畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于plc的xy軸交流伺服運(yùn)動控制裝置

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</b></p><p>　　基于PLC的xy軸交流伺服運(yùn)動控制裝置</p><p>　圖書分類號：</p><p>　密 級：</p><p>　　徐州工程學(xué)院學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明</p><p>　　本人鄭重聲明： 所呈交的學(xué)位論文，是本人

2、在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用或參考的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)注。</p><p>　　本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。</p><p>　　論文作者簽名： 　　 　　日期： 　　 年 　月　 　日</p>

3、<p>　　徐州工程學(xué)院學(xué)位論文版權(quán)協(xié)議書</p><p>　　本人完全了解徐州工程學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：本校學(xué)生在學(xué)習(xí)期間所完成的學(xué)位論文的知識產(chǎn)權(quán)歸徐州工程學(xué)院所擁有。徐州工程學(xué)院有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文的紙本復(fù)印件和電子文檔拷貝，允許論文被查閱和借閱。徐州工程學(xué)院可以公布學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容提交至各類數(shù)據(jù)庫進(jìn)行發(fā)布和

4、檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。</p><p>　　論文作者簽名： 　　 導(dǎo)師簽名： 　　 </p><p>　　日期： 　　 年 　月　 　日 日期： 　　 年 　月　 　日</p><p><b>　　摘要</b>&l

5、t;/p><p>　　傳統(tǒng)的運(yùn)動控制系統(tǒng)由于其封閉式的結(jié)構(gòu)、控制軟件的兼容性差、容錯性和可靠性差、缺少網(wǎng)絡(luò)功能等缺陷，已不能滿足現(xiàn)代運(yùn)動控制的要求?，F(xiàn)代運(yùn)動控制技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、電力電子技術(shù)和機(jī)械工程技術(shù)等的繼承和綜合應(yīng)用，用于機(jī)械傳動的自動化和智能化的創(chuàng)建，對機(jī)械傳動的運(yùn)動位置、運(yùn)動軌跡和各種運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行實(shí)時的控制和管理。本設(shè)計(jì)的主要工作是對機(jī)電一體化教學(xué)設(shè)備的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)以對加工中心的設(shè)計(jì)方法

6、及步驟為主線展開設(shè)計(jì)，包括控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件、硬件的選擇，系統(tǒng)的調(diào)試等內(nèi)容。設(shè)計(jì)硬件如下：信息處理和控制由PLC系統(tǒng)完成；驅(qū)動元件為國內(nèi)自行設(shè)計(jì)、自主開發(fā)、自有工廠制造的全數(shù)字式MR-J3-10A交流伺服驅(qū)動器；執(zhí)行機(jī)構(gòu)是HF-KP13交流伺服電機(jī)；機(jī)械本體為一個兩維的X-Y工作平臺，是工業(yè)應(yīng)用中最典型的控制對象之一；反饋檢測元件為編碼器。</p><p>　　關(guān)鍵詞 交流伺服；運(yùn)動控制；PLC系統(tǒng)；檢測

7、元件；編碼器</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Because of its closed-end structure, poor compatibility, fault tolerance and reliability of control software, traditional motion control syst

8、em has many deficiencies to meet the </p><p>　　requirements of modern motion control. Modern motion control technology is the inheritance and integrated application of computer technology, sensor t

9、echnology, power </p><p>　　electronic technology and mechanical engineering technology, be used for automated mechanical transmission and intelligent creation, the movement of the mechanica

10、l transmission, trajectory and motion parameters in real-time control and management.</p><p>　　The main work of this design is the integration of teaching equipment, mechanical and electrical control system

11、design, experimental equipment as the teaching areas are vertical machining center, so the design of the machining center's design and the steps to design the main line, including the control system design, system so

12、ftware, hardware selection, system debugging and so on. Hardware design is as follows: drive components for the domestic self-designed, developed, manufactured its own full</p><p>　　Keywords AC servo motio

13、n contro detection device encoder目 錄</p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p>　　1.1 課題研究的目的和意義3</p><p>　　1.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)概述3</p><p&

14、gt;　　1.3 課題背景4</p><p>　　1.4 課題內(nèi)容5</p><p>　　1.4.1 設(shè)計(jì)條件5</p><p>　　1.4.2設(shè)計(jì)內(nèi)容5</p><p>　　1.4.3 設(shè)計(jì)要求6</p><p><b>　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)7</b></p><p&

15、gt;　　2.1 基于PLC的X-Y軸交流伺服運(yùn)動控制裝置總體結(jié)構(gòu)7</p><p>　　2.2 伺服系統(tǒng)的選擇7</p><p>　　2.3 控制系統(tǒng)的選擇8</p><p>　　2.4 系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定8</p><p>　　3 工作臺的設(shè)計(jì)9</p><p>　　3.1工作臺設(shè)計(jì)及計(jì)算9</

16、p><p>　　3.1.1 總體方案9</p><p>　　3．1.2橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算9</p><p>　　3.1.3計(jì)算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力9</p><p>　　3.1.4確定進(jìn)給傳動鏈的傳動比i和傳動級數(shù)9</p><p>　　3.1.5滾珠絲杠的動載荷計(jì)算與直徑估算9</p>

17、<p>　　3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.2.1 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.2.2滾珠絲杠支承的選擇11</p><p>　　3.2.3軸承的選擇11</p><p>　　3.2.4 連接方式11</p><p>　　4 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)12<

18、;/p><p>　　4.1 控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及分類12</p><p>　　4.1.1 控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)12</p><p>　　4.1.2 控制系統(tǒng)的分類12</p><p>　　4.2 控制系統(tǒng)的選型14</p><p>　　4.2.1 可控制編程器（PLC）14</p><p>　　

19、4.2.2 定位模塊16</p><p>　　4.2.3觸摸屏18</p><p>　　4.3伺服電動機(jī)設(shè)計(jì)18</p><p>　　4.3.1 交流伺服電機(jī)的分類和特點(diǎn)18</p><p>　　4.3.2 交流伺服電機(jī)的控制方式19</p><p>　　4.3.3 X-Y軸伺服電機(jī)的選型20</p&

20、gt;<p>　　4.4 伺服驅(qū)動器22</p><p>　　4.4.1 伺服驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)23</p><p>　　4.4.2 伺服驅(qū)動器與伺服電機(jī)的連接23</p><p>　　4.5 控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置23</p><p>　　4.6 系統(tǒng)電氣電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)25</p><p>　　4.7機(jī)

21、電一體化系統(tǒng)檢測元件選擇27</p><p>　　4.7.1 數(shù)控機(jī)床測量系統(tǒng)的分類與特點(diǎn)27</p><p>　　4.7.2 常用的測量元件27</p><p>　　4.7.3 碼盤、光柵尺的選擇28</p><p>　　4.7.4 編碼器測速原理及保證回零精度的工作原理28</p><p>　　5系統(tǒng)程序

22、設(shè)計(jì)30</p><p>　　5.1.PLC與定位模塊的通信30</p><p>　　5.1.1 指定程序號30</p><p>　　5.1.2 PLC對定位模塊FX2N-20GM工作參數(shù)的寫入30</p><p>　　5.1.3 PLC對定位模塊FX2N-20GM操作指令的讀取32</p><p>　　5.

