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XX大學畢業(yè)論文 學院：XX學院 班級：機械XX 姓名：XXX 學號：XX 目 錄 摘 要 3 關(guān)鍵詞 3 Abstract 4 Keywords 4 第一章 PLC簡介及發(fā)展歷史 5 1.1 PLC發(fā)展 5 1.2 PLC的用途 7 1.3 PLC的性能特點 8 1.3.1 硬件的可靠性 8 1.3.2 編程簡單，使用方便 9 1.3.3 接線簡單，通用性好 9 1.3.4 可連接為控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 10 1.4 PLC的工作原理 11 1.5 PLC的編程語言 12 第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 14 2.1 PLC硬件設(shè)計 14 2.1.1 CP1H簡介 14 2.1.2 PLC點表設(shè)計及接線 15 2.2 步進電機硬件設(shè)計 17 2.2.1 步進電機簡介 17 第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 21 3.1 軟件系統(tǒng)簡介 21 3.2 工藝流程圖分析 22 3.3程序功能分析 24 3.3.1啟動按鈕自鎖 24 3.3.2原點搜索／原點復(fù)位功能 24 3.3.3置位，復(fù)位功能 26 3.3.4 頻率設(shè)定指令 26 第四章 送料定位與夾緊 28 4.1 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 28 4.2 傳送部分的選型 28 4.3 滾珠絲杠的選型 29 4.3.1滾珠絲杠的發(fā)展及應(yīng)用 29 4.3.2滾珠絲杠的原理結(jié)構(gòu)和特點 32 4.3.3滾珠絲杠的設(shè)計要求 33 結(jié)論 35 參 考 文 獻 36 致謝 38 全自動鋁型材切割機送料定位與夾緊系統(tǒng)的設(shè)計 摘 要 在很多機械加工過程中，需要對鋁材進行切割。而全自動鋁型材切割機特別適用于加工精度要求高，圖形復(fù)雜的情況　它主要由PLC及傳感器和步進電機組成。PLC在工作過程中，根據(jù)傳感器和精確的脈沖控制對步進電機精準控制。在設(shè)計過程中，全自動鋁型材切割機的控制系統(tǒng)是關(guān)鍵，它主要包括如下幾個方面； 1. 加工工件的原始參考點的確定； 2. 切割刀的控制； 3. 步進電機的控制； 　基于上述要求，我們選用歐姆龍CP1H構(gòu)成控制系統(tǒng)，東洋2H45B步進電機配合完成系統(tǒng)控制設(shè)計。 關(guān)鍵詞：全自動、鋁型材切割機、PLCAbstract 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. Keywords：Automatic, aluminum cutting machine, PLC 第一章 PLC簡介及發(fā)展歷史 1.1 PLC發(fā)展 第一臺可編程控制器的設(shè)計規(guī)范是美國通用公司提出的。當時的目的是要求設(shè)計一種新的控制裝置以取代繼電器盤，在保留了繼電器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操作方便、價格便宜等優(yōu)點的基礎(chǔ)上，同時具有現(xiàn)代化生產(chǎn)線所要求的時間響應(yīng)快、控制精度高、可靠性好、控制程序、可隨工藝改變、易于與計算機接口、維修方便等諸多高品質(zhì)與功能。這一設(shè)想提出后，美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）于1969年研制成第一臺PLC，型號為PDP-14，投入通用汽車公司的生產(chǎn)線控制中，取得了令人滿意的效果，從此開創(chuàng)了PLC的新紀元。 第一臺PLC具有模塊化、可擴充、可重編程及用于工業(yè)環(huán)境的特性。這些控制器易于安裝，占用空間小，可重復(fù)使用。盡管控制器編程有些瑣碎，但它具有公共的工廠標準—梯形圖編程語言，這樣使得不熟悉計算機的人也能方便的使用它。 在短時間內(nèi)，PLC在其他工業(yè)部門也得到應(yīng)用。到70年代初，食品、金屬和制造等工業(yè)部門相繼使用PLC代替繼電器控制設(shè)備，邁出了其實用化階段的第一步。 70年代中期，由于大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，使8位微處理器和位片處理器相繼問世，使可編程控制技術(shù)產(chǎn)生了飛躍。在邏輯運算功能的基礎(chǔ)上，增加了數(shù)值運算、閉環(huán)控制、提高了運算速度，擴大了輸入輸出規(guī)模。在這個時期，日本、西德（原）和法國相繼研制出了自己的PLC，我國在1974年也開始研制。 70年代由于超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，使PLC向大規(guī)模、高速性能方向發(fā)展，形成了多種系列化產(chǎn)品。這是面向工程技術(shù)人員的編程語言發(fā)展成熟，出現(xiàn)了工藝人員使用的圖形語言。在功能上，PLC可以代替某些模擬控制裝置和小型機DDC系統(tǒng)。 