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PLC控制步进电机系统.doc

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：4.10M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    PLC控制步进电机旋转台研究的目的和意义
    1.1.1中央处理单元（CPU）
    1.1.2 存储器（RAM、ROM）
    1.1.3 输入输出单元（I/O单元）
    1.1.4 电源
    1.1.5 编程器
    1.2.1 输入处理
    1.2.2 程序执行
    1.2.3 输出处理
    1.3.2 语句表编程语言
    1.3.3 控制系统流程图编程图
    2.1 伺服系统的作用及组成
    2.2.1 开环伺服系统
    2.2.2 步进伺服系统
    3 PLC控制步进电机方法的研究
    3.2.1 FP1的特殊功能简介
    (1) 脉冲输出
    (2) 高速计数器（HSC）
    (3) 输入延时滤波
    (4) 中断功能
    3.2.2 步进电机的速度控制
    图3-1 速度控制梯形图
    图3-2 控制方式参数
    图3-3 脉冲输出频率设定曲线
    3.2.3 控制系统的程序运行
    图3-4 控制系统原理图
    图3-5 控制梯形图
    4 实验系统的介绍和调试
    4.1.1 主要用途
    4.1.2 系统组成
    4.2.1 输入电压
    4.2.2 坐标轴参数
    4.2.3 计算机环境
    4.2.4 坐标系
    (a) 控制电路、风扇和照明灯电路
    (b) 控制电源、PLC电源、步进电动机电源控制电路
    (d) PLC与各控制系统的连接
    (e) 控制系统的控制
    4.4.1 FX-20GM
    4.4.2 交流伺服控制系统
    绪论 课题背景 近年来，数控机床及数控技术得到了飞速发展，在柔性、精确性、可靠性和宜人 性等方面的功能越来越完善，已成为现代先进制造业的基础。 数控就是数字控制，数控技术在机床行业应用得多，就是依靠数字（电脑编程） 来控制机床，具有效率高，精度高等主要特点。 数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备 动作控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向 有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。1908 年， 穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19 世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能 的控制系统被发明；1938 年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输， 奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。数控技术是与机床控制密切 结合发展起来的。1952 年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时 代的事件，推动了自动化的发展。 现在，数控技术也叫计算机数控技术，目前它是采用计算机实现数字程序控制 的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于 采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、 运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成。 PLC 控制步进电机旋转台研究的目的和意义 数控机床以其精度高、效率高、能适应小批量多品种复杂零件的加工等优点， 在机械加工中得到日益广泛的应用。它有以下几方面优点。 1．适应性强。 2．精度高，质量稳定。 3．生产效率高。 4．能实现复杂的运动。 5．良好的经济效益。 1
    6．有利于生产管理的现代化。 数控机床由程序编制及程序载体、输入装置、数控装置（CNC）、伺服驱动及位 置检测、辅助控制装置、机床本体等几部分组成。 数控机床发展的概况 从 1952 年至今，数控机床按照控制机的发展，已经历了五代。 1959 年，由于在计算机行业中研制出晶体管元件，因而在数控系统中广泛采用 晶体管和印刷电路板，从而跨入了第二代。 1965 年，出现小规模集成电路，由于它体积小、功耗低，使数控系统的可靠性 得以进一步提高。数控系统发展到第三代。以上三代系统，都是采用专用控制计算 机的硬接线数控系统，我们称之为硬线系统，统称为普通数控系统（NC）。 随着计算技术的发展，小型计算机的价格急剧下降，激烈地冲击着市场。数控 系统的生产厂家认识到，采用小型计算机来取代专用控制计算机，经济上是合算的， 许多功能可以依靠编制专用程序存在计算机的存储器中，构成所谓控制软件而加以 实现，提高了系统的可靠性和功能特色。这种数控系统，称为第四代系统，即计算 机数控系统（CNC）。 但是，计算机技术的发展是日新月异的，就在 1970 年前后，美国英特尔（Intel） 公司开发和使用了四位微处理器，微处理芯片渗透到各个行业，数控技术也不例外。 我们把以微处理机技术为特征的数控系统称为第五代系统（MNC）。 我国数控机床发展的概况 1958 年，清华大学和北京第一机床厂合作研制出我国第一台数控铣床，由于我 国基础理论研究滞后，相关工业基础薄弱，特别是电子技术落后，数控系统没有突 破，虽然我国起步不晚，但发展不快，60-70 年代，由于文革等因素，我国与发达国 家差距开始拉大。70 年代国家组织数控机床攻关，取得一定成效，相继推出一些数 控机床品种，但从整体来看，我国数控机床产业尚处于起步阶段。 80 年代前期，我国引进了日本数控系统，通过消化吸收，提高了数控系统的可 靠性。同时开始自行研制、开发并小批量生产数控机床，数控机床品种和质量有了 2
