基于PLC的xy轴交流伺服运动控制装置毕业设计论文.docx

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基于PLC的xy轴交流伺服运动控制装置毕业设计论文

毕业设计（论文）

基于PLC的xy轴交流伺服运动控制装置

THEXYAXISACSERVOMOTIONCONTROLDEVICEBASEDONTHEPLC

徐州工程学院学位论文原创性声明

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本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

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摘要

传统的运动控制系统由于其封闭式的结构、控制软件的兼容性差、容错性和可靠性差、缺少网络功能等缺陷，已不能满足现代运动控制的要求。

现代运动控制技术是计算机技术、传感技术、电力电子技术和机械工程技术等的继承和综合应用，用于机械传动的自动化和智能化的创建，对机械传动的运动位置、运动轨迹和各种运动参数进行实时的控制和管理。

本设计的主要工作是对机电一体化教学设备的控制系统的设计，该设计以对加工中心的设计方法及步骤为主线展开设计，包括控制系统总体设计，系统软件、硬件的选择，系统的调试等内容。

设计硬件如下：

信息处理和控制由PLC系统完成；驱动元件为国内自行设计、自主开发、自有工厂制造的全数字式MR-J3-10A交流伺服驱动器；执行机构是HF-KP13交流伺服电机；机械本体为一个两维的X-Y工作平台，是工业应用中最典型的控制对象之一；反馈检测元件为编码器。

关键词交流伺服；运动控制；PLC系统；检测元件；编码器

Abstract

Becauseofitsclosed-endstructure,poorcompatibility,faulttoleranceandreliabilityofcontrolsoftware,traditionalmotioncontrolsystemhasmanydeficienciestomeetthe

requirementsofmodernmotioncontrol.Modernmotioncontroltechnologyistheinheritanceandintegratedapplicationofcomputertechnology,sensortechnology,power

electronictechnologyandmechanicalengineeringtechnology,beusedforautomatedmechanicaltransmissionandintelligentcreation,themovementofthemechanicaltransmission,trajectoryandmotionparametersinreal-timecontrolandmanagement.

Themainworkofthisdesignistheintegrationofteachingequipment,mechanicalandelectricalcontrolsystemdesign,experimentalequipmentastheteachingareasareverticalmachiningcenter,sothedesignofthemachiningcenter'sdesignandthestepstodesignthemainline,includingthecontrolsystemdesign,systemsoftware,hardwareselection,systemdebuggingandsoon.Hardwaredesignisasfollows:

drivecomponentsforthedomesticself-designed,developed,manufactureditsownfull-digitalMR-J3-10AACservodrive;executingagencyistheHF-KP13ACservomotor;mechanicalbodyforatwo-dimensionalXYworkplatform,isthemosttypicalindustrialapplicationofthecontrolobject;feedbackdetectiondevicesfortheencoder.

KeywordsACservomotioncontrodetectiondeviceencoder

1绪论

1.1课题研究的目的和意义

本设计的主要工作是对机电一体化教学设备的控制系统的设计。

机电一体化技术是一项在机械的主功能、动力功能、信息与控制功能上引进了电子技术，是将机械、电子等技术有机结合综合运用的新兴技术。

该技术主要涉及精密机械、自动控制、检测传感、信息处理、伺服传动、计算机等相关领域。

机电一体化技术的日新月异使高等学校和职业学校在教学实践上面临着新的挑战。

传统的机电一体化教学理论教学内容很多，而学生实验很少甚至没有，即使有也是针对于使用和操作机电设备，学生缺少在实践动手中联系理论知识的机会。

比如讲到伺服控制中的三环：

位置环、速度环、电流环的理论知识，老师讲了很多，但学生却缺少相应实验自己去操作从感性上认识加深这些理论知识，这样就使得毕业生走上社会以后面临重重困难，难以适应工作岗位的具体要求。

