基于步进电机定位的工件处理系统电气工程专业.docx

基于步进电机定位的工件处理系统 摘要：本文目标在于主要介绍步进电机定位控制系统的设计方法。研究将滚珠丝杆、步进电机、步进驱动器、三菱PLC、三菱触摸屏四者之间如何进行连接通信，通过输入信号给步进驱动器脉冲信号，让控制步进电机按照用户的所需求的想法运转，接着通过联轴器和滚珠丝杆将步进电机的旋转运动转换为工作台的直线运动，让工作台带动负载上的工件进行移动，以此来对元件进行定位控制。这就是本次设计研究的目的和意义所在。 关键字：三菱；定位控制系统；步进驱动器 Work piece processing system based on stepping motor positioning. Abstract:The aim of this paper is to introduce the design method of stepping motor positioning control system. This paper studies how to connect and communicate between ball screw, step motor, step driver, Mitsubishi PLC and Mitsubishi touch screen. Through input signal to step driver pulse signal, the stepping motor can be controlled to run according to user's requirement. Then the rotary motion of stepping motor can be converted to the linear motion of worktable through coupling and ball screw. The table drives the workpiece on the load to move, so as to position and control the components. This is the purpose and significance of this design study. Key words: mitsubishi, Positioning control system; stepping driver 目录 第1章 绪论 4 1.1 设计背景 4 1.2 国内外研究的现状 4 第2章 设计意义和内容 4 2.1 研究意义 4 2.2 设计要求和内容 5 第3章 设备选型 5 3.1 滚珠丝杆 5 3.2 步进电机与步进驱动器 6 3.3 自动化控制设备 7 第4章 PLC编程 13 4.1 过程设计 13 4.2 I/O分配表 13 第5章 设备安装连接 14 5.1硬件设备的安装连接 14 5.2 电气设备连接 15 第6章 结论与展望 15 6.1 结论 15 6.2 未来展望 16 参考文献 17 第1章 绪论 1.1 设计背景 随着科技发展、社会进步，传统的手工业工艺水平已经跟不上社会的发展的步伐，有了一定的差距。除了在一些极其特殊的工艺要求上，它现在已经满足不了人们对工艺精度的需求，并且它也消耗了非常多的人力物力资源，它的产生造成了非常严重的浪费现象。社会本就是一种优胜劣汰选择，人们一定会选择他们所需要的，淘汰他们所不需要的。因此自动化技术随之产生。自1785年改良蒸汽机始，人类已经迈进了使用机器的新步伐，但最开始只单纯的使用一些简单的机器操作。一直到在1940年左右，在计算机、通信领域、自动调节等各个新生行业的指引下，触摸屏、单片机、可编程序控制器等自动化设备随之而生。所以人们开始利用这些自动化设备，造就半自动化生产线和自动化生产线来进行机械的一批批生产，却不再只是去靠人力来生产我们日常所需求的，它的产生不仅推动了人类的进化历程，而且使得人们的生活水平有了更大的提高。 1.2 国内外研究的现状 瓦特改良蒸汽机意味着人类开始走上了自动化控制的时代的一个标志，维纳提出控制论代表了人类坐上自动化控制高速发展的列车的进程。从此以后各色各样的控制设备闪耀而出，如单片机、触摸屏、PLC、电机等一系列的自动化生产的设备。但是人们并对这一点点成就而感到满足，依然积极奋进在向科技的路上前进着。如今国外主要研究如何能够改变这些设备来使得更节能、更环保、更高效、更快速、更精准的使机械来达到我们需求的状态。虽然我国由于各种原因导致的科技的暂时落后，还是要谦虚认真的学习国外的先进发达技术并以此为基础继续进行研究与创新。从制造大国变成制造强国，进一步转进科技强国的目标迈进，早日实现我们的中国梦。 第2章 设计意义和内容 2.1 研究意义 由于自动化水平的提升，人们不在满足手工，他们已经意识到开始走上了自动化控制的道路的重要性。工艺水准的水平被人看的越来越重，随之导致了人们对系统定位，数据采集、零部件加工的要求有个跟高的提高，因此工件的定位和处理系统是人类进化领域中一定要解决的一个困难的题目。基于步进电机定位的工件处理系统是如今工业上一种比较日常的定位处理系统。它主要利用一些自动化设备进行数据处理与设置来对电机的转速与电机的运行和停止进行控制，来达到对工件进行准确定位的目标。本次选题我们主要研究对象是自动化设备，我们利用先进的自动化设备来通过电机进行控制高精度定位的滚珠丝杆，控制工件到达我们需要它到达的地方的这一要求。 2.2 设计要求和内容 要求我们需要充分利用触摸屏、步进电机、步进驱动器和PLC的特点来设计一个完整的工件定位处理系统，能够让我们查找触摸屏、PLC、步进电机、步进驱动器等相关专业知识来进行设备连接，完成相应的控制要求。 