毕业设计（论文）基于plc的单轴数控运动系统设计.doc

第一章 单轴数控运动系统的应用领域及特点1.1 单轴数控运动系统的基本概念单轴数控运动系统就是在一个时段内只能控制一个轴运动的运动系统，如点位数控运动系统和直线直线数控运动系统。在点位数控系统中，数控系统仅控制机床运动部件从一点尊却得移动到另一点，在移动过程中不进行加工。在直线数控系统中，除了控制运动部件从一个点到另一点的准确定位外，还要控制两点之间的运动速度和运动轨迹。在移动过程中，刀具只能以制定的进给速度切屑，且运动轨迹平行于机床坐标。1.2 单轴数控系统的运用领域单轴数控的应用范围很广，如钻床、拉床等，其特点是:机床移动部件能实现由一个位置到另一个位置的精确移动,即准确控制移动部件的终点位置, 在移动过程中刀具不切削工件。实现数控系统点位控制的方法。最常见的例如钻床类的摇臂钻床，它操作方便灵活、适用范围广、具有典型性，适用于单件中或批量生产中带有许多孔的大型零件的孔加工，我国摇臂钻床的电气控制系统普遍采用的是传统的继电器接触器控制方式。因其所要控制的电机较多所以电路较复杂，在日常的生产作业当中，经常发生电气故障，从而影响生产。另外，一些复杂的控制如;时间、计数控制用继电器接触器控制方式较难实现，所以，有必要对传统电气控制系统进行改进设计。PLC电气控制系统可以有效的弥补上述系统的这一缺陷。可编程逻辑控制器简称PLC，是从早期的继电器逻辑电气控制系统发展而来，它不断吸收微型计算机控制技术，使之功能不断增强，逐渐适合复杂的电气控制系统，PLC之所以有较强的生命力，在于它更加适应工业现场和市场要求。可靠性高，抗干扰能力强，编程方便，价格低，寿命长。与单片机相比，可靠性高、功能比较丰富、能在各种不同的控制场合使用，它的输入/输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件，这样可以大大节省用户的开发时间与生产成本。现在应用于各种工业控制领域的PLC种类繁多，规模大小和功能强弱千差万别，但她们具有以下一些共同的特点.可靠性高。可靠性是用户的首选要求，目前各厂家生产的PLC，平均无故障时间都大大超过IEC规定的10万小时，例如：西门子、ABB、松下三菱等微小型PLC，而且都有完善的自诊断功能，判断故障的迅速。灵活组态。PLC是系列化产品。通常采用模块化结构来完成不同的任务组合。输入输出端口选择灵活，有多种机型，组合方便。功能强大。除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算功能外，配合特殊功能模块还可实现点位控制、PTO运算、过程运算、数字控制等功能，为方便工厂管理又可以与上位机通信，通过远程模块可以控制远程设备。因此PLC几乎是全能的工业控制计算机。编程方便、易于使用。PLC的编程可采用与继电器极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电气人员的欢迎。近年来又发展了面向对象的顺控制流程图语言，使编程更加简单方便。运行速度快。传统的机电接触电气控制系统通过大量触点的机械动作进行控制，速度很慢，而且系统愈大速度愈慢。PLC的控制速度则由PLC与PC机之间的差别越来越小。同时，PLC还具备了网络功能。能进行多台PLC或PLC与PC机之间的联网通讯，使用PLC可以很方便的构成“集中管理、分散控制”的分布式电气控制系统，通过现场总线的PLC通讯网络、可使工厂的各种资源共享，就更适合于工厂自动化的需要，为工厂自动化提供了技术保证。正是由于PLC电气控制系统的种种优点，可以大大提高单轴数控设备的工作稳定性，为工业生产的现代化带来生机，同时，提高了PLC编程水平和时间能力，为今后在实际工作中熟练使用PLC进行工业系统的设计打好基础。1.3单轴数控运动系统的特点1.3.1 高速、高精密化高速、精密是机床发展永恒的目标。随着科学技术突飞猛进的发展，机电产品更新换代速度加快，对零件加工的精度和表面质量的要求也愈来愈高。为满足这个复杂多变市场的需求，当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。另一方面，电主轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。数控车床采用电主轴，取消了皮带、带轮和齿轮等环节，大大减少了主传动的转动惯量，提高了主轴动态响应速度和工作精度，彻底解决了主轴高速运转时皮带和带轮等传动的振动和噪声问题。采用电主轴结构可使主轴转速达到10000r/min以上。直线电机驱动速度高，加减速特性好，有优越的响应特性和跟随精度。用直线电机作伺服驱动，省去了滚珠丝杠这一中间传动环节，消除了传动间隙（包括反向间隙），运动惯量小，系统刚性好，在高速下能精密定位，从而极大地提高了伺服精度。直线滚动导轨副，由于其具有各向间隙为零和非常小的滚动摩擦，磨损小，发热可忽略不计，有非常好的热稳定性，提高了全程的定位精度和重复定位精度。