基于PLC的两轴进给控制系统设计

1、中北大学课 程 设 计 说 明 书学生姓名： 杜宝林 学 号： 0902014128 学 院： 机械工程与自动化学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 题 目： 数控技术课程设计 基于PLC的两轴联动进给控制系统设计指导教师： 马维金 职称: 教授 张吉堂 职称: 教授 2012年12月28日中北大学课程设计任务书 2012/2013 学年第 1 学期学 院： 机械工程与自动化学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 杜宝林 学 号：0902014128 题 目： 数控技术课程设计 基于PLC的两轴联动进给控制系统设计 起 迄 日 期： 12 月22日12月28日 课程设计地点

2、： 教学二号楼 指 导 教 师： 马维金 教授 系 主 任： 王 彪 下达任务书日期: 2012年12月21日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：通过本课程设计的训练，使学生在学完机床数控技术及相应的机床电器及PLC等课程之后，能够运用所学的知识独立完成数控车、数控铣和加工中心的进给系统的自动控制系统设计，从而使学生进一步加深和巩固对所学知识的理解和掌握，并提高学生的实际操作能力。1运用所学的理论知识，进行数控系统设计的初步训练，培养学生的综合设计能力； 2掌握交流进给伺服驱动的原理和控制方法；3掌握PLC控制系统设计的基本技能，具备查阅和运用标准、手册、图册等有关技术资料的能力；4基本掌握

3、编写技术文件的能力。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：参考课程设计指导书1，对于数控铣床，设计纵向进给驱动系统，由交流伺服电机实现，完成其选型计算，要求两轴联动，实现插补运算，并设计其启动停止、正反转、加减速和位置控制系统，数控系统的脉冲当量为0.01mm/脉冲。3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：3.1. 设计任务1.进给交流伺服电机3kw两台选型；2.PLC采用三菱FX系列，设计控制程序3.2设计工作量要求：1.电路接线图和电器件清单；2.控制程序T形图及其对应的程序清单；3.编写课程设计说明书一份。（A4不少于10页）

4、 3.3 三个同学分为一组，同学们之间可以互相讨论研究工作内容和设计方法，但每位同学的设计任务必须各有侧重独立完成，不能有雷同现象。 课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献：1.范超毅.数控技术课程设计.武汉:华中科技大学出版社,2007.52.范云涨.数控编程设计简明手册. 北京:机械工业出版社,1994.73.李方园.数控机床电气控制.清华大学出版社.2010.45设计成果形式及要求：课程设计说明书一份（标准封面另附）。6工作计划及进度：2012年12月22日 12月23日 资料查阅 12月24日 12月27日 分析、设计、绘图 12月28日 答辩系主任审查意见： 签字： 年 月 日 基

5、于PLC的两轴联动进给控制系统的设计 目录1. 基本模块组成-6 1.1.运动控制模块简介-62. 交流伺服电机选型-73. 硬件系统设计-104. 软件系统设计-125. 三菱FX2N-20GM硬件与编程-146. 编写定位程序-157. 操作命令表-168. 双轴伺服控制系统电气原理图-169. 运行与仿真-1710. 总结-1811. 参考资料-18 基于PLC的两轴联动进给控制系统设计1基本模块组成在当代工业控制领域中，PLC一直拥有不可比拟的优越性，而工业控制水平的日趋提高也给 PLC提出了更高的控制要求。在这样大环境下，许多人开始致力于PLC特殊功能模块的开发、研究工作。本文介绍的

6、FX2N- 20GM便是三菱公司针对数控机床，x、z轴的运动专门研制的定位模块。其高度的针对性为简化程序设计和提高加工精度都提供了很大的便利。本次实例使用到的是三菱 FX2N-48MT PLC及其特殊功能模块20GM，HJD一4试验台。该试验台包含控制过程中所需的继电器、高低压触点以及开关、按钮及数控机床l台。数控机床中的伺服电机及其驱动器的型号分别是57BYG250E和SH一20806C 。1.1运动控制模块简介 PLC通过使用专用的定位控制模块，可以对直线运动、圆周运动的位置，速度和加速度进行控制，也可实现单轴或多轴位置控制，使运动控制与顺序控制有机地结合起来，广泛地用于各种通用机械、专用