23、2 PLC對伺服驅(qū)動器ABS（絕對）數(shù)據(jù)的讀取32</p><p>　　5.3 定位模塊中插補(bǔ)程序的編寫及調(diào)用32</p><p>　　5.4 系統(tǒng)的報(bào)警與復(fù)位35</p><p>　　5.5 觸摸屏畫面的設(shè)計(jì)35</p><p><b>　　結(jié)論37</b></p><p><b

24、>　　致謝38</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)39</b></p><p><b>　　附錄40</b></p><p><b>　　附錄140</b></p><p><b>　　附錄243</b></p&

25、gt;<p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 課題研究的目的和意義</p><p>　　本設(shè)計(jì)的主要工作是對機(jī)電一體化教學(xué)設(shè)備的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。機(jī)電一體化技術(shù)是一項(xiàng)在機(jī)械的主功能、動力功能、信息與控制功能上引進(jìn)了電子技術(shù)，是將機(jī)械、電子等技術(shù)有機(jī)結(jié)合綜合運(yùn)用的新興技術(shù)。該技術(shù)主要涉及精密機(jī)械、自動控制、檢測傳感、信息處理、伺服傳

26、動、計(jì)算機(jī)等相關(guān)領(lǐng)域。</p><p>　　機(jī)電一體化技術(shù)的日新月異使高等學(xué)校和職業(yè)學(xué)校在教學(xué)實(shí)踐上面臨著新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的機(jī)電一體化教學(xué)理論教學(xué)內(nèi)容很多，而學(xué)生實(shí)驗(yàn)很少甚至沒有，即使有也是針對于使用和操作機(jī)電設(shè)備，學(xué)生缺少在實(shí)踐動手中聯(lián)系理論知識的機(jī)會。比如講到伺服控制中的三環(huán)：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的理論知識，老師講了很多，但學(xué)生卻缺少相應(yīng)實(shí)驗(yàn)自己去操作從感性上認(rèn)識加深這些理論知識，這樣就使得畢業(yè)生走上社會以后

27、面臨重重困難，難以適應(yīng)工作崗位的具體要求。</p><p>　　通用運(yùn)動控制技術(shù)已逐步發(fā)展成為一種高度集成化的技術(shù)，不但包含通用的多軸速度、位置控制技術(shù)，而且與應(yīng)用系統(tǒng)的工藝條件和技術(shù)要求緊密相關(guān)。事實(shí)上，應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)要求，特別是一個行業(yè)的工藝技術(shù)要求也促進(jìn)了運(yùn)動控制器的功能的發(fā)展。通用運(yùn)動控制器的許多功能都是同工藝技術(shù)要求密切相關(guān)的，通用運(yùn)動控制器的應(yīng)用不但簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)甚至簡化了生產(chǎn)工藝。通用運(yùn)動控制器的主

28、要功能在多個行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　伺服機(jī)械傳動裝置是伺服系統(tǒng)的一個組成環(huán)節(jié)，已廣泛應(yīng)用于各種精密機(jī)床和精密儀器工作臺的自動定位、數(shù)控機(jī)床拖板移動、機(jī)械手與機(jī)器人的運(yùn)動等。其作用是傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速并使伺服電動機(jī)和負(fù)載之間的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速得到合理的匹配。通過這個課題的研究我們可以很好的將所學(xué)與實(shí)際相聯(lián)系，更好的理解所學(xué)到得知識。</p><p>　　1.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)概述&l

29、t;/p><p>　　機(jī)電一體化技術(shù)涉及到傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)包含以下幾個部分：</p><p>　　圖1-1 機(jī)電一體化系統(tǒng)組成</p><p>　　1）信息處理與控制系統(tǒng)：信息處理及控制系統(tǒng)接收傳感與檢測系統(tǒng)反饋的信息，并對其進(jìn)行相應(yīng)的處理/運(yùn)算和決策，實(shí)現(xiàn)要求的控制功能。本課

30、題研究的機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)臺中，信息處理及控制系統(tǒng)主要是由計(jì)算機(jī)的軟件和硬件以及相應(yīng)的接口所組成。硬件包括輸入輸出設(shè)備、顯示器、可編程控制器（PLC、單片機(jī)）和數(shù)控裝置等。本機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)臺要求信息處理速度高，A/D和D/A轉(zhuǎn)換及分時處理時的輸入輸出可靠，抗干擾能力強(qiáng)。</p><p>　　2）驅(qū)動元件系統(tǒng)：按照系統(tǒng)的要求，為機(jī)電一體化產(chǎn)品提供能量和動力功能，去驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，以完成預(yù)定的主功能。本機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)臺

31、采用的是富士公司的伺服電動機(jī)作為動力驅(qū)動元件。</p><p>　　3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)：在控制信息的作用下完成要求的動作，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的主功能。執(zhí)行部件為運(yùn)動部件，本機(jī)電一體化設(shè)備采用的是機(jī)械機(jī)構(gòu)，即電動機(jī)帶動滾珠絲杠作X、Y方向的位移，以完成設(shè)備的主功能。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品目的功能的直接執(zhí)行者，其性能好壞直接決定著整個產(chǎn)品的性能，因而是機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)設(shè)備中重要的組成部分。</p><

32、p>　　4）機(jī)械本體系統(tǒng)：機(jī)械本體是機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)，用于支撐和連接其他要素，并把這些要素合理的結(jié)合起來，形成有機(jī)的整體。</p><p>　　5）檢測元件系統(tǒng)：在系統(tǒng)運(yùn)行過程中將自身和外界環(huán)境的各種參數(shù)轉(zhuǎn)換成可以測定的物理量進(jìn)行測定，為系統(tǒng)提供運(yùn)行控制所需的各種信息。本試驗(yàn)臺的傳感與檢測系統(tǒng)的功能由是由編碼器實(shí)現(xiàn)，對其要求是體積小、便于安裝與連接、檢測精度高、抗干擾能力強(qiáng)等。</p>

33、<p>　　由上述5個組成部分在工作時的相互協(xié)調(diào)，共同完成所規(guī)定的目的功能。</p><p>　　綜上所述，本課題所面臨的關(guān)鍵技術(shù)有：編碼器技術(shù)、信息處理技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)、自動控制技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)等。</p><p>　　其中，信息處理技術(shù)是否能及時、準(zhǔn)確的處理工作過程中各種參數(shù)和狀態(tài)以及自動控制有關(guān)的信息輸入、識別、變換、運(yùn)算、存儲、輸出和決策分析等，直接影響到系統(tǒng)工作的

34、質(zhì)量和效率。在機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)臺中，實(shí)現(xiàn)信息處理技術(shù)的主要裝置是控制信息處理器（即控制計(jì)算機(jī)）它能控制和指揮整個設(shè)備的運(yùn)行，是本機(jī)電一體化設(shè)備的核心。</p><p>　　驅(qū)動器主要是執(zhí)行元件和驅(qū)動裝置驅(qū)動器一方面通過接口電路與控制單元相連，接受控制系統(tǒng)的指令；另一方面，通過機(jī)械接口與機(jī)械傳動與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連，以實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動作，因而驅(qū)動器直接影響著本機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的執(zhí)行和操作，對產(chǎn)品的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、操作精度

