1、圖書分類號:密級: 畢業設計(論文基于PLC的xy軸交流伺服運動控制裝置THE XY AXIS AC SERVO MOTION CONTROL DEVICE BASED ON THE PLC學生姓名學院名稱機電工程學院專業名稱機械設計制造及其自動化指導教師年月日徐州工程學院學位論文原創性聲明本人鄭重聲明:所呈交的學位論文,是本人在導師的指導下,獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經注明引用或參考的內容外,本論文不含任何其他個人或集體已經發表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體,均已在文中以明確方式標注。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。論文作者簽名:日期:年月日

2、徐州工程學院學位論文版權協議書本人完全了解徐州工程學院關于收集、保存、使用學位論文的規定,即:本校學生在學習期間所完成的學位論文的知識產權歸徐州工程學院所擁有。徐州工程學院有權保留并向國家有關部門或機構送交學位論文的紙本復印件和電子文檔拷貝,允許論文被查閱和借閱。徐州工程學院可以公布學位論文的全部或部分內容,可以將本學位論文的全部或部分內容提交至各類數據庫進行發布和檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。論文作者簽名:導師簽名:日期:年月日日期:年月日摘要傳統的運動控制系統由于其封閉式的結構、控制軟件的兼容性差、容錯性和可靠性差、缺少網絡功能等缺陷,已不能滿足現代運動控制

3、的要求。現代運動控制技術是計算機技術、傳感技術、電力電子技術和機械工程技術等的繼承和綜合應用,用于機械傳動的自動化和智能化的創建,對機械傳動的運動位置、運動軌跡和各種運動參數進行實時的控制和管理。本設計的主要工作是對機電一體化教學設備的控制系統的設計,該設計以對加工中心的設計方法及步驟為主線展開設計,包括控制系統總體設計,系統軟件、硬件的選擇,系統的調試等內容。設計硬件如下:信息處理和控制由PLC系統完成;驅動元件為國內自行設計、自主開發、自有工廠制造的全數字式MR-J3-10A交流伺服驅動器;執行機構是HF-KP13交流伺服電機;機械本體為一個兩維的X-Y工作平臺,是工業應用中最典型的控制對

4、象之一;反饋檢測元件為編碼器。關鍵詞交流伺服;運動控制;PLC系統;檢測元件;編碼器AbstractBecause of its closed-end structure, poor compatibility, fault tolerance and reliability of control software, traditional motion control system has many deficiencies to meet the requirements of modern motion control. Modern motion control technology

5、is the inheritance and integrated application of computer technology, sensor technology, power electronic technology and mechanical engineering technology, be used for automated mechanical transmission and intelligent creation, the movement of the mechanical transmission, trajectory and motion param

6、eters 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 equipment as the teaching areas are vertical machining center, so the design of the machining center's design and the ste

7、ps 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 the domestic self-designed, developed, manufactured its own full-digital MR-J3-10A AC servo drive; executing agency is

8、 the HF-KP13AC 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 the encoder.Keywords AC servo motion contro detection device encoder目錄摘要. I Abstract. II 1.1 課題研究的目的和意義 (31.2 機電一體化系統概述

9、 (31.3 課題背景 (41.4 課題內容 (51.4.1 設計條件 (51.4.2設計內容 (51.4.3 設計要求 (62 系統設計 (72.1 基于PLC的X-Y軸交流伺服運動控制裝置總體結構 (72.2 伺服系統的選擇 (72.3 控制系統的選擇 (82.4 系統運動方式的確定 (83 工作臺的設計 (93.1工作臺設計及計算 (93.1.1 總體方案 (93.1.2橫向進給系統的設計計算 (93.1.3計算滾珠絲杠螺母副的軸向負載力 (93.1.4確定進給傳動鏈的傳動比i和傳動級數 (93.1.5滾珠絲杠的動載荷計算與直徑估算 (93.2 結構設計 (103.2.1 滾珠絲杠螺母副

10、的設計 (103.2.2滾珠絲杠支承的選擇 (113.2.3軸承的選擇 (113.2.4 連接方式 (114 控制系統硬件結構設計 (124.1 控制系統組成結構及分類 (124.1.1 控制系統組成結構 (124.1.2 控制系統的分類 (124.2 控制系統的選型 (144.2.1 可控制編程器(PLC (144.2.2 定位模塊 (164.2.3觸摸屏 (184.3伺服電動機設計 (184.3.1 交流伺服電機的分類和特點 (184.3.2 交流伺服電機的控制方式 (194.3.3 X-Y軸伺服電機的選型 (204.4 伺服驅動器 (224.4.1 伺服驅動器的結構 (234.4.2 伺

11、服驅動器與伺服電機的連接 (234.5 控制系統參數設置 (234.6 系統電氣電路的設計與實現 (254.7機電一體化系統檢測元件選擇 (274.7.1 數控機床測量系統的分類與特點 (274.7.2 常用的測量元件 (274.7.3 碼盤、光柵尺的選擇 (284.7.4 編碼器測速原理及保證回零精度的工作原理 (285系統程序設計 (305.1.PLC與定位模塊的通信 (305.1.1 指定程序號 (305.1.2 PLC對定位模塊FX2N-20GM工作參數的寫入 (305.1.3 PLC對定位模塊FX2N-20GM操作指令的讀取 (325.2 PLC對伺服驅動器ABS(絕對數據的讀取 (

