机电控制系统PLC驱动实验平台课程设计报告书

1、课程设计主题：步进驱动系统设计与数控圆弧插补程序设计综合培训题目：连接电路与机床进给电机驱动器实现第三象限圆弧插补加工课程设计与综合训练任务书综合培训课程设计设计题目：步进驱动系统设计及数控直线插补S7-300PLC程序设计培训题目：连接电路与机床进给电机驱动器实现第一象限直线插补加工主要设计参数及要求主要设计参数：切割长度（mm）：40 X丝杠（mm）：3 Z丝杠（mm）：5脉冲当量p (um)：5 步距角 ( )：0.75 最大进给量 V m a x ( r / min )：30 等效惯量 (J m +J e ) (N/m )：900 10 - 4干启动时间t (ms): 70 主切削力

2、Fz(N): 1300 切削阻力 Fy(N): 1000切削阻力 Fx(N): 600 X-方向托盘质量 (N): 100 Z-方向托盘质量 (N): 300设计要求：选择电机型号，制作接口电路，编译程序，实现双向伺服驱动加工所需零件设计能力和工作量课程设计内容和工作量（两周）：(1)根据给定的任务参数选择传动比和步进电机型号，设计并绘制伺服传动系统的AutoCAD传动图；（2）绘图工具绘制单片机接线图1；(3) 编译插补程序。综合培训内容和工作量（三周）：(1) 用设备和关键部件制作微控制器及其接口控制电路；（2）调试研究所编制的插补程序；(3) 处理任务书要求的一个部分；课程设计综合培训手

3、册1份： 6000-8000字。主要参考1、单片机（或PLC、插卡）编程与控制参考书；2、步进电机驱动参考书；3. AutoCAD绘图参考书。课程设计名称：步进驱动系统设计和数控线性插值编程综合培训主题：连接电路和机床进给电机驱动器实现线性插值处理摘要： PLC具有通用性强、使用方便、适应性广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。 PLC在工业控制，尤其是顺序控制中的地位，在可预见的未来是不可替代的。本设计基于自制的汽车数控平台，利用PLC的特点发出脉冲，从而控制电机的驱动运行，初步掌握了伺服控制系统的设计方法。关键词： PLC发脉冲驱动电机 零件加工目录第 1 章 概述. 51.1本课程

4、设计的综合培训对象及内容51.2课程设计综合训练任务书及要求6第二章机电伺服驱动系统设计与图解82.1步进电机的选型及传动比的计算82.1.1系统解决方案设计82.1.2齿轮比计算和步进电机选择62.2圆柱齿轮减速机设计计算132.2.1X向齿轮减速机设计计算132.2.2Z向齿轮减速机设计计算172. 3联轴器选项 262.4轴承选型262.5键272.6齿轮结构设计的选择272.7传动系统结构设计及制图28第 3 章 机电伺服系统微控制器电路及程序设计. 293.1开环控制系统. 303.2 PLC控制步进电机时的电气接线图设计. 313.3三菱PLC控制插补程序设计. 333.4 程序设

5、计与调试 . 37课程设计课程. 43参考文献. 44附录1自制 CNC 工作平台的设计主题和参数. 4 5第一章概述机电一体化工程课程设计是前一阶段机电课程教学的设计训练过程，接下来三周的综合训练是课程设计设计成果物化的过程。整个过程应能达到理论教学内容综合应用的目的。因此，本指导书涉及单片机原理与接口技术、机电一体化系统设计、电气控制与PLC、数控机床与编程技术、机械工程测试技术基础等多门机电课程的知识。 .简要说明了这些课程的诸多知识点在机电系统中的综合应用。1.1 本课程设计的综合培训对象和内容本次的设计任务是设计伺服驱动系统，绘制图形，设计单片机（MCU、可编程逻辑控制器PLC、微机

6、卡）的接口电路，编写控制程序，根据自己的需要进行加工。 -制造的CNC平台。调试，初步掌握伺服控制系统的设计方法（开环或闭环均可），完成数控车床加工平台伺服系统零件的加工。本次设计培训的具体内容如下：（1）根据导师给的任务，用AUTOCAD绘制数控系统的传动图形，选择系统使用的步进电机，计算系统减速机的传动比；(2)画出单片机的接线图；(3)利用重要元器件制作微控制器及其接口控制电路；（4）编译调试程序，加工任务书所需零件类型；(5) 编写手册。1.2 课程设计综合培训任务书及要求课程设计综合训练任务书及其格式见附录，主要包含：设计训练题：给出课程设计和综合训练的题目，例如课程设计的题目是“步

