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技术报告数控十字滑台的控制资料

西安文理学院物理与机械电子工程学院

机械专业技能拓展训练（设计）

题目数控十字滑台的控制

学生姓名乔旭罗纳德

指导教师韦炜、焦艳梅

设计所在单位西安文理学院

2014年12月

摘要

摘要:

本篇文章主要进行西门子的可编程序控制器的十字滑台控制系统的设计。

通过对各种控制方法的对比进行选择了用可编程序控制器来控制步进电机，以达到十字滑台的工作效果。

主要内容有十字滑台控制系统介绍、十字滑台控制系统硬件选择、梯形图与I/O分配。

关键字：

可编程序控制器；步进电机；十字滑台

目录

摘要2

1十字滑台控制系统介绍1

1.1系统构成2

1.2位置传感器3

1.3电机与驱动装置5

2十字滑台控制系统硬件选择6

2.1基本结构6

2.1.1电源6

2.1.2中央处理单元（CPU）6

2.1.3存储器7

2.1.4输入输出接口电路7

2.1.5功能模块7

2.2编辑本段工作原理7

2.2.1输入输出（I/O）点数的估算10

2.2.2存储器容量的估算　11

2.2.3控制功能的选择　11

2.2.4可编程逻辑控制器的类型14

2.2.5PLC输入/输出类型14

2.2.6转换原理15

3十字滑台运动原理17

3.1实验原理17

3.2实验设备及仪器18

3.3关于步进电机模块的介绍18

参考文献23

1十字滑台控制系统介绍

十字滑台是许多数控加工设备和电子加工设备。

如：

数控车床的纵横进刀装置数控铣床和数控钻床的XY工作台，激光加工设备工作台，表面贴装设备等。

1.1系统构成

十字滑台控制系统主要由plc运动控制器，伺服（步进）电机及相关软件等组成。

控制计算机可以是普通的PlC机。

运动控制器是安装在计算机总线扩充槽内的电机运动控制卡。

如图所示为十字滑台机械本体。

它由两个直线运动单元组成，每个直线运动单元主要包括：

工作台面，滚珠丝杆，导轨，轴承座，基座等部分。

通过两个直线运动单元的组合运动，可以使工作台面产生两个自由度XY轴方向的平面运动。

图1-1

1.2位置传感器

系统中常用的位置传感器包括旋转编码器和电位器等。

1．旋转编码器

旋转编码器是一种角位移传感器。

它分为光电式、接触式和电磁感应式三种。

从输出量上可分为增量编码器和绝对编码器两种。

其中光电式编码器是闭环控制系统中最常用的位置传感器。

2．电位器

电位器分为直线型、测量位移和旋转型。

旋转型电位器的基本原理是在环状电阻两端加上电压，通过电刷的滑动，可以直接得到与电刷所在角度，位置相对应的电压、电位器的输出电压与阻值无关,所以由于温度变化而导致的阻值变化对输出电压没有影响。

图1-2

电位器输出的检测信号是模拟信号，为了从中提取有用的信息，一般要经过两个处理过程。

首先是进行放大运算和变换等前置处理，然后通过A/D转换将模拟信号转换成数字信号，输入控制器，完成数字控制。

3．运动控制器

运动控制器作为机电一体化系统的核心控制系统已经历了20多年的发展，正在逐步取代传统封闭型的控制系统，被广大机电一体化系统设计工程师所采用。

与此同时与执行装置所配套的伺服驱动系统也在不断地发展。

许多系统已经具备

了各种运动控制功能，对于给定的控制对象，必须根据控制目标选用适当的执行与驱动装置，然后根据执行与驱动装置的功能特征选用合适的运动控制器以最大限度地利用控制与驱动装置的功能，降低系统成本。

　　目前被工业界广泛采用的交流伺服系统，电机驱动通常具有力矩控制，速度控制和位置控制等闭环控制功能，而常用的运动控制器除了具有轨迹规划功能外，也具有位置控制和速度控制等闭环控制功能。

如果采用伺服系统的位置闭环控制，配套选用的控制器则只需具有轨迹规划功能，这样的运动控制器通常价格比较低廉，而且稳定性和可靠性也会比较好。

如图所示。

如果选用步进电机和驱动系统，该类型控制器也同样适用。

这种类型的运动控制器通常叫做位置脉冲型运动控制器。

如果我们想利用伺服驱动的速度闭环来完成系统的位置闭环控制，则需要选用具有位置闭环控制功能的运动控制器。

如图所示，这种控制方式通常比第一种控制方式具有更高的精度，但系统的调整比第一种控制方式复杂和困难。

在这种控制方式下，运动控制器接受位置反馈信号，进行位置闭环控制，向伺服驱动器输出模拟电压控制信号，伺服驱动装置接受速度控制信号，完成速度闭环控制。

目前，这种类型的运动控制器也已非常普遍。

通常这种驱动装置结构简单，成本低。

如果伺服驱动装置只具有力矩闭环控制功能，则需选用具有速度闭环和位置闭环控制功能的运动控制器来完成系统

图1-3

的高精度位置和轨迹控制。

这种类型的运动控制器结构比较复杂，成本也会比较高，但对于需要多轴运动控制的系统来说，如果采用具有多轴控制能力的运动控制器，总的系统成本可能会比其它两种方式还要低廉一些。