12、325.3 定位模塊中插補程序的編寫及調用 (325.4 系統的報警與復位 (355.5 觸摸屏畫面的設計 (35結論 (37致謝 (38參考文獻 (39附錄 (40附錄1 (40附錄2 (431 緒論1.1 課題研究的目的和意義本設計的主要工作是對機電一體化教學設備的控制系統的設計。機電一體化技術是一項在機械的主功能、動力功能、信息與控制功能上引進了電子技術,是將機械、電子等技術有機結合綜合運用的新興技術。該技術主要涉及精密機械、自動控制、檢測傳感、信息處理、伺服傳動、計算機等相關領域。機電一體化技術的日新月異使高等學校和職業學校在教學實踐上面臨著新的挑戰。傳統的機電一體化教學理論教學內容很

13、多,而學生實驗很少甚至沒有,即使有也是針對于使用和操作機電設備,學生缺少在實踐動手中聯系理論知識的機會。比如講到伺服控制中的三環:位置環、速度環、電流環的理論知識,老師講了很多,但學生卻缺少相應實驗自己去操作從感性上認識加深這些理論知識,這樣就使得畢業生走上社會以后面臨重重困難,難以適應工作崗位的具體要求。通用運動控制技術已逐步發展成為一種高度集成化的技術,不但包含通用的多軸速度、位置控制技術,而且與應用系統的工藝條件和技術要求緊密相關。事實上,應用系統的技術要求,特別是一個行業的工藝技術要求也促進了運動控制器的功能的發展。通用運動控制器的許多功能都是同工藝技術要求密切相關的,通用運動控制器的

14、應用不但簡化了機械結構甚至簡化了生產工藝。通用運動控制器的主要功能在多個行業得到廣泛的應用。伺服機械傳動裝置是伺服系統的一個組成環節,已廣泛應用于各種精密機床和精密儀器工作臺的自動定位、數控機床拖板移動、機械手與機器人的運動等。其作用是傳遞轉矩和轉速并使伺服電動機和負載之間的轉矩與轉速得到合理的匹配。通過這個課題的研究我們可以很好的將所學與實際相聯系,更好的理解所學到得知識。1.2 機電一體化系統概述機電一體化技術涉及到傳感器技術、信息處理技術、自動控制技術、伺服驅動技術、精密機械技術、計算機技術等關鍵技術。典型的機電一體化系統包含以下幾個部分: 圖1-1 機電一體化系統組成1信息處理與控制系

15、統:信息處理及控制系統接收傳感與檢測系統反饋的信息,并對其進行相應的處理/運算和決策,實現要求的控制功能。本課題研究的機電一體化實驗臺中,信息處理及控制系統主要是由計算機的軟件和硬件以及相應的接口所組成。硬件包括輸入輸出設備、顯示器、可編程控制器(PLC、單片機和數控裝置等。本機電一體化實驗臺要求信息處理速度高,A/D和D/A轉換及分時處理時的輸入輸出可靠,抗干擾能力強。2驅動元件系統:按照系統的要求,為機電一體化產品提供能量和動力功能,去驅動執行機構工作,以完成預定的主功能。本機電一體化實驗臺采用的是富士公司的伺服電動機作為動力驅動元件。3執行機構系統:在控制信息的作用下完成要求的動作,實現

16、機電一體化實驗設備的主功能。執行部件為運動部件,本機電一體化設備采用的是機械機構,即電動機帶動滾珠絲杠作X、Y方向的位移,以完成設備的主功能。執行機構是實現產品目的功能的直接執行者,其性能好壞直接決定著整個產品的性能,因而是機電一體化實驗設備中重要的組成部分。4機械本體系統:機械本體是機電一體化實驗設備的基礎,用于支撐和連接其他要素,并把這些要素合理的結合起來,形成有機的整體。5檢測元件系統:在系統運行過程中將自身和外界環境的各種參數轉換成可以測定的物理量進行測定,為系統提供運行控制所需的各種信息。本試驗臺的傳感與檢測系統的功能由是由編碼器實現,對其要求是體積小、便于安裝與連接、檢測精度高、抗

17、干擾能力強等。由上述5個組成部分在工作時的相互協調,共同完成所規定的目的功能。綜上所述,本課題所面臨的關鍵技術有:編碼器技術、信息處理技術、伺服驅動技術、自動控制技術、精密機械技術等。其中,信息處理技術是否能及時、準確的處理工作過程中各種參數和狀態以及自動控制有關的信息輸入、識別、變換、運算、存儲、輸出和決策分析等,直接影響到系統工作的質量和效率。在機電一體化實驗臺中,實現信息處理技術的主要裝置是控制信息處理器(即控制計算機它能控制和指揮整個設備的運行,是本機電一體化設備的核心。驅動器主要是執行元件和驅動裝置驅動器一方面通過接口電路與控制單元相連,接受控制系統的指令;另一方面,通過機械接口與機

