【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 S ?? ? ? ?（ 12） 式中 tJ 折算至電機(jī)軸上的慣量 (Kg? cm? 2s ) 1J 、 2J 齒輪慣量 (Kg? cm? 2s ) sJ 絲桿慣量 (Kg? cm? 2s ) W工作臺(tái)重量（ N） S 絲桿螺距（ cm） （ 3）計(jì)算電機(jī)輸出的總力矩 M a f tM M M M? ? ? （ 13） 2( ) / 1. 02 10a m tM J J n T ?? ? ? ? ?（ 14） 式中 aM 電機(jī)啟動(dòng)加速力矩（ Nm? ) mJ 、 tJ 電機(jī)自身慣量與負(fù)載慣量 (Kg? cm? 2s ) n電機(jī)所需達(dá)到的轉(zhuǎn)速（ r/min） T電機(jī)升速時(shí)間（ s） 2( ) / ( 2 ) 1 0fM u W s i?? ?? ? ? ?（ 15） fM 導(dǎo)軌摩擦折算至電機(jī)的轉(zhuǎn)矩（ Nm? ) u摩擦系數(shù) η 傳遞效率 2( ) / ( 2 ) 10ttM P s i?? ?? ? ?（ 16） tM 切削力折算至電機(jī)力矩（ Nm? ) tP 最大切削力（ N） （ 4）負(fù)載起動(dòng)頻率估算。數(shù)控系統(tǒng)控制電機(jī)的啟動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩和慣量有很大關(guān)系，其估算公式為 01[ ( 1 ( ) / ) ( 1 / ) ]1 / 2q q f t t mf f M M M J J? ? ? ? ?（ 17） 式中 qf 帶載起動(dòng)頻率（ Hz） 0qf 空載起動(dòng)頻率 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 1M 起動(dòng)頻率下由矩頻特性決定的電機(jī)輸出力矩（ Nm? ) 若負(fù)載參數(shù)無(wú)法精確確定 ,則可按01/ 2qqff?進(jìn)行估算 . （ 5）運(yùn)行的最高頻率與升速時(shí)間的計(jì)算。由于電機(jī)的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率 時(shí)，由矩頻特性的輸出力矩應(yīng)能驅(qū)動(dòng)負(fù)載，并留有足夠的余量。 （ 6）負(fù)載力矩和最大靜力矩 maxM 。負(fù)載力矩可按式（ 15）和式（ 16）計(jì)算，電機(jī)在最大進(jìn)給速度時(shí)，由矩頻特 性決定的電機(jī)輸出力矩要大于 Mf 與 tM 之和，并留有余量。一般來(lái)說(shuō)， fM 與 tM 之和應(yīng)小于（ ～ ) maxM 。 步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn) ,但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng) ,并伴有嘯叫聲。 步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可 能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲? 根據(jù)以上技術(shù)指標(biāo)以及本設(shè)計(jì)的要求，本設(shè)計(jì)采用永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)如下圖 31 所示： 圖 31永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī) 167。 PLC 的選用 在選擇 PLC 時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過(guò)程的特點(diǎn)、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器容量、確定 PLC 的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性 能價(jià)格比的 PLC 和本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。下面 ,我們就詳細(xì)來(lái)說(shuō)下選擇 PLC 時(shí)應(yīng)注意的幾點(diǎn) ： 一、輸入輸出（ I/O）點(diǎn)數(shù)的估算 I/O 點(diǎn)數(shù)估算時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計(jì)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，再增加10%～ 20%的可擴(kuò)展 余量后，作為輸入輸出點(diǎn)數(shù)估算數(shù)據(jù)。實(shí)際訂貨時(shí)，還需根據(jù)制造廠商 PLC的產(chǎn)品特點(diǎn)，對(duì)輸入輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行圓整。 二、存儲(chǔ)器容量的估算 存儲(chǔ)器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲(chǔ)單元大小，程序容量是存儲(chǔ)器中用戶應(yīng)用項(xiàng)目使用的存儲(chǔ)單元的大小，因此程序容量小于存儲(chǔ)器容量。