機(jī)械電子工程畢業(yè)設(shè)計-玻璃激光內(nèi)雕機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　玻璃激光內(nèi)雕機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計</p><p><b>　　誠信聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨(dú)

2、立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。</p><p>　　本人簽名： 年 月 日</p><p>　　玻璃激光內(nèi)雕機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　摘要：激光內(nèi)雕機(jī)是集激光技術(shù)、精密機(jī)械、電子技術(shù)、計算機(jī)等學(xué)科于一體的高技術(shù)設(shè)備。激光要能雕刻玻璃,其能量密度須大于使玻璃破壞的某一臨

3、界值,或稱閾值。這樣,通過適當(dāng)聚焦,可以使激光的能量密度在進(jìn)入玻璃及到達(dá)加工區(qū)之前低于玻璃的破壞閾值,而在希望加工的區(qū)域則超過這一臨界值。激光在極的時間內(nèi)產(chǎn)生脈沖,其能量能夠在瞬間使水晶受熱破裂,從而產(chǎn)生極小的白點(diǎn),在玻璃內(nèi)部雕出預(yù)定的形狀,而玻璃或水晶的其余部分則保持原樣完好無損。</p><p>　　本論文主要通過對玻璃激光內(nèi)雕機(jī)的運(yùn)動結(jié)構(gòu)的分析，提出了用plc來控制其運(yùn)動的可能，通過plc編程，來最終模擬實(shí)

4、現(xiàn)玻璃激光內(nèi)雕機(jī)的五軸聯(lián)動。</p><p>　　關(guān)鍵詞：玻璃激光內(nèi)雕機(jī) ，plc ，五軸聯(lián)動, 振鏡電機(jī)</p><p>　　Glass laser subsurface engraving machine control system design</p><p>　　Abstract:Laser subsurface engraving machine is

5、laser technology, precision machinery, electronic technology, computer and other subjects in a body's high technology and equipment. Laser to engrave glass, the glass damaged on its energy density must be greater tha

6、n a certain critical value, or the threshold. The laser energy density and it somewhere in that point related to the size of the light spot. The same laser beam, the smaller the spot where the energy density is larger. I

7、n this way, throu</p><p>　　This paper mainly through the glass in the laser engraving machine movement structure analysis, proposed to use PLC to control the movement of the may, through the PLC programming,

8、 to the final simulation for five-axis movements of glass in the laser engraving machine.</p><p>　　Keywords: glass laser subsurface engraving machine, PLC, five-axis linkage, vibration motor</p><p

9、><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1前言1</b></p><p>　　1.1選題背景和意義1</p><p>　　1.2激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢分析1</p><p>　　1.3.1內(nèi)雕機(jī)的發(fā)展過程1</p><p>　　1.3.2內(nèi)雕機(jī)的現(xiàn)

10、狀4</p><p>　　1.4大幅畫藝術(shù)玻璃內(nèi)雕機(jī)4</p><p>　　1.5內(nèi)雕機(jī)的發(fā)展前景5</p><p>　　1.6五軸聯(lián)動雕刻機(jī)5</p><p>　　1.7本課題的主要研究內(nèi)容6</p><p>　　2五軸聯(lián)動的關(guān)鍵技術(shù)8</p><p>　　2.1五軸聯(lián)動的概述8

11、</p><p>　　2.2五軸聯(lián)動的國外現(xiàn)狀8</p><p>　　2.3五軸聯(lián)動的國內(nèi)現(xiàn)狀9</p><p>　　2.4五軸聯(lián)動的關(guān)鍵問題9</p><p>　　2.4．1五軸聯(lián)動關(guān)鍵技術(shù)的分析10</p><p>　　3五軸聯(lián)動玻璃激光內(nèi)雕機(jī)13</p><p><b>

12、;　　3.1概述13</b></p><p>　　3.2玻璃激光內(nèi)雕機(jī)工作原理與系統(tǒng)組成13</p><p>　　3.3激光振鏡的平面掃描14</p><p>　　3.4五軸激光玻璃內(nèi)雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)15</p><p>　　3.5五軸聯(lián)動玻璃激光內(nèi)雕機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)16</p><p>　　4系統(tǒng)

13、的硬件設(shè)計17</p><p>　　4.1西門子 S7-200 PLC 的功能概述17</p><p>　　4.2西門子 S7-200 PLC 的硬件結(jié)構(gòu)17</p><p>　　4.3西門子 S7-200 PLC 的特點(diǎn)18</p><p>　　4.4西門子 S7-200 PLC 的工作原理18</p><p&

14、gt;　　5系統(tǒng)的軟件設(shè)計21</p><p>　　5.1西門子 S7-200 PLC 的程序結(jié)構(gòu)21</p><p>　　5．2西門子 S7-200 PLC 的編程語言21</p><p>　　5.3主程序設(shè)計流程圖22</p><p>　　6 S7-200PLC的編譯過程與模擬仿真部分截圖結(jié)果24</p><

15、p>　　6.1 S7-200PLC的編譯過程24</p><p>　　6.2系統(tǒng)模擬仿真的部分截圖結(jié)果28</p><p><b>　　總結(jié)31</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)32</b></p><p><b>　　致謝33</b></p&

16、gt;<p>　　附錄A I/O分配表34</p><p>　　附錄B五軸聯(lián)動PLC程序圖35</p><p><b>　　1前言</b></p><p>　　1.1選題背景和意義</p><p>　　從20世紀(jì)60年代第1臺激光器誕生至今已逾 40多年，激光器已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用，同時 更多的應(yīng)用

17、領(lǐng)域也對激光器的發(fā)展提出了更高的要求。</p><p>　　激光器現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于打標(biāo)、切割、內(nèi)雕、焊接、演示、測量、軍工生產(chǎn)以及醫(yī)療等各個領(lǐng)域，不同領(lǐng)域?qū)す飧鲄?shù)的要求也不盡相同。隨著社會的發(fā)展和工業(yè)需求的逐步提高，激光器也由當(dāng)初的紅寶石激光器、逐步發(fā)展為氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器和液體激光器等幾大類，其中固體激光器因其激光特性及造價成本等方面的優(yōu)勢，現(xiàn)已成為市場需求量最大，發(fā)展速度最快的激光器。&l

18、t;/p><p>　　1.2激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢分析</p><p>　　世界激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展按區(qū)域可劃分為美國、歐洲、日本及太平洋 地區(qū)。市場份額美國約占55%，歐洲約占22%，日本及太平洋地區(qū)約占23%。500瓦以下的中、小功率激光器是美國占優(yōu)勢，500瓦以上用于材料加工的高功率激光器是德國占優(yōu)勢，而小功率的半導(dǎo)體激光器則是日本占優(yōu)勢，占世界市場的70%以上。美國、日本、德國三個國家激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)

19、展代表了當(dāng)今世界激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢。 </p><p>　　德國在激光材料加工設(shè)備方面占明顯優(yōu)勢，美國在激光醫(yī)療及激光檢測方面領(lǐng)先在前，日本則在光電子技術(shù)方面占首位。這表明各個國家的發(fā)展都與他們自己的工業(yè)基礎(chǔ)有關(guān)。美國之所以在光電子技術(shù)方面落后于日本，主要原因是美國的半導(dǎo)體工業(yè)落后于日本，因此，美國光電子工業(yè)發(fā)展協(xié)會提出要在光電子工業(yè)方面迎頭趕上，使美國在光電子世界市場上占有較大的份額[1]。<

20、/p><p>　　1.3.1內(nèi)雕機(jī)的發(fā)展過程</p><p>　　隨著社會的發(fā)展，人們的鑒賞水平有了很大的提高，水晶內(nèi)雕工藝品不再是超出人們經(jīng)濟(jì)能力范圍的奢侈品，在發(fā)達(dá)國家已走進(jìn)尋常百姓家。這為激光器在內(nèi)雕行業(yè)中的應(yīng)用帶來了強(qiáng)大的動力。目前，水晶內(nèi)雕機(jī)已經(jīng)完成了由白光機(jī)向綠光機(jī)、燈泵機(jī)向半導(dǎo)體泵浦機(jī)；工位機(jī)向振鏡機(jī)的轉(zhuǎn)變，內(nèi)雕的效果越來越好，內(nèi)雕機(jī)的工作效率也越來越高。</p>