18、械傳動與執行機構相連,以實現規定的動作,因而驅動器直接影響著本機電一體化實驗設備的執行和操作,對產品的動態性能、穩定性能、操作精度和控制質量等產生決定性的影響。因此控制信息處理器和驅動器是本機電一體化設備組成要素中緊密相連的兩大核心部分。1.3 課題背景XY工作臺可以實現工作臺在平面坐標內任意位置的定位,目前市場上的定位裝置大都采用由步進電機來驅動開環系統。步進電機由微處理器根據所需要的進給速度和進給位移輸出一定頻率和數量的進給指令脈沖,經過驅動電路放大后,每一個進給脈沖驅動伺服電機旋轉一個步距角,再經過滾珠絲杠螺母副轉換成工作臺的一個當量位移。此類型XY工作臺的控制系統結構簡單,投資少,但存

19、在以下不足之處:(1由于步進電機及驅動電路本身結構的緣故,系統的功率比較小,電機轉速低,一般不超過1000r/min,影響了定位速度。(2系統工作時沒有反饋檢測裝置,一旦定位系統誤差過大或步進電機存在失步現象,就保證不了定位精度。高檔的XY工作臺一般采用專門的運動控制卡或PLC來控制,這些控制裝置定位精度高,可實現多軸聯動和插補功能。工作臺的運動控制采用半閉環或閉環伺服系統,機械傳動系統一般是由伺服電機通過繞性聯軸器直接驅動滾珠絲杠,它的傳動鏈短,傳動摩擦系數小,可實現無間隙、高靈敏運動。隨著脈沖技術的發展,位移、速度等機械運動量都可以用脈沖技術來控制,而用PLC 讀入、輸出數據也相當方便,這

20、就導致了PLC用于運動控制的出現與發展。目前許多品牌的PLC開發有專用位置控制模塊,如歐姆龍公司的NC111、NC113,西門子公司的FM357,三菱公司的FX2N-10GM、20GM、10PG等。可以說用PLC進行運動量控制已相當成熟,當系統不是太復雜,功能要求也不是太繁多,用PLC進行伺服運動控制可以代替成本較高的數控系統。本文通過開發與研究基于PLC的XY軸伺服運動控制裝置,提出XY實驗工作臺定位控制系統的設計思路與方法。1.4 課題內容1.4.1 設計條件(1脈沖當量是0.001mm;(2快進速度是1000mm/min;(3X軸絲杠的行程為200mm;(4Y軸絲杠的行程為230mm;(

21、5滾珠絲杠的導程為5mm;(6工作臺的重量是100kg;(7電機通過聯軸器直連絲杠;1.4.2設計內容(1確定XY實驗工作臺控制系統的總體設計方案。(2進行XY實驗工作臺控制系統的硬件、軟件設計。(3完成XY軸工作臺的結構設計(4成套圖紙(3張A0圖紙與設計說明書。1.4.3 設計要求(1能夠精確的實現工作臺的速度和位置控制;(2能夠實現工作臺的線性和圓弧等插補運動;(3能夠監控系統的工作狀態以及實現系統的錯誤報警與復位功能。2 系統設計2.1 基于PLC的X-Y軸交流伺服運動控制裝置總體結構本課題設計的CR400S型X-Y軸伺服運動控制教學實驗裝置是一款多功能機電一體化教學設備。其實質為數控

22、銑床,有X,Y兩個直線運動坐標,即工作臺承擔運動功能為縱向(X軸和橫向(Y軸兩個方向的移動,由兩個伺服電機分別控制。它能夠使工件在一次裝夾后完成安裝面和頂面以外的其余四個面的加工,最適合箱體類工件的加工。2.2 伺服系統的選擇伺服驅動系統簡稱伺服系統,是一種以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統。它最初用于船舶的自動駕駛、火炮控制和指揮儀中,后來逐漸推廣到很多領域,特別是自動車床、天線位置控制、導彈和飛船的制導等。采用伺服系統主要是為了達到下面幾個目的:(1以小功率指令信號去控制大功率負載,火炮控制和船舵控制就是典型的例子。(2在沒有機械連接的情況下,由輸入軸控制位于遠處的輸出軸,實現遠距

23、同步傳動。(3使輸出機械位移精確地跟蹤電信號,如記錄和指示儀表等。一個伺服系統的構成一般由上位機、伺服驅動器和伺服電機構成:(1上位機:給定伺服指令,如PLC、工控機、數控系統等;(2伺服驅動器:接收并處理上位機的指令,控制電機轉動角度和速度;(3伺服電機:執行機構,其自帶的編碼器把電機旋轉的角度和速度反饋給伺服放大器,構成閉環或半閉環控制,確保精度。該課題中的上位機采用PLC。對于伺服電機的控制模式又可以分為以下三類:(1轉矩控制:轉矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設定電機軸對外的輸出轉矩的大小,可以通過即時的改變模擬量的設定來改變設定的力矩大小,也可通過通訊方式改變對應

24、的地址的數值來實現。主要應用在對材質的受力有嚴格要求的纏繞和放卷的裝置中,例如饒線裝置或拉光纖設備,轉矩的設定要根據纏繞的半徑的變化隨時更改以確保材質的受力不會隨著纏繞半徑的變化而改變。(2位置控制:位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉動速度的大小,通過脈沖的個數來確定轉動的角度,也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴格的控制,一般應用于定位裝置。(3速度模式:通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉動速度的控制,在有上位控制裝置的外環PID控制時速度模式也可以進行定位,但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算

