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1、毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题目题目: : 平面轨迹切削加工控制系统设计平面轨迹切削加工控制系统设计 摘 要 本文设计了平面轨迹切削加工控制系统。此系统由机械工作台、电气控制 系统、控制软件三大部分组成。其中，机械工作台由 X、Y、Z、C 四轴工作台、 刀库及液压系统等组成。通过研究了解本系统各个硬件部分如 PLC、双轴定位 模块、变频器、步进电机驱动器、伺服电机驱动器、步进电机、伺服电机，三 相异步电动机等元器件的工作原理、优缺点、选择原因、各组件之间的相互配 合等。学会选择各元器件、绘制电路图、搭建系统电路，进行程序设计，通过 所给实验台模拟平面轨迹切削加工系统，实现 X、Z 轴的联
2、动、Y 轴伺服控制、 C 轴的转动、主轴的正反转及变频调速等，并最终在蜡模一面上铣削出 “中” 。 关键词：平面轨迹切削加工；双轴定位模块；PLC；变频器；步进电机驱动器； 伺服电机驱动器 ABSTRACT This article is designed for Cutting plane trajectory control system. Micro- machining center is composed of mechanical table, electrical control systems and control software . And the machine tab
3、le is componented by the X, Y, Z, C four-axis table, tool storage ,hydraulic systems and so on. Through the experiment and study to understand the advantages and disadvantages and the reasons for such selection of the various hardware components such as the test bed PLC, inverter, stepping motor dri
4、ver, servo motor driver and other components. Learn to select each components, draw circuit diagram, set up the system circuit, design the program, and test-bed simulation by a given cutting plane trajectory system, and X, Z axis of the linkage ,Y servo control, C axis rotation, the spindle is Rever
5、sal and frequency control, and eventually the wax models on the side. “zhong“ milling Key words: Cutting plane trajectory; Programmable Controller; Inverter; Stepper Motor Driver; Servo motor drive 前 言 平面轨迹切削加工控制系统可以一次完成工件的铣、钻、镗、铰、攻螺纹 等工作，因其为采用 PLC 控制的自动化系统，可排除许多人为干扰因素，因而 具有高生产率和质量稳定性的特点。 此毕业设计需用 PL
6、C 控制平面轨迹切削加工系统对工件进行加工。PLC 是 专门为工业生产服务的控制装置，已成为当代工业自动化的主要支柱之一。四 十年来，可编程控制器从无到有，实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的 飞跃，其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数据控制的进步，其应用领域从小 到大，实现了从单体简单控制到运动控制，过程控制及集散控制等体系列功能。 本课题的解决方案为利用 PLC 程序设计搭建切削系统，以实验台为支撑平 台，通过程序设计，实现平面轨迹切削系统的工作。具体体现为刀具在蜡模上 的运动轨迹。 PLC 控制系统设计按以下步骤进行： 1.熟悉被控对象，制定控制方案。分析被控对象的工艺过程及工作特点，
