s7-200plc在4m機床的應用(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 設定及調節。因此在普通型的 4M 立式車床，不能加工螺紋等復雜的輪廓表面 。 圖 4M立式機床刀具切削 工件 過程示意圖 進給系統的改造方案 為了使機 床具備加工復雜表面輪廓的能力，必須使進給系統的絲杠旋轉速度能沈陽化 工大學學士學位論文 第二章 方案論證 7 在可控的范圍內和主軸的旋轉速度以任意比例匹配。為了最大限度地利用機床的原有資源，進隊機床進給系統驅動方式進行了數字化改造。具體的做法是： 機床原有的刀架進給系統的驅動電機是 三相異步電動機， 額定轉速為 1380r/min。現改為 2KW 的三相同步伺服電機，額定轉速為 3000r/min。利用同步電機絕對硬的機械特性，以保證進給系統在切削加工過程中，轉速不隨負載的增加而降低，以利于切削出預期的表面光潔度。 采用高靈敏度的感應式接近開關和自制 的葉輪旋轉探頭，組成的速度 傳感器，實時檢測主軸（旋轉工作臺）的轉速，以計數脈沖的形式送入可編程控制器（ PLC），并由 PLC 通過控制算法得到符合工藝要求的絲杠旋轉速度。 PLC 將絲杠旋轉速度換算成同步伺服電機的轉速（數字量），經 D/A 轉換后，以模擬量的形式（ 0~10V，對應于 0~5000r/min）輸入變頻調速驅動器，實現同步伺服電機的無極調速。嚴格保證伺服電機能夠按照工藝條件要求的穩定轉速，拖動刀具進行切削加工，得到預期的表面輪廓形狀。 采用高靈敏度感應式接近開關，對刀具的原點、進刀點和退刀點實行精 確定位，由 PLC 根據工藝要求，及時發出指令，對刀具運動的上、下、左、右 4 個行程，以及主軸轉數在切削加工過程中的變化實行快速跟走，保證刀具的正確運動狀態。 沈陽化工大學學士學位論文 第三章 系統的硬件構成 8 第三章 系統的硬件構成 系統的硬件電路構成 系統的硬件電路構成由以下 5 個部分組成： 電源：包括三相變壓器和直流開關電源。 三相變壓器：交流 380V/200V， 3KVA，為三相同步伺服電動機及其 變頻調速驅動提供交流 200V 三相電源。 開關電源：直流 24V，為 PLC、 D/A 模塊及數字顯示表提供直流電源。 伺服電動機及驅動：包括三 相交流同步伺服電動機（ 自帶光電編碼器）及變頻調速驅動器。 三相交流同步伺服電動機：選用日本松下公司的同步伺服電動機，功率為 ，額定電壓為 200V，額定電流為 。 變頻調速驅動器：選用日本松下公司的矢量控制的交 直 交逆變驅動器。 數控單元 ：包括可編程控制器 PLC， D/A 轉換模塊。 可編程控制器 PLC：選用西門子公司生產的 S7200。 控制信號及數據采集：包括主軸轉速非接觸式速度傳感器和用于位置控制及 刀具上下左右 4 個行程的控制信號傳感器。 主軸轉速傳感器：用高靈敏度的感應式接近開關和自制 的多探頭葉輪組成。 刀具位置及行程控制傳感器：采用感應式接近開關。接近開關選用 N15530AN6型，動作接近距離為 15mm，動作反應時間小于 2μ s。 人機界面：包括文本顯示器 TD200、手動控制鍵盤、數字顯示儀表、信號燈及報警電鈴。 文本顯示器 TD200：采用西門子公司提供的 TD200 文本顯示器，可以用來向 PLC輸入和設置切削加工的工藝參數，也可以顯示系統的運行信息，最多可顯示 80條信息，每條信息可包含 4 個狀態變量。 手動 控制鍵盤：用于刀具調整（如換刀）時的手動控制，可實現啟動、停止及沈陽化工大學學士學位論文 第三章 系統的硬件構成 9 刀具上、下、左、右 4 個行程的手動控制。 數字顯示儀表：選用 ZNSX 只能數顯儀表，用于實時顯示機床主軸和進給伺服電機的轉速。 信號燈及電鈴：用于指示機床工作狀態及故障報警。 變頻 器介紹 變頻器（ Variablefrequency Drive， VFD）是應用變頻技術與微電子技術，通過改變 電機 工作電源 頻率 方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成。 整流單元將工作頻率固定的交流電轉化為直流電。逆變器由大功率開關晶體管整列組成電子 開關，將直流電轉化為不同頻率、寬度、復讀的方波。通過改變電源的頻率來達到改變電源電壓的目的，根據電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節能、調速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。