進入八九十年代后，PLC的軟硬件功能進一步得到加強，PLC已發(fā)展成為一種可提供諸多功能的成熟的控制系統(tǒng)，能與其他設(shè)備通信，生成報表，調(diào)度產(chǎn)生，可診斷自身故障及機器故障。這些改進使PLC符合今天對高質(zhì)量高產(chǎn)出的要求。盡管PLC功能越來越強，但他仍然保留了先前的簡單與易于使用的特點(PLC實物圖2-1) PLC是一種專門在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計。 隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，可編程序控制器有了突飛猛進的發(fā)展，其功能已遠遠超出了邏輯控制、順序控制的范圍，它與計算機有效結(jié)合，可進行模擬量控制，具有遠程通信功能等。有人將其稱為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（即PLC，機器人，CAD/CAM）之一。目前可編程序控制器（Programmable Controller）簡稱PLC已廣泛應(yīng)用于冶金、礦業(yè)、機械、輕工等領(lǐng)域，為工業(yè)自動化提供了有力的工具。 1.2 PLC的用途 PLC的初期由于其價格高于繼電器控制裝置,使其應(yīng)用受到限制。但近年來由于微處理器芯片及有關(guān)元件價格大大下降,使PLC的成本下降,同時又由于PLC的功能大大增強,使PLC 的應(yīng)用越來越廣泛,廣泛應(yīng)用于鋼鐵、水泥、石油、化工、采礦、電力、機械制造、汽車、造紙、紡織、環(huán)保等行業(yè)。PLC的應(yīng)用通常可分為五種類型： （1）順序控制 這是PLC應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，用以取代傳統(tǒng)的繼電器順序控制。PLC可應(yīng)用于單機控制、多機群控、生產(chǎn)自動線控制等。如注塑機、印刷機械、訂書機械、切紙機械、組合機床、磨床、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯控制等。 （2）運動控制 PLC制造商目前已提供了拖動步進電動機或伺服電動機的單軸或多軸位置控制模版。在多數(shù)情況下，PLC把掃描目標位置的數(shù)據(jù)送給模版塊，其輸出移動一軸或數(shù)軸到目標位置。每個軸移動時，位置控制模塊保持適當?shù)乃俣群图铀俣?，確保運動平滑。 相對來說，位置控制模塊比計算機數(shù)值控制（CNC）裝置體積更小，價格更低，速度更快，操作方便。 （3）閉環(huán)過程控制 PLC能控制大量的物理參數(shù)，如溫度、壓力、速度和流量等。PID（Proportional Intergral Derivative）模塊的提供使PLC具有閉環(huán)控制功能,即一個具有PID控制能力的PLC可用于過程控制。當過程控制中某一個變量出現(xiàn)偏差時,PID控制算法會計算出正確的輸出,把變量保持在設(shè)定值上。 （4）數(shù)據(jù)處理 在機械加工中，出現(xiàn)了把支持順序控制的PLC和計算機數(shù)值控制（CNC）設(shè)備緊密結(jié)合的趨向。著名的日本FANUC公司推出的Systen10、11、12系列，已將CNC控制功能作為PLC的一部分。為了實現(xiàn)PLC和CNC設(shè)備之間內(nèi)部數(shù)據(jù)自由傳遞，該公司采用了窗口軟件。通過窗口軟件，用戶可以獨自編程，由PLC送至CNC設(shè)備使用。美國GE公司的CNC設(shè)備新機種也同樣使用了具有數(shù)據(jù)處理的PLC。預(yù)計今后幾年CNC系統(tǒng)將變成以PLC為主體的控制和管理系統(tǒng)。 （5）通信和聯(lián)網(wǎng) 為了適應(yīng)國外近幾年來興起的工廠自動化（FA）系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)（FMS）及集散控制系統(tǒng)（DCS）等發(fā)展的需要，必須發(fā)展PLC之間，PLC和上級計算機之間的通信功能。作為實時控制系統(tǒng)，不僅PLC數(shù)據(jù)通信速率要求高，而且要考慮出現(xiàn)停電故障時的對策。 1.3 PLC的性能特點 1.3.1 硬件的可靠性 PLC是在工業(yè)環(huán)境的惡劣條件下應(yīng)用而設(shè)計的，一個設(shè)計良好的PLC能置于有很強的電噪聲、電磁干擾、機械振動、極端溫度和濕度很大的環(huán)境中。 在硬件設(shè)計方面，首先是選用優(yōu)質(zhì)器件，再就是采用合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，加固，簡化安裝，使它易于抗振動沖擊，對印制電路板的設(shè)計、加工及焊接都采取了極為嚴格的工藝措施，而且在電路、結(jié)構(gòu)及工藝上采取了一些獨特的方式。例如，在輸入/輸出電路中都采用了光電隔離措施，做到電浮空，既方便接地，用提高了抗干擾性能；各個I/O端口都除采用了常規(guī)模擬器濾波以外，還加上了數(shù)字濾波；內(nèi)部采用了電磁屏蔽措施，防止輻射干擾；采用了較先進的電源電路，以防止由電源回路串入的干擾信號；采用了較合理的電路程序，一旦某模塊出現(xiàn)故障，進行在線插拔、調(diào)試時不會影響各機的正常運行。 由于PLC本身具有很高的可靠性，所以發(fā)生故障的部位大多集中在輸入/輸出的部件上，以及如傳感器件、限位開關(guān)、光電開關(guān)、電磁電機等外圍裝置上。 