基于plc的自动精密分度系统毕业设计

基于plc的自动精密分度系统毕业设计内容摘要：

S    （ 12） 式中 tJ 折算至电机轴上的惯量 (Kg cm 2s ) 1J 、 2J 齿轮惯量 (Kg cm 2s ) sJ 丝杆惯量 (Kg cm 2s ) W工作台重量（ N） S 丝杆螺距（ cm） （ 3）计算电机输出的总力矩 M a f tM M M M   （ 13） 2( ) / 1. 02 10a m tM J J n T     （ 14） 式中 aM 电机启动加速力矩（ Nm ) mJ 、 tJ 电机自身惯量与负载惯量 (Kg cm 2s ) n电机所需达到的转速（ r/min） T电机升速时间（ s） 2( ) / ( 2 ) 1 0fM u W s i    （ 15） fM 导轨摩擦折算至电机的转矩（ Nm ) u摩擦系数 η 传递效率 2( ) / ( 2 ) 10ttM P s i   （ 16） tM 切削力折算至电机力矩（ Nm ) tP 最大切削力（ N） （ 4）负载起动频率估算。 数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为 01[ ( 1 ( ) / ) ( 1 / ) ]1 / 2q q f t t mf f M M M J J    （ 17） 式中 qf 带载起动频率（ Hz） 0qf 空载起动频率 本科毕业设计（论文） 10 1M 起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（ Nm ) 若负载参数无法精确确定 ,则可按01/ 2qqff进行估算 . （ 5）运行的最高频率与升速时间的计算。 由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率 时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。 （ 6）负载力矩和最大静力矩 maxM。 负载力矩可按式（ 15）和式（ 16）计算，电机在最大进给速度时，由矩频特 性决定的电机输出力矩要大于 Mf 与 tM 之和，并留有余量。 一般来说， fM 与 tM 之和应小于（ ～ ) maxM。 步进电机低速时可以正常运转 ,但若高于一定速度就无法启动 ,并伴有啸叫声。 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可 能发生丢步或堵转。 在有负载的情况下，启动频率应更低。 如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 根据以上技术指标以及本设计的要求，本设计采用永磁感应子式步进电机如下图 31 所示： 图 31永磁感应子式步进电机 167。 PLC 的选用 在选择 PLC 时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定 PLC 的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性 能价格比的 PLC 和本科毕业设计（论文） 11 设计相应的控制系统。 下面 ,我们就详细来说下选择 PLC 时应注意的几点 ： 一、输入输出（ I/O）点数的估算 I/O 点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～ 20%的可扩展 余量后，作为输入输出点数估算数据。 实际订货时，还需根据制造厂商 PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。 二、存储器容量的估算 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。 设计阶段，由于用户应用程序还未编 制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。 为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。 存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量 I/O 点数的 10～ 15 倍，加上模拟 I/O 点数的 100 倍，以此数为内存的总字数（ 16 位为一个字），另外再按此数的 25%考虑余量。 三、控制功能的选择 该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。 (一 )运算功能 简单 PLC 的运算功能包括逻辑运算、计时和计数 功能；普通 PLC 的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型 PLC 中还有模拟量的 PID 运算和其他高级运算功能。 随着开放系统的出现，目前在 PLC 中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。 设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。 大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和 PID 运算等。 要显示数据时需要译码和编码等运算。 (二 )控制功能 本科毕业设计（论文） 12 控制功能包括 PID 控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。 PLC 主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高 PLC 的处理速度和节省存储器容量。 例如采用 PID 控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、 ASC 码转换单元等。 (三 )通信功能 大中型 PLC 系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如 TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（ TCP/IP）相连接。 通信协议应符合 ISO/IEEE 通信标准，应是开放的通信网络。 PLC 系统的通信接口应包括串行和并行通信接口（ RS2232C/422A/423/485）、RIO 通信口、工业以太网、常用 DCS 接口等；大中型 PLC 通信总线（含接口设备和电缆）应 1： 1 冗余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求。 PLC 系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于 1Mbps，通信负荷不大于 60%。 