基于PLC的雕刻机控制系统设计说明书.docx

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基于PLC的雕刻机控制系统设计说明书

基于PLC的雕刻机控制系统设计

摘要自从有了人类的社会活动以后，就有了雕刻这一行业，伴随着人类社会的发展，如今人们对雕刻有了全新的认识，随着人们对雕刻机的认识和掌握逐步加深，应用范围会得到不断扩大，应用水平也会逐步提高，雕刻加工必定会有更广阔的前景。

本文论述了雕刻机的控制要求及驱动方式，设计了基于PLC控制的三维雕刻机的电气控制线路，并编制了实现轨迹运行的控制程序。

三维雕刻机为滚珠丝杠设计，X、Y、Z三轴采用步进系统，分别通过CPU的高速脉冲输出PTO及定位模块EM253实现三根轴的位置控制，主轴采用交流变频驱动，系统中设置了限位开关和位置感应器以防止运动超程。

调试结果表明，系统可以实现一定精度的雕刻轨迹控制，达到了设计指标的要求。

关键词：

雕刻机；PLC；位置控制；滚珠丝杠

ABSTRACTEversincehumansocialactivitylater,thereisasculptureoftheindustry,alongwiththedevelopmentofhumansociety,andnowpeoplehaveanewunderstandingofsculpture,engravingmachinesaspeoplegraduallydeepeningunderstandingandgraspthescopeofapplicationwillbeenexpandingtheapplicationlevelwillgraduallyincrease,engravingprocessmustbemorebroadprospects.

Thispaperdiscussestherequirementsanddrivemodecontrolengravingmachine,thedesignofPLC-basedelectricalcontrolcircuitcontrolsthethree-dimensionalengravingmachineandpreparedtoachievetrajectorycontrolprogramrunning.Three-dimensionalengravingmachinefortheballscrewdesign,X,Y,Z-axissteppersystem,respectively,toachievethree-axispositioncontrolwithhigh-speedpulseoutputPTOandthepositioningmoduleEM253CPU,thespindleACvariablefrequencydrive,thesystemsetuplimitswitchesandpositionsensorstopreventovertravelmovementDebuggingresultsshowthatthesystemcanachieveacertainprecisionengravingtrajectorycontrol,mettherequirementsofthedesignspecifications.

Keywords：

Engravingmachine;PositionControl;ballscrewshaft

1绪论

1.1课题的研究意义

自从有了人类的社会活动以后，就有了雕刻这一行业，伴随着人类社会的发展，现如今人们对雕刻有了全新的认识，电脑雕刻加工的兴起与发展是时代发展的需要，电脑雕刻代替机械雕刻已是大势所趋。

电脑雕刻加工可以就是目前理想的选择，虽然有些地区电脑雕刻加工业务量不是很多，但它是雕刻行业发展的必然趋势。

雕刻加工涉及各行各业、分布很广，有礼品业、广告业、印章业、木器加工业、建筑业、艺术模型业、机械加工、工装模具等等，随着人们对雕刻机的认识和掌握逐步加深，应用范围会得到不断扩大，应用水平也会逐步提高，雕刻加工必定会有更广阔的前景。

随着近年来我国制造业的迅速发展，我国的雕刻机产业也获得了良好的发展机遇，数控木工雕刻机、模具雕刻机、激光雕刻机等电脑雕刻加工有效地促进了我国雕刻机的生产和推广应用。

我国的雕刻机起步于经济型机床，随着科学技术的进步，经过十多年的发展，已形成了多个国产品牌的雕刻机，但是中国雕刻核心技术还是与国外有很大的差距，需要我们去努力去接近国外，拥有自己的核心技术。

要立足国内，结合国情，面向经济建设的需要，开发出有自己特色，符合中国人习惯的雕刻机结构及其软件。

1.2雕刻机的应用及发展

1.2.1雕刻机的应用

在现在这个科技时代，计算机应用技术和机电一体化技术的飞速发展，机械领域、电子领域和控制、检测领域都空前发展，小型雕刻机也将随着这些技术的发展，涉及众多工业品的生产和加工过程,获得一个更为广阔的应用范围。

