毕业论文-全自动铝型材切割机送料定位与夹紧系统的设计-文档精品

原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 XXXX 大学毕业论文大学毕业论文 学院：学院：XXXX 学院学院 班级：机械班级：机械 XXXX 姓名：姓名：XXXXXX 学号：学号：XXXX 目 录 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 摘 要 3 关键词 3 Abstract . 4 Keywords 4 第一章 PLC 简介及发展历史 5 1.1 PLC 发展 5 1.2 PLC 的用途 7 1.3 PLC 的性能特点 8 1.3.1 硬件的可靠性 . 8 1.3.2 编程简单，使用方便 . 9 1.3.3 接线简单，通用性好 . 9 1.3.4 可连接为控制网络系统 . 10 1.4 PLC 的工作原理 11 1.5 PLC 的编程语言 12 第二章 系统硬件设计 . 14 2.1 PLC 硬件设计 14 2.1.1 CP1H 简介 14 2.1.2 PLC 点表设计及接线 15 2.2 步进电机硬件设计 . 17 2.2.1 步进电机简介 . 17 第三章 系统软件设计 . 21 3.1 软件系统简介 . 21 3.2 工艺流程图分析 . 22 3.3 程序功能分析 24 3.3.1 启动按钮自锁 24 3.3.2 原点搜索原点复位功能 24 3.3.3 置位，复位功能 26 3.3.4 频率设定指令 . 26 第四章 送料定位与夹紧 . 28 4.1 结构方案设计 . 28 4.2 传送部分的选型 . 28 4.3 滚珠丝杠的选型 . 29 4.3.1 滚珠丝杠的发展及应用 29 4.3.2 滚珠丝杠的原理结构和特点 32 4.3.3 滚珠丝杠的设计要求 33 结论 35 参 考 文 献 36 致谢 38 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 全自动铝型材切割机送料定位与夹紧系 统的设计 摘摘 要要 在很多机械加工过程中，需要对铝材进行切割。而全自动铝型材切割机特别 适用于加工精度要求高，图形复杂的情况 它主要由 PLC 及传感器和步进电机 组成。PLC 在工作过程中，根据传感器和精确的脉冲控制对步进电机精准控制。 在设计过程中，全自动铝型材切割机的控制系统是关键，它主要包括如下几个方 面； 1. 加工工件的原始参考点的确定； 2. 切割刀的控制； 3. 步进电机的控制； 基于上述要求，我们选用欧姆龙 CP1H 构成控制系统，东洋 2H45B 步进电机 配合完成系统控制设计。 关键词关键词：全自动、铝型材切割机、PLC 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 AbstractAbstract In many machining process, the need for aluminum cutting. Fully automatic aluminum cutting machine is especially suitable for high precision machining and complex graphics, it is mainly by the PLC and sensors and stepper motor. PLC in the work process, the precise control on the stepping motor is controlled according to the sensor, and accurate pulse. In the design process, automatic aluminum cutting machine control system is the key, which mainly include the following aspects; 1.Determining of the original reference point of the workpiece; 2.Cutting control of the knife; 3.Stepper motor control; Based on the above requirements, we have the choice of Omron CP1H control system, Japan 2H45B stepper motor control design with the completion of the system. KeywordsKeywords：Automatic, aluminum cutting machine, PLC 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第一章 PLC 简介及发展历史 1.1 1.1 PLCPLC 发展发展 第一台可编程控制器的设计规范是美国通用公司提出的。当时的目的是要求 设计一种新的控制装置以取代继电器盘，在保留了继电器控制系统的简单易懂、 操作方便、价格便宜等优点的基础上，同时具有现代化生产线所要求的时间响应 快、控制精度高、可靠性好、控制程序、可随工艺改变、易于与计算机接口、维 修方便等诸多高品质与功能。