1、 图 书 分类号： 密 级： 毕业设计 (论文 ) 基于 PLC 的 xy 轴交流伺服运动控制装置 THE XY AXIS AC SERVO MOTION CONTROL DEVICE BASED ON THE PLC 学生姓名 学院名称 机电工程学院 专业名称 机械设计制造及其自动化 指导教师 年 月 日 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) I 徐州工程学院学位论文原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注 明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均
2、已在文中以明确方式标注。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 日期： 年 月 日 徐州工程学院学位论文版权协议书 本人完全了解徐州工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归徐州工程学院所拥有。徐州工程学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电 子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。徐州工程学院可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年
3、 月 日 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) I 摘要 传统的运动控制系统由于其封闭式的结构、控制软件的兼容性差、容错性和可靠性差、缺少网络功能等缺陷，已不能满 足现代运动控制的要求。现代运动控制技术是计算机技术、传感技术、电力电子技术和机械工程技术等的继承和综合应用，用于机械传动的自动化和智能化的创建，对机械传动的运动位置、运动轨迹和各种运动参数进行实时的控制和管理。本设计的主要工作是对机电一体化教学设备的控制系统的设计，该设计以对加工中心的设计方法及步骤为主线展开设计，包括控制系统总体设计，系统软件、硬件的选择，系统的调试等内容。设计硬件如下：信息处理和控制由 PLC系统完成；驱动元件为国内
4、自行设计、自主开发、自有工厂制造的全数字式 MR-J3-10A 交流伺服驱动器 ；执行机构是 HF-KP13交流伺服电机；机械本体为一个两维的 X-Y工作平台，是工业应用中最典型的控制对象之一；反馈检测元件为编码器。 关键词 交流伺服；运动控制； PLC系统； 检测元件； 编码器 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) II Abstract Because of its closed-end structure, poor compatibility, fault tolerance and reliability of control software, traditional motion c
5、ontrol system has many deficiencies to meet the requirements of modern motion control. Modern motion control technology is the inheritance and integrated application of computer technology, sensor technology, power electronic technology and mechanical engineering technology, be used for automated me
6、chanical transmission and intelligent creation, the movement of the mechanical transmission, trajectory and motion parameters in real-time control and management. The main work of this design is the integration of teaching equipment, mechanical and electrical control system design, experimental equi
7、pment as the teaching areas are vertical machining center, so the design of the machining centers design and the steps to design the main line, including the control system design, system software, hardware selection, system debugging and so on. Hardware design is as follows: drive components for th
8、e domestic self-designed, developed, manufactured its own full-digital MR-J3-10A AC servo drive; executing agency is the HF-KP13 AC servo motor; mechanical body for a two-dimensional XY work platform, is the most typical industrial application of the control object; feedback detection devices for th
9、e encoder. Keywords AC servo motion contro detection device encoder徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 1 目 录 摘要 . I Abstract . II 1.1 课题研究的目的和意义 . 3 1.2 机电一体化系统概述 . 3 1.3 课题背景 . 4 1.4 课题内容 . 5 1.4.1 设计条件 . 5 1.4.2 设计内容 . 5 1.4.3 设计要求 . 6 2 系统设计 . 7 2.1 基于 PLC 的 X-Y 轴交流伺服运动控制装置总体结构 . 7 2.2 伺服系统的选择 . 7 2.3 控制系统的选择 . 8 2
10、.4 系统运动方式的确定 . 8 3 工作台的设计 . 9 3.1 工作台设计及计算 . 9 3.1.1 总体方案 . 9 3 1.2 横向进给系统的设计计算 . 9 3.1.3 计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 . 9 3.1.4 确定进给传动链的传动比 i 和传动级数 . 9 3.1.5 滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算 . 9 3.2 结构设计 . 10 3.2.1 滚珠丝杠螺母副的设计 . 10 3.2.2 滚珠丝杠支承的选择 . 11 3.2.3 轴承的选择 . 11 3.2.4 连接方式 . 11 4 控制系统硬件结构设计 . 12 4.1 控制系统组成结构及分类 . 12 4.1.1
11、 控制系统组成结构 . 12 4.1.2 控制系统的分类 . 12 4.2 控制系统的选型 . 14 4.2.1 可控制编程器（ PLC） . 14 4.2.2 定位模块 . 16 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 2 4.2.3 触摸屏 . 18 4.3 伺服电动机设计 . 18 4.3.1 交流伺 服电机的分类和特点 . 18 4.3.2 交流伺服电机的控制方式 . 19 4.3.3 X-Y 轴伺服电机的选型 . 20 4.4 伺服驱动器 . 22 4.4.1 伺服驱动器的结构 . 23 4.4.2 伺服驱动器与伺服电机的连接 . 23 4.5 控制系统参数设置 . 23 4.6 系统电气
12、电路的设计与实现 . 25 4.7 机电一体化系统检测元件选择 . 27 4.7.1 数控机床测量系统的分类与特点 . 27 4.7.2 常用的测量元件 . 27 4.7.3 码盘、光栅尺的选择 . 28 4.7.4 编码器测速原理及保证回零精度的工作原理 . 28 5 系统程序设计 . 30 5.1.PLC 与定位模块的通信 . 30 5.1.1 指定程序号 . 30 5.1.2 PLC 对定位模块 FX2N-20GM 工作参数的写入 . 30 5.1.3 PLC 对定位模块 FX2N-20GM 操作指令的读取 . 32 5.2 PLC 对伺服驱动器 ABS（绝对）数据的读取 . 32 5.