通用运动控制技术已逐步发展成为一种高度集成化的技术，不但包含通用的多轴速度、位置控制技术，而且与应用系统的工艺条件和技术要求紧密相关。

事实上，应用系统的技术要求，特别是一个行业的工艺技术要求也促进了运动控制器的功能的发展。

通用运动控制器的许多功能都是同工艺技术要求密切相关的，通用运动控制器的应用不但简化了机械结构甚至简化了生产工艺。

通用运动控制器的主要功能在多个行业得到广泛的应用。

伺服机械传动装置是伺服系统的一个组成环节，已广泛应用于各种精密机床和精密仪器工作台的自动定位、数控机床拖板移动、机械手与机器人的运动等。

其作用是传递转矩和转速并使伺服电动机和负载之间的转矩与转速得到合理的匹配。

通过这个课题的研究我们可以很好的将所学与实际相联系，更好的理解所学到得知识。

1.2机电一体化系统概述

机电一体化技术涉及到传感器技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、精密机械技术、计算机技术等关键技术。

典型的机电一体化系统包含以下几个部分：

图1-1机电一体化系统组成

1）信息处理与控制系统：

信息处理及控制系统接收传感与检测系统反馈的信息，并对其进行相应的处理/运算和决策，实现要求的控制功能。

本课题研究的机电一体化实验台中，信息处理及控制系统主要是由计算机的软件和硬件以及相应的接口所组成。

硬件包括输入输出设备、显示器、可编程控制器（PLC、单片机）和数控装置等。

本机电一体化实验台要求信息处理速度高，A/D和D/A转换及分时处理时的输入输出可靠，抗干扰能力强。

2）驱动元件系统：

按照系统的要求，为机电一体化产品提供能量和动力功能，去驱动执行机构工作，以完成预定的主功能。

本机电一体化实验台采用的是富士公司的伺服电动机作为动力驱动元件。

3）执行机构系统：

在控制信息的作用下完成要求的动作，实现机电一体化实验设备的主功能。

执行部件为运动部件，本机电一体化设备采用的是机械机构，即电动机带动滚珠丝杠作X、Y方向的位移，以完成设备的主功能。

执行机构是实现产品目的功能的直接执行者，其性能好坏直接决定着整个产品的性能，因而是机电一体化实验设备中重要的组成部分。

4）机械本体系统：

机械本体是机电一体化实验设备的基础，用于支撑和连接其他要素，并把这些要素合理的结合起来，形成有机的整体。

5）检测元件系统：

在系统运行过程中将自身和外界环境的各种参数转换成可以测定的物理量进行测定，为系统提供运行控制所需的各种信息。

本试验台的传感与检测系统的功能由是由编码器实现，对其要求是体积小、便于安装与连接、检测精度高、抗干扰能力强等。

由上述5个组成部分在工作时的相互协调，共同完成所规定的目的功能。

综上所述，本课题所面临的关键技术有：

编码器技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、精密机械技术等。

其中，信息处理技术是否能及时、准确的处理工作过程中各种参数和状态以及自动控制有关的信息输入、识别、变换、运算、存储、输出和决策分析等，直接影响到系统工作的质量和效率。

在机电一体化实验台中，实现信息处理技术的主要装置是控制信息处理器（即控制计算机）它能控制和指挥整个设备的运行，是本机电一体化设备的核心。

驱动器主要是执行元件和驱动装置驱动器一方面通过接口电路与控制单元相连，接受控制系统的指令；另一方面，通过机械接口与机械传动与执行机构相连，以实现规定的动作，因而驱动器直接影响着本机电一体化实验设备的执行和操作，对产品的动态性能、稳定性能、操作精度和控制质量等产生决定性的影响。

因此控制信息处理器和驱动器是本机电一体化设备组成要素中紧密相连的两大核心部分。

1.3课题背景

XY工作台可以实现工作台在平面坐标内任意位置的定位，目前市场上的定位装置大都采用由步进电机来驱动开环系统。

步进电机由微处理器根据所需要的进给速度和进给位移输出一定频率和数量的进给指令脉冲，经过驱动电路放大后，每一个进给脉冲驱动伺服电机旋转一个步距角，再经过滚珠丝杠螺母副转换成工作台的一个当量位移。