这一设想提出后，美国数字设备公司（DEC）于 1 969 年研制成第一台 PLC， 型号为 PDP-14， 投入通用汽车公司的生产线控制中， 取得了令人满意的效果，从此开创了 PLC 的新纪元。 第一台 PLC 具有模块化、可扩充、可重编程及用于工业环境的特性。这些 控制器易于安装，占用空间小，可重复使用。尽管控制器编程有些琐碎，但它具 有公共的工厂标准梯形图编程语言， 这样使得不熟悉计算机的人也能方便的使 用它。 在短时间内，PLC 在其他工业部门也得到应用。到 70 年代初，食品、金属 和制造等工业部门相继使用 PLC 代替继电器控制设备，迈出了其实用化阶段的 第一步。 70 年代中期，由于大规模集成电路的出现，使 8 位微处理器和位片处理器 相继问世，使可编程控制技术产生了飞跃。在逻辑运算功能的基础上，增加了数 值运算、闭环控制、提高了运算速度，扩大了输入输出规模。在这个时期，日本、 西德（原）和法国相继研制出了自己的 PLC，我国在 1974 年也开始研制。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 70 年代由于超大规模集成电路的出现，使 PLC 向大规模、高速性能方向发 展，形成了多种系列化产品。这是面向工程技术人员的编程语言发展成熟，出现 了工艺人员使用的图形语言。在功能上，PLC 可以代替某些模拟控制装置和小 型机 DDC 系统。 进入八九十年代后，PLC 的软硬件功能进一步得到加强，PLC 已发展成为 一种可提供诸多功能的成熟的控制系统，能与其他设备通信，生成报表，调度产 生，可诊断自身故障及机器故障。这些改进使 PLC 符合今天对高质量高产出的 要求。 尽管 PLC 功能越来越强， 但他仍然保留了先前的简单与易于使用的特点(P LC 实物图 2-1) PLC 是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。 它采 用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、 计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各 种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制 系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有了突飞猛进的发 展，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围，它与计算机有效结合，可 进行模拟量控制，具有远程通信功能等。有人将其称为现代工业控制的三大支柱 （即 PLC，机器人，CAD/CAM）之一。目前可编程序控制器（Programmable 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 Controller）简称 PLC 已广泛应用于冶金、矿业、机械、轻工等领域，为工业自 动化提供了有力的工具。 1.1.2 2 PLCPLC 的用途的用途 PLC 的初期由于其价格高于继电器控制装置,使其应用受到限制。但近年来 由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降,使 PLC 的成本下降,同时又由于 PL C 的功能大大增强,使 PLC 的应用越来越广泛,广泛应用于钢铁、水泥、石油、 化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。PLC 的应用 通常可分为五种类型： （1）顺序控制 这是 PLC 应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器顺序 控制。PLC 可应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。如注塑机、印 刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电 梯控制等。 （2）运动控制 PLC 制造商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的 单轴或多轴位置控制模版。在多数情况下，PLC 把扫描目标位置的数据送给模 版块，其输出移动一轴或数轴到目标位置。每个轴移动时，位置控制模块保持适 当的速度和加速度，确保运动平滑。 相对来说，位置控制模块比计算机数值控制（CNC）装置体积更小，价格更 低，速度更快，操作方便。 （3）闭环过程控制 PLC 能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和 流量等。PID（Proportional Intergral Derivative）模块的提供使 PLC 具有闭环 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 控制功能,即一个具有 PID 控制能力的 PLC 可用于过程控制。 当过程控制中某一 个变量出现偏差时,PID 控制算法会计算出正确的输出,把变量保持在设定值上。 （4）数据处理 在机械加工中，出现了把支持顺序控制的 PLC 和计算机数 值控制（CNC）设备紧密结合的趋向。著名的日本 FANUC 公司推出的 Systen 10、11、12 系列，已将 CNC 控制功能作为 PLC 的一部分。为了实现 PLC 和 C NC 设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件。通过窗口软件，用户 可以独自编程，由 PLC 送至 CNC 设备使用。美国 GE 公司的 CNC 设备新机种 也同样使用了具有数据处理的 PLC。预计今后几年 CNC 系统将变成以 PLC 为 主体的控制和管理系统。 （5）通信和联网 为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化（FA）系统、 柔性制造系统（FMS）及集散控制系统（DCS）等发展的需要，必须发展 PLC 之间，PLC 和上级计算机之间的通信功能。作为实时控制系统，不仅 PLC 数据 通信速率要求高，而且要考虑出现停电故障时的对策。 1.31.3 PLCPLC 的性能特点的性能特点 1.3.1 1.3.1 硬件的可靠性硬件的可靠性 PLC 是在工业环境的恶劣条件下应用而设计的，一个设计良好的 PLC 能置 于有很强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的环境中。 在硬件设计方面， 首先是选用优质器件， 再就是采用合理的系统结构， 加固， 简化安装，使它易于抗振动冲击，对印制电路板的设计、加工及焊接都采取了极 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/输出电路中都采用了光电隔离措施，做到电浮空，既方便接地，用提高 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 了抗干扰性能；各个 I/O 端口都除采用了常规模拟器滤波以外，还加上了数字滤 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 止由电源回路串入的干扰信号； 采用了较合理的电路程序， 一旦某模块出现故障， 进行在线插拔、调试时不会影响各机的正常运行。 由于 PLC 本身具有很高的可靠性，所以发生故障的部位大多集中在输入/输 出的部件上，以及如传感器件、限位开关、光电开关、电磁电机等外围装置上。 1.3.2 1.3.2 编程简单，使用方便编程简单，使用方便 用微机实现自动控制，常使用汇编语言编程，难于掌握，要求使用者具有一 定水平的计算机硬件和软件知识。 PLC 采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。例如，目 前打多数 PLC 均采用的梯形图语言编程方式，既继承了传统控制线路的清晰直 观感， 又顾及了大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机的水平很容易被电气 技术人员所接受，易于编程，程序改变时也容易修改，很灵活方便。 这种面向控制过程、面向问题的编程方式，与目前微机控制常用的汇编语言 相比，虽然在 PLC 内部增加了解释程序，增加了程序执行时间，但对大多数的 机电控制设备来说，这是微不足道的。 1.3.3 1.3.3 接线简单，通用性好接线简单，通用性好 PLC 的接线只需将输入信号的设备（按钮、开关等）与 PLC 输入端子连接， 将接受输出信号执行控制任务的执行元件（接触器、电磁阀等）与 PLC 输出端 子连接。 接线简单、 工作最少， 省去了传统的继电器控制系统接线和拆线的麻烦。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 PLC 的编程逻辑提供了能随要求而改变的“接线网络”， 这样生产线的自动化过程 就能随意改变。这种性能使 PLC 具有很高的经济效益。 用于连接现场设备的硬件接口实际上是 PLC 的组成部分，模块化的自诊断 接口电路能指出故障，并易于排除故障与替换故障部件，这样的软硬件设计就使 现场电气人员与技术人员易于是用。 1.3.4 1.3.4 可连接为控制网络系统可连接为控制网络系统 PLC 可连成功能很强的网络系统。网络可分为两类：一类是低速网络，采用 主从方式通信，传输速率从几千波特到上万波特，传输距离为 5002500m；另 一类为高速网络，采用令牌传送方式通信，传输速率为 1M10Mbps，传输距 离为 5001000m，网上结点可达 1024 个。这两类网络可以级连，网上可兼容 不同类型的可编程控制器和计算机，从而组成控制范围很大的局部网络。 (5) 易于安装，便于维护 PLC 安装简单而且功能有效， 其相对小的体积使之能安装在通常继电器控制 箱所需空间的一半的地方，在从继电器系统改换到 PLC 系统的情况下，PLC 小 的模块结构使之能安装在继电器附近并将连线向已有接线端，其实改换很方便， 只要将输入/输出设备连向接线端即可。 在大型安装中， 长距离输入/输出站点安放在最优地点。 长距离站通过同轴电 缆获双扭线连向 CPU，这种配置大大减少了物料和劳力，长距离子系统方法也 意味着系统不同部分可在到达安装场地前由 PLC 制造商预先连好线，这一方法 大大减少了电气技术人员的现场安装时间。