13、3 定位模块中插补程序的编写及调用 . 32 5.4 系统的报警与复位 . 35 5.5 触摸屏画面的设计 . 35 结论 . 37 致谢 . 38 参考文献 . 39 附录 . 40 附录 1 . 40 附录 2 . 43 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 3 1 绪论 1.1 课题研究的目的和意义 本设计的主要工作是对机电一体化教学设备的控制系统的设计。机电一体化技术是一项在机械的主功能、动力功能、信息与控制功能上引进了电子技术，是将机械、电子等技术有机结合综合 运用的新兴技术。该技术主要涉及精密机械、自动控制、检测传感、信息处理、伺服传动、计算机等相关领域。 机电一体化技术的日新月异使高
14、等学校和职业学校在教学实践上面临着新的挑战。传统的机电一体化教学理论教学内容很多，而学生实验很少甚至没有，即使有也是针对于使用和操作机电设备，学生缺少在实践动手中联系理论知识的机会。比如讲到伺服控制中的三环：位置环、速度环、电流环的理论知识，老师讲了很多，但学生却缺少相应实验自己去操作从感性上认识加深这些理论知识，这样就使得毕业生走上社会以后面临重重困难，难以适应工作岗位的具体要求 。 通用运动控制技术已逐步发展成为一种高度集成化的技术，不但包含通用的多轴速度、位置控制技术，而且与应用系统的工艺条件和技术要求紧密相关。事实上，应用系统的技术要求，特别是一个行业的工艺技术要求也促进了运动控制器的
15、功能的发展。通用运动控制器的许多功能都是同工艺技术要求密切相关的，通用运动控制器的应用不但简化了机械结构甚至简化了生产工艺。通用运动控制器的主要功能在多个行业得到广泛的应用。 伺服机械传动装置是伺服系统的一个组成环节，已广泛应用于各种精密机床和精密仪器工作台的自动定位、数控机床拖板移动、机械手与机 器人的运动等。其作用是传递转矩和转速并使伺服电动机和负载之间的转矩与转速得到合理的匹配。通过这个课题的研究我们可以很好的将所学与实际相联系，更好的理解所学到得知识。 1.2 机电一体化系统概述 机电一体化技术涉及到传感器技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、精密机械技术、计算机技术等关键技
16、术。典型的机电一体化系统包含以下几个部分： 驱动元件 执行机构 机械本体控制信息信息处理及控制检测元件图 1-1 机电一体化系统组成 1）信息处理与控制系统：信息处理及控制系统接收传感与检测系统反馈的信息，并徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 4 对 其进行相应的处理 /运算和决策，实现要求的控制功能。本课题研究的机电一体化实验台中，信息处理及控制系统主要是由计算机的软件和硬件以及相应的接口所组成。硬件包括输入输出设备、显示器、可编程控制器（ PLC、单片机）和数控装置等。本机电一体化实验台要求信息处理速度高， A/D 和 D/A 转换及分时处理时的输入输出可靠，抗干扰能力强。 2）驱动元件系统
17、：按照系统的要求，为机电一体化产品提供能量和动力功能，去驱动执行机构工作，以完成预定的主功能。本机电一体化实验台采用的是富士公司的伺服电动机作为动力驱动元件。 3）执行机构系 统：在控制信息的作用下完成要求的动作，实现机电一体化实验设备的主功能。执行部件为运动部件，本机电一体化设备采用的是机械机构，即电动机带动滚珠丝杠作 X、 Y 方向的位移，以完成设备的主功能。执行机构是实现产品目的功能的直接执行者，其性能好坏直接决定着整个产品的性能，因而是机电一体化实验设备中重要的组成部分。 4）机械本体系统：机械本体是机电一体化实验设备的基础，用于支撑和连接其他要素，并把这些要素合理的结合起来，形成有机
