直线滑台的交流伺服电机PLC控制及人机界面设计毕业设计

直线滑台的交流伺服电机PLC控制及人机界面设计 直线滑台的交流伺服电机PLC控制及人机界面设计PLC Control and Human-Computer Interface Design of Linear Slide Platform of AC Servo Motor 摘要在现代化生产中，直线滑台的应用非常广泛。在数控机床和高精度位置控制中，交流伺服电机驱动的直线滑台能够按照给定的控制任务，准确地实现速度和位置控制。本课题提出“直线滑台的交流伺服电机PLC控制及人机界面设计”采用交流伺服电机作为驱动元件，PLC作为主要控制手段，能实现直线滑台的多种速度下运转和准确的位置定位。采用液晶触摸屏作为该控制系统的显示及操作装置。能够根据实际情况调节交流伺服电机的运转参数（调速、启动、停止），适应多位置定位和多速变速的切换功能。通过本次毕业设计，掌握机电传动控制的分析方法和设计方法，结合PLC、交流伺服电机的控制技术及触摸屏技术的专业知识，能够独立完成该电气控制系统的设计。关键词：直线滑台 交流伺服电机 PLC控制 人机界面设计Abstract In modern production, linear slide sets of very extensive. In the numerical control machine tool and high precision position control, ac servo motor drive straight slippery sets according to the given control to task, accurate speed and position control. This topic proposed linear slide platform of ac servo motor PLC control and human-computer interface design adopting ac servo motor as driving element as the main means of control, PLC can realize linear slide platform of multiple speed running under and accurate positioning. Adopt LCD touch screen as the control system of the display and operating equipment. According to actual situation to adjust ac servo motor operation parameters (speed regulation, start and stop), suitable for positioning and switch function more variable speed. Through the graduation design, grasps the electromechanical transmission control methods of analysis and design method, combining PLC, ac servo motor control technology and touch-screen technology professional knowledge, which can independently the electrical control system design.Key words: Linear slide sets Ac servo motor PLC control Human-computer interface design目录摘要Abstract绪论11 PLC的概述21.1 PLC的定义21.2 PLC的组成31.3 PLC的工作原理41.4 常用PLC介绍52 交流伺服电机概述82.1 交流伺服电机的基本常识82.2 交流伺服电机及其调速分类和特点82.3 步进电机和交流伺服电机性能比较112.4 交流伺服电机在包装机械上的应用133 直线滑台交流伺服电机PLC控制原理153.1概述153.2 PLC控制的数控滑台结构153.3 行程控制163.4 进给速度控制173.5 进给方向控制173.6 PLC的软件逻辑控制173.7 伺服控制、驱动及接口184 PLC控制系统设计204.1 系统程序设计语言选择及其特点 204.2 系统的软件设计204.3 伺服电机及驱动器 224.4 程序的安装与调试234.5 人机界面 24结论25致谢26参考文献27绪论 在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机,可使控制速度,位置精度非常准确。将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。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。