35、和控制質(zhì)量等產(chǎn)生決定性的影響。</p><p>　　因此控制信息處理器和驅(qū)動器是本機(jī)電一體化設(shè)備組成要素中緊密相連的兩大核心部分。</p><p><b>　　1.3 課題背景</b></p><p>　　XY工作臺可以實(shí)現(xiàn)工作臺在平面坐標(biāo)內(nèi)任意位置的定位，目前市場上的定位裝置大都采用由步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動開環(huán)系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)由微處理器根據(jù)所需要的進(jìn)給

36、速度和進(jìn)給位移輸出一定頻率和數(shù)量的進(jìn)給指令脈沖，經(jīng)過驅(qū)動電路放大后，每一個進(jìn)給脈沖驅(qū)動伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個步距角，再經(jīng)過滾珠絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成工作臺的一個當(dāng)量位移。此類型XY工作臺的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，投資少，但存在以下不足之處：</p><p>　　(1)由于步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動電路本身結(jié)構(gòu)的緣故，系統(tǒng)的功率比較小，電機(jī)轉(zhuǎn)速低，一般不超過1000r/min,影響了定位速度。</p><p>　　(2)

37、系統(tǒng)工作時沒有反饋檢測裝置，一旦定位系統(tǒng)誤差過大或步進(jìn)電機(jī)存在失步現(xiàn)象，就保證不了定位精度。</p><p>　　高檔的XY工作臺一般采用專門的運(yùn)動控制卡或PLC來控制，這些控制裝置定位精度高，可實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動和插補(bǔ)功能。工作臺的運(yùn)動控制采用半閉環(huán)或閉環(huán)伺服系統(tǒng)，機(jī)械傳動系統(tǒng)一般是由伺服電機(jī)通過繞性聯(lián)軸器直接驅(qū)動滾珠絲杠，它的傳動鏈短，傳動摩擦系數(shù)小，可實(shí)現(xiàn)無間隙、高靈敏運(yùn)動。</p><p&g

38、t;　　隨著脈沖技術(shù)的發(fā)展，位移、速度等機(jī)械運(yùn)動量都可以用脈沖技術(shù)來控制， 而用PLC讀入、輸出數(shù)據(jù)也相當(dāng)方便，這就導(dǎo)致了PLC用于運(yùn)動控制的出現(xiàn)與發(fā)展。目前許多品牌的PLC開發(fā)有專用位置控制模塊，如歐姆龍公司的NC111、NC113，西門子公司的FM357，三菱公司的FX2N-10GM、20GM、10PG等?？梢哉f用PLC進(jìn)行運(yùn)動量控制已相當(dāng)成熟，當(dāng)系統(tǒng)不是太復(fù)雜，功能要求也不是太繁多，用PLC進(jìn)行伺服運(yùn)動控制可以代替成本較高的數(shù)控系

39、統(tǒng)。本文通過開發(fā)與研究基于PLC的XY軸伺服運(yùn)動控制裝置,提出XY實(shí)驗(yàn)工作臺定位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路與方法。</p><p><b>　　1.4 課題內(nèi)容</b></p><p>　　1.4.1 設(shè)計(jì)條件</p><p>　　（1）脈沖當(dāng)量是0.001mm；</p><p>　?。?）快進(jìn)速度是1000mm/min；<

40、;/p><p>　?。?）X軸絲杠的行程為200mm；</p><p>　　（4）Y軸絲杠的行程為230mm；</p><p>　　（5）滾珠絲杠的導(dǎo)程為5mm；</p><p>　　（6）工作臺的重量是100kg；</p><p>　?。?）電機(jī)通過聯(lián)軸器直連絲杠;</p><p><b&g

41、t;　　1.4.2設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p>　　（1）確定XY實(shí)驗(yàn)工作臺控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。</p><p>　　（2）進(jìn)行XY實(shí)驗(yàn)工作臺控制系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)。</p><p>　　（3）完成XY軸工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　?。?）成套圖紙（3張A0圖紙）與設(shè)計(jì)說明書。</p><p&

42、gt;　　1.4.3 設(shè)計(jì)要求</p><p>　?。?）能夠精確的實(shí)現(xiàn)工作臺的速度和位置控制；</p><p>　?。?）能夠?qū)崿F(xiàn)工作臺的線性和圓弧等插補(bǔ)運(yùn)動；</p><p>　?。?）能夠監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的錯誤報(bào)警與復(fù)位功能。</p><p><b>　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p>&

43、lt;p>　　2.1 基于PLC的X-Y軸交流伺服運(yùn)動控制裝置總體結(jié)構(gòu) </p><p>　　本課題設(shè)計(jì)的CR400S型X-Y軸伺服運(yùn)動控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置是一款多功能機(jī)電一體化教學(xué)設(shè)備。其實(shí)質(zhì)為數(shù)控銑床，有X，Y兩個直線運(yùn)動坐標(biāo)，即工作臺承擔(dān)運(yùn)動功能為縱向（X軸）和橫向（Y軸）兩個方向的移動，由兩個伺服電機(jī)分別控制。它能夠使工件在一次裝夾后完成安裝面和頂面以外的其余四個面的加工，最適合箱體類工件的加工。<

44、;/p><p>　　2.2 伺服系統(tǒng)的選擇</p><p>　　伺服驅(qū)動系統(tǒng)簡稱伺服系統(tǒng)，是一種以機(jī)械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。它最初用于船舶的自動駕駛、火炮控制和指揮儀中，后來逐漸推廣到很多領(lǐng)域，特別是自動車床、天線位置控制、導(dǎo)彈和飛船的制導(dǎo)等。采用伺服系統(tǒng)主要是為了達(dá)到下面幾個目的：</p><p>　?。?）以小功率指令信號去控制大功率負(fù)載，火炮控制和

45、船舵控制就是典型的例子。</p><p>　?。?）在沒有機(jī)械連接的情況下，由輸入軸控制位于遠(yuǎn)處的輸出軸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距同步傳動。</p><p>　?。?）使輸出機(jī)械位移精確地跟蹤電信號，如記錄和指示儀表等。</p><p>　　一個伺服系統(tǒng)的構(gòu)成一般由上位機(jī)、伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)構(gòu)成：</p><p>　?。?）上位機(jī)：給定伺服指令，如PLC、

46、工控機(jī)、數(shù)控系統(tǒng)等；</p><p>　?。?）伺服驅(qū)動器：接收并處理上位機(jī)的指令，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動角度和速度；</p><p>　?。?）伺服電機(jī)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其自帶的編碼器把電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度和速度反饋給伺服放大器，構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)控制，確保精度。</p><p>　　該課題中的上位機(jī)采用PLC。</p><p>　　對于伺服電機(jī)的控制模式又可以分

47、為以下三類：</p><p>　?。?）轉(zhuǎn)矩控制：轉(zhuǎn)矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設(shè)定電機(jī)軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，可以通過即時的改變模擬量的設(shè)定來改變設(shè)定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應(yīng)的地址的數(shù)值來實(shí)現(xiàn)。主要應(yīng)用在對材質(zhì)的受力有嚴(yán)格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如饒線裝置或拉光纖設(shè)備，轉(zhuǎn)矩的設(shè)定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時更改以確保材質(zhì)的受力不會隨著纏繞半徑的變化而改變。</p>

48、;<p>　?。?）位置控制：位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進(jìn)行賦值。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴(yán)格的控制，一般應(yīng)用于定位裝置。</p><p>　?。?）速度模式：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時速度模式也可以進(jìn)行定位，但必須把