因为多个驱动成本的

降低幅度会超过一块运动控制器成本的增加幅度。

不过，除了一些能够配套提供控制器和相应驱动器的生产厂家外，这种控制方式比较少被采用。

1.3电机与驱动装置

根据驱动和控制精度的要求，十字滑台控制系统的执行装置可以分别选用交流伺服电机，直流伺服电机，和步进电机。

交流伺服电机具有起动转矩大、体积小、重量轻、转矩和转速容易控制、效率高的优点。

但维护困难、使用寿命短、速度受到限制。

直流伺服电机的转速控制采用电压控制方式。

因为控制电压与电机转速成正比、高加速度、无电刷维护、环境要求低等优点、但驱动电路复杂、价格高。

交流伺服电机的控制分为电压控制和频率控制两种方式。

步进电机不需要传感器、不需要反馈，用于实现开环控制。

步进电机可以直接用数字信号进行控制，与plc的接口比较容易。

没有电刷、维护方便、寿命长、启动、停止、正转、反转容易控制。

步进电机的缺点是能量转换效率低，易失步，输入脉冲而电机不转动等。

对步进电机的控制包括单相励磁、双相励磁及单、双相励磁控制。

其中，单相励磁精度高，但易失步；双相励磁输出转矩大，转子过冲小为步进电机的常用控制方式。

但效率低。

单、双相励磁控制方式分辨率高、运转平稳。

三相异步电机控制简单，但没有精确度，可靠性太差，所以不予考虑。

结论：

综上所述，本次设计采用步进电机控制系统。

2十字滑台控制系统硬件选择

2.1基本结构

可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：

2.1.1电源

可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。

如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。

一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去

2.1.2中央处理单元（CPU）

　　中央处理单元（CPU）是可编程逻辑控制器的控制中枢。

它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。

等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，近年来对大型可编程逻

辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。

这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

2.1.3存储器

　　存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

2.1.4输入输出接口电路

　　1．现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。

2．现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集

成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。

2.1.5功能模块

如计数、定位等功能模块。

2.2编辑本段工作原理

　　当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，

即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作

一个扫描周期。

在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

　　一、输入采样阶段

在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。

输入采样结束

后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

　　二、用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象

区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

　　在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。

即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。

　　三、输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。

在

此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。

编辑本段功能特点：

　　可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。

　　1.使用方便，编程简单

　　采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。

另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。

　　2.功能强，性能价格比高

　　一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。

它与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。

PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

　　3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

　　PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。

PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。

PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。

　　硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。

　　4.可靠性高，抗干扰能力强

　　传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于触点接触不良，容易出现故障。

PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

　　PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。

　　5.系统的设计、安装、调试工作量少

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。

　　PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法来设计。

这种编程方法很有规律，很容易掌握。

对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器系统电路图的时间要少得多。

　　PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。

完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。

　　6.维修工作量小，维修方便

PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。

PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。

在可编程逻辑控制器系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是可编程逻辑控制器工程设计选型。

工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。

可编程逻辑控制器及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用可编程逻辑控制器应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，可编程逻辑控制器的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。

熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定可编程逻辑控制器的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的可编程逻辑控制器和设计相应的控制系统。

2.2.1输入输出（I/O）点数的估算

I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。

实际订货时，

还需根据制造厂商可编程逻辑控制器的产品特点，对输入输出点数进行圆整。

2.2.2存储器容量的估算　

存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。

设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。

为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。

存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。

2.2.3控制功能的选择　　

该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。

　　1、运算功能

简单可编程逻辑控制器的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通可编程逻辑控制器的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型可编程逻辑控制器中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。

随着开放系统的出现，目前在可编程逻辑控制器中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。

设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。

大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。

要显示数据时需要译码和编码等运算。

　　2、控制功能

　　控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。

可编程逻辑控制器主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高可编程逻辑控制器的处理速度和节省存储器容量。