交流伺服电机较好，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波，直流伺服比较简单，便宜。本文首先介绍了可编程控制器的有关知识，包括它的定义、组成、工作原理等，为后面自动送料装车控制系统的设计打下理论基础。第二章是本文的核心部分，首先分析了直线滑台的工作流程，然后根据设计要求，选择合适的PLC模块，给出合理的输入/输出分配表，并设计PLC外部接线图。最后设计相应的梯形图，并进行程序调试和模拟运行。本课题的研究对自动化工业生产具有重大意义。1 PLC的概述1.1 PLC的定义PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（NationalElectricalManufactoryAssociation）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC（ProgrammableController），并给PC作了如下定义。PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能着，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。以后国际电工委员会(IEC)又先后颁布了PLC标准的草案第一稿，第二稿，并在1987年2月通过了对它的定义。可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。1.2 PLC的组成PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，PLC可编程控制器主要由CPU模块、存储器、输入模块/输出模块、电源、编程器和外部设备接口组成。(1)CPU模块CPU模块又叫中央处理单元或控制器，中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。它主要由微处理器（CPU）和存储器组成。它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如编程器、电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 (2)存储器PLC的存储器用来存放程序和数据。程序分系统程序和用户程序。系统程序是PLC研制者所编的程序，它是决定PLC性能的关键。用户程序是用户为解决实际问题并根据PLC的指令系统而编制的程序，它通过编程器输入，经CPU存放入用户程序存储器。(3)I/O模块I/O模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号。输入信号有两类：一类是从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；另一类是由电位器、热电偶、测速发电机、各种变送器提供的连续变化的模拟输入信号。可编程序控制器通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器， 可编程序控制器控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。一些可编程控制器还具有模拟输出接口，用于需要模拟信号驱动的负载。(4)电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。PLC可编程序控制器一般使用220V交流电源。可编程序控制器内部的直流稳压电源为各模块内的元件提供直流电压。(5)编程器编程器是PLC的外部编程设备，它是开发、维护PLC控制系统的必备设备。用户可通过编程器输入、检查、修改、调试程序或监示PLC的工作情况。也可以通过专用的编程电缆线将PLC与电脑联接起来，并利用编程软件进行电脑编程和监控。编程器是专用的，不同型号的PLC都有自己专用的编程器，不能通过。PLC正常工作时，不一定需要编程器。因此，多台同型号的PLC可以只配一个编程器。(6)外部设备接口 此接口可将编程器、打印机、条码扫描仪,变频器等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。1.3PLC的工作原理 作为电器控制装置，可编程控制器必须接入电路，与主令器件、传感器件及执行器件共同构成系统才能承担控制任务。可编程控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。在运行状态，可编程序控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机或切换到STOP工作状态。除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可编程序控制器还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段（如图1-1所示）在内部处理阶段，可编程序控制器检查CPU，模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。