25、用。位置模式也支持直接負載外環檢測位置信號,此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉速,位置信號就由直接的最終負載端的檢測裝置來提供了,這樣的優點在于可以減少中間傳動過程中的誤差,增加整個系統的定位精度。根據課題的要求要實現對工作臺的精確定位和差補功能,故此系統的電機控制控制方式采用位置/速度控制模式。2.3 控制系統的選擇整個系統由GOTF900觸摸屏、FX2N-32MT可編程控制器、FX2N-20GM定位模塊、伺服驅動器、X和Y軸伺服電機組成。其中PLC除了負責開關量輸人信號的處理以及發出信號控制各外圍設備的運行外,還與觸摸屏、定位模塊進行相互通信,實現定位和插補控制。定位模塊接受觸摸屏傳送的定

26、位參數以及PLC發出的調用程序命令,再向交流伺服驅動系統發出脈沖信號。觸摸屏作為人機交流界面,執行工作方式的選擇、參數的設置、信息顯示和故障診斷等工作。交流伺服驅動系統采用由伺服驅動器、交伺服電機、光電編碼器組成的半閉環伺服系統,伺服驅動器接受控制系統的位置、速度指令,驅動伺服電機轉動。伺服電機通過聯軸器與滾珠絲杠副直接連接,使轉動量轉換為直線進給。檢測裝置光電編碼器與伺服電機直接連接,可以使伺服電機的實際轉動量以脈沖量的形式反饋到伺服驅動器的偏差計數器,通過與設定位置的比較,再經過反饋控制后達到所需位置。它們組成的系統總體框圖見圖2-1。 圖2-1 系統總體框圖2.4 系統運動方式的確定在機

27、械運動系統中一般可以將運動方式分為以下三類:(1點位控制系統:一個位置移動到另外一個位置,移動過程中不進行加工。(2點位直線控制系統:能實現點位的精確移動,還能實現平行于坐標軸的直線加工運動。(3連續控制系統 :也叫輪郭控制系統(最高級的控制系統能實現多個坐標軸的同時進行連續控制。由于該實驗工作臺裝置要求工作臺沿各坐標軸的運動有精確的運動關系(差補運動,因此采用連續控制方式。3 工作臺的設計3.1工作臺設計及計算3.1.1 總體方案(1 工作臺的導軌采用矩形導軌,在與之相配的動導軌滑動面上貼聚四氟乙烯(PT-FE 導軌板。同時采用斜鑲條消除導軌導向面的間隙,在背板上通過設計偏心輪結構來消除導軌

28、背面與背板的間隙,并在與工作臺導軌相接觸的斜鑲條接觸面上和背板接觸面上貼塑。(2 對滾珠絲桿螺母副采用預緊措施,并對滾珠絲桿進行預拉伸。(3 采用伺服電機驅動。(4采用膜片彈性聯軸器將伺服電動機與滾珠絲桿直連。3.1.2橫向進給系統的設計計算設計參數如下:縱向:工作臺重量:W=1000N行程:S=230mm脈沖當量:p =0.001mm/P最大進給速度:max V =1m/min橫向:工作臺重量:W=300N行程:S=200mm脈沖當量:p =0.001mm/P最大進給速度:max V =1m/min3.1.3計算滾珠絲杠螺母副的軸向負載力F0=F=3453.1.4確定進給傳動鏈的傳動比i 和

29、傳動級數取步進電動機的步距角 1.5=,滾珠絲杠的基本導程06L mm =,進給傳動鏈的脈沖當量=0.001mmP ,則有25001.036065.1360=L i 式(3.1 按最小慣量條件,查得應該采用2級傳動,傳動比可以分別取13i =、2 2.1i =。根據結構需要,確定各傳動齒輪的齒數分別為120z =、260z =、320z =、442z =,模數m=2,齒寬b=20mm 。3.1.5滾珠絲杠的動載荷計算與直徑估算(1按預期工作時間估算滾珠絲杠預期的額定動載荷已知數控機床的預期工作時間15000h L h =,滾珠絲杠的當量載荷m F =max a F =345,查表得載荷系數 1

30、.3w f =;初步選擇滾珠絲杠的精度等級為3級精度,取精度系數1a f =;查表得可靠性系數1c f =。取滾珠絲杠的當量轉速max m n n =,已知V=1m/min ,滾珠絲杠的基本導程06L mm =,則m r L v n /67.16661100010000max max =式(3.2 N N f f f F L n C c a w m h m cm 8.16585111003.134.23701500067.166601006033=式(3.3 (2根據定位精度的要求估算允許的滾珠絲杠的最大軸向變形。已知本機床橫向進給系統的定位精度為16 m ,重復定位精度為40m ,則有m 3