18、的整体。 5） 检测元件系统：在系统运行过程中将自身和外界环境的各种参数转换成可以测定的物理量进 行测定，为系统提供运行控制所需的各种信息。本试验台的传感与检测系统的功能由是由编码器实现，对其要求是体积小、便于安装与连接、检测精度高、抗干扰能力强等。 由上述 5个组成部分在工作时的相互协调，共同完成所规定的目的功能。 综上所述，本课题所面临的关键技术有：编码器技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、精密机械技术等。 其中，信息处理技术是否能及时、准确的处理工作过程中各种参数和状态以及自动控制有关的信息输入、识别、变换、运算、存储、输出和决策分析等，直接影响到系统工作的质量和效率。在机电
19、一体化实验台 中，实现信息处理技术的主要装置是控制信息处理器（即控制计算机）它能控制和指挥整个设备的运行，是本机电一体化设备的核心。 驱动器主要是执行元件和驱动装置驱动器一方面通过接口电路与控制单元相连，接受控制系统的指令；另一方面，通过机械接口与机械传动与执行机构相连，以实现规定的动作，因而驱动器直接影响着本机电一体化实验设备的执行和操作，对产品的动态性能、稳定性能、操作精度和控制质量等产生决定性的影响。 因此控制信息处理器和驱动器是本机电一体化设备组成要素中紧密相连的两大核心部分。 1.3 课题背景 XY工作台可以实 现工作台在平面坐标内任意位置的定位，目前市场上的定位装置大都徐州工程学院
20、毕业设计 (论文 ) 5 采用由步进电机来驱动开环系统。步进电机由微处理器根据所需要的进给速度和进给位移输出一定频率和数量的进给指令脉冲，经过驱动电路放大后，每一个进给脉冲驱动伺服电机旋转一个步距角，再经过滚珠丝杠螺母副转换成工作台的一个当量位移。此类型 XY 工作台的控制系统结构简单，投资少，但存在以下不足之处： (1)由于步进电机及驱动电路本身结构的缘故，系统的功率比较小，电机转速低，一般不超过 1000r/min,影响了定位速度。 (2)系统工作时没有反馈检测装置，一旦定位 系统误差过大或步进电机存在失步现象，就保证不了定位精度。 高档的 XY 工作台一般采用专门的运动控制卡或 PLC
21、来控制，这些控制装置定位精度高，可实现多轴联动和插补功能。工作台的运动控制采用半闭环或闭环伺服系统，机械传动系统一般是由伺服电机通过绕性联轴器直接驱动滚珠丝杠，它的传动链短，传动摩擦系数小，可实现无间隙、高灵敏运动。 随着脉冲技术的发展，位移、速度等机械运动量都可以用脉冲技术来控制， 而用 PLC读入、输出数据也相当方便，这就导致了 PLC用于运动控制的出现与发展。目前许多品牌的 PLC开发有专用位置控制模块 ，如欧姆龙公司的 NC111、 NC113，西门子公司的 FM357，三菱公司的 FX2N-10GM、 20GM、 10PG等。可以说用 PLC进行运动量控制已相当成熟，当系统不是太复杂
22、，功能要求也不是太繁多，用 PLC 进行伺服运动控制可以代替成本较高的数控系统。本文通过开发与研究基于 PLC 的 XY 轴伺服运动控制装置 ,提出 XY 实验工作台定位控制系统的设计思路与方法。 1.4 课题内容 1.4.1 设计条件 （ 1）脉冲当量是 0.001mm； （ 2）快进速度是 1000mm/min； （ 3） X轴丝杠的行程为 200mm； （ 4） Y轴 丝杠的行程为 230mm； （ 5）滚珠丝杠的导程为 5mm； （ 6）工作台的重量是 100kg； （ 7）电机通过联轴器直连丝杠 ; 1.4.2 设计内容 （ 1）确定 XY实验工作台控制系统的总体设计方案。 （ 2）进行 XY实验工作台控制系统的硬件、软件设计。 （ 3）完成 XY轴工作台的结构设计 （ 4）成套图纸（ 3 张 A0图纸）与设计说明书。 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 6 1.4.3 设计要求 （ 1）能够精确的实现工作台的速度和位置控制； （ 2）能够实现工作台的线性和圆弧等插补运动； （ 3）能够监控系统的工作状态以及实现系统的错误报警与复位功能。
