PLC控制多工位钻削加工研发设计

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1、、八前言本设计是一篇关于 PLC控制的多工位钻削加工设计，钻削加工再现代工 业中应用广泛，主要有继电器控制和PLC控制。本设计主要包括五章，第一章主要介绍设计的目的和钻削加工的作用意 义，第二章主要说明本设计的总体设计方案控制要求、过程流程图、电磁阀 的选择、功能树的设计和负载速度图；第三章主要介绍单片机控制系统，包 括单片机控制总体设计以及单片机核心 89C-51 的介绍，以及软件程序的编 写；第四章主要是介绍机械传动设计，包括限位开关的说明、滚珠丝杠的选 用、步进电机的选用以及钻削深度的计算；第五章和六章主要介绍调试和实 例。本次设计在老师的指导帮助下，经过多次的查阅文献资料才完成。此次

2、设计不仅有电学还有机械，是一次许多学科结合在一起的设计，他不仅开拓 额我们的思维，还锻炼了我们独立完成任务的能力。目录、八 、-丄前 言 1第一章 绪 论 31.1 课程设计的目的 31.2 课题的来源及现实意义 3第二章 课程设计内容 52.1 控制要求 52.2 课题要求 5第三章总体设计方案 63.1 多工位加工线上钻削加工的过程流程图 63.2 继电器控制的电器原理图 83.3 有关电磁阀原理、分类及选择说明： 93.4 多工位加工线钻削加工电气控制系统设计功能树 113.5 系统负载速度图 123.6 用 PLC 改造原继电器控制电路的方案 123.7PLC 控制钻削加工的梯形图 1

3、33.8PLC 控制钻削加工的指令表 14第四章 机械传动设计说明 164.1有关限位开关 SQ1的说明164.2有关限位开关SQ3的说明174.3有关限位开关 SQ2的说明： 174.3.1 滚珠丝杠的介绍、选择及计算说明 174.3.2 步进电机的选用 214.3.3 蜗杆与滚珠丝杠配合 24第五章 软件调试及注意事项 265.1 软件调试 265.2 注意事项 265.3 加工过程示例： 27总 结 29参考文献 30第一章 绪 论1.1 课程设计的目的机电一体化系统设计课程设计是大学生在完成机电一体化系统设 计等专业课学习后 , 进行综合性实践性教学环节， 总的目的是在老师的指导 下

4、, 使学生通过课程设计 , 对所学课程理论知识进行一次系统的回顾检查复习 和提高 , 并运用所学理论 , 通过调研 , 设计一个机电控制方面的课题 , 受到从理 论到实践应用的综合训练， 培养学生独立运用所学理论解决具体问题的能力1.2 课题的来源及现实意义钻床系指主要用钻头在工件上加工孔的机床。通常钻头旋转为主运动， 钻头轴向移动为进给运动。钻床结构简单，加工精度相对较低，可钻通孔、 盲孔，更换特殊刀具，可扩、锪孔，铰孔或进行攻丝等加工。钻床可分为下1) 台式钻床：可安放在作业台上，主轴垂直布置的小型钻床。2) 立式钻床：主轴箱和工作台安置在立柱上，主轴垂直布置的钻床。3) 摇臂钻床：摇臂可

5、绕立柱回转、升降，通常主轴箱可在摇臂上作水平 移动的钻床。它适用于大件和不同方位孔的加工。4) 铣钻床：工作台可纵横向移动，钻轴垂直布置，能进行铣削的钻床。5) 深孔钻床：使用特制深孔钻头，工件旋转，钻削深孔的钻床。6) 平端面中心孔钻床：切削轴类端面和用中心钻加工的中心孔钻床。7) 卧式钻床：主轴水平布置，主轴箱可垂直移动的钻床。8) 多轴钻床：立体钻床，有多个可用钻轴，可灵活调节。 钻床的加工特点：加工过程中工件不动，让刀具移动，将刀具中心对正孔中 心，并使刀具转动 ( 主运动 ) 。钻床的特点是工件固定不动，刀具做旋转运动， 并沿主轴方向进给，操作可以是手动，也可以是机动。机电一体化毕业

