基于plc的单轴数控运动系统设计-郭慧.doc

1、1第一章 单轴数控运动系统的应用领域及特点1.1 单轴数控运动系统的基本概念单轴数控运动系统就是在一个时段内只能控制一个轴运动的运动系统，如点位数控运动系统和直线直线数控运动系统。在点位数控系统中，数控系统仅控制机床运动部件从一点尊却得移动到另一点，在移动过程中不进行加工。在直线数控系统中，除了控制运动部件从一个点到另一点的准确定位外，还要控制两点之间的运动速度和运动轨迹。在移动过 程中，刀具只能以制定的进给速度切屑，且运动轨迹平行于机床坐标。1.2 单轴数控系统的运用领域单轴数控的应用范围很广，如钻床、拉床等，其特点是:机床移动部件能实现由一个位置到另一个位置的精确移动,即准确控制移动部件的

2、终点位置, 在移动过 程中刀具不切削工件。实现数控系统点位控制的方法。最常见的例如钻床类的摇臂钻床，它操作方便灵活、适用范围广、具有典型性，适用于单件中或批量生产中带有许多孔的大型零件的孔加工，我国摇臂钻床的电气控制系统普遍采用的是传统的继电器接触器控制方式。因其所要控制的电机较多所以电路较复杂，在日常的生产作业当中，经常发生电气故障，从而影响生产。另外，一些复杂的控制如;时间、计数控制用继电器 接触器控制方式较难实现，所以，有必要对传统电气控制系统进行改进设计。PLC 电气控制系统可以有效的弥补上述系统的这一缺陷。可编程逻辑控制器简称 PLC，是从早期的 继电 器逻辑电气控制系2统发展而来，

3、它不断吸收微型计算机控制技术，使之功能不断增强，逐渐适合复杂的电气控制系统，PLC 之所以有 较强的生命力，在于它更加适应工业现场和市场要求。可靠性高，抗干扰能力强，编程方便，价格低，寿命长。与 单片机相比，可靠性高、功能比较丰富、能在各种不同的控制场合使用，它的输入/输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件，这样可以大大节省用户的开发时间与生产成本。现在应用于各种工业控制领域的 PLC 种类繁多，规模大小和功能强弱千差万别，但她们具有以下一些共同的特点.可靠性高。可靠性是用户的首选要求，目前各厂家生产的 PLC，平均无故障时间都大大超过 IEC 规定的 10 万小时，例如：西门子、ABB

4、、松下三菱等微小型 PLC，而且都有完善的自诊断功能，判断故障的迅速。灵活组态。PLC 是系列化 产品。通常采用模 块化结构来完成不同的任务组合。 输入输出端口选择灵活，有多种机型，组合方便。功能强大。除基本的逻辑控制、定时、 计数、算 术运算功能外，配合特殊功能模块还可实现点位控制、PTO 运算、过程运算、数字控制等功能，为 方便工厂管理又可以与上位机通信，通过远程模块可以控制远程设备。因此 PLC 几乎是全能的工业控制 计算机。编程方便、易于使用。PLC 的编程可采用与 继电器极为相似的梯形 图语言，直观易懂，深受现场电气人员的欢迎。近年来又发展了面向对象的顺控制流程图语言，使 编程更加简

5、单方便。运行速度快。传统的机电接触电气控制系统通过大量触点的机械3动作进行控制，速度很慢，而且系统愈大速度愈慢。PLC 的控制速度则由 PLC 与 PC 机之间的差别越来越小。同时，PLC 还具备了网 络功能。能进行多台 PLC 或 PLC 与 PC 机之间的联网通讯，使用 PLC 可以很方便的构成 “集中管理、分散控制”的分布式电气控制系统，通过现场总线的 PLC 通讯网络、可使工厂的各种资源共享，就更适合于工厂自动化的需要，为工厂自动化提供了技术保证。正是由于 PLC 电气控制系统的种种优点，可以大大提高单轴数控设备的工作稳定性，为工业生产的现代化带来生机，同时，提高了PLC 编 程水平和

6、 时间能力，为今后在实际工作中熟 练使用 PLC 进行工业系统的设计打好基础。1.3单轴数控运动系统的特点1.3.1 高速、高精密化高速、精密是机床发展永恒的目标。随着科学技术突飞猛进的发展，机电产 品更新换代速度加快，对零件加工的精度和表面质量的要求也愈来愈高。为满足这个复杂多变市场的需求，当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。另一方面，电主 轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。数控车床采用电主轴，取消了皮带、带轮和齿轮