49、電機(jī)的位置信號或直接負(fù)載的位置信號給上位反饋以做運(yùn)算用。位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測位置信號，此時的電機(jī)軸端的編碼器只檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速，位置信號就由直接的最終負(fù)載端的檢測裝置來提供了，這樣的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少中間傳動過程中的誤差，增加整個系統(tǒng)的定位精度。</p><p>　　根據(jù)課題的要求要實(shí)現(xiàn)對工作臺的精確定位和差補(bǔ)功能，故此系統(tǒng)的電機(jī)控制控制方式采用位置/速度控制模式。</p><p>　

50、　2.3 控制系統(tǒng)的選擇</p><p>　　整個系統(tǒng)由GOTF900觸摸屏、FX2N-32MT可編程控制器、FX2N-20GM定位模塊、伺服驅(qū)動器、X和Y軸伺服電機(jī)組成。</p><p>　　其中PLC除了負(fù)責(zé)開關(guān)量輸人信號的處理以及發(fā)出信號控制各外圍設(shè)備的運(yùn)行外，還與觸摸屏、定位模塊進(jìn)行相互通信，實(shí)現(xiàn)定位和插補(bǔ)控制。定位模塊接受觸摸屏傳送的定位參數(shù)以及PLC發(fā)出的調(diào)用程序命令，再向交流

51、伺服驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)出脈沖信號。觸摸屏作為人機(jī)交流界面,執(zhí)行工作方式的選擇、參數(shù)的設(shè)置、信息顯示和故障診斷等工作。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用由伺服驅(qū)動器、交伺服電機(jī)、光電編碼器組成的半閉環(huán)伺服系統(tǒng),伺服驅(qū)動器接受控制系統(tǒng)的位置、速度指令，驅(qū)動伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動。伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠副直接連接，使轉(zhuǎn)動量轉(zhuǎn)換為直線進(jìn)給。檢測裝置光電編碼器與伺服電機(jī)直接連接，可以使伺服電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)動量以脈沖量的形式反饋到伺服驅(qū)動器的偏差計(jì)數(shù)器，通過與設(shè)定位置的比較，再

52、經(jīng)過反饋控制后達(dá)到所需位置。它們組成的系統(tǒng)總體框圖見圖2-1。</p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)總體框圖</p><p>　　2.4 系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定</p><p>　　在機(jī)械運(yùn)動系統(tǒng)中一般可以將運(yùn)動方式分為以下三類：</p><p>　　(1)點(diǎn)位控制系統(tǒng):一個位置移動到另外一個位置，移動過程中不進(jìn)行加工。</p>&l

53、t;p>　　(2)點(diǎn)位直線控制系統(tǒng):能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位的精確移動，還能實(shí)現(xiàn)平行于坐標(biāo)軸的直線加工運(yùn)動。</p><p>　　(3)連續(xù)控制系統(tǒng) :也叫輪郭控制系統(tǒng)（最高級的控制系統(tǒng)）能實(shí)現(xiàn)多個坐標(biāo)軸的同時進(jìn)行連續(xù)控制。</p><p>　　由于該實(shí)驗(yàn)工作臺裝置要求工作臺沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動有精確的運(yùn)動關(guān)系（差補(bǔ)運(yùn)動），因此采用連續(xù)控制方式。</p><p><b&g

54、t;　　3 工作臺的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1工作臺設(shè)計(jì)及計(jì)算</p><p>　　3.1.1 總體方案</p><p>　　工作臺的導(dǎo)軌采用矩形導(dǎo)軌，在與之相配的動導(dǎo)軌滑動面上貼聚四氟乙烯（PT-FE）導(dǎo)軌板。同時采用斜鑲條消除導(dǎo)軌導(dǎo)向面的間隙，在背板上通過設(shè)計(jì)偏心輪結(jié)構(gòu)來消除導(dǎo)軌背面與背板的間隙，并在與工作臺導(dǎo)軌相接觸的斜鑲條接觸面上

55、和背板接觸面上貼塑。</p><p>　　對滾珠絲桿螺母副采用預(yù)緊措施，并對滾珠絲桿進(jìn)行預(yù)拉伸。</p><p><b>　　采用伺服電機(jī)驅(qū)動。</b></p><p>　　（4）采用膜片彈性聯(lián)軸器將伺服電動機(jī)與滾珠絲桿直連。</p><p>　　3．1.2橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p>

56、<b>　　設(shè)計(jì)參數(shù)如下：</b></p><p>　　縱向：工作臺重量：W=1000N</p><p>　　行程：S=230mm</p><p>　　脈沖當(dāng)量：=0.001mm/P</p><p>　　最大進(jìn)給速度：=1m/min</p><p>　　橫向：工作臺重量：W=300N</p&

57、gt;<p>　　行程：S=200mm</p><p>　　脈沖當(dāng)量：=0.001mm/P</p><p>　　最大進(jìn)給速度：=1m/min</p><p>　　3.1.3計(jì)算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力 </p><p><b>　　F0=F=345</b></p><p>　　3

58、.1.4確定進(jìn)給傳動鏈的傳動比i和傳動級數(shù)</p><p>　　取步進(jìn)電動機(jī)的步距角，滾珠絲杠的基本導(dǎo)程，進(jìn)給傳動鏈的脈沖當(dāng)量δ=0.001mm\P，則有</p><p><b>　　式（3.1）</b></p><p>　　按最小慣量條件，查得應(yīng)該采用2級傳動，傳動比可以分別取、。根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，確定各傳動齒輪的齒數(shù)分別為、、、，模數(shù)m=2，齒

59、寬b=20mm。</p><p>　　3.1.5滾珠絲杠的動載荷計(jì)算與直徑估算</p><p>　?。?）按預(yù)期工作時間估算滾珠絲杠預(yù)期的額定動載荷</p><p>　　已知數(shù)控機(jī)床的預(yù)期工作時間，滾珠絲杠的當(dāng)量載荷=345，查表得載荷系數(shù)；初步選擇滾珠絲杠的精度等級為3級精度，取精度系數(shù)；查表得可靠性系數(shù)。取滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速，已知V=1m/min，滾珠絲杠的基本

60、導(dǎo)程，則</p><p>　　式（3.2） 式（3.3）</p><p>　?。?）根據(jù)定位精度的要求估算允許的滾珠絲杠的最大軸向變形。</p><p>　　已知本機(jī)床橫向進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度為16 ,重復(fù)定位精度為40，則有</p><p><b>　　式（3.4）</b></p><p&g

61、t;<b>　　式（3.5）</b></p><p>　　取上述計(jì)算結(jié)果的較小值，即</p><p>　?。?）估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑</p><p>　　滾珠絲杠螺母的安裝方式擬采用一端固定、一端游動支承方式，滾珠絲杠螺母副的兩個固定支承之間的距離為</p><p>　　L=行程+安全行程+2×余程

62、+螺母長度+支承</p><p>　　≈（1.2～1.4）行程+（25～30）</p><p>　　取L=(1.4×200+30×6)mm=460mm</p><p><b>　　式（3.6）</b></p><p>　?。?）初步確定滾珠絲杠螺母副的型號</p><p>　　

