【導(dǎo)讀】本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）。本文旨在設(shè)計一臺簡單、經(jīng)濟型的X-Y數(shù)控工作臺。一般來說，X-Y數(shù)控工作臺。技術(shù)中最常見的應(yīng)用。本文設(shè)計的X-Y數(shù)控工作臺充分地利用了可編程序控制技術(shù)來實現(xiàn)對機床的控制，在擴大了其加工范圍的同時，精度和可靠性也得到了進一步的提高。該設(shè)計完全圍繞數(shù)?？貦C床工作原理而展開，充分體現(xiàn)了數(shù)控機床機械設(shè)備與電氣設(shè)備部分的緊密結(jié)合。計；滾動導(dǎo)軌的選用和電氣控制部分的設(shè)計。上，絲杠上的絲杠螺母副帶動工作臺實現(xiàn)X-Y方向進給。

　　

【正文】 305 25 62 17 KN KN 絲杠軸的尺寸設(shè)計 X 向軸的尺寸： Y 向軸的尺寸： 聯(lián)接鍵的選擇 鍵聯(lián)接的主要類型有：平鍵聯(lián)接、半圓鍵聯(lián)接、楔鍵聯(lián)接和切向鍵聯(lián)接。 平鍵聯(lián)接 :鍵的兩側(cè)面是工作面，工作時，靠鍵同鍵槽側(cè)面的擠壓來傳遞轉(zhuǎn)矩。鍵的上表面和輪轂的鍵槽底面間則留有間隙。平鍵聯(lián)接具有結(jié)構(gòu)簡單、裝拆方便、對中性較……本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 26 好等優(yōu)點，得到廣泛應(yīng)用。 根據(jù)用途的不同，平鍵分為普通平鍵、薄型平鍵、導(dǎo)向平 鍵和滑鍵四種。其中普通平鍵和薄型平鍵用于靜聯(lián)接，導(dǎo)向平鍵和滑鍵用于動聯(lián)接。 普通平鍵按構(gòu)造分，有圓頭（ A 型）、平頭（ B 型）及單圓頭（ C 型）三種。圓頭平鍵宜放在軸上用鍵槽銑刀銑出的鍵槽中，鍵在鍵槽中軸向固定良好。平頭平鍵是放在用盤銑刀銑出的鍵槽中，對于尺寸大的鍵，需用緊定螺釘固定在軸上的鍵槽中，以防松動。單圓頭平鍵常用于軸端與轂類零件的連接。 薄型平鍵傳遞轉(zhuǎn)矩的能力較低，常用于薄壁結(jié)構(gòu)、空心軸及一些徑向尺寸受限制的場合。 半圓鍵連接 :半圓鍵工作時，靠其側(cè)面來傳遞轉(zhuǎn)矩。這種鍵的優(yōu)點是工藝性良好，裝配方便，尤其適 用于錐形軸端與輪轂的連接。缺點是軸上鍵槽較深，對軸的強度削弱較大，故一般只用于輕載靜連接中。 楔鍵連接 :鍵的上下兩面是工作面，鍵的上表面和與它相配合的輪轂鍵槽底面均有1： 100 的斜度。工作時，靠鍵的楔緊作用來傳遞轉(zhuǎn)矩，同時還可以承受單向的軸向載荷，對輪轂起到單向的軸向固定作用。楔鍵連接在傳遞有沖擊和振動的較大轉(zhuǎn)矩時，仍能保證聯(lián)接的可靠性。楔鍵連接的缺點是鍵楔緊后，軸和輪轂的配合產(chǎn)生偏心和偏斜。因此主要是用于轂類零件的定心精度要求不高和低轉(zhuǎn)速的場合。 切向鍵連接 :切向鍵是由一對斜度為 1： 100 的楔鍵組成。切向 鍵的工作面是由一對楔鍵沿斜面拼合后相互平行的兩個窄面，被聯(lián)接的軸和輪轂上都制有相應(yīng)的鍵槽。裝配時，把一對楔鍵分別從輪轂兩端打入，拼合而成的切向鍵就沿軸的切線方向楔緊在軸與輪轂之間。工作時，靠工作面上的擠壓力和軸與輪轂之間的摩擦力來傳遞轉(zhuǎn)矩。 本設(shè)計中要求鍵的連接結(jié)構(gòu)簡單、裝拆方便、對中性較好，故選用普通平鍵中的圓頭（ A 型）平鍵。由軸的直徑和輪轂的寬度選取的鍵的參數(shù)如表 所示 表 鍵的參數(shù) [15] b h L d=20 6 6 18 d=12 4 4 18 ……本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 27 4 控制系統(tǒng)的設(shè) 計 PLC 的 組成 與工作原理 PLC 的基本概念 可編程控制器 (Programmable Controller)是計算機家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器 (Programmable Logic Controller)，簡稱 PLC，它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱 PC。