    突破性进展，我国数控机床进入实用阶段。 国家从科技攻关和技术改造两方面对数控机床产业进行了重点扶植，并加快了 国产数控系统的开发。普及型数控系统开发成功，为数控机床商品化和规模化生产 奠定了基础。一些数控机床主机厂组建床身、箱体、主轴、轴套等成组单元，厂内 组织专业化生产，生产水平进一步提高。CAD\CAPP\CAM 开始应用，开发能力、工艺 水平和产品质量进一步提高，奠定产业化基础，“十五”数控机床进入了快速发展 期。 我国从 1958 年试制成功第一台数控铣床，经历了漫长的发展历程。从“六五” （1980-1985）开始数控机床产业化，通过二十多年的发展，初步建立了国产数控机 床产业化体系。进入新世纪以来，科学技术发展迅速，随着新技术革命向纵深发展， 特别是电子技术和信息技术的快速发展，一批新技术的应用与当代各学科技术的融 合，数控机床的发展进入了新阶段，我国数控机床面临关键技术突破和产业升级的 战略机遇。 未来的发展方向 目前，世界先进制造技术不断兴起，超高速切削、超精密加工等技术的应用， 柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更 高的要求。当今数控机床正在朝着以下几个方向发展： 1．高速度、高精度化。速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到 加工效率和产品质量。目前，数控系统采用位数、频率更高的处理器，以提高系统 的基本运算速度。同时，采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统 的数据处理能力，即提高插补运算的速度和精度，并采用直线电动机直接驱动机床 工作台的直线伺服进给方式，其高速度和动态响应特性相当优越。采用前馈控制技 术，使追踪滞后误差大大减小，从而改善拐角切削的加工精度。 为适应超高速加工的要求，数控机床采用主轴电动机与机床主轴合二为一的结 构形式，实现了变频电动机与机床主轴一体化，主轴电机的轴承采用磁浮轴承、液 体动静压轴承或陶瓷滚动轴承等形式。目前，陶瓷刀具和金刚石涂层刀具已开始得 到应用。 3
    2．多功能化。配有自动换刀机构（刀库容量可达 100 把以上）的各类加工中心， 能在同一台机床上同时实现铣削、镗削、钻削、车削、铰孔、扩孔、攻螺纹等多种 工序加工，现代数控机床还采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同 部位进行不同方式的切削加工。数控系统由于采用了多 CPU 结构和分级中断控制方 式，即可在一台机床上同时进行零件加工和程序编制，实现所谓的“前台加工，后 台编辑”。为了适应柔性制造系统和计算机集成系统的要求，数控系统具有远距离 串行接口，甚至可以联网，实现数控机床之间的数据通信，也可以直接对多台数控 机床进行控制。 3．智能化。现代数控机床将引进自适应控制技术，根据切削条件的变化，自动 调节工作参数，使加工过程中能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较 小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。具有自诊断、 自修复功能，在整个工作状态中，系统随时对 CNC 系统本身以及与其相连的各种设 备进行自诊断、检查。一旦出现故障时，立即采用停机等措施，并进行故障报警， 提示发生故障的部位、原因等。还可以自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以 确保无人化工作环境的要求。为实现更高的故障诊断要求，其发展趋势是采用人工 智能专家诊断系统。 4．数控编程自动化。随着计算机应用技术的发展，目前 CAD／CAM 图形交互式 自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。它是利用 CAD 绘制的零件 加工图样，再经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，从而自动生成 NC 零 件加工程序，以实现 CAD 与 CAM 的集成。随着 CIMS 技术的发展，当前又出现了 CAD ／CAPP／CAM 集成的全自动编程方式，它与 CAD／CAM 系统编程的最大区别是其编程 所需的加工工艺参数不必由人工参与，直接从系统内的 CAPP 数据库获得。 5．可靠性最大化。数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。数控系统 将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路， 以减少元器件的数量，来提高可靠性。通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能 的要求，同时采用硬件结构机床本体的模块化、标准化和通用化及系列化，使得既 提高硬件生产批量，又便于组织生产和质量把关。还通过自动运行启动诊断、在线 诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故 4
    障诊断和报警。利用报警提示，及时排除故障；利用容错技术，对重要部件采用“冗 余”设计，以实现故障自恢复；利用各种测试、监控技术，当生产超程、刀损、干 扰、断电等各种意外时，自动进行相应的保护。 6．控制系统小型化。数控系统小型化便于将机、电装置结合为一体。目前主要 采用超大规模集成元件、多层印刷电路板，采用三维安装方法，使电子元器件得以 高密度安装，较大规模缩小系统的占有空间。而利用新型的彩色液晶薄型显示器替 代传统的阴极射线管，将使数控操作系统进一步小型化。这样可以方便地将它安装 在机床设备上，更便于对数控机床的操作使用。 5
    1 可编程控制器简介 可编程控制器是 60 年代末在美国首先出现，当时叫可编程逻辑控制器 PLC （Programmable Logic Controller），目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、 计时、计数等顺序控制功能。PLC 的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用 等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制 器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器 的用户程序存储器内。控制器和被控对象连接方便。 随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到 70 年代中期以 后，PLC 已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用 了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的 PLC 已不再是逻辑判断功能，还同 时具有数据处理、PID 调节和数据通信功能。 