63、根據(jù)以上計(jì)算所得的、、和結(jié)構(gòu)的需要，初步選擇南京工藝裝備公司生產(chǎn)的FF型內(nèi)循環(huán)螺母，型號為FF3206-5，其公稱直徑、基本導(dǎo)程、額定動載荷和螺紋底徑如下：</p><p>　　縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與橫向進(jìn)給系統(tǒng)類似，不在此贅述了。</p><p><b>　　3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.2.1 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)

64、</p><p>　　滾珠絲杠螺母副是直線運(yùn)動與回轉(zhuǎn)運(yùn)動能相互轉(zhuǎn)換的新型傳動裝置，在絲杠和螺母上都有半圓弧形的螺旋槽，當(dāng)他們套裝在一起時便形成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有滾珠的回路管道，將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來構(gòu)成封閉的螺旋滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠，當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時，滾珠在滾道內(nèi)既自轉(zhuǎn)又沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動，因而迫使螺母軸向移動。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)采用的是內(nèi)循環(huán)的絲杠螺母副，精度為3級

65、，兩端采用了小圓螺母為軸向定位絲杠螺母副采用的預(yù)緊方式為單螺母消除間隙方法。它是在滾珠螺母體內(nèi)的兩列循環(huán)滾珠鏈之間，使內(nèi)螺紋滾道在軸向產(chǎn)生一個的導(dǎo)程突變量，從而使兩列滾珠在軸向錯位而實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。這種調(diào)隙方法結(jié)構(gòu)簡單，但載荷量須預(yù)先設(shè)定而且不能改變。</p><p>　　3.2.2滾珠絲杠支承的選擇</p><p>　　滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷，徑向載荷主要是臥式絲杠的自重。因此對絲杠的軸

66、向精度和軸向剛度應(yīng)有較高要求，其兩端支承的配置情況有：一端軸向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短絲杠和垂直進(jìn)給絲杠；一端固定一端浮動的方式，常用于較長的臥式安裝絲杠；以及兩端固定的安裝方式，常用于長絲杠或高轉(zhuǎn)速、高剛度、高精度的絲杠，這種配置方式可對絲桿進(jìn)行預(yù)拉伸。因此在此課題中采用兩端固定的方式。</p><p>　　3.2.3軸承的選擇</p><p>　　絲杠中常用的滾動軸承有以

67、下兩種：滾針—推力圓柱滾子組合軸承和接觸角為60°角接觸軸承，在這兩種軸承中，60°角接觸軸承的摩擦力矩小于后者，而且可以根據(jù)需要進(jìn)行組合，但剛度較后者低，目前在一般中小型數(shù)控機(jī)床中被廣泛應(yīng)用。滾針—圓柱滾子軸承多用于重載和要求高剛度的地方。</p><p>　　60°角接觸軸承的組合配置形式有面對面的組合、背靠背組合、同向組合、一對同向與左邊一個面對面組合。由于螺母與絲杠的同軸度在

68、制造安裝的過程中難免有誤差，又由于面對面組合方式，兩接觸線與軸線交點(diǎn)間的距離比背對背時小，實(shí)現(xiàn)自動調(diào)整較易。因此在進(jìn)給傳動中面對面組合用得較多。</p><p>　　在此課題中采用了以面對面配對組合的60°角接觸軸承，組合方式為DDB。以容易實(shí)現(xiàn)自動調(diào)整。滾珠絲杠工作時要發(fā)熱，其溫度高于床身。為了補(bǔ)償因絲杠熱膨脹而引起的定位精度誤差，可采用絲杠預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)，使預(yù)拉伸量略大于熱膨脹量。</p>

69、<p>　　3.2.4 連接方式</p><p><b>　　3-1工作臺連接圖</b></p><p>　　4 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及分類</p><p>　　4.1.1 控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)</p><p>　　計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是用計(jì)算機(jī)

70、通過執(zhí)行其儲存器內(nèi)的程序來完成數(shù)控要求的部分或全部功能，并配有接口電路、伺服驅(qū)動的一種專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，簡稱為CNC（computerized numerical control）系統(tǒng)。</p><p>　　數(shù)控系統(tǒng)硬件是由輸入/輸出裝置、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制裝置（CNC裝置）、伺服系統(tǒng)（驅(qū)動控制裝置）和機(jī)床電器控制裝置四部分組成，機(jī)床本體則為被控對象，如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-

71、1 數(shù)控系統(tǒng)的組成框圖</p><p>　　數(shù)控系統(tǒng)按照外部輸入的數(shù)控加工程序?qū)ぜM(jìn)行自動加工。數(shù)控加工程序記載著數(shù)控加工所需的各種信息，主要包括零件加工的軌跡信息（如幾何形狀與尺寸）、工藝信息（如進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速）和開關(guān)命令（如換刀和切削液開關(guān)等）。</p><p>　　輸入裝置將數(shù)控加工程序及其它信息輸入給數(shù)控裝置，輸出裝置則負(fù)責(zé)將輸出的內(nèi)容和機(jī)床的工作狀態(tài)顯示出來。</p

72、><p>　　數(shù)控裝置（CNC）是數(shù)控系統(tǒng)的核心。他的主要功能是解釋數(shù)控加工程序并對揭示的結(jié)果進(jìn)行各種數(shù)字計(jì)算和邏輯判斷處理，最終將數(shù)控加工程序按兩類控制信息輸出：一類是高速軌跡信息（連續(xù)控制量）,送給伺服驅(qū)動裝置。</p><p>　　伺服系統(tǒng)包括進(jìn)給軸伺服驅(qū)動裝置和主軸伺服驅(qū)動裝置。前者主要對各進(jìn)給軸的位置進(jìn)行控制，后者主要對主軸的進(jìn)給速度進(jìn)行控制。</p><p>

73、;　　機(jī)床電氣控制裝置也位于數(shù)控裝置和機(jī)床本體之間，它接受數(shù)控裝置發(fā)出的開關(guān)命令，主要完成主軸的起停和方向控制、工件的夾緊和放松、切削液的開關(guān)等輔助工作，又可編程控制器和繼電器、接觸器組成。</p><p>　　4.1.2 控制系統(tǒng)的分類</p><p>　　按控制系統(tǒng)是否形成閉合回路分類，可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、全閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　?、?/p>

74、開環(huán)控制系統(tǒng)： 一個控制系統(tǒng)，如果在其控制器的輸入信號中不包含受控對象輸出端的被控量的反饋信號，則為開環(huán)控制系統(tǒng)。這類數(shù)控系統(tǒng)無位置檢測和反饋裝置一般以步進(jìn)電動機(jī)為執(zhí)行元件，其框圖如圖4-2所示。數(shù)控裝置輸出的指令脈沖經(jīng)驅(qū)動電路進(jìn)行功率放大，轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電動機(jī)各定子繞組的電流脈沖信號控制步進(jìn)電動機(jī)的角位移、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向，再經(jīng)機(jī)床傳動機(jī)構(gòu)帶動工作臺移動。開環(huán)控制系統(tǒng)易受各種干擾的影響，精度和速度受限制，其控制精度較低，但結(jié)構(gòu)簡單、成本低，

75、也容易實(shí)現(xiàn)，所以可用在對控制要求不高的小型機(jī)器設(shè)備。目前被廣泛用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)和普通機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)改造。</p><p>　　圖4-2 開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)框圖</p><p>　?、陂]環(huán)數(shù)控系統(tǒng)： 一個控制系統(tǒng)，如果在其控制器的輸入信號中包含來自受控對象輸出端的被控量的反饋信號，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)，或?yàn)榉答伩刂葡到y(tǒng)。這類數(shù)控系統(tǒng)帶有完善的位置檢測和反饋裝置。直接對工作臺執(zhí)行部件的實(shí)際位置進(jìn)行檢測

