平面轨迹切削加工控制系统设计

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1、 毕业设计（论文）题目: 平面轨迹切削加工控制系统设计姓 名 学 院 机械工程学院 专 业 机械工程及自动化 指导教师 职 称 2011 年 06 月07日摘 要 本文设计了平面轨迹切削加工控制系统。此系统由机械工作台、电气控制系统、控制软件三大部分组成。其中，机械工作台由X、Y、Z、C四轴工作台、刀库及液压系统等组成。通过研究了解本系统各个硬件部分如PLC、双轴定位模块、变频器、步进电机驱动器、伺服电机驱动器、步进电机、伺服电机，三相异步电动机等元器件的工作原理、优缺点、选择原因、各组件之间的相互配合等。学会选择各元器件、绘制电路图、搭建系统电路，进行程序设计，通过所给实验台模拟平面轨迹切削

2、加工系统，实现X、Z轴的联动、Y轴伺服控制、C轴的转动、主轴的正反转及变频调速等，并最终在蜡模一面上铣削出 “中”。关键词：平面轨迹切削加工；双轴定位模块；PLC；变频器；步进电机驱动器；伺服电机驱动器ABSTRACTThis article is designed for Cutting plane trajectory control system. Micro-machining center is composed of mechanical table, electrical control systems and control software . And the machine

3、 table is componented by the X, Y, Z, C four-axis table, tool storage ,hydraulic systems and so on. Through the experiment and study to understand the advantages and disadvantages and the reasons for such selection of the various hardware components such as the test bed PLC, inverter, stepping motor

4、 driver, servo motor driver and other components. Learn to select each components, draw circuit diagram, set up the system circuit, design the program, and test-bed simulation by a given cutting plane trajectory system, and X, Z axis of the linkage ,Y servo control, C axis rotation, the spindle is R

5、eversal and frequency control, and eventually the wax models on the side. zhong millingKey words: Cutting plane trajectory; Programmable Controller; Inverter; Stepper Motor Driver; Servo motor drive前 言平面轨迹切削加工控制系统可以一次完成工件的铣、钻、镗、铰、攻螺纹等工作，因其为采用PLC控制的自动化系统，可排除许多人为干扰因素，因而具有高生产率和质量稳定性的特点。此毕业设计需用PLC控制平面轨迹

6、切削加工系统对工件进行加工。PLC是专门为工业生产服务的控制装置，已成为当代工业自动化的主要支柱之一。四十年来，可编程控制器从无到有，实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃，其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数据控制的进步，其应用领域从小到大，实现了从单体简单控制到运动控制，过程控制及集散控制等体系列功能。 本课题的解决方案为利用PLC程序设计搭建切削系统，以实验台为支撑平台，通过程序设计，实现平面轨迹切削系统的工作。具体体现为刀具在蜡模上的运动轨迹。PLC控制系统设计按以下步骤进行：1.熟悉被控对象，制定控制方案。分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，确定被控

7、对象对PLC控制系统的控制要求。2. 根据控制要求，确定控制的操作方法（手动、自动、连续、单步等），应完成的动作（动作顺序、动作条件），以及必须的保护和连锁；还要确定所有的控制参数（转步时间、计算长度、模拟精度等）3.选择PLC。选择时主要包括PLC机型、容量、I/O模块、电源的选择。4.分配PLC的I/O地址。根据所选的PLC的型号列出输入/输出设备与PLC输入输出端子的对照表，以便绘制PLC外部I/O接线图和编制程序。5. 设计软件及硬件进行PLC程序设计。目 录第一章 绪 论11.1概述11.2 本课题研究的目的和意义1第二章 系统硬件选型42.1 总体方案42.2 总控制系统接线图42

8、.3可编程控制器（PLC）52.3.1系统结构52.3.2系统类型52.3.3规格62.3.4输出类型72.3.5选择72.4变频器及三相交流异步电动机82.4.1变频器定义82.4.2工作原理82.4. 3操作面板92.4.4接线方法92.4. 5三相异步交流电动机102.5步进电机驱动器与步进电机102.5.1步进驱动器的选择102.5.2步进电动机的选择132.6伺服电机驱动器与伺服电机152.6.1伺服驱动器172.6.2伺服电机182.7 NC运动控制模块192.7.1定义192.7.2功能192.7.3选择192.8继电器(KA)与接触器（KM）192.8.1继电器192.8.2接