此类型XY工作台的控制系统结构简单，投资少，但存在以下不足之处：

（1）由于步进电机及驱动电路本身结构的缘故，系统的功率比较小，电机转速低，一般不超过1000r/min,影响了定位速度。

（2）系统工作时没有反馈检测装置，一旦定位系统误差过大或步进电机存在失步现象，就保证不了定位精度。

高档的XY工作台一般采用专门的运动控制卡或PLC来控制，这些控制装置定位精度高，可实现多轴联动和插补功能。

工作台的运动控制采用半闭环或闭环伺服系统，机械传动系统一般是由伺服电机通过绕性联轴器直接驱动滚珠丝杠，它的传动链短，传动摩擦系数小，可实现无间隙、高灵敏运动。

随着脉冲技术的发展，位移、速度等机械运动量都可以用脉冲技术来控制，而用PLC读入、输出数据也相当方便，这就导致了PLC用于运动控制的出现与发展。

目前许多品牌的PLC开发有专用位置控制模块，如欧姆龙公司的NC111、NC113，西门子公司的FM357，三菱公司的FX2N-10GM、20GM、10PG等。

可以说用PLC进行运动量控制已相当成熟，当系统不是太复杂，功能要求也不是太繁多，用PLC进行伺服运动控制可以代替成本较高的数控系统。

本文通过开发与研究基于PLC的XY轴伺服运动控制装置,提出XY实验工作台定位控制系统的设计思路与方法。

1.4课题内容

1.4.1设计条件

（1）脉冲当量是0.001mm；

（2）快进速度是1000mm/min；

（3）X轴丝杠的行程为200mm；

（4）Y轴丝杠的行程为230mm；

（5）滚珠丝杠的导程为5mm；

（6）工作台的重量是100kg；

（7）电机通过联轴器直连丝杠;

