基于PLC控制步进电机系统

绪论课题背景近年来，数控机床及数控技术得到了飞速发展，在柔性、精确性、可靠性和宜人性等方面的功能越来越完善，已成为现代先进制造业的基础。

数控就是数字控制，数控技术在机床行业应用得多，就是依靠数字（电脑编程）来控制机床，具有效率高，精度高等主要特点。

数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。

它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。

数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。

1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。

数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。

1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。

现在，数控技术也叫计算机数控技术，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。

这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。

由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成。

PLC控制步进电机旋转台研究的目的和意义数控机床以其精度高、效率高、能适应小批量多品种复杂零件的加工等优点，在机械加工中得到日益广泛的应用。

它有以下几方面优点。

1．适应性强。

2．精度高，质量稳定。

3．生产效率高。

4．能实现复杂的运动。

5．良好的经济效益。

6．有利于生产管理的现代化。

数控机床由程序编制及程序载体、输入装置、数控装置（CNC）、伺服驱动及位置检测、辅助控制装置、机床本体等几部分组成。

数控机床发展的概况从1952年至今，数控机床按照控制机的发展，已经历了五代。

1959年，由于在计算机行业中研制出晶体管元件，因而在数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板，从而跨入了第二代。

1965年，出现小规模集成电路，由于它体积小、功耗低，使数控系统的可靠性得以进一步提高。

数控系统发展到第三代。

以上三代系统，都是采用专用控制计算机的硬接线数控系统，我们称之为硬线系统，统称为普通数控系统（NC）。

随着计算技术的发展，小型计算机的价格急剧下降，激烈地冲击着市场。

数控系统的生产厂家认识到，采用小型计算机来取代专用控制计算机，经济上是合算的，许多功能可以依靠编制专用程序存在计算机的存储器中，构成所谓控制软件而加以实现，提高了系统的可靠性和功能特色。

这种数控系统，称为第四代系统，即计算机数控系统（CNC）。

但是，计算机技术的发展是日新月异的，就在1970年前后，美国英特尔（Intel）公司开发和使用了四位微处理器，微处理芯片渗透到各个行业，数控技术也不例外。

我们把以微处理机技术为特征的数控系统称为第五代系统（MNC）。

我国数控机床发展的概况1958年，清华大学和北京第一机床厂合作研制出我国第一台数控铣床，由于我国基础理论研究滞后，相关工业基础薄弱，特别是电子技术落后，数控系统没有突破，虽然我国起步不晚，但发展不快，60-70年代，由于文革等因素，我国与发达国家差距开始拉大。

70年代国家组织数控机床攻关，取得一定成效，相继推出一些数控机床品种，但从整体来看，我国数控机床产业尚处于起步阶段。

80年代前期，我国引进了日本数控系统，通过消化吸收，提高了数控系统的可靠性。

同时开始自行研制、开发并小批量生产数控机床，数控机床品种和质量有了突破性进展，我国数控机床进入实用阶段。

国家从科技攻关和技术改造两方面对数控机床产业进行了重点扶植，并加快了国产数控系统的开发。

普及型数控系统开发成功，为数控机床商品化和规模化生产奠定了基础。

一些数控机床主机厂组建床身、箱体、主轴、轴套等成组单元，厂内组织专业化生产，生产水平进一步提高。

CAD\CAPP\CAM开始应用，开发能力、工艺水平和产品质量进一步提高，奠定产业化基础，“十五”数控机床进入了快速发展期。

我国从1958年试制成功第一台数控铣床，经历了漫长的发展历程。

从“六五”（1980-1985）开始数控机床产业化，通过二十多年的发展，初步建立了国产数控机床产业化体系。

进入新世纪以来，科学技术发展迅速，随着新技术革命向纵深发展，特别是电子技术和信息技术的快速发展，一批新技术的应用与当代各学科技术的融合，数控机床的发展进入了新阶段，我国数控机床面临关键技术突破和产业升级的战略机遇。