9、触器202.8.3接触器与继电器的区别20第三章 系统软件设计223.1总体设计方案223.2 总控制系统工作流程图223.3输入输出线表223.4步骤一：步进电机两轴联动233.4.1控制系统原理图233.4.2控制系统接线图243.4.3程序243.4.4工作原理253.5步骤二：交流伺服电机控制253.5.1控制系统原理图253.5.2控制系统接线图253.5.3程序263.5.4工作原理283.6步骤三：步进电机C轴旋转283.5.1步进电机C轴控制接线图283.5.2程序293.5.3工作原理303.6步骤四：变频调速303.6.1变频调速接线图303.6.2程序313.6.3工作原

10、理313.7本章小结31参考文献31附录一：文献翻译33附录二：文献检索46附录三：程序49谢 辞57 第一章 绪 论1.1概述平面轨迹切削加工系统是由PLC控制系统与机械设备组成的用于加工平面中各种复杂形状工件的高效率自动化机床。此系统备有刀库，具有自动换刀功能，是对工件一次装夹后进行多工序加工的自动化机床。它也是高度机电一体化的产品，工件装夹后，系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具、自动对刀、自动改变主轴转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序，因而大大减少了工件装夹时间、测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济

11、效果。本次设计的自动化平面轨迹切削加工系统由机械工作台、电气控制系统、控制软件三大部分组成。其中，机械工作台由X、Y、Z、C四轴工作台、刀库及液压系统等组成。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围。PLC是专门为工业生产服务的控制装置，已成为当代工业自动化的主要支柱之一。四十年来，可编程控制器从无到有，实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃，其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数据控制的进步，其应用领域从小到大，实现了从单体简单

12、控制到运动控制，过程控制及集散控制等一系列功能。1.2 本课题研究的目的和意义工件在切削系统上经一次装夹后，控制系统能控制机床按不同工序，自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助机能，依次完成工件几个面上多工序的加工。并且有多种换刀或选刀功能，从而使生产效率大大提高3。 此切削系统由于工序的集中和自动换刀，减少了工件的装夹、测量和机床调整等时间，使机床的切削时间达到机床开动时间的80左右(普通机床仅为1520)；同时也减少了工序之间的工件周转、搬运和存放时间，缩短了生产周期，具有明显的经济效果。加工中心适用于零件形状比较复杂、精度要求较高、产品更换频繁

13、的中小批量生产5。PLC的优点如下： 1.应用简便(1)应用灵活、安装简便标准的积木式硬件结构与模块化的软件设计，是PLC不仅适用大小不同、功能复杂的控制要求，而且适应工程流程变化较多的场合。(2)变成简化PLC采用电气操作人员习惯的梯形图形式编程，直观易懂。因此，不仅程序开发速度快，而且程序的可读性强，软件维护方便。(3)操作方便、维修容易工程师编好的程序十分清晰直观，只要写好操作说明书，操作人员经短期培训就可以使用。另外，PLC具有完善的监视和诊断功能，对其内部工作状态、通信状态、I/O点状态和异常状态等有明显的提示，使维修人员能及时、转缺德判断故障点，迅速替换故障模块或插件，恢复生产。2

14、.可靠性高PLC的可靠性高，主要是因为它在硬件及软件两方面都采取了严格的措施。在硬件设计方面，首先是选用优质器件，再者是合理的系统结构，简化安装，使他易于抗冲击振动。对印刷电路板的设计、加工及焊接都采用了极为严格的工艺措施，而且在电路、结构及工艺上采取了一些独特的方式，例如，在输入输出电路中采用了光隔离措施，做到电浮空；各个I/O端口除采用常规模拟器滤波以外，还加上数字滤波；内部采用了电磁屏蔽措施，防止辐射干扰；采用了较先进的电源电路，以防止电源回路中串入的干扰信号；采用了较合理的电路形式，支持模块在线插拔，调试时不会影响PLC的正常运行。在软件设计方面也采取了很多特殊措施，设置了警戒时钟WD