6、设计在机电一体化专业教学中占有重要位置，它关系到学生知识的综合运用和学生动手能力的培养及机电产品开发的能力. 因此设计内容选择很重要 . 基于多工位加工线上钻削加工电气控制系统是典型的机 电一体化系统，以此为设计内容有较强的教学研究意义 .数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础 . 这个基础是否牢固 直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位 因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展的数控技术及其产业 在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的 进步 . 特别是在通用微机数控领域，以PC 平台为基础的国产数控系统，已经走在了世界前列 .

7、 但是我国在数控技术研究和产业发展方面亦存在不少问题， 特别是在技术创新能力等方面情况尤为突出. 在新世纪到来时， 如何有效解决这些问题，使我国数控领域沿着可持续发展的道路，从整体上全面迈入世界 先进行列，使我们在国际竞争中有举足轻重的地位，将是数控研究开发部门 所面临的重要任务 .针对某生产线钻削加工工序的动作要求，设计了采用可编程控制器改造 原继电器控制电路的方案，并提出了设计中需要注意的问题，该设计方法一 般不需要改变控制面板，保持了系统原有的外部特性，工作人员不用改变长 期形成的操作习惯，某生产线钻削加工设备采用可编程控制器改造原继电器 控制电路效果显著 .第二章 课程设计内容2.1

8、控制要求用 PLC 控制一条多工位加工线， 其中第三工位的头道工序为钻孔 . 此工序 的动作要求如下：起动后，夹紧装置动作 . 为确保可靠夹紧，延时 10s 钟，控 制冷却油的电磁阀吸合 .同时，钻头向工件方向快进 . 当接近工件时，限位开 关SQ1动作，钻头变为慢进，开始钻削.达到预定深度，限位开关SQ2动作,钻头快速退回回到原始位置，限位开关SQ3动作，钻头停止移动，钻削工序结束。2.2 课题要求1 ）画出加工过程流程图 .2） 画出继电器控制的电气原理图.3）画出 PLC 控制的输入输出接线图 .4）设计 PLC 控制钻削加工的梯形图 .5）完成加工程序设计 .第三章总体设计方案可编程控

9、制器 PLC 的使用与继电器有极为相似的梯形图语言，用 PLC 改造继电器控制系统时，根据继电器电路来设计梯形图是一条捷径，因为原 有的继电器控制系统经过长期的使用和考验已经被证明能完成系统要求的控 制功能，因此可以将继电器电路图转换成梯形图，即用 PLC 的外部硬件接 线图和梯形图来实现继电器系统的功能。3.1 多工位加工线上钻削加工的过程流程图多工位加工线钻削加工工序的动作要求如下：启动后，夹紧装置动作， 为确保可靠夹紧，延时 10s 控制冷却油的电磁阀吸合；同时，钻头向工件方 向快进，当接近工件时，限位开关 SQ1 动作钻头变为慢进，开始钻削，达 到预定深度时 限位开关 SQ2 动作，钻

10、头快速退回，回到原始位置限位开关 SQ3 动作，钻头停止移动，钻削工序结束.其加工过程流程图如图 3-1 ：1f夬紧装直动作1r延时10S1!冷却阀动作,*1钻头快进开始钻头慢进-VS02动祚否图3-1加工过程流程图定时器T1延时1 OS洽动作喷油驱动电磁阀酒吸合钻头是否快接触到工作孔深达到否3.2继电器控制的电器原理图按照课程设计的要求，画出继电器控制的电气原理图如图3-2 :SQ2j_K4图3-2 继电器控制的电气原理图其中所用电气原理图的符号意义如下表所示：表1电气元器件的说明SB1SB2K1K2K3K4SQ2SQ3起动停止夹紧控制喷油控进给继快退控制进给到位钻头退继电器制继电电器继电器