7、进驱动系统设计与数控直线插补单片机编程”，综合训练的题目是“连接自主制造电路和机床进给”。电机驱动器实现“第一象限线性插补处理”。主要设计参数及要求：可给出具体设计参数，如丝杠p、步进电机步距角、加工线型及刀道长度、脉冲当量p、电机及换算成电机轴当量等参数转动惯量（Jm+Je）、空载启动时间t、最大进给速度Vmax、大小托盘质量Md、Mx）、主切削力Fz、切削阻力Fy、切削阻力Fx；选择电机型号、制作接口电路、编译程序，使其能够进行双向伺服驱动，加工所需零件等。3、设计能力和工作量：如果课程设计内容要求“根据给定的任务参数计算齿轮箱传动比，选择驱动中使用的步进电机，使用AUTOCAD绘制数控系

8、统传动图形；绘制单片机接线图表 。”综合培训内容要求“利用重要元器件制作单片机及其接口控制电路；编写和调试程序处理任务书要求的零件类型；编写课程设计和综合培训指导书。”设计专项任务书由导师发放，要求每位学员完成以下内容：(1)根据给定的脉冲当量选择传动比和电机后，设计并绘制伺服传动系统的AutoCAD传动图；(2)画出单片机电器接线图1；（3）使用自制的CNC加工平台对一个零件进行编程和插补；课程设计综合培训手册1份： 6000-8000字。第二章机电伺服驱动系统设计与制图2.1 步进电机的选型和传动比的计算系统的整体设计非常重要，就是一台机器的整体布局和布局。整体设计是否合理，将对后续步骤的

9、设计产生重大影响，也会影响机器的尺寸、性能、功能和设计质量。因此，在整体设计中应多花时间和考虑，以减少返工现象。当伺服系统的负载不大，精度要求不高时，可以采用开环控制。一般来说，开环伺服系统的稳定性不成问题。设计主要考虑精度要求。通过合理的结构参数设计，系统具有良好的动态响应性能。2.1.1系统设计在机电一体化产品中，典型的开环控制位置伺服系统有简易数控机床（实验室自制数控平台）和XY数控工作台等，其结构原理如图2-1所示。各种开环伺服系统在结构和原理上略有不同，方案的设计本质上是在图2-1的基础上选择确定各部件的具体实现方案。图2-1 开环伺服系统结构框图1、执行元件的选择选择执行器时，应综

10、合考虑负载能力、调速范围、动作精度、可控性、可靠性、体积、成本等要求。在开环系统中，可以使用步进电机、电液脉冲电机等作为执行器。其中，步进电机应用最为广泛。一般来说，步进电机是首选。当它们的负载能力不足时，可以考虑使用电液脉冲电机。等待。2、传动机构方案的选择传动机构本质上是执行器，执行器主要输出旋转运动和扭矩，而执行器主要是直线运动。用于将旋转运动转化为直线运动的传动机构主要有齿条小齿轮、丝杠螺母等，前者可以获得较大的传动比和较高的传动效率，可以传递的力也较大，但难度较大制造高精度齿轮齿条，结构复杂，消除传动间隙。后者结构简单，易于制造。并被广泛使用。步进电机和丝杠之间传递运动的方式有很多种

11、。步进电机和丝杠可以通过联轴器直接连接。优点是结构简单，速度快。电机的负载能力要求高；丝杠也可以通过减速机连接，通过选择减速比可以匹配脉冲当量、扭矩和惯量；当电机与丝杠中心距较大时，可用同步齿形带传动。三、执行机构方案的选择执行器是伺服系统中的被控对象，是实现实际运行的机构。应根据具体操作对象及其特点进行选择和设计。一般来说，执行器都包含导向机构，执行器的选择主要是导向机构的选择。4、控制系统方案的选择控制系统方案的选择包括单片机的选择、步进电机控制方式、驱动电路等。常用的微控制器有单片机、PLC、微机卡、微机并口、串口和下位机等。其中单片机因其体积、体积、成本、可靠性和控制指挥功能。被广泛使