21、<p>　　對于水晶工藝品加工行業(yè)來說，激光相對于其他加工方式有著先天的優(yōu)勢，它能夠在不損傷工件表面的情況下，對內(nèi)部的特定位置進(jìn)行打點(diǎn)加工。把激光的焦點(diǎn)定在水晶內(nèi)部，使焦點(diǎn)處的能量密度剛好達(dá)到水晶爆炸點(diǎn)（破壞閾值），而在水晶表面及內(nèi)部其他部位由于光能沒有達(dá)到水晶的破壞閾值將不會造成任何損傷，再結(jié)合計算機(jī)精確方位控制，就不難在水晶內(nèi)部雕出特定的三維圖案。這里所說的水晶并不是真正的水晶，而是人造水晶，其實(shí)也就是含有氧化鉛的玻璃，這

22、種玻璃透光性好、亮度高、從不同方向看都是均勻透明的。但這并不是說有色玻璃就不能內(nèi)雕，有色玻璃由于里面含有一些有色元素而呈現(xiàn)出特定的顏色，由于這些元素的存在，其對光能的吸收可能會高一些，所以光相對要弱一些，但一般來說在光強(qiáng)足夠大的情況下能夠雕刻。</p><p>　　早期的工位機(jī)是將水晶粘在工作平臺上，由Ｘ和Ｙ２個方向的電機(jī)帶動絲杠轉(zhuǎn)動來使工作平臺移動，Ｚ軸的移動則由Ｚ軸方向的電機(jī)控制。由于這種機(jī)械移動需要帶上負(fù)載

23、，因此速度不可能太快，致使工位機(jī)的雕刻速度一般都達(dá)不到理論最大值，遠(yuǎn)不能滿足高速內(nèi)雕的需要。然而，振鏡則是通過控制光的方向，用類似于光掃描的方式來控制打點(diǎn)，因此速度非?？欤瑤缀跄茉诮咏碚撟畲笏俣鹊那闆r下工作，其工作速度能夠滿足3000Ｈｚ以上的頻率要求。各內(nèi)雕機(jī)生產(chǎn)商已經(jīng)開始在燈泵機(jī)上使用振鏡，但振鏡機(jī)并沒有立刻取代工位機(jī)，因?yàn)榫劢圭R補(bǔ)償能力有限，造成其工作范圍太小，使用Ｆ＝100ｍｍ的聚焦鏡，其工作范圍約為Φ60ｍｍ。使用長焦距的聚

24、焦鏡能使雕刻范圍有所增加，比如使用Ｆ＝160ｍｍ的聚焦鏡，工作范圍是Φ110ｍｍ。但這又會帶來其他問題：焦距太長，焦深也就長，雕出的點(diǎn)子就比較細(xì)長，圖案在正面看沒有大問題，但從側(cè)面看，圖案就顯得很朦朧，不夠清晰。目前內(nèi)雕機(jī)生產(chǎn)商為了獲得更好的雕刻效果，一般多采用焦距在100￣ 110ｍｍ的聚焦鏡。同時，為了克服振鏡機(jī)工作范圍 小的缺點(diǎn)，又派生出五維內(nèi)雕技術(shù)。其實(shí)，所謂的五維就是用振鏡結(jié)合工位機(jī)的特點(diǎn)，將圖案</p><

25、;p>　　最初工業(yè)用的內(nèi)雕機(jī)是燈泵式白光機(jī)，內(nèi)雕行業(yè)所謂的白光就是肉眼見不到的1064ｎｍ的紅外光，這個波長的光能夠用于內(nèi)雕，但點(diǎn)子過于粗大使內(nèi)雕的效果比較粗糙，因此圖案的分辨率不高。后經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，1064ｎｍ的倍頻光532ｎｍ在雕刻效果方面優(yōu)于白光機(jī)，而且532ｎｍ的綠光在可見光范圍內(nèi)易于調(diào)節(jié)，只是多一個倍頻晶體而已。因此，在很短的時間內(nèi)綠光機(jī)取代了白光機(jī)，進(jìn)入了內(nèi)雕加工工業(yè)。隨著半導(dǎo)體激光器的發(fā)展和應(yīng)用，燈泵機(jī)與半導(dǎo)體泵浦激光

26、內(nèi)雕機(jī)相比，半導(dǎo)體泵浦激光器的優(yōu)勢越來越明顯，具體體現(xiàn)如下：</p><p>　　（１）燈泵機(jī)耗材多，調(diào)節(jié)麻煩。由于燈泵機(jī)的燈管需要經(jīng)常清洗及更換，要通過一些旋鈕來調(diào)節(jié)透鏡的角度，因此經(jīng)常會因?yàn)橐恍┱駝佣鴮?dǎo)致激光器失調(diào)，需要經(jīng)常性調(diào)節(jié)。而半導(dǎo)體激光器各部件一般在出廠時就已經(jīng)固定好，而且ＬＤ要1￣2年才更換一次，所以使用方便。</p><p>　　（２）燈泵機(jī)速度慢。普通的燈泵機(jī)能量低，頻率

27、只能達(dá)到200Ｈｚ左右，理論最高速度12000／ｍｉｎ。要達(dá)到較高頻率，只能增加燈功率，但會導(dǎo)致散熱不足。而半導(dǎo)體激光器的光光轉(zhuǎn)換效率高，能量高，頻率能夠達(dá)到幾千赫茲。</p><p>　?。ǎ常舯脵C(jī)體積大。由于燈泵機(jī)的光光轉(zhuǎn)換效率為１％￣３％，大部分能量都轉(zhuǎn)化為熱量，因此必須配備一個較高功率的制冷系統(tǒng)，即風(fēng)冷系統(tǒng)的功率太低，遠(yuǎn)不能滿足制冷需求，這樣就造成燈泵機(jī)必須有一個大功率的水冷箱，因此體積比較大。<

28、/p><p>　　燈泵機(jī)因?yàn)槌杀镜?，所以并沒有完全被淘汰，仍然可以滿足低端客戶的需要。但是，隨著生產(chǎn)力水平的提高，各種原材料的價格降低，半導(dǎo)體激光器的成本呈下降趨勢，并將最終取代燈泵機(jī)成為市場的主流。</p><p>　　隨著人們對美的追求和社會的需要，水晶玻璃內(nèi)雕作品在色彩上變得更為豐富是必然的。利用水晶玻璃工藝品的內(nèi)雕部分對光線具有較強(qiáng)的反射、折射作用,而空白部分對光線具有較好的通透性能的

29、光學(xué)原理,由微控制電路按照三基色調(diào)色板原理,分別控制幾種色彩的燈,在/內(nèi)雕圖像上混色,變化出多種絢麗的色彩,從而使原本白色的內(nèi)雕圖像呈現(xiàn)出五彩繽紛、光彩奪目的效果。</p><p>　　在彩色內(nèi)雕的技術(shù)研究上,上海光機(jī)所/光子技術(shù)國際合作實(shí)驗(yàn)室有突出表現(xiàn)。有關(guān)專家在開拓激光誘導(dǎo)空間選擇性三維微結(jié)構(gòu)創(chuàng)新研究的基礎(chǔ)上,采用脈沖激光誘導(dǎo)方法,按照設(shè)計要求在玻璃中成功地內(nèi)雕出立體多色圖案。伴隨著行業(yè)的成熟和市場需求標(biāo)準(zhǔn)的

30、提高,激光內(nèi)雕技術(shù)必然由無色向彩色工藝發(fā)展。</p><p>　　1.3.2內(nèi)雕機(jī)的現(xiàn)狀</p><p>　　現(xiàn)階段應(yīng)用在激光內(nèi)雕行業(yè)的半導(dǎo)體激光器主要分2類：電光調(diào)Ｑ激光器和聲光調(diào)Ｑ激光器，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。對于水晶內(nèi)雕而言，電光調(diào)Ｑ方式由于脈寬窄，峰值功率高，每個脈沖都會達(dá)到水晶的爆炸點(diǎn)，因此一般的玻璃（鋼化玻璃除外）都能打進(jìn)去，但在高頻條件下電光調(diào)Ｑ不夠穩(wěn)定，電光調(diào)Ｑ頻率一般不超過10

