s7-200plc在4m机床的应用(编辑修改稿)

s7-200plc在4m机床的应用(编辑修改稿)内容摘要：

设定及调节。 因此在普通型的 4M 立式车床，不能加工螺纹等复杂的轮廓表面。 图 4M立式机床刀具切削 工件 过程示意图 进给系统的改造方案 为了使机 床具备加工复杂表面轮廓的能力，必须使进给系统的丝杠旋转速度能沈阳化 工大学学士学位论文 第二章 方案论证 7 在可控的范围内和主轴的旋转速度以任意比例匹配。 为了最大限度地利用机床的原有资源，进队机床进给系统驱动方式进行了数字化改造。 具体的做法是： 机床原有的刀架进给系统的驱动电机是 三相异步电动机， 额定转速为 1380r/min。 现改为 2KW 的三相同步伺服电机，额定转速为 3000r/min。 利用同步电机绝对硬的机械特性，以保证进给系统在切削加工过程中，转速不随负载的增加而降低，以利于切削出预期的表面光洁度。 采用高灵敏度的感应式接近开关和自制 的叶轮旋转探头，组成的速度 传感器，实时检测主轴（旋转工作台）的转速，以计数脉冲的形式送入可编程控制器（ PLC），并由 PLC 通过控制算法得到符合工艺要求的丝杠旋转速度。 PLC 将丝杠旋转速度换算成同步伺服电机的转速（数字量），经 D/A 转换后，以模拟量的形式（ 0~10V，对应于 0~5000r/min）输入变频调速驱动器，实现同步伺服电机的无极调速。 严格保证伺服电机能够按照工艺条件要求的稳定转速，拖动刀具进行切削加工，得到预期的表面轮廓形状。 采用高灵敏度感应式接近开关，对刀具的原点、进刀点和退刀点实行精 确定位，由 PLC 根据工艺要求，及时发出指令，对刀具运动的上、下、左、右 4 个行程，以及主轴转数在切削加工过程中的变化实行快速跟走，保证刀具的正确运动状态。 沈阳化工大学学士学位论文 第三章 系统的硬件构成 8 第三章 系统的硬件构成 系统的硬件电路构成 系统的硬件电路构成由以下 5 个部分组成： 电源：包括三相变压器和直流开关电源。 三相变压器：交流 380V/200V， 3KVA，为三相同步伺服电动机及其 变频调速驱动提供交流 200V 三相电源。 开关电源：直流 24V，为 PLC、 D/A 模块及数字显示表提供直流电源。 伺服电动机及驱动：包括三 相交流同步伺服电动机（ 自带光电编码器）及变频调速驱动器。 三相交流同步伺服电动机：选用日本松下公司的同步伺服电动机，功率为 ，额定电压为 200V，额定电流为。 变频调速驱动器：选用日本松下公司的矢量控制的交 直 交逆变驱动器。 数控单元 ：包括可编程控制器 PLC， D/A 转换模块。 可编程控制器 PLC：选用西门子公司生产的 S7200。 控制信号及数据采集：包括主轴转速非接触式速度传感器和用于位置控制及 刀具上下左右 4 个行程的控制信号传感器。 主轴转速传感器：用高灵敏度的感应式接近开关和自制 的多探头叶轮组成。 刀具位置及行程控制传感器：采用感应式接近开关。 接近开关选用 N15530AN6型，动作接近距离为 15mm，动作反应时间小于 2μ s。 人机界面：包括文本显示器 TD200、手动控制键盘、数字显示仪表、信号灯及报警电铃。 文本显示器 TD200：采用西门子公司提供的 TD200 文本显示器，可以用来向 PLC输入和设置切削加工的工艺参数，也可以显示系统的运行信息，最多可显示 80条信息，每条信息可包含 4 个状态变量。 手动 控制键盘：用于刀具调整（如换刀）时的手动控制，可实现启动、停止及沈阳化工大学学士学位论文 第三章 系统的硬件构成 9 刀具上、下、左、右 4 个行程的手动控制。 数字显示仪表：选用 ZNSX 只能数显仪表，用于实时显示机床主轴和进给伺服电机的转速。 信号灯及电铃：用于指示机床工作状态及故障报警。 变频 器介绍 变频器（ Variablefrequency Drive， VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变 电机 工作电源 频率 方式来控制交流电动机的电力控制设备。 变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。 整流单元将工作频率固定的交流电转化为直流电。 逆变器由大功率开关晶体管整列组成电子 开关，将直流电转化为不同频率、宽度、复读的方波。 通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。 随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。 主电路是给 异步电动机 提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。 电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 它由三部分构 成，将工频电源变换为直流功率的 “ 整流器 ” ，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的 “ 平波回路 ” ，以及将直流功率变换为交流功率的 “ 逆变器 ”。 同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使 6 个开关器件导通、关断就可以得到 3 相交流输出。 控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的 “ 运算电路 ” ，主电路的 “ 电压、电流检测电路 ” ，电动机的 “ 速度检测电路 ” ，将运算电路的控制信号进行放大的 “ 驱动电路 ” ，以及逆变器和电动机的 “ 保护电路 ” 组成。 基于调速方 便、节能、运行可靠的优点，变频调速器已逐渐替代传统的变极调速、电磁调速及调压调速方式。 直接转矩控制以测量电机电流和直流电压作为自适应电机模型的输入。 