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 从一开始，PLC 便以易维护作为设计目标。由于几乎所有器件都是固态的， 维护时只需更换模块级插入式部件，故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件 中， 就能指示器是否正常工作， 借助于编程设备可见输入/输出是 ON 还是 OFF， 还可写编程指令来报告故障。 1.41.4 PLCPLC 的工作原理的工作原理 PLC 具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般 采用等待命令的工作方式。PLC 则采用循环扫描工作方式。在 PLC 中，用户程 序按先后顺序存放，CPU 从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返 回第一条。如此周而不断循环。每一个循环称为一个扫描周期。一个扫描周期大 致可分为 I/O 刷新和执行指令两个阶段。 所谓 I/O 刷新即对 PLC 的输入进行一次读取， 将输入端各变量的状态重新读 入 PLC 中存入内部寄存器，同时将新的运算结果送到输出端。这实际是将存入 输入、 输出状态的寄存器内容进行了一次更新， 故称为“I （输入） /O(输出) 刷新”。 由此可见，若输入变量在 I/O 刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出 端也会相应的发生变化，或者说输出队输入产生了响应。反之，若在本次 I/O 刷 新之后，输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，即不响应，而要到下一次 扫描期间输出才会产生响应。由于 PLC 采用循环扫描的工作方式，所以它的输 出对输入的响应速度要受扫描周期的影响。 扫描周期的长短主要取决于这几个因 数：一是 CPU 执行指令的速度，二是每条指令占用的时间，三是指令条数的多 少，即程序的长短。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 对于慢速控制系统，响应速度常常不是主要的，故这种方式不但没有坏处反 而可以增强系统抗干扰能力。因为干扰常是脉冲式的、短时的，而由于系统响应 较慢，常常要几个扫描周期才响应一次，而多次扫描后，瞬间干扰所引起的误动 作将会大大减少，故增加了抗干扰能力。 但对控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，这一问题就需慎重考 虑。应对响应时间作出精确的计算，精心编排程序，合理安排指令的顺序，以尽 可能减少周期造成的响应延时等的不良影响。 1.5 1.5 PLCPLC 的编程语言的编程语言 PLC 提供了较完整的编程语言，以适应 PLC 在工业环境中的应用。利用编 程语言，按照不同的控制要求编制不同的控制程序，这相当于设计和改变继电器 的硬接线线路，这就是所谓的“可编程序”。程序由编程器送到 PLC 内部的存储 器中，它也能方便地读出、检查与修改。 PLC 提供的编程语言通常由三种：梯形图、功能图、及布尔逻辑编程。 梯形图(Ladder Programming)是应用最广的， 梯形图编程有时称为继电器梯 形图逻辑图编程。它使用的最广是因为它和以往的继电器控制线路很接近。梯形 图是在原电器控制系统中常用的接触器、继电器梯形图基础上演变而来的，它与 电气操作原理相呼应。它的最大优点是形象、直观和实用，为广大电气技术人员 所熟知。PLC 的梯形图与电气控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使 用符号和表达方式上有一定区别。PLC 的梯形图使用的时内部继电器、定时器/ 计数器，都是由软件实现的，其主要特点为使用方便、修改灵活。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 功能图编程（Function Chart Programming）是一种较新的编程方法。它的 作用使用功能图来表达一个顺序控制过程。 布尔逻辑编程(Boolean Logic Programming)包括“与”（AND）、或(OR)、 非(NOT)以及定时器、计数器、触发器等。 每一种编程方法都有它的优点和缺点，根据每一种特殊的控制要求，根据编 程者的熟练程度正确合理应用编程方法。 PLC 的这些及其他特性使之成为任何一个控制系统的有益部分。一旦安装 后，其作用立即显现，其收益也马上实现，向其他智能设备一样,PLC 的潜在优 点还取决于应用时的创造性。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第二章 系统硬件设计 OMRON 集团 1933 年 5 月 10 日创业至今的 70 多年中， 通过不断创造新的 社会需求，已经发展成为全球知名的自动化控制及电子设备制造厂商，掌握着世 界领先的传感与控制核心技术。 欧姆龙自动化（中国）统辖集团是一个引领工业自动化产品和应用先进技术 的跨国公司，作为欧姆龙全球事业的一部分，它已经成为自动化领域的佼佼者。 