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1、基于PLC的雕刻机控制系统设计目录1 绪论11.1 课题的研究意义11.2 雕刻机的应用及发展11.2.1 雕刻机的应用11.2.2 国内外发展与现状21.3 课题研究的主要内容31.3.1 实验平台简介32方案选择42.1三轴驱动方案选择42.1.1直流驱动42.1.2 交流伺服驱动52.1.3 步进驱动52.2 控制器的选择62.3限位开关73硬件电路设计93.1主电路设计93.1.1步进电机及步进驱动器93.1.2 主轴及变频驱动93.2控制电路设计113.2.1控制要求113.2.2 步进电机驱动器123.2.3 PLC选型143.2.4 I/O配置及PLC外部接线图164软件设计18
2、4.1 PTO/POS配置184.1.1 PTO配置194.1.2 PTO/PWM组件234.2主程序245总结43致谢43基于PLC的雕刻机控制系统设计摘要 自从有了人类的社会活动以后，就有了雕刻这一行业，伴随着人类社会的发展，如今人们对雕刻有了全新的认识，随着人们对雕刻机的认识和掌握逐步加深，应用范围会得到不断扩大，应用水平也会逐步提高，雕刻加工必定会有更广阔的前景。本文论述了雕刻机的控制要求及驱动方式，设计了基于PLC控制的三维雕刻机的电气控制线路，并编制了实现轨迹运行的控制程序。三维雕刻机为滚珠丝杠设计，X、Y、Z三轴采用步进系统，分别通过CPU的高速脉冲输出PTO及定位模块EM253
3、实现三根轴的位置控制，主轴采用交流变频驱动，系统中设置了限位开关和位置感应器以防止运动超程。调试结果表明，系统可以实现一定精度的雕刻轨迹控制，达到了设计指标的要求。 关键词：雕刻机；PLC；位置控制；滚珠丝杠ABSTRACT Ever since human social activity later, there is a sculpture of the industry, along with the development of human society, and now people have a new understanding of sculpture ,engraving
4、machines as people gradually deepening understanding and grasp the scope of application will been expanding the application level will gradually increase ,engraving process must be more broad prospects. This paper discusses the requirements and drive mode control engraving machine, the design of PLC
5、-based electrical control circuit controls the three-dimensional engraving machine and prepared to achieve trajectory control program running. Three-dimensional engraving machine for the ball screw design, X, Y, Z-axis stepper system ,respectively, to achieve three-axis position control with high-sp
6、eed pulse output PTO and the positioning module EM253 CPU, the spindle AC variable frequency drive, the system set up limit switches and position sensors to prevent over travel movement Debugging results show that the system can achieve a certain precision engraving trajectory control, met the requi
7、rements of the design specifications.Keywords：Engraving machine; Position Control; ball screw shaft1 绪论1.1 课题的研究意义自从有了人类的社会活动以后，就有了雕刻这一行业，伴随着人类社会的发展，现如今人们对雕刻有了全新的认识，电脑雕刻加工的兴起与发展是时代发展的需要，电脑雕刻代替机械雕刻已是大势所趋。电脑雕刻加工可以就是目前理想的选择，虽然有些地区电脑雕刻加工业务量不是很多，但它是雕刻行业发展的必然趋势。雕刻加工涉及各行各业、分布很广，有礼品业、广告业、印章业、木器加工业、建筑业、艺术模型业