12、用的。步进电机的控制方式分为硬件环分配器控制和软件环分配器控制。对于多相电机，有X相单X拍、X相2X拍、X相双X拍和细分驱动控制。例如三相步进电机有三相单三拍、三相六拍、三相双三拍和细分驱动控制方式，对于控制电路，有单电压控制，高低压控制、恒流斩波控制、细分控制等电路。5. 课程设计和综合培训方案的选择对于我们这次的课程设计和综合培训，各种选择不一定与实际自制数控平台完全一致，可以根据任务书给出的设计要求进行选择。采用功率步进电机作为执行器，但需要计算步进电机的功率并选择电机型号（其网址为：:/.step-servo.）；传动方案选用带减速齿轮箱的丝杠螺母传动机构，但当丝杠的导程和步进电机的步

13、距角已知时，必须计算齿轮箱的传动比和丝杠的型号必须查询满足脉冲当量的要求；执行器采用托盘导轨；控制系统中的微控制器可以采用单片机、PLC、微机卡、微机并口、串口和下位机通讯控制等。步进电机控制方式采用带硬件环分配器的驱动器。在共地的情况下，为驱动器提供一个馈电脉冲和另一个高（低）电平方向控制电位。2.1.2齿轮比计算和步进电机选择一、步进驱动原理从步进电机的转动原理可以得出结论，要使步进电机正常运行，就需要有规律地控制步进电机的各相绕组来获取电能。当方向信号（DIR）和脉冲信号（CP）时，步进驱动器接受外部信号。另外，当步进电机停止时，通常是一相通电，电机转子被锁定，所以当转子松开时，可以使用

14、离线信号（FREE）。原理如图2-5脉冲信号脉冲信号方向信号脱机信号电源DC 24V48V步进电机CPCPDIRFREE环 形 分 配 器功 率 放 大 器A+A-B+B-图 2-2 步进驱动器原理环形分配器的作用：环形分配器的作用主要是将外部CP端发出的脉冲分配给功放，功放对应的三极管导通，步进电机线圈通电.2、步进电机、步进驱动器与PLC的连接（图2-6）图 2-3 PLC、步进驱动器和步进电机的连接因为在这个设计项目中，我们要保证插值的动作，所以画笔在两个方向上运行，即X轴和Y轴，所以我们选择的脉冲信号分别有两个X轴和Y轴。 Y0，Y1，其中 Y0 为 Y 轴脉冲，Y1 为 X 轴脉冲。

15、方向信号选择Y2和Y3，其中Y2为Y轴正方向，Y3为X轴正方向。1、减速机传动比的计算：i=p/360p其中：表示步进电机的步距角，两个方向由任务书给出；：表示螺丝的导程，两个方向由任务书给出；：表示脉冲当量，两个方向由任务书给出。根据上式可以得到减速机的齿轮比的大小。X方向：i1=p/(360p) =(0.753)/(3600.005)=1.25Z方向：i2=p/(360p) =(0.755)/(3600.005)=2.08X方向的脉冲数：n = =Z方向的脉冲数：n = =2、步进电机所需扭矩计算：步进电机的选择应按照电机额定输出转矩T电机所需最大转矩Tmax的原则，先计算电机所需负载转矩

16、。作用在步进电机轴上的总负载转矩 T 可按以下简化公式计算：式中，为启动加速所产生的惯性力矩，是电机轴上的等效摩擦扭矩，转换为托架的重力和托架上的其他力，为了将加工负载转换为电机轴上的负载扭矩，是丝杠预紧力所产生的力换算成电机轴上的附加摩擦力矩；是电机的转动惯量；是转换为电机轴的等效转动惯量；是启动时的角加速度；任务书中给出，根据任务中的空载启动时间和最大进给速度计算；：是丝杠，在任务书中给出；：丝杠上的摩擦力是由滑块的重力和主切削力引起的，托盘重量在任务书中给出，注：计算纵向力时（选择纵向电机），小车重量为两小车重量之和。计算横向力时（选择横向电机），就是小车厢的重量。钢与钢之间的摩擦系数可

17、以查数据，一般在0.050.2左右；：选择横向电机时，是工作台上的最大横向载荷，由给定的切削阻力Fy得到；选择纵向电机时，工作台上的最大纵向载荷，由给定的切削阻力Fx求得；：为丝杠螺母副的预紧力，设定为1/51/3；：为伺服进给系统的总效率，取0.8；: 是减速机的传动比。Jm+Je=0.09N.m启动时= =3) Fu：侧向力Fu=(mg+Fz)u =(100+1300)0.1=140N纵向力Fu =(mg+Fz)u =(100+300+1300)0.1=170N4)Fw：侧向力Fw=(mg+Fy)u=(100+1000)0.1=110N纵向力Fw=(mg+Fx)u=(300+600)0.1