1.3.2 編程簡單，使用方便 用微機實現(xiàn)自動控制，常使用匯編語言編程，難于掌握，要求使用者具有一定水平的計算機硬件和軟件知識。 PLC采用面向控制過程、面向問題的“自然語言”編程，容易掌握。例如，目前打多數(shù)PLC均采用的梯形圖語言編程方式，既繼承了傳統(tǒng)控制線路的清晰直觀感，又顧及了大多數(shù)電氣技術(shù)人員的讀圖習慣及應(yīng)用微機的水平很容易被電氣技術(shù)人員所接受，易于編程，程序改變時也容易修改，很靈活方便。 這種面向控制過程、面向問題的編程方式，與目前微機控制常用的匯編語言相比，雖然在PLC內(nèi)部增加了解釋程序，增加了程序執(zhí)行時間，但對大多數(shù)的機電控制設(shè)備來說，這是微不足道的。 1.3.3 接線簡單，通用性好 PLC的接線只需將輸入信號的設(shè)備（按鈕、開關(guān)等）與PLC輸入端子連接，將接受輸出信號執(zhí)行控制任務(wù)的執(zhí)行元件（接觸器、電磁閥等）與PLC輸出端子連接。接線簡單、工作最少，省去了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)接線和拆線的麻煩。PLC的編程邏輯提供了能隨要求而改變的“接線網(wǎng)絡(luò)”，這樣生產(chǎn)線的自動化過程就能隨意改變。這種性能使PLC具有很高的經(jīng)濟效益。 用于連接現(xiàn)場設(shè)備的硬件接口實際上是PLC的組成部分，模塊化的自診斷接口電路能指出故障，并易于排除故障與替換故障部件，這樣的軟硬件設(shè)計就使現(xiàn)場電氣人員與技術(shù)人員易于是用。 1.3.4 可連接為控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) PLC可連成功能很強的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)可分為兩類：一類是低速網(wǎng)絡(luò)，采用主從方式通信，傳輸速率從幾千波特到上萬波特，傳輸距離為500—2500m；另一類為高速網(wǎng)絡(luò)，采用令牌傳送方式通信，傳輸速率為1M—10Mbps，傳輸距離為500—1000m，網(wǎng)上結(jié)點可達1024個。這兩類網(wǎng)絡(luò)可以級連，網(wǎng)上可兼容不同類型的可編程控制器和計算機，從而組成控制范圍很大的局部網(wǎng)絡(luò)。 (5) 易于安裝，便于維護 PLC安裝簡單而且功能有效，其相對小的體積使之能安裝在通常繼電器控制箱所需空間的一半的地方，在從繼電器系統(tǒng)改換到PLC系統(tǒng)的情況下，PLC小的模塊結(jié)構(gòu)使之能安裝在繼電器附近并將連線向已有接線端，其實改換很方便，只要將輸入/輸出設(shè)備連向接線端即可。 在大型安裝中，長距離輸入/輸出站點安放在最優(yōu)地點。長距離站通過同軸電纜獲雙扭線連向CPU，這種配置大大減少了物料和勞力，長距離子系統(tǒng)方法也意味著系統(tǒng)不同部分可在到達安裝場地前由PLC制造商預(yù)先連好線，這一方法大大減少了電氣技術(shù)人員的現(xiàn)場安裝時間。 從一開始，PLC便以易維護作為設(shè)計目標。由于幾乎所有器件都是固態(tài)的，維護時只需更換模塊級插入式部件，故障檢測電路將診斷指示器嵌在每一部件中，就能指示器是否正常工作，借助于編程設(shè)備可見輸入/輸出是ON還是OFF，還可寫編程指令來報告故障。 1.4 PLC的工作原理 PLC具有微機的許多特點，但它的工作方式卻與微機有很大不同。微機一般采用等待命令的工作方式。PLC則采用循環(huán)掃描工作方式。在PLC中，用戶程序按先后順序存放，CPU從第一條指令開始執(zhí)行程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條。如此周而不斷循環(huán)。每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。一個掃描周期大致可分為I/O刷新和執(zhí)行指令兩個階段。 所謂I/O刷新即對PLC的輸入進行一次讀取，將輸入端各變量的狀態(tài)重新讀入PLC中存入內(nèi)部寄存器，同時將新的運算結(jié)果送到輸出端。這實際是將存入輸入、輸出狀態(tài)的寄存器內(nèi)容進行了一次更新，故稱為“I（輸入）/O(輸出) 刷新”。 由此可見，若輸入變量在I/O刷新期間狀態(tài)發(fā)生變化，則本次掃描期間輸出端也會相應(yīng)的發(fā)生變化，或者說輸出隊輸入產(chǎn)生了響應(yīng)。反之，若在本次I/O刷新之后，輸入變量才發(fā)生變化，則本次掃描輸出不變，即不響應(yīng)，而要到下一次掃描期間輸出才會產(chǎn)生響應(yīng)。由于PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，所以它的輸出對輸入的響應(yīng)速度要受掃描周期的影響。掃描周期的長短主要取決于這幾個因數(shù)：一是CPU執(zhí)行指令的速度，二是每條指令占用的時間，三是指令條數(shù)的多少，即程序的長短。 對于慢速控制系統(tǒng)，響應(yīng)速度常常不是主要的，故這種方式不但沒有壞處反而可以增強系統(tǒng)抗干擾能力。因為干擾常是脈沖式的、短時的，而由于系統(tǒng)響應(yīng)較慢，常常要幾個掃描周期才響應(yīng)一次，而多次掃描后，瞬間干擾所引起的誤動作將會大大減少，故增加了抗干擾能力。 