在通信服务阶段，可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。 图1-1 PLC内部循环图在输入处理阶段，可编程序控制器把所有外部输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态读入输入映像寄存器。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。在输出处理阶段，CPU将输出映像寄存器的通/断状态传送到输出锁存器。1.4 常用PLC介绍 西门子S7-200系列可编程控制器介绍：SIMATIC S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合的检测、监测及控制的自动化。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S7-200系列产品具有极高的性能/价格比。在以下几方面均有出色的表现：极高的可靠性；极丰富的指令集；易于掌握；便捷的操作；丰富的内置集成功能；实时特性；强劲的通讯能力；丰富的扩展模块。 S7-200系列PLC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。S7-200产品凭借其先进性、成熟性和广泛的适用性在自动化产品中受到广泛的重视，相信此次发布的新产品一定能够满足部分用户的需求，同时在自动化领域中获得更广泛的应用。 OMRON C200H 可编程控制器介绍：先进的、小型化的可编程序控制器.OMRON的可编程序控制器更加小型化。SYSMAC CPM1A的大小仅相当于一个PC卡(对于10点的机型来说)，从而使安装体积大幅度减小，同时也进一步节省了控制柜的空间。它不仅具备了以往小型PLC所具备的功能，而且还可连接可编程序终端，为生产现场创造了新的环境。可连接可编程终端，选用通讯适配器以相应的上位Link或高速NT Link与PT之间进行高速通讯。有10点至40点多种CPU单元。CPU单元与扩展I/O并用，可完成10点到100点的输入输出要求。并有AC和DC两种电源型号可选择。 汇集了各种先进的功能，如高速响应功能、高速计数功能、中断功能，还备有2个模拟量设定。 充足的程序容量，具有2048字的用户程序存储器和1024字的数据存储器。 编程环境与CQM1及SYSMAC A等机种相同。由于原有SYSMAC支持软件及编程器都可继续使用，故而系统的扩展及维护都可简单进行8。 松下可编程控制器介绍:包括FPO，FP1，FP2，FP3，FPe，FP-X等系列。 FP-X特点：超高速处理，浮点数PID运算只有32s，基本指令只需0.32s， 可快速扫描充裕的程序容量达到32K步，注释区域也可以保证；I/O最多300点；通过8位密码和禁止上传功能，有效保护程序：配备USB端口，可与计算机实现简单连接。FPe（晶体管输出，继电器输出）特点：面板式安装型控制器，电源电压24VDC， 程序容量2.7K步，运算速度0.9s。 FP2、FP3、FP10sh系列（输出类型同上）：最多可控制2048点（使用远程I/O），程序容量大16K，30K步，可扩展到120K步，CUP运行世界最快（1ms/20步，快速起运0.1ms以下）。 FPO系列（输出同上）：世界产品体积最小，扫描周期1ms，选择点从10到128点。各种常用PLC详述请参阅由于庆广编著清华大学出版社出版的可编程控制器原理及系统设计。 三菱FX系列可编程控制器介绍： FX系列可编程控制器是当今国内外最新，最具特色、最具代表性的微型PLC。特与日本三菱电机公司研发的。在FX中，除基本的指令表编程方式外，还可以采用梯形土编程及对应机械动作流程进行顺序设计的SFC顺序功能图编程，而且这些程序可互相转换。在FX系列PLC中设置了高数计数器，对来自特定的输入继电器的高频脉冲进行中断处理，扩大了PLC的应用领域。其FX2N PLC还可以采用作为扩展设备的硬件计数器，可获取最高50kHz的高速脉冲。 FX系列PLC基于“基本功能、高速处理、便于使用”的研发理念，使其具有数据传送与比较，四则运算与逻辑运算、数据循环与移动等应用指令系统。除此之外，还具有输入输出刷新、中断、高速计数器比较指令、高速脉冲输出等告诉处理指令，以及在SFS控制方面，将机械控制的标准动作封装化的状态初始化指令等，使功能大大增加。 FX系列PLC在特殊控制方面不但具备模拟量的输入输出控制，而且具有定位控制及PID系统控制。在通信方面，能够方便地与PC计算机链接实现数据交换与管理10。2 交流伺服电机概述2.1交流伺服电机的基本常识交流伺服电动机的结构主要可分为两部分，即定子部分和转子部分。其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相同，在定子铁心中也安放着空间互成90度电角度的两相绕组。其中一组为激磁绕组，另一组为控制绕组，交流伺服电动机一种两相的交流电动机。 交流伺服电动机使用时，激磁绕组两端施加恒定的激磁电压Uf，控制绕组两端施加控制电压Uk。当定子绕组加上电压后，伺服电动机很快就会转动起来。 