基于PLC控制步进电机的自动往返工作台设计.docx
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基于PLC控制步进电机的自动往返工作台设计
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):
Thedesignofautomaticroundtablebasedon
PLC-controlledsteppermotor
姓名龙天
学号*******
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
摘要------------------------------------------------------------------------------2
一、绪论-----------------------------------------------------------------------3
二、总体方案的确定--------------------------------------------------------4
、总体要求----------------------------------------------------------------4
、操作要求----------------------------------------------------------------5
、整体方案----------------------------------------------------------------5
三、设计、选型---------------------------------------------------------------7
、机械部分参数选择----------------------------------------------------7
、确定步进电机的型号------------------------------------------------7
、光栅的参数选择-------------------------------------------------------9
、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。
PLC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:
Sincelongago,PLCisintheindustrialautomationcontroldomainthroughoutthemainbattlefield,hasprovidedtheextremelyreliablecontrolapplicationforvariousautomationcontroldevice.Thisdesignintroducedautomaticround-tripworktablePLC(programmablecontroller)theprogramming,includingthePLCcontrolmodule,thespeedandthepositionfeedbackmoduleaswellasthesafetycontrolmoduleandsoon,hasmadethecomprehensiveelaborationandtheinductiontotheentirecontroldesignsummarizes,andproposestheimprovementtentativeplan.Ontheautomaticproductionline,somewhatproducesthemachinerytheworktabletoneedaccordingtocertainsmoothrealizationautomaticreciprocatingmotion,andsomealsorequestshavecertaintimepauseincertainpositions,satisfiestheproductiontechnologicalrequirement.PLCwastherecentyearsdevelopsextremelyrapidly,theapplicationextremelywidespreadindustrycontroldevice.PLCusestheprogramminglanguagetopickeasilyfromtostudytheeasytounderstandtrapezoidalchartlanguage,thecontrolnimbleconvenient,antijammingability,movementstablereliableandsooncharacteristics.WithPLCprocedurerealizationworktableautomaticround-tripsequentialcontrol,notonlyhastheprogrammingsimple,convenient,thereliablehighercharacteristic,moreovertheprogrammingmethodisdiverse,isadvantageousforthedifferentleveltodesignpersonnel'sunderstandingandgrasping.
keywords:
plcSequence;control;Automation;Backandforth;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
、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。
、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,将常闭断开,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。
、整体方案
图2-1-工作示意图
(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
、机械部分各参数选择:
工作台和运载物的重量:
w=2000N
工作台与丝杆的摩擦系数:
µ=
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:
㎜
、确定步进电机的型号:
、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
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=的一对齿轮。
、等效负载转矩的计算:
--丝杆传动效率……………………(3-1)
、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)大齿轮的转动惯量
(大齿轮节圆直径㎜,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
、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:
扫描频率:
250KHz
边缘间距a:
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:
5V
5%、
电气连接:
电缆,带D-sub接头,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
(IES60068-2-6)
冲击11ms:
500
(IES60068-2-6)
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:
mm测量长度
编码器电缆:
37g/m
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S7—200PLC型可编程控制器。
S7—200PLC型可编程控制器是德国西门子公司生产的一种小型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3-1PLC及步进电机接线图
用S7-200PLC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的输出高速脉冲至步进电机驱动器的PU端,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SB1
正转接触器QA1
反转启动按钮SB2
反转接触器QA2
停止按钮SB3
正转点动按钮SB4
反转点动按钮SB5
左换向限位开关SQ1
右换向限位开关SQ2
左限位保护开关SQ3
右限位保护开关SQ4
表--1I/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、SQ2SQ3SQ4…………………………………….
SB5SB6SB7SB8SB9SB10……………………………手动开关
SA1-1SA1-2SA1-3SA1-4SA1-5………………………复合开关
ST5………………………………………………………光电检测开关
YV1YV2YV3YV4YV5…………………………………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20051-20
•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200380-96
•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200224-49
•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
•SIMATICS7-200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;郝万新;李忠明
•仪表技术与2008-03-15期刊023
•基于PLC控制的垂直轴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098
•SynthesisofFBD-basedPLCdesignfromNuSCRformalspecification
•ReliabilityEngineering&SystemSafety,Volume87,Issue2,February2005,Pages287-294
•TheIntellectualPIDControllingMethodBasedonPLCandItsApplication[17]TheRealizationofPIDAlgorithminMitsubishiPLCProcessingControl
•六、结论
经过几周的时间,我终于完成了这次的课程设计,通过这次的课程设计,我对课程设计有了新的认识,课程设计不仅是对学科所学知识的检验,更是对自己能力的一种提高。
同时使我认识到了自己对知识还比较欠缺,自己要学的东西还很多,以前总是眼高手低,不屑于动手,等到实践操作起来才知处处要靠平时的知识和经验。
通过这次课程设计,我明白了学习是一个漫长的积累的过程,在以后的工作和学习中都应该不断的学习,努力提高自己的知识和综合素质。
七、致谢
这次的课程设计使我和同学的关系也更进一步,同学之间互相帮助,不懂的地方相互讨论,因此,在此我要感谢给予过我帮助的同学们。
更重要的是,我要感谢我的老师们,特别是我的指导老师黄秀祥,感谢黄秀祥老师给我的悉心指导和一次次的帮助,感谢老师一次次耐心提醒我们要注意的细节等,通过这次课程设计,让我对此类的设计有了新的理解,为我接下来的毕业设计积累了不少的宝贵经验。
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- 基于 PLC 控制 步进 电机 自动 往返 工作台 设计