欧姆龙自动化（中国）统辖集团建有研发、生产、技术服务和物流基地，在华北、 华东和华南拥有销售公司，其下属近 40 个事务所、办事处遍布全国，为客户提 供最直接的服务。欧姆龙以其特有的“传感与控制”技术，利用多年的经验，以 及对生产现场的深刻理解，不断满足客户对产品多样化和高品质的追求。 2.1 PLC2.1 PLC 硬件设计硬件设计 2 2.1.1.1.1 CP1HCP1H 简介简介 CP1H 是日本欧姆龙新推出的整体式小型机，是一款性价比高、功能完备的 通用控制器。其特点是结构紧凑，集成了开关量控制、模拟量控制、高速计数、 4 轴高速脉冲输出、串行通信等功能于一身，CP1H 指令丰富，采用任务编程方 式，并支持功能块编程方法使编程更加清楚、简便。CP1H 取消了手持编程器配 置，没有通常的外设接口，取而代之的是 USB 端口。还有串行通信功能端口 2 个，可自由选择 RS-232C、和 RS-485。 可编程控制器 CP1H-X 是用于实现高速处理和高功能的程序一体化型 PLC。 详细具有以下特点： CPU 单元本体，内置输入 24 点/输出 16 点。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 CPU 单元本体，可实现高速计数器 4 轴，脉冲输出 4 轴。 通过扩展 CPM1A 系列的扩展 I/O 单元， CP1H 整体可以达到最大 320 点 的输入输出。 通过扩展 CPM1A 系列的扩展单元，也能够进行功能扩展（温度传感器输入 等）。 通过安装选件板，可进行 RS-232C 通信或 RS-422A/485 通信（PT、条形 码阅读器、变频器等的连接用）。 通过扩展 CJ 系列高功能单元，可扩展向上位/下位的通信功能等。 2 2. .1.1.2 PLC2 PLC 点表设计及接线点表设计及接线 选用 CP1H 的原因，是因为其性能稳定，经济合理，而其脉冲输出功能，也 能很好的和步进电机配合控制切割机的动作。 硬件上设计以下硬件点： 1. 启动按钮，用来控制整个系统启动。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 2. 停止按钮，控制系统一般，紧急情况停止。 3. 复位按钮，当步进电机运行到某一位置时，希望电机回归原位，以便随 时校准丝杠。 4. 步进电机复位开关，安装在送料导轨上，用于每次步进电机动作复位反 馈。 5. 切割机到位开关，安装在切割机上下动作气缸上，用于反馈气缸动作。 6. 电机控制输出，分别为电机脉冲输出，方向控制，起停控制； 7. 切割机转动控制。 8. 切割机下降控制。 9. 夹具气缸动作，使夹具夹紧。 统计 IO 变量如表 1 所示 序 号 输 入 输 出 1 启动按钮 电机脉冲输出 2 停止按钮 电机方向控制 3 复位按钮 电机停止 4 步进电机复位开关 切割机转动 5 切割机到位开关 切割机下降 6 夹具夹紧 表表1. IO1. IO变量表变量表 PLC 数字量输入点接线图如图 1 所示。输入点输入电压为 DC24V，所以将 开关电源 DC24V 输出与各开关量相连，输入进 PLC 中。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 图图1.PLC1.PLC数字数字量输入点接线图量输入点接线图 PLC数字量输出点接线图如图2所示。 图图2.PLC2.PLC数字量输出点接线图数字量输出点接线图 2 2.2 .2 步进电机硬件设计步进电机硬件设计 2.2.1 2.2.1 步进电机简介步进电机简介 步进电机(stepping motor),步进电机(step motor)，或者是脉冲电机(pulse motor)，其它的如(stepper motor)等有着各式各样的称呼方式，这些用日本 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 话来表示的时候， 就成为阶动电动机， 还有， 阶动就是一步一步阶段动作的意思， 这各用另外一种语言来表示时，就是成为步进驱动的意思，总之，就是输入一个 脉冲就会有一定的转角，分配转轴变位的电动机。 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组件。 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，即给电机加一个脉冲信号， 电机则转过一个步距角。 这一 线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。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。 单相步进电机有单 路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电机有多 相方波脉冲驱动，用途很广。使用多相步进 电机时，单路电脉冲信号可先通过 脉冲分配器转换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入步进电机各项绕组。 每输入一个脉冲到脉冲分配器，电机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一 定的角度（称为步距角）。