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。 它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、 计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型 的机械或生产过程。PLC 是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克 服了继电接触控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活 性差的缺点，充分利用微处理器的优点。 可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺， 因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程。另一方面， 从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订货要求专 门设计控制器，适合批量生产。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工 业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强 有力工具，得到了广泛的应用。 1.1 PLC 的结构及各部分的作用 可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理 器为核心的结构。通常由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元 （I/O）、电源和编程器等几个部分组成。 6
    1.1.1 中央处理单元（CPU） CPU 作为整个 PLC 的核心，起着总指挥的作用。CPU 一般由控制电路、运算器和 寄存器组成。这些电路通常都被封装在一个集成电路的芯片上。CPU 通过地址总线、 数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。CPU 的功能有以下一些： 从存储器中读取指令，执行指令，取下一条指令，处理中断。 1.1.2 存储器（RAM、ROM） 存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。存放系统软件的存储器称 为系统程序存储器;存放应用软件的存储器称为用户程序存储器；存放工作数据的存 储器称为数据存储器。常用的存储器有 RAM、EPROM 和 EEPROM。RAM 是一种可进行读 写操作的随机存储器存放用户程序，生成用户数据区，存放在 RAM 中的用户程序可 方便地修改。RAM 存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂 电池做备用电源。掉电时，可有效地保持存储的信息。EPROM、EEPROM 都是只读存储 器。用这些类型存储器固化系统管理程序和应用程序。 1.1.3 输入输出单元（I/O 单元） I/O 单元实际上是 PLC 与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。I/O 单元有 良好的电隔离和滤波作用。接到 PLC 输入接口的输入器件是各种开关、按钮、传感 器等。PLC 的各输出控制器件往往是电磁阀、接触器、继电器，而继电器有交流和直 流型，高电压型和低电压型，电压型和电流型。 1.1.4 电源 PLC 电源单元包括系统的电源及备用电池，电源单元的作用是把外部电源转换成 内部工作电压。PLC 内有一个稳压电源用于对 PLC 的 CPU 单元和 I/O 单元供电。 1.1.5 编程器 编程器是 PLC 的最重要外围设备。利用编程器将用户程序送入 PLC 的存储器， 7
    还可以用编程器检查程序，修改程序，监视 PLC 的工作状态。除此以外，在个人计 算机上添加适当的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对 PLC 编程。利用微机作 为编程器，可以直接编制并显示梯形图。 1.2 PLC 的工作原理 PLC 采用循环扫描的工作方式，在 PLC 中用户程序按先后顺序存放，CPU 从第一 条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。 PLC 的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个 阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。当 PLC 处于停状态时，只进行内 部处理和通信操作服务等内容。在 PLC 处于运行状态时，从内部处理、通信操作、 程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。 1.2.1 输入处理 输入处理也叫输入采样。在此阶段，顺序读入所有输入端子的通端状态，并将 读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。在此输入映象寄存器被刷新。接着进 入程序执行阶段。在程序执行时，输入映象寄存器与外界隔离，即使输入信号发生 变化，其映象寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶 段才能被读入信息。 1.2.2 程序执行 根据 PLC 梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描，执行 程序。遇到程序跳转指令，根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。从用户 程序涉及到输入输出状态时，PLC 从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入 端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器，根据用户程序进行逻辑运算， 存入有关器件寄存器中。对每个器件来说，器件映象寄存器中所寄存的内容，会随 着程序执行过程而变化。 1.2.3 输出处理 8
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