11、开关到原位器开关KM1KM2KM3KM4T1YVSQ1夹紧控快进接进给接触快退接定时器电磁阀快进结束制接触触器器触器限位开关器3.3有关电磁阀原理、分类及选择说明:电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；并不限于液压， 气动.电磁阀用于控制液压流动方向，工厂的机械装置一般都由液压钢控制， 所以就会用到电磁阀.1）电磁阀的工作原理：电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通孔， 每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线 圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排 油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的 压力来推动

12、油刚的活塞， 活塞又带动活塞杆， 活塞竿带动机械装置动.这样通 过控制电磁铁的电流就控制了机械运动2 ）电磁阀从原理上分为三大类：（1 ）直动式电磁阀：原理：通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开； 断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。特点：在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25mm（ 2 ）分步直动式电磁阀：原理： 它是一种直动和先导式相结合的原理， 当入口与出口没有压差时， 通电后，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。当 入口与出口达到启动压差时，通电后，电磁力先导小阀，主阀下腔压力上升， 上腔压力下降，从而利用压差把主

13、阀向上推开；断电时，先导阀利用弹簧力 或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。特点： 在零压差或真空、高压时亦能可动作，但功率较大，要求必须 水平安装。（3）先导式电磁阀： 原理：通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关闭件 周围形成上低下高的压差，流体压力推动关闭件向上移动，阀门打开；断电 时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速腔室在关阀件周围形成 下低上高的压差，流体压力推动关闭件向下移动，关闭阀门。特点：流体压力范围上限较高，可任意安装（需定制），但必须满足流 体压差条件。3）电磁阀的选型依据：一、 根据管道参数选择电磁阀的：通径规格（即DN）、接口方式1、 按照

14、现场管道内径尺寸或流量要求来确定通径（DN）尺寸。2、接口方式，一般DN50要选择法兰接口，W DN50则可根据用户需要自 由选择。二、根据流体参数选择电磁阀的：材质、温度组1 、腐蚀性流体：宜选用耐腐蚀电磁阀和全不锈钢；食用超净流体：宜选 用食品级不锈钢材质电磁阀。2、高温流体：要选择采用耐高温的电工材料和密封材料制造的电磁阀， 而且要选择活塞式结构类型的。3、 流体状态：大至有气态，液态或混合状态，特别是口径大于DN25订 货时一定要区分开来。4、流体粘度：通常在 50cSt 以下可任意选择，若超过此值，则要选用高 粘度电磁阀。三、根据压力参数选择电磁阀的：原理和结构品种1、公称压力：这个

15、参数与其它通用阀门的含义是一样的，是根据管道公称压力来定2、工作压力：如果工作压力低则必须选用直动或分步直动式原理；最低 工作压差在 0.04Mpa以上时直动式、分步直动式、先导式均可选用。四、电气选择：电压规格应尽量优先选用AC220V DC24较为方便。五、根据持续工作时间长短来选择：常闭、常开、或可持续通电1、 当电磁阀需要长时间开启，并且持续的时间多余关闭的时间应选常开 型。2、要是开启的时间短或开和关的时间不多时，则选常闭型。3、 但是有些用于安全保护的工况，如炉、窑火焰监测，则不能选常开的, 应选可长期通电型。3.4多工位加工线钻削加工电气控制系统设计功能树钻孔转动钻削转动总功能分

16、功能安装工件 L夬显_工位转换一一 加工 工位转换一-夹紧装直松井L 拆卸分功能人工夹黑旋转- 钻扎- 纵向旋转松开人丁功能元图3-3钻削加工电气控制系统设计功能树3.5系统负载速度图快进工进快退图3-4 系统负载速度图3.6用PLC改造原继电器控制电路的方案该设备采用美国通用电气公司的GE-1/J 型PLC来实现对该钻削加工的控制.由图3-1和图3-2确定输入信号和输出信号先把外部输入信号（来自限位开关按钮以及其它来自现场的控制信号）连接到PLC的输入接口的端子，得到用PLC控制的外部接线图如图3-5所示：PLC信号输出的外部接线图图3-5PLC外部偿号输入GE-13.7PLC控制钻削加工的