15、T。系统运行时对WDT定时刷新，一旦程序出现了死循环，使之能立即跳出，重新启动并发出报警信号。上述有效措施，保证了PLC的高可靠性。所以它的平均无故障时间（MTBF）超过45万小时，某些优秀产品更高达十几万小时以上。3.抗电磁干扰性能好，环境适应性强PLC是按直接应用于工业环境而设计的，产品在相当宽的环境温度、湿度，规定的机械振动、冲击以及额定的电源电压与频率变化、电源瞬间中断电源电压降低等因素作用下，均能正常工作。4.功能完善PLC的基本功能包括逻辑运算、定时、计数、数值换算，不仅控制等。其扩展功能还有A/D、D/A转换、PID闭环回路控制、高速计数、通信连网、中断控制及特殊功能函数运算功能

16、，可以通过上位机进行显示、报警、记录、人机对话，使控制水平大大提高。2第二章 系统硬件选型2.1 总体方案2.2 总控制系统接线图总控制接线图见附页2.3可编程控制器（PLC）图2-1 OMRON CP1H-X40DT-D PLC2.3.1系统结构2.3.2系统类型图 2-2 最大通用输入输出点数图名称型号电源电压输出特性输入特性扩展I/O单元最大连接数最大扩展点数CP1H X型CP1H-X40DR-AAC100240V继电器输出16点DC24V24点7280点（最多7单元，40点/单位）CP1H-X40DT-DDC24V晶体管输出漏型16点CP1H-X40DT1-D晶体管输出源型16点 CP

17、1HXA型CP1H-XA40DR-AAC100240V继电器输出16点DC24V24点7同上CP1H-XA40DT-DDC24V晶体管输出漏型16点CP1H-XA40DT1-D晶体管输出源型16点CP1H Y型CP1H-Y20DT-DDC24V晶体管输出漏型8点DC24V24点7同上 本次毕业设计用到的是CP1H-X40DT-D型号的PLC，其输出接口为晶体管型。2.3.3规格(1)输入规格（XA/A型）X/XA型CP1H拥有24个输入点，如图2-3所示。0.000.11位共12点，1通道1.001.11位共12点，2个通道合计24点。图2-3 X/XA型输入端子台排列图X/XA型CP1H的通

18、用输入端子可以根据PLC的系统设定进行选择和分配。 (2)输出规格X/XA型CP1H拥有16个输出点，如图2-4所示。100通道100.00100.07位共8点，101通道101.00101.07位共8点，合计16点。图2-4 X/XA型输出端子台排列图X/XA型CP1H的通用输出端子可以根据PLC的系统设定进行脉冲输出。2.3.4输出类型继电器输出型继电器型可接交流220V或直流24V负载，没有极性要求。 继电器型的负载电流比较大，可以达到2A。但是继电器型响应时间比较慢（约10ms-20ms）。而且它是机械元件，动作次数（寿命）会受到限制，且与负载容量有关，随着负载容量的增加，触点寿命几乎

19、按级数减少。晶体管输出型晶体管型只能接直流24V负载，有极性要求。晶体管型负载电流为0.2-0.3A。其响应时间比较快，约0.2ms-0.5ms，甚至可以达到10。晶体管型的是电子原件，只有老化，没有使用寿命限制。脉冲输出型PWM输出型2.3.5选择继电器输出型电流大，响应慢，有机械寿命，适用于驱动中间继电器、接触器的线圈、指示灯等动作频率不高的场合。晶体管输出型电流小，频率高，寿命长，适用于控制伺服控制器、固态继电器等要求频率高、寿命长的应用场合。在高频应用场合，如果同时需要驱动大负载，可以加其他设备（如中间继电器，固态继电器等）方式驱动。因此，此次毕业设计选择的是晶体管输出型PLC（OMR

20、ON CP1H-X40DT-D）2.4变频器及三相交流异步电动机2.4.1变频器定义变频器是利用电力半导体器件吧电压、频率固定的交流电变成电压、频率可调的交流电的变换器。它主要由两部分电路构成，一是主电路（整流模块、电解电容和逆变模块），二是控制电路（开关电源板、控制电路板）。CPU就安装在控制电路板上，变频器的操作软件烧录在CPU上，同一型号的变频器软件是固定的，唯一例外的就是三晶变频器，软件可根据使用需求更改。2.4.2工作原理交流变频技术的原理是把工频50HZ的交流电转换成频率和电压可调的交流电，通过改变交流电动机定子绕组的供电频率，在改变频率的同时也改变电压，从而达到调节电动机转速的目

