三维雕刻机电气部分论文.docx

1、三维雕刻机电气部分论文(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！) （二 一 四 年 六 月 摘 要在二十一世纪的今天，工业的大力发展来源于机器的发展。雕刻机对于现代工业具有很大的意义，所以说研究雕刻机具有一定意义。雕刻加工涉及到各行各业，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，由于雕刻机用途广泛，随着社会的发展，雕刻机行业的发展也是必然的，因此，对雕刻技术的创新是十分必要的。首先是对雕刻机总体结构进行分析，雕刻机一般由X、Y、Z三轴和主轴组成，X、Y、Z三轴的移动是通过步进电机带动丝杠来运动，主轴是通过电主轴带动刀具运动。首先要对总体的控制系

2、统进行设计，选择电气元件，进行电路设计。本文研究的是三维雕刻机的控制系统设计，采用PLC控制。使用的PLC为西门子S7300系列。选用好电气元件后，连接电路图，设计控制电路。此次设计是采用PLC控制，所以必须进行PLC的编程。使用的软件为STEP7，分别对X、Y、Z三轴的步进电机进行控制，使其实现点位和轮廓控制。主轴通过变频器控制电主轴，使雕刻机在不同转速下运行，使雕刻机可以加工不同类型的产品。 关键词:三维雕刻机；控制系统；PLC；AbstractThe strong industrial development in the 21st century today, from the dev

3、elopment of the machine. Carving machine industry, so study carving machine significance. Carving processing involved in all walks of life, industry, art, model industry, mechanical processing, tooling and etc, because of engraving machine is widely used, with the development of the society, the eng

4、raving machine industrys development is also inevitable, therefore, innovation of carving technology is very necessary.First is to analyze carving machine overall structure, carving machine generally consists of X, Y, Z of three axis and spindle, X, Y, Z three axis movement is a movement by stepper

5、motor drive screw, main shaft through the motorized spindle drive tool motion. First of all to the overall control system design, electric component choice, circuit design.This paper studies the three-dimensional carving machine control system design, PLC control. Using the PLC of Siemens S7300 seri

6、es. Choose good after electrical components, connection diagram, design control circuit. This design is to adopt PLC control, so must be PLC programming. Use of software for the STEP7, respectively to the X, Y, Z three axis stepper motor to control, make its implementation level and profile control.

7、 Main shaft through the inverter control of motorized spindle, make engraving machine to run under different rotational speed, the engraving machine can process different types of products.Key words: 3 d engraving machine; Control system ; PLC;目 录引言 1第一章 数控雕刻机概况 21.1雕刻工艺与数控雕刻机 21.2雕刻机的发展现状 31.3雕刻机的未

8、来发展趋势 3第二章 三维雕刻机控制系统的总体方案设计 42.1三维雕刻机的组成及工作原理 42.1.1三维雕刻机的组成 42.1.2三维雕刻机的工作原理 42.2电气元件的选择 52.2.1 S7300简介及PLC的选择 52.2.2 步进电机的选择 72.2.3 步进电机驱动器的选择 72.2.4 变频器的选择 122.2.5 电主轴的选择 122.3 控制系统总体设计 142.3.1 步进电机的控制电路 142.3.2 变频器的控制电路 142.3.3 PLC的IO分配表 15第三章 STEP7的介绍及硬件组态 163.1 STEP7概述 163.2 STEP7项目的创建及硬件组态 16

9、第四章 PLC程序的编写 214.1步进电机控制程序的编写 214.1.1 硬件设置 214.1.2 调用系统功能块SFB49 234.1.3 SFB49功能块的参数确定 244.1.4 步进电机控制程序 264.2 变频器控制程序的编写 314.2.1 变频器控制的要求 314.2.2 FC106模块的介绍 314.2.3 变频器控制程序 32结 论 35参考文献 36致 谢 37引言雕刻加工涉及到各行各业，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，由于雕刻机用途广泛，随着社会的发展，雕刻机行业的发展也是必然的，因此，对雕刻技术的创新是十分必要的。首