17、梯形图按照加工过程流程图并参考继电器控制电路图，遵循编程规则，用PLC的内部继电器，计数器/计时器等单元设计出PLC控制钻削加工的梯形图.如图3-6所示PLC各输入、输出线圈内部继电器线圈及触头，特殊功能单 元，计时器计数器等都有规定的编号和地址100(IDS)图3-6 GE 1/J型PLC控制钻削加工梯形图3.8PLC 控制钻削加工的指令表根据 GE-1/J 型 PLC 的语句编程规则，把梯形图转换为如下指令表：LD 01OR 301AND 02OUT 301LD 301MPSOUT 201 / 夹紧控制器启动OUT T601SP 100MRDLD T601OUT 302MPLD 03OR

18、303OUT 303LD 302MPSOUT 202 / 电磁阀启动MRDLDI 303OUT 203 / 快进接触器启动LD 04OR 304OUT 304LD 303ANI 304OUT 204 / 进给接触器启动LD 204MPSLD 05OR 305OUT 305MPPLDI 305OUT 205 / 快退接触器启动第四章 机械传动设计说明4.1有关限位开关 SQ1的说明限位开关SQ1用于在钻头向工件快进过程中判断其之间距离，采用双极 霍尔开关元件177A.霍尔开关原理简述如下：当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端 就会产生电位差， 这种现象就称为霍尔效应 .

19、两端具有的电位差值称为霍尔电 势U，其表达式为 U=KI B/d.其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流， B为外加磁场的磁感应强度，d是薄片的厚度.霍尔开关就属于这种有源磁电转换器件，它是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而 成，它可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业 场合实际应用易操作和可靠性的要求.霍尔开关的输入端是以磁感应强度B来表征的，当B值达到一定的程度时，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开 关的输出电平状态也随之翻转.输出端一般采用晶体管输出，和接近开关类似有NPN、PNP、常开型、常闭型、锁存型（双极性）、双信号输出之分.霍尔开关具有无触电

20、、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点，内部采用环氧 树脂封灌成一体化， 所以能在各类恶劣环境下可靠的工作.霍尔开关可应用于接近开关，压力开关，里程表等，作为一种新型的电器配件.其内部原理图如图4-1所示：图4-1霍尔开关原理图钻头向工件方向快进，当接近工件设定的距离时，霍尔开关元件开始作用， 发出信号给限位开关 SQ1,SQ1 动作输出信号给 PLC.4.2有关限位开关 SQ3的说明限位开关SQ3用于钻头快速退回到原始位置时，发出信号给PLC控制钻头停止移动，其型号选择及工作原理如上文限位开关SQ1。4.3有关限位开关 SQ2的说明：限位开关SQ2用于钻头钻削到预定深度时，其动作输出信号给P

21、LC控制钻头快速退回 . 通过步进电机驱动滚珠丝杠转动从而带动钻头旋转，设定工件需要钻削的深度值，通过计算滚珠丝杠转动的转数计算出钻头钻削工件是否 到达预定深度 .4.3.1 滚珠丝杠的介绍、选择及计算说明1) 滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转 运动的理想的产品。2) 滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成 直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将 轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛 应用于各种工业设备和精密仪器。3) 滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能 是将旋转运动

22、转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具 高精度、可逆性和高效率的特点。4) 滚珠丝杠的特点：1与滑动丝杠副相比驱动力矩为 1/3 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3 以下 , 即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3 。在省电方面很有帮助。2高精度的保证 滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来 的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面 , 对温度、湿度进行了 严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。3微进给可能 滚珠丝杠副由于是利用滚