7、机床、机器人、电梯等。三菱公司生产生产的定位控制模块，属于智能IO模块，其本身就是一个带有微处理器的计算机系统，有很强的信息处理能力和控制功能，其CPU与PLC本身的CPU并行工作，大大提高了系统的速度和控制功能。 Fx2N系列定位控制模块20GM是能够独立进行2轴定位控制的装置，不仅具备定位控制语言、编程控制语言，还具有进行数据处理的功能指令，因此可以独立进行更高级的定位控制。整个系统由伺服交流电机，伺服驱动器，PLC，FX2N-20GM组成。基本原理如下图： 图1（1）由用户通过PC机在三菱FX2n-80MT的专用软件FXGPWIN进行梯形图程序的编写，并通过232通信线传给PLC。（2）

8、PLC。用户可以通过手动按钮或控制盒输入开关量给PLC，通过计算后PLC产生驱动器电源开关信号，并通过运动控制模块20GM控制伺服电机驱动器。然后，驱动器拖动数控机床的x轴伺服电机和z轴伺服电机完成两轴联动。（3）(3)20GM。安装时，与PLC固定在同一金属槽中并通过内部扁平线缆和PLC接口电路连接。在PLC的作用下，它会向步进驱动器发出控制脉冲。用户可以通过上位机中的20GM专用软件FXVPS-E进给量进行设置，并通过232通信线进行传输。（4）伺服电机驱动器及伺服电机。在接收到脉冲信号和方向后，通过连接丝杠进给运动。2 交流伺服电机选型 交流伺服电机广泛应用在数控机床上，并取代了直流伺服

9、电机。在交流伺服系统中采用同步交流伺服电机和异步型交流感应伺服电机。交流异步感应伺服电机制造容量大，主要用在主轴驱动系统中；交流同步伺服电机可方便的获得与频率成正比的可变速度，可以得到非常硬的机构特性和很宽的调速范围，在电源电压和频率固定不变时，它的转速是稳定不变的，主要用在进给驱动系统中，所以在我们的设计中伺服电机的选型为交流同步伺服电机。交流同步伺服电机分为永磁式、励磁式、磁阻式和磁滞式等四种。前两种输出功率较宽，后两种输出功率较小。各种交流同步伺服电机的结构均类似，都由定子和转子两个主要部分组成。四种电动机的转子差别较大，励磁式同步伺服电机转子结构较复杂，其他三种同步伺服电机的转子结构非

10、常简单。磁阻式和磁滞式同步伺服电机效率低、功率因数差。永磁式交流同步伺服电机结构简单、运行可靠、效率高，所以在数控机床进给驱动系统中多采用永磁式交流同步伺服电机，根据我们的设计需要，我们这里采用永磁式交流同步伺服电机。如图所示，交流永磁同步电机主要由定子1、定子绕组3和转子2组成。交流永磁同步电机的定子与异步电机的定子结构相似，是由硅钢片、三相对称的绕组、固定铁心的机壳及端盖部分组成。交流永磁同步电机的转子采用永磁稀土材料制成，永磁转子产生固定磁场 。1. 定子2. 转子3. 定子绕组4. 压板5. 编码器6. 接线盒 图2以两极永磁同步电机为例，如图所示，当定子三相绕组通上交流电流后，产生一

11、个以转速ns转动的旋转磁场。转子磁场由永久磁铁产生，用另一对磁极表示。由于磁极同性相斥，异性相吸，定子的旋转磁场与转子的永磁磁极互相吸引，并带着转子一起旋转，因此，转子也将以同步转速ns与旋转磁场一起转动。当转子加上负载转矩之后，转子磁极轴线将落后定子磁场轴线一个角，随着负载增加，也随之增大；负载减少时，角也减少；只要不超过一定限度，转子始终跟着定子的旋转磁场以恒定的同步转速ns旋转。转子转速：式中P定子和转子的磁极对数；f1交流供电电源频率。 图3 交流永磁式伺服电机的工作原理 由于设计任务给定的两台电动机的额定功率为3kw，所以我们选择额定功率为3kw的FANUC i交流伺服电机两台，其各

