基于plc的单轴数控运动系统设计-郭慧

第一章单轴数控运动系统的使用领域及特点

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

单轴数控的使用范围很广，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。和单片机相比，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和生产成本。现在使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和上位机通信，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的编程可采用和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和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和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使用，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使用，可使机床的快速移动速度由目前的10～20m/mim提高到60～80m/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，另一方面向注重使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和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）和步进电机

2.1可编程控制器起源和特点

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