如今，雕刻机在各行各业中的应用已日益广泛，因此，此行业的竞争是十分激烈的。

目前国内外市场上出现的雕刻机，虽然性能较好，但价格也非常昂贵。

普通的雕刻机都是万元以上，令一些小单位及个人用户望而却步。

如美国的“雕霸”、法国的“嘉宝”和日本的“御牧”都是此行业的佼佼者，但其价格非常昂贵，不管大小都在10万元人民币以上。

近些年，国内的雕刻机，如北京的“精雕”、上海的“啄木鸟”在国内也有一定的市场，但其价格也不菲。

因此，着力提高雕刻机的性价比是十分必要的。

随着电子技术的发展，雕刻机也逐步地向数控雕刻方向发展。

传统的雕刻加工工业是一门技术性要求很高的手工技艺，雕刻品的质量完全取决于雕刻师的技艺水平，所以生产的效率很低、成本也很高，制品的随意行强、一致性差，严重制约了雕刻行业的发展。

数控雕刻机是数控技术和雕刻工艺相结合的产物，是一种专用的数控机床，实现了雕刻加工的自动化，较传统的手工雕刻、仿形雕刻，具有更高的生产效率和加工精度。

1.2.2国内外发展与现状

雕刻加工涉及到了各行各业、分布很广，有礼品业、广告业、印章业、木器加工业、建筑业、艺术模型业、机械加工、工装模具等行业，介于雕刻机的广泛用途，随着社会的发展，雕刻机行业的发展也是必然的，其竞争会呈现出更加激烈的局面，因此，对雕刻技术的创新是十分必要的。

功能完善、性格稳定、造型美观和价格合理成为雕刻机研制的基本要求。

数控雕刻机作为制造业一个有力工具，有着非常广阔的发展前景，随着计算机技术、机电技术、机械技术等各个科学技术的发展，数控雕刻机的功能将日益强大，性能将更趋稳定。

雕刻机发展趋势总结如下：

（1）更加精密

控制部分和机械部分精度的提高将极大地提高雕刻系统的精度，控制部分将向闭环私服方向发展，通过反馈调整做到误差补偿，从而可以大幅度提高精度；机械部分将采用更高精度的滚珠丝杠和驱动电机，同时装配工艺的提高也将进一步提高系统的精度。

（2）更加高效

高性能运动控制技术如DSP技术、32为单片机等的发展，驱动电机性能提高，刀具性能提高，采用规范的软件开发技术等等，都将会推动数控雕刻系统向着高速、高效、高可靠性的方向发展。

利用移动通讯技术和网络技术飞速的发展，数控雕刻机将朝着数值化、网路化的方向发展。

1938年世界第一台手动雕刻机“嘉宝”在法国问世，1950年“嘉宝”生产出世界第一台真正意义的电动、可缩放比例的手动雕刻机。

随后美国、日本等国也开始研制。

20世纪90年代，随着微电子技术的突飞猛进，直接推动微型计算机的急剧发展。

微电子技术和微型计算机技术带动了整个高技术群体飞速发展，从而使雕刻机产生了质的飞跃。

雕刻机完成了从2D—2.5D—3D加工的变革，功能完善、性能稳定、造型美观和价格合理成为雕刻机研制的基本要求。

21世纪，PLC会有更大的发展。

从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。

伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。

1.3课题研究的主要内容

1.3.1实验平台简介

KNT-PHT3三自由度运动控制系统实训装置可以模拟数控车床铣床的加工过程，其三自由度十字滑台如图1.1所示。

主要由控制工作台在X、Z轴二个方向上运动的二个滚珠丝杠副和控制刀具安装夹具在垂直方向（即X轴）上下运动的滚珠丝杠副、刀具旋转的主轴驱动设备等器件构成。

图1.1三自由度十字滑台

（1）工作台：

主要功能是用来固定工件或夹具等，工作台上面的T型为工件的拆装提供了便利。

（2）滚珠丝杠副：

是运动执行机构，通过丝杆的正、反转动带动装在直线导轨副上的螺母块左右运动，以滚直线导轨副为导向支承的方式构成，具有活动灵活、运动平稳、精度高、摩擦系数小、结构紧凑等特点，如图1.2所示。

图1.2滚珠丝杠副

（3）主要技术指标如下：

横向行程：

250（mm）、纵向行程：

250（mm）

1.3.2课题研究的主要内容

（1）了解三维十字滑台机械运动执行机构的组成，工件加工路径的控制要求。

（2）能按照工件实际需要的加工路径进行高精度的切削加工；

（3）设计雕刻机电气控制系统（硬件电路及控制程序）。

2方案选择

2.1三轴驱动方案选择

雕刻机床的三轴驱动电机一般有步进电机，交流伺服电机，直流伺服电机和直线电机等。

2.1.1直流驱动

无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。

无刷直流电机外形图如图2.1所示。

图2.1无刷直流电机外形图

电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。

电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。

驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：

接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。

直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90°，这就要藉由碳刷及整流子。

碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。

交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。

现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多，提升驱动电机的性能。

微处理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直角坐标系统中，适当控制交流电机在两轴电流分量，达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。

