【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 持全部的三菱 FX系列的 PLC，并且具有強(qiáng)大的診斷功能，能更快的查找出故障的原因，并且具有仿真調(diào)試功能，從而大大縮短了調(diào)試程序的時(shí)間。 本課題設(shè)計(jì)的目的和意義 自動(dòng)送料系統(tǒng)是當(dāng)今常見(jiàn)的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備，因伺服電機(jī)有如下各種特點(diǎn)：是控制系統(tǒng)中的執(zhí)行單元，是一種利用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移的執(zhí)行電機(jī)。其中伺服電機(jī)最大的應(yīng)用是在數(shù)控機(jī)床的制造中，因?yàn)樗欧姍C(jī)不需要 A/D 轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號(hào) 轉(zhuǎn)化成為角位移，所以被認(rèn)為是理想的數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行元件。隨著伺服電動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，伺服電動(dòng)機(jī)已經(jīng)能夠單獨(dú)在系統(tǒng)上進(jìn)行使用，成為了不可替代的執(zhí)行元件。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得伺服電動(dòng)機(jī)獲得了廣泛的應(yīng)用和普及，除了在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、鐘表、數(shù)字控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)以及許多航天工業(yè)裝置中得到應(yīng)用。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及伺服電機(jī)本身技術(shù)的提高，伺服電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。故自動(dòng)送料系統(tǒng)伺服控制有很廣泛應(yīng)用價(jià)值。 隨著微處理器、伺服電機(jī)可在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速， 快速起停、正反 轉(zhuǎn)控制及制動(dòng)等，這是伺服電動(dòng)機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn)。伺服電機(jī)的性能在很大程度上取決于伺服驅(qū)動(dòng)器，而伺服電機(jī)控制系統(tǒng)由伺服電機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)器、系統(tǒng)軟件等幾部分組成，控制系統(tǒng)的每一部分對(duì)伺服電機(jī)的運(yùn)行性能息息相關(guān)。 目前比較典型的控制方法是用單片機(jī)產(chǎn)生脈沖序列來(lái)控制伺服電機(jī)。但采用單片機(jī)控制 , 不僅要設(shè)計(jì)復(fù)雜的控制程序和 I /O 接口電路 , 實(shí)現(xiàn)比較麻煩 , 而且對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境適應(yīng)性差 , 可靠性不高?；?PLC 控制的伺服電機(jī)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、 實(shí)現(xiàn)方便、 定位精度高、 參數(shù)設(shè)置靈活等優(yōu)點(diǎn)， 在工業(yè)過(guò)程 控制中使用可靠性高，監(jiān)控方便。當(dāng)下已成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要支柱之一。因此用 PLC 來(lái)控制伺服電動(dòng)機(jī)也是實(shí)際的控制系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛，非常有實(shí)際價(jià)值。 5 第二章 系統(tǒng)控制方案的確定 自動(dòng)送料系統(tǒng)伺服控制的概述 自動(dòng)送料系統(tǒng)是常見(jiàn)的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，其可使生產(chǎn)過(guò)程的供料、傳送等程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)更可以和裝配、包裝等程序結(jié)合以提高生產(chǎn)效率。在自動(dòng)送料系統(tǒng)的伺服控制中主要研究的對(duì)象是對(duì)于系統(tǒng)的馬達(dá)即伺服電機(jī)的控制。 伺服電機(jī)是一種將數(shù)字式電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成（角位移或線位移）的機(jī)電元件，它的機(jī)械位移與輸入的數(shù)字脈沖 有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即一個(gè)脈沖信號(hào)可使伺服電機(jī)前進(jìn)一步。 最早的伺服電機(jī)問(wèn)世于 19 世紀(jì) 30 年代，早期的伺服電機(jī)由于性能較差，沒(méi)有得到很好的利用。