1.4.2设计内容

（1）确定XY实验工作台控制系统的总体设计方案。

（2）进行XY实验工作台控制系统的硬件、软件设计。

（3）完成XY轴工作台的结构设计

（4）成套图纸（3张A0图纸）与设计说明书。

1.4.3设计要求

（1）能够精确的实现工作台的速度和位置控制；

（2）能够实现工作台的线性和圆弧等插补运动；

（3）能够监控系统的工作状态以及实现系统的错误报警与复位功能。

2系统设计

2.1基于PLC的X-Y轴交流伺服运动控制装置总体结构

本课题设计的CR400S型X-Y轴伺服运动控制教学实验装置是一款多功能机电一体化教学设备。

其实质为数控铣床，有X，Y两个直线运动坐标，即工作台承担运动功能为纵向（X轴）和横向（Y轴）两个方向的移动，由两个伺服电机分别控制。

它能够使工件在一次装夹后完成安装面和顶面以外的其余四个面的加工，最适合箱体类工件的加工。

2.2伺服系统的选择

伺服驱动系统简称伺服系统，是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。

它最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等。

采用伺服系统主要是为了达到下面几个目的：

（1）以小功率指令信号去控制大功率负载，火炮控制和船舵控制就是典型的例子。

（2）在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距同步传动。

（3）使输出机械位移精确地跟踪电信号，如记录和指示仪表等。

一个伺服系统的构成一般由上位机、伺服驱动器和伺服电机构成：

（1）上位机：

给定伺服指令，如PLC、工控机、数控系统等；

（2）伺服驱动器：

接收并处理上位机的指令，控制电机转动角度和速度；

（3）伺服电机：

执行机构，其自带的编码器把电机旋转的角度和速度反馈给伺服放大器，构成闭环或半闭环控制，确保精度。

该课题中的上位机采用PLC。

对于伺服电机的控制模式又可以分为以下三类：

（1）转矩控制：

转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。

主要应用在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。

（2）位置控制：

位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。

由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，一般应用于定位装置。

（3）速度模式：

通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。

位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加整个系统的定位精度。

根据课题的要求要实现对工作台的精确定位和差补功能，故此系统的电机控制控制方式采用位置/速度控制模式。

2.3控制系统的选择

整个系统由GOTF900触摸屏、FX2N-32MT可编程控制器、FX2N-20GM定位模块、伺服驱动器、X和Y轴伺服电机组成。

其中PLC除了负责开关量输人信号的处理以及发出信号控制各外围设备的运行外，还与触摸屏、定位模块进行相互通信，实现定位和插补控制。

定位模块接受触摸屏传送的定位参数以及PLC发出的调用程序命令，再向交流伺服驱动系统发出脉冲信号。

触摸屏作为人机交流界面,执行工作方式的选择、参数的设置、信息显示和故障诊断等工作。

交流伺服驱动系统采用由伺服驱动器、交伺服电机、光电编码器组成的半闭环伺服系统,伺服驱动器接受控制系统的位置、速度指令，驱动伺服电机转动。

伺服电机通过联轴器与滚珠丝杠副直接连接，使转动量转换为直线进给。

检测装置光电编码器与伺服电机直接连接，可以使伺服电机的实际转动量以脉冲量的形式反馈到伺服驱动器的偏差计数器，通过与设定位置的比较，再经过反馈控制后达到所需位置。

它们组成的系统总体框图见图2-1。

图2-1系统总体框图

2.4系统运动方式的确定

在机械运动系统中一般可以将运动方式分为以下三类：

（1）点位控制系统:

一个位置移动到另外一个位置，移动过程中不进行加工。

（2）点位直线控制系统:

能实现点位的精确移动，还能实现平行于坐标轴的直线加工运动。

（3）连续控制系统:

也叫轮郭控制系统（最高级的控制系统）能实现多个坐标轴的同时进行连续控制。

由于该实验工作台装置要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系（差补运动），因此采用连续控制方式。

3工作台的设计

3.1工作台设计及计算

3.1.1总体方案

（1）工作台的导轨采用矩形导轨，在与之相配的动导轨滑动面上贴聚四氟乙烯（PT-FE）导轨板。

同时采用斜镶条消除导轨导向面的间隙，在背板上通过设计偏心轮结构来消除导轨背面与背板的间隙，并在与工作台导轨相接触的斜镶条接触面上和背板接触面上贴塑。

（2）对滚珠丝杆螺母副采用预紧措施，并对滚珠丝杆进行预拉伸。

（3）采用伺服电机驱动。

（4）采用膜片弹性联轴器将伺服电动机与滚珠丝杆直连。

3．1.2横向进给系统的设计计算

设计参数如下：

纵向：

工作台重量：

W=1000N

行程：

S=230mm

脉冲当量：

=0.001mm/P

最大进给速度：

=1m/min

横向：

工作台重量：

W=300N

行程：

S=200mm

脉冲当量：

=0.001mm/P

最大进给速度：

=1m/min

3.1.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力

F0=F=345

3.1.4确定进给传动链的传动比i和传动级数

取步进电动机的步距角

，滚珠丝杠的基本导程

，进给传动链的脉冲当量δ=0.001mm\P，则有

式（3.1）

按最小惯量条件，查得应该采用2级传动，传动比可以分别取

、

。

根据结构需要，确定各传动齿轮的齿数分别为

、

、

、

，模数m=2，齿宽b=20mm。

3.1.5滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算

（1）按预期工作时间估算滚珠丝杠预期的额定动载荷

已知数控机床的预期工作时间

，滚珠丝杠的当量载荷

=345，查表得载荷系数

；初步选择滚珠丝杠的精度等级为3级精度，取精度系数

；查表得可靠性系数

。

取滚珠丝杠的当量转速

，已知V=1m/min，滚珠丝杠的基本导程

，则

式（3.2）

式（3.3）

（2）根据定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形。

已知本机床横向进给系统的定位精度为16

重复定位精度为40

，则有

式（3.4）

式（3.5）

取上述计算结果的较小值，即

（3）估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径

滚珠丝杠螺母的安装方式拟采用一端固定、一端游动支承方式，滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离为

