控制原理 触摸屏发送指令控制 R7 断开 R13 断开 自锁回路断开 伺服断电 2 触摸屏界面 图 4 1 中 SVON SW7 ESTP SW3 为 按钮 元件 与 PLC 关联的地址分别为 RF R7 PWON LP3 SVON LP0 为 指示灯 元件 与 PLC 关联的地址分别为 Y7 Y21 图 4 1 通 断电触摸屏界面 0 号屏 4 24 2 回参考点控制回参考点控制 图 4 1 中 XRTN SW0 YRTN SW4 分别为 X Y 轴回参考点操作的 按钮 元件 与 PLC 对应的内部继电器地址为 R0 R4 XRPT LP1 YRPT LP2 分别为 X Y 轴参考点位 置 指示灯 元件 对应的 PLC 输入地址为 X0 X1 4 34 3 点动与增量控制点动与增量控制 图 4 2 中 X JG SW0 Y JG SW2 分别为 X Y 轴正向点动操作 按钮 元件 与 PLC 对应的内部继电器地址为 R1 R5 X JG SW1 Y JG SW3 分别为 X Y 轴负向点动操作 按钮 元件 与 PLC 对应的内部继电器地址为 R2 R6 图 4 2 中 X IC SW5 Y IC SW7 分别为 X Y 轴正向增量运动操作 按钮 元件 与 PLC 对应的内部继电器地址为 R8 RA X IC SW4 Y IC SW6 分别为 X Y 轴负向增量 运动操作 按钮 元件 与 PLC 对应的内部继电器地址为 R9 RB 无锡职业技术学院毕业设计说明书 34 图 4 2 点动与增量控制触摸屏界面 1 号屏 4 44 4 绝对值定位控制绝对值定位控制 图 4 3 中 X SW3 X SW2 分别为 X 轴绝对定位值增减设定 按钮 元件 与 PLC 对应的内部继电器地址为 R40 R41 Y SW5 Y SW4 分别为 Y 轴绝对定位值增减设定 按钮 元件 PLC 对应的内部继电器地址为 R42 R