設(shè)計(jì)階段，由于用戶應(yīng)用程序還未編 制，因此，程序容量在設(shè)計(jì)階段是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。為了設(shè)計(jì)選型時(shí)能對(duì)程序容量有一定估算，通常采用存儲(chǔ)器容量的估算來(lái)替代。 存儲(chǔ)器內(nèi)存容量的估算沒(méi)有固定的公式，許多文獻(xiàn)資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量 I/O 點(diǎn)數(shù)的 10～ 15 倍，加上模擬 I/O 點(diǎn)數(shù)的 100 倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（ 16 位為一個(gè)字），另外再按此數(shù)的 25%考慮余量。 三、控制功能的選擇 該選擇包括運(yùn)算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。 (一 )運(yùn)算功能 簡(jiǎn)單 PLC 的運(yùn)算功能包括邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù) 功能；普通 PLC 的運(yùn)算功能還包括數(shù)據(jù)移位、比較等運(yùn)算功能；較復(fù)雜運(yùn)算功能有代數(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送等；大型 PLC 中還有模擬量的 PID 運(yùn)算和其他高級(jí)運(yùn)算功能。隨著開(kāi)放系統(tǒng)的出現(xiàn)，目前在 PLC 中都已具有通信功能，有些產(chǎn)品具有與下位機(jī)的通信，有些產(chǎn)品具有與同位機(jī)或上位機(jī)的通信，有些產(chǎn)品還具有與工廠或企業(yè)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的功能。設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)從實(shí)際應(yīng)用的要求出發(fā)，合理選用所需的運(yùn)算功能。大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，只需要邏輯運(yùn)算和計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)功能，有些應(yīng)用需要數(shù)據(jù)傳送和比較，當(dāng)用于模擬量檢測(cè)和控制時(shí)，才使用代數(shù)運(yùn)算，數(shù)值轉(zhuǎn)換和 PID 運(yùn)算等。 要顯示數(shù)據(jù)時(shí)需要譯碼和編碼等運(yùn)算。 (二 )控制功能 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 控制功能包括 PID 控制運(yùn)算、前饋補(bǔ)償控制運(yùn)算、比值控制運(yùn)算等，應(yīng)根據(jù)控制要求確定。 PLC 主要用于順序邏輯控制，因此，大多數(shù)場(chǎng)合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時(shí)也采用專(zhuān)用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能，提高 PLC 的處理速度和節(jié)省存儲(chǔ)器容量。例如采用 PID 控制單元、高速計(jì)數(shù)器、帶速度補(bǔ)償?shù)哪M單元、 ASC 碼轉(zhuǎn)換單元等。 (三 )通信功能 大中型 PLC 系統(tǒng)應(yīng)支持多種現(xiàn)場(chǎng)總線和標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議（如 TCP/IP），需要時(shí)應(yīng)能與工廠管理網(wǎng)（ TCP/IP）相連接。通信協(xié)議應(yīng)符合 ISO/IEEE 通信標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)是開(kāi)放的通信網(wǎng)絡(luò)。 PLC 系統(tǒng)的通信接口應(yīng)包括串行和并行通信接口（ RS2232C/422A/423/485）、RIO 通信口、工業(yè)以太網(wǎng)、常用 DCS 接口等；大中型 PLC 通信總線（含接口設(shè)備和電纜）應(yīng) 1： 1 冗余配置，通信總線應(yīng)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，通信距離應(yīng)滿足裝置實(shí)際要求。 PLC 系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)中，上級(jí)的網(wǎng)絡(luò)通信速率應(yīng)大于 1Mbps，通信負(fù)荷不大于 60%。 