23、珠运动 , 所以启动力矩极小 , 不会出现滑动运 动那样的爬行现象 , 能保证实现精确的微进给。4无侧隙、刚性高滚珠丝杠副可以加予压 , 由于予压力可使轴向间隙达到负值 , 进而得到 较高的刚性 （滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力 ,在实际用于机械装置等时 , 由 于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强 ） 。5高速进给可能 滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给 （运动 ）。5）滚珠丝杠的选择滚珠丝杠的选择包括其精度选择、尺寸规格 （ 包括导程与公程直径 ） 、 支承方式等几个方面的内容。滚珠丝杠副的承载能力用额定动载荷或额定静 载荷来表示 , 在加工中心的设计中一般按额定动载荷来确定滚珠

24、丝杠副的尺 寸规格 , 对细长而又承受压缩载荷的滚珠丝杠作压杆稳定性核算 ; 对转速高 支承距离大的滚珠丝杠副作临界转速校核 ; 对精度要求高的滚珠丝杠作刚度 校核 ; 对数控机床 , 需核算其转动惯量 ; 对全闭环系统 , 需核算其谐振频 率。1滚珠丝杠副选择计算1.1 精度选择滚珠丝杠的精度直接影响数控机床的定位精度 , 在滚珠丝杠精度参数中 , 其导程误差对机床定位精度影响最明显。一般在初步设计时设定丝杠的任意300mm行程变动量 V300p应小于目标设定位的定位精度值的1 /31 12,在最后精度验算中确定。1.2 丝杠导程的确定丝杠导程的选择一般根据设计目标快速进给的最高速度为v m

25、ax 、伺服电机的最高转速 nmax及电机与丝杠的传动比 i来确定1.3按额定动载荷初步确定滚珠丝杠规格滚珠丝杠副设计时一般按额定动载荷来确定滚珠丝杠副的尺寸规格。额定动载荷是指一批相同规格的滚珠丝杠经过运转一百万次后，90%的丝杠副（螺纹表面或滚珠）不产生疲劳剥伤（点蚀）时的轴向载荷。6）滚珠丝杠的选择计算滚珠丝杠的选择计算负荷包括钻削力及运动部件的重量所引起的进给抗力.应按钻削时的情况计算1. 最大动负载Q的计算Q =3、Lf.查表得系数， fH =1，寿命值,60 nTL = 610设定使用寿命时间 T=15000h，初选丝杠螺距 t=4mm,得丝杠转速所以1000Vmaxt1000 1

26、4=250( r / min)60 250 1500010= 225X向丝杠牵引力Px =1.414f当Gxf当一一当量摩擦系数，Gx - -x向导轨受的载荷= 1.414 0.01 240 = 3.39( N)丫向丝杠牵引力R =1.414f当GyGy -丫向导轨受的载荷-1.414 0.01 287=4.06(N)所以最大动负荷Qx = 3 225 1 1 3.39 = 20.6(N)Qy 二 3 225 1 1 4.06 = 24.7(N)查表，取滚珠丝杠公称直径d。0mm ,选用滚珠丝杠螺母副 的型号为 SFK1004，其额定动载荷为 390N,符合要求.2 滚珠丝杠螺母副几何参数计算

27、表2 滚珠丝杠螺母副几何参数名称符号计算公式和结果公称直径d10mm螺螺距t4 mm纹接触角Ph45滚钢球直径dq2 mm道螺纹滚道法面半径RR = 0.52dq = 1.04qmm偏心距ee = (R-dq/2 )sin B =0.03qmm螺纹升角VY = arctg= 7.26算do螺杆外径dd = d0 -(0.2 0.25)dq = 9.5螺螺杆内径dldl =d +2e-2R=7.98杆螺杆接触直径dzdz = d0 -dqCOsB = 8.59螺螺母螺纹外径DD = d0 -2e + 2R = 12.02母螺母内径（外循环）D1Di = d0 +(0.2 0.255)dq = 1