L=行程+安全行程+2×余程+螺母长度+支承

≈（1.2～1.4）行程+（25～30）

取L=（1.4×200+30×6）mm=460mm

式（3.6）

（4）初步确定滚珠丝杠螺母副的型号

根据以上计算所得的

、

、

和结构的需要，初步选择南京工艺装备公司生产的FF型内循环螺母，型号为FF3206-5，其公称直径

、基本导程

、额定动载荷

和螺纹底径

如下：

纵向进给系统的设计方法与横向进给系统类似，不在此赘述了。

3.2结构设计

3.2.1滚珠丝杠螺母副的设计

滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置，在丝杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽，当他们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。

螺母上有滚珠的回路管道，将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母轴向移动。

本次设计采用的是内循环的丝杠螺母副，精度为3级，两端采用了小圆螺母为轴向定位丝杠螺母副采用的预紧方式为单螺母消除间隙方法。

它是在滚珠螺母体内的两列循环滚珠链之间，使内螺纹滚道在轴向产生一个

的导程突变量，从而使两列滚珠在轴向错位而实现预紧。

这种调隙方法结构简单，但载荷量须预先设定而且不能改变。

3.2.2滚珠丝杠支承的选择

滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重。

因此对丝杠的轴向精度和轴向刚度应有较高要求，其两端支承的配置情况有：

一端轴向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短丝杠和垂直进给丝杠；一端固定一端浮动的方式，常用于较长的卧式安装丝杠；以及两端固定的安装方式，常用于长丝杠或高转速、高刚度、高精度的丝杠，这种配置方式可对丝杆进行预拉伸。

因此在此课题中采用两端固定的方式。

3.2.3轴承的选择

丝杠中常用的滚动轴承有以下两种：

滚针—推力圆柱滚子组合轴承和接触角为60°角接触轴承，在这两种轴承中，60°角接触轴承的摩擦力矩小于后者，而且可以根据需要进行组合，但刚度较后者低，目前在一般中小型数控机床中被广泛应用。

滚针—圆柱滚子轴承多用于重载和要求高刚度的地方。

60°角接触轴承的组合配置形式有面对面的组合、背靠背组合、同向组合、一对同向与左边一个面对面组合。

由于螺母与丝杠的同轴度在制造安装的过程中难免有误差，又由于面对面组合方式，两接触线与轴线交点间的距离比背对背时小，实现自动调整较易。

因此在进给传动中面对面组合用得较多。

在此课题中采用了以面对面配对组合的60°角接触轴承，组合方式为DDB。

以容易实现自动调整。

滚珠丝杠工作时要发热，其温度高于床身。

为了补偿因丝杠热膨胀而引起的定位精度误差，可采用丝杠预拉伸的结构，使预拉伸量略大于热膨胀量。

3.2.4连接方式

3-1工作台连接图

4控制系统硬件结构设计

4.1控制系统组成结构及分类

4.1.1控制系统组成结构

计算机数控系统是用计算机通过执行其储存器内的程序来完成数控要求的部分或全部功能，并配有接口电路、伺服驱动的一种专用计算机系统，简称为CNC（computerizednumericalcontrol）系统。

数控系统硬件是由输入/输出装置、计算机数字控制装置（CNC装置）、伺服系统（驱动控制装置）和机床电器控制装置四部分组成，机床本体则为被控对象，如图4-1所示。

图4-1数控系统的组成框图

数控系统按照外部输入的数控加工程序对工件进行自动加工。

数控加工程序记载着数控加工所需的各种信息，主要包括零件加工的轨迹信息（如几何形状与尺寸）、工艺信息（如进给速度和主轴转速）和开关命令（如换刀和切削液开关等）。

输入装置将数控加工程序及其它信息输入给数控装置，输出装置则负责将输出的内容和机床的工作状态显示出来。

数控装置（CNC）是数控系统的核心。

他的主要功能是解释数控加工程序并对揭示的结果进行各种数字计算和逻辑判断处理，最终将数控加工程序按两类控制信息输出：

一类是高速轨迹信息（连续控制量）,送给伺服驱动装置。

伺服系统包括进给轴伺服驱动装置和主轴伺服驱动装置。

前者主要对各进给轴的位置进行控制，后者主要对主轴的进给速度进行控制。

机床电气控制装置也位于数控装置和机床本体之间，它接受数控装置发出的开关命令，主