隨著電子技術(shù)、精密機(jī)械加工，特別是數(shù)字計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展和數(shù)字控制系統(tǒng)的需要，使伺服電機(jī)獲得了飛速的發(fā)展。目前，伺服電機(jī)已經(jīng)在數(shù)控機(jī)床、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、軋鋼機(jī)自動(dòng)控制、鐘表工業(yè)等方面獲得廣泛的應(yīng)用。由于伺服電機(jī)構(gòu)成的開(kāi)環(huán)數(shù)控機(jī)床伺服機(jī)構(gòu)。這種開(kāi)環(huán)控制方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)調(diào)試方便，工作可靠，成本較低。 伺服電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)： 直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。數(shù)字脈沖信號(hào)經(jīng)環(huán)形分配器和 功率放大后可直接控制伺服電機(jī)，無(wú)需任何中間轉(zhuǎn)換，這也使優(yōu)于交直流電動(dòng)機(jī)的地方。 控制性能好。通過(guò)改變脈沖頻率可在較寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻的調(diào)速，并能快速而方便地起動(dòng)、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)。 無(wú)接觸式。沒(méi)有電刷和換向器也式伺服電機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵性的優(yōu)點(diǎn)。 抗干擾能力強(qiáng)。在不僅帶你機(jī)的負(fù)載能力范圍內(nèi)，步距角不受電壓、負(fù)載以及周?chē)鷾囟茸兓雀鞣N干擾的影響，保持運(yùn)行的精度。 誤差不長(zhǎng)期積累。伺服電機(jī)每運(yùn)行一步所轉(zhuǎn)過(guò)的角度與理論步距角之間總有一定的誤差，在一轉(zhuǎn)之內(nèi)從某一步到任何一步將會(huì)一定的積累誤差，但每轉(zhuǎn)一圈的積累誤 差將為零。 具有自鎖能力（反應(yīng)式）和保持轉(zhuǎn)矩（永磁式）。 6 采用 PLC 的自動(dòng)送料系統(tǒng)伺服控制的優(yōu)點(diǎn) 從控制方式上看：繼電器控制硬件接線邏輯一旦確定，要改變邏輯或增加功能是很困難的；而 PLC 軟接線，只需改變控制程序就可輕易改變邏輯或增加功能。 從工作方式上看：電器控制并行工作，而 PLC 串行工作，不受制約。 從控制速度上看：電器控制速度慢，觸點(diǎn)易抖動(dòng)；而 PLC 通過(guò)半導(dǎo)體來(lái)控制，速度很快，無(wú)觸點(diǎn)，顧而無(wú)抖動(dòng)一說(shuō)。 從定時(shí)、記數(shù)看：電器控制定時(shí)精度不高，容易受環(huán)境溫度變化影響，且無(wú)記數(shù)功能 ； PLC 時(shí)鐘脈沖由晶振產(chǎn)生，精度高，定時(shí)范圍寬；有記數(shù)功能。 從可靠、維護(hù)看：電器控制觸點(diǎn)多，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械磨損和電弧燒傷，接線也多，可靠、維護(hù)性能差； PLC 無(wú)觸點(diǎn)，壽命長(zhǎng)，且有自我診斷功能，對(duì)程序執(zhí)行的監(jiān)控功能，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)方便。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟 自動(dòng)送料系統(tǒng)伺服控制設(shè)計(jì)與調(diào)試的主要步驟，如下圖所示： 在動(dòng)送料系統(tǒng)伺服控制的設(shè)計(jì)過(guò)程中主要要考慮以下幾點(diǎn)： 深入了解和分析自動(dòng)送料系統(tǒng)伺服控制的工藝條件和控制要求。 確定 I/O 設(shè)備。根據(jù)自動(dòng)送料系統(tǒng)伺服控制的功能要求，確定系統(tǒng)所需的用戶(hù)輸入 、輸出設(shè)備。常用的輸入設(shè)備有按鈕、選擇開(kāi)關(guān)等，常用的輸出設(shè)備有指示燈等。 根據(jù) I/O 點(diǎn)數(shù)選擇合適的 PLC 類(lèi)型。 分配 I/O 點(diǎn)，分配 PLC 的輸入輸出點(diǎn)，編制出輸入輸出分配表或者輸入輸出端子的接線圖。 設(shè)計(jì)自動(dòng)送料系統(tǒng)伺服控制的梯形圖程序，根據(jù)工作要求設(shè)計(jì)出周密完整的梯形圖程序，這是整個(gè)伺服電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心工作。 將程序輸入 PLC 進(jìn)行軟件測(cè)試，查找錯(cuò)誤，使系統(tǒng)程序更加完善。 本系統(tǒng)控制的整體調(diào)試，在 PLC 軟硬件設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工完成后，就可以進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)調(diào)試，調(diào)試種發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題要逐一排除，直至調(diào)試成功。 