例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。

　3、通信功能

　　大中型可编程逻辑控制器系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。

通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。

　　可编程逻辑控制器系统的通信接口应包括串行和并行通信接口、RIO通信口、常用DCS接口等；大中型可编程逻辑控制器通信总线（含接口设备和电缆）应1：

1冗余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求。

　　可编程逻辑控制器系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1Mbps，通信负荷不大于60%。

可编程逻辑控制器系统的通信网络主要形式有下列几种形式：

　　1）PC为主站，多台同型号可编程逻辑控制器为从站，组成简易可编程逻辑控制器网络；

2）1台可编程逻辑控制器为主站，其他同型号可编程逻辑控制器为从

站，构成主从式可编程逻辑控制器网络；

3）可编程逻辑控制器网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网；

4）专用可编程逻辑控制器网络（各厂商的专用可编程逻辑控制器通信网络）。

为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、）通信处理器。

　　4、编程功能

离线编程方式：

可编程逻辑控制器和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。

完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。

离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。

在线编程方式：

CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。

这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型可编程逻辑控制器中常采用。

　　五种标准化编程语言：

顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。

选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。

　　5、诊断功能

　　可编程逻辑控制器的诊断功能包括硬件和软件的诊断。

硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。

通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对可编程逻辑控制器的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。

　　可编程逻辑控制器的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。

6、处理速度

　　可编程逻辑控制器采用扫描方式工作。

从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则可编程逻辑控制器将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。

处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。

目前，可编程逻辑控制器接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.2～0.4Ls，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。

扫描周期（处理器扫描周期）应满足：

小型可编程逻辑控制器的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型可编程逻辑控制器的扫描时间不大于0.2ms/K。

2.2.4可编程逻辑控制器的类型

　　可编程逻辑控制器按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。

从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。

整体型可编程逻辑控制器的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型可编程逻辑控制器提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。

2.2.5PLC输入/输出类型

开关量：

开关量主要指开入量和开出量，是指一个装置所带的辅助点，譬如变压器的温控器所带的继电器的辅助点（变压器超温后变位）、阀门凸轮开关所带的辅助点（阀门开关后变位），接触器所带的辅助点（接触器动作后变位）、热继电器（热继电器动作后变位），这些点一般都传给PLC或综保装置，电源一般是由PLC或综保装置提供的，自己本身不带电源，所以叫无源接点，也叫PLC或综保装置的开入量。

　　1、数字量

　　在时间上和数量上都是离散的物理量称为数字量。

把表示数字量的信号叫数字信号。

把工作在数字信号下的电子电路叫数字电路。

　　例如：

用电子电路记录从自动生产线上输出的零件数目时，每送出一个零件便给电子电路一个信号，使之记1，而平时没有零件送出时加给电子电路的

信号是0，所在为记数。

可见，零件数目这个信号无论在时间上还是在数量上都是不连续的，因此他是一个数字信号。

最小的数量单位就是1个。

图2-1

2、模拟量

　　在时间上或数值上都是连续的物理量称为模拟量。

把表示模拟量的信号叫模拟信号。

把工作在模拟信号下的电子电路叫模拟电路。

　　例如：

热电偶在工作时输出的电压信号就属于模拟信号，因为在任何情况下被测温度都不可能发生突跳，所以测得的电压信号无论在时间上还是在数量上都是连续的。

而且，这个电压信号在连续变化过程中的任何一个取值都是具体的物理意义，即表示一个相应的温度。

2.2.6转换原理

　　1.数模转换器是将数字信号转换为模拟信号的系统，一般用低通滤波即可以实现。

数字信号先进行解码，即把数字码转换成与之对应的电平，形成阶梯状信号，然后进行低通滤波。

根据信号与系统的理论，数字阶梯状信号可以看作理想冲激采样信号和矩形脉冲信号的卷积，那么由卷积定理，数字信号的频谱就是冲激采样信号的频谱与矩形脉冲频谱（即Sa函数）的乘积。

这样，用Sa函数的倒数作为频谱特性补偿，由数字信号便可恢复为采样信号。

由采样定理，采样信号的频谱经理想低通滤波便得到原来模拟信号的频谱。

　　一般实现时，不是直接依据这些原理，因为尖锐的采样信号很难获得，因此，这两次滤波（Sa函数和理想低通）可以合并（级联），并且由于这各系统的滤波特性是物理不可实现的，所以在真实的系统中只能近似完成。

　　2.模数转换器是将模拟信号转换成数字信号的系统，是一个滤波、采样保持和编码的过程。

　　模拟信号经带限滤波，采样保持电路，变为阶梯形状信号，然后通过编码器，使得阶梯状信号中的各个电平变为二进制码。

3十字滑台运动原理

3.1实验原理

1．步进电机概述：

步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的机电执行元件。

当有脉冲信号输入时，步进电机就一步一步的转动，每个输入脉冲对应电机的一个固定转角，故称为步进电机。

步进电机属于同步电机，多数情况用做伺服电机，且控制简单，工作可靠，能够得到较高的精度。

它是唯一能够以开环结构用于数控机床的伺服电动机。

步进电机按其励磁相数可分为三相，四相，五相，六相等；按其工作