28、0.5tgtg( )tg7.260.973tg(7.26 0.2)3 传动效率计算式中：摩擦角；一一丝杠螺纹升角.4 稳定性验算由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算4.3.2 步进电机的选用步进电动机又称脉冲电动机或为阶跃电动机，目前，随着电子技术，控制技术以及电动机本体的发展和变化，传统的电机分类的间界面越来越模糊；步进电动机的传动定义为：根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前 进一定角落，若不改变励磁状态则保持一定的状态而静止；广义的定义为， 步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机，也可看作是在一 定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的电动机步进电动机的机理是基于最基

29、本的电磁铁作用，其原始模型起源于 1830年至1860年间.在20世纪60年代后期，随着永磁材料的发展，各种实用型 的步进电动机应运而生，半导体的发展使得步进电动机得到了广泛的应用.我国的步进电动机开始于21世纪50年代后期，其发展过程大致经历了四个阶段：第一阶段从 50年代后期到60年代后期主要是高等院校和科研机构开 发并使用少量的步进电机，以多段结构三相反应式步进电动机为主；第二阶 段，70年代初期反映在步进电机的生产和研究发展到了一个水平；第三阶段，70年代中期至80年代后期新产品种高性能电动机层出不穷，各种混合式步 进电动机及驱动器作为产品得到广泛应用 .步进电动机的分类：步进电机分三

30、种：永磁式（ PM,反应式（VR）和混合式（HB。永磁式 步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5 度 或 15 度；反应式步进一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1.5 度,但噪声和振动都很大。 在欧美等发达国家 80 年代已被淘汰； 混合式步进是指混合了永磁式 和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度。这种步进电机的应用最为广泛。步进电动机的特点： 步进电机有三大部分组成：步进电动机本体,步进电动机控制器及 步进电动机驱动器 . 其特点如下：1、 用数字信号直接进行开环控制,整个系统简单廉价.2、位移与输入脉冲数相对应,

31、步距误差不长期积累,可以组成结构简单又具有一定精度的开环控制系统,也可在要求更高组成闭环控制系统 .3、 无刷,电动机本体部件少,可靠性高.4、 抑郁启动正反转和变速停止,影响性好.5、平滑性好,步距角选择范围大,停止时可有自锁能力步进电机的选择：步进电机有步距角（涉及到相数） 、静转矩、及电流三大要素组成。一旦 三大要素确定,步进电机的型号便确定下来了。1. 步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求,将负载的最小分辨率（当量）换 算到电机轴上,每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36 度 /0.72 度（五相电机）、0

32、.9 度/1.8 度（二、四相电机） 、1.5 度/3 度 （三相电机）等。2. 静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定,我们往往先确定电机的静力矩。 静力矩选择的依据是电机工作的负载,而负载可分为惯性负载和摩擦负载二 种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低 速）时二种负载均要考虑,加速起动时主要考虑惯性负载,恒速运行进只要 考虑摩擦负载。一般情况下,静力矩应为摩擦负载的2-3 倍内好,静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）3. 电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据 矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动

33、电源、及驱动电压）步进电机的参数：.步进电机的步距角 入取系统脉冲当量；p =.01mm/step，初选步进电机步距角 入胡百.（2）.步进电机启动力矩的计算设步进电机等效负载力矩为T,负载力为P,根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关系T = Ps式中：， 电机转角；s 移动部件的相应位移;机械传动效若取-兀，则S = p，且P = FSG，所以36 p Ps JG 1(Ndcm)式中：FS 移动部件负载（N）; G移动部件重量（N）; Pz与重量方向一致的作用在移动部件上的负载力（N）；卩导轨摩擦系数；兔步进电机步距角，（rad ） ; T电机轴负载力矩（N/cm）取丄-0.0