8、、机械加工、工装模具等等，随着人们对雕刻机的认识和掌握逐步加深，应用范围会得到不断扩大，应用水平也会逐步提高，雕刻加工必定会有更广阔的前景。随着近年来我国制造业的迅速发展，我国的雕刻机产业也获得了良好的发展机遇，数控木工雕刻机、模具雕刻机、激光雕刻机等电脑雕刻加工有效地促进了我国雕刻机的生产和推广应用。我国的雕刻机起步于经济型机床，随着科学技术的进步，经过十多年的发展，已形成了多个国产品牌的雕刻机，但是中国雕刻核心技术还是与国外有很大的差距，需要我们去努力去接近国外，拥有自己的核心技术。要立足国内，结合国情，面向经济建设的需要，开发出有自己特色，符合中国人习惯的雕刻机结构及其软件。1.2 雕刻
9、机的应用及发展1.2.1 雕刻机的应用在现在这个科技时代，计算机应用技术和机电一体化技术的飞速发展，机械领域、电子领域和控制、检测领域都空前发展，小型雕刻机也将随着这些技术的发展，涉及众多工业品的生产和加工过程,获得一个更为广阔的应用范围。如今，雕刻机在各行各业中的应用已日益广泛，因此，此行业的竞争是十分激烈的。目前国内外市场上出现的雕刻机，虽然性能较好，但价格也非常昂贵。普通的雕刻机都是万元以上，令一些小单位及个人用户望而却步。如美国的“雕霸”、法国的“嘉宝”和日本的“御牧”都是此行业的佼佼者，但其价格非常昂贵，不管大小都在10万元人民币以上。近些年，国内的雕刻机，如北京的“精雕”、上海的“
10、啄木鸟”在国内也有一定的市场，但其价格也不菲。因此，着力提高雕刻机的性价比是十分必要的。随着电子技术的发展，雕刻机也逐步地向数控雕刻方向发展。传统的雕刻加工工业是一门技术性要求很高的手工技艺，雕刻品的质量完全取决于雕刻师的技艺水平，所以生产的效率很低、成本也很高，制品的随意行强、一致性差，严重制约了雕刻行业的发展。数控雕刻机是数控技术和雕刻工艺相结合的产物，是一种专用的数控机床，实现了雕刻加工的自动化，较传统的手工雕刻、仿形雕刻，具有更高的生产效率和加工精度。1.2.2 国内外发展与现状雕刻加工涉及到了各行各业、分布很广，有礼品业、广告业、印章业、木器加工业、建筑业、艺术模型业、机械加工、工装
11、模具等行业，介于雕刻机的广泛用途，随着社会的发展，雕刻机行业的发展也是必然的，其竞争会呈现出更加激烈的局面，因此，对雕刻技术的创新是十分必要的。功能完善、性格稳定、造型美观和价格合理成为雕刻机研制的基本要求。数控雕刻机作为制造业一个有力工具，有着非常广阔的发展前景，随着计算机技术、机电技术、机械技术等各个科学技术的发展，数控雕刻机的功能将日益强大，性能将更趋稳定。雕刻机发展趋势总结如下：（1）更加精密控制部分和机械部分精度的提高将极大地提高雕刻系统的精度，控制部分将向闭环私服方向发展，通过反馈调整做到误差补偿，从而可以大幅度提高精度；机械部分将采用更高精度的滚珠丝杠和驱动电机，同时装配工艺的提
12、高也将进一步提高系统的精度。（2）更加高效高性能运动控制技术如DSP技术、32为单片机等的发展，驱动电机性能提高，刀具性能提高，采用规范的软件开发技术等等，都将会推动数控雕刻系统向着高速、高效、高可靠性的方向发展。利用移动通讯技术和网络技术飞速的发展，数控雕刻机将朝着数值化、网路化的方向发展。1938年世界第一台手动雕刻机“嘉宝”在法国问世，1950年“嘉宝”生产出世界第一台真正意义的电动、可缩放比例的手动雕刻机。随后美国、日本等国也开始研制。20世纪90年代，随着微电子技术的突飞猛进，直接推动微型计算机的急剧发展。微电子技术和微型计算机技术带动了整个高技术群体飞速发展，从而使雕刻机产生了质的
13、飞跃。雕刻机完成了从2D2.5D3D加工的变革，功能完善、性能稳定、造型美观和价格合理成为雕刻机研制的基本要求。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
14、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。1.3 课题研究的主要内容1.3.1 实验平台简介KNT-PHT3三自由度运动控制系统实训装置可以模拟数控车床铣床的加工过程，其三自由度十字滑台如图1.1所示。主要由控制工作台在X、Z轴二个方向上运动的二个滚珠丝杠副和控制刀具安装夹具在垂直方向（即X轴）上下运动的滚珠丝杠副、刀具旋转的主轴驱动设备等器件构成。图1.1 三自由度十字滑台（1）工作台：主要功能是用来固定工件或夹具等，工作台上面的
15、T型为工件的拆装提供了便利。（2）滚珠丝杠副：是运动执行机构，通过丝杆的正、反转动带动装在直线导轨副上的螺母块左右运动，以滚直线导轨副为导向支承的方式构成，具有活动灵活、运动平稳、精度高、摩擦系数小、结构紧凑等特点，如图1.2所示。图1.2 滚珠丝杠副（3）主要技术指标如下：横向行程：250（mm）、纵向行程：250（mm）1.3.2 课题研究的主要内容（1）了解三维十字滑台机械运动执行机构的组成，工件加工路径的控制要求。（2）能按照工件实际需要的加工路径进行高精度的切削加工；（3）设计雕刻机电气控制系统（硬件电路及控制程序）。2方案选择2.1三轴驱动方案选择雕刻机床的三轴驱动电机一般有步进电机，交流伺服电机，直流伺服电机和直线电机等。2.1.1直流驱动无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。无刷直流电机外形图如图2.1所示。图2.1 无刷直流电机外形图电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体 ，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和