31、3.13162131(1max =+= 式(3.4m 18404151(2max =+= 式(3.5取上述計算結果的較小值,即m 33.13m ax =(3估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑2m d滾珠絲杠螺母的安裝方式擬采用一端固定、一端游動支承方式,滾珠絲杠螺母副的兩個固定支承之間的距離為L=行程+安全行程+2×余程+螺母長度+支承(1.21.4行程+(25300L取L=(1.4×200+30×6mm=460mm 20.07815.54m d mm =式(3.6 (4初步確定滾珠絲杠螺母副的型號根據以上計算所得的0L 、am C 、2m d 和結構的需要,初步選

32、擇南京工藝裝備公司生產的FF 型內循環螺母,型號為FF3206-5,其公稱直徑0d 、基本導程0L 、額定動載荷a C 和螺紋底徑2d 如下:032d mm = 06L mm =2020016585.80a am C N C N =>=2227.915.54m d mm d mm =>=縱向進給系統的設計方法與橫向進給系統類似,不在此贅述了。3.2 結構設計3.2.1 滾珠絲杠螺母副的設計滾珠絲杠螺母副是直線運動與回轉運動能相互轉換的新型傳動裝置,在絲杠和螺母上都有半圓弧形的螺旋槽,當他們套裝在一起時便形成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有滾珠的回路管道,將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來構成封

33、閉的螺旋滾道,并在滾道內裝滿滾珠,當絲杠旋轉時,滾珠在滾道內既自轉又沿滾道循環轉動,因而迫使螺母軸向移動。本次設計采用的是內循環的絲杠螺母副,精度為3級,兩端采用了小圓螺母為軸向定位絲杠螺母副采用的預緊方式為單螺母消除間隙方法。它是在滾珠螺母體內的兩列循環滾珠鏈之間,使內螺紋滾道在軸向產生一個0L 的導程突變量,從而使兩列滾珠在軸向錯位而實現預緊。這種調隙方法結構簡單,但載荷量須預先設定而且不能改變。3.2.2滾珠絲杠支承的選擇滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷,徑向載荷主要是臥式絲杠的自重。因此對絲杠的軸向精度和軸向剛度應有較高要求,其兩端支承的配置情況有:一端軸向固定一端自由的支承配置方式,通常

34、用于短絲杠和垂直進給絲杠;一端固定一端浮動的方式,常用于較長的臥式安裝絲杠;以及兩端固定的安裝方式,常用于長絲杠或高轉速、高剛度、高精度的絲杠,這種配置方式可對絲桿進行預拉伸。因此在此課題中采用兩端固定的方式。3.2.3軸承的選擇絲杠中常用的滾動軸承有以下兩種:滾針推力圓柱滾子組合軸承和接觸角為60°角接觸軸承,在這兩種軸承中,60°角接觸軸承的摩擦力矩小于后者,而且可以根據需要進行組合,但剛度較后者低,目前在一般中小型數控機床中被廣泛應用。滾針圓柱滾子軸承多用于重載和要求高剛度的地方。60°角接觸軸承的組合配置形式有面對面的組合、背靠背組合、同向組合、一對同向與

35、左邊一個面對面組合。由于螺母與絲杠的同軸度在制造安裝的過程中難免有誤差,又由于面對面組合方式,兩接觸線與軸線交點間的距離比背對背時小,實現自動調整較易。因此在進給傳動中面對面組合用得較多。在此課題中采用了以面對面配對組合的60°角接觸軸承,組合方式為DDB 。以容易實現自動調整。滾珠絲杠工作時要發熱,其溫度高于床身。為了補償因絲杠熱膨脹而引起的定位精度誤差,可采用絲杠預拉伸的結構,使預拉伸量略大于熱膨脹量。3.2.4 連接方式 3-1工作臺連接圖4 控制系統硬件結構設計4.1 控制系統組成結構及分類4.1.1 控制系統組成結構計算機數控系統是用計算機通過執行其儲存器內的程序來完成數控

36、要求的部分或全部功能,并配有接口電路、伺服驅動的一種專用計算機系統,簡稱為CNC(computerized numerical control系統。數控系統硬件是由輸入/輸出裝置、計算機數字控制裝置(CNC裝置、伺服系統(驅動控制裝置和機床電器控制裝置四部分組成,機床本體則為被控對象,如圖4-1所示。數控系統 圖4-1 數控系統的組成框圖數控系統按照外部輸入的數控加工程序對工件進行自動加工。數控加工程序記載著數控加工所需的各種信息,主要包括零件加工的軌跡信息(如幾何形狀與尺寸、工藝信息(如進給速度和主軸轉速和開關命令(如換刀和切削液開關等。輸入裝置將數控加工程序及其它信息輸入給數控裝置,輸出裝

37、置則負責將輸出的內容和機床的工作狀態顯示出來。數控裝置(CNC是數控系統的核心。他的主要功能是解釋數控加工程序并對揭示的結果進行各種數字計算和邏輯判斷處理,最終將數控加工程序按兩類控制信息輸出:一類是高速軌跡信息(連續控制量,送給伺服驅動裝置。伺服系統包括進給軸伺服驅動裝置和主軸伺服驅動裝置。前者主要對各進給軸的位置進行控制,后者主要對主軸的進給速度進行控制。機床電氣控制裝置也位于數控裝置和機床本體之間,它接受數控裝置發出的開關命令,主要完成主軸的起停和方向控制、工件的夾緊和放松、切削液的開關等輔助工作,又可編程控制器和繼電器、接觸器組成。4.1.2 控制系統的分類按控制系統是否形成閉合回路分

