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湖 南 科 技 大 學
畢 業(yè) 設 計（ 論 文 ）
題目
基于PLC控制的相交管道接口切割機仿真設計
作者
封陽財
學院
機電工程學院
專業(yè)
機械設計制造及其自動化
學號
1103010605
指導教師
王起明
二〇一五 年 五 月 三十 日
湖 南 科 技 大 學
畢業(yè)設計（論文）任務書
機電工程 學院 測控測控技術與儀器 系（教研室）
系（教研室）主任: （簽名） 年 月 日
學生姓名: 封陽財 學號: 1103010605 專業(yè): 機械設計制造及其自動化
1 設計（論文）題目及專題：基于PLC控制的相交管道接口切割機仿真設計
2 學生設計（論文）時間：自2015年 03月09日開始至 2013 年 05 月20日止
3 設計（論文）所用資源和參考資料：
3.1 根據(jù)畢業(yè)設計題目的技術要求查閱相關論文等技術資料；
3.2 熟悉相關PLC控制技術的設計；
3.3 了解國家管道材料以及金屬切削所使用的產(chǎn)品規(guī)格。
3.4 熟悉設計所用的專業(yè)軟件。
4 設計（論文）應完成的主要內容：
4.1、切割機結構設計；
4.2 切割機運動系統(tǒng)設計；
4.3 切割機PLC控制系統(tǒng)及程序；
4.4 裝配及零件圖繪制。
5 提交設計（論文）形式（設計說明與圖紙或論文等）及要求：
5.1 切割機設計說明書；
5.2 PLC控制系統(tǒng)及控制程序；
5.3 各零件及裝配圖。
發(fā)題時間： 2015 年 03 月 09 日
指導教師： （簽名）
學 生： （簽名）
湖 南 科 技 大 學
畢業(yè)設計（論文）指導人評語
[主要對學生畢業(yè)設計（論文）的工作態(tài)度，研究內容與方法，工作量，文獻應用，創(chuàng)新性，實用性，科學性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進行綜合評價]
指導人： （簽名）
年 月 日
指導人評定成績：
湖 南 科 技 大 學
畢業(yè)設計（論文）評閱人評語
[主要對學生畢業(yè)設計（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究內容與方法，實用性與科學性，結論和存在的不足等進行綜合評價]
評閱人： （簽名）
年 月 日
評閱人評定成績：
湖 南 科 技 大 學
畢業(yè)設計（論文）答辯記錄
日期：
學生： 學號： 班級：
題目：
提交畢業(yè)設計（論文）答辯委員會下列材料：
1 設計（論文）說明書共 頁
2 設計（論文）圖 紙共 頁
3 指導人、評閱人評語共 頁
畢業(yè)設計（論文）答辯委員會評語：
[主要對學生畢業(yè)設計（論文）的研究思路，設計（論文）質量，文本圖紙規(guī)范程度和對設計（論文）的介紹，回答問題情況等進行綜合評價]
答辯委員會主任： （簽名）
委員： （簽名）
（簽名）
（簽名）
（簽名）
答辯成績：
總評成績：
摘 要
隨著工業(yè)水平的不斷提高，生產(chǎn)生活中對管型鋼材的需求量越來越大，這些需求中往往涉及到兩管相交焊接，相交焊接的前提是進行定向切割。國內外切割技術不斷發(fā)展突破，等離子切割技術、數(shù)控火焰切割、激光切割等自動化切割技術設備發(fā)展比較完善。本設計以相貫線數(shù)學模型為理論基礎,將三維相貫線曲線轉換為二維平面曲線，對切割曲線進行插補算法分析，在外部硬件進行參數(shù)設定，利用PLC編程實現(xiàn)控制算法的切割機。
關鍵詞：管材 切割機 相貫線 插補 PLC編程
湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）
ABSTRACT
With the continuous improvement of industrial level, there is a large tubular steel demand in production and living. These requirements often involve the two pipe intersecting welding and intersection is the premise of welding for directional cutting. Because there is a great breakthrough in cutting technology development at home and abroad, plasma cutting technology, numerical control flames cutting, laser cutting and cutting automation technology and equipment development are comparatively perfect. The design is based on the theory of phase line mathematical model, and the curve will turn three-dimensional curve into two-dimensional plane curve, on the analysis of cutting curve interpolation algorithm and for parameter setting in the external hardware, using PLC programming to control algorithm.