通入励磁绕组及控制绕组的电流在电机内产生一个旋转磁场，旋转磁场的转向决定了电机的转向，当任意一个绕组上所加的电压反相时，旋转磁场的方向就发生改变，电机的方向也发生改变。 为了在电机内形成一个圆形旋转磁场，要求激磁电压Uj和控制电压UK之间应有90度的相位差，常用的方法有： （1）利用三相电源的相电压和线电压构成90度的移相；（2）利用三相电源的任意线电压； （3）采用移相网络；（4）在激磁相中串联电容器。2.2 交流伺服电机及其调速分类和特点长期以来，在要求调速性能较高的场合，一直占据主导地位的是应用直流电动机的调速系统。但直流电动机都存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需经常维护。换向器换向时会产生火花，使电动机的最高速度受到限制，也使应用环境受到限制，而且直流电动机结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造成本高。而交流电动机，特别是鼠笼式感应电动机没有上述缺点，且转子惯量较直流电机小，使得动态响应更好。在同样体积下，交流电动机输出功率可比直流电动机提高1070，此外，交流电动机的容量可比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。现代数控机床都倾向采用交流伺服驱动，交流伺服驱动已有取代直流伺服驱动之势。 图2-1 台达ECMA系列交流伺服电机（1）异步型交流伺服电动机异步型交流伺服电动机指的是交流感应电动机。它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式，通常多用鼠笼式三相感应电动机。其结构简单，与同容量的直流电动机相比，质量轻1/2，价格仅为直流电动机的1/3。缺点是不能经济地实现范围很广的平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流。因而令电网功率因数变坏。 这种鼠笼转子的异步型交流伺服电动机简称为异步型交流伺服电动机，用IM表示。（2）同步型交流伺服电动机同步型交流伺服电动机虽较感应电动机复杂，但比直流电动机简单。它的定子与感应电动机一样，都在定子上装有对称三相绕组。而转子却不同，按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。其中磁滞式和反应式同步电动机存在效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点。数控机床中多用永磁式同步电动机。与电磁式相比，永磁式优点是结构简单、运行可靠、效率较高；缺点是体积大、启动特性欠佳。但永磁式同步电动机采用高剩磁感应，高矫顽力的稀土类磁铁后，可比直流电动外形尺寸约小1/2，质量减轻60，转子惯量减到直流电动机的1/5。它与异步电动机相比，由于采用了永磁铁励磁，消除了励磁损耗及有关的杂散损耗，所以效率高。又因为没有电磁式同步电动机所需的集电环和电刷等，其机械可靠性与感应（异步）电动机相同，而功率因数却大大高于异步电动机，从而使永磁同步电动机的体积比异步电动机小些。这是因为在低速时，感应（异步）电动机由于功率因数低，输出同样的有功功率时，它的视在功率却要大得多，而电动机主要尺寸是据视在功率而定的。 （3）交流伺服电机的优良性能控制精度高 步进电机的步距角一般为18。(两相)或072。(五相)，而交流伺服电机的精度取决于电机编码器的精度。以伺服电机为例，其编码器为l6位，驱动器每接收2 =65 536个脉冲，电机转一圈，其脉冲当量为360/65 536=0，0055 ；并实现了位置的闭环控制从根本上克服了步进电机的失步问题。矩频特性好 步进电机的输出力矩随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其工作转速一般在每分钟几十转到几百转。而交流伺服电机在其额定转速(一般为2000r/min或3000r/rain)以内为恒转矩输出，在额定转速以E为恒功率输出。 具有过载能力 以松下交流伺服电机为例，有较好的过载能力。加速性能好 步进电机空载时从静止加速到每分钟几百转，需要200400ms：交流伺服电机的加速性能较好。2.3 步进电机和交流伺服电机性能比较步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。（1）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；德国百格拉公司（BERGER LAHR）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1.8、0.9、0.72、0.36、0.18、0.09、0.072、0.036，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角（如果采用步进电机细分驱动器，还可以将其细分至更小，比如1.8度/512细分=0.度）。