但對控制時間要求較嚴格、響應(yīng)速度要求較快的系統(tǒng)，這一問題就需慎重考慮。應(yīng)對響應(yīng)時間作出精確的計算，精心編排程序，合理安排指令的順序，以盡可能減少周期造成的響應(yīng)延時等的不良影響。 1.5 PLC的編程語言 PLC提供了較完整的編程語言，以適應(yīng)PLC在工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用。利用編程語言，按照不同的控制要求編制不同的控制程序，這相當于設(shè)計和改變繼電器的硬接線線路，這就是所謂的“可編程序”。程序由編程器送到PLC內(nèi)部的存儲器中，它也能方便地讀出、檢查與修改。 PLC提供的編程語言通常由三種：梯形圖、功能圖、及布爾邏輯編程。 梯形圖(Ladder Programming)是應(yīng)用最廣的，梯形圖編程有時稱為繼電器梯形圖邏輯圖編程。它使用的最廣是因為它和以往的繼電器控制線路很接近。梯形圖是在原電器控制系統(tǒng)中常用的接觸器、繼電器梯形圖基礎(chǔ)上演變而來的，它與電氣操作原理相呼應(yīng)。它的最大優(yōu)點是形象、直觀和實用，為廣大電氣技術(shù)人員所熟知。PLC的梯形圖與電氣控制系統(tǒng)梯形圖的基本思想是一致的，只是在使用符號和表達方式上有一定區(qū)別。PLC的梯形圖使用的時內(nèi)部繼電器、定時器/計數(shù)器，都是由軟件實現(xiàn)的，其主要特點為使用方便、修改靈活。 功能圖編程（Function Chart Programming）是一種較新的編程方法。它的作用使用功能圖來表達一個順序控制過程。 布爾邏輯編程(Boolean Logic Programming)包括“與”（AND）、或(OR)、非(NOT)以及定時器、計數(shù)器、觸發(fā)器等。 每一種編程方法都有它的優(yōu)點和缺點，根據(jù)每一種特殊的控制要求，根據(jù)編程者的熟練程度正確合理應(yīng)用編程方法。 PLC的這些及其他特性使之成為任何一個控制系統(tǒng)的有益部分。一旦安裝后，其作用立即顯現(xiàn)，其收益也馬上實現(xiàn)，向其他智能設(shè)備一樣,PLC的潛在優(yōu)點還取決于應(yīng)用時的創(chuàng)造性。 第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 OMRON集團1933年5月10日創(chuàng)業(yè)至今的70多年中，通過不斷創(chuàng)造新的社會需求，已經(jīng)發(fā)展成為全球知名的自動化控制及電子設(shè)備制造廠商，掌握著世界領(lǐng)先的傳感與控制核心技術(shù)。 歐姆龍自動化（中國）統(tǒng)轄集團是一個引領(lǐng)工業(yè)自動化產(chǎn)品和應(yīng)用先進技術(shù)的跨國公司，作為歐姆龍全球事業(yè)的一部分，它已經(jīng)成為自動化領(lǐng)域的佼佼者。歐姆龍自動化（中國）統(tǒng)轄集團建有研發(fā)、生產(chǎn)、技術(shù)服務(wù)和物流基地，在華北、華東和華南擁有銷售公司，其下屬近40個事務(wù)所、辦事處遍布全國，為客戶提供最直接的服務(wù)。歐姆龍以其特有的“傳感與控制”技術(shù)，利用多年的經(jīng)驗，以及對生產(chǎn)現(xiàn)場的深刻理解，不斷滿足客戶對產(chǎn)品多樣化和高品質(zhì)的追求。 2.1 PLC硬件設(shè)計 2.1.1 CP1H簡介 CP1H是日本歐姆龍新推出的整體式小型機，是一款性價比高、功能完備的通用控制器。其特點是結(jié)構(gòu)緊湊，集成了開關(guān)量控制、模擬量控制、高速計數(shù)、4軸高速脈沖輸出、串行通信等功能于一身，CP1H指令豐富，采用任務(wù)編程方式，并支持功能塊編程方法使編程更加清楚、簡便。CP1H取消了手持編程器配置，沒有通常的外設(shè)接口，取而代之的是USB端口。還有串行通信功能端口2個，可自由選擇RS-232C、和RS-485。 可編程控制器CP1H-X 是用于實現(xiàn)高速處理和高功能的程序一體化型PLC。詳細具有以下特點： ·CPU 單元本體，內(nèi)置輸入24 點/輸出16 點。 ·CPU 單元本體，可實現(xiàn)高速計數(shù)器4 軸，脈沖輸出4軸。 ·通過擴展CPM1A 系列的擴展I/O 單元， CP1H 整體可以達到最大320 點的輸入輸出。 ·通過擴展CPM1A 系列的擴展單元，也能夠進行功能擴展（溫度傳感器輸入等）。 · 通過安裝選件板，可進行RS-232C 通信或RS-422A/485 通信（PT、條形碼閱讀器、變頻器等的連接用）。 ·通過擴展CJ 系列高功能單元，可擴展向上位/下位的通信功能等。 2.1.2 PLC點表設(shè)計及接線 選用CP1H的原因，是因為其性能穩(wěn)定，經(jīng)濟合理，而其脈沖輸出功能，也能很好的和步進電機配合控制切割機的動作。 硬件上設(shè)計以下硬件點： 1. 啟動按鈕，用來控制整個系統(tǒng)啟動。 2. 停止按鈕，控制系統(tǒng)一般，緊急情況停止。 3. 復(fù)位按鈕，當步進電機運行到某一位置時，希望電機回歸原位，以便隨時校準絲杠。 4. 步進電機復(fù)位開關(guān)，安裝在送料導(dǎo)軌上，用于每次步進電機動作復(fù)位反饋。 5. 切割機到位開關(guān)，安裝在切割機上下動作氣缸上，用于反饋氣缸動作。 6. 電機控制輸出，分別為電機脈沖輸出，方向控制，起?？刂?； 7. 切割機轉(zhuǎn)動控制。 8. 切割機下降控制。 9. 夾具氣缸動作，使夾具夾緊。 