Key words: Tube Stock; Cutting Machine; Intersecting Line; Interpolation;
PLC Programming.
目 錄
第一章 緒論.............................................................................................................................................1
1.1背景意義..........................................................................................................................................1
1.2國內外現(xiàn)狀.....................................................................................................................................1
1.3目標和方向.....................................................................................................................................1
第二章 系統(tǒng)結構設計.......................................................................................................................2
2.1 SolidWorks軟件.............................................................................................................................2
2.2支撐架設計.....................................................................................................................................4
2.3主機設計..........................................................................................................................................5
第三章 插補算法設計.......................................................................................................................6
3.1相貫線函數(shù)模型建立..................................................................................................................6
3.1.1相貫線概念.............................................................................................................................6
3.1.2三維函數(shù)模型建立...............................................................................................................6
3.1.3二維函數(shù)模型轉變................................................................................................................9
3.2插補算法設計...............................................................................................................................11
3.2.1插補概念................................................................................................................................11
3.2.2插補算法分析設計..............................................................................................................11
第四章 系統(tǒng)硬件設計.....................................................................................................................14
4.1角度傳感器..................................................................................................................................14
4.2模數(shù)轉換模塊...............................................................................................................................15
4.3數(shù)值撥碼開關..............................................................................................................................16
4.4 PLC模塊.......................................................................................................................................17
4.4.1 PLC介紹................................................................................................................................17
4.4.2 PLC的選型...........................................................................................................................18
4.4.3 PLC的I/O端子分配..........................................................................................................18
4.5步進電機選型及配件選型........................................................................................................19
I
4.6步進驅動器選型.................................................................................................................................21
第五章 控制程序設計.....................................................................................................................22
5.1切割系統(tǒng)程序流程圖................................................................................................................22
5.2軟件介紹.......................................................................................................................................23
5.2.1編程軟件................................................................................................................................23
5.2.2仿真軟件................................................................................................................................23
5.3模擬量轉換程序..........................................................................................................................24
5.3.1讀寫指令................................................................................................................................24
5.3.2 模塊初始化BFM單元......................................................................................................25
5.3.3 本課題的讀取A/D程序...................................................................................................25
5.4 PID運算程序...............................................................................................................................26
5.4.1 PID運算指令.......................................................................................................................26
5.4.2 PID控制邏輯........................................................................................................................27
5.4.3本課題PID控制程序.........................................................................................................27