通过直线电机和直线滚动导轨副的应用，可使机床的快速移动速度由目前的1020m/mim提高到6080m/min，甚至高达120m/min。1.3.2 高可靠性 数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。数控机床能否发挥其高性能、高精度和高效率，并获得良好的效益，关键取决于其可靠性的高低。1.3.3 智能化、网络化、柔性化和集成化21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统。智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控等方面的内容，以方便系统的诊断及维修等。网络化数控装备是近年来机床发展的一个热点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式，如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床）、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制造岛、FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标，注重加强单元技术的开拓和完善。CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展。数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP及MTS等联结，向信息集成方向发展。网络系统向开放、集成和智能化方向发展。第二章 可编程控制器（PLC）与步进电机2.1可编程控制器起源与特点2.1.1 可编程控制器起源20世纪是人类科学技术迅猛发展的一个世纪，电气控制技术也由继电器控制过渡到计算机控制系统。各种工业用计算机控制产品的出现，对提高机械设备的自动控制性能起到了关键的作用。进入21世纪，各种自动控制产品的出现正向着控制可靠，操作简单，通用强，价格低的方向发展，使自动控制的实现越来越容易。自动控制装置的研究，是为了最大限度在满足人们及机械设备的要求。曾一度在控制领域占主导位置的继电器控制系统，存在着控制能力弱，可靠性低的缺点，并且设备的固定接线控制装置不利于产品的更新换代。20世纪60年代末期，在技术改革浪潮产冲击下，使汽车结构及外形为断改进，品种不断增加，需要经常变更生产工艺。这就希望在控制成本的前提下，尽可能缩短产品的更新换代周期，以满足生产的需求，使企业在激烈的市场竞争中取胜。2.1.2 可编程控制器的主要特点(1) 可靠性高，抗干扰能力强。由于采用大规模集成电路和微处理器，使系统器件数大大减少，并且在硬件的设计和制造的过程中采取了一系列隔离和抗干扰措施，使它能适应恶劣的工作环境，具有很高的可靠性。(2) 编程简单，使用方便。目前大多数PLC均采用梯形图编程言，沿用了继电接触控制的一些图形符号，直观清晰，易于掌握。(3) 通用性好，具有在线修改能力。PLC硬件采用模块化结构，可以灵活地组态以适应不同的控制对象，控制规模和控制功能的要求。且可通过修改软件，来实现在线修改的能力，因此其功能易于扩展，具有广泛的工业通用性。(4) 缩短设计、施工、投产的周期，维护容量。目前PLC产品朝着系列化、标准化方向发展，只需根据控制系统的要求，选用相应的模块进行组合设计，同时用软件编程代替了继电控制的硬连线，大大减轻了接线工作，同时PLC还具有故障检测和显示功能，使故障处理时间缩短。(5) 体积小，易于实现机电一体化。PLC体积小，重量轻，便十安装。的结构紧凑，它与被控制对象的硬件连接方式简单、接线少，便于维护。2.2 可编程控制器的语言特点和形式2.2.1 语言特点 1、图形式指令结构: 程序由图形方式表达，指令由不同的图形符号组成，易于理解和记忆。系统的软件开发者已把工业控制中所需的独立运算功能编制成象征性图形，用户根据自己的需要把这些图形进行组合，并填入适当的参数。在逻辑运算部分，几乎所有的厂家都采用类似于继电器控制电路的梯形图，很容易接受。如西门子公司还采用控制系统流程图来表示，它沿用二进制逻辑元件图形符号来表达控制关系，很直观易懂。较复杂的算术运算、定时计数等，一般也参照梯形图或逻辑元件图给于表示，虽然象征性不如逻辑运算部分，也受用户欢迎。 2.明确的变量常数: 图形符相当于操作码，规定了运算功能，操作数由用户填人，如:K400, T120等。PLC中的变量和常数以及其取值范围有明确规定，由产品型号决定，可查阅产品目录手册。 3.简化的程序结构: PLC的程序结构通常很简单，典型的为块式结构，不同块完成不同的功能，使程序的调试者对整个程序的控制功能和控制顺序有清晰的概念。 4.简化应用软件生成过程: 使用汇编语言和高级语言编写程序，要完成编辑、编译和连接三个过程，而使用编程语言，只需要编辑一个过程，其余由系统软件自动完成,不要求用户有高深的软件设计能力。 