31、00Ｈｚ。聲光調(diào)Ｑ由于峰值功率不高，水晶有雜質(zhì)部分就可能因?yàn)榉逯倒β蔬_(dá)不到爆炸點(diǎn)而漏點(diǎn)。而且，就算對于純度非常高的水晶，激光器的出光功率也不可能是百分之百穩(wěn)定，必然有波動，功率較低的時候也可能打不出點(diǎn)，但卻能在高頻下穩(wěn)定工作，通常3000Ｈｚ以上的內(nèi)雕機(jī)都是用聲光調(diào)Ｑ激光器。如何解決電光調(diào)Ｑ在高頻下不穩(wěn)定的問題，或者如何解決聲光調(diào)Ｑ峰值功率不夠高的問題，這都是將來工作的重點(diǎn)[3]。</p><p>　　1.4大幅

32、畫藝術(shù)玻璃內(nèi)雕機(jī)</p><p>　　大幅面玻璃激光內(nèi)雕，是一種以電子、激光、LED三種技術(shù)為基礎(chǔ)的新型建材產(chǎn)品，產(chǎn)品與電子技術(shù)、燈光相結(jié)合，表現(xiàn)形式多樣，產(chǎn)品低碳、節(jié)能、環(huán)保，它的出現(xiàn)，賦予了藝術(shù)玻璃全新的生命，同時也大大提升了玻璃行業(yè)的技術(shù)發(fā)展，也對整個建材行業(yè)的發(fā)展影響深遠(yuǎn)。</p><p>　　它的內(nèi)雕是以激光機(jī)將一定波長的激光打入玻璃或者水晶內(nèi)部，令其內(nèi)部的特定部位發(fā)生細(xì)微的爆裂

33、形成氣泡，從而勾勒出預(yù)置形狀的一種加工工藝，將平面或立體的圖案“雕刻”在水晶或者玻璃的內(nèi)部。也泛指以這種工藝加工出來工藝品。經(jīng)過不斷發(fā)展內(nèi)雕玻璃廣泛應(yīng)用到公司或家庭的移門、幕墻、隔斷、背景墻、相框和樓梯的裝修上[4]。</p><p>　　圖1.1 圣石激光大幅面藝術(shù)玻璃內(nèi)雕機(jī)</p><p>　　1.5內(nèi)雕機(jī)的發(fā)展前景</p><p>　　中國禮品市場目前雖然種類

34、繁多，但是能達(dá)到永遠(yuǎn)收藏和獨(dú)特個性的很少很少。激光水晶內(nèi)雕設(shè)備提供的水晶內(nèi)雕個性化立體人像定制服務(wù)能將一張普通的平面照片轉(zhuǎn)成3D立體人像，雕刻在透明的水晶體內(nèi)，外部無任何損，這種表現(xiàn)方式填補(bǔ)了數(shù)碼照片和藝術(shù)雕像的空白。這項(xiàng)技術(shù)，給平靜的中國禮品和數(shù)碼照片市場帶來了新的發(fā)展機(jī)遇 [5]。</p><p>　　1.6五軸聯(lián)動雕刻機(jī)</p><p>　　五軸聯(lián)動雕刻機(jī)，目前已獲得2項(xiàng)發(fā)明專利和4

35、項(xiàng)實(shí)用新型專利。該雕刻機(jī)可加工鋁及各種非金屬材料的復(fù)雜曲面，適用于各種模型制作及五聯(lián)動加工人才的培訓(xùn)。</p><p>　　五軸聯(lián)動雕刻機(jī)創(chuàng)新地采用新型并聯(lián)球面輪系做擺動刀頭，以構(gòu)成混聯(lián)機(jī)床，在同等體積和重量前提下，具有加工精度高、加工范圍大、剛度高、控制便捷、性價比高等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　世界發(fā)達(dá)國家的五軸聯(lián)動機(jī)床和加工中心（三軸）的數(shù)量比例已高達(dá)4比6左右，伴隨著我國制造業(yè)的日

36、趨發(fā)展，急需大量五軸數(shù)控加工技術(shù)人才。目前，一臺五軸聯(lián)動機(jī)床動輒上百萬元，且五軸聯(lián)動機(jī)床的進(jìn)口一直受到西方發(fā)達(dá)國家的限制，因而難以在高等院校中得到普及使用，影響了人才的培養(yǎng)。另外，該五軸聯(lián)動雕刻機(jī)可以運(yùn)用于工業(yè)設(shè)計、建筑裝潢等方面的模型制作，具有極高的性價比。</p><p>　　圖1.2 五軸聯(lián)動雕刻機(jī)</p><p>　　1.7本課題的主要研究內(nèi)容</p><p&g

37、t;　　通過以上內(nèi)容對玻璃內(nèi)雕機(jī)行業(yè)、現(xiàn)狀、分類及發(fā)展?fàn)顩r的分析，可以得出的結(jié)論是：這個行業(yè)依然在不斷的進(jìn)化，不斷的發(fā)展，它的市場前景還是相當(dāng)樂觀的；與此同時，內(nèi)調(diào)的技術(shù)也在越來越趨于成熟，而內(nèi)調(diào)的核心就在于怎么樣去調(diào)整或是開發(fā)其系統(tǒng)的控制部分，當(dāng)然方法還是有很多種的。</p><p>　　在工業(yè)自動化領(lǐng)域，可編程控制器(PLC)、機(jī)器人和 CAD/CAM 成為自動控制的三大技術(shù)支柱，在現(xiàn)代工業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用

38、。目前工業(yè)機(jī)器人由設(shè)計開發(fā)到應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普及，且絕大部分采用交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)，控制器往往采用基于 PC 或 DSP 的嵌入式控制器。但是，隨著 PLC 技術(shù)的快速發(fā)展，特別是運(yùn)動控制和網(wǎng)絡(luò)功能的加強(qiáng)，PLC 已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對機(jī)器人的控制，因此對基于 PLC控制的玻璃激光內(nèi)雕機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行研究并實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制就顯得十分必要。本論文主要任務(wù)內(nèi)容是在熟練運(yùn)用PLC及相關(guān)配套軟件的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對玻璃激光內(nèi)雕機(jī)運(yùn)動部件的控制，用PLC來實(shí)現(xiàn)玻璃激光內(nèi)雕機(jī)

39、控制系統(tǒng)地五軸聯(lián)動。</p><p>　　2五軸聯(lián)動的關(guān)鍵技術(shù)</p><p>　　2.1五軸聯(lián)動的概述</p><p>　　“五軸”是指機(jī)床工作臺擁有五個運(yùn)動軸，即XYZ三個直線運(yùn)動軸和AB兩個旋轉(zhuǎn)軸?！?五軸聯(lián)動”，是指機(jī)床的這五個運(yùn)動軸，在加工工件時能同時協(xié)調(diào)運(yùn)動。</p><p>　　五軸數(shù)控技術(shù)是在三軸的基礎(chǔ)上增加了兩個旋轉(zhuǎn)軸。所以

40、,在復(fù)雜曲面的高效、精密、自動化加工方面,五軸聯(lián)動加工具有三軸加工所不能比擬的的優(yōu)勢。主要體現(xiàn)在以下幾個方面:1).可以加工一般三軸數(shù)控機(jī)床所不能加工或很難一次裝夾完成加工的連續(xù)、平滑的自由曲面。2).可以提高空間自由曲面的加工精度、質(zhì)量和效率等。3).可以實(shí)現(xiàn)工件的一次裝夾,集中工序進(jìn)行高精、高效和復(fù)合加工,從而保證了工件各個表面間的位置精度等[6]。</p><p>　　五軸聯(lián)動技術(shù)是一種科技含量、精密度高,

41、專門用于加工復(fù)雜曲面的技術(shù)，這種技術(shù)系統(tǒng)對一個國家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設(shè)備等等行業(yè)有著舉足輕重的影響力,是解決大型薄壁零件、整體葉輪、渦輪機(jī)葉片、精密光學(xué)零件與模具的關(guān)鍵設(shè)備,能極大地提高加工效率、生產(chǎn)能力和加工質(zhì)量,縮短加工周期，降低加工成本。作為數(shù)控加工技術(shù)中難度最大、應(yīng)用范圍最廣的技術(shù)，它集計算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動和精密加工技術(shù)于一體,應(yīng)用于復(fù)雜曲面的高效、精密、自動化加工。作為多軸數(shù)控技術(shù)中的一個類型,