但是為了避免與個人計算機 (Personal Computer)的簡稱混淆，所以 將可編程控制器簡稱 PLC。 PLC 的基本結(jié)構(gòu) PLC 實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機 [16] ，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同，如圖 41 所示： 主機電源微處理器 ( C P U )運算器控制器輸入單元存儲器E P R O M( 系統(tǒng)程序 )R A M( 用戶程序 )外設(shè)I /O接口I /O擴展接口用戶輸入設(shè)備輸出單元用戶輸出設(shè)備I /O擴展接口P L C 或上位計算機圖形監(jiān)控系統(tǒng)E P R O M 寫入器打印機盒式磁帶機編程器外部設(shè)備 圖 41 PLC 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 其主要結(jié)構(gòu)如下所示： CPU CPU是 PLC 的核心部分，它包括微處理器和控制接口電路。 存儲器是 PLC 存放系統(tǒng)程序、用戶程序和運行數(shù)據(jù)的單元。 /輸出接口 ……本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 28 輸入單元接受操作命令和現(xiàn)場的狀態(tài)信息，如控制按鈕、限位開關(guān)、繼電器觸點、行程開 關(guān)、接近開關(guān)等信號，并通過濾波電路、光電隔離和電平轉(zhuǎn)換將這些信號轉(zhuǎn)換成CPU能夠接收和處理的信號。 輸出單元將 CPU 送出的開關(guān)狀態(tài)控制信號通過輸出電路的光電隔離，以繼電器觸點形式 、 集電極開路的晶體管形式或晶閘管形式，輔以外部功率電源，將狀態(tài)控制信號放大轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場所需要的強電信號輸出，以驅(qū)動繼電器、接觸器電磁閥等執(zhí)行元件。 直流輸入單元，如圖 42 所示： 光耦合器P LC 內(nèi)部電路LEDC R2R1VD電源 圖 42 直流開關(guān)量輸入單元 它的作用是把 PLC 的內(nèi)部信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)的各種開關(guān)信號。晶體管輸出方式如圖 43 所示： 圖 43 晶體管輸出示意圖 晶體管輸出特點：響應(yīng)速度快、動作頻率高，只能用于驅(qū)動直流負(fù)載 PLC 的工作過程 ……本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 29 PLC 的工作過程分為輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新三個階段。 PLC 的工作過程是按這樣三個階段進行周期性循環(huán)掃描。如圖 44 所示： 圖 44 PLC 的工作過程 （ 1）輸入采樣階段 PLC 按順序采樣所有的輸入端子，并將輸入點的狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)存入內(nèi)存中各對應(yīng)的輸入映象寄存器。 （ 2）用戶程序 執(zhí)行階段 PLC 對用戶程序順序掃描，進行相應(yīng)的邏輯運算，運算結(jié)果存入元件映象寄存器中。 （ 3）輸出刷新階段 逐個刷新輸出端子（ Q）， Q=1 負(fù)載電路接通， Q=0 負(fù)載電路斷開。 