5.强化调试手段: 无论是汇编程序，还是高级语言程序调试，都是令编辑人员头疼的事，而PLC的程序调试提供了完备的条件，使用编程器，利用PLC和编程器上的按键、显示和内部编辑、调试、监控等，并在软件支持下，诊断和调试操作都很简单。 总之，PLC的编程语言是面向用户的，对使用者不要求具备高深的知识、不需要长时间的专门训练。2.2.2 编程语言的形式 PLC最常用的两种编程语言，一是梯形图，二是助记符语言表。采用梯形图编程，因为它直观易懂，但需要一台个人计算机及相应的编程软件;采用助记符形式便于实验，因为它只需要一台简易编程器，而不必用昂贵的图形编程器或计算机来编程。虽然一些高档的PLC还具有与计算机兼容的C语言、BASIC语言、专用的高级语言(如西门子公司的GRAPH5、三菱公司的MELSAP )，还有用布尔逻辑语言、通用计算机兼容的汇编语言等。不管怎么样，各厂家的编程语言都只能适用于本厂的产品。 1、编程指令:指令是PLC被告知要做什么，以及怎样去做的代码或符号。从本质上讲，指令只是一些二进制代码，这点PLC与普通的计算机是完全相同的。同时PLC也有编译系统，它可以把一些文字符号或图形符号编译成机器码，所以用户看到的PLC指令一般不是机器码而是文字代码，或图形符号。常用的助记符语句用英文文字(可用多国文字)的缩写及数字代表各相应指令。常用的图形符号即梯形图，它类似于电气原理图是符号，易为电气工作人员所接受。 2、指令系统:一个PLC所具有的指令的全体称为该PLC的指令系统。它包含着指令的多少，各指令都能干什么事，代表着PLC的功能和性能。一般讲，功能强、性能好的PLC，其指令系统必然丰富，所能干的事也就多。我们在编程之前必须弄清PLC的指令系统 3、程序:PLC指令的有序集合，PLC运行它，可进行相应的工作，当然，这里的程序是指PLC的用户程序。用户程序一般由用户设计，PLC的厂家或代销商不提供。用语句表达的程序不大直观，可读性差，特别是较复杂的程序，更难读，所以多数程序用梯形图表达。 4、梯形图:梯形图是通过连线把PLC指令的梯形图符号连接在一起的连通图，用以表达所使用的PLC指令及其前后顺序，它与电气原理图很相似。它的连线有两种:一为母线，另一为内部横竖线。内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组，这个指令组一般总是从装载(LD)指令开始，必要时再继以若干个输入指令 (含LD指令)，以建立逻辑条件。最后为输出类指令，实现输出控制，或为数据控制、流程控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。母线是用来连接指令组的。 梯形图与助记符的对应关系:助记符指令与梯形图指令有严格的对应关系，而梯形图的连线又可把指令的顺序予以体现。一般讲，其顺序为:先输入，后输出(含其他处理);先上，后下;先左，后右。有了梯形图就可将其翻译成助记符程序。反之根据助记符，也可画出与其对应的梯形图。 梯形图与电气原理图的关系:如果仅考虑逻辑控制，梯形图与电气原理图也可建立起一定的对应关系。如梯形图的输出(OUT)指令，对应于继电器的线圈，而输入指令(如LD, AND, OR)对应于接点，互锁指令(IL, ILC)可看成总开关，等等。这样，原有的继电控制逻辑，经转换即可变成梯形图，再进一步转换，即可变成语句表程序。有了这个对应关系，用PLC程序代表继电逻辑是很容易的。这也是PLC技术对传统继电控制技术的继承。2.3步进电机介绍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步进电机件。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。2.4步进电机分类及特点2.4.1 步进电机分类(1)永磁式步进电机永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。(2)反应式步进电机. 反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但声和振动都很大。(3)混合式步进电机混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相。两相步进角一般分为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。2.4.2 步进电机特点1一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。2步进电机外表允许的最高温度取决于不同电机磁性材料的退磁点。步进电机温度过高时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步进电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，从而导致力矩下降。