PLC 系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)主要形式有下列幾種形式： 1） PC 為主站，多臺(tái)同型號(hào) PLC 為從站，組成簡(jiǎn)易 PLC 網(wǎng)絡(luò)； 2） 1 臺(tái) PLC 為主站，其他同型號(hào) PLC 為從站，構(gòu)成主從式 PLC 網(wǎng)絡(luò)； 3） PLC 網(wǎng)絡(luò)通過(guò)特定網(wǎng)絡(luò)接口連接到大型 DCS 中作為 DCS 的子網(wǎng)； 4）專(zhuān)用 PLC 網(wǎng)絡(luò)（各廠商的專(zhuān)用 PLC 通信網(wǎng)絡(luò)）。 為減輕 CPU 通信任務(wù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)組成的實(shí)際需要，應(yīng)選擇具有不同通信功能的（如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)）通信處理器。 (四 )編程功能 離線編程方式： PLC 和編程器公用一個(gè) CPU，編程器在編程模式時(shí)， CPU 只為編程器提供服務(wù)，不對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。完成編程后，編程器切換到運(yùn)行模式， CPU 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制，不能進(jìn)行編程。離線編程方式 可降低系統(tǒng)成本，但使用和調(diào)試不方便。在線編程方式： CPU 和編程器有各自的 CPU，主機(jī) CPU 負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)控制，并在一個(gè)掃描周期內(nèi)與編程器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，編程器把在線編制的程序或數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)，下一掃描周期，主機(jī)就根據(jù)新收到的程序運(yùn)行。這種方式成本較高，但系統(tǒng)調(diào)試和操作方便，在大中型 PLC 中常采用。 五種標(biāo)準(zhǔn)化編程語(yǔ)言：順序功能圖（ SFC）、梯形圖（ LD）、功能模塊圖（ FBD）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 三種圖形化語(yǔ)言和語(yǔ)句表（ IL）、結(jié)構(gòu)文本（ ST）兩種文本語(yǔ)言。選用的編程語(yǔ)言應(yīng)遵守其標(biāo)準(zhǔn)（ IEC6113123），同時(shí)，還應(yīng)支持多種語(yǔ)言編程形 式，如 C， Basic等，以滿足特殊控制場(chǎng)合的控制要求。 所以本設(shè)計(jì)根據(jù)要求及所需的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，主控制單元采用日本三菱公司的 FX2N 48MR 可編程控制器 （如圖 32 所示） ，該系列 PLC 體積小、功能強(qiáng)性?xún)r(jià)比高，且提供簡(jiǎn)易的定位控制及脈沖輸出功能。輸出點(diǎn)和撥碼盤(pán)控制系統(tǒng)原理圖 ： 圖 32 三菱 FX2N系列 PLC產(chǎn)品圖 圖 33 主控制系統(tǒng)原理圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 167。 控系統(tǒng)的 I/O 分配表如下： 表 31系統(tǒng)輸入 輸出 點(diǎn) 輸入點(diǎn) 輸出點(diǎn) X0 快進(jìn)到位 Y0 步進(jìn)電機(jī) X1 工進(jìn)到位 Y1 快進(jìn) X2 快退到位 Y2 工進(jìn) X3 原點(diǎn) Y3 快退 X4 自動(dòng) Y4 工退 X5 手動(dòng) Y5 分度正反轉(zhuǎn) X6 變頻啟動(dòng) Y6 分度軸 X7 變頻停止 Y7 工件夾緊 X10 程序啟動(dòng) Y10 變頻啟動(dòng) X11 急退 Y11 電機(jī)正轉(zhuǎn) X12 點(diǎn)動(dòng)前進(jìn) Y12 電機(jī)反轉(zhuǎn) X13 快退 X14 工件夾緊 X16 分度正反轉(zhuǎn) X17 分度鎖緊與松開(kāi) 其主要組成：液壓電機(jī)，鉆孔點(diǎn)擊，變頻器，撥碼盤(pán)等其主回路控制電路圖如下圖： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 圖 34 主控制回路原理圖 167。 各控制系統(tǒng)的功能 167。 撥碼盤(pán)控 制電路 由于本 系統(tǒng) 是對(duì)各類(lèi) 工件 的精密分度鏜孔，不同型號(hào)的 工件 要求的加工孔數(shù)亦不同，其要求均勻分布的孔數(shù)可由 8 個(gè)至 50 個(gè)之間任意選取，因此要求在操作面板上可以將所要鏜的孔數(shù)由用戶輸入。本系統(tǒng)利用 8421BCD 撥碼盤(pán)實(shí)現(xiàn)加工孔數(shù)的輸入。 FX2N 系列的 PLC 具有一條數(shù)字開(kāi)關(guān)指令可直接讀出撥碼盤(pán)設(shè)置的數(shù)據(jù)，省去了以往利用程序循環(huán)掃描控制每片撥碼盤(pán)公共端的通斷，每一掃描周期讀入一片撥碼盤(pán)的 BCD 數(shù)，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)合并處理等一系列煩瑣的軟件設(shè)計(jì)工作。