42、五軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)已成為評價一個國家生產(chǎn)設(shè)備自動化水平的重要標(biāo)志。</p><p>　　2.2五軸聯(lián)動的國外現(xiàn)狀</p><p>　　當(dāng)前國外五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床以歐美、日本為代表,這些國家的五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床代表了當(dāng)今五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床發(fā)展的最高水平。如:德國海德漢公司(Heidenhain)的TNC530數(shù)控系統(tǒng),可控制12個軸,聯(lián)動5個軸,具有1024段(可通過機(jī)床參數(shù)設(shè)置)預(yù)讀功能,能預(yù)測方

43、向的未來變化,來調(diào)整運(yùn)動速度、加速度,使之符合編程表面要求。iTNC530系統(tǒng)同時具有理想的程序段處理速度性能,能實(shí)現(xiàn)短的程序段處理時間(0.5ms);日本FANUC推出的30i/31i/32i系列數(shù)控系統(tǒng),采用了高速CPU, CNC系統(tǒng)的內(nèi)部總線高速化,采用了光纖電纜實(shí)現(xiàn)了高速的數(shù)據(jù)傳輸,從而使CNC的性能大幅度的提高。采用了納米高精度插補(bǔ)、納米平滑、智能輪廓控制等先進(jìn)技術(shù),具有多軸、多通道控制能力。FANUC最新的高檔控制器llS3

44、0i—MODELA系統(tǒng),最大控制系統(tǒng)數(shù)為10個系統(tǒng)(通道),最多軸數(shù)和最大主軸配置數(shù)為40軸,其中進(jìn)給軸32軸,主軸為8軸,最大同時控制軸數(shù)為24軸/系統(tǒng)。最大PMC系統(tǒng)為3個系統(tǒng)。最大I/O點(diǎn)數(shù)為4096點(diǎn),PMC基本命令速度為25ns。最大可預(yù)讀程序段:1000段。</p><p>　　2.3五軸聯(lián)動的國內(nèi)現(xiàn)狀</p><p>　　我國的數(shù)控研究,經(jīng)過"六五"到現(xiàn)今

45、近幾十年的發(fā)展,通過引進(jìn)、消化、吸收,巳初步形成了自己的數(shù)控產(chǎn)業(yè)。目前，我國引進(jìn)的產(chǎn)品基本上是被國外淘汰或即將淘汰的技術(shù), 在此形勢下，破國際壟斷發(fā)展具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù),己成為中國政府、企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)的共識。2005年9月28日,在國務(wù)院常務(wù)會議討論通過的《國務(wù)院關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見》中，發(fā)展大型、精密、高速數(shù)控設(shè)備：控系統(tǒng)和功能部件列為國家振興的重要目標(biāo)之一。 </p>

46、;<p>　　在此共識下，家、企業(yè)、各級研究機(jī)構(gòu)均加大了對五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)的研究投入，且在近幾年取得某些方面突破,取得了可喜的進(jìn)步。在五軸聯(lián)動數(shù)控編程系統(tǒng)方面,北京航空航天大學(xué)研制成功的PANDA4 I NC，夠提供5軸的NC加工編程能力。凡在PANDA4中建立的曲面和實(shí)體都可以用NC模塊進(jìn)行NC編程,還可以用若干典型加工特征進(jìn)行NC編程。對加工刀具軌跡可以自動檢査和消除刀具干涉等。此外,還有南京航空航天大學(xué)開發(fā)的su

47、perMan;北航海爾公司開發(fā)的CAXA制造工程師；州紅地技術(shù)有限公司開發(fā)的金銀花OMEGA；中科技大學(xué)天喻信息公司開發(fā)的lateSolid等。這些系統(tǒng)都初步達(dá)到了實(shí)用化程度。</p><p>　　在五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床的研制上,近幾年來，珊星、華中數(shù)控、廣州數(shù)控公司、西安交通大學(xué)、沈陽數(shù)控公司為首的一批企業(yè)、學(xué)校也成功推出了一批五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng),并且初步投入實(shí)用。然而相比較國外幾十年的五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)研制與開發(fā)

48、的歷史與水平來講,尤其是國際研究前沿正朝著高速五軸加工技術(shù)邁進(jìn)的今天.我國的五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)的研究與開發(fā)才剛剛起歩。</p><p>　　2.4五軸聯(lián)動的關(guān)鍵問題</p><p>　?。?)五軸聯(lián)動數(shù)學(xué)模型架構(gòu)。選定一個通用并穩(wěn)定的五軸數(shù)學(xué)模型是搭建五軸數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ),可靠的基礎(chǔ)研究能為后期的開發(fā)工作帶來許多便利。(2)三軸或四軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)。在開發(fā)五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)前,對三軸或四

49、軸系統(tǒng)的了解非常必要,沒有三軸或四軸數(shù)控系統(tǒng)為支撐,開發(fā)五軸系統(tǒng)就如紙上談兵。(3)多軸聯(lián)動運(yùn)動控制算法。由于三軸聯(lián)動的運(yùn)行是有實(shí)際空間軌跡可循的,因此，運(yùn)動控制相對來說是比較簡單的,開發(fā)五軸聯(lián)動系統(tǒng),兩個旋轉(zhuǎn)軸的平穩(wěn)、高精控制是研究的關(guān)鍵。(4)多軸聯(lián)動插補(bǔ)技術(shù)。三軸聯(lián)動直線插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)的運(yùn)用是最為廣泛的，而五軸聯(lián)動運(yùn)行已不再是直線,而是合成的曲線運(yùn)行,其插補(bǔ)方法的研究重要性不言而喻。(5)多軸聯(lián)動拐點(diǎn)判定技術(shù)。三軸聯(lián)動的拐點(diǎn)判定可

50、以依據(jù)空間直線的夾角,但五軸聯(lián)動中兩兩代碼之間的夾角如何計算是研究的難點(diǎn)之一。(6)柔性加減速算法。柔性加減速是保證機(jī)床平穩(wěn)運(yùn)行的重中之重,機(jī)床加減速運(yùn)行的平穩(wěn)性直接關(guān)系著加工效率、質(zhì)量和機(jī)床壽命[7]。</p><p>　　2.4．1五軸聯(lián)動關(guān)鍵技術(shù)的分析</p><p>　　(1)五軸聯(lián)動數(shù)學(xué)模型架構(gòu)分析。一個通用并穩(wěn)定的五軸數(shù)學(xué)模型是搭建五軸數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ),因此模型的基礎(chǔ)研究是幵發(fā)工

51、作不可或缺的部分。多數(shù)文獻(xiàn)將五軸聯(lián)動數(shù)控模型分三種類型: (A)雙轉(zhuǎn)臺型,適合加工中小型零件,轉(zhuǎn)臺成本相對較低,幵發(fā)時只需要在三軸聯(lián)動普通機(jī)床基礎(chǔ)上加上一個雙轉(zhuǎn)臺,即可進(jìn)行首期開發(fā),非常適合一期模型的加工驗(yàn)證,且控制思路相對簡單,開發(fā)五軸定位鉆孔攻牙功能相對較容易,缺點(diǎn)是難以加工大型的工件,拖動大型工件旋轉(zhuǎn)比較困難;(B)雙擺頭型,優(yōu)點(diǎn)是適合加工大型零件,如汽車模型、大型柴油發(fā)動機(jī)、大型汽輪機(jī)禍旋葉片等,缺點(diǎn)是雙擺頭成本高,且主軸難以在

52、一定體積范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)大的扭矩,鉆孔攻牙控制算法較難實(shí)現(xiàn),退刀避讓保護(hù)考慮必需周到,否則極易撞刀;(C) —轉(zhuǎn)臺一擺頭型,該類型為前兩種方法的擇中類型,適合中小型零件的加工,一般為繞C軸方向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺,擺頭可為A、 B軸任意一種類型。本文在三種類型綜合考慮的基礎(chǔ)上選擇了經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的雙轉(zhuǎn)臺型,開發(fā)成本相對較低,適合一期幵發(fā)。</p><p>　　(2)三軸或四軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)。在開發(fā)五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)前,對三軸或四軸系統(tǒng)的

