交流伺服電機PLC控制系統(tǒng)設計說明書

1、中北大學課程設計說明書目錄1、數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展22、數(shù)控機床PLC控制系統(tǒng)的控制要求及分析43、交流伺服電機54、伺服驅動器的選擇85、PLC的選擇126、系統(tǒng)連接圖的確定147、開關及保護元件的選擇158、變壓器的選擇159、梯形圖1610、課程設計總結1711、參考文獻171、數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展數(shù)控技術包括數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控機床及外圍技術，是一門集計算機技術、自動化控制技術、測量技術、現(xiàn)代機械制造技術、微電子技術、信息處理技術等多學科交叉的綜合技術，是近年來應用領域中發(fā)展十分迅速的一項綜合性的高新技術。它是為適應高精度、高速度、復雜零件的加工而出現(xiàn)的，是實現(xiàn)自動化、數(shù)字化、柔性化、信息化、集成化、網(wǎng)絡化

2、的基礎，是現(xiàn)代機床裝備的靈魂和核心，有著廣泛的應用領域和廣闊的應用前景。1946年誕生了世界上第一臺電子計算機，這表明人類創(chuàng)造了可增強和部分代替腦力勞動的工具。六年后，即在1952年，計算機技術應用到了機床上。在美國誕生了第一臺數(shù)控機床。從此，傳統(tǒng)機床產生了質的變化。近半個世紀以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。1.數(shù)控(NC)階段 (1952-1970年)，早期計算機運算速度低，這對當時的科學計算和數(shù)據(jù)處理影響還不大，但不能適應機床實時控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路搭成一臺機床專用計算機作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控，簡稱為數(shù)控(NC)。隨著元器件的發(fā)展，這個階段歷經(jīng)了三代，

3、即1952年第一代電子管;1959年第二代晶體管;1965年第三代小規(guī)模集成電路。2.計算機數(shù)控 (CNC)階段(1970現(xiàn)在)到1970年，通用小型計算機業(yè)已出現(xiàn)并成批生產。其運算速度比五、六十年代有了大幅度的提高，這比專門搭成的專用計算機成本低、可靠性高。于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進入了計算機數(shù)控(CNC)階段。到1971年美國lintel公司在世界上第一次將計算機的兩個核心的部件運算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術集成在一塊芯片上，稱之為微處器，又可稱中央處理單元(簡稱CPU)。到1974年微處理器被應用于數(shù)控系統(tǒng)。由于微處理器是通用計算機的核心部件，故仍稱為仿計算機

4、數(shù)控。到了1990年，PC機的性能已發(fā)展到很高的階段，可滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求，而且PC機生產批量很大，價格便宜，可靠性高。數(shù)控系統(tǒng)從此進入了基于PC的階段?？傊?，計算機數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。即1970年第四代小型計算機；1974年第五代微處理器和1990年第六代基于PC的階段。必須指出，數(shù)控系統(tǒng)近五十年來經(jīng)歷了兩個階段六代的發(fā)展，只是發(fā)展到了第五代以后，才從根本上解決了可靠性低，價格極為昂貴，應用很不方便等極為關鍵的問題。因此，即使在工業(yè)發(fā)達國家，數(shù)控機床大規(guī)模地得到應用和普及，是在七十年代未八十年代初以后的事情，也即數(shù)控技術經(jīng)過近三十年的發(fā)展才走向普及應用的。還要指出的是，雖然國外

5、早已改稱為計算機數(shù)控(即CNC)了，而我國仍習稱數(shù)控(NC)。所以我們日常講的數(shù)控實質上已是指計算機數(shù)控了。智能化、開放式、網(wǎng)絡化成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 。21世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質量方面的智能化，如加工過程的自適應控制，工藝參數(shù)自動生成；為提高驅動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參數(shù)的自適應運算、自動識別負自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和數(shù)控應用

6、軟件的產業(yè)化生產存在的問題。 目前許多國家對開放式數(shù)控系統(tǒng)進行研究，數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上，面向機床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結構對象（數(shù)控功能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應用和技術訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明個性的名牌產品。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結構規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當前研究的核心。網(wǎng)絡化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡化將極大地滿足生產線、制造系統(tǒng)、