38、類,可分為開環控制系統、全閉環控制系統和半閉環控制系統。開環控制系統:一個控制系統,如果在其控制器的輸入信號中不包含受控對象輸出端的被控量的反饋信號,則為開環控制系統。這類數控系統無位置檢測和反饋裝置一般以步進電動機為執行元件,其框圖如圖4-2所示。數控裝置輸出的指令脈沖經驅動電路進行功率放大,轉換為步進電動機各定子繞組的電流脈沖信號控制步進電動機的角位移、轉速和轉動方向,再經機床傳動機構帶動工作臺移動。開環控制系統易受各種干擾的影響,精度和速度受限制,其控制精度較低,但結構簡單、成本低,也容易實現,所以可用在對控制要求不高的小型機器設備。目前被廣泛用于經濟型數控系統和普通機床的數控系統改造。

39、 圖4-2 開環數控系統框圖閉環數控系統:一個控制系統,如果在其控制器的輸入信號中包含來自受控對象輸出端的被控量的反饋信號,則為閉環控制系統,或為反饋控制系統。這類數控系統帶有完善的位置檢測和反饋裝置。直接對工作臺執行部件的實際位置進行檢測與反饋,并根據指令位置與實際位置的偏差對執行部件進行控制。以直流或交流伺服電動機作為執行元件,數控系統將工作臺的實際位移與插補計算出的理論位移相比較,用兩者的差值進行控制,驅動工作臺向減少誤差的方向移動其框圖如圖4-3所示。由自動控制原理可知,凡是被反饋通道所包圍的前向通道中的所有誤差均能被反饋所補償,因此這種系統可獲得很高的定位精度和移動速度。但前向通道中

40、包括絲杠螺母副、機床工作臺等大慣性環節和帶有機械傳動間隙的非線性環節,使系統的設計和調試困難,穩定性難以保證。位置檢測元件 圖4-3 全閉環數控系統框圖半閉環控制系統:這類控制系統是介于開環和閉環控制系統之間的一類控制系統,也帶有位置檢測及反饋裝置,但安裝在伺服電動機或滾珠絲杠軸端的檢測裝置(編碼器,不能直接檢測工作臺的實際位移,只能檢測到其角位移或轉速,工作臺的位移要經過計算間接得到,數控系統也用實際位移與理論位移的差值進行控制,如圖4-4所示。半閉環控制系統與閉環控制系統一樣采用了閉環反饋控制,由于檢測元件所安裝的位置不同而將機械系統的大部分機構封閉在反饋環之外,因此機械結構和控制系統的復

41、雜程度、加工精度與成本等均介于開環和閉環控制系統之間,半閉環控制在普及性數控系統中被廣泛采用。 圖4-4 半閉環數控系統框圖本系統采用的是全閉環數控系統,通過編碼器、碼盤等檢測元件對控制卡進行位置反饋,從而使用運動控制卡對電動機的速度等參數實時的進行調節,將誤差減少到最小。4.2 控制系統的選型4.2.1 可控制編程器(PLC傳統的繼電接觸控制系統通常由輸入設備、控制線路和輸出設備三大部分組成。PLC 及其控制系統是從繼電接觸系統和計算機控制系統發展而來的。它有各種I/O接口、通信接口與外圍設備,所以功能非常豐富。它的控制部分用微處理器和存儲器取代了繼電器控制電路,其控制作用是通過用戶軟件來實

42、現的。它以CPU作為微處理器,有豐富的指令系統,可進行各式各樣的邏輯問題的處理,還可進行各種類型數據的運算。中高檔的PLC還開發有NC單元、運動單元、位控單元,用來進行脈沖量的控制。本系統中,PLC需要進行開關量與脈沖量控制,所以PLC的選型要綜合開關量控制所需的I/O點數及兩軸位置控制的要求等條件。本系統選擇了三菱FX系列中的FX2N-PLC,除了具有一般的輸入輸出1功能,還具有擴展模擬量控制模塊、位置控制模塊等特殊控制功能。FX2N-PLC系列的具有的特點有:(1集成性和高性能:CPU、電源、輸入輸出集成在一起,對于基本單元,可以以最小8點為單位連接輸入輸出擴展設備,最大可以擴展輸入輸出2

43、56點;(2高速運算:一條基本指令運算時間約為0.08us;一條應用指令運算時間約為1.52數100us,最高波特率為100K;(3寬裕的存儲器規格:內置8000步RAM存儲器,安裝存儲盒后最大可以擴展到16000步。(4豐富的軟元件范圍:輔助繼電器3072點,定時器256點,計數器235點,數據寄存器8000點。(5可基于三菱FX系列PLC編程軟件SW0PC-FXGP/WIN-C或三菱通用編程軟件GX Developer編制PLC程序。在本系統的設計中可以根據控制所需的輸入輸出I/O點數,并在留下一定數目的備用I/O點數的情況下,根據實際情況選擇FX2N-32MT作為基本控制單元,該型號的P