53、了解非常必要,找到一個現(xiàn)成的三、四軸系統(tǒng)架構(gòu)是非常困難的,從零開始的五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計,難度之大可想而知,由于本實(shí)驗(yàn)室有長期合作企業(yè)"諾信數(shù)控",能合理有效的運(yùn)用該企業(yè)已投產(chǎn)的聯(lián)合幵發(fā)數(shù)控系統(tǒng)平臺,因此開發(fā)五軸聯(lián)動系統(tǒng)具有很大優(yōu)勢,該難題的合理解決是開發(fā)團(tuán)隊(duì)長期努力的結(jié)果。</p><p>　　(3)多軸聯(lián)動運(yùn)動控制算法。由于三軸聯(lián)動的運(yùn)行是有實(shí)際空間軌跡可循的,因此其運(yùn)動控制相對來說是比較

54、簡單的,幵發(fā)五軸聯(lián)動系統(tǒng),移動和旋轉(zhuǎn)軸的平穩(wěn)控制是研究的關(guān)鍵,是系統(tǒng)開發(fā)效果的關(guān)鍵指標(biāo)之一,直接關(guān)系到最大進(jìn)給速度可達(dá)到的指標(biāo)及加工效果的好壞。多軸聯(lián)動運(yùn)動控制算法中的前瞻算法、加減速自適應(yīng)控制算法、區(qū)域軌跡連續(xù)加減速控制算法、抖動濾波算法等大體上都可以運(yùn)用三軸聯(lián)動的分析思路,只需要經(jīng)過小范圍的更新即可,難點(diǎn)是五軸聯(lián)動的運(yùn)動控制軌跡規(guī)劃,如何實(shí)現(xiàn)五個軸的協(xié)調(diào)運(yùn)行,使其聯(lián)動軌跡不失真,且運(yùn)行平穩(wěn),沒有大的波動。本文采用同時參考工件和刀具的

55、相對運(yùn)動軌跡(即實(shí)際加工軌跡)及單軸的運(yùn)行矢量(即把各軸看做不相干軸分析)的方法妥善的解決了該問題。</p><p>　　(4)多軸聯(lián)動插補(bǔ)技術(shù)。零件的數(shù)控加工刀具路徑一般由直線、圓弧、橢圓等簡單曲線組成,少數(shù)曲線有用到高級的B樣條、NURBS曲線。簡單曲線組成的刀具路徑可以運(yùn)用相應(yīng)簡單的插補(bǔ)算法,直線路徑一般運(yùn)用直線插補(bǔ)算法,圓弧路徑插補(bǔ)則有圓弧插補(bǔ)算法.曲線所組成的刀具路徑,目前一般的做法有兩種:第一種是這些

56、復(fù)雜曲線按照給定的精度要求預(yù)分解成大量的直線或圓弧段,再由數(shù)控系統(tǒng)對這些直線或圓弧進(jìn)行插補(bǔ);另一種做法是將這些復(fù)雜曲線的參數(shù)直接傳遞到數(shù)控系統(tǒng)中,由數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時地對這些復(fù)雜曲線進(jìn)行插補(bǔ)。應(yīng)用最為經(jīng)典的是NURBS曲線,但目前只有FANUC, Siemens等少數(shù)數(shù)控系統(tǒng)支持NURBS插補(bǔ),且CAM軟件對輸出參數(shù)方程技術(shù)要求極高,較難實(shí)現(xiàn),因此目前國內(nèi)絕大多數(shù)控系統(tǒng)只支持直線、圓弧或拋物線插補(bǔ)。 NURBS曲線插補(bǔ)中的權(quán)因子與參數(shù)化問題還

57、未完全解決,權(quán)因子使用得不合適很可能導(dǎo)致整個曲線曲面的破壞,而有些技術(shù)使用傳統(tǒng)方式并不比高級控制模式差?？紤]到目前本課題的實(shí)際研究目標(biāo),一期工程初步使用的五 軸插補(bǔ)技術(shù)為直線插補(bǔ)算法。</p><p>　　(5)多軸聯(lián)動拐點(diǎn)判定技術(shù)。三軸聯(lián)動的拐點(diǎn)判定可以依據(jù)空間直線的夾角,但五 軸聯(lián)動中兩兩代碼之間的夾角如何計算是研究的難點(diǎn)之一,合理的判定技術(shù)是加工質(zhì)量和效率的基礎(chǔ)條件,根據(jù)拐點(diǎn)的大小來規(guī)劃拐點(diǎn)的速度,才能保證

58、拐點(diǎn)處的平穩(wěn)過渡,避免過切、過沖等現(xiàn)象的發(fā)生,使加工允許誤差得到保證。 一般銑床的加工拐點(diǎn)允許誤差為可根據(jù)用戶需求設(shè)定,三軸可根據(jù)該設(shè)定值,在三維空間中反算拐點(diǎn)允許速度,相比之下,五軸加工軌跡在三維空間中,根據(jù)誤差值反算拐點(diǎn)允許速度的方法是比較復(fù)雜的,研究合理的拐點(diǎn)判定方法非常必要。</p><p>　　(6)柔性加減速算法。柔性加減速是保證機(jī)床平穩(wěn)運(yùn)行的重點(diǎn),機(jī)床加減速規(guī)劃的合理性直接關(guān)系著加工效率、質(zhì)量和機(jī)床

59、壽命。在三軸聯(lián)動中通常使用的加減速方法有直線型(三段)、S曲線型(五段或七段)、指數(shù)函數(shù)(三段)及高次多項(xiàng)式型(三段)等。采用不同的加減速曲線會得到不同的加減速效果,加工效率也是不一樣的,比如在最大加速度相同的條件下,S曲線的加速效率是直線加減速的50%,是三次多項(xiàng)式加減速的75%。通常情況下,加減速曲線的選擇要配合驅(qū)動器的性能,根據(jù)驅(qū)動器的算法配合適當(dāng)?shù)募訙p速曲線,才能調(diào)整出理想的效果。</p><p>　　3

60、五軸聯(lián)動玻璃激光內(nèi)雕機(jī)</p><p><b>　　3.1概述</b></p><p>　　光，機(jī)，電一體化產(chǎn)品是集光學(xué)、機(jī)械、微電子、自動控制和計算機(jī)技術(shù)子一體的高科技產(chǎn)品，具有很高的功能和附加值。隨著全球科技的迅速發(fā)展，激光制造作為一種先進(jìn)的加工技術(shù)，有利于帶動整個國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，有利于產(chǎn)品在國際上的競爭力。激光內(nèi)雕機(jī)通過接口將各子系統(tǒng)的特性和優(yōu)點(diǎn)有機(jī)地融合在一起

61、，揚(yáng)長避短，從而實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)單獨(dú)都無法實(shí)現(xiàn)的新功能，達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)化。</p><p>　　3.2玻璃激光內(nèi)雕機(jī)工作原理與系統(tǒng)組成</p><p>　　激光內(nèi)雕技術(shù)是將脈沖強(qiáng)激光在透明體內(nèi)聚焦，產(chǎn)生微米量級大小的汽化微裂紋，通過計機(jī)控制微裂紋在玻璃體內(nèi)的空間位置，使這些微裂紋呈三維排列而構(gòu)成立體圖像，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1。二軸振鏡掃描系統(tǒng)由2個振鏡電機(jī)和2個反光鏡片組成，采用逐行成像原理。振

62、鏡電機(jī)驅(qū)動器接收到交變電信號后，則鏡片發(fā)生振動，使光線掃描成一條條直線。在掃描過程中，到達(dá)應(yīng)該出激光位置時，則由控制器發(fā)出出光信號。兩個鏡片分別負(fù)責(zé)x方向和Y方向掃描，通過兩個振鏡電機(jī)的配合，激光束就能在XY平面上掃描出預(yù)定的軌跡曲線[8]。三軸步進(jìn)電機(jī)平移負(fù)責(zé)將工作臺上的工件各部位移到激光器掃描范圍內(nèi)，它是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠副、工作臺、原點(diǎn)到位開關(guān)組成。步進(jìn)驅(qū)動器接收脈沖方向信號后，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)正反向旋轉(zhuǎn)，采用柔性聯(lián)