76、與反饋，并根據(jù)指令位置與實(shí)際位置的偏差對執(zhí)行部件進(jìn)行控制。以直流或交流伺服電動機(jī)作為執(zhí)行元件，數(shù)控系統(tǒng)將工作臺的實(shí)際位移與插補(bǔ)計(jì)算出的理論位移相比較，用兩者的差值進(jìn)行控制，驅(qū)動工作臺向減少誤差的方向移動其框圖如圖4-3所示。由自動控制原理可知，凡是被反饋通道所包圍的前向通道中的所有誤差均能被反饋所補(bǔ)償，因此這種系統(tǒng)可獲得很高的定位精度和移動速度。但前向通道中包括絲杠螺母副、機(jī)床工作臺等大慣性環(huán)節(jié)和帶有機(jī)械傳動間隙的非線性環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)的設(shè)

77、計(jì)和調(diào)試?yán)щy，穩(wěn)定性難以保證。 </p><p>　　圖4-3 全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)框圖</p><p>　?、郯腴]環(huán)控制系統(tǒng)： 這類控制系統(tǒng)是介于開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)之間的一類控制系統(tǒng)，也帶有位置檢測及反饋裝置，但安裝在伺服電動機(jī)或滾珠絲杠軸端的檢測裝置（編碼器），不能直接檢測工作臺的實(shí)際位移，只能檢測到其角位移或轉(zhuǎn)速，工作臺的位移要經(jīng)過計(jì)算間接得到，數(shù)控系統(tǒng)也用實(shí)際位移與理論位移的差值進(jìn)行控制

78、，如圖4-4所示。半閉環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)一樣采用了閉環(huán)反饋控制，由于檢測元件所安裝的位置不同而將機(jī)械系統(tǒng)的大部分機(jī)構(gòu)封閉在反饋環(huán)之外，因此機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度、加工精度與成本等均介于開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)之間，半閉環(huán)控制在普及性數(shù)控系統(tǒng)中被廣泛采用。</p><p>　　圖4-4 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)框圖</p><p>　　本系統(tǒng)采用的是全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，通過編碼器、碼盤等檢測元件對控

79、制卡進(jìn)行位置反饋，從而使用運(yùn)動控制卡對電動機(jī)的速度等參數(shù)實(shí)時的進(jìn)行調(diào)節(jié)，將誤差減少到最小。</p><p>　　4.2 控制系統(tǒng)的選型</p><p>　　4.2.1 可控制編程器（PLC）</p><p>　　傳統(tǒng)的繼電接觸控制系統(tǒng)通常由輸入設(shè)備、控制線路和輸出設(shè)備三大部分組成。PLC及其控制系統(tǒng)是從繼電接觸系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展而來的。它有各種I/O接口、通信

80、接口與外圍設(shè)備，所以功能非常豐富。它的控制部分用微處理器和存儲器取代了繼電器控制電路,其控制作用是通過用戶軟件來實(shí)現(xiàn)的。它以CPU作為微處理器，有豐富的指令系統(tǒng)，可進(jìn)行各式各樣的邏輯問題的處理，還可進(jìn)行各種類型數(shù)據(jù)的運(yùn)算。中高檔的PLC還開發(fā)有NC單元、運(yùn)動單元、位控單元，用來進(jìn)行脈沖量的控制。</p><p>　　本系統(tǒng)中，PLC需要進(jìn)行開關(guān)量與脈沖量控制，所以PLC的選型要綜合開關(guān)量控制所需的I/O點(diǎn)數(shù)及兩軸

81、位置控制的要求等條件。</p><p>　　本系統(tǒng)選擇了三菱FX系列中的FX2N-PLC，除了具有一般的輸入輸出1功能，還具有擴(kuò)展模擬量控制模塊、位置控制模塊等特殊控制功能。FX2N-PLC系列的具有的特點(diǎn)有：</p><p>　　(1)集成性和高性能：CPU、電源、輸入輸出集成在一起，對于基本單元，可以以最小8點(diǎn)為單位連接輸入輸出擴(kuò)展設(shè)備，最大可以擴(kuò)展輸入輸出256點(diǎn)；</p>

82、;<p>　　(2)高速運(yùn)算：一條基本指令運(yùn)算時間約為0.08us；一條應(yīng)用指令運(yùn)算時間約為1.52～數(shù)100us，最高波特率為100K；</p><p>　　(3)寬裕的存儲器規(guī)格：內(nèi)置8000步RAM存儲器，安裝存儲盒后最大可以擴(kuò)展到16000步。</p><p>　　(4)豐富的軟元件范圍：輔助繼電器3072點(diǎn)，定時器256點(diǎn)，計(jì)數(shù)器235點(diǎn)，數(shù)據(jù)寄存器8000點(diǎn)。&l

83、t;/p><p>　　(5)可基于三菱FX系列PLC編程軟件SW0PC-FXGP/WIN-C或三菱通用編程軟件GX Developer編制PLC程序。</p><p>　　在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中可以根據(jù)控制所需的輸入輸出I/O點(diǎn)數(shù)，并在留下一定數(shù)目的備用I/O點(diǎn)數(shù)的情況下，根據(jù)實(shí)際情況選擇FX2N-32MT作為基本控制單元，該型號的PLC有輸入繼電器16點(diǎn)，輸出繼電器16點(diǎn)。PLC中I/O口的分配見

84、表4-1到4-2，輔助繼電器的分配情況見表4-3到4-4，寄存器的分配情況見表4-5。</p><p>　　表4-1 控制X軸與的PLC的I/O端口與對應(yīng)的信號名稱</p><p>　　表4-2 控制Y軸的PLC的I/O端口與對應(yīng)的信號名稱</p><p>　　表4-3 PLC中輔助繼電器分配情況</p><p>　　表4-4 PLC中輔助繼

85、電器分配情況</p><p>　　表4-5 PLC中寄存器的分配情況</p><p>　　4.2.2 定位模塊</p><p>　　定位模塊用于對運(yùn)動部件的位置及速度進(jìn)行控制，可指定若干目標(biāo)位置，并控制其在若干目標(biāo)位置間按一定規(guī)律運(yùn)動。這些規(guī)律是指有確定的起動速度、加速度、運(yùn)行速度、減速度、結(jié)束速度等。按坐標(biāo)分，有單軸、雙軸及多軸。雙軸、多軸的可單獨(dú)控制，又可同步控

86、制。在同步控制的情況下可以進(jìn)行直線和圓弧插補(bǔ)運(yùn)動，這也正是本設(shè)計(jì)中的XY實(shí)驗(yàn)工作臺所要求達(dá)到的設(shè)計(jì)目的。</p><p>　　定位模塊接受PLC指令或觸摸屏傳送的數(shù)據(jù)，向伺服驅(qū)動器輸出脈沖信號。它一方面與PLC進(jìn)行連接，另一方面又通過I/O連接器輸出脈沖及接受少量的開關(guān)量信號。這樣，既可接受PLC的有關(guān)控制命令，并存于自身的內(nèi)存中，又可接受開關(guān)量輸入信號,如極限位置信號、原點(diǎn)信號等，以便自身的CPU進(jìn)行處理，并依