5.5手動點動程序...............................................................................................................................28
5.6自動運行程序..............................................................................................................................29
第六章 總結...........................................................................................................................................31
參考文獻...................................................................................................................................................32
致謝..............................................................................................................................................................33
附錄A 電氣原理圖..........................................................................................................................34
附錄B 系統(tǒng)總程序..........................................................................................................................35
第一章 緒論
1.1 研究背景意義
隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)增長，工業(yè)水平的不斷提高，經(jīng)濟生產(chǎn)中對鋼結構應用得非常廣泛，其中有很大一部分屬于直徑較大且普遍用于化工，油氣，地下水管網(wǎng)等工程項目中，這些項目中往往涉及到兩管甚者多管相交焊接。
國內外對大型管材的切割技術不斷發(fā)展突破，等離子切割技術，數(shù)控火焰切割，激光切割等自動化切割技術設備，但是對相交管的相貫線的切割普遍由大型多軸（5軸、6軸聯(lián)動的）數(shù)控機床，或是采用機械手、機械臂，配備相應的控制柜，控制輔助軟件，實行自動切割。但存在以下幾點不足：
1. 大型機床，機械手臂成本昂貴，中小企業(yè)無法承擔；
2. 控制算法及編程復雜，軟件成本高；
3. 操作復雜，工人上手慢，學習時間長；
市面上已有的爬管式切割機只能實現(xiàn)管材的切斷，不能實現(xiàn)圓弧、相貫線的切割。本設計在市場上已有的切割機基礎上進行改進，仿真設計一種基于PLC程序控制的爬管式切割機，具有切割相貫線，圓弧等功能；成本較低，簡單易懂，適合中小企業(yè)。
1.2 國內外現(xiàn)狀
國內外對大型管材的切割技術不斷發(fā)展突破，等離子切割技術，數(shù)控火焰切割，激光切割技術等自動化切割技術設備不斷發(fā)展成熟。數(shù)控切割加工具有效率高、質量好、成本低等諸多優(yōu)勢而為國內眾多的機械加工及周遍行業(yè)所青睞，我國引入數(shù)控切割技術及相關設備時間并不長，經(jīng)過近十余年的消化吸收，國內一批有規(guī)模、有實力的生產(chǎn)企業(yè)開始推出擁有完全自主知識產(chǎn)權的數(shù)控切割機品牌，并得到了國內外市場的認可。
從全球行業(yè)比較來看，主要數(shù)控切割機床生產(chǎn)基地主要分為亞洲、歐盟、美洲三大地區(qū)，其中歐盟以歐洲數(shù)控切割機床協(xié)會最具代表性，而亞洲主要生產(chǎn)國為中國、韓國、日本，兩大基地幾乎占據(jù)全世界生產(chǎn)總值，而三大生產(chǎn)基地同時也是三大主力消費市場。
1.3 目標和方向
目標：實現(xiàn)設定參數(shù)之后的自動切割；
方向：本設計以相貫線數(shù)學參數(shù)模型為理論基礎,將三維相貫線曲線轉換為二維平面曲線，對切割曲線進行插補算法分析，在外部硬件——數(shù)值開關對切割參數(shù)中的主管支管直徑R、r以及主管支管之間的夾角α進行設定，選用適合做定位控制的FX3U-48MT類型PLC，對算法進行編程控制，從而對鋼管相貫線進行切割；
本設計的關鍵問題在于解決切割機的結構設計、插補算法設計、PLC程序編寫這三個問題。
第二章 結構方案設計
2.1 SolidWorks軟件
SolidWorks為達索系統(tǒng)（Dassault Systemes S.A）下的子公司，專門負責研發(fā)與銷售機械設計軟件產(chǎn)品。其簡單清晰的界面，易學易懂的對話框設計，深受廣大三維設計愛好者的青睞，其主界面如圖2.1
圖2.1 SolidWorks主界面圖
零件建模：新建一個零件[part]→選基準面→草圖的繪制→特征的操作→參數(shù)的設定→確認打鉤。
圖2.2 SolidWorks零件建模界面
新建裝配體的步驟：
新建一個裝配體[assembly]→插入零部件→瀏覽文件夾→選中零件→約束配合→確認打鉤。
圖2.3 SolidWorks裝配體建模界面
圖2.4 SolidWorks裝配體建模示例
2.2支撐架設計
支撐架用來支撐大管徑鋼管，在本設計中，為了防止管子在切割的過程中不發(fā)生軸向移動和徑向轉動，采用兩組支撐架對稱布置，在支撐架的末端采用結合面為夾角150。的永磁吸盤，2 x 2組四個永磁吸盤，只要轉動永磁吸盤的手柄就可以保證管材牢牢貼合在吸盤上，吸盤和支撐架采用銷軸連接，間隙配合，管子放到支撐架上可以隨著支撐架角度的調節(jié)自行調整角度。