21、的（即VVVF技术）。我们现在使用的变频器主要采用交直交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率10。图2-5变频器的基本原理框图2.4. 3操作面板图2-6 变频器操作面板显示部位显示输出频率、电流、线速度、异常内容、设定功率时的数据及其参数NoRUN(运行)键是变频器运行的键STOP(停止)键是变频器运

22、行停止的键MODE（模式）键切换“输出频率电流显示“、”频率设定监控“、”旋转方向设定“、”功能设定“等各种模式以及将数据显示切换为模式显示所用的键SET(设定键)切换模式和数据显示以及存储数据所用键。在“输出频率电流显示模式“下，进行频率显示和电流显示的切换UP（上升）键改变数据或输出频率以及利用操作板使其正常运行时，用于设定正转方向DOWN(下降)键改变数据或输出频率以及利用操作板使其正常运行时，用于设定反转方向频率设定键用操作板设定运行频率而使用的旋钮2.4.4接线方法图2-7变频器接线图端子规格：螺丝尺寸M3（母螺丝） 紧固力矩 0.50.6Nm频率设定电位器（VR）规格：10k，1/

23、4W以上的电位器4继电器输出接点规格：1c无电压接点，250VAC 0.5A（电阻负荷）开路式集电极输出规格：最大额定值50VCD,50mA注：在频率设定中使用420mA信号时，一定要连接200、1/4W的电阻。（如不连接电阻，变频器可能烧坏）2.4. 5三相异步交流电动机三相交流异步电动机主要由定子和转子构成，定子是静止不动的部分，转子是旋转部分，在定子与转子之间有一定的气隙。由于本系统中，三相交流异步电动机用来带动刀具进行切削，需要较大的转矩，但是对转动的精度却基本没有要求，故选择三相交流异步电动机可以很好的达到设计要求，还能降低成本。综合考虑以上因素，在粗加工时主轴速度较低,切削深度和切

24、削用量较大,输出较大转矩，而精加工时主轴速度较高,切削深度和切削用量较小,输出转矩较小,即主轴满足恒功率调速要求。故根据JB/T 1009-1991选择YS 系列三相交流异步电动机，其基本参数为：代号45，功率16W，电流0.09A，转速2800r/min，额定转矩2.4N.m，其具有体积小，重量轻，结构简单，运行可靠，维修方便等优点。2.5步进电机驱动器与步进电机图2-8步进驱动器2.5.1步进驱动器的选择此次毕业设计选择的是两相混合式步进电机细分驱动器 SH-20403细分驱动器的原理是通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。（一）接线图图2-9步进电机

25、驱动器与步进电机接线图（二）性能指标表2-3电气性能（环境温度Tj=25时）供电电源10V40VDC,容量0.03KVA输出电流峰值3A/相（Max）（电流可由面板数码开关设定）驱动方式恒相流PWM控制励磁方式整步、半步、4细分、8细分、16细分、32细分、64细分绝缘电阻在常温常压下100M绝缘强度在常温常压下0.5KV，1分钟表2-4使用环境及参数冷却方式自然冷却使用环境场合尽量避免粉尘、油雾及腐蚀气体温度0C+50C湿度80%RH,无凝露，无结霜震动5.9m/ Max保存温度-20C+65C外形尺寸1166037mm重量0.21kg（三）电源电压驱动器内部的开关电源设计保证了可以适应较宽

26、的电压范围，用户可根据各自的情况在10V到40VDC之间选择。一般来说较高的额定电源电压有利于提高电机的高速力矩，但却会加大驱动器的损耗和升温 7。（四）输出电流选择本驱动器最大输出电流值为3A/相（峰值），通过驱动器面板上六位拨码开关的第5、6、7三位可组合出八种状态，对应八种输出电流，从0.9A到3A，以配合不同的电机使用 8。表2-5输出电流选择567567567567ONONON0.9AONOFFON1.5AONONOFF1.2AONOFFOFF1.8AOFFONON2.1AOFFOFFON2.7AOFFONOFF2.4AOFFOFFOFF3A（五）细分选择本驱动器可提供整步、改善半步