統(tǒng)計IO變量如表1所示 序 號 輸 入 輸 出 1 啟動按鈕 電機脈沖輸出 2 停止按鈕 電機方向控制 3 復(fù)位按鈕 電機停止 4 步進電機復(fù)位開關(guān) 切割機轉(zhuǎn)動 5 切割機到位開關(guān) 切割機下降 6 　 夾具夾緊 表1. IO變量表 PLC數(shù)字量輸入點接線圖如圖1所示。輸入點輸入電壓為DC24V，所以將開關(guān)電源DC24V輸出與各開關(guān)量相連，輸入進PLC中。 圖1.PLC數(shù)字量輸入點接線圖 PLC數(shù)字量輸出點接線圖如圖2所示。 圖2.PLC數(shù)字量輸出點接線圖 2.2 步進電機硬件設(shè)計 2.2.1 步進電機簡介 ?步進電機(stepping motor),步進電機(step motor)，或者是脈沖電機(pulse motor)，其它的如(stepper motor)等……有著各式各樣的稱呼方式，這些用日本話來表示的時候，就成為階動電動機，還有，階動就是一步一步階段動作的意思，這各用另外一種語言來表示時，就是成為步進驅(qū)動的意思，總之，就是輸入一個脈沖就會有一定的轉(zhuǎn)角，分配轉(zhuǎn)軸變位的電動機。? 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制組件。 在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號， 電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。 這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。 單相步進電機有單路電脈沖驅(qū)動，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅(qū)動。多相步進電機有多相方波脈沖驅(qū)動，用途很廣。使用多相步進 電機時，單路電脈沖信號可先通過脈沖分配器轉(zhuǎn)換為多相脈沖信號，在經(jīng)功率放大后分別送入步進電機各項繞組。每輸入一個脈沖到脈沖分配器，電機各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過一定的角度（稱為步距角）。正常情況下，步進 電機轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時，電機的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負載變化的影響。在非超載的情況下， 電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。 步進電機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進電動機驅(qū)動器，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動單元、保護單元等組成。驅(qū)動單元與步進電動機直接耦合，也可理解成步進電動機微機控制器的功率接口。 步進電機驅(qū)動器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進電機的角位移，或者說：控制系統(tǒng)每發(fā)一個脈沖信號，通過驅(qū)動器就使步進電機旋轉(zhuǎn)一個步距角。也就是說步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比。所以控制步進脈沖信號的頻率，就可以對電機精確調(diào)速；控制步進脈沖的個數(shù)，就可以對電機精確定位。步進電機驅(qū)動器有很多，應(yīng)以實際的功率要求合理的選擇驅(qū)動器。 本設(shè)計步進電機選用性價比較高的東洋2H45B系統(tǒng)。 2H45B系統(tǒng)具有以下特點： 1. 雙極性恒流斬波驅(qū)動； 2. 靈活的輸出電流設(shè)定； 3. 最大128細分設(shè)定，且不影響其輸出力矩； 4. 報警信號光藕隔離輸出，方便用戶監(jiān)控。； 5. 過壓、欠壓、過流、短路、高溫等報警保護； 6. 電機低速無爬行現(xiàn)象，噪音小，無共振區(qū)。 7. 通用定位孔尺寸，便于用戶安裝； 2H45B步進電機驅(qū)動器主要有一下幾個接線點，與PLC相連接，總結(jié)功能如表2所示： 符號標記 功能 詳細說明 PLS+ 輸入信號光電隔離正端　 接+5V供電電源，+5V～+24均可驅(qū)動，高于+5V需接限流電阻。 PLS- 步進脈沖信號 下降沿有效，每當脈沖由高變低時電機走一步。-5.5V≤低電平≤0.3V,3.6V≤高電平≤5.5V,脈沖寬度>2.5uS DIR+ 輸入信號光電隔離正端 接+5V供電電源，+5V～+24均可驅(qū)動，高于+5V需接限流電阻。 DIR- 方向控制信號 改變電機方向。-5.5V≤低電平≤0.3V,3.6V≤高電平≤5.5V,脈寬>2.5uS ENA+ 輸入信號光電隔離正端 接+5V供電電源，+5V～+24均可驅(qū)動，高于+5V需接限流電阻。 ENA- 電機釋放信號 有效（低電平）時關(guān)斷電機線圈電流，驅(qū)動停止工作，電機處于自由狀態(tài)。 表2. 輸入信號接口功能 2H45B步進電機驅(qū)動器各接線端子與PLC接線圖如圖3所示： 圖3.標準接線圖 第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 3.1 軟件系統(tǒng)簡介 編程是一個系統(tǒng)工作，它包含了對控制對象的分析理解，一直到程序調(diào)試的全過程。 