7、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎單元。國內外一些著名數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關的新概念和樣機，反映了數(shù)控機床加工向網(wǎng)絡化方向發(fā)展的趨勢。 2、數(shù)控機床PLC控制系統(tǒng)的控制要求及分析PLC應用系統(tǒng)設計的內容：數(shù)控技術課程設計交流伺服電機PLC控制系統(tǒng)設計，它是利用數(shù)字化的信息對機床運動及工作過程進行控制的一種方法。課題采用PLC來控制這些器件，實現(xiàn)工業(yè)控制。以可編程控制器(簡稱PLC)作為控元件，替代機床繼電器連接觸器組成的電氣控制部分，是為了提高機床電氣控制系統(tǒng)的可靠性，這種方法主用于組合機床以及生產線上的專用機床用數(shù)控技術

8、實施加工控制的機床，或者說裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床稱為數(shù)控(NC)機床。要實現(xiàn)對機床的控制，需要用幾何信息描述刀具和工件間的相對運動以及用工藝信息來描述機床加工必須具備的一些工藝參數(shù)。某機床進給電機采用交流伺服電動機，型號為ASD-B2-1521-B，絲杠螺距6mm。驅動器電源為三相220V，功率為1.5KW。需要控制伺服電機的正反轉,采用位置控制模式Y0脈沖輸出，Y1方向控制,反轉時Y1要先輸出,絲杠螺距為6MM其螺桿正轉一圈前進6MM,反轉一圈后退6MM,絲桿兩頭需要安裝極限開關如行程開關或者光電開關/接近開關。計算電機旋轉一周需要多少脈沖,用6MM除以一周脈沖得到最小單位脈沖當量即一個脈沖到

9、應多少距離，然后根據(jù)需求來計算脈沖的數(shù)量和方向,脈沖的速度決定電機的轉速。1、減速比=伺服的轉數(shù)/絲杠的轉數(shù)；2、工件平移的距離=螺距絲杠的轉數(shù)；3、工件平移的距離=螺距伺服的轉數(shù)/減速比4、伺服的轉數(shù)=伺服輸入的驅動脈沖/伺服每轉一周的驅動脈沖數(shù)；5、工件平移的距離/伺服輸入的驅動脈沖=螺距/（減速比伺服每轉一周的驅動脈沖數(shù)）；6、脈沖當量= 螺距/（減速比伺服每轉一周的驅動脈沖數(shù)）3、伺服電動機的選擇機床進給電機采用交流伺服電動機，伺服驅動器型號為ASD-B2-1521-B，絲杠螺距6mm。參考下表1選擇對應的伺服電機。表1 伺服驅動器與電機機種名稱對應參照表上表以伺服電機的額定電流的三倍

10、來設計伺服驅動器的規(guī)格。根據(jù)設計內容要求，所選擇的伺服電機為ECMA-E21315 S（S=22mm）圖1電機的外型尺寸伺服驅動器電源接線法分為單相與三相兩種，單相僅允許用于1.5kW 與1.5kW 以下機種，而三相電源接線法全系列皆適用。圖中，Power On 為a 接點，Power Off 與ALRM_RY 為b 接點。MC 為電磁接觸器線圈及自保持電源，與主回路電源接點。圖2三相電源接線法表2電機U、V、W 引出線的連接頭規(guī)格表3端子定義4、 伺服驅動器的選擇4.1伺服驅動器伺服驅動器，又稱為，伺服電機驅動器 ，伺服馬達驅動器 全數(shù)字交流伺服驅動器 。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流

11、伺服電機也越來越多地應用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。如果對電機的速度、位置都沒有要求，只要輸出一個恒轉矩，當然是用轉矩模式。如果對位置和速度有一定的精度要求，而對實時轉矩不是很關心，用轉矩模式不太方便，用速度或位置模式比較好。如果上位控制器有比較好的閉環(huán)控制功能，用速度控制效果會好一點。如果本身要求不是很高，或者，基本沒有實時性的要求，用位置控制方式對上位控制器沒有很高的要求。就伺服驅動器的響應速度來看，轉矩模式運算量最小，驅動器對控制信號的響應最快，位置模式運算量最大，驅動器對控制信號的響應最慢。關于伺服的三種控制方式,一般伺服都有三種控制方式：速度控制方式，轉矩控制方式，位置控制方式 。速度控制和轉

12、矩控制都是用模擬量來控制的。位置控制是通過發(fā)脈沖來控制的。1、轉矩控制：轉矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設定電機軸對外的輸出轉矩的大小，2、位置控制：位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴格的控制，所以一般應用于定位裝置。3、速度模式：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉動速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時速度模式也可以進行定位，但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用。位置模式也支持直接負