未来的发展方向目前，世界先进制造技术不断兴起，超高速切削、超精密加工等技术的应用，柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求。

当今数控机床正在朝着以下几个方向发展：1．高速度、高精度化。

速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。

目前，数控系统采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度。

同时，采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能力，即提高插补运算的速度和精度，并采用直线电动机直接驱动机床工作台的直线伺服进给方式，其高速度和动态响应特性相当优越。

采用前馈控制技术，使追踪滞后误差大大减小，从而改善拐角切削的加工精度。

为适应超高速加工的要求，数控机床采用主轴电动机与机床主轴合二为一的结构形式，实现了变频电动机与机床主轴一体化，主轴电机的轴承采用磁浮轴承、液体动静压轴承或陶瓷滚动轴承等形式。

目前，陶瓷刀具和金刚石涂层刀具已开始得到应用。

2．多功能化。

配有自动换刀机构（刀库容量可达100把以上）的各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铣削、镗削、钻削、车削、铰孔、扩孔、攻螺纹等多种工序加工，现代数控机床还采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工。

数控系统由于采用了多CPU结构和分级中断控制方式，即可在一台机床上同时进行零件加工和程序编制，实现所谓的“前台加工，后台编辑”。

为了适应柔性制造系统和计算机集成系统的要求，数控系统具有远距离串行接口，甚至可以联网，实现数控机床之间的数据通信，也可以直接对多台数控机床进行控制。

3．智能化。

现代数控机床将引进自适应控制技术，根据切削条件的变化，自动调节工作参数，使加工过程中能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。

具有自诊断、自修复功能，在整个工作状态中，系统随时对CNC系统本身以及与其相连的各种设备进行自诊断、检查。

一旦出现故障时，立即采用停机等措施，并进行故障报警，提示发生故障的部位、原因等。

还可以自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以确保无人化工作环境的要求。

为实现更高的故障诊断要求，其发展趋势是采用人工智能专家诊断系统。

4．数控编程自动化。

随着计算机应用技术的发展，目前CAD／CAM图形交互式自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。

它是利用CAD绘制的零件加工图样，再经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，从而自动生成NC零件加工程序，以实现CAD与CAM的集成。

随着CIMS技术的发展，当前又出现了CAD ／CAPP／CAM集成的全自动编程方式，它与CAD／CAM系统编程的最大区别是其编程所需的加工工艺参数不必由人工参与，直接从系统内的CAPP数据库获得。

5．可靠性最大化。

数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。

数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数量，来提高可靠性。

通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求，同时采用硬件结构机床本体的模块化、标准化和通用化及系列化，使得既提高硬件生产批量，又便于组织生产和质量把关。

还通过自动运行启动诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。

利用报警提示，及时排除故障；利用容错技术，对重要部件采用“冗余”设计，以实现故障自恢复；利用各种测试、监控技术，当生产超程、刀损、干扰、断电等各种意外时，自动进行相应的保护。

6．控制系统小型化。

数控系统小型化便于将机、电装置结合为一体。

目前主要采用超大规模集成元件、多层印刷电路板，采用三维安装方法，使电子元器件得以高密度安装，较大规模缩小系统的占有空间。

而利用新型的彩色液晶薄型显示器替代传统的阴极射线管，将使数控操作系统进一步小型化。

这样可以方便地将它安装在机床设备上，更便于对数控机床的操作使用。

1可编程控制器简介可编程控制器是60年代末在美国首先出现，当时叫可编程逻辑控制器PLC （Programmable Logic Controller），目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。

PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。

根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。

控制器和被控对象连接方便。

随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的PLC已不再是逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用微处理器的优点。

可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程。

另一方面，从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器，适合批量生产。

由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。

目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。

1.1 PLC的结构及各部分的作用可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构。

通常由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）、电源和编程器等几个部分组成。