设计要求完成的控制系统包含以下几个主要功能：  1、严格按照步进电机控制系统用户规定的起始点的光电开关作为原点，左右极限也是光电开关；无论设备处在不管任何的工作状态，遇到左面和右面极限时都必须停下来，并且更不能够向超越左右极限的方向运动。 2、无论在什么地方，只要带动负载的工作台不在起始点，用户按下系统的复位按钮时，工作台都依旧会回到起始点；若在起始点时，那么就按下复位按钮后工作台不做任何操作。 3、当用户按下停止按钮时，设备就会停止在当前运行位置的地方，必须等到工作台恢复到原点位置后，工作台才能够再次启动，否则系统无法任何动作。 第3章 设备选型 3.1 滚珠丝杆 滚珠丝杠是一种具有精度高、效率高、可逆性、低摩擦阻力的特点的传动元件。因为这4个特点，所以它在工业上被广泛使用于各种工业设备以及精密仪器上，有利推动了工业自动化的进化的进程。 滚珠丝杆是由螺杆、螺母、钢珠、预压片、其他辅助元件和防尘元件构成。用来将旋转运动转换为直线运动的方式，或将直线运动转换为旋转运动的一种运动方式。 最初人们使用螺杆传动并没有想象中的那么完美，它不仅容易损坏而且它的定位也不够精准。一直到1898年时，科学家们开始尝试将钢珠放入螺杆和螺帽之间，将滑动摩擦转化为滚动摩擦才改变了易损坏定位不佳的这一缺点，从而使螺杆传动被运用和改善，直到近些年，滚珠螺杆已经成为最常用常见的传动元件。 根据课题内容我明白滚珠丝杠的有效行程是160mm,但是由于左右极限我需要预留一些空间，因此为了减低成本，方便实践等原因，因此我们选择有效行程为200mm、型号为G1605滚珠丝杆直线水平安装。负载程度为10KG。 3.2 步进电机与步进驱动器 3.2.1 步进电机 （1）步进电机 步进电机运用电磁原理，根据输入的脉冲频率信号的频率大小和方向转换成相应电动机转动的方向和速度的快慢，每当控制器给出一个脉冲信号，电动机接着就会转动一个角度，然后带动机械移动一段距离，所以步进电机又被大家称为脉冲电动机。在数控机床的运用中，步进驱动器就是将输入的脉冲信号经过内部的放大电路放大之后，然后启动步进电机。 步进电机分类有很多种不同的方式，按照步进电机力矩输出的大小可以分为伺服、功率类步进电机，按励磁方式可以分为反应、永磁，永磁感应步进电机。 （2）步进电机特点 ①每来一个电子脉冲信号，电动机就会转动一个步距角。 ②控制电子脉冲的频率就能够控制电动机的转数。 ③改变电子脉冲的顺序就能够控制电机转动的方向。 ④随着电子脉冲数的增加，角位移也会随之增加。 ⑤步进电机精度高，只会有相邻误差，不会有累计误差 （3）步进电机的构成 步进电机主要是由磁性材料制成的定子和转子组成，在定子上均匀的分布着6个磁极，每个磁极都会绕有绕组，相对的磁极就会组成一组。 （4）步进电机的工作方式 步进电机的工作方式可以分为三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等不同的方式。 （5）步进电机控制正反转有两种方法 ①改变控制的方向信号，用脉冲加方向来控制给驱动器的高低电平，就此来改变步进电机的转向来控制步进电机的正反转。 ②改变和调整步进电机的接线来改变步进电机的转向。两相电机将两相中一相的电机线交换接进步进电机的驱动器即可，像A+和A-交换。三相电机就必须要严格按照顺序交换其中的两相，像A+和B+交换，或者A-和B-交换。 3.2.2 步进驱动器 （1）步进驱动器概述 步进驱动器是一个用来将电脉冲信号转换成角位移的执行机构元件。因为步进驱动器每次接收一个脉冲信号，它就会同时控制步进电机按着脉冲朝着特定的方向转动一个规定的角度，因此我们就可以通过调节输入步进驱动器脉冲的个数和脉冲的频率来控制电机转动的角度和转动的速度频率。 （2）步进电机驱动器分类 步进电机驱动器可以分为细分步进驱动器和普通的步进驱动器。普通的步进驱动器是不细分的驱动器，这种步进驱动器在选择上会有些困难，因为要达到步进电机步距角的要求，那么就要选择所选步距角相对应相数的步进驱动器才能够完成。 细分的步进电机应用就会比较范用，因为细分步进电机驱动器只需要去改变细分数，那么这样就可以改变步进电机转动的步距角。 3.2.3 步进电机和驱动器选型 （1）步进电机和驱动器的选择方法 ①判断电机需要多大的力矩：转矩是步进电机的重要标准之一。当运行较大控制系统时，42步进电机就会出现带动不了负载的现象，所以选取57BYG250B步进电机。 ②电机的运转速度：电机的转动速度主要是取决步进驱动器输出的脉冲频率，在开始启动的时候，步进电机的频率不适合太大，否则就会损坏电机。 ③根据实际控制系统，用户能够根据步距角来选择细分程度。选择需要电流的大小、供电电压的大小来选择驱动器。 （2）步进电机型号与参数 我们会根据滚珠丝杆的大小型号以及负载的质量，我们就会选择57BYG250B两相混合式步进电机，法兰尺寸为57mm、机身长56mm、扭矩为1.2N.m、步距角为1.8度、电流2.5A、电阻1.32欧姆、电感3.19mH。 （3）步进驱动器型号与参数 驱动器型号为DM542，输入电压为DC 20-50V，输出电流1A至4.2A，25600细分，S4S5S63位拨码开关选择8挡电流控制，具有平稳、噪音小、震动小等特点。 3.3 自动化控制设备 根据要求自动化设备可以分为触摸屏、PLC、接近开关、计算机。 3.3.1 触摸屏概述 人机界面是一种人机交互页面,是用户和计算机设备交换信息的装置。人机界面通常可以被分为触摸屏、文本显示器、操作员面板等三大类。其中文本显示器功能单一，所以只能在界面上读取一些简单易懂的数字、字母等，所以他的实用性不大；操作员面板面积过大，所以它不能让用户拥有一个良好的观察体验的感觉，因为他直观性感觉太差，限制条件又太多；触摸屏体积小，操作十分简单方便，观察直观自然，所以它是目前最先进的电脑输入设备。 （1）触摸屏的特点