PLC 的選型 機型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護方便的前提下，力爭最佳的性能價格比。 PLC 的主要生產(chǎn)廠家： 目前生產(chǎn) PLC 的廠家較多。但在我國市場占有較大份額的公司有： 德國西門子公司； 日本 OMRON 公司、三菱公司、松下公司；美國 GE 公司、 AB（ Alien－ Bradley）公司；法國施奈德公司等。 其中西門子最早在我國開展經(jīng)營活動可以追溯到 1872 年，當(dāng)時西門子公司向我國出口了第一臺指針式電報機。 該 公司生產(chǎn)的 S7 系列的 PLC 包括： S7200 屬于小型 PLC，在 1998 年升級為第二代產(chǎn)品， 2020 年升級為第三代產(chǎn)品； S7300 是模塊式中型 PLC，最多擴展 32 個模塊； S7400 是大型 PLC，可以擴展 300 多個模塊； S7400H 是冗余設(shè)計的容錯自動化系統(tǒng)； S7400F 是安全型自動化系統(tǒng)，出現(xiàn)故障時將系統(tǒng)切換到安全狀態(tài)； ……本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 30 S7400FH 是安全及容錯自動化系統(tǒng)，出現(xiàn)故障時生產(chǎn)過 程能繼續(xù)進行。 本文 選用 S7200 型 PLC。 S7200 是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。 S7200 系列具有極高的可靠性、極豐富的指令集、易于掌握、便捷的操作、豐富的內(nèi)置集成功能、實時特性、豐富的擴展模塊。 S7200 系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測、自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機床、機械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護設(shè)備等等。如：沖壓 機床，磨床，印刷機械，橡膠化工機械，中央空調(diào)，電梯控制，運動系統(tǒng)。 PLC 控制步進電機的梯形圖程序設(shè)計 在可編程序控制器 ( PLC) 對各種工業(yè)、物流等生產(chǎn)流水線的控制中，一個常見的環(huán)節(jié)就是對步進電機 進行 控制。 PLC 對步進電機的控制程序設(shè)計可有多種方法，所選應(yīng)用指令的不同、程序設(shè)計思路的不同，可使程序的長短、復(fù)雜程度、柔性化程度有較大的差別。本文 采用 三相六拍步進電機 對 XY 工作臺進行進給 控制 , 采用 SIEMENS S7 200 PLC 的 SIMATIC 指令系統(tǒng)，以 “ 移位指令 ”為步進控制程序 主體的設(shè)計思路和方法 ， 并分析其相對于其他應(yīng)用指令及編程方法之長處。 程序設(shè)計的基本思路 在進行程序設(shè)計時 ， 首先應(yīng)明確對象的具體控制要求。由于 CPU 對程序的串行掃描工作方式 ， 會造成輸入 / 輸出的滯后 ， 而由掃描方式引起的滯后時間 ， 最長可達(dá)兩個多掃描周期 ， 程序越長 ， 這種滯后越明顯 ， 則控制精度就越低。因此 ,在實現(xiàn)控制要求的基礎(chǔ)上 ， 應(yīng)使程序盡量簡捷、緊湊 ； 另一方面 ， 同一個控制對象 ， 根據(jù)生產(chǎn)的工藝流程的不同 ， 控制要求或控制時序會發(fā)生變化 ， 此時要求程序修改方便、簡單 ， 即要求程序有較好的柔性。以 SIMATIC 移位指令為步進控制的主體進行程序設(shè)計 ， 可較好地滿足上述設(shè)計要求。 三相六拍步進電機的控制要求 對三相六拍步進電機的控制，主要為三相繞組的接通與斷開順序控制以及步進速度的控制 。步進電機的正反轉(zhuǎn)主要通過改變其通電順序完成， 即 ： 正轉(zhuǎn)順序 : A →AB →B →BC →C→CA →A ； 反轉(zhuǎn)順序 ： A →A C →C →CB →B →BA →A 。 