當需要切割的管子直徑不在設定的范圍300mm-800mm之內，轉動調節(jié)手輪3，帶動絲杠2旋轉，順時針夾角縮小，逆時針夾角擴大，不斷調試找到最佳角度，另一個支撐架同理。以下是設計三維示意圖，基于SolidWorks2012繪制。
圖2.5 支撐架簡圖 圖2.6 支撐架簡圖
1、永磁吸盤 2.、絲杠 3、手輪 1、管材 2.、支撐架 3、底座
圖2.7 支撐架效果圖 圖2.8 永磁吸盤
2.3主機設計
圖2.9 支撐架簡圖
1、預緊旋鈕 2、預緊彈簧 3、齒輪電機 4、絲杠電機 5、滾輪
6、從動齒輪 7、主動齒輪 8、絲杠 9、焊槍 10、彈性聯(lián)軸器
圖2.10 總裝效果圖
1、主機 2、鏈條
第三章 插補算法設計
3.1相貫線函數(shù)模型建立
3.1.1相貫線概念
石油、化工、電力行業(yè)經(jīng)常需要有不同直徑的大型管材的聯(lián)接需要焊接。不同或相同直徑的管材之間的表面形成的交線稱作相貫線，相貫線為兩個立體之間的分界線，同時相貫線也是兩空間立體的共有點，相貫線一般為一段封閉的復雜的空間曲線，在特殊情況下也可以是一段平面曲線或直線，也可能不是封閉的，在本研究中不考慮該特殊情況。
由于相貫線是一條空間曲線，其計算比較復雜，尤其是兩管斜相貫時，因而目前大部分管件相貫線的研究都采用了計算有限點、放樣劃線的方法，這樣不僅效率低，準確性也難以保證，所以采用建立相貫線函數(shù)模型的方法進行數(shù)學建模研究分析。
鑒于本科階段科研能力有限，在此畢業(yè)設計中僅考慮兩圓管的對心垂直相交以及對心斜相交兩種情況，而忽略兩管及兩管以上的多管相交、兩管偏心相交、圓管與方管相交等特殊情況。
圖3.1 垂直相交 圖3.2 對心斜相交
3.1.2相貫線函數(shù)模型建立
3.1.2.1對心垂直相交
圖3.3 垂直相交坐標系
如圖3.1所示，主管直徑R，支管直徑r ，主管和支管對心垂直相交，以相貫線的最高點和為一橫截面平面，半徑為r的支管的中心線與平面的交點為坐標系原點，建立如圖所示的XYZ直角坐標系。在XOY平面內取一夾角，故支管的參數(shù)方程為：
............................................................................（3.1）
...........................................................................（3.2）
而主管在此坐標系的方程為：
.............................................................（3.3）
由于主支管相交，只有主管的上半部分有相貫線，下半部分無相貫線，選其中任意一點分析，如圖3.4所示：
圖3.4 垂直相交任意截面坐標系
所以有
...........................................................（3.4）
代入式（3.1）得：
..................................................（3.5）
因為相貫線任意一點必同時滿足主管和支管方程，因此垂直相交圓柱體相貫線方程為：
................................................（3.6）
3.1.2.1對心斜相交
圖3.5 對心斜交坐標系
如圖3.5所示，建立新的坐標系，主管、支管對心斜相交，交角為，主管半徑為R，支管半徑r 。
圖3.6 雙坐標系
按照同樣的方法，建立新的坐標系，由于主支管相交，只有主管的上半部分有相貫線，下半部分無相貫線，選其中任意一點分析。故新截面上的橢圓在原坐標系中的參數(shù)方程為：
.............................................（3.7）
同理，相貫線任意一點必同時滿足主管和支管方程，故對心斜相交在XYZ坐標系中的參數(shù)方程為：
..................................................（3.8）
討論：當，、，所以有
等效于。所以，三維空間模型方程綜合有：
.......................（3.9）
3.1.3二維函數(shù)模型轉變
利用SolidWorks中鈑金設計工具建立如圖3.7（a）所示的相貫線主管的模型，利用鈑金設計中的展開工具，將三維的模型轉換為二維的平面模型如圖3.7（b），建立如圖3.7（c）的坐標系：
（a） （b）
（c）
圖3.7 三維展開轉換二維 相貫線展開曲線坐標系由管件的軸向方向Y以及周長方向S所構成。由式（3.9）可得主管相貫線展開方程如下:
................................................（3.10）
其中：
R: 主管半斤；
r : 支管半徑；
: 相貫線上任意一點在支管上的圓心角；
: 主管與支管的交角。
將（3.10）式中的 變換可得：
.........................................（3.11）
代入（3.10）式中的得:
....................（3.12）
3.2插補算法設計
3.2.1插補概念
插補最初應用于數(shù)控加工零件。一個零件的輪廓往往是多種多樣的，有直線，有圓弧，也有可能是任意曲線，樣條線等。數(shù)控機床的刀具往往是不能以曲線的實際輪廓去走刀的，而是近似地以若干條很小的直線去走刀，走刀的方向一般是在XOY平面內沿X和Y方向。按照插補線條樣式可以分為：直線插補，圓弧插補，拋物線插補，樣條線插補等。按照插補原理的不同可以分為基準脈沖插補、數(shù)據(jù)采樣插補。
基準脈沖插補(reference-pulse?interpolator)又稱行程標量插補或脈沖增量插補。這種插補算法的特點是每次插補結束，數(shù)控裝置向每個運動坐標輸出基準脈沖序列，每個脈沖插補的實現(xiàn)方法較簡單（只有加法和移位）可以用硬件實現(xiàn)。目前，隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，多采用軟件完成這類算法。脈沖的累積值代表運動軸的位置，脈沖產(chǎn)生的速度與運動軸的速度成比例。由于脈沖增量插補的轉軸的最大速度受插補算法執(zhí)行時間限制，所以它僅適用于一些中等精度和中等速度要求的經(jīng)濟型計算機數(shù)控系統(tǒng)。