7、了解被控对象机、电、液之间的配合，确定被控对象对 PLC 控制系统的控制要 求。 2. 根据控制要求，确定控制的操作方法（手动、自动、连续、单步等） ， 应完成的动作（动作顺序、动作条件） ，以及必须的保护和连锁；还要确定所有 的控制参数（转步时间、计算长度、模拟精度等） 3.选择 PLC。选择时主要包括 PLC 机型、容量、I/O 模块、电源的选择。 4.分配 PLC 的 I/O 地址。根据所选的 PLC 的型号列出输入/输出设备与 PLC 输入输出端子的对照表，以便绘制 PLC 外部 I/O 接线图和编制程序。 5. 设计软件及硬件进行 PLC 程序设计。 目目 录录 第一章 绪 论1 1
8、.1 概述1 1.2 本课题研究的目的和意义1 第二章 系统硬件选型4 2.1 总体方案4 2.2 总控制系统接线图4 2.3 可编程控制器（PLC）5 2.3.1 系统结构5 2.3.2 系统类型5 2.3.3 规格6 2.3.4 输出类型7 2.3.5 选择7 2.4 变频器及三相交流异步电动机8 2.4.1 变频器定义8 2.4.2 工作原理8 2.4. 3 操作面板9 2.4.4 接线方法9 2.4. 5 三相异步交流电动机10 2.5 步进电机驱动器与步进电机10 2.5.1 步进驱动器的选择10 2.5.2 步进电动机的选择13 2.6 伺服电机驱动器与伺服电机15 2.6.1 伺
9、服驱动器17 2.6.2 伺服电机18 2.7 NC 运动控制模块19 2.7.1 定义19 2.7.2 功能19 2.7.3 选择19 2.8 继电器(KA)与接触器（KM） 19 2.8.1 继电器19 2.8.2 接触器20 2.8.3 接触器与继电器的区别20 第三章 系统软件设计22 3.1 总体设计方案22 3.2 总控制系统工作流程图22 3.3 输入输出线表22 3.4 步骤一：步进电机两轴联动23 3.4.1 控制系统原理图23 3.4.2 控制系统接线图24 3.4.3 程序24 3.4.4 工作原理25 3.5 步骤二：交流伺服电机控制25 3.5.1 控制系统原理图25
10、 3.5.2 控制系统接线图25 3.5.3 程序26 3.5.4 工作原理28 3.6 步骤三：步进电机 C 轴旋转28 3.5.1 步进电机 C 轴控制接线图28 3.5.2 程序29 3.5.3 工作原理30 3.6 步骤四：变频调速30 3.6.1 变频调速接线图30 3.6.2 程序31 3.6.3 工作原理31 3.7 本章小结31 参考文献31 附录一：文献翻译33 附录二：文献检索46 附录三：程序49 谢 辞57 天津工业大学 2011 届本科生毕业设计（论文） 1 第一章 绪 论 1.1 概述 平面轨迹切削加工系统是由 PLC 控制系统与机械设备组成的用于加工平面 中各种复
11、杂形状工件的高效率自动化机床。此系统备有刀库，具有自动换刀功 能，是对工件一次装夹后进行多工序加工的自动化机床。它也是高度机电一体 化的产品，工件装夹后，系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具、自 动对刀、自动改变主轴转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等 多种工序，因而大大减少了工件装夹时间、测量和机床调整等辅助工序时间， 对加工形状比较复杂，精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效 果。 本次设计的自动化平面轨迹切削加工系统由机械工作台、电气控制系统、 控制软件三大部分组成。其中，机械工作台由 X、Y、Z、C 四轴工作台、刀库及 液压系统等组成。 早期的可编程控制器称
12、作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称 PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发 展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围。PLC 是专门为工业生产 服务的控制装置，已成为当代工业自动化的主要支柱之一。四十年来，可编程 控制器从无到有，实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃，其功能从 弱到强，实现了逻辑控制到数据控制的进步，其应用领域从小到大，实现了从 单体简单控制到运动控制，过程控制及集散控制等一系列功能。 1.2 本课题研究的目的和意义 工件在切削系统上经一次装夹后，控制系统能控制机床按不同工序，自动 选择和更换刀具，
13、自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹 及其他辅助机能，依次完成工件几个面上多工序的加工。并且有多种换刀或选 刀功能，从而使生产效率大大提高3。 此切削系统由于工序的集中和自动换刀，减少了工件的装夹、测量和机床 调整等时间，使机床的切削时间达到机床开动时间的 80左右(普通机床仅为 1520)；同时也减少了工序之间的工件周转、搬运和存放时间，缩短了生产 周期，具有明显的经济效果。加工中心适用于零件形状比较复杂、精度要求较 高、产品更换频繁的中小批量生产5。 PLC 的优点如下： 天津工业大学 2011 届本科生毕业设计（论文） 2 1.应用简便应用简便 (1)应用灵活、安装简便