2.1.2交流伺服驱动

（1）伺服驱动

伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。

伺服电机的精度决定于编码器的精度。

20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。

交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。

90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。

交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。

永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：

⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低；

⑵定子绕组散热比较方便；

⑶惯量小，易于提高系统的快速性；

⑷适应于高速大力矩工作状态；

⑸同功率下有较小的体积和重量。

（2）变频器

变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。

变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。

变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。

随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。

2.1.3步进驱动

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。

其内部结构如图2.2所示。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

图2.2步进电机结构图

步进电机的优点为：

①步距值不受各种干扰因素的影响。

②误差不长期积累。

③控制性能好，启动、停车、翻转都是在少数脉冲内完成。

然而步进电机存在以下缺点：

①输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降②启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象。

③步进电机从静止加速到工作转速。

2.2控制器的选择

目前采用传统的继电器控制的普通车床在中小型企业中仍然大量使用。

然而继电器系统接线复杂，故障诊断与排除都比较困难，并且存在以下几点缺点：

①触点容易被电弧烧坏而导致接触不良；②机械方式控制下的触点控制反应比较慢；③继电器的控制功能被固定在线路中，功能较单一，灵活性差，造成生产效率低，效益低下。

采用变频技术和单片机原理，实现对数控车床主轴和进给系统的自动控制，可以有效的节约电能、提高设备自动化、产品产量和质量，提高可观的经济效益。

单片机已经广泛应用于现代工业控制自动化系统中，掌握单片机技术是从事工业控制的重要技能。

单片机的片内资源丰富，成本便宜，但与PLC相比，其抗干扰性能方面较差。

（1）单片机控制

控制器是CPU的神经中枢，它包括定时控制逻辑电路、指令寄存器（register）、译码器、地址指针DPTR及程序计数器PC（Programcounter）、堆栈指针SP（stackpointer）等。

这里程序计数器PC是由16位（8+8）寄存器构成的计数器。

要单片机执行一个程序，就必须把该程序按顺序预先装入存储器ROM的某个区域。

单片机动作时应按顺序一条条取出指令来加以执行。

因此，必须有一个电路能找出指令所在的单元地址，该电路就是程序计数器PC。

当单片机开始执行程序时，给PC装入第一条指令所在地址，它每取出一条指令（如为多字节指令，则每取出一个指令字节），PC的内容就自动加1，以指向下一条指令的地址，使指令能顺序执行。

只有当程序遇到转移指令、子程序调用指令，或遇到中断时（后面将介绍），PC才转到所需要的地方去。

8051CPU指定的地址，从ROM相应单元中取出指令字节放在指令寄存器中寄存，然后，指令寄存器中的指令代码被译码器译成各种形式的控制信号，这些信号与单片机时钟振荡器产生的时钟脉冲在定时与控制电路中相结合，形成按一定时间节拍变化的电平和时钟，即所谓控制信息，在CPU内部协调寄存器之间的数据传输、运算等操作。

（2）PLC控制

PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。

具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

PLC内部工作方式一般是采用循环扫描工作方式，在一些大、中型的PLC中增加了中断工作方式。

当用户将用户程序调试完成后，通过编程器将其程序写入PLC存储器中，同时将现场的输入信号和被控制的执行元件相应的连接在输入模块的输入端和输出模块的输出端，接着将PLC工作方式选择为运行工作方式，后面的工作就由PLC根据用户程序去完成。