7、等环节，大大4减少了主传动的转动惯量，提高了主轴动态响应速度和工作精度，彻底解决了主轴高速运转时皮带和带轮等传动的振动和噪声问题。采用电主轴结构可使主轴转速达到 10000r/min 以上。直线电机驱动速度高，加减速特性好，有优越的响应特性和跟随精度。用直线电机作伺服驱动，省去了滚珠丝杠这一中间传动环节，消除了传动间隙（包括反向间隙），运动惯量小，系统刚性好，在高速下能精密定位，从而极大地提高了伺服精度。直线滚动导轨副，由于其具有各向间隙为零和非常小的滚动摩擦，磨损小，发热可忽略不计，有非常好的热稳定性，提高了全程的定位精度和重复定位精度。通过直线电机和直线滚动导轨副的应用，可使机床的快速移动

8、速度由目前的 1020m/mim 提高到 6080m/min，甚至高达120m/min。1.3.2 高可靠性数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。数控机床能否发挥其高性能、高精度和高效率，并获得良好的效益，关键取决于其可靠性的高低。1.3.3 智能化、网络化、柔性化和集成化21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统。智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能

9、化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智5能监控等方面的内容，以方便系统的诊断及维修等。网络化数控装备是近年来机床发展的一个热点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式，如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床）、线（FMC 、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制造岛、FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展

10、的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标，注重加强单元技术的开拓和完善。CNC 单机向高精度、高速度和高柔性方向发展。数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与 CAD、CAM、CAPP 及 MTS 等联结，向信息集成方向发展。网络系统向开放、集成和智能化方向发展。6第二章 可编程控制器（PLC）与步进电机2.1 可编程控制器起源与特点2.1.1 可编程控制器起源20 世纪是人类科学技术迅猛发展的一个世纪，电气控制技术也由继电器控制过渡到计算机控制系统。各种工业用计算机控制产品的出现， 对提高机械设备的自动控制性能起到了关键的作用。进入

11、 21世纪，各种自 动控制产品的出现正向着控制可靠，操作简单，通用强，价格低的方向发展，使自动控制的实现越来越容易。自动控制装置的研究，是为了最大限度在满足人们及机械设备的要求。曾一度在控制领域占主导位置的继电器控制系统，存在着控制能力弱，可靠性低的缺点，并且设备的固定接线控制装置不利于产品的更新换代。 20 世纪 60 年代末期，在技术改革浪潮产冲击下，使汽车结构及外形为断改进，品种不断增加，需要经常变更生产工艺。这就希望在控制成本的前提下，尽可能缩短产品的更新换代周期，以满足生产的需求，使企业在激烈的市场竞争中取胜。2.1.2 可编程控制器的主要特点(1) 可靠性高，抗干扰 能力强。由于采

12、用大规模集成电路和微处理器，使系统 器件数大大减少，并且在硬件的设计和制造的过程中采取了一系列隔离和抗干扰措施，使它能适应恶劣的工作环境，具有很高的可靠性。(2) 编程简单，使用方便。目前大多数 PLC 均采用梯形图编程言，沿用了继电接触控制的一些图形符号，直观清晰，易于掌握。(3) 通用性好，具有在线修改能力。PLC 硬件采用模块化结构，可以灵活地组态以适应不同的控制对象，控制规模和控制功能的要求。且可通过修改软件，来实现在线修改的能力，因此其功能易于扩展，具有广泛的工业通用性。7(4) 缩短设计 、施工、投产的周期，维护容量。目前 PLC 产品朝着系列化、标 准化方向发展，只需根据控制系统

13、的要求，选用相应的模块进行组合设计，同时用软件编程代替了继电控制的硬连线，大大减轻了接线工作，同时 PLC 还具有故障检测和 显示功能，使故障处理时间缩短。(5) 体 积小，易于实现机电一体化。PLC 体 积小，重量轻，便十安装。的结构紧凑，它与被控制对象的硬件连接方式简单、接线少，便于维护。2.2 可编程控制器的语言特点和形式2.2.1 语言特点1、图形式指令结构:程序由图形方式表达，指令由不同的图形符号组成，易于理解和记忆。系 统 的软件开发者已把工业控制中所需的独立运算功能编制成象征性图形，用 户根据自己的需要把这些图形进行组合，并填入适当的参数。在逻辑运算部分，几乎所有的厂家都采用类似