87、處理結(jié)果控制脈沖發(fā)生器輸出脈沖。同時，在PLC的輸入輸出刷新時，能夠及時收到來至PLC的新命令，同時也能夠反饋一些信息給PLC。</p><p>　　定位模塊的工作過程可概括為準(zhǔn)備數(shù)據(jù)→傳送數(shù)據(jù)→起動命令。定位模塊可通過與操作規(guī)格和控制規(guī)格相一致的參數(shù)設(shè)定來滿足各方面的需求。它的每一個參數(shù)被分配在一個特殊數(shù)據(jù)寄存器中。在運(yùn)行時，特殊數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)可使用定位程序來改變。電源變?yōu)镺N時，特殊數(shù)據(jù)寄存器被參數(shù)存儲器

88、中的數(shù)據(jù)初始化。</p><p>　　4.2.2.1定位模塊的選型</p><p>　　FX2N系列配備了可以完成復(fù)雜控制、多軸和插補(bǔ)控制的定位專用模塊，來支持定位控制。單軸位控單元有FX2N-10GM、10PG、1PG-E等，雙軸位控單元有FX2N-20GM。</p><p>　　本系統(tǒng)選用FX2N-20GM定位模塊。FX2N-20GM是輸出脈沖序列的專用單元,允

89、許用戶使用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)并通過驅(qū)動單元來控制定位。因?yàn)槠浔旧碜詭PU，故即可以單獨(dú)工作，當(dāng)作為一種特殊功能模塊連FX2N系列PLC上時, 與PLC之間使用FROM和TO 指令傳遞數(shù)據(jù)與命令。FX2N-10GM具有以下特點(diǎn)：</p><p>　　(1)不僅能處理單速定位和中斷定位，而且能進(jìn)行多速運(yùn)行等復(fù)雜的控制；</p><p>　　(2)可以不連接PLC，單獨(dú)運(yùn)行；</p>

90、;<p>　　(3)1個定位模塊可以控制2根軸，F(xiàn)X2N系列PLC中最多可以連接8臺定位模塊，可以控制多個獨(dú)立軸；</p><p>　　(4)最大可以輸出200HZ脈沖串，插補(bǔ)期間可以輸出100HZ脈沖串。</p><p>　　(5)配備了絕對位置檢測功能和與手動脈沖發(fā)生器連接的功能；</p><p>　　(6)可以用流程圖式的編程軟件FX-PCS-V

91、PS/WIN-E開發(fā)可視化定位程序。</p><p>　　4.2.2.2 FX2N-20GM定位模塊的主要控制信號</p><p>　　FX2N-20GM定位模塊的主要控制信號的功能和意義見表4-6。</p><p>　　表4-6 主要控制信號的功能和意義</p><p><b>　　續(xù)表4-6</b></p>

92、;<p><b>　　4.2.3觸摸屏</b></p><p>　　觸摸屏作為人機(jī)對話界面，以軟操作面板取代了硬操作面板的大部分功能，現(xiàn)場接線簡單、操作方便、故障率低、在高檔機(jī)電設(shè)備的控制中應(yīng)用越來越廣。根據(jù)控制要求，系統(tǒng)采用了三菱GOT-F900系列中的12.1英寸256色A985GOT-TBA觸摸屏。該系列觸摸屏是三菱電機(jī)開發(fā)的一種性能優(yōu)越的觸摸屏，可在其屏幕上實(shí)現(xiàn)觸摸鍵操

93、作、數(shù)據(jù)顯示、消息顯示等各種功能?？梢酝ㄟ^畫面設(shè)計(jì)將系統(tǒng)程序運(yùn)行的各種狀態(tài)展現(xiàn)在操作人員面前，操作和維護(hù)非常方便。該系列觸摸屏大幅度提高了GOT的綜合性能。 </p><p>　　該型號的觸摸屏裝有人體感測器和CRT界面，同時具有音頻輸出功能、梯形圖監(jiān)視功能、系統(tǒng)監(jiān)視功能、網(wǎng)路監(jiān)控功能與特殊模組監(jiān)控功能。</p><p>　　4.3伺服電動機(jī)設(shè)計(jì)</p><p>　

94、　4.3.1 交流伺服電機(jī)的分類和特點(diǎn)</p><p>　　1）異步交流伺服電動機(jī)（IM）</p><p>　　異步型交流伺服電動機(jī)指的是交流感應(yīng)電動機(jī)，它有三相和單項(xiàng)之分，也有鼠籠式和線繞式之分，通常多用鼠籠式三相感應(yīng)電動機(jī)。其結(jié)構(gòu)簡單，與同容量的直流電動機(jī)相比，質(zhì)量約減輕1/2，價格僅為直流電動機(jī)的1/3。缺點(diǎn)是不能經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)范圍較廣的平滑調(diào)速，必須從電網(wǎng)吸收滯后的勵磁電流；因而令電網(wǎng)功

95、率因數(shù)變壞。</p><p>　　2）同步型交流伺服電動機(jī)（SM）</p><p>　　同步型交流伺服電動機(jī)雖較感應(yīng)電動機(jī)復(fù)雜，但比直流電動機(jī)簡單。它的定子與與感應(yīng)電動機(jī)一樣，都在定子上裝有對稱三相繞組。而定子卻不同，按不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又分電磁式和非電磁式兩大類。非電磁式又分磁滯式、永磁式和反應(yīng)式多種。其中磁滯式和反應(yīng)式同步電動機(jī)存在效率低、功率因數(shù)較差、制造容量不大等缺點(diǎn)。數(shù)控機(jī)床中多用永

96、磁式反應(yīng)異步電動機(jī)。與電磁式相比，用磁式優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、效率較高；缺點(diǎn)是體積大、啟動性能欠佳。它與異步電動機(jī)相比，由于采用了永磁鐵勵磁，消除了勵磁損耗及有關(guān)的雜散損耗。所以效率高。又因?yàn)闆]有電磁式同步電動機(jī)所需的集電環(huán)和電刷等，其機(jī)械可靠性與感應(yīng)電動機(jī)相同，而功率因數(shù)卻大大高于異步電動機(jī)，從而使永磁同步電動機(jī)的體積比異步電動機(jī)小些。這是因?yàn)樵诘退贂r，感應(yīng)電動機(jī)由于功率因數(shù)低，輸出同樣的功率時，它的視在功率卻要大得多，而電動機(jī)主

97、要尺寸是據(jù)視在功率而定的。</p><p>　　交流永磁同步電動機(jī)有以下性能：</p><p>　　交流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性比直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性要硬，其直線更為接近水平線。另外，其斷續(xù)工作區(qū)范圍更大，尤其是高速區(qū)，這有利于提高電動機(jī)的加速能力。</p><p>　　永磁同步伺服電動機(jī)具有高可靠性。用電子逆變器取代了直流電動機(jī)的換向器和電刷，工作壽命由軸承決定。

98、因無換向器及電刷。也省去了此項(xiàng)目的保養(yǎng)及維護(hù)。</p><p>　　主要損耗在定子繞組與鐵心上，故散熱容易，便于安裝熱保護(hù)；直流電動機(jī)損耗主要在轉(zhuǎn)子上，散熱困難。</p><p>　　在機(jī)床控制上，異步伺服多用于主軸傳動，而機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)多用同步電機(jī)。由于CR400S系統(tǒng)模擬的是機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)，所以采用永磁同步驅(qū)動電機(jī)。</p><p>　　4.3.2 交流伺服電機(jī)