10、先是对雕刻机总体结构进行分析，雕刻机一般由X、Y、Z三轴和主轴组成，X、Y、Z三轴的移动是通过步进电机带动丝杠来运动，主轴是通过电主轴带动刀具运动。首先要对总体的控制系统进行设计，选择电气元件，进行电路设计。目前，基于PLC的机加工控制系统主要有以单片机为核心组成的控制系统和以可编程序控制器(PLC)为核心组成的控制系统两种。而由继电接触器组成的控制系统因其技术性能指标较差，早己在机加工控制对象上停止使用了。单片机控制系统的特点是成本低，程序可更改。但它需要设计和制作输入、输出接口电路、人机界面和印刷电路板，设计制作工作量大，周期长。且单片机控制系统抗扰能力较差，给调试和操作带来便。可编程控制

11、器(PLC)是在电子技术、计算机技术等基础上发展起来的一种先进的自动控制设备。它具有可靠性高，抗扰能力强，编程简单，设计周期短，安装、接线、调试工作量小，使用维护方便，具有很高的灵活性、适应性及很强的信息处理能力和多功能、体积小、重量轻的优点。因此，PLC控制系统具有继电器控制系统和单片机控制系统无法比拟的优点，它的综合技术性能最好，因而它己成为包括机加工控制对象在内的绝大多数机械设备首选的控制系统。本文控制系统设计采用PLC控制。使用的PLC为西门子S7300系列。选用好电气元件后，连接电路图，设计控制电路。此次设计是采用PLC控制，所以必须进行PLC的编程。使用的软件为STEP7，分别对X

12、、Y、Z三轴的步进电机进行控制，使其实现点位和轮廓控制。主轴通过变频器控制电主轴，使雕刻机在不同转速下运行，使雕刻机可以加工不同类型的产品。第一章 数控雕刻机概况1.1雕刻机工艺与数控雕刻机雕刻工艺可以说是一门传统的工艺，在中国的古代便已经有雕刻这门技术。而如今我们不在是通过手工来进行雕刻，而是通过机器来实现雕刻工艺。随着市场需求不断扩大，雕刻工艺涉及到了方方面面，不仅是在首饰、工艺品等行业，很多日用品也需要雕刻工艺，所以这使得雕刻工艺走向自动化发展成为必然。从工艺上，雕刻可分为全自由度空间雕刻、三维立体雕刻和二维平面雕刻。其中，全自由度空间雕刻主要用于一些形状复杂的工艺品或大型艺术作品的雕刻

13、，如玉雕、冰雕、沙雕等;这些制品往往注重艺术创作性，制品的形状复杂、随意性强、工艺性差;因此这类产品只能依靠手工雕刻，迄今为止雕刻机还无能为力。然而，目前三维立体雕刻和二维平面雕刻大部分已采用雕刻机完成，克服了传统手工雕刻的缺陷。按照控制原理的不同，可以将雕刻机分为仿形雕刻机和数控雕刻机(采用CNC系统)两大类型。仿形雕刻机的工作原理类似仿形铣削，在加工前须制作仿形模型，这一过程通常需手工完成，周期长、效率低。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。与通用的数控机床类似，数控雕刻机通过数控系统根据程序代码控制雕刻机动作，实现加工的自动化。相比传统的手工雕刻、仿形雕刻，

14、数控雕刻具有生产效率高、加工精度高、对零件适应性强等显著优势;同时借助于专用的雕刻CADCAM软件系统，加工控制程序的生成快捷、修改方便;因此数控雕刻现已成为实现雕刻加工自动化、高效率、高精度的有效手段，也是当今雕刻机的发展主流，广泛应用于机械工业、广告传媒、日常消费以及建筑装演等众多领域。目前，雕刻机主要分为两种:一种是激光雕刻机，它采用激光作为加工工具进行雕刻加工;另一种机械式雕刻机，它是采用传统的铣削式加工方法进行雕刻加工。这两种雕刻机各有特点，应用领域也不尽相同。此外，按照伺服驱动控制的类型不同，可分为步进驱动雕刻机和伺服驱动雕刻机;根据运动坐标控制的联动轴数，将数控雕刻机分为三坐标数