在圖 35 中撥碼盤(pán)控制電路用到的輸入點(diǎn)是 X X2 X22 和 X23，用到的輸出點(diǎn)是 Y14 和 Y15[6]。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 167。 鏜孔鉆頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)的變頻控制 由于不同的加工工件材料要求的鉆頭旋轉(zhuǎn)速度亦不同，因此用于帶動(dòng)鏜孔鉆頭旋轉(zhuǎn)的鏜孔電機(jī)由變頻器控制，其不同的旋轉(zhuǎn)速度可通過(guò)對(duì)變頻器的設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)。在圖 33 中利用 PLC 的輸出點(diǎn) Y10 來(lái)控制鏜孔電機(jī)的變頻器的啟動(dòng) 。 變頻器為 AEG 公司提供的 Multiverter 和 Micoverter。 Multiverter 為中型功率變頻器，范圍 22~275kVA。 Micoverter 其頻率設(shè)定，可通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸入，模擬量是輸入，也可掛現(xiàn)場(chǎng)總線或局域網(wǎng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)輸入 。而 Micoverter 頻率設(shè)定，通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸入和模擬量輸入。 Multiverter 的各種頻率設(shè)定方法 A．固定頻率設(shè)定 Multiverter 共可設(shè)定 4 級(jí)頻率，從固定頻率 1 到 4，這 4 個(gè)頻率的數(shù)值通過(guò)面板輸入設(shè)定。通過(guò)兩個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn) DIN1， DIN2 組成二進(jìn)制編碼，來(lái)選擇這 4個(gè)頻率。 表 32 Multiverter 二進(jìn)制固定編碼圖 表 DIN1 DIN2 速度 0 0 固定頻率 1 1 0 固定頻率 2 0 1 固定頻率 3 1 1 固定頻率 4 一般情況下，沒(méi)有模擬量輸出設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時(shí)，選擇開(kāi) 光亮輸入設(shè)定頻率方便，簡(jiǎn)單，故障點(diǎn)少。而且有 4 級(jí)速度一般可以滿足速度調(diào)節(jié)。所以只要速度調(diào)節(jié)不是一種跟隨調(diào)節(jié)或估計(jì)調(diào)節(jié)，選擇固定頻率輸出，是一種良好的頻率設(shè)定方法。 B．模擬量輸入設(shè)定方法是一種控制精度較高的方法，其 A/D 裝換為 20— 29其中可供選擇的模擬量輸入。 1． 010V 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 2． 020Ma 3． 4mA20Ma 4． 10v+10v 如下圖 36，當(dāng)?shù)艟€ 2.、 3 相連時(shí)，輸入信號(hào)為電壓信號(hào)，當(dāng)跳線 1.、 2 相連時(shí)，輸入型號(hào)為電流信 號(hào)。當(dāng)選擇前 3 種輸入時(shí)，必須通過(guò)端子輸入，使能“左轉(zhuǎn)”或“右轉(zhuǎn)”，才能使電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。當(dāng)選擇 10V+10V 時(shí)，通過(guò)端子使能“右轉(zhuǎn)”當(dāng)正電壓時(shí)，電機(jī)磁場(chǎng)正傳，當(dāng)負(fù)電壓時(shí)。電機(jī)磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)，當(dāng)通過(guò)端子使能“左轉(zhuǎn)”時(shí)，將翻轉(zhuǎn)以上方向。 圖 35 模擬量輸 入 Micoverter 共有兩個(gè)模擬量輸入端子，一個(gè)主端子，一個(gè)附加端子，附加端子也可以輸入以上各種模擬量，并且可以定為主端子輸入和附加端子輸入疊加作為頻率設(shè)定，附加端子模擬量輸入也可單獨(dú)控制變頻器，這就使其控制發(fā)放具有多樣性。 由于不同的加工 工件材料要求的鉆頭旋轉(zhuǎn)速度亦不同，因此用于帶動(dòng)鏜孔鉆頭的鏜孔電機(jī)由變頻器控制，其不同的輸出點(diǎn) Y10 來(lái)控制鏜孔電機(jī)的變頻器的啟動(dòng)。 167。 步進(jìn)電機(jī)的分度控制 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 不 在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)用到采用可編程控制器 PLC 進(jìn)行定位控制，一般的定位控制，通常都是采用可編程控制器 PLC 加定位模塊進(jìn)行定位控制，但當(dāng)需要進(jìn)行定位控制的定位軸比較少、控制要求不是特別高時(shí)，可以不需要但多配置定位模塊，直接利用 PLC 本身的告訴脈沖輸出口控制步進(jìn)電機(jī)，其發(fā)放既簡(jiǎn)單方便，又可降低控制成本。 A． 高速脈沖輸出口