99、的控制方式</p><p>　　圖4-9交流伺服電機(jī)控制圖</p><p>　　目前常用的交流伺服驅(qū)動器多為智能型驅(qū)動器，即除了電流放大作用外，也存在簡單的控制功能。一般的永磁同步伺服電動機(jī)即AC伺服電動機(jī)有位置（脈沖）控制、速度（模擬量）控制和轉(zhuǎn)矩（模擬量）控制以及復(fù)合控制，控制方式的選擇取決于系統(tǒng)的要求。它們的主要區(qū)別在于控制信號是一個什么指令以及使用的哪一環(huán)進(jìn)行閉環(huán)。位置控制時，控制

100、信號是一個位置指令，速度環(huán)2、電流環(huán)1都是內(nèi)環(huán)；速度控制時，控制信號是一個速度指令，位置環(huán)1沒有接進(jìn)來；轉(zhuǎn)矩控制時，控制信號是一個轉(zhuǎn)矩（電流）指令，位置環(huán)1和速度環(huán)2都未接入。復(fù)合控制用于一些特殊場合，或者先做位置，后做速度控制，或者先做速度，后做轉(zhuǎn)矩控制。由于控制方式不同，控制信號及驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置，外部接線都不一樣。位置控制信號大都是脈沖加方向信號，而速度和轉(zhuǎn)矩指令大都是模擬電壓信號。如上圖4-9所示。</p><

101、p>　　4.3.3 X-Y軸伺服電機(jī)的選型</p><p>　　4.3.3.1 已知條件</p><p>　　工作臺在X方向的行程為200mm，Y軸行程為230mm，絲杠的總長，快進(jìn)速度是1000 mm/min，絲杠的導(dǎo)程，絲杠的直徑為D2=10mm，工作臺的重量，電機(jī)通過聯(lián)軸器直連絲杠，其傳動比，驅(qū)動系統(tǒng)效率，系統(tǒng)摩擦系數(shù)。</p><p>　　4.3.3.

102、2 選型計(jì)算</p><p><b>　　1）電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速</b></p><p><b>　　式（4.1）</b></p><p>　　式中 ——電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速（r/min）；</p><p>　　——工作臺的快進(jìn)速度（mm/min）；</p><p>　　——絲杠

103、的導(dǎo)程（mm）；</p><p><b>　　——傳動比。</b></p><p><b>　　2）加減速時間常數(shù)</b></p><p>　　設(shè)定位時間內(nèi)，調(diào)整時間，加速時間與減速時間相等，通過計(jì)算可得加減速時間為：</p><p><b>　　式（4.2）</b></

104、p><p>　　式中 ——加速時間常數(shù)（s）；</p><p>　　——減速時間常數(shù)（s）；</p><p>　　——調(diào)整時間（s）；</p><p>　　——工作臺的快進(jìn)速度（mm/min）；</p><p>　　——絲杠的總長（mm）。</p><p><b>　　3）負(fù)載轉(zhuǎn)矩

105、</b></p><p><b>　　式（4.3）</b></p><p>　　式中 ——工作臺的負(fù)載慣量（）；</p><p>　　——工作臺的重量（kg）；</p><p>　　——X軸絲杠的導(dǎo)程（mm）。</p><p>　　4）負(fù)載慣量（轉(zhuǎn)換為伺服電機(jī)軸上的等效值）&l

106、t;/p><p>　　負(fù)載慣量是由絲杠的慣量和工作臺的慣量兩部分組成的，計(jì)算如下：</p><p><b>　　工作臺的慣量 </b></p><p><b>　　式（4.4）</b></p><p><b>　　絲杠的慣量</b></p><p><

107、;b>　　式（4.5）</b></p><p>　　式中 ——鋼的密度，一般?。?lt;/p><p>　　——X軸絲杠的慣量（）；</p><p>　　——X軸絲杠的總長度（mm）；</p><p>　　——X軸絲杠的直徑（mm）。</p><p>　　故X軸上總的負(fù)載慣量：</p>

108、<p>　　式中 ——X軸總的負(fù)載慣量（）；</p><p>　　——X軸絲杠慣量（）；</p><p>　　——工作臺慣量（）。</p><p>　　5）伺服電機(jī)的臨時選擇</p><p>　　伺服電機(jī)的選擇必須符合以下兩個條件</p><p>　?、僮畲筠D(zhuǎn)速<伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速</p>

109、;<p>　?、跐M負(fù)載慣量<2.5·伺服電機(jī)慣量</p><p>　　綜上所述，根據(jù)三菱電機(jī)選型手冊，臨時選擇HF-KP13型的伺服電機(jī)。其相關(guān)參數(shù)見表4-7。</p><p>　　表4-7 HF-KP13伺服電機(jī)相關(guān)參數(shù)</p><p><b>　　6）加速及減速轉(zhuǎn)矩</b></p><p&g

110、t;　　加速期間伺服電機(jī)要求的轉(zhuǎn)矩TXMA =0.84N/m</p><p>　　減速期間伺服電機(jī)要求的電機(jī)轉(zhuǎn)矩TXMD=0.33N/m</p><p>　　式中 ———負(fù)載慣量；</p><p>　　——伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量；</p><p>　　——伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速；</p><p><b>　　—

111、—加速時間常數(shù)；</b></p><p><b>　　——減速時間常數(shù)。</b></p><p>　　7）連續(xù)有效負(fù)載轉(zhuǎn)矩</p><p><b>　　式（4.6）</b></p><p>　　式中 ——加速期間伺服電機(jī)要求的轉(zhuǎn)矩；</p><p>　　—

112、—減速期間伺服電機(jī)要求的轉(zhuǎn)矩；</p><p><b>　　——加速時間常數(shù)；</b></p><p><b>　　——減速時間常數(shù)；</b></p><p><b>　　——負(fù)載轉(zhuǎn)矩；</b></p><p>　　——平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)時間常數(shù)；</p><p>

113、;　　t——運(yùn)行周期，取1.7s。</p><p><b>　　8）電子齒輪計(jì)算</b></p><p>　　“電子齒輪”是電機(jī)編碼器反饋脈沖與指令脈沖的一個比值，即“指令脈沖倍率”是伺服系統(tǒng)的一個重要參數(shù)。它的設(shè)定范圍基準(zhǔn)是。</p><p>　　電子齒輪比的公式為：</p><p>　　式中 CMX——電子齒

114、輪分子；</p><p>　　CDV——電子齒輪分母；</p><p>　　——伺服電機(jī)轉(zhuǎn)一圈絲杠的行程（mm）；</p><p>　　——伺服電機(jī)編碼器分辨率（p/rev）；</p><p><b>　　n——傳動比；</b></p><p>　　——絲杠的導(dǎo)程（mm）。</p>

115、<p>　　由于低于伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，故X軸選用HF-KP13型伺服電機(jī)。</p><p>　　Y軸伺服電機(jī)與X軸伺服電機(jī)相同，選用HF-KP13型伺服電機(jī)。</p><p><b>　　4.4 伺服驅(qū)動器</b></p><p>　　4.4.1 伺服驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)</p><p>　　根據(jù)三菱伺服電機(jī)手冊，選