63、軸器接口將滾珠絲杠副與電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)結(jié)，帶動工作臺上下、左右、前后運(yùn)動。其中，脈沖信號控制各軸運(yùn)行距離，方向信號控制各軸正反轉(zhuǎn)，以完成各軸的位置控制。三維坐標(biāo)原點(diǎn)處理電路將安裝在工作臺上的三組光電開關(guān)或機(jī)械開關(guān)接通和斷開信號轉(zhuǎn)化為高低電平信號，經(jīng)濾波整形后，建立起參考坐標(biāo)系原點(diǎn)的電氣接口。三軸定位信號檢測電路累計各軸電</p><p>　　圖3.1 五軸激光內(nèi)調(diào)系統(tǒng)的組成框圖</p><p>

64、;　　3.3激光振鏡的平面掃描</p><p>　　振鏡電機(jī)具有峰值力矩大、反應(yīng)速度快、機(jī)電延遲時闖小、動作穩(wěn)定、漂移小，其使用壽命長，長期工作可靠性好。高精度的位置檢測技術(shù)保證了振鏡電機(jī)位置閉環(huán)控制重復(fù)精度和高分辨率，使它在快速精密隨動系統(tǒng)中，得到了廣泛的應(yīng)用。振鏡電機(jī)工作時，信號電流進(jìn)入定子上的線圈，線圈產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子上的永磁體相互作用，推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使固定在運(yùn)動軸上的反光鏡片偏轉(zhuǎn)一個角度。激光器發(fā)出的激光

65、束作用在二個偏轉(zhuǎn)的反光鏡片上，由于鏡電機(jī)具有極高的運(yùn)動速度和加速度。從而在平面上掃描出一條條直線點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)原理簡圖如圖3.2所示各掃描點(diǎn)之間運(yùn)動是以微步距方式進(jìn)行，以保振鏡電機(jī)的穩(wěn)定性。通過步進(jìn)電機(jī)作三維運(yùn)動可將攜帶工件的工作臺移到振鏡掃描范圍內(nèi)，直到完成整個工件加工。</p><p>　　圖3.2 激光振鏡平面結(jié)構(gòu)掃圖</p><p>　　3.4五軸激光玻璃內(nèi)雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)</

66、p><p>　　激光玻璃內(nèi)雕機(jī)主要由激光器、振鏡控制器和兩片振鏡片、一臺PC機(jī)、控制器以及由三臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的三維工件臺和一個控制調(diào)試命令小鍵盤組成。系統(tǒng)采用脈沖激光器，可以自激勵或外觸發(fā)，雕刻時處于外觸發(fā)狀態(tài)，產(chǎn)生1.06*10-6m的調(diào)脈沖激光。</p><p><b>　　它主要有以下特點(diǎn)：</b></p><p>　　1.工作幅面大、激光頻

67、率高，雕刻速度快；</p><p>　　2.自動化程度高，可靠性好，連續(xù)工作時間長；</p><p>　　3.使用的軟件豐富，可制作各種平面、立體文字、圖像等；</p><p>　　4.非接觸式加工，保證材料表面原有的光潔度；</p><p>　　5使用材料廣泛，不僅水晶可進(jìn)行雕刻，一般裝飾用普通玻璃、有機(jī)玻璃等雕刻的圖像、文字灰度控制良好，

68、使圖像、文字高檔、精致美觀。</p><p>　　3.5五軸聯(lián)動玻璃激光內(nèi)雕機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)</p><p>　　內(nèi)雕加工作為內(nèi)雕技術(shù)的首道關(guān)鍵核心工序,其加工方法和加工質(zhì)量對玻璃內(nèi)雕質(zhì)量起至關(guān)重要的作用。加工內(nèi)雕槽的目的是制造缺口效應(yīng),大幅度提高應(yīng)力集中系數(shù),使其滿足張開型斷裂條件[9]。確保斷裂發(fā)生在預(yù)定位置,并能夠有效降低內(nèi)雕加工載荷,減少大頭孔變形,滿足內(nèi)雕加工質(zhì)量要求。因此,合理的設(shè)

69、計和內(nèi)雕加工是玻璃激光內(nèi)雕機(jī)加工工藝實(shí)施的先決條件。</p><p>　　激光技術(shù)涉及到激光物理學(xué)、光學(xué)、傳熱學(xué)、激光束反射鏡聚焦透鏡輔助氣體熔渣流體力學(xué)、材料學(xué)和生產(chǎn)工程等眾多學(xué)科。是一種集光、機(jī)、電于一體的高新技術(shù)，激光束的參數(shù)控制與數(shù)控系統(tǒng)的性能和精度，都直接影響激光切割的效率和質(zhì)量?？梢灾v，目前激光切割技術(shù)的發(fā)展水平是一個國家綜合科技水平的體現(xiàn),也是綜合國力的體現(xiàn)，許多國家都投入大量的人力物力致力于該技術(shù)

70、的研究,并取得了可喜的成果。</p><p>　　玻璃激光內(nèi)雕的過程是玻璃吸收光能并轉(zhuǎn)化為熱能使玻璃熔化、汽化的過程，同其他激光加工方法一樣，玻璃激光內(nèi)雕的物理基礎(chǔ)是激光與玻璃（材料）的相互作用。這是一個極為廣泛的概念，它既包含復(fù)雜的微觀量子過程,也包含激光作用于各種介質(zhì)材料所發(fā)生的宏觀現(xiàn)象"這些宏觀現(xiàn)象有材料對激光的吸收、反射、折射、能量轉(zhuǎn)換及傳遞，材料狀態(tài)及周圍氣體成份(或固體粉末成份等)，光束作用

71、于材料表面時的組織效應(yīng)等。因此影響激光切割質(zhì)量的因素十分復(fù)雜，除了機(jī)床、加工材料、工藝方法等硬件因素外，還包括激光功率、切割速度、輔助氣體種類和壓力等軟件因素。</p><p><b>　　4系統(tǒng)的硬件設(shè)計</b></p><p>　　4.1西門子 S7-200 PLC 的功能概述</p><p>　　西門子S7-200 PLC系列屬于小型可編

72、程序控制器，可用于簡單的控制場合，也可用于復(fù)雜的自動化控制系統(tǒng)。由于它具有極強(qiáng)的通信功能，即使在大型的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮作用。</p><p>　　S7-200 PLC 系統(tǒng)是緊湊型可編程序控制器。系統(tǒng)的硬件構(gòu)架是由成系統(tǒng)的CPU 模塊和豐富的擴(kuò)展模塊組成。它能夠滿足各種設(shè)備的自動化控制需求。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境

73、保護(hù)設(shè)備等等。S7-200 系列除了具有 PLC 的基本控制功能以外，還在以下三個方面有獨(dú)到之處：</p><p>　?、殴δ軓?qiáng)大的指令集指令內(nèi)容包括位邏輯指令、計數(shù)器、定時器、復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算指令、PID 指令、字符串指令、時鐘指令、通訊指令以及和智能模塊配合的專用指令等。</p><p>　?、曝S富強(qiáng)大的通訊功能S7-200 提供了十種左右的通訊方式以滿足不同的應(yīng)用需求，從簡單的S7-20

74、0 之間的通訊到 S7-200 通過 Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)通訊，甚至到 S7-200 通過以太網(wǎng)通訊。</p><p>　　⑶編程軟件的易用性STEP7-Micro/WIN32 編程軟件為用戶提供了開發(fā)、編輯和監(jiān)控的良好編程環(huán)境。Windows 的界面風(fēng)格、以及豐富的編程向?qū)Ш蛶椭畔?，能夠使用戶快速上手?lt;/p><p>　　西門子 S7-200 系列 PLC 具有極高的性價比，

75、適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200 系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能[10]。</p><p>　　4.2西門子 S7-200 PLC 的硬件結(jié)構(gòu)</p><p>　　西門子 S7-200 系列 PLC 具有牢固緊湊的塑料外殼，通過安裝孔垂直或水平地安裝在板上或安裝在標(biāo)準(zhǔn) DIN 導(dǎo)軌上。利用總線連接電纜，可以把 CPU