4步进电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）。 2.5步进电机结构及工作原理2.5.1 步进电机结构步进电机内部机械构造如图2-1:图2-1 步进电机内部机械图三相反应式步进电机的结构如图2-2所示:定子、转子是用硅钢片或其他软磁材料制成的。定子的每对极上都绕有一对绕组，构成一相绕组，共三相称为A、B、C三相图2-2 三相反应式步进电机的结构在定子磁极和转子上都开有齿分度相同的小齿，采用适当的齿数配合，当A相磁极的小齿与转子小齿一一对应时，B相磁极的小齿与转子小齿相互错开1/3齿距，C相则错开2/3齿距。2.5.2步进电机工作原理步进电动机用电脉冲对多相定子绕组进行轮流控制，利用电磁铁原理，每来一个电脉冲，电动机转动一个角度，将脉冲信号转换成角位移。如图2-3所示为一台三项步进电机的工作原理，步进电机的定子上有6个极，组成A/A、B/B、C/C三相，转子有1、2、3、4四个均匀分布的齿，两个齿之间的距离称为齿距角，用t表示，t=360°/Z,其中Z为转子齿数。在此列中齿距角等于90°。当A相绕组通电时，因磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合（图中虚线表示磁力线回路及方向），将迫使转子齿1、3和定子极A/A对齐，转子将在空间转过一个角度，如图2-3（a）所示。A相断电，B相绕组通电，使转子齿2、4和定子极B/B对齐，转子将在空间转过一个角度，如图2-3（b）所示。如果继续使B相断电，C相绕组断电，则齿1、3和定子C/C对齐，转子又在空间转过一个角度，如图2-3“（c）所示，当电动机通电顺序经历了A相B相C相A相一个循环以后，磁场也旋转过一周，而转子转过一个齿距角，如此循环往复，步进电机便按一定方向连续转动。图2-3 三相步进电机工作原理26步进电机的PLC直接控制技术2.6.1步进电机控制原理1运动速度的控制步进电机的转速取决于输入的脉冲频率。从图2-4可以看出,当改变输入脉冲的周期时,ABC三相绕组高低电平的宽度将发生变化,这就导致通电和断电变化的速率发生变化,使电机转速发生变化,所以调节输入脉冲的周期就可以控制步进电机的运动速度。图2-4 脉冲分配波形图2正、反转控制步进电机的正、反转控制可通过改变步进电绕组的通电顺序来改变其转向三项单三拍拍步进通电顺为ABCA.时电机正转;当按ACBA.顺序通电时电机反转.因可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环配器的输出顺序,或经编程改变输出脉冲的顺序变步进电机绕组的通电顺序实现23步数控制步进电机每输入一个电脉冲就前进一步,其的角位移与输入的脉冲数成正比。因此可以根据电机的输出位移量确定PLC输出的脉冲个数,即现对步进电机的步数控制。n=L/ （2-1）式中L为步进电机的输出位移量(mm),为机构的脉冲当量(mm/脉冲).2.6.2步进电机的驱动器控制随着电子技术的高速发展，步进电机驱动器的性能也不断更新和升级。由于采用超大规模集成电路，具有高度的抗干扰性及快速的响应性，不会像单片机控制那样易产生死机及丢步现象，某公司生产的SH-2H090M型驱动器控制面板。该驱动器主要驱动二相和四相电机，把计算机控制系统提供的弱电信号放大为步进电机能够接受的强电流信号，控制统提供给驱动器的信号主要有以下3路：(1)步进脉冲信号CP：这是最重要的一路信号，因为步进电机驱动器的原理就是要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：驱动器每接受一个脉冲信号CP，就驱动步进电机旋转一步距角，CP的频率和步进电机的转速成正比，CP的脉冲个数决定了步进电机旋转的角度。这样，控制系统通过脉冲信号CP就可以达到电机调速和定位的目的。CP脉冲的宽度一般要求不小于2s。(2)方向电平信号DIR：此信号决定电机的旋转方向。比如说，此信号为高电平时电机为顺时针旋转，此信号为低电平时电机则为反方向逆时针旋转。此种换向方式，我们称之为单脉冲方式。另外，还有一种双脉冲换向方式：驱动器接受两路脉冲信号(一般标注为CW和CCW)，当其中一路(如CW有脉冲信号时，电机正向运行，当另一路(如CCW有脉冲信号时，电机反向运行，SH-2H090M型驱动器就是这种方式。电机换向时，一定要在电机降速停止后再换向，并且换向信号一定要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束后以及下一个方向的第一个CP脉冲前发出。(3)脱机信号FREE：此信号为选用信号，并不是必须要用的，只在一些特殊情况下使用，此端为低电平有效，这时电机处于无力矩状态；此端为高电平或悬空不接时，此功能无效，电机可正常运行，此功能若不采用，只需将此端悬空即可。Switch settings用来设定细分数；AC1和AC2为两路交流电源接口；AB是步进电机与驱动器的接口。