1.明確控制系統(tǒng)要求 確定控制任務(wù)是設(shè)計PLC控制系統(tǒng)十分重要的部分。在設(shè)計中首先必須確定控制系統(tǒng)的I/O點數(shù)，它決定了PLC的系統(tǒng)配置，然后確定控制系統(tǒng)動作發(fā)生的順序和相應(yīng)的動作條件。 2.I/O分配 根據(jù)控制系統(tǒng)區(qū)分哪些是發(fā)送 （輸入）給PLC的信號，哪些是接收來自PLC的信號（輸出），分別給出對應(yīng)的地址。同時根據(jù)程序的需要合理使用定義過的內(nèi)部輔助繼電器、定時器和計數(shù)器等。 3.繪制梯形圖 明確輸入、輸出以及它們之間的關(guān)系之后，按照實際的要求編寫梯形圖。 4.將梯形圖轉(zhuǎn)換成助記符，編寫指令表。如果借助于計算機和編程軟件，可省去這一步。 5.利用編程器或編程軟件將程序輸入到PLC中。 6.檢查程序并糾正錯誤。 7.模擬調(diào)試。 8.現(xiàn)場調(diào)試。 CX-Programmer 是一個用于對Omron CP系列 PLC、CV系列 PLC、以及C系列 PLC建立、測試和維護程序的工具。它是一個支持PLC設(shè)備和地址信息、 OMRON PLC 和這些PLC支持的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行通信的方便工具。 CX-Programmer 在運行微軟Windows 環(huán)境(Microsoft Windows 95 或者更新版本, 或 Microsoft Windows NT 4.0或者更新版本)的標準IBM及其兼容（基于Pentium或者更高）臺式機上面運行。 3.2 工藝流程圖分析 統(tǒng)計IO變量如表1所示 序 號 輸 入 輸 出 1 啟動按鈕 電機脈沖輸出 2 停止按鈕 電機方向控制 3 復(fù)位按鈕 電機停止 4 步進電機復(fù)位開關(guān) 切割機轉(zhuǎn)動 5 切割機到位開關(guān) 切割機下降 6 　 夾具夾緊 表1. IO變量表 PLC程序設(shè)定的主要任務(wù)就是根據(jù)控制要求將公益流程圖轉(zhuǎn)換為梯形圖，這是PLC應(yīng)用中的關(guān)鍵問題，程序編寫是軟件設(shè)計的具體體現(xiàn)。所以工藝流程圖在軟件設(shè)計中占有相當重的份額，下面根據(jù)控制要求，總結(jié)工藝流程圖如下： 兩切割機一起動作，三個夾具一起動作，這樣能大大簡化程序難度，減少CPU運算量。 3.3程序功能分析 下面詳細分析程序中各功能，及使用到命令詳解。 3.3.1啟動按鈕自鎖 啟動按鈕和停止按鈕在整個控制中，起著相當重要的作用。按下啟動按鈕運行，并自鎖，程序中每一步動作，都需要有啟動按鈕的常開點保證系統(tǒng)可控性。當發(fā)生突發(fā)狀況或需要停止系統(tǒng)時，按下停止按鈕。 程序中采用中間繼電器自鎖控制系統(tǒng)啟停，如圖： 3.3.2原點搜索／原點復(fù)位功能 在CP1H CPU 單元的脈沖輸出功能中，作為決定機械原點的方法，可配備以下2 種功能。 1.原點搜索： 以通過原點搜索參數(shù)指定的形式為基礎(chǔ)，通過執(zhí)行ORG 指令實際輸出脈沖，使 電動機動作，將以下3 種位置信息作為輸入條件，來確定機械原點的功能。 a.原點輸入信號 b.原點附近輸入信號 c.CW 極限輸入信號、CCW 極限輸入信號 2.脈沖輸出當前值變更： 希望將當前位置設(shè)為原點的情況下，通過INI 指令將脈沖輸出當前值變更為0。 執(zhí)行上述中的任何一項時，進入原點確定狀態(tài)。 此外，作為回復(fù)到原點的功能，還可以配備以下原點復(fù)位功能。 ?原點復(fù)位： 從電動機停止的任意位置開始，通過執(zhí)行ORG 指令實際輸出脈沖，使電動機動作，使其向原點搜索或當前值變更確定的原點位置移動。 通過ORG 指令，輸出脈沖使電動機實際動作，使用顯示原點附近、原點的輸入信號來決定原點。作為顯示原點的輸入信號，使用伺服電動機配備編碼器的Z 相信號、或外部傳感器（光電/接近傳感器/限位開關(guān)等）。可選擇幾個原點搜索形式。 另外，在原點輸入信號上連接傳感器等的集電極開路輸出信號。原點輸入信號的響應(yīng)時間為0.1ms（NO 接點設(shè)定）。這里的“原點輸入信號上連接傳感器”即步進電機復(fù)位開關(guān)，系統(tǒng)每次重新上電和按下復(fù)位按鈕時，執(zhí)行“ORG”命令，搜索系統(tǒng)原點。程序如圖： 3.3.3置位，復(fù)位功能 系統(tǒng)中，夾具氣缸，切割機下降氣缸，及切割機轉(zhuǎn)動控制都采用置位（SET），復(fù)位（RSET）命令。 為防止系統(tǒng)故障停止錯位，初次上電和按下復(fù)位按鈕時，也要復(fù)位夾具氣缸，切割機下降氣缸，及切割機轉(zhuǎn)動。 3.3.4 頻率設(shè)定指令 頻率設(shè)定指令是這個程序的核心指令，用來控制步進電機。 可進行無加減速脈沖輸出、定位（單獨模式）或速度控制（連續(xù)模式）。單獨模式中通過PULS 指令和置位使用。通過在脈沖輸出中執(zhí)行本指令，可變更脈沖輸出的目標頻率。 從由C1 指定的端口中，通過由C2 指定的方式和由S指定的「目標頻率」來執(zhí)行脈沖輸出。執(zhí)行一次SPED 指令時，通過指定的條件，執(zhí)行脈沖輸出。因此基本上在輸入微分型（帶@）或1 周期ON 的輸入條件下使用。 在獨立模式中輸出事先所設(shè)定的脈沖量時，自動地停止脈沖輸出。