13、載外環(huán)檢測位置信號，此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉速，位置信號就由直接的最終負載端的檢測裝置來提供了，這樣的優(yōu)點在于可以減少中間傳動過程中的誤差，增加了整個系統(tǒng)的定位精度。4.2伺服驅動器的選擇采用交流伺服電動機，伺服驅動器選擇型號為ASD-B2-1521-B。 圖3伺服驅動器各部名稱及作用4.3驅動器各端口的連接表4驅動器各端口的連接4.4伺服系統(tǒng)基本方塊圖圖4伺服系統(tǒng)基本方塊圖表5位置脈沖指令4.5位置（Pt）模式標準接線圖5位置（Pt）模式標準接線5、 PLC的選擇5.1分析工藝流程及控制要求由數(shù)控機床的進給系統(tǒng)中，傳動件要快速移動到加工位置、以加工速度進行加工、快速退回原來位置等要

14、求，那么對應的傳動軸傳動伺服電機則要求快速正轉，以加工速度正轉、以加工速度反轉、快速反轉等。一次，PLC指要控制伺服電機以一定的速度精確地正、反轉一定圈數(shù)來控制傳動件的位置和移動速度。5.2分析輸入輸出信號的性質由機床進給系統(tǒng)動作的分析得：輸入信號有：A相脈沖，B相脈沖，正轉按鈕SB1，反轉按鈕 SB2，增速按鈕 SB3，減速按鈕SB4，停止按鈕SB5，停止按鈕SB6。輸出信號： 正轉 Y0反轉Y1。表6PLC I/O口 分配表X0啟動Y0正轉啟動X1反轉Y1反轉X2增速Y2始能X3減速X4停止5.3選擇PLC高功能主機DVP32EH00T著脫端子臺，16點DC24V輸入，16 點數(shù)為輸出，6

15、 點單相高速計數(shù)器，1 組AB 相高速計數(shù)器，最高輸入頻率總和達6 0KHz ，2點高速脈波輸出共100KHz，內建RS232 通訊埠，晶體管輸出。圖6DVP32EH00T外形圖圖7DVP32EH00T引腳圖控制要求：由臺達PLC和臺達伺服組成一個簡單的進給控制演示系統(tǒng)。通過PLC發(fā)送脈沖控制伺服，實現(xiàn)機床的前進、后退、快進和快退以及暫停功能，并對速度和位置進行簡單控制。6、系統(tǒng)連接圖的確定圖8 PLC控制器與驅動器的連接圖7、開關及保護元件的選擇正轉啟動按鈕：SB1；反轉啟動按鈕：SB2；增速按鈕SB3：減速按鈕SB4；熔斷器（保險絲）：FU；熱繼電器：FR；電磁式繼電器：KM。7.1開關保

16、護元件的選擇 接觸器 熔斷器圖9開關和按鈕8、 變壓器的選擇作用：將三相交流380V電壓轉變?yōu)槿嘟涣?20V電壓變壓器示意圖：圖10變壓器示意圖變壓器選擇：控制變壓器（380V/36V/220V） 型號:BK-150，如下圖所示圖11BK-150控制變壓器9、梯形圖圖12梯形圖表7指令表10、課程設計總結在設計過程當中，我對交流伺服電機有了相當?shù)睦斫?。設計的過程中遇到很多問題，認識到自己對機床數(shù)控技術、電氣控制與PLC應用以及其他相關課程的學習還不夠深入，在同學們的幫助和老師的指導下學會了這門課設計的要點和方法。通過大量的翻閱參考資料和機械設計手冊，掌握了不少知識。雖然完成了設計但是在知識方

17、面還有很多欠缺，我會繼續(xù)努力再接再厲。由于時間比較緊迫，設計中可能存在不少問題，望老師能給予指出和指正。通過這次設計更加鞏固了我對電氣控制與PLC應用的認識和了解，對以后的課程設計或工作以后的設計提供了寶貴的經(jīng)驗。此次課程設計中，是在楊福合老師精心指導和大力支持下完成的。楊老師以其嚴謹求實的治學態(tài)度、高度的敬業(yè)精神的工作作風和大膽創(chuàng)新的進取精神對我產生重要影響。另外，我還要特別感謝同學們對我設計和說明書的指導，他們?yōu)槲彝瓿蛇@篇論文提供了巨大的幫助。同時，在此次畢業(yè)設計過程中我也學到了許多了關于電氣設計一些教科書上沒有的知識，使我對PLC的設計也產生了濃厚的興趣，在將來的工作中也有很大的好處。 最后，再次對關心、幫