控制信号要求7 mA高电流25 mA，-25 mA低电流0.2 mA，由于PLC的控制电源多配置24 V开关电源,此时可以串接2 k的限流电阻。步进电机及其驱动系统与数字控制系统配套时，体现出更大的优越性。2.6.3步进电机的PLC直接控制技术可编程序控制器(PLC)是计算机技术与继电器逻辑控制技术相结合的一种新型控制器，具有编程简单、直观；使系统经济和可靠的优点。为了配合步进电机的控制，许多PLC都内置了脉冲输出功能，并设置了相应的控制指令，可以很好地对步进电机进行直接控制。这种控制的优点是大大减少系统设计的工作量，没有各部分接口信号的匹配问题，提高系统的可靠性。PLC具有实时刷新技术，输出信号的频率可以达到数千赫兹或更高，使得脉冲分配能有很高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。并且，PLC有采用大功率晶体管的输出端口，能够满足步进电机各相绕组数10 V级脉冲电压、1 A级脉冲电流的驱动要求。因此用PLC来控制步进电机，其组合方便，电路简单可靠。通常PLC直接控制步进电机系统设计时,在PLC和步进电机选型前,需要计算出脉冲当量、脉冲频率上限和最大脉冲数量3个参数：脉冲当量=(步进电机距角×螺距)/(360×传动比)。脉冲频率上限=移动速度×步进电机细分数脉冲。当量最大脉冲数量=移动距离×步进电机细分数脉冲当量。根据脉冲频率确定PLC高速脉冲输出频率，根据脉冲数量确定PLC的位宽。考虑到系统响应的及时性、可靠性和使用寿命，PLC应选择晶体管输出型。步进电机细分数的选择要避开电机的共振频率。若步进电机的的运行速度不超过突跳频率，且对于定位没有过高的要求，PLC直接控制步进电机可以更简单，无需计算太多的参数第三章PLC实现单轴数控运动系统的设计及调试3.1设计要求要求通过PLC控制步进电机工作，并具有开停机，自动和手动功能，手动功能中包含低速进给，快速进给，工作运行，点动功能。并能按给定的速度进行加工运动，并且具有准确定位功能。 在PLC中编写一个简单的自动控制程序，电机运行过程分别为快进（速度V1）工作（速度V2）慢进（速度V3），到位后后退（电机反转），以V1速度退回，退回到位后重复上诉过程。采用100线的编码器进行转速测量。32步进电机PLC控制系统的硬件设计3.1控制系统结构设计中,步进电机PLC控制方案其系统结构如图3-1所示。系硬件部分由控制面板、控制器PLC、驱动器、步进电机等组成。由控制面板向PLC发出启停，方向，速度等指令;控制器PLC发出脉冲、方向信号,通过步进电机驱动器控制步进电机的运行状态。在滚珠丝杆末端安装一个编码器，并将编码器的信号反馈给PLC，将信号输入PLC高速计数器控制程序。图3-1步进电机PLC控制方案图3.3硬件选择（1）步进电机:步进电机有步距角、静力矩、电流三大要素组成。根据负载的控制精度要求选择步距角大小,根据负载的大小确定静力矩,静力矩一经确定根据电机矩频特性曲线来判断电机的电流。在本次设计中，选用步距角为1.2°的雷塞573S09步进电机（图3-2）图3-2 步进电机(2)驱动器:遵循先选电机后选驱动的原则,电机的相数、电流大小是驱动器选择的决定性因素;在选型中,还要根据PLC输出信号的极性来决定驱动器输入信号是共阳极或共阴极。为了改善电机的运行性能和提高控制精度,通常通过选择带细分功能的驱动器来实现,目前驱动器的细分等级有8倍、16倍、32倍、64倍等,最高可达256倍细分。在实际应用中,应根据控制要和步进电机的特性选择合适的细分倍数,以达到更高的速度和更大的高速转矩,使电机运转精度更高,振动更小 。在本次设计中，选用与步进电机匹配的3ND583步进驱动器（图3-3）图3-3 步进驱动器(3)PLC:运用PLC控制步进电机时,应该保证PLC具有高速脉冲输出功能,通过选择具有高速脉冲输出功能或专用运动控制功能的模块来实现在本次设计中，选用三菱的FX2n系列PLC（图3-4）图3-4 三菱的FX2n系列PLC3.4 PLC设计I/O分配3.4.1 PLC I/O分配表3-1PLC I/O分配表序号输入/输出端口功能1输入X00编码器反馈脉冲2输入X01编码器反馈脉冲3输入X02启动4输入X03停止5输入X04自动6输入X05手动7输入X06正向8输入X07反向9输入X10工作运行10输入X11快速进给11输入X112低速进给12输入X13点动13输出Y01脉冲信号输出14输出Y02方向信号输出15输出Y03使能信号输出3.4.2步进驱动器I/O分配表3-2步进驱动器I/O分配表序号输入/输出符号功能1输入PUL+（+5V）/PUL-（PUL） 脉冲控制信号2输入DIR+（+5V）/DIR-（DIR）方向信号3输入ENA+（+5V）/ENA-（ENA）使能信号4输出U,V,W 控制信号输出3.4.3电气接口I/O分配图图3-5 单轴数控运动系统I/O电器接口图3.5软件设计及调试3.5.1 PLC梯形图设计3,5.2 PLC指令编辑图第四章 PLC单轴数控的展望及未来发展方向4.1 PLC单轴数控的展望目前全球性经济萧条的形势下，中国政府采取了积极的财政政策和适度宽松的货币政策，以扩大投资和拉动内需。