76、模塊和其他擴(kuò)展模塊連接起來。采用可選的端子排作為固定的接線配件，易于接線。S7-200 CPU 外形如圖4.1 所示。</p><p>　　圖4.1 S7-200 CPU 外形示意圖</p><p>　　S7-200 CPU 將一個微處理器、一個集成的電源和若干數(shù)字量 I/O 點(diǎn)集成在一個緊湊的封裝中，組成一個功能強(qiáng)大的 PLC。西門子提供了多種類型的 CPU，以適應(yīng)各種應(yīng)用的要求。目前

77、，提供的 S7-200 CPU 有：CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226、CPU 226XM。我們使用的是具有較強(qiáng)控制功能的 CPU 226[11]。</p><p>　　4.3西門子 S7-200 PLC 的特點(diǎn)</p><p>　　S7-200 系列具有鮮明的特點(diǎn)：⑴極高的可靠性；⑵極豐富的指令集；⑶數(shù)據(jù)安全性；⑷易于掌握，操作便捷；⑸豐富的內(nèi)置集成

78、功能；⑹實(shí)時特性；⑺強(qiáng)勁的通訊能力；⑻豐富的擴(kuò)展模塊。</p><p>　　4.4西門子 S7-200 PLC 的工作原理</p><p>　　S7-200 PLC 具有兩種工作模式，分別是：運(yùn)行（RUN）模式和停止（STOP）模式。在運(yùn)行模式下，通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實(shí)現(xiàn)控制功能；在停止模式下，S7-200 CPU 不執(zhí)行用戶程序，此時可設(shè)置 CPU 系統(tǒng)的硬件功能，并將用戶程

79、序、數(shù)據(jù)以及硬件設(shè)置信息下載到 S7-200 CPU[12]。其中用戶程序用編程軟件創(chuàng)建和編輯。</p><p>　　CPU 模塊上的模式開關(guān)用于改變和轉(zhuǎn)換 S7-200 PLC 的工作模式。開關(guān)撥到RUN 位置時，CPU 運(yùn)行，啟動用戶程序的運(yùn)行；當(dāng)開關(guān)撥到 STOP 位置時，CPU 停止，用戶程序的運(yùn)行也停止；開關(guān)撥到 TERM 位置時，不改變當(dāng)前操作模式。此外還可以通過 Step7-Micro/MIN32

80、編程軟件控制 S7-200 CPU 的運(yùn)行和停止[13]。</p><p>　　S7-200 CPU 前面板上的 LED 顯示著當(dāng)前的工作模式。S7-200 PLC 通電后，需要對硬件和軟件做一些初始化的工作。為了使 PLC的輸出及時地響應(yīng)各種輸入信號。初始化后，S7-200 CPU 按照循環(huán)掃描的方式，完成包括執(zhí)行用戶程序在內(nèi)的各項(xiàng)不同的任務(wù)。</p><p>　　S7-200 CPU

81、周而復(fù)始地分階段執(zhí)行一系列任務(wù)。任務(wù)執(zhí)行依次稱為一個掃描周期。在一個掃描周期內(nèi)，CPU 執(zhí)行如圖4.2 所示。</p><p>　　圖 4.2 CPU 執(zhí)行</p><p><b>　?、抛x輸入</b></p><p>　　在 PLC 的存儲器中，設(shè)置了一片區(qū)域來存放輸入信號和輸出信號的狀態(tài)，它們分別稱為輸入映像寄存器和輸出寄存器。CPU 以字

82、節(jié)為單位來讀寫輸入/輸出映像寄存器。在讀輸入階段，S7-200 CPU 讀取物理輸入點(diǎn)上的 ON/OFF（1/0）狀態(tài)并復(fù)制到輸入映像寄存器。</p><p><b>　?、茍?zhí)行用戶程序</b></p><p>　　用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中按順序排列，來實(shí)現(xiàn)控制邏輯。一般情況下，用戶程序從輸入映像寄存器獲得外部控制和狀態(tài)信號，把運(yùn)算結(jié)果寫入輸出映像寄存

83、器，或者存入到不同的數(shù)據(jù)保存區(qū)。在執(zhí)行指令時，從 I/O 映像寄存器或別的位元件的映像寄存器讀出其 0 或1 狀態(tài)，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果寫入到相應(yīng)的映像寄存器中。因此，除只讀的輸入映像寄存器外，各映像寄存器的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化。S7-200 CPU 執(zhí)行完用戶程序后，將輸出映像寄存器的 0 或 1 狀態(tài)傳送到輸出模塊并鎖存起來。</p><p><b>　?、翘幚硗ㄓ嵢蝿?wù)

84、</b></p><p>　　在處理通訊任務(wù)階段， S7-200 CPU 處理通信口接收到的信息，在適當(dāng)?shù)臅r候?qū)⑿畔鬟f給通信請求方。</p><p><b>　　⑷執(zhí)行自診斷</b></p><p>　　S7-200 CPU檢查整個系統(tǒng)是否工作正常。自診斷測試包括定期檢查EEPROM、用戶程序存儲器、I/O 模塊狀態(tài)以及 I/O

85、擴(kuò)展總線的一致性，將監(jiān)控定時器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。</p><p><b>　　⑸寫輸出</b></p><p>　　復(fù)制輸出過程映像寄存器中的數(shù)據(jù)狀態(tài)到物理輸出點(diǎn)。過程映像寄存器是S7-200 CPU 中的特殊存儲區(qū)，專門用于存放從物理輸入/輸出點(diǎn)讀取或?qū)懙轿锢磔斎?輸出點(diǎn)的狀態(tài)。</p><p><b>　?、手袛喑绦?/p>

86、的處理</b></p><p>　　如果在程序中使用了中斷，中斷事件發(fā)生時立即執(zhí)行中斷，中斷程序可能在掃描周期在任意點(diǎn)上被執(zhí)行。</p><p><b>　　5系統(tǒng)的軟件設(shè)計</b></p><p>　　5.1西門子 S7-200 PLC 的程序結(jié)構(gòu)</p><p>　　S7-200 PLC 系列的控制程序是

87、由主程序（OB1）、子程序和中斷程序組成。主程序是整個程序的主體，每個項(xiàng)目都必須并且只能有一個主程序。在主程序中可調(diào)用子程序和中斷程序[14]。主程序通過指令控制整個應(yīng)用程序的執(zhí)行，每次 CPU 掃描都要執(zhí)行一次主程序。子程序是一個可選的指令集合，僅在被其他程序調(diào)用時執(zhí)行。同一子程序可以在不同的地方被多次調(diào)用，使用子程序可以簡化程序代碼、減少掃描時間、更好地組織程序結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)移植性。中斷程序也是一個可選的指令集合，中斷程序不是被主程序調(diào)

88、用，而是在中斷事件發(fā)生時由可編程序控制器的操作系統(tǒng)調(diào)用。中斷事件會在 S7-200 CPU程序循環(huán)周期中任何時刻發(fā)生。中斷程序是用來處理預(yù)先規(guī)定的中斷事件，執(zhí)行中斷程序前后，S7-200 系統(tǒng)會自動保護(hù)和恢復(fù)被中斷的程序運(yùn)行環(huán)境。因?yàn)椴荒茴A(yù)知何時出現(xiàn)中斷事件，所以不允許中斷程序改寫可能在其他程序中使用的存儲器。中斷程序不會再被中斷。</p><p>　　用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中按順序排列，來實(shí)現(xiàn)控

89、制邏輯。一般情況下，用戶程序從輸入映像寄存器獲得外部控制和狀態(tài)信號，把運(yùn)算結(jié)果寫入輸出映像寄存器，或者存入到不同的數(shù)據(jù)保存區(qū)。在執(zhí)行指令時，從 I/O 映像寄存器或別的位元件的映像寄存器讀出其 0 或1 狀態(tài)，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果寫入到相應(yīng)的映像寄存器中。因此，除只讀的輸入映像寄存器外，各映像寄存器的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化。S7-200 CPU 執(zhí)行完用戶程序后，將輸出映像寄存器的 0 或 1 狀態(tài)傳送到輸出

90、模塊并鎖存起來[15]。</p><p>　　5．2西門子 S7-200 PLC 的編程語言</p><p>　　西門子S7-200 PLC系列采用的編程語言常用的有以下三種：梯形圖（Ladder Diagram）、功能塊圖（Function Block Diagram）、語言表或稱指令表（Instruction/Statement List）。</p><p>&