7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 根據(jù)控制要求 確定硬件配 置 確定課題 研究課題內(nèi)容 確定方案 查找資料 設(shè)計(jì)電氣原理圖圖 根據(jù)控制要求 編寫(xiě)程序 錯(cuò)誤 調(diào)試程序 記錄運(yùn)行結(jié)果并分析 總結(jié) 圖 21 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟 8 系統(tǒng)控制方案 系統(tǒng)組成及任務(wù) 本系統(tǒng)使用了 PLC、傳感器、位置控制、伺服控制及氣動(dòng)等技術(shù)，分成自動(dòng)供料和自動(dòng)送料兩個(gè)子系統(tǒng)。自動(dòng)送料子系統(tǒng)由機(jī)械手、伺服電動(dòng)機(jī)、功率驅(qū)動(dòng)器、定位傳感器和傳動(dòng)輪等組成，它可以將抓取供料系統(tǒng)提供的零件以伺服方式自動(dòng)送到所需要的固定位置。管式料倉(cāng)上放置 10 個(gè)零件，并且裝有缺料和供料不足檢測(cè)傳感器。機(jī)械手通過(guò)供料系統(tǒng)反饋的信 號(hào)抓去物料，然后伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手精確定位于所需位置。供料系統(tǒng)和抓取機(jī)械手分別如圖 22 和圖 23 所示。 圖 22 供料系統(tǒng) 圖 23 抓取機(jī)械手 9 伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于其輸入信號(hào)的脈沖頻率 , 并與頻率同步 , 改變脈沖信號(hào)的頻率 , 即可控制其轉(zhuǎn)速。利用 FX1N 的 位置控制指令 FNC158(DRVA)生成指定脈沖數(shù)目的方波 ( 占空比為 50%) 脈沖序列。脈沖數(shù)、脈沖寬度或周期裝入相應(yīng)的控制寄存器。改變脈沖數(shù)量，就可改變伺服電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的角位移；改變脈沖周期，就可改變控制頻率，以改變伺服電動(dòng)機(jī)的速度。脈沖 信號(hào)由 Y0 的輸出脈沖， 方向信號(hào)由 Y2 輸出 。 自動(dòng)送料系統(tǒng)伺服馬達(dá)的工作原理 自動(dòng)送料系統(tǒng)馬達(dá)即伺服電動(dòng)機(jī)，其工作原理相是接受控制器或者計(jì)算機(jī)發(fā)出的脈沖信號(hào)而動(dòng)作，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，伺服電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步。伺服電動(dòng)機(jī)其角位移與電脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與電脈沖頻率成正比，通過(guò)改變脈沖頻率可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 本設(shè)計(jì)將 采用永磁交流伺服系統(tǒng)其中包括永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)和全數(shù)字交流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)器兩部分。 伺服系統(tǒng)位置控制模式的特點(diǎn)： 伺服驅(qū)動(dòng)器輸出到伺服電機(jī)的三相電壓波形基本是正弦 波（高次諧波被繞組電感濾除），而不是象步進(jìn)電機(jī)那樣是三相脈沖序列，即使從位置控制器輸入的是脈沖信號(hào)。 伺服系統(tǒng) 用作定位控制時(shí)，位置指令輸入到位置控制器，速度控制器輸入端前面的電子開(kāi)關(guān)切換到位置控制器輸出端，同樣，電流控制器輸入端前面的電子開(kāi)關(guān)切換到速度控制器輸出端。因此， 位置控制模式 下的伺服系統(tǒng)是一個(gè)三閉環(huán)控制系統(tǒng)，兩個(gè)內(nèi)環(huán)分別是電流環(huán)和速度環(huán)。 由自動(dòng)控制理論可知，這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性和抗干擾能力。在足夠高的開(kāi)環(huán)增益下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差接近為零。 控制伺服電動(dòng)機(jī)最重要的就是要產(chǎn)生符合 要求的控制脈沖。三菱FX1N40MT 型 PLC 本身帶有高速脈沖計(jì)數(shù)器和高速脈沖發(fā)生器，其發(fā)出的頻率能夠滿足伺服電動(dòng)機(jī)的要求。但是伺服電動(dòng)機(jī)要求把具有足夠功率和一定頻率的脈沖電壓（電流）按著選定的順序加給控制繞組，而計(jì)算機(jī)和 PLC 等控制器只能發(fā)出很微弱的脈沖信號(hào)，達(dá)不到能夠直接驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)的功率，所以，必 10 須是 PLC 通過(guò)驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制伺服電動(dòng)機(jī)。其原理圖如圖 24 所示：