在新形势下，如何捕捉投资与进入市场的机会，如何在危机中走得更好、更稳？中国数控单轴产业投资咨询报告密切关注数控单轴行业的企业、市场、产业链、竞争、政策等全面信息。本报告详尽描述了数控单轴行业目前的运行环境，重点研究并分析预测了其市场前景以及供求变化的短期和长期趋势，针对当前行业发展面临的宏观形势下的机遇与威胁，提出了我们对数控单轴产业发展的投资及战略建议。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。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。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。4.2 PLC单轴数控的未来发展方向随着PLC的发展，速度，插补算法都进步很大，完全可以完成多轴加工，多轴联动数控系统成为当今世界数控机床发展的最尖端技术领域。 “一个轴，只能加工一道线；两个轴，就能加工一个面；三个轴，就能加工立体空间部件；四轴以上，功能就更为强大，工作平面都能旋转，加工精度极高。”数控专家如此形象解释。多轴联动的高性能数控机床，能同时控制四个以上坐标轴的联动。通常三轴机床可以实现二轴、二轴半、三轴加工；五轴机床也可以只用到三轴联动加工，而其他两轴不联动。它能将数控铣床、数控镗床、数控钻床等功能组合在一起，零件在一次装夹后，可以将加工面进行铣、镗、钻、扩、铰及攻螺纹等多工序加工，能有效地避免由于多次安装造成的定位误差，可加工形状复杂，精度要求高的零件，如叶轮叶片等。多轴联动的高性能数控机床技术，对一个国家装备工业的发展具有重要战略意义。经过多年自主研发，我国目前已经成功掌握这一关键技术，国产五轴联动高性能数控机床已在国内投产应用。（一）向高速度、大容量方向发展  为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。PLC扫描速度已成为很重要的一个性能指标。 在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。（二）向超大型、超小型两个方向发展   当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为816点，以适应单机及小型自动控制的需要，如三菱公司系列PLC.(三) PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力   为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。 。加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。PLC的联网通信有两类：一类是PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是PLC与计算机之间的联网通信，一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。为了加强联网通信能力，PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统，PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分。(四) 增强外部故障的检测与处理能力     根据统计资料表明：在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故障。因此，PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。（五）编程语言多样化 在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势结 论本文通过对基于PLC的单轴数控运动系统的设计和研究，得出以下结论：PLC单轴数控运动系统的优点：可靠性高，抗干扰能力强，编程方便，价格低，寿命长。与单片机相比，可靠性高、功能比较丰富、能在各种不同的控制场合使用，它的输入/输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件，这样可以大大节省用户的开发时间与生产成本。PLC单轴数控运动系统存在的缺陷：用高速输出的特殊模块，一般都是输出两路或只有一路。自己编写的PLC程序扫描时间一般都是110MS，PLC的输出口能输出个几百HZ的时续脉冲就很了不起了。三菱PLC可以在扫描过程中刷新输出循环，但扫描时间就大大增加。精度也不是很高，而且抗干扰性也很差，有待于PLC发展而发展，抗干扰性有待提高。