正常情况下，步进 电机转过的总角度和输入的脉冲 数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电机的转速与输入脉冲的频率保持严格 的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。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，即 给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。 步进电机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进 电动机驱动器，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。驱动 单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口。 步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位 移，或者说：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一个步 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 距角。 也就是说步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。所以控制步进脉冲信 号的频率，就可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，就可以对电机精确定 位。步进电机驱动器有很多，应以实际的功率要求合理的选择驱动器。 本设计步进电机选用性价比较高的东洋 2H45B 系统。 2H45B 系统具有以下特点： 1. 双极性恒流斩波驱动； 2. 灵活的输出电流设定； 3. 最大 128 细分设定，且不影响其输出力矩； 4. 报警信号光藕隔离输出，方便用户监控。； 5. 过压、欠压、过流、短路、高温等报警保护； 6. 电机低速无爬行现象，噪音小，无共振区。 7. 通用定位孔尺寸，便于用户安装； 2H45B 步进电机驱动器主要有一下几个接线点，与 PLC 相连接，总结功能 如表 2 所示： 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 符号标符号标 记记 功能功能 详细说明详细说明 PLS+ 输入信号光电隔离正 端 接+5V 供电电源，+5V+24 均可驱动，高于+5V 需接限流电阻。 PLS- 步进脉冲信号 下降沿有效，每当脉冲由高变低时电机走一步。 -5.5V低电平0.3V,3.6V高电平5.5V,脉 冲宽度2.5uS DIR+ 输入信号光电隔离正 端 接+5V 供电电源，+5V+24 均可驱动，高于+5V 需接限流电阻。 DIR- 方向控制信号 改变电机方向。-5.5V低电平0.3V,3.6V高 电平5.5V,脉宽2.5uS ENA+ 输入信号光电隔离正 端 接+5V 供电电源，+5V+24 均可驱动，高于+5V 需接限流电阻。 ENA- 电机释放信号 有效（低电平）时关断电机线圈电流，驱动停止 工作，电机处于自由状态。 表表2.2. 输入信号接口功能输入信号接口功能 2H45B 步进电机驱动器各接线端子与 PLC 接线图如图 3 所示： 图图3 3. .标准接线图标准接线图 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第三章 系统软件设计 3.1 3.1 软件系统简介软件系统简介 编程是一个系统工作，它包含了对控制对象的分析理解，一直到程序调试 的全过程。 1.明确控制系统要求 确定控制任务是设计 PLC 控制系统十分重要的部分。在设计中首先必须确 定控制系统的 I/O 点数，它决定了 PLC 的系统配置，然后确定控制系统动作发 生的顺序和相应的动作条件。 2.I/O 分配 根据控制系统区分哪些是发送 （输入）给 PLC 的信号，哪些是接收来自 P LC 的信号（输出），分别给出对应的地址。同时根据程序的需要合理使用定义 过的内部辅助继电器、定时器和计数器等。 3.绘制梯形图 明确输入、输出以及它们之间的关系之后，按照实际的要求编写梯形图。 4.将梯形图转换成助记符，编写指令表。如果借助于计算机和编程软件，可 省去这一步。 5.利用编程器或编程软件将程序输入到 PLC 中。 6.检查程序并纠正错误。 7.模拟调试。 8.现场调试。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 CX-Programmer 是一个用于对 Omron CP 系列 PLC、CV 系列 PLC、以 及 C 系列 PLC 建立、测试和维护程序的工具。它是一个支持 PLC 设备和地址 信息、 OMRON PLC 和这些 PLC 支持的网络设备进行通信的方便工具。 CX -Programmer 在运行微软 Windows 环境(Microsoft Windows 95 或者更新版 本, 或 Microsoft Windows NT 4.0 或者更新版本)的标准 IBM 及其兼容（基于 Pentium 或者更高）台式机上面运行。 