PLC论文基于PLC控制的污水处理系统实验室直流伺服工作台的恢复.docx

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PLC论文基于PLC控制的污水处理系统实验室直流伺服工作台的恢复

审定成绩：

成都电子机械高等专科学校

毕业设计（论文）

设计（论文）题目：

实验室直流伺服工作台的恢复

系部名称：

机电工程系

学生姓名：

袁强

专业：

机电一体化技术专业

班级：

08414

学号：

6

指导教师：

王显涛

答辩组负责人：

摘要

直流伺服实验平台是由机电工程系早期自主开发的一套机电一体化技术类教学实验系统。

该系统直观、可靠。

可以实现伺服电机PWM驱动实验、编码盘实验、光栅尺实验和可编程控制器及触摸屏演示实验。

由于各方面原因让工作台的各个功能失效，让实验目的不能完成。

我的任务是将直流伺服工作台原理进行了解，对失去的数据进行清理，将各个残留的部件进行功能分析以及对工作台进行组装。

使工作台达到预想的运动流程

关键词：

直流伺服plc触摸屏滚珠丝杆

一、机械平台组成

直流伺服实验平台的机械平台两级由间隙可调齿轮副、滚珠丝杆、工作台及支承等辅件组成。

如图1机械原理图。

1、间隙可调齿轮副

由于传动装置的零部件存在在制造、装配误差以及在使用过程中还会存在温度变形和弹性变形。

因此在传动过程中输出轴的转角总会存在误差。

会产生齿轮传动回差现象。

齿轮传动装置的回差指的是：

当输出轴开始反响回转后到输出轴亦跟着反向回转时，输出轴在转角上的滞后量，在现代进给驱动及一些专用精密传动装置中。

要求提高运动精度，减小回程误差的情况越来越多。

也常常提出无间隙传动的要求。

对于伺服工作台来说，为了在多次完成相同的周期动作时确保其位置间的精确性。

对回程误差的要求更加严格，回差越小。

越能提高工作台的运动精度。

针对上述情况，选择可调间隙齿轮是很有必要的，这样，通过控制其轴向位移就可以调节齿轮的啮合侧隙，实现调隙或消除间隙的目的。

2、滚珠丝杠

◎滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。

◎滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。

它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是

将轴承从滚动动作变成滑动动作。

由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。

◎滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼

具高精度、可逆性和高效率的特点。

◎精度公差:

P5.P7

滚珠丝杆特点

　　1、与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3

由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率，与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到

1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。

在省电方面很有帮助。

2、高精度的保证　　

滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度、湿度

进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。

3、微进给可能

滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。

　　4、无侧隙、刚性高

滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性（滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置

等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强）。

5、高速进给可能

滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给（运动）。

6、滚珠丝杠的安装

滚珠丝杠的支承主要有以下四种，由于支承方式不同，使容许轴向载荷及容许回

转转速也有所不同。

固定－－－固定适用于高转速，高精度。

固定－－－支承适用于中等转速，高精度。

支承－－－支承适用于中等转速，中精度

固定－－－自由适用于低转速，中精度，短轴丝杠

滚珠丝杠副在安装时应注意以下事项：

滚珠丝杠副仅用于承受轴向负荷。

径向力、弯矩会使滚珠丝杠副产生附加表面接

触应力等不良负荷，从而可能造成丝杠的永久性损坏。

因此，滚珠丝杠副安装到

机床时，应注意：

·丝杠的轴线必须和与之配套导轨的轴线平行，机床的两端轴承座与螺母座必须

三点成一线；

·安装螺母时，尽量靠近支撑轴承；

·同样安装支撑轴承时，尽量靠近螺母安装部位。

滚珠丝杠副安装到机床时，请不要把螺母从丝杠上拆卸下来。

但在必须螺母卸下来的场合时，要使用比丝杠底径小0.2～0.3㎜的安装辅助套

筒。

将安装辅助套筒推至螺纹起始端面，从丝杠上将螺母旋至辅助套筒上，连同螺母、

辅助套筒一并小心取下，注意不要使滚珠散落。

安装顺序与拆卸顺序相反。

必须特别小心谨慎的安装，否则螺母、丝杠或者其它

内部零件可能会受损或掉落，导致滚珠丝杠传动系统的提前失效。

滚珠丝杠副的预压方式：

为防止造成丝杠传动系统的任何失位，保证传动精度，消除任何可能的轴向背隙

并能增加刚性，要提高螺母的接触刚度，必须施加一定的预压力。

由于本伺服机构是中等转速（由伺服电机70sz261AA3转速3600pm决定）精度较高所以选择固定---支撑的固定方式安装

3、直线轴承直线轴承是与淬火直线传动轴配合使用。

作无限直线运动的系统。

负荷滚珠和淬火传动轴因为是点接触，容许载荷较小，但直线运动时，摩擦阻力最小，精度高，运动快捷。

2、电气部分

1.1PLC的选型

由于本伺服机构原理是触摸屏通过与可编程控制的通讯接口，可起动发出停止、正转和反转等信号控制可编程控制器工作流程，当发出起动或正转（反转）信号时，可编程控制器发出占空比编程可调的脉冲信号，此脉冲信号经H型驱动器转化为与脉冲信号的占空比成正比的0～24V电压。