12、种技术参数如下：额定功率/kw额定力矩/（N*m）最高转速/（r/min）转动惯量/（kg*m2）质量/kg3.01230000.006218注意：在机床具体给定了进给系统的各种参数或者能根据某些数据能计算出所需数据，所选电动机还应该满足以下两个条件：（1） 转动惯量匹配验算 为了使系统的负载惯量达到较合理的匹配，一般将该比值控制在下式所规定的范围内，即 0.251其中：Jd为在数控机床进给伺服系统的设计中，最终折算到电动机轴 上的转动惯量； Jm为电动机的自身转动惯量。 （2）力矩匹配验算 为了保证进给伺服系统的正常工作，伺服电动机的最大力矩Tmax和额定力矩Tm应满足下列关系： 在空载加速

13、启动时 TmaxTq 在切削进给时 TmaxTt TmTt 3硬件系统设计硬件设计包括输入部分和输出部分，见下图。 输入部分 图4 输出部分 图5其中，PLC的电源控制开关是QF1，它通过内部扁平程电缆和运动控制模块20GM连接(如图4中较粗黑线)。PLC的输入按钮包括机床启动、机床停动作按钮、两轴动作按钮、单轴动作按钮、正向、反向以及复位等多个项目，主要用于用户输入开关量；PLC的输出是Y0触点和触点，其中Y0通过继电器KA0的线圈连接到公共端COM，并通过KAO触点连接接触器KM线圈，由KM的触点和空气开关QF2一起控制x轴和z轴伺服电机驱动器的通断。触点通过其常闭触点控制z轴伺服电机驱动

14、器的通断，从而使机床处于单轴动作状态。 当线路连接完毕后，合上QFl，并将PLC的状态开关拨至“PROG”编程状态，此时将梯形图文件传送至PLC。将20GM的编程电缆也连接到上位PC机上，并将20GM的状态开关拨至“MANU”手动状态上。然后通过拍20GM专用软件“FXVPSE”将定位程序传送至20GM。 将开关QF2合上，并将PLC的状态开关拨至“RUN”状态，将20GM的状态开关拨至“AUTO”状态，PLC的Y0输出从而使KM主触头闭合，驱动器1和驱动器2得电。按下PLC输入端的“复位”按钮后，x轴和Z轴将回到原位，整个系统处于归零工作状态。其中，HJD一4试验机已在原位设置了位置开关，用

15、于系统硬件归零。 若断开开关QFI，PLC将失电，从而步进驱动器也会失电导致整个系统处于断电状态。4软件系统设计 20GM模块的数据缓冲区有专门针对X轴和Z轴的字区域（BFM20和BFM21，各16 位），其中每一位都有不同的功能特征。如下图表：其中，BFM20用于设置同步2轴和x轴的运动方式，BFM21用于设置z轴的运动方式。我们需要编写相关的程序并从PLC发送至20GM的缓冲区中，具体程序流程图如图所示。首先要通过用户输入的按钮组合判断工作模式，从而产生两个分支，分别是两轴联动模式和单轴动作模式，后在不同的工作模式下开始加工。 程序流程图具体PLC梯形图程序如下：其中当M8000得电时，P

16、LC将K4M10和K4M30寄存器的数据（字长位16位）传送到1号单元（20GM）的特殊功能模块BFM20和BFM21中。然后通过和控制两个联动轴的通与断，并通过和来控制数控机床的工作状态(单轴动作和两轴联动之间切换)。当机床处于两轴联动状态时，Y0导通输出，并通过复位、正向以及反向控制其工作；当机床处于单轴动作状态时，Yl和Yo同时导通，此时Y1会通过常闭触点KAl断开z轴电机，从而使x轴电机单独工作，在该状态下也可通过复位、正向以及反向控制工作。当两轴联动工作设置完成后，可以打开主轴变频器控制开关，加工开始。程序实例5三菱FX2N-20GM硬件与编程 三菱FX2N-20GM（简称20GM）