圍繞這 些 方面 ，可提出具體的控制要求如下 : (1) 可正轉(zhuǎn)起動或反轉(zhuǎn)起動； (2) 運行過程中 ,正反轉(zhuǎn)可隨時不停機切換； ……本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 31 (3) 步進速度可分為高速 (0. 05 s) 、中速 (0. 1s) 、低速 (0. 5 s) 三檔 ,并可隨時手控變速； (4) 停止時 ,應(yīng)對移位寄存器清零 ,使每次起動均從 A 相開始。 控制程序框圖及軟件模塊 由上述具體控制要求 ， 可作出步進電機在起動運行時的程序框圖 ， 如圖 45 所示。以工作框圖為基本依據(jù) ， 結(jié)合考慮控制的具體要求 ， 首先可將梯形圖程序分成 4 個模塊進行編程 ， 即模塊 1 ： 步進速度選擇；模塊 2 ： 起動、停止和清零；模塊 3 ： 移位步進控制功能模塊；模塊 4 ： A 、 B 、 C 三相繞組對象控制。然后 ， 將各模塊進行連接 ,最后經(jīng)過調(diào)試、完善、實現(xiàn)控制要求。 圖 45 步進電機控制程序框圖 梯形圖程序設(shè)計 1 輸入 / 輸出編址 控制步進電機的各輸入開關(guān)及控制 A 、 B 、 C 三相繞組工作的輸出端在 PLC 中的I/ O 編址如表 所示： ……本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 32 表 輸入 / 輸出編址 輸入端 輸出端 I0. 0 步進電機正轉(zhuǎn)起動按鈕 Q0. 0 控制 A 相繞組 I0. 1 步進電機反轉(zhuǎn)起動按鈕 Q0. 1 控制 B相繞組 I0. 2 停止及清零按鈕 Q0. 2 控制 C相繞組 I1. 0 低速開關(guān) I1. 1 中速開關(guān) I1. 2 高速開關(guān) 2 狀態(tài)真值表 采用移位指令進行步進控制。首先指定移位寄存器 MB0 (8 位 ) ,按照三相六拍的步進順序 ,移位寄存器的初值見表 ： 表 移位寄存器初值 1 M0. 7 M0. 6 M0. 5 M0. 4 M0. 3 M0. 2 M0. 1 M0. 0 0 0 1 0 0 0 0 0 每右移 1 位 ， 電機前進一個步距角 (一拍 ) ， 完成六拍后重新賦初值。其中 M0. 6 和M0. 7 始終為 “0”。據(jù)此 ， 可作出移位寄存器輸出狀態(tài)及步進電機正 反轉(zhuǎn)繞組的狀態(tài)真值表 ， 如表 所示。 三相繞組的控制邏輯關(guān)系式 : 正轉(zhuǎn)時 A 相 Q0. 0 = M0. 5 + M0. 4 + M0. 0 B 相 Q0. 1 = M0. 4 + M0. 3 + M0. 2 C 相 Q0. 2 = M0. 2 + M0. 1 + M0. 0 反轉(zhuǎn)時 A 相 Q0. 0 = M0. 5 + M0. 4 + M0. 0 B 相 Q0. 1 = M0. 2 + M0. 1 + M0. 0 C 相 Q0. 2 = M0. 4 + M0. 3 + M0. 2 ……本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 33 表 移位寄存器輸出狀態(tài)及步進電機繞組狀態(tài)真值表 移位寄存器 MB0 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) A B C A B C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 3 梯形圖程序 根據(jù)程序模塊及三相繞組的控制邏輯關(guān)系 ， 即可編寫出梯形圖控制程序。其中Network1 對應(yīng)模塊 1 ； Network2～ 3 對應(yīng)模塊 2 ； Network4～ 9 對應(yīng)模塊 3 ； Network10對應(yīng)模塊 4 。必須注意