基于PLC控制步进电机的自动往返工作台设计VIP

1、 plc原理及应用课程设计 题 目（中文）：基于plc控制步进电机的自动往返工作台设计 （英文）：the design of automatic round table based on plc-controlled stepper motor 姓 名 龙天 学 号 2007180 院 （系） 工 学 院 机 械 系 专业、年级 0 级 机 械 制 造 与 工 艺 教 育 指导教师 黄 秀 祥 二一一年 二月目 录摘要-2一、 绪论-3二、总体方案的确定-42.1、总体要求-42.2、操作要求-52.3、整体方案-5 三、 设计、选型-73.1、机械部分参数选择-73.2、确定步进电机的型号

2、-7 3.3、光栅的参数选择-93.4、plc控制部分-10四、附录 -15五、参考文献 -16六、结论- - -18七、致谢-18基于plc控制的步进电机的自动往返工作台摘要:长期以来，plc始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。本次设计介绍了自动往返工作台的plc（可编程序控制器）程序设计，包括plc控制模块，速度和位置反馈模块以及安全控制模块等，对整个控制设计作了全面的阐述和归纳总结，并提出改进的设想。在自动化生产线上，有些生产机械的工作台需要按一定的顺序实现自动往返运动，并且有的还要求在某些位置有一定的时间停留，以满足生产工艺要求。pl

3、c是近年来发展极为迅速、应用极为广泛的工业控制装置。plc采用编程语言采自易学易懂的梯形图语言，控制灵活方便，抗干扰能力强，运行稳定可靠等特点。用plc程序实现工作台自动往返顺序控制，不仅具有程序设计简易、方便、可靠性高等特点，而且程序设计方法多样，便于不同层次设计人员的理解和掌握。关键字：plc；顺序控制；自动化；往返；工作台abstract:since long ago, plc is in the industrial automation control domain throughout the main battlefield, has provided the extremely

4、 reliable control application for various automation control device. this design introduced automatic round-trip work table plc (programmable controller) the programming, including the plc control module, the speed and the position feedback module as well as the safety control module and so on, has

5、made the comprehensive elaboration and the induction to the entire control design summarizes, and proposes the improvement tentative plan. on the automatic production line, somewhat produces the machinery the work table to need according to certain smooth realization automatic reciprocating motion,

6、and some also requests have certain time pause in certain positions, satisfies the production technological requirement. plc was the recent years develops extremely rapidly, the application extremely widespread industry control device. plc uses the programming language to pick easily from to study t

7、he easy to understand trapezoidal chart language, the control nimble convenient, antijamming ability, movement stable reliable and so on characteristics. with plc procedure realization work table automatic round-trip sequential control, not only has the programming simple, convenient, the reliable h

8、igher characteristic, moreover the programming method is diverse, is advantageous for the different level to design personnels understanding and grasping.keywords：plc sequence; control; automation ;back and forth; table 一、绪论随着现代工业设备的自动化，越来越多的工厂设备采用plc，因此自动化程度越来越高。电器控制技术随着科学技术的不断发展，生产工艺不断提出新的要求而得到迅速发

9、展的。在现代化工业生产中，为了提高劳动生产率，降低成本，减轻工人的劳动负担，要求整个生产工艺全程自动化，这就离不开控制系统。自动往返工作台是基于plc控制系统来设计的，控制系统的每一步动作都直接作用于工作台的运动，与plc控制系统有着巨大的关系，因此对自动往返工作台的系统设计要予以重视。未来展望，21世纪，plc会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各

10、种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。 二、总体方案的确定2.1、总体要求（1）使用plc可编程序控制器实现工作台往返循环工作的控制。（2）工作台前进及后退由步进电动机通过丝杠拖动。（3）点动控制：能分别实现工作台前进和后退的点动控制。（4）自动

11、循环控制：重复循环运行，工作台前进及后退1次1个循环，每碰到换向行程开关时停止3秒后再反向运行。（5）采用光栅尺实现工作台位置检测。（6）自动循环控制线路：为了使步进电动机的正反转控制与工作台的左右运动相配合,在控制线路中设置了四个位置开关sq1、sq2、sq3和sq4,并把它们安装在工作台需限位的地方。其中sq1、sq2被用来自动换接电动机正反转控制电路,实现工作台的自动往返行程控制;sq3、sq4被用来作终端保护,以防止sq1、sq2失灵,工作台越过限定位置而造成事故。在工作台的t形槽中装有两块挡铁,挡铁1只能和sq1、sq3相碰撞,挡铁2只能和sq2、sq4相碰撞。当工作台运动到所限位置

12、时,挡铁碰撞位置开关,使其触头动作,自动换接电动机正反转控制电路,通过机械传动机构使工作台自动往返运动。工作台行程可通过移动挡铁位置来调节,拉开两块挡铁间的距离,行程就短,反之则短。自动循环控制线路如工作示意图所示。2.2、操作要求（1）点动控制的时候，按下sb4 按钮，工作台前进，松开 sb4按钮，工作台停止前进，按下 sb5 按钮，工作台后退，松开sb5 按钮，工作台停止后退。 （2）单循环运行：当按下sb1时，是正转启动，当工作台压下 sq1 时，将 i0.5常闭断开，i0.5常开闭合，延时3秒钟执行单循环操作；按下sb2，效果一样，只是开始的方向不同。2.3、整体方案图2-1-工作示意

13、图（1）、机械部分由步进电动机经过传动链将动力源传递至丝杆，丝杆与固定在工作台上的螺母配合，完成工作台的直线运动，当工作台运动至极限位置时，触动限位开关，限制工作台在一定的行程内工作，起到保护工作台的作用。（2）、电气部分plc初始值，将初始值传递至步进电动机驱动控制器，从而对步进电动机进行速度和方向的控制，工作台在运动后，主副光栅传感器的相对位移经过光电转换器产生微弱的模拟信号量，再经过放大整形电路，将其变成数字信号量，便于plc高速计数模块的处理，经高速计数模块处理后的信号plc相匹配，从而便于进行比较处理。 图2-2工作方框图三、设计、选型3.1、机械部分各参数选择：工作台和运载物的重量