14、于继电器控制电路的梯形图，很容易接受。如西门子公司还采用控制系统流程图来表示，它沿用二进制逻辑元件图形符号来表达控制关系，很直观易懂。较复杂的算术运算、定时计数等，一般也参照梯形图或逻辑元件图给于表示，虽 然象征性不如逻辑运算部分，也受用户欢迎。2.明确的变量常数:图形符相当于操作码，规定了运算功能，操作数由用户填人，如:8K400, T120 等。 PLC 中的 变量和常数以及其取值范围有明确规定，由产品型号决定，可查阅产品目录手册。3.简化的程序结构:PLC 的程序 结构通常很简单，典型的 为块 式结构，不同块完成不同的功能，使程序的调试者对整个程序的控制功能和控制顺序有清晰的概念。4.简

15、化应用软件生成过程:使用汇编语言和高级语言编写程序，要完成编辑、编译和连接三个过程，而使用编程语言，只需要编辑一个过程，其余由系统软件自动完成,不要求用户有高深的软件设计能力。5.强化调试手段:无论是汇编程序，还是高级语言程序调试，都是令编辑人员头疼的事，而 PLC 的程序调试 提供了完备的条件，使用编程器，利用 PLC和编程器上的按键、显示和内部编辑、调试、监控等，并在软件支持下，诊断和调试操作都很简单。总之，PLC 的编程 语言是面向用户的，对 使用者不要求具备高深的知识、不需要 长时间的专门训练。2.2.2 编程语言的形式PLC 最常用的两种编程语言，一是梯形图，二是助记符语言表。采用梯

16、形图编程，因 为它直观易懂，但需要一台个人计算机及相应的编程软件;采用助记符形式便于 实验，因为它只需要一台 简易编程器，而不必用昂贵的图形编程器或计算机来编程。虽然一些高档的 PLC9还具有与计算机兼容的 C 语言、BASIC 语言、 专用的高级语言( 如西门子公司的 GRAPH5、三菱公司的 MELSAP )，还有用布尔逻辑语言、通用计算机兼容的汇编语言等。不管怎么样，各厂家的编程语言都只能适用于本厂的产品。1、编程指令:指令是 PLC 被告知要做什么，以及怎样去做的代码或符号。从本质上讲，指令只是一些二进制代码，这点 PLC 与普通的计算机是完全相同的。同时 PLC 也有编译系统，它可以

17、把一些文字符号或图形符号编译成机器码，所以用户看到的 PLC 指令一般不是机器码而是文字代码，或图形符号。常用的助记符语句用英文文字( 可用多国文字)的 缩写及数字代表各相 应指令。常用的图形符号即梯形图，它类似于电气原理图是符号，易为电气工作人员所接受。2、指令系统:一个 PLC 所具有的指令的全体称为该 PLC 的指令系统。它包含着指令的多少，各指令都能干什么事，代表着 PLC 的功能和性能。一般讲，功能强、性能好的 PLC，其指令系 统必然丰富，所能干的事也就多。我们在编程之前必须弄清 PLC 的指令系统3、程序:PLC 指令的有序集合，PLC 运行它，可 进行相应的工作，当然，这里的程

18、序是指 PLC 的用户程序。用 户程序一般由用户设计，PLC 的厂家或代销商不提供。用 语句表达的程序不大直观，可读性差，特别是较复杂的程序，更难读，所以多数程序用梯形图表达。4、梯形图:梯形图是通过连线把 PLC 指令的梯形图符号连接在一起的连通图，用以表达所使用的 PLC 指令及其前后顺序，它与电气原理图很相似。它的连线有两种:一为母线，另一为内部横竖线。内部10横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组，这个指令组一般总是从装载(LD)指令开始，必要 时再继以若干个 输入指令 (含 LD 指令) ，以建立逻辑条件。最后为输出类指令，实现输出控制，或为数据控制、流程控制、通讯处理、监控工作

19、等指令，以 进行相应的工作。母线是用来连接指令组的。梯形图与助记符的对应关系:助记符指令与梯形图指令有严格的对应关系，而梯形图的连线又可把指令的顺序予以体现。一般讲，其顺序为:先输入，后 输出 (含其他处理);先上，后下;先左，后右。有了梯形图就可将其翻译成助记符程序。反之根据助记符，也可画出与其对应的梯形图。梯形图与电气原理图的关系:如果仅考虑逻辑控制，梯形图与电气原理图也可建立起一定的对应关系。如梯形图的输出(OUT)指令，对应于继电器的线圈，而输入指令(如 LD, AND, OR)对应于接点，互锁指令(IL, ILC)可看成总开关，等等。这样，原有的继电控制逻辑，经转换即可变成梯形图，再进一步转换，即可变成语句表程序。有了这个对应关系，用 PLC 程序代表 继电逻辑是很容易的。这也是 PLC 技术对传统继电控制技术的继承。2.3 步进电机介绍步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为 “步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同