在連續(xù)模式中，在執(zhí)行脈沖輸出停止之前，繼續(xù)進行脈沖的輸出。 在獨立模式的脈沖輸出中變更為連續(xù)模式，或在連續(xù)模式的脈沖輸出中變更為獨立模式時，就會出錯，不能被執(zhí)行。 第四章 送料定位與夾緊 4.1 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 鋁型材與橫向、縱向定位塊為基準定位，到達傳送初始位置。機械手夾緊鋁型材后橫向運動設(shè)置距離。這里的機械手由電機帶動滾珠絲杠直線運動，配合4套氣爪的夾取，這樣的結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，采用滾珠絲杠，傳送精度高。 4.2 傳送部分的選型 給定參數(shù)：5米鋁型材質(zhì)量:15KG。鋁型材寬：40MM。傳送最大距離：500MM。 氣爪選用進口SMC廠家，MHL2-20D-Y69A-82 MHL2-氣爪系列 20D-缸徑 Y68A-極限位置傳感器型號 82-氣爪行程 由于鋁型材較長，需要增加夾取的長度。本系統(tǒng)采用4套氣爪夾取。 4.3 滾珠絲杠的選型 4.3.1滾珠絲杠的發(fā)展及應(yīng)用 滾珠絲杠副早在19世紀末就已經(jīng)被發(fā)明了，但受制于當時的制造水平，相當一段時間內(nèi)未能實際應(yīng)用。美國是世界上第一個將滾珠絲杠副應(yīng)用于工業(yè) 產(chǎn)品的國家，1940年滾珠絲杠副被應(yīng)用于美國通用汽車公司薩吉諾分廠的汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)。我國在1950年代末期開始研制用于數(shù)控機床的滾珠絲杠副，并于1964年由南京工藝裝備制造廠成功生產(chǎn)出我國第一套滾珠絲杠副。隨著數(shù)控機床和各種自動化設(shè)備的發(fā)展，滾珠絲杠副的需求迅速增加，研究和生產(chǎn)也得到了很大的促進，特別是精密螺紋磨床的出現(xiàn)， 使?jié)L珠絲杠副在精度和性能上得到了較大的飛躍。 滾珠絲杠副自1874年在美國獲得專利至今已有100多年歷史，在我國也有40來年的研制和生產(chǎn)歷史。它的功能已從最初的“敏捷省能傳動”(上世紀40～50年代)到“精密定位”(70年代～)，再從“大導(dǎo)程快速驅(qū)動”(80年代～)到“精密高速驅(qū)動”(90年代～)，在這過程中產(chǎn)品不斷升級換代得到一次質(zhì)的飛躍。 在數(shù)控補償技術(shù)出現(xiàn)前的很長時間里，要提高機構(gòu)定位精度，主要通過提高滾珠絲杠副的精度來實現(xiàn)，因此，對滾珠絲杠的導(dǎo)程誤差要求很高，給滾 珠絲杠副的制造帶來困難，使?jié)L珠絲杠副的生產(chǎn)成本加大。特別是高精度滾珠絲杠副，各項精度指標只有通過數(shù)控螺紋磨床或激光反饋螺紋磨床多次加工才能達到。隨著數(shù)控補償 技術(shù)的出現(xiàn)，在沒有很高精度的滾珠絲杠副的情況下，也能通過數(shù)控補償獲得高的定位精度。從而給滾珠絲杠的加工工藝爭取了空間，使冷軋工藝成為繼旋磨工藝之后又一個被廣 泛采用的加工手段。 由于滾珠絲杠副具有高效率、高精度、高剛度等特點，現(xiàn)在滾珠絲杠副已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機械、航天、航空、核工業(yè)等領(lǐng)域，并已成為機械傳動與定 位的首選部件。與此同時，伴隨這滾珠絲杠副的應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，對滾珠絲杠副的要求也越來越多，滾珠絲杠副除了經(jīng)典規(guī)格的加工工藝得到不斷進步外，在多個特定方向上也有 了很大發(fā)展，主要在以下幾方面： 微型滾珠絲杠副——在一些要求結(jié)構(gòu)非常緊湊需要微動控制的場合，如航天航空領(lǐng)域、小型精密測試裝置、精密儀器等，它們基本上都需要公稱直徑d0<12mm，導(dǎo)程Ph=0.5～2.5mm 的微型滾珠絲杠副。在電子器件生產(chǎn)線插件裝置、小型機器人等需要高速驅(qū)動的領(lǐng)域，也需要微型滾珠絲杠副，甚至還要求導(dǎo)程很大。 大導(dǎo)程滾珠絲杠副——在機械產(chǎn)品向高速化發(fā)展的過程中，對進給驅(qū)動速度的要求不斷提高，大導(dǎo)程滾珠絲杠副自然成為最便捷的選擇。如工業(yè)機器人、數(shù)控鍛壓機械、加工中心 及機電一體化自動機械等，它們甚至需要導(dǎo)程等于公稱直徑的大導(dǎo)程滾珠絲杠副。 重載滾珠絲杠副——隨著重型機床數(shù)控化、注塑機械電控化的不斷擴大，重載滾珠絲杠自然應(yīng)運而生。重載滾珠絲杠副的出現(xiàn)，使得一些之前只有通過液壓實現(xiàn)的大推力傳動系統(tǒng) 電氣化成為現(xiàn)實，既減少了能源品種，又提高了控制精度。 現(xiàn)國內(nèi)外文獻上對滾珠絲杠副還沒有統(tǒng)一的分類，但各國一般按公稱直徑和導(dǎo)程分為： 普通滾珠絲杠副——通常指公稱直徑d0=16～100mm，導(dǎo)程Ph=4～20mm，螺旋升角<9°的滾珠絲杠副。 微型滾珠絲杠副——指公稱直徑d0<12mm的滾珠絲杠副，其中對于導(dǎo)程Ph<3mm的滾珠絲杠副稱為微型小導(dǎo)程滾珠絲杠副，螺旋升角>9°的滾珠絲杠副稱為微型大導(dǎo)程滾珠絲杠副。 大導(dǎo)程滾珠絲杠副——指公稱直徑d0>16mm，螺旋升角>9°或?qū)С蘌h=d0的滾珠絲杠副，對于螺旋升角>17°則稱為超大導(dǎo)程滾珠絲杠副。 