18、=90N5)Fo：侧向力Fo=Fw(1/51/3)=2237N取Fo=27N纵向力Fo=Fw(1/51/3)=1830N取Fo=30N可以通过以下公式获得：景观：=4.161Nm肖像：=4.164Nm一般启动时为空载，因此空载启动时电机轴上的总负载转矩为：= + +代入上式计算：Tqx=4.109NmTqz=4.122Nm在最大外部负载下运行时，电机轴上的总负载转矩为：= + +代入上式计算：Tgx=0.124NmTgz=0.127Nm计算的总负载转矩基于驱动模式。选择电机时，需要除以一个系数，设置为X相2X-beat驱动方式，则总负载转矩为：Tx=max4.109/0.8;0.124/(0.

19、30.5)= 最大值 (5.134,0.413) Nm=5.134NmTz =max4.122/0.8;0.127/(0.30.5)= 最大值 (5.1525,0.423) Nm=5.1525Nm通过启动最大频率和步距角选择电机：根据得到的负载转矩和给定的步距角，上网查步进电机型号。步进电机的步距角为0.75，负载转矩计算分别为5.134 Nm和5.1525 Nm。静扭矩为16.0 Nm，步距角为0.9。型号为 110BYG2501 。网上查到的参数如下图和表所示：表 2-1 电机主要参数模型阶段步距角()相电流（A）静态扭矩(Nm)转动惯量(g.cm2)重量方面110BYG2 60B-060

20、22/40.75 /1.5 68.097006.4112x112x156110BYG2 60B-06022/40.75 /1.5 68.097006.4112x112x156步进电机尺寸图 2-4110BYG2500系列步进电机转矩频率特性曲线图2-5 步进电机相关参数从上图可以看出，当脉冲频率在1001000次/秒之间时，电机的输出转矩比较稳定。4、确定齿轮传动。 （圆柱直齿轮减速机）由于i 3，采用一级圆柱齿轮减速机，联轴器连接电机和减速机。假设伺服进给系统的总效率为0.8由机械设计表12-8，取1=0.99，2=0.98，3=0.97螺杆传动的效率 = 1 * GB3 各轴X向电机输入输

21、出扭矩电机输出扭矩Td1=6.84Nm = 1 * ROMAN I轴输入扭矩T = 1 * ROMAN I =Td1=6.840.99=6.77Nm = 2 * ROMAN II轴输入扭矩T = 2 * ROMAN II =T = 1 * ROMAN I 23i1=6.770.980.971.25=8.04Nm = 1 * ROMAN I轴输出扭矩T = 1 * ROMAN I =6.770.98=6.63Nm = 2 * ROMAN II轴输出扭矩T = 2 * ROMAN II =8.040.98=7.88Nm由于i 0，表示加工点i在圆弧外；Fi0，表示加工点i在弧内。如果Fi0，为了逼

22、近圆弧，下一步是向-x轴进一步，计算新的偏差；Fi0，为了逼近圆弧，下一步是在+y轴进给，计算新的偏差。这种逐级计算和逐级进给，到达终点后停止计算，可以插补如图所示的第一象限逆圆弧AB。为简化计算，下面进一步推导偏差计算的递推公式。假设处理点在点 i(xi,yi)，其判别式为Fi=xi 2 +yi 2 -R 2如果Fi0，则应沿-x轴进给i+1点，其坐标值为X i+1 =Xi-1Y i+1 =Y m新加工点的偏差为：Fm=X i+1 2 +Y i+1 2 -R 2 =(xi-1) 2 +yi 2 -R 2 =Fi-2xi+1 (3-1)如果Fi0，则应沿+y轴进给i+1点，其坐标值为X i+1

23、 =X iY i+1 =Y i +1新加工点的偏差为：Fi=X i+1 2 +Y i+1 2 -R 2 =xi 2 +(yi+1) 2 -R 2 =Fi-2xi+1 (3-2)根据公式2-1和2-2可以看出，只要知道前一点的偏差和坐标，就可以计算出新点的偏差。公式中只有一个乘以2，大大简化了计算。由于加工从圆弧起点开始，起点的偏差为0，坐标为(x0, y0 ) ，所以新加工点的偏差可以从前一个加工点的偏差推导出.综上所述，逐点比较的逆圆弧插补过程，每一步都需要以下四个步骤，分别是判别、进给、运算和比较。(1) 歧视。根据偏移值确定工具的位置是在线上方（或在线上）还是在线下方。(2)饲料。根据判