44、LC有輸入繼電器16點,輸出繼電器16點。PLC中I/O口的分配見表4-1到4-2,輔助繼電器的分配情況見表4-3到4-4,寄存器的分配情況見表4-5。 4.2.2 定位模塊定位模塊用于對運動部件的位置及速度進行控制,可指定若干目標位置,并控制其在若干目標位置間按一定規律運動。這些規律是指有確定的起動速度、加速度、運行速度、減速度、結束速度等。按坐標分,有單軸、雙軸及多軸。雙軸、多軸的可單獨控制,又可同步控制。在同步控制的情況下可以進行直線和圓弧插補運動,這也正是本設計中的XY 實驗工作臺所要求達到的設計目的。定位模塊接受PLC指令或觸摸屏傳送的數據,向伺服驅動器輸出脈沖信號。它一方面與PLC

45、進行連接,另一方面又通過I/O連接器輸出脈沖及接受少量的開關量信號。這樣,既可接受PLC的有關控制命令,并存于自身的內存中,又可接受開關量輸入信號,如極限位置信號、原點信號等,以便自身的CPU進行處理,并依處理結果控制脈沖發生器輸出脈沖。同時,在PLC的輸入輸出刷新時,能夠及時收到來至PLC的新命令,同時也能夠反饋一些信息給PLC。定位模塊的工作過程可概括為準備數據傳送數據起動命令。定位模塊可通過與操作規格和控制規格相一致的參數設定來滿足各方面的需求。它的每一個參數被分配在一個特殊數據寄存器中。在運行時,特殊數據寄存器中的數據可使用定位程序來改變。電源變為ON時,特殊數據寄存器被參數存儲器中的

46、數據初始化。4.2.2.1定位模塊的選型FX2N系列配備了可以完成復雜控制、多軸和插補控制的定位專用模塊,來支持定位控制。單軸位控單元有FX2N-10GM、10PG、1PG-E等,雙軸位控單元有FX2N-20GM。本系統選用FX2N-20GM定位模塊。FX2N-20GM是輸出脈沖序列的專用單元,允許用戶使用步進電機或伺服電機并通過驅動單元來控制定位。因為其本身自帶CPU,故即可以單獨工作,當作為一種特殊功能模塊連FX2N系列PLC上時, 與PLC之間使用FROM和TO 指令傳遞數據與命令。FX2N-10GM具有以下特點:(1不僅能處理單速定位和中斷定位,而且能進行多速運行等復雜的控制;(2可以

47、不連接PLC,單獨運行;(31個定位模塊可以控制2根軸,FX2N系列PLC中最多可以連接8臺定位模塊,可以控制多個獨立軸;(4最大可以輸出200HZ脈沖串,插補期間可以輸出100HZ脈沖串。(5配備了絕對位置檢測功能和與手動脈沖發生器連接的功能;(6可以用流程圖式的編程軟件FX-PCS-VPS/WIN-E開發可視化定位程序。4.2.2.2 FX2N-20GM定位模塊的主要控制信號FX2N-20GM定位模塊的主要控制信號的功能和意義見表4-6。 4.2.3觸摸屏觸摸屏作為人機對話界面,以軟操作面板取代了硬操作面板的大部分功能,現場接線簡單、操作方便、故障率低、在高檔機電設備的控制中應用越來越廣。

48、根據控制要求,系統采用了三菱GOT-F900系列中的12.1英寸256色A985GOT-TBA觸摸屏。該系列觸摸屏是三菱電機開發的一種性能優越的觸摸屏,可在其屏幕上實現觸摸鍵操作、數據顯示、消息顯示等各種功能。可以通過畫面設計將系統程序運行的各種狀態展現在操作人員面前,操作和維護非常方便。該系列觸摸屏大幅度提高了GOT的綜合性能。該型號的觸摸屏裝有人體感測器和CRT界面,同時具有音頻輸出功能、梯形圖監視功能、系統監視功能、網路監控功能與特殊模組監控功能。4.3伺服電動機設計4.3.1 交流伺服電機的分類和特點1異步交流伺服電動機(IM異步型交流伺服電動機指的是交流感應電動機,它有三相和單項之分

49、,也有鼠籠式和線繞式之分,通常多用鼠籠式三相感應電動機。其結構簡單,與同容量的直流電動機相比,質量約減輕1/2,價格僅為直流電動機的1/3。缺點是不能經濟實現范圍較廣的平滑調速,必須從電網吸收滯后的勵磁電流;因而令電網功率因數變壞。2同步型交流伺服電動機(SM同步型交流伺服電動機雖較感應電動機復雜,但比直流電動機簡單。它的定子與與感應電動機一樣,都在定子上裝有對稱三相繞組。而定子卻不同,按不同的轉子結構又分電磁式和非電磁式兩大類。非電磁式又分磁滯式、永磁式和反應式多種。其中磁滯式和反應式同步電動機存在效率低、功率因數較差、制造容量不大等缺點。數控機床中多用永磁式反應異步電動機。與電磁式相比,用