3.2 3.2 工艺工艺流程图分析流程图分析 统计 IO 变量如表 1 所示 序 号 输 入 输 出 1 启动按钮 电机脉冲输出 2 停止按钮 电机方向控制 3 复位按钮 电机停止 4 步进电机复位开关 切割机转动 5 切割机到位开关 切割机下降 6 夹具夹紧 表表1. IO1. IO变量表变量表 PLC 程序设定的主要任务就是根据控制要求将公益流程图转换为梯形图， 这 是 PLC 应用中的关键问题，程序编写是软件设计的具体体现。所以工艺流程图 在软件设计中占有相当重的份额，下面根据控制要求，总结工艺流程图如下： 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 两切割机一起动作，三个夹具一起动作，这样能大大简化程序难度，减少 C PU 运算量。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 3.33.3 程序功能分析程序功能分析 下面详细分析程序中各功能，及使用到命令详解。 3.33.3.1.1 启动按钮自锁启动按钮自锁 启动按钮和停止按钮在整个控制中，起着相当重要的作用。按下启动按钮运 行，并自锁，程序中每一步动作，都需要有启动按钮的常开点保证系统可控性。 当发生突发状况或需要停止系统时，按下停止按钮。 程序中采用中间继电器自锁控制系统启停，如图： 3.33.3.2.2 原点搜索原点复位功能原点搜索原点复位功能 在 CP1H CPU 单元的脉冲输出功能中，作为决定机械原点的方法，可配备 以下 2 种功能。 1.原点搜索： 以通过原点搜索参数指定的形式为基础， 通过执行 ORG 指令实际输出脉冲， 使 电动机动作，将以下 3 种位置信息作为输入条件，来确定机械原点的功能。 a.原点输入信号 b.原点附近输入信号 c.CW 极限输入信号、CCW 极限输入信号 2.脉冲输出当前值变更： 希望将当前位置设为原点的情况下，通过 INI 指令将脉冲输出当前值变更为 0。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 执行上述中的任何一项时，进入原点确定状态。 此外，作为回复到原点的功能，还可以配备以下原点复位功能。 原点复位： 从电动机停止的任意位置开始， 通过执行 ORG 指令实际输出脉冲， 使电动机动 作，使其向原点搜索或当前值变更确定的原点位置移动。 通过 ORG 指令，输出脉冲使电动机实际动作，使用显示原点附近、原点的 输入信号来决定原点。作为显示原点的输入信号，使用伺服电动机配备编码器的 Z 相信号、或外部传感器（光电/接近传感器/限位开关等）。可选择几个原点搜 索形式。 另外，在原点输入信号上连接传感器等的集电极开路输出信号。原点输入信 号的响应时间为 0.1ms （NO 接点设定） 。 这里的 “原点输入信号上连接传感器” 即步进电机复位开关，系统每次重新上电和按下复位按钮时，执行“ORG”命 令，搜索系统原点。程序如图： 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 3.33.3.3.3 置位，复位功能置位，复位功能 系统中， 夹具气缸， 切割机下降气缸， 及切割机转动控制都采用置位 （SET） ， 复位（RSET）命令。 为防止系统故障停止错位， 初次上电和按下复位按钮时， 也要复位夹具气缸， 切割机下降气缸，及切割机转动。 3.33.3.4.4 频率设定指令频率设定指令 频率设定指令是这个程序的核心指令，用来控制步进电机。 可进行无加减速脉冲输出、定位（单独模式）或速度控制（连续模式）。单 独模式中通过 PULS 指令和置位使用。通过在脉冲输出中执行本指令，可变更 脉冲输出的目标频率。 从由 C1 指定的端口中，通过由 C2 指定的方式和由 S 指定的目标频率 来执行脉冲输出。执行一次 SPED 指令时，通过指定的条件，执行脉冲输出。 因此基本上在输入微分型（带）或 1 周期 ON 的输入条件下使用。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 在独立模式中输出事先所设定的脉冲量时，自动地停止脉冲输出。在连续模 式中，在执行脉冲输出停止之前，继续进行脉冲的输出。 在独立模式的脉冲输出中变更为连续模式，或在连续模式的脉冲输出中变更 为独立模式时，就会出错，不能被执行。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第四章 送料定位与夹紧 4.1 4.1 结构方案设计结构方案设计 铝型材与横向、纵向定位块为基准定位，到达传送初始位置。机 械手夹紧铝型材后横向运动设置距离。 这里的机械手由电机带动滚珠 丝杠直线运动，配合 4 套气爪的夹取，这样的结构简单，工作可靠， 采用滚珠丝杠，传送精度高。 4.2 4.2 传送部分的选型传送部分的选型 给定参数：5 米铝型材质量:15KG。铝型材宽：40MM。传送最大距 离：500MM。 气爪选用进口 SMC 厂家，MHL2-20D-Y69A-82 MHL2-气爪系列 20D-缸径 Y68A-极限位置传感器型号 82-气爪行程 由于铝型材较长，需要增加夹取的长度。本系统采用 4 套气爪夹 取。