27、、4细分、8细分、16细分、32细分和64细分七种运行模式，利用驱动器面板上的六位拨码开关的第1、2、3三位可组合出不同的状态 8。表2-6细分选择123123123123ONONON保留ONOFFON32细分ONONOFF8细分ONOFFOFF半步OFFONON64细分OFFOFFON16细分OFFONOFF4细分OFFOFFOFF整步将“电机固有步距角”细分成若干小步的驱动方法，称为细分驱动，细分是通过驱动器精确控制步进电机的相电流实现的，与电机本身无关。其原理是，让定子通电相电流并不一次升到位，而断电相电流并不一次降为0（绕组电流波形不再是近似方波，而是N级近似阶梯波），则定子绕组电流所

28、产生的磁场合力，会使转子有N个新的平衡位置（形成N个步距角）。2.5.2步进电动机的选择图2-10步进电机（一）定义步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。由于脉冲信号数与步距角的线性关系，加上步进电机只有周期性的误差而

29、无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单1。（二）特点(1)进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。 (2)外表允许的最高温度。 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。 (3)机的力矩会随转速的升高而下降。 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小

30、，从而导致力矩下降。 (4)机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）1。 （三）步进电机的一些基本参数(1)电机固有步距角它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9/1.8（表示半步工作时

31、为0.9、整步工作时为1.8），这个步距角可以称之为电机固有步距角，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。 (2)步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9/1.8、三相的为0.75/1.5、五相的为0.36/0.72 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则相数将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。 (3)保持转矩是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参

32、数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。（三）丝杠的选择根据系统要求，选择滚珠丝杆，综合各种因素选择内循环滚珠丝杠(JB/T 9893-1999), 此丝杠的规格代号为1604；公称直径=16mm；公称导程=4mm；（四）步进电机的选择根据本系统的设计可知，Z轴运动所需的转矩最大，三相交流异步电动机的重量为 ，加上步进电机、固定板、刀具等的重量共为10kg.滚珠丝杠所需驱动

33、扭矩为： =T：驱动扭矩Fa：导向面上的摩擦阻力：导向面上的摩擦系数g：重力加速度Ph：进给丝杠的导程：进给丝杠的正效率滚珠丝杠=0.003，=0.96推出： =0.195故选择56BYG250D-SASSBL-0241型步进电动机，此电动机的参数：相数：2；步距角：0.9/1.8；静态相电流：2.4A；相电阻:1.5;相电感：5.4mH；保持转矩：1.72N.m；定位转矩：0.07 N.m；空载启动频率：3.0KHZ；重量：1kg；转动惯量：460g/ ；驱动电压：48VDC。（五）步进电机与丝杠的配合计算根据以上步进电动机及丝杠的选择，可知步距角为0.9，丝杠的导程为4mm.由此可计算出当

34、步进电机驱动器毎发出一个脉冲丝杠移动的距离SS=4mm =0.01mm2.6伺服电机驱动器与伺服电机由于在刀具进给方向上，需要对被控对象实现高精度的位置控制，而实现精确位置控制的一个基本条件是需要有高精度的执行机构。当脉冲当量和进给速度都要求太高时，传统的步进电机或直流伺服电机将面临一系列问题，且实现起来难度大，成本较高。而交流伺服电机传动技术却能以较低的成本获取极高的位置控制精度，所以在本系统中Y轴方向的运动采用伺服驱动器控制伺服电机进行进给2.6.1伺服电机驱动器（一）伺服电机驱动器控制面板图2-11伺服电机驱动器控制面板表2-7面板说明按 键激 活 条 件功 能在模式显示时有效在以下5种

