基于PLC二维数控实验平台设计与实现 - 图文

基于PLC的二维数控实验台的设计与实现

[摘要]

本论文课题是基于PLC的二维数控实验台的设计与实现，目的是为了了解二维数控实验台的设计方法和特点，以及如何用PLC控制数控实验台的动作，将所学到的理论知识运用到实际设计之中，理论和实践相结合。

本文首先通过对怎样用PLC控制数控实验台的介绍加深人们对PLC控制的了解。然后对实验台进行分析，最终确定PLC对数控实验台的速度与位移的控制。

在对实验台机械结构进行设计的过程中，主要对滚珠丝杠螺母副和电机进行了计算、选型、校核，确保了机械传动部件的精度和刚度，使之满足系统的要求：通过计算，选择了步进电机驱动。

实验台有极限位置限位，当实验台运行过极限位置时，应将主控电路切断。运动控制分自动和手动两种，自动和手动的转换，由操作面板上进行设置。不论是手动还是自动，开始运行时首先启动电机，同时接通I／O回路电源。如遇到意外，可按急停按钮，停止电机，同时切断回路电源。

[关键字]

PLC控制，二维数控实验台

PLC-based two-dimensional test-bed CNC Design and

Implementation

【Abstract】 In this paper, the subject is based on the PLC of the two-dimensional test-bed

CNC Design and Implementation, In order to understand the purpose of test-bed two-dimensional numerical control design method and characteristics of, PLC control, as well as how to test the action of NC, Learned to use the theoretical knowledge to practical design, combination of theory and practice.

In this paper, through the PLC to control how the introduction of NC test-bed to deepen people's understanding of PLC control. And then an analysis of the test-bed, CNC PLC to finalize the test-bed for the speed and displacement control.

In the mechanical structure of the experimental design process, Vice-principal of the ball screw and motor calculated, selection, checking to ensure the accuracy of mechanical transmission components and stiffness, So as to meet the system requirements: through the calculation, select the stepper motor driver.

There is a limit on the location of test-bed limit, When the test-bed run-off limit, the control circuit should be cut off. Motion control of two sub-automatic and manual, automatic and manual conversion, carried out by the operator panel settings. Whether manually or automatically, First of all, start at the beginning of operation of motors, At the same time to connect I / O circuit power. In case of accident, Stop button can stop the motor, at the same time cut off the power circuit.

【Key words】 PLC control CNC two-dimensional test-bed

目 录

第一章 前言 .................................................... 1 1.1设计课题的意义 .......................................... 2 1.2设计任务的介绍 .......................................... 2 1.3 PLC实验台的组成 ........................................ 2 第二章 方案的确定 .............................................. 3 2.1设计参数 ................................................ 3 2.2机械传动部件的选择 ...................................... 3 2.3控制系统的设计 .......................................... 4 第三章 机械部分的设计 .......................................... 5 3.1导轨上移部件的重量估算 .................................. 5 3.2直线滚动导轨副的计算 .................................... 5 3.2.1滑块承受工作载荷的计算 ............................. 5 3.2.2导轨额定寿命的计算 ................................. 5 3.3滚珠丝杠副的计算 ........................................ 6 3.3.1滚珠丝杠副最大动载荷的计算 ......................... 6 3.3.2初选滚珠丝杠副的型号 ............................... 6 3.3.3 传动效率的计算 ..................................... 6

3.3.4刚度的校验 ......................................... 7 3.3.5压杆稳定性校验 ..................................... 8 3.4步进电动机的计算 ..................................... 8 3.4.1计算加在电动机转轴上的总惯动惯量 ................... 8 3.4.2计算加在电动机转轴上的等效负载转矩.................. 9 3.4.3步进电机最大静转矩的确定 .......................... 10 3.4.4步进电动机的性能校核 .............................. 10

第四章PLC控制系统的设计 ................................. 13

4.1 PLC的选择 ............................................. 13 4.2 PLC的I/O地址分配 ..................................... 15 4.3 位置控制模块的设计 ..................................... 16 4.3.1定位模块初始化设定 ................................ 16 4.3.2定位位置和速度设定 ................................ 17

4.4 步进电机驱动器的选择 .................................. 18

致谢................................................... 20 附录................................................... 21 参考文献 ............................................... 22 外文翻译 ............................................... 23

第一章 前言

1.1 设计课题的意义

机电一体化毕业设计在机电一体化专业教学中占有重要位置，它关系到学生知识的综合运用和学生动手能力的培养及机电产品开发的能力。因此设计内容选择很重要。基于微型计算机控制的X-Y工作台是典型的机电一体化系统，以此为设计内容有较强的现实研究意义。

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展的数控技术及其产业。在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步。特别是在自动控制领域，以PC平台为基础的国产数控系统，已经走在了世界前列。但是，我国在数控技术研究和产业发展方面亦存在不少问题，特别是在技术创新能力等方面情况尤为突出。如何有效解决这些问题，使我国数控领域沿着可持续发展的道路，从整体上全面迈入世界先进行列，使我们在国际竞争中有举足轻重的地位，将是数控研究开发部门所面临的重要任务。所以近年来，PLC在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势是其它工控产品难以比拟的。随着PLC技术的发展, 它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。尽管PLC控制准确、精度高，然而机床精度仍取决于另一方面——数控机器人的驱动、执行系统，也就是数控机床的机械系统。所以，研究数控机床的机械系统对提高数控机器人的加工精度、效率和降低成本是很重要的。另外，经济上的发达国家清一色是工业上的强国，这些国家有很多共同点，其中之一便是工业自动化程度高，产品质量好。因此，提高数控加工水准对我国的经济实力、战略水平也是很重要的。使我国数控领域沿着可持续发展的道路，从整体上全面迈入世界先进行列，使我们在国际竞争中有举足轻重的地位，将是数控研究开发部门所