14、：w=2000n工作台与丝杆的摩擦系数：=0.06工作台速度：v= 丝杆导程： l=6 丝杠直径：d=30丝杆总长度：l1=1000定位精度：0.023.2、确定步进电机的型号：3.2.1、脉冲当量的选择： a脉冲当量：一个指令脉冲使步进电动机驱动拖动的移动距离0.01初选之相步进电动机的步距角，当三相六拍运行时，步距角，其每转的脉冲数=480步进电动机与丝杆间的传动比i在步进电动机与丝杆之间加, 模数m=2.5的一对齿轮。 3.2.2、等效负载转矩的计算： -丝杆传动效率 (3-1) 3.2.3、 等效转动惯量计算（1）丝杆转动惯量 (3-2)（2） 工作台的运动惯量 (3-3) （3） 大

15、齿轮的转动惯量(大齿轮节圆直径62.5，宽12) (3-4)（4） 小齿轮的转动惯量（小齿轮节圆直径50 宽12）换算系列电机轴上的总转动惯量 换算到电动机轴上的总转动惯量 (3-5)（5） 初选步进电动机型号根据负载转矩和电动机总转动惯量选电动机型号为110bf003步进电动机，转子转动惯量3.3、光栅的参数选择热膨胀系数：精度等级：参考点：1个在测量长度的中点位置处增量信号：ttl栅距：8插补：5倍信号周期：0.8扫描频率：250khz边缘间距a：0.175最高运动速度：60m/s位置检测：零件和限位信号；ttl输出信号（无线路驱动器）电源：5v5%、电气连接：0.5m电缆，带d-sub接

16、头，接口电子设备内置在接头 中。最大电缆长度：增量信号：30m；零位限位10m振动55-2000hz：200 （ies 60068-2-6）冲击11ms：500 （ies 60068-2-6）工作温度：0-50摄氏度扫描头：9g(无连接电缆)接口电子设备：140g光栅尺：0.8g,0.08g/mm测量长度编码器电缆：37g/m3.4 plc控制部分 (1）plc的选择plc按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按cpu字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型plc的i/o点数固定，因此用户选择

17、的余地较小，用于小型控制系统；模块型plc提供多种i/o卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的i/o点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。siemens在推出新一代小型plc产品s7200后其价格与日本产品相差不大，最近几年其小型plc的市场增长迅速，已经与日本主要产品（mitsubishi和omron）在小型plc领域取得了类似的市场地位。近年来，由于具有明显的价格优势，中国台湾的部分plc厂商在小型plc领域发展势头十分强劲，抢占了原来日本产品的一部分低端市场。本课程设计选用s7200 plc型可编程控制器。s7200 plc型可编程控制器是德国西门子公司生产的一种小

18、型plc，是整体式结构。它有以下几个特征：定义掉电保护区立即读写i/q设置停止模式下的输出值对输入信号增加滤波器捕捉窄脉冲模拟点位器高速i/q(2) plc及步进电机接线图图3-1 plc及步进电机接线图用s7-200 plc控制步进电机正转与反转。把步进电机驱动器的d2设置为off，即pu为步进脉冲信号，dr为方向控制信号。plc的q0.0输出高速脉冲至步进电机驱动器的pu端，q0.1控制步进电机反转。(3) i/o地址分配表输入点输出点正转启动按钮sb1i0.0正转接触器qa1q0.0反转启动按钮sb2i0.1反转接触器qa2q0.1停止按钮sb3i0.2正转点动按钮sb4i0.3反转点动

19、按钮sb5i0.4左换向限位开关sq1i0.5右换向限位开关sq2i0.6左限位保护开关sq3i0.7右限位保护开关sq4i1.0表-1 i/o地址分配表 (4) 自动往返工作台梯形图 四、附录表-2表-3主要符号表sq1、 sq2 sq3 sq4 .限位开关sb5 sb6 sb7 sb8 sb9 sb10 手动开关sa1-1 sa1-2 sa1-3 sa1-4 sa1-5复合开关st5 光电检测开关 yv1 yv2 yv3 yv4 yv5 电磁阀 表-4 五、参考文献 求是科技编著 plc应用开发技术与实践m 北京 ：人民邮电出版社 2005 张万忠主编 可编程序控制器应用技术m北京：化学工

20、业出版社 2002 王振民主编 plc原理及应用m大庆石油学院 14-61 谢克明、夏路易主编 可编程序控制器原理与程序设计m北京电子工业出版社 2005 1-20 王永华主编 现代电器控制及plc应用技术m 北京： 北京航空航天大学出版社 2003 80-96 殷洪义主编 可编程序控制器选择设计与维护m 北京： 机械工业出版社 2002 24-49 廖常初主编 plc基础及应用 北京： 机械工业出版社 2006 周万珍、高鸿宾主编 plc分析及应用 北京： 电子工业出版社 2004 程周 plc技术与应用 福建科学技术出版社 2004 胡晓明 电气控制及plc 机械工业出版社 2006 simatic s7-200 可编程序控制器系统手册. j西门子公司. 2004 基于plc控制的双蓄热式钢包烘烤器自动控制系统 刘玉梅; 郝万新; 李忠明 仪表技术与传感器 2008-03-15 期刊 0 23 基于plc控制的垂直轴风力发电控制系统中通信系统的研究 王全胜; 宋建成; 姚为正 电气技术 2008-05-15 期刊 0 98 synth