34、3 （淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），-0.96， FS为丝杠牵引力，R =Ph -24.7N .考虑到重力影响，丫向电机负载较大，因此取G =Gy =287N，所以T=36 0.011.24.7 0.03 287 L2兀 T0.3 0.5若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩1 33取安全系数为 0.3，贝UTq = .=4.42 NLcm0.3对于工作方式为三相六拍的三相步进电机Tjmax0.866= 5.1 N/cm、步进电机的最高工作频率fmax1000Vmax60p1000 160 0.01=1667(Hz)查表选用45BF005- U型步进电机，电机的有关参数见表3表3步进电机的

35、参数型号主要技术数据外形尺寸（mm）步距角（：）最大静转距（NLcm ）最咼空载启动频率（steps）相数电压电流（A）外径长度轴径45BF005- II1.519.630003272.5455844.3.3 蜗杆与滚珠丝杠配合普通圆柱蜗杆可分为阿基米德蜗杆（ZA蜗杆）、渐开线蜗杆（ZI蜗杆）、法向直廓蜗杆（ZN蜗杆）和锥面包络圆柱蜗杆 （ZK蜗杆）等四种.滚珠丝杠与蜗杆联接，蜗杆一头安装钻头。取蜗杆头数Z1=1,取滚珠丝杠直径与蜗杆直径比例为10: 1，即滚珠丝杠每转动1圈，蜗杆转动10圈。蜗杆的材料与选择如下所述：表4 常用蜗杆材料表材料类型与牌号热处理齿面硬度齿面粗糙度Ra/m适用场合渗

36、碳钢20Cr,20CrM nTi12CrNi3A,20CrNi 等渗碳淬火5863HRC0.8 1.6重要、高速、大功率传动表面淬火钢42i Mn ,40CrNi,40Cr37SiM n2MoV,35CrMo,45表面淬火4555HRC0.8 1.6较重要、咼速、大功率传动氮化钢38CrMoA1A渗氮850HV1.6 3.2重要、高速、大功率传动调质钢45调质270HBS6.3不重要、高速、大功率传动钻削深度计算设定工件钻削深度为Lmm则滚珠丝杠转动的转数N=L/t，由上述计算所得t=4mm.即卩N=L/4 （转），钻头旋转转数N仁N 10。确定滚珠丝杠转的转数到达预定值时，传感器即输出信号给

37、限位开关SQ2, SQ2控制步进电机的正反转向以及转速第五章 软件调试及注意事项5.1 软件调试1）程序的输入，检查，调试考核和运行，通过编程器把由梯形图生成的 语句表输入到 PLC 存放在用户程序存储器中， 应用 PLC 的自诊断功能对输 入程序进行语法分析和校验，若发现错误 PLC 便拒绝接收，并在显示器上 提示出错误信息此时应及时修改错误程序，并重新检验，直到排除所有的错 误，使 PLC 控制实现的钻削加工过程完全符合工艺的要求 .2）连机调试，可以把 PLC 输出的信号真正连接到钻床的接触器和电磁 阀等设备上进行空机调试，若发现有问题可以用 PLC 中的移位，删除插入 等编辑命令对程序

38、再次进行修改和调整，直到满足预定工艺控制要求为止 .3）动态测试，连机调试通过后，还要对已调试通过的程序进行连续运 行和考核以检验其动态性能等指标，在连续运行过程中 PLC 的另一个自诊 断功能，即周期性地对 PLC 内部各个器件部件进行检查，如判断数值是否 溢出，数字的存取是否出错，各主要触点的电源电压是否正常，备用锂电池 电压值正常与否等，发现异常情况 PLC 会立即输出报警信号，显示出错代 码，若是灾难性错误则会自动停止运行，操作人员应根据具体情况进行具体 分析处理，如果是程序上的问题则应进一步修改程序，重复上述有关步骤， 直到完全通过为止 .4）最后，把调试通过的程序固化到EPROM