可编程控制器（PLC）具有以下优点：

①通用性和适应性强；②完善的故障自诊能力而且维修方便；③可靠性高与柔韧性强，而且小型PLC的价格目前也很便宜。

国外发达国家应用PLC控制机床的技术已相当成熟，

（3）单片机与PLC比较

单片控制板同PLC的区别在于，PLC主要专注于逻辑关系，是一种继电器逻辑，一般电工比较容易理解上手。

而单片机控制器对于学习使用者来说相对门槛要求就高了一些。

不仅要熟悉了解单片机本身内部资源，将其内部资源按功能定义好，还需要了解其单片机外围电路的特性，这样才能编写出好的有质量的工业控制动作流程的程序出来。

因此，在国内相对流传得比较少了。

而对于PLC的使用者来说就不需要那么高的门槛了，对于硬件、系统定义之类烦琐的处理已经有了现成的处理，要实现工业控制的动作流程只要专注于软件上的逻辑控制的编写。

相对大大降低了使用门槛。

目前国外对这种的控制器使用相对较国内多得多。

随着电脑的普及，C语言编程人员越来越普及化，相信这种C语言编程的PLC会是一种流行的趋势的！

2.3限位开关

限位开关就是用以限定机械设备的运动极限位置的电气开关。

限位开关有接触式的和非接触式的。

接触式的比较直观，机械设备的运动部件上，安装上行程开关，与其相对运动的固定点上安装极限位置的挡块，或者是相反安装位置。

当行程开关的机械触头碰上挡块时，切断了（或改变了）控制电路，机械就停止运行或改变运行。

由于机械的惯性运动，这种行程开关有一定的“超行程”以保护开关不受损坏。

非接触式的形式很多，常见的有干簧管、光电式、感应式等，这几种形式在电梯中都能够见到。

典型的限位开关如下图所示。

图2.3限位开关

限位开关是一种常用的小电流主令电器。

利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。

通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。

在电气控制系统中，限位开关的作用是实现顺序控制、定位控制和位置状态的检测。

用于控制机械设备的行程及限位保护。

构造：

由操作头、触点系统和外壳组成。

在实际生产中，将限位开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，限位开关的触点动作，实现电路的切换。

因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。

限位开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。

在电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位，轿厢的上、下限位保护。

限位开关可以安装在相对静止的物体（如固定架、门框等，简称静物）上或者运动的物体（如行车、门等，简称动物）上。

当动物接近静物时，开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。

由开关接点开、合状态的改变去控制电路和机构的动作。

⑴活塞型

根据密封方法不同，有表中的A型和B型2个种类。

A型是用O型环或薄膜密封的，由于密封橡胶没有外露，在抵制工作机械的切割碎屑方面功能较强大，但其反面影响是，有可能会将砂子、切割粉末等压入活塞的滑动面。

B型虽然不会把砂子、切割粉末等压入，且密封性能优于A型，但由于炽热的切割碎屑飞溅过来，有可能会损坏橡胶帽。

⑵铰链摆杆型

在摆杆端部（滚珠），柱塞的行程量根据摆杆的比例扩大，因此，一般不使用OT吸收机构。

⑶旋转摆杆型

3硬件电路设计

3.1主电路设计

3.1.1步进电机及步进驱动器

基于PLC的步进电机控制系统如图3.1所示，步进电机驱动部分如图3.2所示。

图3.1基于PLC的步进电机控制系统

图3.2驱动电源方框图

XY轴采用步进电机驱动，步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件，每当对其施加一个电脉冲时，其输出轴便转过一个固定的角度。

步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比，其转速与单位时间内输入的脉冲数（即脉冲频率）成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。

只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向。

步进电机具有较好的控制性能,其启动、停车、反转及其它任何运行方式的改变，都在少数脉冲内完成，且可获得较高的控制精度，因而得到了广泛应用。

步进电机的PLC直接控制方式可以大大减少系统设计的工作量，不存在各部分接口信号的匹配问题，提高了系统的可靠性。

3.1.2主轴及变频驱动

（1）交流伺服电机

伺服电机（servomotor）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。

伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。

伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

（2）变频器

交流变频调速日益完善，调速方便简单成为电机调速主流。

三菱变频器以其高性能，适中的价格应和了中国工控行业的需要，在国内得到了广泛的应用。

节能的需要为三菱变频器的应用带来了巨大的契机，三菱变频驱动产品在中国得到了更大的发展。

三菱变频器主要有以下几个系列：

MicroMaster430是全新一代标准变频器中的风机和泵类变转矩负载专家。

功率范围7.5kW至250kW。

它按照专用要求设计，并使用内部功能互联（BiCo）技术，具有高度可靠性和灵活性。

控制软件可以实现专用功能：

多泵切换、手动/自动切换、旁路功能、断带及缺水检测、节能运行方式等。

　MicroMaster420是全新一代模块化设计的多功能标准变频器。

它友好的用户界面，让你的安装、操作和控制象玩游戏一样灵活方便。

全新的IGBT技术、强大的通讯能力、精确的控制性能、和高可靠性都让控制变成一种乐趣。

MicroMaster440是全新一代可以广泛应用的多功能标准变频器。

它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。

创新的BiCo（内部功能互联）功能有无可比拟的灵活性。

在本次方案中采用三菱公司MicroMaster420控制主轴转速，其简单灵活，模块化设计。

外形如图3.3所示。

图3.3三菱公司MicroMaster420

MICROMASTER420特点：

设计紧凑：

电抗器和滤波器等基本部件可对紧凑型解决方案加以补充

功能多样：

可方便地针对多种用途进行调试

具有通信功能：

各种通讯接口可确保能够用于最常见的网络应用

MICROMASTER420技术数据如表3.1所示。

表3