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，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360/10000=0.036。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360/=9.89秒。是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1/655。 （2）低频特性不同步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。 （3）矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在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。 （4）过载能力不同步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，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。 （5）运行性能不同步进电机的控制为开环控制，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。交流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。 （6）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。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，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。 综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。 2.4 交流伺服电机在包装机械上的应用（1）在物料计量方面的应用粉状物料的计量，常用螺杆计量的方式通过螺杆旋转的圈数的多少来达到计量的目的。为了提高计量的精度，要求螺杆的转速可调、位置定位准确，如果用交流伺服电机来驱动螺杆，利用交流伺服电机控制精度高、矩频特性好的优点可以达到快速精确计量同样对粘稠体物料的计量，可以采用交流伺服电机来驱动齿轮泵，通过齿轮泵的一对齿轮的啮台来进行计量。 （2）在横封装置的应用在制袋式自动包装机械中，横封装置是一个重要的机构，它不仅要求定位准确，还要求横向封台时横封轮的线速度与薄膜供送的速度相等，而且在横封轮对滚后，横封轮的转速应增大，即以较快的速度相分离。 传统的方法是通过偏心轮或曲柄导杆机构等机械的方式来实现的，这样不仅机构复杂、可靠性低，且调整十分麻烦。如果用交流伺服电机来驱动横封轮，可以利用交流伺服电机优良的运动性能，通过交流伺服电机的非恒速运动来满足横向封口的要求，提高工作质量和效率。 （3）在供送物料方面的应用包装机械供送物料的工作方式有间歇式和连续式两类。 在间歇式供送物料方式中，如在间歇式制袋包装机上，以前，包装膜的供送多采用曲柄连杆机构间歇拉带的方式，不仅结构复杂，调整也困难。如果用交流伺服电机驱动拉带轮，可以在控制器中事先设定交流伺服电机每次运行的距离、运行的时间和停顿的时间，利用交流伺服电机的优良加速和定位性能，达到准确控制供送薄膜的长度的目的。尤其是在具有色标纠偏装置的控制系统中，通过色标检测开关检测到的偏差信号，经控制器输送到交流伺服电机，交流伺服电机优良的加速性能和控制精度，可以使偏差得到快速准确的纠正。 在连续式供送物料方式中，交流伺服电机的优良加速性能及其过载能力，可以保证连续匀速的供送物料。3 直线滑台交流伺服电机PLC控制原理3.1概述在组合机床自动线中，一般根据不同的加工精度要求设置三种滑台：液压滑台，用于切削量大，加工精度要求较低的粗加工工序中；机械滑台，用于切削量中等，具有一定加工精度要求的半精加工工序中；数控滑台，用于切削量小，加工精度要求很高的精加工工序中。可编程控制器（简称PLC）以其通用性强、可靠性高、编程简便易学、现场接口安装方便等优点，被广泛应用于工业自动控制中。特别是在组合机床自动生产线的控制及CNC机床的S、T、M功能控制中更显示出其卓越的性能。PLC控制的伺服电机开环伺服机构应用于组合机床自动生产线上的数控滑台控制，这样可以降低控制系统成本，特别是大型自动线中可以使控制系统的成本显著下降。3.2 PLC控制的数控滑台结构系统构成如图1所示，控制部分采用PLC，并配以人机界面进行程序参数修改、设定，以及运行状态显示监控，可编程设置人机界面的内容。图3-1 伺服电机的控制系统结构图三轴均为全数字交流伺服系统，各轴伺服电机通过连轴器带动滚珠丝杠，以移动配有直线导轨的工作台和主轴铣头，其定位准确，速度快。主轴铣头由变频器控制，根据刀具及工件和进给量，来设置主轴合理的转速，并在程序中设定它的启动停止。各轴均设二端极限传感器和原点传感器，冷却和润滑也都有异常检测，在报警灯和人机界面处显示报警信息。为便于调试和检修，各项操作均设手动功能，如手动各轴快慢移动、主轴高低速旋转、切削液及润滑开关等。