14、标准的积木式硬件结构与模块化的软件设计，是 PLC 不仅适用大小不同、 功能复杂的控制要求，而且适应工程流程变化较多的场合。 (2)变成简化 PLC 采用电气操作人员习惯的梯形图形式编程，直观易懂。因此，不仅程 序开发速度快，而且程序的可读性强，软件维护方便。 (3)操作方便、维修容易 工程师编好的程序十分清晰直观，只要写好操作说明书，操作人员经短期 培训就可以使用。另外，PLC 具有完善的监视和诊断功能，对其内部工作状态、 通信状态、I/O 点状态和异常状态等有明显的提示，使维修人员能及时、转缺德 判断故障点，迅速替换故障模块或插件，恢复生产。 2.可靠性高可靠性高 PLC 的可靠性高，主要
15、是因为它在硬件及软件两方面都采取了严格的措施。 在硬件设计方面，首先是选用优质器件，再者是合理的系统结构，简化安 装，使他易于抗冲击振动。对印刷电路板的设计、加工及焊接都采用了极为严 格的工艺措施，而且在电路、结构及工艺上采取了一些独特的方式，例如，在 输入输出电路中采用了光隔离措施，做到电浮空；各个 I/O 端口除采用常规模 拟器滤波以外，还加上数字滤波；内部采用了电磁屏蔽措施，防止辐射干扰； 采用了较先进的电源电路，以防止电源回路中串入的干扰信号；采用了较合理 的电路形式，支持模块在线插拔，调试时不会影响 PLC 的正常运行。 在软件设计方面也采取了很多特殊措施，设置了警戒时钟 WDT。系
16、统运行 时对 WDT 定时刷新，一旦程序出现了死循环，使之能立即跳出，重新启动并 发出报警信号。上述有效措施，保证了 PLC 的高可靠性。所以它的平均无故障 时间（MTBF）超过 45 万小时，某些优秀产品更高达十几万小时以上。 3.抗电磁干扰性能好，环境适应性强抗电磁干扰性能好，环境适应性强 PLC 是按直接应用于工业环境而设计的，产品在相当宽的环境温度、湿度， 规定的机械振动、冲击以及额定的电源电压与频率变化、电源瞬间中断电源电 压降低等因素作用下，均能正常工作。 4.功能完善功能完善 PLC 的基本功能包括逻辑运算、定时、计数、数值换算，不仅控制等。其 扩展功能还有 A/D、D/A 转换
17、、PID 闭环回路控制、高速计数、通信连网、中 断控制及特殊功能函数运算功能，可以通过上位机进行显示、报警、记录、人 机对话，使控制水平大大提高。 天津工业大学 2011 届本科生毕业设计（论文） 4 第二章 系统硬件选型 2.1 总体方案 2.2 总控制系统接线图 总控制接线图见附页 2.3 可编程控制器（PLC） 图 2-1 OMRON CP1H-X40DT-D PLC 天津工业大学 2011 届本科生毕业设计（论文） 5 2.3.1 系统结构 电磁阀 信号灯 接触器线圈 行程开关 继电器触点 按钮 输 入 部 分 输 出 部 分 电 源 部 分 用户程序存储器 系统程序存储器 中央处理器
18、 手持编程器/上位计算机 2.3.2 系统类型 图 2-2 最大通用输入输出点数图 名称型号电源 电压 输出特性输入 特性 扩展 I/O 单 元最大连接 数 最大扩 展点数 CP1H-X40DR-AAC10 0240 V 继电器输出 16 点 CP1H-X40DT-D晶体管输出 漏型 16 点 CP1H X 型 CP1H-X40DT1- D DC24 V晶体管输出 源型 16 点 DC2 4V24 点 7 280 点 （最多 7 单元， 40 点/ 单位） CP1H-XA40DR- A AC10 0240 V 继电器输出 16 点 CP1H-XA40DT- D 晶体管输出 漏型 16 点 CP
19、1H XA 型 CP1H- XA40DT1-D DC24 V晶体管输出 源型 16 点 DC24 V24 点 7同上 CP1H Y 型 CP1H-Y20DT-DDC24 V 晶体管输出 漏型 8 点 DC2 4V24 点 7同上 本次毕业设计用到的是 CP1H-X40DT-D 型号的 PLC，其输出接口为晶体管型。 天津工业大学 2011 届本科生毕业设计（论文） 6 2.3.3 规格 (1)输入规格（XA/A 型） X/XA 型 CP1H 拥有 24 个输入点，如图 2-3 所示。0.000.11 位共 12 点，1 通道 1.001.11 位共 12 点，2 个通道合计 24 点。 上部端
20、子机（AC 电源型例） 输入 1CH 输入 0CH 08 04 10 08 06 04 02 00 L2/N 01 COM L1 03 05 07 09 11 01 03 05 07 09 11 00 02 06 10 图 2-3 X/XA 型输入端子台排列图 X/XA 型 CP1H 的通用输入端子可以根据 PLC 的系统设定进行选择和分配。 (2)输出规格 X/XA 型 CP1H 拥有 16 个输出点，如图 2-4 所示。100 通道 100.00100.07 位共 8 点，101 通道 101.00101.07 位共 8 点，合计 16 点。 101 CH 上部端子机（晶体管输出例） CO