因为伺服电机的位移量与输入脉冲个数成正比，伺服电机的转速与脉冲频率成正比，所以我们需要对电机的脉冲个数和脉冲频率进行精确控制。

且由于伺服电机具有无累计误差、跟踪性能好的优点，伺服电机的控制主要采用开环数字控制系统，通常在使用时要搭配伺服驱动器进行控制，而伺服电机驱动器采用了大规模集成电路，具有高抗干扰性及快速的响应性。

在使用伺服驱动器时，往往需要较高频率的脉冲，所以就要求所使用的PLC能产生高频率脉冲，CPM2A在一个小巧的但愿内综合有各种性能，包括同步脉冲控制，中断输入，脉冲输出，模拟量设定，和时钟功能等。

CPM2ACPU单元又是一个独立单元，能处理广范围的机械控制应用。

所以它是在设备内用作内装控制单元的理想产品，完整的通信功能保证了与个人计算机、其他OMRONPC和PMRON可编程终端的通信。

这些通信能力使用用户能设计一个经济的分布生产系统。

高速计数器能方便地测量高速运动的加工件

-同步脉冲控制提供方便的脉冲比例调整

-带高速扫描和高速中断的高速处理

-可方便的与OMRON的可编程控制终端（PT）相连接

-通过脉冲输出可实现各种基本的位置控制

-可进行分散控制和模拟量控制

-可以使用CPM1A的扩展单元

基本功能

CPU单元变型

CPM2A是一台设有30\40或60内装I/O端子的PC，有三种输出可用（继电器输出，信宿晶体管输出和信源晶体输出）和2种电源可用（100/240VAC或24VDC）。

扩展I/O单元

为使PC的I/O容量提高到最大的120点I/O，与CPU单元连接的扩展安源可多达3个。

有三种扩展单元可用；20点I/O单元，8点输入单元，和8点输入单元，和8点数去单元。

将3个20点I/O单元与60内装I/O端子的CPU单元连接就得到120点I/O的最大I/O容量。

内置电动机控制能力

同步脉冲控制

同步脉冲控制为使外围装置的操作与主装置的同步提供了一个简单方法，输出脉冲频率可以被控制成输入脉冲频率的倍数，这使外围装置的速度能与主装置同步。

高数计数控制

CPM2A计有五个高速计数输入。

一个高速计数器输入的响应频率为20KHz/5KHz，而四个高速计数器输入的响应频率为2KHz。

高速计数器可以用在四种输入方式中的任一种下；微分相位方式，脉冲+方向输入方式，增减脉冲方式，或递增方式。

1.2伺服电机的选择

伺服电机又称执行电机，它是控制电机的一种。

它是一种用电脉冲信号进行控制的，并将脉冲信号转变成相应的角位移或直线位移和角速度的执行元件。

根据控制对象的不同，由伺服电机组成的伺服系统一般有三种基本控制方式，即位置控制、速度控制、力矩控制。

本系统我们速度和位置控制。

在选择伺服电机和驱动器时，只需要知道电机驱动负载的转距要求及安装方式即可，伺服系统具有高响应性，高精度定位，高水平的自动调节，能轻易实现增益设置，且采用自适应振动抑止控制，有位置、速度和转距三种控制功能，完全满足要求。

对于伺服电机的选型要把整个机构分为三个部分考虑

伺服电机和电机齿轮连接部分

电机齿轮和滚珠丝杆连续部分

滚珠丝杆和工作台水平连续部分因此我们必须了解一下参数：

1.伺服电机与电机齿轮参数：

减速比：

1

传输能效比=100%

轴惯量：

5.1×10-6kg.m2

2.电机齿轮与滚珠丝杆参数：

负载重量=130g

外部作用力=0

摩擦系数=0.1

3.滚珠丝杆与工作台参数

工作台质量=5

滚珠丝杆直径=26

滚珠丝杆长度=450

摩擦系数=0.1

丝距=5mm

滚珠丝杆传输能效=85%

电机的选择通过以上的参数由公式计算出来

滚珠丝杠的惯量

JB=MbD2/8*10-6=3*262/8*10-6=2.53*10-4kg.m2

负载的惯量

Jw=M（p/2*3.14）2*10-6+JB=3.19*10-4

电机轴换算负载惯量JL

JL=G2*（JW+J2）+J1=25%*JW=0.79*10-4

负载转矩的计算

对摩擦里的转矩TW

TW=μMgP/2*3.14*10-3=0.1*5*9.8*10/（10/6.28*10-3）=7.8*10-3（nN.M）

也可以在网上下载软件MotorSelection（由于此软件涉入公司机密所以不便演示）

首先打开MotorSelection软件——接下去选择手动设置（manualselection）点击ok——在Rotation方面，选择Reduct.gear双击图标——在Rotation——Linear页选择Hballscrew双击在linear页选择Hlinear双击