此机床整体虽为半闭环控制，只要选件、装配、程序编制及操作合理，精度和稳定性还是能满足使用要求的。3.3 行程控制一般液压滑台和机械滑台的行程控制是利用位置或压力传感器（行程开关/挡铁）来实现；而数控滑台的行程则采用数字控制来实现。由数控滑台的结构可知，滑台的行程正比于伺服电机的总转角，因此只要控制步进电机的总转角即可。由步进电机的工作原理和特性可知步进电机的总转角正比于所输入的控制脉冲数量；因此可以根据伺服机构的位移量确定PLC输出的脉冲数量： n= DL/d 公式3-1公式3-1中：DL伺服机构的位移量（mm），d 伺服机构的脉冲当量（mm/脉冲）3.4 进给速度控制伺服机构的进给速度取决于电机的转速，而电机的转速取决于输入的脉冲频率；因此可以根据该工序要求的进给速度,确定其PLC输出的脉冲频率： f=V /60d (Hz) 公式3-2公式3-2中：V 伺服机构的进给速度(mm/min)3.5 进给方向控制进给方向控制即伺服电机的转向控制。伺服电机的转向可以通过改变伺服电机各绕组的通电顺序来改变其转向；如三相伺服电机通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A时伺服电机正转；当绕组按A-AC-C-CB-B-BA-A顺序通电时步进电机反转。因此可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出顺序来实现，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变伺服电机绕组的通电顺序实现。3.6 PLC的软件逻辑控制由滑台的PLC控制方法可知，应使伺服电机的输入脉冲总数和脉冲频率受到相应的控制。因此在控制软件上设置一个脉冲总数和脉冲频率可控的脉冲信号发生器；对于频率较低的控制脉冲，可以利用PLC中的定时器构成，如图2所示：图3-2 利用PLC中的定时器构成的频率较低的控制脉冲脉冲频率可以通过定时器的定时常数控制脉冲周期，脉冲总数控制则可以设置一脉冲计数器C10。当脉冲数达到设定值时，计数器C10动作切断脉冲发生器回路，使其停止工作。伺服机构的步进电机无脉冲输入时便停止运转，伺服执行机构定位。当伺服执行机构的位移速度要求较高时，可以用PLC中的高速脉冲发生器。PLC其高速脉冲的频率可达40006000Hz。对于自动线上的一般伺服机构，其速度可以充分满足。3.7 伺服控制、驱动及接口（1）伺服电机控制系统的组成伺服电机的控制系统由可编程控制器、环行脉冲分配器和步进电机功率驱动器组成，其结构参见图1所示。控制系统中PLC用来产生控制脉冲，通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制伺服电机的转角进而控制伺服机构的进给量，同时通过编程控制脉冲频率衽控制伺服机构的进给速度；环行脉冲分配器将可编程控制器输出的控制脉冲按伺服电机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC控制的伺服电机可以采用软件环行分配器，也可以采用如图1所示的硬件环行分配器。采用软件环环分配器占用的PLC资源较多，特别是伺服电机绕组相数M4时，对于大型生产线应该予以充分考虑。采用硬件环行分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省占用PLC的I/O口点数，目前市场有多种专用芯片可以选用。一般PLC的输出接口具有一定的驱动能力，而通常的晶体管直流输出接口的负载能力仅为十几几十伏特、几十几百毫安。但对于功率伺服电机则要求几十上百伏特、几安十几安的驱动能力，因此应该采用驱动器对输出脉冲进行放大。（2）可编程控制器的接口如伺服机构采用硬件环行分配器，则占用PLC的I/O口点数少于5点，一般仅为3点。其中I口占用一点，作为启动控制信号；O口占用2点，一点作为PLC的脉冲输出接口，接至伺服系统硬环的时钟脉冲输入端，另一点作为伺服电机转向控制信号，接至硬环的相序分配控制端。伺服系统采用软件环行分配器时，I口和O口分别多占用一个点，其接口如图3所示：伺服系统硬环的相序分配控制端 伺服系统软件环行分配控制端图3-3 可编程控制器的接口4 PLC控制系统设计4.1 系统程序设计语言选择及其特点梯形图或指令表方式编程对于一些复杂的控制过程，尤其是顺序控制过程，由于其内部的连锁互动关系及其复杂，在程序的编制修改和可读性等方面都存在许多缺陷。所以我选择了顺序功能图语言。顺序功能图语言主要由步、有向连线、转换、转换条件（或命令）组成。是直接描述控制系统的控制过程、功能和特性形，是设计PLC顺序控制程序的一种有力工具。4.2 系统的软件设计根据控制系统的要求，系统软件流程图如图4-1所示：主要包括主程序，子程序。主程序完成的主要功能有：在通电开始，先将输出口初始化置零，设定电机的转向，调用子程序完成伺服电机的前进和后退控制，电机的启动和停止控制。子程序主要完成高速脉冲串输出的参数及网络表的设置。图4-1工件的加工流程图如图4-2所示：图4-2电机采用自动升降的方式，即电机先在低频下启动，然后逐渐升至运行频率。当电机停止时，先将脉冲信号的频率降至启动频率以下，在停止输出脉冲。电机才能不失步地停止。