24、别结果，决定控制哪个坐标（x或y）移动一步。(3) 操作。计算刀具移动后的新偏差，为下一步判断提供依据。根据公式（3-1）和公式（3-2）计算新加工点的偏差，大大简化了操作，但是每个新加工点的偏差都是从前一个加工点的偏差F i计算出来的点，然后计算继续进行，因此您需要知道在开始处理时该点的偏差有多大。开始加工时，我们手动将刀具移动到加工起点，即所谓的“对刀”，当然没有偏差，所以加工起点F i,i =0。（4）比较。在计算运行偏差的同时，还要进行终点比较，以确定是否到达终点。如果已达到，请勿执行任何进一步计算并发出关闭信号或转移到新程序。以第一象限为例，PLC插补框图与单片机插补框图基本相同。3

25、.4 编程调试3.4.1插值元素说明表 3-1 控制系统的 I/O 分配输入单元X 0启动X1停止X2重置X5摇杆 X+X6摇杆 X-X7摇杆 Y+X10摇杆 Y-X11紧急停止X12一小步X13自动的X14X轴左限X15X轴右限位X16Y轴前限位X17Y轴后限位输出单元Y0Y轴脉冲Y1X轴脉冲Y2Y轴正方向Y3X轴正方向Y6启动灯Y7停车灯3.4.2 PLC插补程序设计1.程序梯形图图 3-4 三菱 PLC 程序 T 图3.4.3仿真调试用GX-Simulator仿真软件调试程序，调试的基本步骤：从 GX developer 菜单项中的Ladder Logic Test Start启动GX-

26、Simulator。 GX developer创建的顺控程序和参数也将自动写入 PLC。使用软件进行调试，监控和更换设备。调试完成后，修改时序控制。在初始窗口中将执行状态设置为 STOP选择GX开发者菜单项【在线】 【PLC写入】，将修改后的顺序控制写入PLC，再次调试程序时重复上述步骤。直到软件满足要求。退出 GX 开发者软件并结束调试3.4.5仿真调试过程PLC程序写入：PLC在STOP模式下，执行【在线】菜单 【PLC写入】，出现【PLC写入】对话框，选择【参数+程序】，然后按【执行】按钮，完成后程序写入 PLC（如下图 3-9 所示）图 3-5 (a) PLC 仿真调试在监控模式下，强

27、制 X000 和 X011 ON，然后强制 X000 OFF图 3-5(b)调试运行如下：图 3-5(c)图 3-5(d )3.4.6调试时应注意的问题配置时要保证与实验室的组件型号一致，否则程序无法下载到PLC。下载配置前，请确保 PLC 已上电。但它处于停止状态。在运行程序之前确保接线正确。课程设计经验我们在本学期的第十周开始了为期三周的专业课程设计。本次课程设计所涉及的知识非常全面，包括机械设计、plc、以及我们刚刚接触到的GX-developer编程软件。这给了我们机电专业的同学一个全面整合知识的机会，和我们大三做的二级齿轮传动，和现在正在学习的plc控制相结合，这不仅是对我们的复习，

28、也是more 是结合知识的实验课。在整个设计过程中，是一个自己寻找信息、解决问题的过程。图书馆是知识的大海。在整个过程中，我们必须自己设计程序和机械部分。每一个环节都是一个难点。不过，在大家互相帮助下，大家都一一克服，最终完成了设计。在整个实验调试过程中，我非常感谢同学们的帮助。他们不厌其烦地一再向我解释程序，最后我解决了问题。参考1 龙兴主编。机电一体化系统设计实验指南。校对版。 2006 年。2 王元栓主编。机床电驱动与控制M.：机械工业，1997。3 钟兆新，阚主编。可编程控制器原理与应用M.：华南理工大学，1999.4 志经主编。可编程控制器应用技术M.：电子工业，1995。5 于雷生，主编。电气控制与PLC应用M.：机械工业，1997。6 文伟，吴克俭主编。机械原理M第 7 版：高等教育，1997 年。7 亨，建模。机械原理M第 6 版。 .: 高等教育，2001。8 松年，齐鹏主