15、控雕刻机、五坐标数控雕刻机等。1.2雕刻机的发展现状20世纪90年代以来，微电子技术的突飞猛进直接推动了微型计算机的迅速发展，而微电子技术和微型计算机技术又带动了整个高技术群体的飞速发展，从而使雕刻机有了质的飞跃。雕刻机经历了从2D到2.5D再到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。国外的雕刻机，如美国的“雕霸”、法国的“嘉宝”和日本的“御牧”是该行业的佼佼者，但价格非常昂贵。随着近年来我国制造业的快速发展，数控雕刻机产业也获得了良好的发展机遇，有效的促进了我国数控雕刻机行业的发展。我国的数控雕刻机起步于经济型数控机床，随着数控技术的进步，经过十多年的

16、发展，己形成了多个国产品牌的雕刻机，如北京的“精雕”、上海的“啄木鸟”等。1.3雕刻机的未来发展趋势 20世纪90年代以来，微电子技术的突飞猛进直接推动了微型计算机的迅速发展，而微电子技术和微型计算机技术又带动整个高科技群体飞速发展，从而使雕刻技术也有了质的飞跃。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。高速、高效、高精度、高可靠性、智能化、集成化、网络化、开放化成为当代数控系统所呈现的新的发展趋势。 随着嵌入式系统不断深入到人们生活中的各个领域，基于嵌入式系统的数控雕刻机也将迅速发展起来。硬件方面，ARM, DSP等高性能运动控制器逐渐应用于雕刻机系统中，推动数控雕刻机

17、系统向着高速、高效、高可靠性的方向发展;软件方面随着叫OS-II, Linux等免费操作系统的推广，雕刻系统的操作平台也跨出Windows，使得雕刻机系统形式多样化。由于水平有限，本设计中使用的控制系统为PLC。第二章 三维雕刻机控制系统的总体方案设计2.1三维雕刻机组成及工作原理2.1.1三维雕刻机的组成 雕刻机一般由机架、工作台、刀头、运动系统和控制系统等组成。雕刻机工作时由电机将动力穿给滚珠动丝杠，然后带动刀头相对工作台沿X、Y、Z 轴进给，并且同时主轴旋转产生切削力。三维雕刻机的组成如下图所示：图2-1 三维雕刻机组成2.1.2三维雕刻机的工作原理三维雕刻机的控制主要由软件对PC电脑进

18、行图像输入，然后电脑处理图像后得到参数，然后将参数传给控制系统，控制系统得到参数控制各个工作部件实现图形向实体的转化。本文所做的为三维雕刻机的控制系统设计，即PLC控制各个电机运动，不做图像的处理和参数转化的内容。三维雕刻机是在PLC的控制下的，主要控制对象有X、Y、Z三轴的步进电机和主轴，主轴采用变频器控制电主轴转动。图2-2 三维雕刻机工作原理2.2电气元件的选择2.2.1 S7300简介及PLC的选择中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC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、IO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P

19、LC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IO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IO映象区或数据寄存器内。此次设计所经过考虑选择了西门子PLC，系列为S7300系列。西门子S7-300是模块化中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200 PLC比较，S7-300 PLC采用模块化结构，具备高速（0.60.1s）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋

20、值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。西门子PLC的优点点事稳定性和可靠性好，缺点是成本太高。本次所选用的型号为CPU314C-2DP,实验室正好有此型号的PLC，所以可以从实践中去进行本次毕业设计。CPU314C-2DP为紧凑型，集成有24个数字量输入接口，16个数字量输出接口，5个模拟量输出接口和2个模拟量输出接口，工艺功能含有4个计数器和一个定位通道。下图显示了具有开放式前盖的 CPU 的集成数字量和模拟量输入输出。CPU314C-2DP集成有4个用于高速计数或高频脉冲输出的特殊通道，4个通道位于CPU314C-2DP集成数字量输出点首位字节