电机在小于极限启动频率下正常启动后，控制脉冲在缓慢升高即可正常运行。电机脉冲特性如图4-3：图4-34.3 伺服电机及驱动器伺服电机是该系统的执行机构，它的精度影响整个系统的控制精度。选用电机时应满足系统的功能要求。同时根据电机参数计算所选PLC的脉冲输出频率是否满足步进电机的要求。控制系统中PLC用来产生控制脉冲;通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制电机的转角进而控制伺服机构的进给量;同时通过编程控制脉冲频率既伺服机构的进给速度;环行脉冲分配器将可编程控制器输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。采用硬件环行分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省占用PLC的I/O口点数，目前市场有多种专用芯片可以选用。步进电机功率驱动器将PLC输出的控制脉冲放大到几十上百伏特、几安十几安的驱动能力。一般PLC的输出接口具有一定的驱动能力，而通常的晶体管直流输出接口的负载能力仅为十几几十伏特、几十几百毫安。但对于功率步进电机则要求几十上百伏特、几安十几安的驱动能力，因此应该采用驱动器对输出脉冲进行放大。进给方向控制即步进电机的转向控制。伺服电机的转向可以通过改变步步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向;如三相步进电机通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A时步进电机正转;当绕组按A-AC-C-CB-B-BA-A顺序通电时步进电机反转。因此可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出顺序来实现，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现。由伺服电机的工作原理和特性可知步进电机的总转角正比于所输入的控制脉冲个数;因此可以根据伺服机构的位移量确定PLC输出的脉冲个数： 公式4-1公式4-1中：Dl伺服机构的位移量（mm）;d伺服机构的脉冲当量（mm/脉冲）伺服机构的进给速度取决于步进电机的转速，而步进电机的转速取决于输入的脉冲频率;因此可以根据该工序要求的进给速度,确定其PLC输出的脉冲频率: 公式4-2公式4-2中：Vf伺服机构的进给速度（mm/min）4.4 程序的安装与调试PLC程序现场调试指在工业现场，所有设备都安装好后，所有连接线都接好后的实际调试，也是PLC程序的最后调试。现场调试的目的是，调试通过后，可交给用户使用，或试运行。现场调试参与的人员较多，要组织好，要有调试大纲。依大纲，按部就班地一步步推进。开始调试时，设备可先不运转，甚至了不要带电。选择好PLC的类型，根据PLC外部电气原理图，将PLC与实验板正确接线，经检验无误后，接通PLC电源，点击下载，将编译正确的程序下载至PLC上(程序要确保编译无错误，否则无法下载)，打开监控，以便观察程序运行中各触点的开合情况，方便检查程序错误，最后将PLC置于运行模式，运行程序，开始操作。若操作成功后，先把PLC置于停止状态，关闭监控，再拔PLC电源。可随着调试的进展逐步加电、开机、加载，直到按额定条件运转。具体过程大体是: (1)要查接线、核对地址。要逐点进行，要确保正确无误。可不带电核对，那就是查线，较麻烦。也可带电查，加上信号后，看电控系统的动作情况是否符合设计的目的。(2)检查模拟量输入输出。看输入输出模块是否正确，工作是否正常。必要时，还可用标准仪器检查输入输出的精度。(3)检查与测试指示灯。控制面板上如有指示灯，应先对应指示灯的显示进行检查。一方面，查看灯坏了没有，另一方面检查逻辑关系是否正确。指示灯是反映系统工作的一面镜子，先调好它，将对进一步调试提供方便。(4)检查手动动作及手动控制逻辑关系。完成了以上调试，继而可进行手动动作及手动控制逻辑关系调试。要查看各个手动控制的输出点，是否有相应的输出以及与输出对应的动作，然后再看，各个手动控制是否能够实现。如有问题，立即解决。(5)半自动工作。如系统可自动工作，那先调半自动工作能否实现。调试时可一步步推进。直至完成整个控制周期。哪个步骤或环节出现问题，就着手解决哪个步骤或环节的问题。(6)自动工作。在完成半自动调试后，可进一步调试自动工作。要多观察几个工作循环，以确保系统能正确无误地连续工作。(7)模拟量调试、参数确定。以上调试的都是逻辑控制的项目。这是系统调试时，首先要调通的。这些调试基本完成后，可着手调试模拟量、脉冲量控制。最主要的是选定合适控制参数。一般讲，这个过程是比较长的。要耐心调，参数也要作多种选择，再从中选出最优者。有的PLC，它的PID参数可通过自整定获得。但这个自整定过程，也是需要相当的时间才能完成的。(8)异常条件检查,完成上述所有调试，整个调试基本也就完成了。但是好再进行一些异常条件检查。看看出现异常情况或一些难以避免的非法操作，是否会停机保护或是报警提示。完成上述的工作后，将PLC安装在控制现场进行联机总调试，在调试过程中将暴露出系统中可能存在的传感