91、lt;b>　?、?梯形圖</b></p><p>　　梯形圖（LAD）是使用最多的可編程序控制器編程語言。梯形圖由觸點(diǎn)、線圈和用方框表示的功能塊組成。觸點(diǎn)代表邏輯輸入條件，如外部的開關(guān)、按鈕和內(nèi)部條件等；線圈代表邏輯輸出結(jié)果，用來控制外部的指示燈、交流接觸器和內(nèi)部的輸出條件等；方框表示的功能塊代表定時器、計數(shù)器或者數(shù)學(xué)運(yùn)算等附加指令。觸點(diǎn)和線圈等組成的獨(dú)立電路稱為網(wǎng)絡(luò)（Network），用編程軟

92、件生成的梯形圖和語言表程序中有網(wǎng)絡(luò)編號，允許以網(wǎng)絡(luò)為單位，給梯形圖加注釋。</p><p>　　在網(wǎng)絡(luò)中，程序的邏輯運(yùn)算按從左到右的方向執(zhí)行。各網(wǎng)絡(luò)按從上到下的順序執(zhí)行，執(zhí)行完所有的網(wǎng)絡(luò)后，返回最上面的網(wǎng)絡(luò)重新執(zhí)行。梯形圖比較適合有電氣技術(shù)基礎(chǔ)的人使用。</p><p><b>　?、?功能塊圖</b></p><p>　　功能塊圖（FBD）與

93、數(shù)字邏輯門電路的編程語言相類似，用一種功能方框來表示一種特定的功能，方框圖中的符號表示著該功能塊圖的功能。該編程語言用類似與門、或門的方框來表示邏輯運(yùn)算關(guān)系，方框的左側(cè)為邏輯運(yùn)算的輸入變量，右側(cè)為輸出變量，輸入、輸出端的小圓圈表示“非”運(yùn)算，方框被“導(dǎo)線”連接在一起，信號從左到右流動。把所需的功能塊連接起來，用來實(shí)現(xiàn)控制功能。功能塊圖比較適合有數(shù)字電路基礎(chǔ)的人使用。</p><p><b>　　⒊ 語句

94、表</b></p><p>　　S7-200 系列可編程序控制器將指令表稱為語句表。語句表是一種助記符表達(dá)式，與計算機(jī)的匯編語言的指令相似。盡管語言表比梯形圖、功能塊圖抽象，但可以實(shí)現(xiàn)某些梯形圖或功能塊圖無法實(shí)現(xiàn)的功能。語言表比較適合有邏輯程序設(shè)計經(jīng)驗(yàn)的人使用。</p><p>　　5.3主程序設(shè)計流程圖</p><p>　　當(dāng)電源接通后，程序開始運(yùn)行，

95、根據(jù)所編程序完成所要求的工作。</p><p>　　6 S7-200PLC的編譯過程與模擬仿真部分截圖結(jié)果</p><p>　　6.1 S7-200PLC的編譯過程</p><p>　　第一步：打開S7-200plc會呈現(xiàn)出如圖6.1的主界面。</p><p>　　圖6.1 S7-200PLC主界面</p><p>　

96、　第二步：將plc匯編語言編好后會出現(xiàn)如圖6.2所示界面。</p><p>　　圖6.2plc 匯編語言完成時界面</p><p>　　第三步：當(dāng)plc匯編語言完成時需要對其進(jìn)行保存，保存后的圖形如下圖6.3所示。</p><p><b>　　圖6.3 保存界面</b></p><p>　　第四步：將以編好程序進(jìn)行導(dǎo)出，

97、如下圖6.4所示。</p><p><b>　　圖6.4 導(dǎo)出界面</b></p><p>　　6.2系統(tǒng)模擬仿真的部分截圖結(jié)果</p><p>　　圖6.5 S7-200PLC初始仿真界面</p><p>　　圖6.6 按下I0.1的界面</p><p>　　圖6.7 五軸正方向完畢</p

98、><p>　　圖6.8按下I0.4的界面</p><p>　　圖6.9 五軸反方向完畢</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　將近半年多天氣的畢業(yè)設(shè)計，從搜集資料到消化資料，從對S7-200plc的懵懵懂懂到能夠熟練運(yùn)用，從一臉疑惑的表情到瞬間綻放的笑容，我順利完成了大學(xué)最后的任務(wù)。</p>

99、;<p>　　在畢業(yè)設(shè)計的過程中，為了解開一個難題，我需要去圖書館、電子閱覽室等很多地方去尋找答案。在這期間，我學(xué)到了許多，也真的將大學(xué)四年的很多知識運(yùn)動到設(shè)計中，并且我的自學(xué)能力也得到了極大地提高。我明白了大學(xué)不但交給我們知識，更是一種態(tài)度：自覺、努力，靠自己的雙手去解決問題。看似毫無頭緒的難題，只要一點(diǎn)點(diǎn)去解決總有克服的時候。在生活中我們也應(yīng)該擁有這種精神，只要一心一意的去干一件事，總會有解決的時候，總能取得成功。&l

100、t;/p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 騰宇，周佳佳，林耿，將雄偉，邱建榮.玻璃激光內(nèi)雕機(jī)的最新發(fā)展[D]光通信材料研究所，2010.</p><p>　　[2] 江衛(wèi)華，蘇文靜.位置補(bǔ)償在玻璃激光雕刻步進(jìn)驅(qū)動中的研究[J]自動化與儀器儀表，第六期，2008</p><p>　　[3]蘇維

101、均，劉赟喆，王群.激光內(nèi)雕機(jī)的使用及相關(guān)問題的解決，2005.</p><p>　　[4]國內(nèi)最大幅畫激光內(nèi)雕機(jī)在大族激光問世[J]光機(jī)電信息，第八期，2006.</p><p>　　[5]揭彥秋.激光內(nèi)調(diào)工業(yè)發(fā)展?fàn)顩r[J]第五期，2007.</p><p>　　[6]胡澤華. 高性能五軸聯(lián)動數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)硏究[D]廣東：廣東工業(yè)大學(xué)出版社，2012.</p&g

102、t;<p>　　[7] 魏紅港. 五軸聯(lián)動數(shù)控加工后置處理若干關(guān)鍵技術(shù)問題研[D]東北大學(xué)出版社，2010.</p><p>　　[8]李東凱，謝月強(qiáng)，黃崇林，李光斌.激光加工微機(jī)控制系統(tǒng)[J]第一期，2002.</p><p>　　[9] 黃鄒亞. 五軸聯(lián)動運(yùn)動控制仿真技術(shù)研究[D]廣東：廣東工業(yè)大學(xué)出版社，2011.</p><p>　　[10]

103、胡佳麗，閆寶瑞，張安震，李慶春，何亞東，信春琳.S7-200PLC在伺服電機(jī)位置控制中的應(yīng)用[J]北京工業(yè)出版社，2009.</p><p>　　[11] 劉耀光，王欣.機(jī)床電器與PLC應(yīng)用技術(shù)[M]北京：北京理工大學(xué)出版社，2011.</p><p>　　[12]劉星平.PLC原理及工程應(yīng)用[M]北京：中國電力出版社，2011.</p><p>　　[13]劉美俊

104、.電器控制與PLC工程應(yīng)用[M] 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.</p><p>　　[14] 許翏，王滋莫.電氣控制與PLC工程技術(shù)[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.</p><p>　　[15] 宋伯生.PLC編程理論、算法及技巧[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.</p><p>　　[16]彭志勇，劉建明，李宏周.基于PLC的開放式機(jī)床實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的

105、研究[M]2012.</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本人能夠順利的完成畢業(yè)設(shè)計，離不開我的指導(dǎo)教師田靜老師的指導(dǎo)，她給了我很大的幫助，并在設(shè)計過程中嚴(yán)格要求我，使本人通過本次設(shè)計學(xué)到了許多新的知識，受益匪淺。轉(zhuǎn)眼間大學(xué)四匆匆而過，在此本人要感謝本人的父母對我的養(yǎng)育之恩，感謝他們將本人撫養(yǎng)成人；感謝院領(lǐng)導(dǎo)、系領(lǐng)導(dǎo)及所有的代課老師，感謝他們