该模型每隔 25μ m 产生一组精确的转矩和磁通实际值，转矩比沈阳化工大学学士学位论文 第三章 系统的硬件构成 10 较器将转矩和磁通的实际值与转矩和磁通的给定值进行比较，以确定最佳开关位置。 由此可以看出它是对转矩和磁通的测量，即刻调整逆变电路的开关状态，进而调整电机的转矩和磁通，以达到精确控制的目的。 变频器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。 变频器的出现，使得复 杂的调速控制简单化，用变频器 +伺服电机的组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，缩小了体积，降低了维修率，使传动技术发展到新的阶段。 变频器可以优化电机运行，所以也能够起到增效节能的作用。 本系统所采用的是交 直 交型变频器，这种 变频器先把交流电经整流器先整流成 直流 电，直流中间电路对整流电路的输出平滑滤波，再经过逆变器把这个直流电变成频率和电压都可变的交流电。 伺服 电机 介绍 作为数控机床的重要控制功能部件，伺服系统的特性 一直是影响系统加工性能的重要指标。 伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。 这类控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。 具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放调 与整大后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运功，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。 伺服系统是使物 体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。 伺服系统主要由三部分组成：控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机。 控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量。 功率驱动装置作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上，调节电动机转矩的大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电，电动机则按供电大小拖动机械运转。 伺服主要靠 脉冲 来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到 1 个脉冲，就会旋转 1 个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电沈阳化工大学学士学位论文 第三章 系统的硬件构成 11 机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同 时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位 ， 直流伺服电机分为有刷和无刷电机。 有刷电机成本低 、 结构简单 、 启动转矩大 、 调速范围宽 、 控制容易 、 需要维护，但维护不方便（换碳刷），产生电磁干扰 、 对环境有要求。 因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。 无刷电机体积 小 、 重量轻 、 出力大 、 响应快 、 速度高 、 惯量小 、 转动平滑 、 力矩稳定。 控制复杂，容易实现智能化，其电子换相 方式 灵活，可以方波换相或正弦波换相。 电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。 交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。 大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。 因而适合做低速平稳运行的应用。 伺服电机（ servo motor）是指在伺服系统中控制 机械元件 运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。 伺服 电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压 信号转化为 转矩 和转速以驱动控制对象。 伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。 分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。 本系统所采用的是三相交流同步伺服电机 ， 这种 伺服电动机虽较感应电动机复杂，但比直流电动机简单。 它的定子与感应电动机一样，都在定子上装有对称三相绕 组。 而转子却不同，按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。 非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。 数控机床中多用 永磁式同步电动机。 与电磁式相比，永磁式优点是结构简单、运行可靠、效率较高；缺点是体积大、启动特性欠佳。 可编程控制器的硬件组成 可编程控制器种类繁多，但其基本结构和工作原理基本相同。 PLC 的基本结构由中央处理器（ CPU） ， 存储器，输入、输出接口，电源，扩展接口，通信接口，编沈阳化工大学学士学位论文 第三章 系统的硬件构成 12 程工具，智能 I/O 接口，智能单元等组成。 1．中央处理器（ CPU） 与一般计算机一样， CPU 是 PLC 的核心，他按 PLC 中系统程序赋予的功能指挥PLC 有条不紊地进行工作。 2．存储器 PLC 存储器是用来存放系统程序、用户程序和。