完成以上三个部分以后就对以上三个参数进行设定首先设定REduct.Gear减速比：

1Transeffciency传输能效比：

100　Inputaxisinertia轴惯量5.1X10-6kg.m2选择HLinearWORKPIRCEMASS负载重量13kgExternalload外部作用力=0Frictioncoef.）摩擦系数=0.1工作台质量=滚珠丝杆直径=滚珠丝杆长度=摩擦系数=0.1ScrewPitch丝距=5mm滚珠丝杆传输能效=85%等输入即可得到：

伺服电机型号以及参数最后选择了OMNUCU系列

3.开关电源

随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制制IC和MOSFET构成。

开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。

线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一成本反转点。

随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。

　　开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。

另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

.

4.触摸屏

MPT5是一种触摸式可编程终端（以下简称PT），用于工厂自动化设备的现场监控。

图

（1）监视实时监视系统和设备的运行状态

图

（2）

设定现场设定设备运行的参数

图（3）

报警及时报告设备的故障和解决方法

一般规格

项目规格

电源24VDC（－15％~10％），6W

液晶显示器320×240点

触摸屏寿命1000000次

尺寸外形尺寸：

215.2×148.7×52.9mm

安装尺寸：

202.5×136mm

防护等级IP65

工作温度0℃－50℃

工作湿度35％~85％RH（不结露）

存储抗振性

（不带电）

X,Y,Z每方向120分钟,10-54.8HZ振幅0.25mm,58.4-300HZ

加速度29.4m/s2

工作抗振性

（带电）

X,Y,Z每方向120分钟,10-61.2HZ振幅0.1mm,61.2-150HZ

加速度14.7m/s2，

抗冲击性（196m/s2）,冲击时间11ms,X,Y,Z三个方向各三次

重量495.3

图（4）

控制现场进行设备的操作

二、技术参数

1、直流伺服电机70SZ261AA3，功率25W，24V，最大允许电流2A，最高转速3600rpm。

2、编码器输出脉冲2000P/r。

3、H型单、双极性驱动器PWM输入、24V工作电压，0～24V可控制电压输出。

4、两级可变传动比的齿轮传动，丝杆螺母传动副，齿轮对间隙可调。

5、BG1封闭式线位移传感器的分辨率为5μm,光栅栅距为20μm,有效行程为600mm,输出讯号为TTL电平。

三、工作原理

利用OMRON触摸屏和可编程控制器的基于计算机的编程语言，可编程实现触摸屏的按钮控制功能及其数据显示功能，并可根据不同要求编制不同的PLC程序。

（具体程序见实验指导书）。

触摸屏通过与可编程控制的通讯接口，可起动发出停止、正转和反转等信号控制可编程控制器工作流程，当发出起动或正转（反转）信号时，可编程控制器发出占空比编程可调的脉冲信号，此脉冲信号经H型驱动器转化为与脉冲信号的占空比成正比的0～24V电压。

此电压经接线柱接入直流伺服电机，作为电机的驱动电压。

电机的砺磁电压直接由24V电源提供，或由驱动器上可控通断的24V电压输出端提供。

电机的转动经两级间隙可调齿轮带动滚珠丝杆运动。

滚珠丝杆的旋转运动通过连接在丝杆上的螺母转化为直线运动，并带动固定在螺母上的工作台作直线运动。

电机轴和滚珠丝杆的转动速度可通过与轴相连接的相应的编码器测出,并可在触摸屏上显示出来。

工作台的直线运动经光栅尺一方面可在触摸屏上显示出来，另一方面通过一特定转化器可直接在计算机里显示光栅尺脉冲数，从而换算出工作台的运动速度。

另外平台还带有一手轮，实现工作台的手动控制，用于手动调节。

直流伺服实验平台的接线图如图2所示。

PWM驱动器的电气原理图如图3所示。

四、注意事项

①当直流伺服电机的砺磁电压直接采用电源提供的24V电源时，为避免事故，不可手动调节手轮。

②在连接线路、连接触摸屏和PLC的下载电缆或通信电缆时，一定断电操作，切记不能带电操作。

③在编制PLC的程序时，一定注意编程实现限位开关的限位作用。

④在接线时，电源地和可编程控制的COM口一定共在一起。