39、中即可 .5.2 注意事项1）遵守梯形图语言中的语法规定，在继电器电路图中，触点可以放在线 圈的左边，也可以放在线圈的右边，但是在梯形图中，线圈必须放在电路的 最右边 .2）设置中间单元，在梯形图中，若多个线圈都受某一触点串并联电路的 控制， 为了简化电路 ，在梯形图中可设置该电路控制的辅助继电器它类似继电器电路中的中间继电器3） 尽量减少 PLC的输入信号和输出信号，PLC的价格与I/O点数有关， 每一输入信号和每一输出信号分别要占用一个输入点和一个输出点，因此减少输入信号和输出信号的点数是降低硬件费用的主要措施，在继电器电路图 中，如果几个输入器件触点的串并联电路总是作为一个整体出现，可以

40、将它 们作为PLC的一个输入信号，只占PLC的一个输入点某些器件的触点如果在继电器电路图中只出现一次，并且与 PLC输出端的负载串联 如热继电器的常闭触点，不必将其作为PLC的输入信号，可以将其放在 PLC夕卜部的输出回路，仍与相应的PLC的负载串联，继电器控制系统中某些相对独立且比较简单的部分，可以仍用继电器线路控制，这样同时减少了所需的 PLC的输入点和输出点.4）外部联锁电路的设立为了防止控制正反转的两个接触器同时动作造成三相电源短路，应在PLC外部设置硬件互锁电路 图1中KM1 KM3的线圈不能同时通电，除了在梯形图中设置对应的Y1 Y3之间的软件联锁电路外，还在PLC设置了硬件联锁电

41、路.5）梯形图的优化设计，为了减少使用的指令条数，在串联电路中，单个 触点应放在右边；在并联电路中，单个触点应放在下面6） 外部负载的额定电压PLC的继电器输出模块和双向晶闸管输出模块只能驱动额定电压AC220V的负载，如果系统原来的交流接触器的线圈是380V的应将线圈换成 220V的继电器输出模块不能直接驱动DC220V的负载 应在PLC外部设置中间继电器.5.3加工过程示例:比如需要加工一发动机箱体，端面箱盖用螺纹与箱体连接。第一道工序为钻光孔，深度N1二丄10=50 （转）。过程如4下：将工件放在工作台上，按下起动开关SB1，钻头旋转，同时夹紧装置动作将箱体夹紧，延时 10s后，喷油控制

42、继电器 KM2得电，喷油电磁阀 YV闭合 冷却液流出，同时快进接触器KM2启动，钻头向箱体快进，到达距离箱体表面设定值时限位开关SQ1发出信号给PLC,进给继电器 KM3得电，钻头快进变为工进，开始钻削。步进电机控制滚珠丝杠旋转，蜗杆转动 50 圈时，霍尔 传感器发出信号给限位开关，SQ2发出信号给PLC,快退接触器KM4得电，钻头由工进变为快退， 退回到原位置时限位开关SQ3发出信号给PLC,步进电机停止移动，钻头停止移动。本工序结束，转到下一工序。总结经过这三周的时间，在老师和同组人和其他同学的指导和合作帮助下， 这个PLC课程设计终于完成了 .总结这阶段，我收获很多 以前光只靠在书本 上

43、和老师课堂上讲的是远远不行的，理论知识只有在不断的实践和锻炼中才 能上升为自己头脑中的所学，所用 . 为此向老师问了好久 .特别是我们要用到 步进电机，课堂上没有讲过，我们从图书馆借来书本仔细研究，最终写出了 计算过程，这说明要求我们在遇到新事物的时候不要惧怕，知难而上，克服 困难，不会的查询资料，请教老师和同学，要充分利用图书馆丰富的资源 这次课程设计给我留下了很深的印象同时也让我从中学到了以后我们对待学 习和工作该有的态度 .参考文献1姜培刚编 机电一体化系统设计 机械工业出版社 （2004 年 9 月版 ）2 黄筱调等编 机电一体化技术基础及应用 机械工业出版社 （ 第 一版 ）3. 赵松年、张奇鹏主编机电一体化系统设计北京：机械工业出版社