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 4.3 4.3 滚珠丝杠的滚珠丝杠的选型选型 4.3.14.3.1 滚珠丝杠的发展及应用滚珠丝杠的发展及应用 滚珠丝杠副早在 19 世纪末就已经被发明了， 但受制于当时的制造 水平，相当一段时间内未能实际应用。美国是世界上第一个将滚珠丝 杠副应用于工业 产品的国家，1940 年滚珠丝杠副被应用于美国通用 汽车公司萨吉诺分厂的汽车转向机构。我国在 1950 年代末期开始研 制用于数控机床的滚珠丝杠副，并于 1964 年由南京工艺装备制造厂 成功生产出我国第一套滚珠丝杠副。 随着数控机床和各种自动化设备 的发展，滚珠丝杠副的需求迅速增加，研究和生产也得到了很大的促 进，特别是精密螺纹磨床的出现， 使滚珠丝杠副在精度和性能上得 到了较大的飞跃。 滚珠丝杠副自 1874 年在美国获得专利至今已有 100 多年历史， 在 我国也有 40 来年的研制和生产历史。它的功能已从最初的“敏捷省 能传动” (上世纪 4050 年代)到 “精密定位” (70 年代)， 再从 “大 导程快速驱动”(80 年代)到“精密高速驱动”(90 年代)，在这 过程中产品不断升级换代得到一次质的飞跃。 在数控补偿技术出现前的很长时间里， 要提高机构定位精度， 主要通过提高滚珠丝杠副的精度来实现，因此，对滚珠丝杠的导程误 差要求很高，给滚 珠丝杠副的制造带来困难，使滚珠丝杠副的生产 成本加大。特别是高精度滚珠丝杠副，各项精度指标只有通过数控螺 纹磨床或激光反馈螺纹磨床多次加工才能达到。随着数控补偿 技术 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 的出现，在没有很高精度的滚珠丝杠副的情况下，也能通过数控补偿 获得高的定位精度。从而给滚珠丝杠的加工工艺争取了空间，使冷轧 工艺成为继旋磨工艺之后又一个被广 泛采用的加工手段。 由于滚珠丝杠副具有高效率、高精度、高刚度等特点，现在 滚珠丝杠副已经被广泛应用于机械、航天、航空、核工业等领域，并 已成为机械传动与定 位的首选部件。与此同时，伴随这滚珠丝杠副 的应用领域的扩大，对滚珠丝杠副的要求也越来越多，滚珠丝杠副除 了经典规格的加工工艺得到不断进步外，在多个特定方向上也有 了 很大发展，主要在以下几方面： 微型滚珠丝杠副在一些要求结构非常紧凑需要微动控制的场 合，如航天航空领域、小型精密测试装置、精密仪器等，它们基本上 都需要公称直径 d0 9的滚珠丝杠副称为微型大导程滚珠丝杠副。 大导程滚珠丝杠副指公称直径 d016mm，螺旋升角9或导 程 Ph=d0 的滚珠丝杠副，对于螺旋升角17则称为超大导程滚珠丝 杠副。 重型滚珠丝杠副指公称直径 d0120mm 的滚珠丝杠副。 世界主要滚珠丝杆生产制造商： THK (日本) NSK (日本) TSUBAKI (日本椿本) STAR (德国) SHUTON (西班牙) PMI-AMT(中国台湾银泰) HIWIN (中国台湾上银) 汉江机床厂 南京工艺装配厂 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 4.3.24.3.2 滚珠丝杠的原理结构和特点滚珠丝杠的原理结构和特点 滚珠丝杠组成：主要由丝杆、螺母、滚珠和滚道（回珠器）、螺 母座等组成。 工作原理：在丝杆和螺母上加工有弧行螺旋槽，当它们套装在一 起时便形成螺 旋滚道，并在滚道内装满滚珠。而滚珠则沿滚道滚动，并经回珠 管作周而复始的循环 运动。回珠管两端还起挡珠的作用，以防滚珠沿滚道掉出。 滚珠丝杠螺母传动的优点： 1. 摩擦小，效率高。一般情况下，它的机械效率在 90%以上，约 比滑动丝杠传动的机械效率高 2-4 倍。因此，在同样负荷下，驱动扭 矩较滑动丝杠减少 2/3-3/4。同时它的逆传动效率也很高，接近正传 动效率，因此它可以比较容易地把直线运动转换为旋转运动。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 2. 由于是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差极小，无论是静止，还 是高、低速时，摩擦扭矩几乎不变，因而灵敏度高，传动平稳。 3. 磨损少，寿命长。滚珠丝杠副中的主要零件，如丝杠、螺母、 滚珠和滚珠循环返回装置中部分零件，均经过热处理，并且有很高的 表面光洁度，再加上滚动摩擦很小，因而具有良好的耐磨性，寿命约 为滑动丝杠副的 4-10 倍以上。 4. 定位精度和重复定位精度高。 由于滚珠丝杠副摩擦小， 温升小， 无爬行、无间隙。通过预紧进行拉伸以补偿热膨胀。因此可达到较高 的定位精度和重复定位精度。 5. 可靠性高。润滑密封装置结构简单，维修方便。 滚珠丝杠螺母传动的缺点： 1. 不自锁。因其你传动效率很高，滚珠丝杠副一般不能自锁。因 此在不允许产生逆传动的地方，如横梁的升降系统等，必须增设制动 或自锁机构。 2. 结构较复杂，工艺性差，成本高。 4.3.34.3.3 滚珠丝杠的设计要求滚珠丝杠的设计要求 滚珠丝杠副是丝杠和螺母之以滚珠为滚动体的螺旋传动副，它可 以将回转运动变为直线运动，或相反。其组成和主要尺寸如图所示。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 0 d 公称直径； 1 d滚珠丝杠