17、是一种小型智能化定位单元，其完备的功能完全可以与大中型PLC定位模块媲美。拥有完善的扩展接口，允许用户使用步进电机或伺服电机，并通过驱动单元来实现双轴的定位控制。FX2N-20GM定位控制器(以后称FX2N-20GM或20GM)为脉冲电路输出单元，它使得步进电机或伺服电机通过驱动单元进行定位控制。一个FX2N-20GM可控制2个轴（可使用线性插补和园插补）。可使用专用定位语言(cod指令)和顺序语言(基本指令和应用指令)。20GM采用FX-VPS-E专用软件编制控制程序。流程图窗口由可视化的各种彩色符号块组成，用“有向连线”连接，具有形象、直观、简洁、易用的特点。双击对应的指令符号块即出现“参

18、数设置”的形象化对话框，可以方便地进行操作。FX2N-20GM统称定位单元，是输出脉冲序列的专用单元，模块的输出脉冲数、脉冲频率可调，通过步进驱动器或伺服器控制。FX2N-20GM配有一种专用定位语言指令和顺序语言基本指令和应用指令进行编制位置控制程序，能够同时控制两个坐标轴，并可实现线性/圆弧插补功能，位置控制功能。6编写定位程序6.1使用SWOD5-FXVPS-E软件（1）行号（2）程序号程序号被赋给每一个定位程序，操作目的不同的程序所分配的程序号也不相同。可以通过一个数字开关或可编程序控制器来指定要执行的程序使用定位编程序时可以直接引用FX2N-20GM的特殊辅助继电器和特殊数据继电器名

19、称使用PLC控制FX2N-20GM时要使用缓冲存储器(BFM)6.2使用SWOD5-FXVPS-E软件编流程图程运行FXVPS-E软件1.画加工流程图2.设置监控位置坐标3.将定位器开关放在MENU,传送流程图到定位器中,将开关放在Auto中,接通START运行流程图,4.编制用可编程序控制器进行通信FX2N-20GM定位单元被连接到FX2N PLC系列可编程序控制器上后,就可以设定诸如位移操作速度之类的定位数据还可以监控当前位置本部分解释说明了用可编程序控制器进行通信来执行这些操作.通过定位单元内部的缓冲存储器来使用可编程序控制器的FROM/TO指令就可以与可编程序控制器进行通信.下面这个示

20、意图显示了可编程序控制器和定位单元之间的通信FROM指令把BFM中的内容读到可编程序控制器中，TO指令把可编程序BFM中缓冲存储号7操作命令表 为了保证定位精度，执行同零操作(即同机械原点)是必要的。运动轴同零的过程是：20GM接收到l亓1零命令后。按参数指定的网零速度和回零方向做零位返同移动，当接收到近点信号时，减速至爬行速度。同时零点信号计数开始，达到参数指定的数日时停机。这里需要指的是程序巾既有同机械零点义有回电气原点，两者有所不同。y轴电气原点是为了使用户在方便的位置上料而设定的，两z轴的电气原点是为了校正机械误差。根据以上器件选型，查看相关硬件说明书。和接线图。可以得到电气原理图。8

21、双轴伺服控制系统电气原理图9运行与仿真 将插补程序写入PLC ROM 运行，验证系统正确性。直线插补的流程与参数设置如图2所示；圆弧插补的流程与参数设置如图3所示。 图 2 10总结该设计具有以下特点：1) 程序逻辑简单由于特殊模块的完全针对性，数控机床所有轴动作都囊括在缓冲区的每一位中，如果需要对其中一种路径进行动作，只需要将该位置位，所有的路径处理都将在FXVPSE中完成，便于程序的理解。2) 可移植性高在不影响本身逻辑关系和程序设计的情况下，该程序的完整设计让它可以随意加入数控机床其他控制的程序之中。3) 根据拖拉机零部件曲面形式，通过对数控机床、刀具、夹具及等加工过程映射构建，可以仿真多轴联动数控加工环境。综合考虑，该设汁具有维护性强、操作稳定的优