35、模式之间切换：1） 监视器模式2） 参数设置模式3） EEPROM写入模式4） 自动调整模式5） 辅助功能模式一直有效用来在模式显示和执行显示之间切换仅对有小数点闪烁的那一位数据有效改变各模式里的显示内容、更改参数、选择参数或执行选中的参数把可移动的小数点移动到更高位数（二）驱动器的各个接口图2-12伺服驱动器接口图（三）驱动器的工作原理伺服驱动器的工作目的，主要是根据伺服控制器送出的指令（P,V,T）工作。同步电机并非完全同步于旋转磁场，驱动器必须进行修正工作，使电机工作稳定不失步。本系统通过PLC将动作信息传输输给伺服驱动器，伺服驱动器通过内部的位置控制单元、速度控制单元及驱动单元的配合去

36、驱动伺服电机，伺服电机带动丝杠，以完成PLC程序中所要求的动作。2.6.2伺服电机（一）定义伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。伺服电机可使控制速度、位置精度非常准确。将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。其主要分为直流伺服电机和交流伺服电机。（二）主要特点当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。（三）工作原理交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位置互差90的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以

37、交流伺服电动机又称两个伺服电动机。 交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。 交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点： (1)起动转矩大 由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图3中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。它可使临界转差率，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于

38、线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。 (2)运行范围较广 (3)无自转现象 正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性（T1S1、T2S2曲线）以及合成转矩特性（TS曲线） 交流伺服电动机的输出功率一般是0.1-100W。当电源频率为50Hz，电压有36V、110V、220、380V；当电源频率为400Hz，电压有20V、26V、36V、115V等多种。 交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控

39、制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重，所以只适用于0.5-100W的小功率控制系统。2.7NC运动控制模块2.7.1定义 NC运动控制模块是一种快速高精度的运动控制模块，分为CJ、CS、C200H系列，对应不同的CPU模块，和内置脉冲控制比较，NC模块可以实现多轴插补，内存序列操作及示教，中断进给以完成更加复杂的运动。2.7.2功能 （1）高速响应定位控制单元对于来自CPU 单元的指令在2 毫秒内做出响应（2）存储器操作和直接操作有两种不同的控制方法。第一种是存储器操作，在这种操作中定位所需的信息被传输到PCU，然后对应定位控制具体

40、化；第二种是直接操作，在这种操作中目的位置和目的速度每次都要由CPU 单元设置。（3）控制轴的数量和输出类型PCU可以有1、2或者4个轴。使用2或4个轴的型号，对于所有的轴线线性线性插都可以实现。对于任何数目的控制轴，开放式控制器输出，或者线路激励器输出都是可得的。要根据控制轴的数量和期望的输出类型选择最适当的型号。（4）可由轴来选择的电机驱动器步进电机驱动器和脉冲序列输入类型的伺服电机驱动器可以与PCU相连。对不同的允许混合使用不同类型的电机驱动器的轴可以设置不同的操作模式。（5）中断进给当一个中断在脉冲输出过程中输入时，定位仅仅继续进行一定的数量然后停止。（6）定位和速度控制范围定位可以在

41、1,073,741,823 至1,073,741,823 个脉冲位置范围内被执行，速度在每1 个脉冲单位中在1 至500,000 pps 范围内。这意味着在大范围内以精确的速度定位是可能的。2.7.3选择由于本次设计平面轨迹切削加工控制系统，即只设计系统满足平面内的切削即可，故选择双轴定位模块来控制X、Z轴的联动，已达到完成切削“中”字的要求，双轴定位模块的型号为CJ1W-NC2132.8继电器(KA)与接触器（KM）2.8.1继电器 (1)定义继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热）达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。(2)工作原理当输入量(如电压、电流、温度等)达到规定值

42、时，使被控制的输出电路导通或断开的电器。具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中15。(3)作用继电器一般都有能反映一定输入变量（如电流、电压、功率、阻抗、频率、温度、压力、速度、光等）的感应机构（输入部分）；有能对被控电路实现“通”、“断”控制的执行机构（输出部分）；在继电器的输入部分和输出部分之间，还有对输入量进行耦合隔离，功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构（驱动部分）。 2.8.2接触器(1)定义接触器(Contactor)是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。接触器由电磁系统（铁心，