50、磁式優點是結構簡單、運行可靠、效率較高;缺點是體積大、啟動性能欠佳。它與異步電動機相比,由于采用了永磁鐵勵磁,消除了勵磁損耗及有關的雜散損耗。所以效率高。又因為沒有電磁式同步電動機所需的集電環和電刷等,其機械可靠性與感應電動機相同,而功率因數卻大大高于異步電動機,從而使永磁同步電動機的體積比異步電動機小些。這是因為在低速時,感應電動機由于功率因數低,輸出同樣的功率時,它的視在功率卻要大得多,而電動機主要尺寸是據視在功率而定的。交流永磁同步電動機有以下性能:交流伺服電動機的機械特性比直流伺服電動機的機械特性要硬,其直線更為接近水平線。另外,其斷續工作區范圍更大,尤其是高速區,這有利于提高電動機的

51、加速能力。永磁同步伺服電動機具有高可靠性。用電子逆變器取代了直流電動機的換向器和電刷,工作壽命由軸承決定。因無換向器及電刷。也省去了此項目的保養及維護。主要損耗在定子繞組與鐵心上,故散熱容易,便于安裝熱保護;直流電動機損耗主要在轉子上,散熱困難。在機床控制上,異步伺服多用于主軸傳動,而機床的進給系統多用同步電機。由于CR400S系統模擬的是機床的進給系統,所以采用永磁同步驅動電機。 目前常用的交流伺服驅動器多為智能型驅動器,即除了電流放大作用外,也存在簡單的控制功能。一般的永磁同步伺服電動機即AC伺服電動機有位置(脈沖控制、速度(模擬量控制和轉矩(模擬量控制以及復合控制,控制方式的選擇取決于系

52、統的要求。它們的主要區別在于控制信號是一個什么指令以及使用的哪一環進行閉環。位置控制時,控制信號是一個位置指令,速度環2、電流環1都是內環;速度控制時,控制信號是一個速度指令,位置環1沒有接進來;轉矩控制時,控制信號是一個轉矩(電流指令,位置環1和速度環2都未接入。復合控制用于一些特殊場合,或者先做位置,后做速度控制,或者先做速度,后做轉矩控制。由于控制方式不同,控制信號及驅動器參數設置,外部接線都不一樣。位置控制信號大都是脈沖加方向信號,而速度和轉矩指令大都是模擬電壓信號。如上圖4-9所示。4.3.3 X-Y 軸伺服電機的選型4.3.3.1 已知條件工作臺在X 方向的行程為200mm ,Y

53、軸行程為230mm ,絲杠的總長mm L 3002=,快進速度是1000 mm/min ,絲杠的導程mm P xh 5=,絲杠的直徑為D2=10mm ,工作臺的重量kg W 110=,電機通過聯軸器直連絲杠,其傳動比n=1,驅動系統效率8.0=,系統摩擦系數2.0=。 4.3.3.2 選型計算1電機的最高轉速min /200.maxmax mm n P V N xh=式(4.1 式中 max N 電機的最高轉速(r/min ;maxV 工作臺的快進速度(mm/min ;xhP 絲杠的導程(mm ;n 傳動比。 2加減速時間常數設定位時間s t 2.10=內,調整時間s t s 15.0=,加速

54、時間psa t 與減速時間psd t 相等,通過計算可得加減速時間為:s t V L t t t s X psd psa 05.060m ax0=-= 式(4.2式中 psa t 加速時間常數(s ;psdt 減速時間常數(s ;s t調整時間(s ;max V工作臺的快進速度(mm/min ;1L絲杠的總長(mm 。3負載轉矩XL T m N s g W T XL =21.08.014.310258.91102.010233 式(4.3 式中1XL J 工作臺的負載慣量(2kg cm ;W 工作臺的重量(kg ;hx PX 軸絲杠的導程(mm 。4負載慣量XL J (轉換為伺服電機軸上的等效

55、值 負載慣量是由絲杠的慣量1XL J 和工作臺的慣量2XL J 兩部分組成的,計算如下:工作臺的慣量222170.0205(11020(cm kg P W J hx XL = 式(4.4 絲杠的慣量24411223.01323008.732cm kg D L J XL = 式(4.5式中 鋼的密度,一般取-337.810kg cm ;2XL J X 軸絲杠的慣量(2kg cm ;1L X 軸絲杠的總長度(mm ;1D X 軸絲杠的直徑(mm 。故X 軸上總的負載慣量:22193.0cm kg J J J XL XL XL =+=式中 XLJ X 軸總的負載慣量(2kg cm ; 1XL J X

56、 軸絲杠慣量(2kg cm ;2XL J 工作臺慣量(2kg cm 。5伺服電機的臨時選擇伺服電機的選擇必須符合以下兩個條件 最大轉速<伺服電機額定轉速 滿負載慣量<2.5·伺服電機慣量綜上所述,根據三菱電機選型手冊,臨時選擇HF-KP13型的伺服電機。其相關參數見表4-7。表4-7 HF-KP13伺服電機相關參數 6加速及減速轉矩加速期間伺服電機要求的轉矩T XMA =0.84N/m減速期間伺服電機要求的電機轉矩T XMD =0.33N/m式中 XL J 負載慣量;XM J 伺服電機的轉動慣量;X N 伺服電機的額定轉速; psa t 加速時間常數;spdt 減速時間常數。7連續有效負載轉矩Xrms Tm N t t T t T t T T fpsdXMD C LX pas X