典型的代表如：數(shù)字脈沖乘法器插補法；2、逐點比較法；3、數(shù)字積分法；4、矢量判別法；5、比較積分法；6、最小偏差法。
數(shù)據(jù)采樣插補(sampled-word?interpolator)?又稱為時間標量插補或數(shù)字增量插補。這類插補算法的特點是數(shù)控裝置產(chǎn)生的不是單個脈沖，而是標準二進制字。插補運算分兩步完成。第一步為粗插補，它是在給定起點和終點的曲線之間插入若干個點，即用若干條微小直線段來逼近給定曲線，每一微小直線段的長度L都相等，且與給定進給速度有關。粗插補在每個插補運算周期中計算一次，因此，每一微小直線段的長度L與進給速度F和插補周期T有關，即FTl。第二步為精插補，它是在粗插補算出的每一微小直線段的基礎上再作“數(shù)據(jù)點的密化”工作，這一步相當于直線的脈沖增量插補。
典型代表如：1、直接函數(shù)法；2、擴展數(shù)字積分法；3、二階遞歸擴展數(shù)字積分圓弧插補法；4、圓弧雙數(shù)字積分插補法；5、角度逼近圓弧插補法。
在本研究中采用的是數(shù)據(jù)采樣插補中的直接函數(shù)法。
3.2.2插補算法分析設計
分析：在本次研究的目標對象中，有固定的目標函數(shù)，故采用直接函數(shù)法可以極大地簡化算法。如圖？？所示，只需每次在Y向進給相同的脈沖當量，將Y的當前坐標值代入目標函數(shù)，得出S的坐標值，S向的函數(shù)的差值就是S向插補的距離，下一次重復之前將Y值與支管直徑d的值比較，只要不大于d即進行下一次Y向插補，同時進行S向的檢驗，將S向差值與0進行比較，大于0則S向的函數(shù)的差值就是S向插補的
距離，否則S向的函數(shù)的差值的負數(shù)就是S向插補的距離。插補過程的如圖3.8所示：
圖3.8 插補流程圖
圖3.9 插補示意圖 第四章 系統(tǒng)硬件設計
4.1傾角傳感器：
傾角傳感器就是將主機相對于水平面夾角轉為電信號，是開機調零至機械原點中至關重要的一個模塊，同時也作為模擬量模塊的FX3U-4AD的輸入，PLC實時檢測夾角值來控制是否需要調整齒輪電機。在調節(jié)機械原點時，當夾角大于或者小于0度，就調整齒輪電機，以保證主機水平，只有當夾角等于0度時，齒輪電機停止轉動。
傳感器理論基礎：理論基礎是牛頓第二定律，根據(jù)基本的物理原理，在一個系統(tǒng)內部，速度是無法測量的，但卻可以測量其加速度。如果初速度已知，就可以通過積分算出線速度，進而可以計算出直線位移，所以它其實是運用慣性原理的一種加速度傳感器。
傾角傳感器原理：當傾角傳感器靜止時也就是側面和垂直方向沒有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直軸與加速度傳感器靈敏軸之間的夾角就是傾斜角了。
圖4.1傳感器原理圖 圖4.2傳感器實物圖
硬件選型為BWM416是北微傳感公司單軸傾角傳感器，該產(chǎn)品采用最新技術微機電生產(chǎn)工藝傾角單元，體積小、功耗低、一致性和穩(wěn)定性很高，主要性能參數(shù)如表4-1所示：
表4-1 傳感器參數(shù)表
單軸傾角測量
寬溫工作-40℃～+85℃
供電電壓（9-35V ）
IP67 防護等級
量程±90°/±180°可選
電壓輸出（0～10v）
分辨率0.02°
小體積91×40×26mm（可定制）
4.2 模數(shù)轉換模塊
PLC能處理只有數(shù)字信號，所以從傾角傳感器傳過來的模擬信號要經(jīng)過模數(shù)轉換才能到PLC內進行處理。三菱PLC內部沒有A/D轉換需要外接一個A/D轉換模塊。模擬轉換模塊就選擇三菱FX3U-4AD模擬量輸入模塊。該模塊有四個模擬量輸入通道，可以通過對其的設置來選擇。模擬量輸入有三個范圍的信號，分別為-10v～10v、4mA～20mA和-20mA～20mA。使用之前必須對其通道進行設置，設置這個通道的通道字為BFM#0單元，只有設置好了通道，并且按正的接線方式才能得到所要的結果。電壓輸入時的分辨率為0.3125mv，電流輸入的分辨率為0.5mA。具體特性曲線關系如圖4.3、4.4所示：
圖4.3 電壓輸入/數(shù)字輸出曲線 圖4.4 電流輸入/數(shù)字輸出曲線
模擬量輸入模塊FX3U-4AD就是把輸入該通道的模擬量轉為15位二進制+符號1位(電壓)的數(shù)字量儲存起來，等待PLC對其讀取數(shù)據(jù)。它的轉換速度可以選擇。如果需要改變速率只需對內部BFM#15單元進行設置。該模塊的工作電壓為直流24v，輸入的模擬量和輸出的數(shù)字量之間采用了光耦隔離以消除干擾。
同時為了避免干擾，模擬量輸入信號最好用雙絞屏蔽電纜接到該模塊，電纜應遠離電源線或其他可能產(chǎn)生電氣干擾的導線。如果傳輸過程中有電壓波動，或外部接線中有電氣干擾，可接一個0.1uF～0.47uF的電容在其兩端。如果是電流輸入，必須將端子V+與I+連接。因為本設計中壓力傳感器輸出的為0～10v電壓信號，只需要FX3U-4AD選擇通道CH1為電壓輸入，具體接線如圖4.5所示：
圖4.5 模擬量輸入模塊接線圖
4.3 數(shù)值撥碼開關
撥碼開關是指，使寫有數(shù)字的圓盤狀部件（轉盤）轉動來選擇數(shù)值，通過組合多個接點電路的導通/斷開信號，將其轉換為2進制、10進制、16進制等代碼后輸出的設定用開關。
撥碼開關（指撥開關）最開始是日本OMRON研發(fā)出來的，隨著用途廣泛起來,目前市面上用量最廣泛的是臺灣生產(chǎn)的。大陸目前也有很多廠家加入到此行列當中。
如果將多個撥碼開關連在一起，就能實現(xiàn)多位數(shù)設定。用來選擇數(shù)值的轉盤的驅動機構有以手指操作的類型（轉盤操作式）和按下按鈕的類型（按鈕操作式）。而且，撥碼開關還可以按照外形尺寸、安裝方法及引腳形狀等分為多種類型。這種開關也被稱為指輪開關及撥盤開關。
在本設計中，應用撥碼開關可以實現(xiàn)在外部硬件更改參數(shù)，在變換參數(shù)的情況下，只需要更改撥碼開關的數(shù)字即可，而不需要更該相應的程序，實現(xiàn)模塊化管理和設計。
圖4.6 撥碼開關實物圖
圖4.7 撥碼開關內部原理圖