面临的重要任务。

1.2 设计任务的介绍

本次毕业设计的题目是设计一个基于PLC控制的二维数控实验台的实验装置，开发有关PLC控制数控实验台的实验，并能有相关装置完成控制动作，可以检查实验设计的正确性，又因为具有仿真效果使其更贴近工程实际。绘制总体布局图和机械部分的装配图，并完成相关的I/0接线图以及梯形图。

由于本次是设计一个二维数控工作台，既是一个仿真设计实验，不能按实际的大小尺寸来设计，只要能符合设计要求，完成所要求的基本动作就能达到目的，也必能对以后PLC控制二维数控工作台产生积极的促进作用。我选择设计基于PLC控制的二维数控实验台，其中要完成的动作是要PLC控制X、Y工作台电动机的正反转，即Y工作台的左移、右移，X工作台的前移、后移，实现两工作台的点动和连续控制。

1.3 PLC实验台的组成

二维数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件。基于PLC控制的数控X-Y实验台系统，是为具有两轴联动功能的数控工作台设计，它结构简单，操作方便，控制精度相对较高, 可靠性、稳定性和实用性都很好。如数控车床的纵-横向进刀机构、数控铣床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备，特别适合在钻床上，可实现坐标孔系的加工。在小铣床上，可实现二维曲面的加工等。

本设计是基于PLC控制的数控X-Y实验台系统，模块化得X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑台、工作平台、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中，伺服电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的落幕带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等以标准化，由专门厂家生产，设计时只需要根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，选用标准的PLC进行控制。

第二章 总体方案的确定

2.1 设计参数

1. 系统分辨率为??0.01mm/脉冲 2. 实验台尺寸：200mm?240mm 3. 实验台加工范围：200mm?150mm 4. 最大移动速度：??3000mm/min

2.2 机械传动部件的选择

1. 导轨副的选用 要设计的二维工作台式用来配套轻型的立式数控铣床的，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不已爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。

2. 丝杠螺母副的选用 伺服电机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足0.01mm的脉冲当量和?0.01mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反向间隙。

3. 联轴器的选用 选择了步进电机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有小间隙机构。为此，本设计决定采用TL1联轴器。

4. 伺服电动机的选用 因本设计的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级。因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，可以选用性能好一些的步进电机，如混合式步进电机，以降低成本，提高性价比。

考虑到X、Y两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置，以及伺服电机拟采用相同的型号与规格。

2.3 控制系统的设计

1．设计的二位数控工作台，其控制系统应该有单坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。

2．因本设计所选的精度对于步进电机来说不算高，电机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用开环控制，选用FX2N?48MT作为控制器和相应的定位模块应该能够满足相关指标。

3．要设计一台完整的控制系统，在选择控制器后，还需要扩展存储器，键盘与显示电路、I/O接口电路等，并选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。

第三章 机械部分的设计计算

3.1导轨上移动部件的重量估算

按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为800N

3.2 直线滚动导轨副的计算

3.2.1滑块承受工作载荷Fmax的计算

工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本设计的实验台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形势。

考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大工作载荷为：

G?1?f? 4Fmax?其中，移动部件重量G=800N，因本设计是数控实验台，所以只考虑其与导轨的摩擦力，摩擦因数f?0.05代入上式，得最大工作载荷Fmax?204N?0.204kN。

查表3-41（机电一体化系统设计课程设计指导书），根据工作载荷Fmax?0.204kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷Ca?7.94kN，额定静载荷C0a?9.5kN。

本设计选定实验台面尺寸为200mm?240mm，加工范围为200mm?150mm，考虑到工作行程应留有一定余量，查表3-35（机电一体化系统设计课程设计指导书），按标准系列，选取导轨的长度为460mm。

3.2.2导轨额定寿命的计算

O上述选取的KL系列JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100C,

每根导轨上只配有两只滑块，精度4级，工作速度较低，载荷不大。查表3-36~表3-40，分别取硬度系数fH?1.0、温度系数fT?1.00、接触系数fC?0.81、精度系数fR?0.9、载荷系数fW?1.5,代入下式，的距离寿命：

3?fHfTfCfRCa L???fWFmax?????50?3384km ?远大于期望值50km,故距离额定寿命满足要求。

3.3 滚珠丝杠螺母副的计算 3.3.1最大工作载荷Fm的计算

如上所述，因本设计是数控实验台，已知移动部件总重量G?800N,按矩形导轨进行计算，查表3-29（机电一体化系统设计课程设计指导书），取颠覆力矩影响系数K?1.1,滚动导轨上的摩擦因数??0.005。求的滚珠丝杠副的最大工作载荷：

Fm?G??G??800?0.005?800??804N

3.3.2最大动载荷FQ的计算

设实验台在承受最大工作载荷时的最快进给速度??400mm/min，初选丝杠导程

Ph?4mm，则此时丝杠转速n??/Ph?100r/min。

取滚珠丝杠的使用寿命T?15000h，得丝杠寿命系数L0?60nT/106?90（ 单位：

106r）

查表3-30（机电一体化系统设计课程设计指导书），取载荷系数fW?1.2，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH?1.0，得最大动载荷：

FQ?3L0fwfHFm?4312N

根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表3-31（机电一体化系统设计课程设计指导书），选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列2005-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为16mm,导程为4mm,精度等级取5级，循环滚珠为3圈?1列，额定动载荷为4612N，远大于FQ，满足要求。

3.3.3 传动效率?的计算

?p?将公称直径d0?16mm,导程ph?4mm，得丝杠螺旋升角??acrtan?h??3.43o。

??d0?将摩擦角??10'，代入??tan?/tan??????95.5%。

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