43、静铁心，电磁线圈）触头系统（常开触头和常闭触头）和灭弧装置组成。(2)分类1)按控制线圈的电压分直流接触器、交流接触器 2)按操作机构分电磁式接触器、永磁式接触器3)按驱动方式分液压式接触器、气动式接触器 4)按动作方式分直动式接触器、转动式接触器(3)工作原理当接触器的电磁线圈通电后，会产生很强的磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作：常闭触头断开；常开触头闭合，两者是联动的。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原：常闭触头闭合；常开触头断开11。2.8.3接触器与继电器的区别继电器：辅助触点比较多，用于控制电路、电流小，没有灭 弧装置，可在电量或非电

44、量的作用下动作。其辅助触点电流一般小于10A，多数在5A接触器：辅助触点少，用于主电路，电流大，触头可以通过大电流，用于主回路较多。有灭弧装置，一般只能在电压作用下动作12。 图2-13 西门子接触器 图2-14 西门子继电器第三章 系统软件设计3.1总体设计方案原点 复位 中间位置 Y轴前进到加工面进行加工 主轴转动 加工“中”字 Y轴退回 C轴旋转3.2 总控制系统工作流程图总控制流程图见附页3.3输入输出线表表3-1 I/O分配PLC其 它其 它其 它输入0.00按钮和选择开关启动（左） 24V（-）启动（右）0.01停止（左）停止（右）0.02正向（左）正向（右）0.03反向（左）反向

45、（右）0.04复位（左）复位（右）0.05自动（上）自动（下）0.06手动（上）手动（下）0.07X轴选择（红）X轴选择（黑）0.08Z轴选择（红）Z轴选择（黑）0.09Y轴选择（红）Y轴选择（黑）0.10Y轴信号后极限（红）后极限（黑）0.11前极限（红）C轴选择（黑）1.00原位（红）COM0、COM1、COM2、COM31.01C轴选择（红）COM24V（+）100.01Y轴交流伺服4其 它其 它100.036Y轴交流伺服324V（+）100.0429578Y前极限（红）9Y后极限（红）4124V（-） 5V（-）主轴变频器1电位器（左孔）2电位器（下孔）3电位器（右孔）24V（-）10

46、1.02主轴变频器6U交流电动机U5101.035VV5WW5100.00C轴步进2C轴步进15V（+）100.0233.4步骤一：步进电机两轴联动3.4.1控制系统原理图图3-2 步进电机两轴联动控制系统原理图实验原理：PLC接受外部操作信号发送给CJ1WNC213(三菱PLC的两轴定位模块)，CJ1WNC213接受命令并控制驱动器使运动轴按轨迹运动13。3.4.2控制系统接线图图3-3步进电机两轴联动控制系统接线图3.4.3程序 3.4.4工作原理PLC接受外部操作信号发送给两轴定位模块CJ1W-NC213，CJ1W-NC213接受命令并控制驱动器使运动轴按轨迹运动。此次设计先实现X、Y、

47、轴的复位,然后X轴运动，Z轴运动，使刀具对准到中间位置。X、Y轴联动，从而在蜡膜上形成“中”字。3.5步骤二：交流伺服电机控制3.5.1控制系统原理图图3-4 典型控制系统框图3.5.2控制系统接线图图3-5 交流伺服电机控制系统接线图3.5.3程序3.5.4工作原理合上QF1和QF3，PLC通电，交流伺服系统接通控制电压，PLC使输出103.01为1，KA2得电，触头使KM3线圈得电，主触头闭合，伺服系统强电接通，然后PLC使103.04为1，给交流伺服使能。此时，交流伺服完全准备好，可以执行定位控制。定位脉冲信号由PLC的100.01发出，方向由100.03控制。前、后限位开关直接接入交流

48、伺服驱动器的专用输入端，进行限位保护。3.6步骤三：步进电机C轴旋转3.5.1步进电机C轴控制接线图图3-6步进电机C轴控制接线图3.5.2程序3.5.3工作原理通过PLC的100.00、100.02输出端分别产生脉冲和方向信号给步进电动机驱动器SH20403,驱动步进电动机M按升降方式运行。而步进电动机则驱动蜗轮蜗杆，再由蜗轮蜗杆带动C轴旋转14。3.6步骤四：变频调速3.6.1变频调速接线图图3-7 变频调速接线图3.6.2程序3.6.3工作原理合上QF1、QF4,给PLC通电，PLC使输出101.00为1时主轴正传，是输出101.01为1时主轴反转，101.00、101.01不能同时为1