21、M COM COM 07 05 02 07 05 COM COM COM NC 06 04 03 01 00 06 04 03 02 01 00 NC 图 2-4 X/XA 型输出端子台排列图 X/XA 型 CP1H 的通用输出端子可以根据 PLC 的系统设定进行脉冲输出。 2.3.4 输出类型 继电器输出型 继电器型可接交流 220V 或直流 24V 负载，没有极性要求。 继电器型的负 载电流比较大，可以达到 2A。但是继电器型响应时间比较慢（约 10ms-20ms） 。 而且它是机械元件，动作次数（寿命）会受到限制，且与负载容量有关，随着 负载容量的增加，触点寿命几乎按级数减少。 晶体管输
22、出型 天津工业大学 2011 届本科生毕业设计（论文） 7 晶体管型只能接直流 24V 负载，有极性要求。晶体管型负载电流为 0.2- 0.3A。其响应时间比较快，约 0.2ms-0.5ms，甚至可以达到 10。晶体管型的s 是电子原件，只有老化，没有使用寿命限制。 脉冲输出型 PWM 输出型 2.3.5 选择 继电器输出型电流大，响应慢，有机械寿命，适用于驱动中间继电器、接 触器的线圈、指示灯等动作频率不高的场合。晶体管输出型电流小，频率高， 寿命长，适用于控制伺服控制器、固态继电器等要求频率高、寿命长的应用场 合。在高频应用场合，如果同时需要驱动大负载，可以加其他设备（如中间继 电器，固态
23、继电器等）方式驱动。 因此，此次毕业设计选择的是晶体管输出型 PLC（OMRON CP1H-X40DT- D） 2.4 变频器及三相交流异步电动机 2.4.1 变频器定义 变频器是利用电力半导体器件吧电压、频率固定的交流电变成电压、频率 可调的交流电的变换器。它主要由两部分电路构成，一是主电路（整流模块、 电解电容和逆变模块） ，二是控制电路（开关电源板、控制电路板） 。CPU 就安 装在控制电路板上，变频器的操作软件烧录在 CPU 上，同一型号的变频器软件 是固定的，唯一例外的就是三晶变频器，软件可根据使用需求更改。 2.4.2 工作原理 交流变频技术的原理是把工频 50HZ 的交流电转换成
24、频率和电压可调的交流 电，通过改变交流电动机定子绕组的供电频率，在改变频率的同时也改变电压 ，从而达到调节电动机转速的目的（即 VVVF 技术） 。 我们现在使用的变频器主要采用交直交方式（VVVF 变频或矢量控制 变频） ，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换 成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、 中间直流环节、逆变和控制 4 个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器 ，逆变部分为 IGBT 三相桥式逆变器，且输出为 PWM 波形，中间直流环节为 滤波、直流储能和缓冲无功功率10。 天津工业大学 2011 届本科生毕业设计（论文）
25、8 图 2-5 变频器的基本原理框图 2.4. 3 操作面板 图 2-6 变频器操作面板 显示部位显示输出频率、电流、线速度、异常内容、设定功率时的数据 及其参数 No RUN(运行)键是变频器运行的键 STOP(停止)键是变频器运行停止的键 MODE（模式） 键 切换“输出频率 电流显示“、 ”频率设定 监控“、 ”旋转方 向设定“、 ”功能设定“等各种模式以及将数据显示切换为模 天津工业大学 2011 届本科生毕业设计（论文） 9 式显示所用的键 SET(设定键)切换模式和数据显示以及存储数据所用键。在“输出频率 电 流显示模式“下，进行频率显示和电流显示的切换 UP（上升）键改变数据或输
26、出频率以及利用操作板使其正常运行时，用于设 定正转方向 DOWN(下降) 键 改变数据或输出频率以及利用操作板使其正常运行时，用于设 定反转方向 频率设定键用操作板设定运行频率而使用的旋钮 2.4.4 接线方法 图 2-7 变频器接线图 端子规格：螺丝尺寸 M3（母螺丝） 紧固力矩 0.50.6Nm 频率设定电位器（VR）规格：10k，1/4W 以上的电位器4 继电器输出接点规格：1c 无电压接点，250VAC 0.5A（电阻负荷） 开路式集电极输出规格：最大额定值 50VCD,50mA 注：注：在频率设定中使用 420mA 信号时，一定要连接 200、1/4W 的电阻。 （如 不连接电阻，变频器可能烧坏） 2.4. 5 三相异步交流电动机 三相交流异步电动机主要由定子和转子构成，定子是静止不动的部分， 转子是旋转部分，在定子与转子之间有一定的气隙。由于本系统中 ，三相 交流异步电动机用来带动刀具进行切削，需要较大的转矩，但是对转动的精 度却基本没 有要求，故选择三相交流异步电动