21、的最低四位，这三位通常情况下可以作为普通的数字量输出点来使用。在需要高频脉冲输出时，可通过硬件设置定义这四位的属性，将其作为高频脉冲输出通道来使用。数字量输入模块:SM321SM321,可将位于现场的开关触点的状态经过光电隔离和滤波,转化为S7300内部信号电平,而后送至输入缓冲区等待CPU采样。采样时,信号经过背板总线进入到输入映像区。具有8位独立的输入点,用于连接开关或2线接近开关。数据采集部分与背板总线通过光藕隔离。2.2.2步进电机的选择步进电机的选型为森创步进电机，为北京和利时电机技术有限公司所生产的三相混合式步进电机，步进电机和工作环境如下图下表所示：图2-4 步进电机步进电机型号

22、和技术要求如下表所示：表2-1 步进电机技术数据货物编码步进电机型号相数步距角（ ）静态相电流（A）相电阻（）06253460BYG3250DLS-SASSML-055131.25.51.05相电感（mH）保持转矩（Nm）定位转矩（Nm）电压（VDC）重量（Kg）转动惯量（gcm）1.31.50.0724701.24802.2.3步进电机驱动器的选择步进电机驱动器的选择为与步进电机所适配的驱动器，为森创数字三相步进电机细分驱动器，型号为SD-30807，如下图所示。图2-5 SD-30807步进电机驱动器下面简单的介绍一下该驱动器的功能及使用：1、特点其特点是功能及使用显著特点采用 32 位

23、DSP 为内核的全数字控制方式，先进的空间矢量算法优化低速振动和高速性能，可以实现多种电机的自适应匹配寻优控制方法，软件更新、升级方便。采用了柔性细分算法，使驱动器无论设置何种细分电机都可保持最佳的运行性能，极大的改善了低细分下的平稳性和噪音。即使用户由于控制系统输出脉冲频率的限制不能采用较高的细分选择，也可以获得低速平稳性和高速性的兼得，从而降低对控制系统的要求，有利于降低系统的整体成本提高性能，实现 低振动、低噪音和低功耗。2、电源电源本驱动器标准型采用直流电源供电，由机壳正面的指示灯指示。电源电压在 24V 70VDC 之间都可正 常工作。考虑到电网的波动，采用线性整流电源时，变压器副边

24、空载输出电压建议小于 50VAC。采用较低的电源电压会使电机高速运行力矩下降，但有助于驱动器降低温升和增加低速时的运行平稳性。所加电源的瞬间输出能力应不少于电机的额定相电流，电源电压越低则 对电源电流输出能力的要求越大。接线时务必注意电源 ，切勿反接！2、输出电流选择输出电流选择本驱动器采用双极恒流方式，最大输出电流值为7.0A相（峰值），通过驱动器侧板第 5，6，7 三位开关的不同组合可以方便的选择八种电流值，从 3.0A 到 7.0A（详见下表），注：用户对输出电流的更改必须给驱动器重新上电才可生效。 表2-2输出电流选择表SW5SW6SW7电流OFFOFFOFF3.0AONOFFOFF3

25、.5AOFFONOFF4.0AOFFOFFON4.5AONONOFF5.0AONOFFON5.5AOFFONON6.0AONONON7.0A3、细分选择用户可以通过驱动器面板上的第 1、2、3、4 四位拨码开关选择共 16 种细分模式，用电机每转的步数标识，既可以实现常用的两相步距（如两相标准半步 400 步转）也可以提供类似五相的步距（如五相 标准半步 1000 步转），用户可以根据需要自行选择细分（详见下表）。注：用户对细分模式的更改需要驱动器重新上电方可生效。 表2-3细分模式选择表SW1SW2SW3SW4每转步数SW1SW2SW3SW4每转步数ONONONON30000OFFOFFON

26、OFF3200OFFONONON10000ONONOFFOFF2000ONONONOFF8000OFFONOFFOFF1600ONOFFONON7500OFFONOFFON1000OFFONONOFF6400ONOFFOFFOFF800OFFOFFONON6000OFFONOFFOFF600ONONOFFON5000OFFOFFOFFON500ONOFFONOFF4000OFFOFFOFFOFF4004、单脉冲方式驱动器支持标准单脉冲模式， 步进脉冲由脉冲端入，由方向端电平高低决定电机的运转方向。注：驱动器上电10秒后才可接收脉冲。4、自动半电流驱动器工作若连续0.1秒没有接收到新的脉冲则自动