49、，同时为0时电动机停止。频率通过改变1、2、3端上连接的电位器来调整。3.7本章小结此次毕业设计通过PLC控制平面轨迹切削系统，使其完成规定动作。首先，各轴复位；X轴运动，Z轴运动，Y轴运动，使刀具对准到蜡膜的中间位置；轴转动，使刀具在蜡膜一面上刻下“中”；Y轴后退；即完成此次设计。参考文献1 徐虎，吴加国.电机应用技术：机械工业出版社，2009.2 霍罡，樊晓兵.欧姆龙CP1H PLC应用基础与编程实践：机械工业出版社，2009.3 郑宝林.图解欧姆龙PLC入门：机械工业出版社，2009.4 王阿根.电气可编程控制原理与应用.北京：清华大学出版社，2007.5 马小军.可编程控制器及其应用.

50、南京：东南大学出版社，2007.6 谢克明，夏路易.可编程控制器原理与程序设计.北京：电子工业出版社，2002.7 肖峰，贺哲荣.PLC编程100例：中国电力出版社，2009.8 王阿根.PLC控制程序精编108例：电子工业出版社，20099 曹辉，霍罡.可编程序控制器过程控制技术.北京：机械工业出版社，2006.10 廖常除.PLC编程及应用.北京：机械工业出版社，2003.11 高钦和.可编程序控制器应用技术与设计实例.北京：人民邮电出版社，2004.12 何衍庆，黎冰，黄海燕.PLC编程语言及应用.北京：电子工业出版社，2006.13 王永华，王东云，宋寅卯.现代电气及可编程序控制技术.

51、北京：北京航天航空大学出版社，2002.14 KIM Yeoung-il , KIM Li-ra, JUN Cha-soo, Parametric design of a part with free-form surfaces, J Zhejiang Univ SCIENCE A 2006 7(9):1530-153415 Y.-E. NahmH. Ishikawa, A new 3D-CAD system for set-based parametric design, Int J Adv Manuf Technol (2006) 29: 137-150 附录一：英文文献Stone cut

52、ting automation technology based onfeaturesJulio Garrido Campos, Ricardo Marin Martin, Jose Ignacio Armesto, Juan Saez LopezDepartamento de Ingenieria de Sistemas y Automatica E.T.S. Ingenieros Industriales. Universidad de Vigo Vigo, SpainKeywords- Automation, CAD/CAM/CNC, disc cutting technologies,

53、features.Abstract:This paper proposes a CAD/CAM/CNC architecture to automate saw blade stone cutting machines (disc stone cutting machines). The architecture is designed to give the controller the capacity of decision making as well as control of the machine tool, with the objective of being able to

54、 react to changes in the machining conditions,which is common in this kind technology. Adopting a similar paradigm as the new approaches for CNC manufacturing, especially the new ISO standard for CNC programming (STEP-NC), the proposed system is based on the definition of product features to be comm

55、unicated to the controller. The controller has the objective of machining the features, and it is able to replan, on the fly,the work to get them, despite changing conditions in the stone or in the disc.INTRODUCTIONA. Stone cutting technologyThere are several stone cutting technologies and machines

56、as stone cutting by diamond blades 1, abrasive water jet cutting 2, disc cutting or circular saw cutting machines (also know as bridge saw machines) 3, etc. They vary in eficiency and cost, quality of the machined part, and the set of profiles or features they are able to machine. Among them,circula

57、r sawing with diamond-impregnated segments mounted on a circular steel core is the most extensevely used process for granites and stone in general 4.Disc cutting machines are a unique technology because of the used tool, a disc. Using discs limits the number of axis which can be moved when they are

58、into the stone (only movements in the cutting plane can be done), although to make complex features as arc patterns (figure 1), even five axis movements may be needed and performed when the disc is out of the stone. Another representative characteristic of this technology is the non-homogeneous conditions of the cutting process due to, for instance, a sudden lost of disc cutting efficiency, changes in the stone structure, etc. Stone or disc changing conditions cause that, to get an optimized process,the control