4.4 PLC模塊
4.4.1 PLC介紹
PLC的基本結構主要由中央處理單元、儲存器、I/O接口電路、通信接口、擴展接口和電源等部分組成。其中中央處理單元是PLC的核心，I/O接口電路是連接現(xiàn)場I/O設備和中央處理單元之間的橋梁，通信接口用于與編程器、計算機等外圍設備連接。PLC的基本結構如圖3.8所示。
輸出接口
中央處理單元
輸入接口
接收
驅動
現(xiàn)場信號
負載
電源
圖4.8 PLC基本結構
PLC具有控制能力強、可靠性高、使用靈活方便、易于擴展、兼容性強等特點。
1、 可靠性高，抗干擾能力強
高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，所以具有很高的可靠性。如三菱公司的F系列PLC的平均無故障時間高達30萬h以上。
2、 配套齊全，功能完善，適用性強
PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品，可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。近年來PLC的各種功能單元大量涌現(xiàn)，是PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上通信能力的增強及人機界面技術的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。
3、 系統(tǒng)的設計、構建工作量小，維護方便，容易改造
PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減小了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及構建的周期大為縮短，同時維護也變得容易。同時，還有超小型PLC體積小，重量輕，功耗僅有數(shù)瓦，很容易裝入機械內部，是實現(xiàn)機電一體化的理想設備。
4.4.2 PLC的選型
本設計選用的核心控制器為三菱FX3U型PLC，F(xiàn)X3U型是FX系列PLC運算速度最快，功能最強的PLC。在定位控制上，F(xiàn)X3U的功能特點有：
1. 不需要專用的定位模塊就能完成定位控制任務；
2. 可以獨立3軸，最大輸出100KHZ的脈沖頻率；
3. 本身配備有8種定位指令和2種脈沖輸出指令，可執(zhí)行7種定位控制運行模式。
由于2N系列運算速度太慢，只有最大輸出20KHZ的脈沖頻率；只有脈沖輸出指令而沒有定位控制指令，故不適合做定位控制。在本次硬件上選用FX3U系列PLC，結合實際情況，選型具體為三菱FX3U-48MT的PLC，其中48表示它的輸入、輸出總點數(shù)為48點，輸入和輸出各24點，MT表示晶體管輸出型。
4.4.3 PLC的I/O端子分配
表4.1 I/O口分配表
功能解釋
代碼
I/O地址
輸入信號
開啟
SB0
X0
急停
SB1
X1
點動左
SB2
X2
點動右
SB3
X3
左極限
SLL
X4
右極限
SLR
X5
手動模式
SB4
X6
自動模式
SB5
X7
數(shù)字撥碼開關輸入R 值
X10~X13
數(shù)字撥碼開關輸入r 值
X14~X17
數(shù)字撥碼開關輸入α值
X20~X23
輸出信號
S向電機脈沖數(shù)量
Y0
S向電機脈沖方向
Y1
S向電機脫機控制
Y2
Y向電機脈沖數(shù)量
Y4
Y向電機脈沖方向
Y5
Y向電機脫機控制
Y6
4.5 步進電機選型及配件選型
步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。
圖4.9步進電機實物圖
在本次研究中采用的是開環(huán)控制方式，且電機應用的場合不需要承受大于20N.m的扭矩，電機需要的轉速在2000RPM以下，故電機選型為步進電機控制。具體型號為研控步進電機 YK57HB76-03A具體參數(shù)如表4-2所示：
表4.2 步進電機參數(shù)表
額定電壓 3.0V
步距角 1.8°
步距精度 ? ?5%
額定電流 3.0A
溫 ? 度 ? ? 80℃ ?Max
耐 ? ? 壓 ? ?500V AC 1minute
環(huán)境溫度 ? ?-20℃—50℃
徑向跳動 ? ?最大0.02mm(450g負載)
絕緣電阻 ? ?100M Ω Min 500VDC
軸向跳動 ? ?最大0.08mm(450g負載)
絲杠選型分析：
查文獻發(fā)現(xiàn)，絲杠的標準螺距D有1、2、4、5、6、8、10、16、20、25、32、40（mm），在本次研究中，為方便計算和分析，選型絲杠的標準螺距為D=10mm.
減速機選型分析：
為了增加步進電機的輸出力矩和轉動慣量，提高步進電機的機械特性，在步進電機的輸出端加減速機，選型為蘇州錦通的減速機。減速比K=2.
2相混合式步進電機步距角一般為=0.90°/ 1.8°；
3相混合式步進電機步距角一般為=0.75°/ 1.5°；
5相混合式步進電機步距角一般為=0.36°/ 0.72 °；
在本次研究中采用2相混合式的步進電機，步距角=1.8°, 細分數(shù)m=10.
Y向脈沖當量的計算：
......................................................................（4.1）
得：
鏈輪的參數(shù)選型分析：
在本次設計中，鏈輪用于傳動，結合具體情況分析，鏈輪選型參數(shù)：
模數(shù)m=4；
齒數(shù)Z=15；
分度圓直徑=60
S向脈沖當量的計算：
.....................................................................（4.2）
得：
4.6 步進驅動器選型
由于各廠家研制的步進電機的規(guī)格和型號不同，步進驅動器必須和步進電機配套使用，故步進驅動器必須選用研控系列，具體選型為YKA2404MA.
圖4.10步進驅動器實物及接線圖
具體參數(shù)如表4-3所示：
表4-3 步進驅動器參數(shù)表
第五章 控制程序設計
5.1切割系統(tǒng)程序流程圖
圖5.1切割系統(tǒng)程序流程圖
5.2軟件介紹
5.2.1編程軟件
GX-Developer是三菱PLC的編程軟件。GX-D