PLC 系统的通信网络主要形式有下列几种形式： 1） PC 为主站，多台同型号 PLC 为从站，组成简易 PLC 网络； 2） 1 台 PLC 为主站，其他同型号 PLC 为从站，构成主从式 PLC 网络； 3） PLC 网络通过特定网络接口连接到大型 DCS 中作为 DCS 的子网； 4）专用 PLC 网络（各厂商的专用 PLC 通信网络）。 为减轻 CPU 通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、工业以太网）通信处理器。 (四 )编程功能 离线编程方式： PLC 和编程器公用一个 CPU，编程器在编程模式时， CPU 只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。 完成编程后，编程器切换到运行模式， CPU 对现场设备进行控制，不能进行编程。 离线编程方式 可降低系统成本，但使用和调试不方便。 在线编程方式： CPU 和编程器有各自的 CPU，主机 CPU 负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。 这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型 PLC 中常采用。 五种标准化编程语言：顺序功能图（ SFC）、梯形图（ LD）、功能模块图（ FBD）本科毕业设计（论文） 13 三种图形化语言和语句表（ IL）、结构文本（ ST）两种文本语言。 选用的编程语言应遵守其标准（ IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形 式，如 C， Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。 所以本设计根据要求及所需的输入输出点数，主控制单元采用日本三菱公司的 FX2N 48MR 可编程控制器 （如图 32 所示） ，该系列 PLC 体积小、功能强性价比高，且提供简易的定位控制及脉冲输出功能。 输出点和拨码盘控制系统原理图 ： 图 32 三菱 FX2N系列 PLC产品图 图 33 主控制系统原理图 本科毕业设计（论文） 14 167。 控系统的 I/O 分配表如下： 表 31系统输入 输出 点 输入点 输出点 X0 快进到位 Y0 步进电机 X1 工进到位 Y1 快进 X2 快退到位 Y2 工进 X3 原点 Y3 快退 X4 自动 Y4 工退 X5 手动 Y5 分度正反转 X6 变频启动 Y6 分度轴 X7 变频停止 Y7 工件夹紧 X10 程序启动 Y10 变频启动 X11 急退 Y11 电机正转 X12 点动前进 Y12 电机反转 X13 快退 X14 工件夹紧 X16 分度正反转 X17 分度锁紧与松开 其主要组成：液压电机，钻孔点击，变频器，拨码盘等其主回路控制电路图如下图： 本科毕业设计（论文） 15 图 34 主控制回路原理图 167。 各控制系统的功能 167。 拨码盘控 制电路 由于本 系统 是对各类 工件 的精密分度镗孔，不同型号的 工件 要求的加工孔数亦不同，其要求均匀分布的孔数可由 8 个至 50 个之间任意选取，因此要求在操作面板上可以将所要镗的孔数由用户输入。 本系统利用 8421BCD 拨码盘实现加工孔数的输入。 FX2N 系列的 PLC 具有一条数字开关指令可直接读出拨码盘设置的数据，省去了以往利用程序循环扫描控制每片拨码盘公共端的通断，每一扫描周期读入一片拨码盘的 BCD 数，然后再进行数据合并处理等一系列烦琐的软件设计工作。 在图 35 中拨码盘控制电路用到的输入点是 X X2 X22 和 X23，用到的输出点是 Y14 和 Y15[6]。 本科毕业设计（论文） 16 167。 镗孔钻头旋转电机的变频控制 由于不同的加工工件材料要求的钻头旋转速度亦不同，因此用于带动镗孔钻头旋转的镗孔电机由变频器控制，其不同的旋转速度可通过对变频器的设置来实现。 在图 33 中利用 PLC 的输出点 Y10 来控制镗孔电机的变频器的启动。 变频器为 AEG 公司提供的 Multiverter 和 Micoverter。 Multiverter 为中型功率变频器，范围 22~275kVA。 Micoverter 其频率设定，可通过开关量输入，模拟量是输入，也可挂现场总线或局域网，通过网络输入。 而 Micoverter 频率设定，通过开关量输入和模拟量输入。 Multiverter 的各种频率设定方法 A．固定频率设定 Multiverter 共可设定 4 级频率，从固定频率 1 到 4，这 4 个频率的数值通过面板输入设定。 通过两个开关量输入点 DIN1， DIN2 组成二进制编码，来选择这 4个频率。 表 32 Multiverter 二进制固定编码图 表 DIN1 DIN2 速度 0 0 固定频率 1 1 0 固定频率 2 0 1 固定频率 3 1 1 固定频率 4 一般情况下，没有模拟量输出设备或网络设备时，选择开 光亮输入设定频率方便，简单，故障点少。 而且有 4 级速度一般可以满足速度调节。 所以只要速度调节不是一种跟随调节或估计调节，选择固定频率输出，是一种良好的频率设定方法。 B．模拟量输入设定方法是一种控制精度较高的方法，其 A/D 装换为 20— 29其中可供选择的模拟量输入。 1． 010V 本科毕业设计（论文） 17 2． 020Ma 3． 4mA20Ma 4． 10v+10v 如下图 36，当掉线 2.、 3 相连时，输入信号为电压信号，当跳线 1.、 2 相连时，输入型号为电流信 号。 当选择前 3 种输入时，必须通过端子输入，使能“左转”或“右转”，才能使电机正转或反转。 当选择 10V+10V 时，通过端子使能“右转”当正电压时，电机磁场正传，当负电压时。 电机磁场反转，当通过端子使能“左转”时，将翻转以上方向。 图 35 模拟量输 入 Micoverter 共有两个模拟量输入端子，一个主端子，一个附加端子，附加端子也可以输入以上各种模拟量，并且可以定为主端子输入和附加端子输入叠加作为频率设定，附加端子模拟量输入也可单独控制变频器，这就使其控制发放具有多样性。 由于不同的加工 工件材料要求的钻头旋转速度亦不同，因此用于带动镗孔钻头的镗孔电机由变频器控制，其不同的输出点 Y10 来控制镗孔电机的变频器的启动。 167。 步进电机的分度控制 本科毕业设计（论文） 18 不 在实际应用中，经常会用到采用可编程控制器 PLC 进行定位控制，一般的定位控制，通常都是采用可编程控制器 PLC 加定位模块进行定位控制，但当需要进行定位控制的定位轴比较少、控制要求不是特别高时，可以不需要但多配置定位模块，直接利用 PLC 本身的告诉脉冲输出口控制步进电机，其发放既简单方便，又可降低控制成本。 A． 高速脉冲输出口。