27、进入半电流状态，相电流降低为标准值的 50%，达到降低功耗的目的，在收到新的脉冲时驱动器自动退出半电流状态。5、脱机功能输入脱机信号时，驱动器将切断电机各相绕组电流使电机轴处于自由状态，此时步进脉冲将不能被响应。此状态可有效降低驱动器和电机的功耗和温升。脱机控制信号撤消后驱动器自动恢复到脱机前的相序并恢复电机电流。当不需用此功能时，脱机端可悬空。 6、自测模式开关用户可以通过驱动器面板上的第 8 位拨码开关选择自测模式的开放与关闭，自测模式开放时，驱动器将 在每次上电之初对电机参数进行观测，并自动寻求最优控制参数。自动测试功能关闭时，驱动器将调用上一次测量的电机参数进行工作。因此当用户首次使用

28、驱动器和电机时应该采用自测模式进行电机参数的自适应匹配，之后就可以将开关设定为OFF，锁定当前参数。当工作状态发生变化后可以重新自 测寻优。自测设定只在每次驱动器上电时进行处理，因此第8位拨码开关状态的变化只能在驱动器重新上电后生效。7、过压保护当电源电压波动或电机制动等原因造成直流母线电压超过 80VDC 时，驱动器过压保护电路动作，驱动器报警灯（红色）闪烁，驱动器暂停驱动电机，需人工断电再上电才可解除报警。出现该故障后用户需要检查电源电压，适当降低输入的电源电压。8、欠压保护驱动器检测到输入直流母线电压低于 15VDC 时，驱动器欠压保护电路动作，驱动器报警灯（红色）闪烁，驱动器将暂停驱动

29、电机，需人工断电再上电才可解除报警。出现该故障后用户需要检查电源电压和容量，适当提高输入的电源电压。9、功能状态指示黄色 LED 为电源指示灯，当驱动器接通电源时，该 LED 常亮；当驱动器切断电源时，该 LED 熄灭。 红色 LED 为故障指示灯，当出现故障时，该指示灯以不同方式亮灭。红色 LED不同的亮灭方式代表不同的故障信息，具体关系如下图所示：图2-6 功能状态指示图10、控制方式及典型接线图1）脉冲信号输入驱动器端置光耦，光耦导通一次被驱动器解释为一个有效脉冲。对于共阳极而言低电平为有效，此时驱动器将按照相应的时序驱动电机运行一步。单脉冲模式时此信号端 作为脉冲输入信号。为了脉冲信号

30、的可靠响应，光耦每次导通的持续时间不应少于 2s。本驱动器的信号响应频率为200KHz，过高的输入频率或不符合标准的脉冲宽度将 可能得不到正确响应。2）方向信号输入单脉冲模式下该信号作为控制电机的转向信号，该端内部光耦的通、断被解释为控制电机运行的两个方向。控制电机转向时，应确保方向信号领先脉冲信号至少 5s 建立,从而避免驱动器对脉冲的错误响应。3）脱机信号输入内部光耦处于导通状态时电机相电流被切断，转子处于自由状态（脱机状态）。光耦关断后电机电流恢复到脱机前的大小和方向。当不需用此功能时，脱机信号端可悬空。根据上述对驱动器的介绍，可以根据所驱动的电机的要求选择恰当的电流，也可以根据精度的要

31、求选择细分来满足精度要求。选择好电流和细分，然后根据驱动器提供的接口选择恰当的电路接法，本设计中使用的为共阳极接法，在此不再赘述，在下面会详细介绍。2.2.3变频器的选择变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的，正如公式：n=60f(1-s)p，电机的磁极对数p已经确定，则电机的转速n与电源频率f成正比，通过调节频率来控制电机的转速。本次设计采用的是西门子MM420变频器，如下图所示。图2 图2-7 MM420结构图2.2.4电主轴的选择电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术。高速数控机床主传动系统取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件