重型滾珠絲杠副——指公稱直徑d0>120mm的滾珠絲杠副。 世界主要滾珠絲桿生產(chǎn)制造商： THK 　(日本) NSK (日本) TSUBAKI (日本椿本) STAR (德國) SHUTON (西班牙) PMI-AMT(中國臺灣銀泰) HIWIN (中國臺灣上銀) 漢江機床廠 南京工藝裝配廠 4.3.2滾珠絲杠的原理結(jié)構(gòu)和特點 滾珠絲杠組成：主要由絲桿、螺母、滾珠和滾道（回珠器）、螺母座等組成。 工作原理：在絲桿和螺母上加工有弧行螺旋槽，當它們套裝在一起時便形成螺 旋滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠。而滾珠則沿滾道滾動，并經(jīng)回珠管作周而復(fù)始的循環(huán) 運動。回珠管兩端還起擋珠的作用，以防滾珠沿滾道掉出。 滾珠絲杠螺母傳動的優(yōu)點： 1. 摩擦小，效率高。一般情況下，它的機械效率在90%以上，約比滑動絲杠傳動的機械效率高2-4倍。因此，在同樣負荷下，驅(qū)動扭矩較滑動絲杠減少2/3-3/4。同時它的逆?zhèn)鲃有室埠芨?，接近正傳動效率，因此它可以比較容易地把直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動。 2. 由于是滾動摩擦，動、靜摩擦系數(shù)相差極小，無論是靜止，還是高、低速時，摩擦扭矩幾乎不變，因而靈敏度高，傳動平穩(wěn)。 3. 磨損少，壽命長。滾珠絲杠副中的主要零件，如絲杠、螺母、滾珠和滾珠循環(huán)返回裝置中部分零件，均經(jīng)過熱處理，并且有很高的表面光潔度，再加上滾動摩擦很小，因而具有良好的耐磨性，壽命約為滑動絲杠副的4-10倍以上。 4. 定位精度和重復(fù)定位精度高。由于滾珠絲杠副摩擦小，溫升小，無爬行、無間隙。通過預(yù)緊進行拉伸以補償熱膨脹。因此可達到較高的定位精度和重復(fù)定位精度。 5. 可靠性高。潤滑密封裝置結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。 滾珠絲杠螺母傳動的缺點： 1. 不自鎖。因其你傳動效率很高，滾珠絲杠副一般不能自鎖。因此在不允許產(chǎn)生逆?zhèn)鲃拥牡胤剑鐧M梁的升降系統(tǒng)等，必須增設(shè)制動或自鎖機構(gòu)。 2. 結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工藝性差，成本高。 4.3.3滾珠絲杠的設(shè)計要求 滾珠絲杠副是絲杠和螺母之以滾珠為滾動體的螺旋傳動副，它可以將回轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，或相反。其組成和主要尺寸如圖所示。 — 公稱直徑； —滾珠絲杠螺紋外徑； —滾珠絲杠螺紋底徑； —軸頸直徑； —滾珠螺母體螺紋外徑； —滾珠螺母體螺紋底徑； —滾珠螺母體螺紋內(nèi)經(jīng)； —節(jié)圓直徑； —滾珠直徑； —螺紋全長； α—公稱接觸角； —導(dǎo)程； φ—導(dǎo)程角 主要部分 輔助部分 滾珠絲杠 螺紋部分、支撐軸頸 其他 滾珠螺母 滾珠螺母體、滾珠循環(huán)裝置 密封件、潤滑劑、預(yù)緊元件、 滾珠 負載滾珠 間隔滾珠 查閱設(shè)計手冊以及有關(guān)文獻，設(shè)計一根公稱直徑20mm、基本導(dǎo)程10mm、循環(huán)圈數(shù)2.5、額定動載荷≥5000N的外循環(huán)雙螺母式滾珠絲杠。 結(jié)論 為期兩個半月的畢業(yè)設(shè)計即將結(jié)束，回顧整個過程，我覺得受益匪淺。 畢業(yè)設(shè)計是應(yīng)用所學基礎(chǔ)理論，專業(yè)知識與技能去分析和解決生產(chǎn)實際問題的一次綜合訓練。通過這次畢業(yè)設(shè)計鞏固、擴大和強化了自己所學到的理論知識與技能，提高自己設(shè)計計算、制圖、編寫技術(shù)文件的能力，學會正確使用技術(shù)資料、標準、手冊等工具書，并在設(shè)計中培養(yǎng)自己理論聯(lián)系實際，嚴肅認真的工作作風和獨立工作能力，為畢業(yè)后從事技術(shù)工作打下了良好的基礎(chǔ)。 我是在保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)率、降低成本、并充分利用現(xiàn)有生產(chǎn)條件保證工人具有良好而安全的勞動條件的前提下，進行工藝設(shè)計和夾具設(shè)計的。 由于自己能力所限，設(shè)計中還有許多不足之處，懇請各位老師、同學們批評指正。 參 考 文 獻 [1]段志堅. 工程制圖[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.1 [2]成大先. 機械設(shè)計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007.11 [3]朱耀祥.現(xiàn)代夾具設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.10 [4]吳宗澤.簡明機械零件設(shè)計手冊[M].北京：中國電力出版社，2010 [5]黃平.常用機械零件及結(jié)構(gòu)圖冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，1999 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