隨著工業自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應用。 主電路是給 異步電動機 提供調壓調頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。 它由三部分構 成，將工頻電源變換為直流功率的 “ 整流器 ” ，吸收在變流器和逆變器產生的電壓脈動的 “ 平波回路 ” ，以及將直流功率變換為交流功率的 “ 逆變器 ” 。 同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使 6 個開關器件導通、關斷就可以得到 3 相交流輸出。控制電路是給異步電動機供電（電壓、頻率可調）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的 “ 運算電路 ” ，主電路的 “ 電壓、電流檢測電路 ” ，電動機的 “ 速度檢測電路 ” ，將運算電路的控制信號進行放大的 “ 驅動電路 ” ，以及逆變器和電動機的 “ 保護電路 ” 組成。 基于調速方 便、節能、運行可靠的優點，變頻調速器已逐漸替代傳統的變極調速、電磁調速及調壓調速方式。直接轉矩控制以測量電機電流和直流電壓作為自適應電機模型的輸入。該模型每隔 25μ m 產生一組精確的轉矩和磁通實際值，轉矩比沈陽化工大學學士學位論文 第三章 系統的硬件構成 10 較器將轉矩和磁通的實際值與轉矩和磁通的給定值進行比較，以確定最佳開關位置。由此可以看出它是對轉矩和磁通的測量，即刻調整逆變電路的開關狀態，進而調整電機的轉矩和磁通，以達到精確控制的目的。 變頻器的作用是改變交流電機供電的頻率和幅值，因而改變其運動磁場的周期，達到平滑控制電動機轉速的目的。變頻器的出現，使得復 雜的調速控制簡單化，用變頻器 +伺服電機的組合替代了大部分原先只能用直流電機完成的工作，縮小了體積，降低了維修率，使傳動技術發展到新的階段 。變頻器可以優化電機運行，所以也能夠起到增效節能的作用。 本系統所采用的是交 直 交型變頻器，這種 變頻器先把交流電經整流器先整流成 直流 電，直流中間電路對整流電路的輸出平滑濾波，再經過逆變器把這個直流電變成頻率和電壓都可變的交流電。 伺服 電機 介紹 作為數控機床的重要控制功能部件，伺服系統的特性 一直是影響系統加工性能的重要指標。伺服系統是以機械運動的驅動設備，電動機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執行機構，在自動控制理論的指導下組成的電氣傳動自動控制系統。這類控制電動機的轉矩、轉速和轉角，將電能轉換為機械能，實現運動機械的運動要求。具體在數控機床中，伺服系統接收數控系統發出的位移、速度指令，經變換、放調 與整大后，由電動機和機械傳動機構驅動機床坐標軸、主軸等，帶動工作臺及刀架，通過軸的聯動使刀具相對工件產生各種復雜的機械運功，從而加工出用戶所要求的復雜形狀的工件。 伺服系統是使物 體的位置、方位、狀態等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化的自動控制系統。 伺服系統主要由三部分組成：控制器、功率驅動裝置、反饋裝置和電動機。控制器按照數控系統的給定值和通過反饋裝置檢測的實際運行值的差，調節控制量。功率驅動裝置作為系統的主回路，一方面按控制量的大小將電網中的電能作用到電動機之上，調節電動機轉矩的大小，另一方面按電動機的要求把恒壓恒頻的電網供電轉換為電動機所需的交流電或直流電，電動機則按供電大小拖動機械運轉。 伺服主要靠 脈沖 來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到 1 個脈沖，就會旋轉 1 個脈沖對應的角度，從而實現位移，因為，伺服電沈陽化工大學學士學位論文 第三章 系統的硬件構成 11 機本身具備發出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉一個角度，都會發出對應數量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應，或者叫閉環，如此一來，系統就會知道發了多少脈沖給伺服電機，同 時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉動，從而實現精確的定位 ， 直流伺服電機分為有刷和無刷電機。有刷電機成本低 、 結構簡單 、 啟動轉矩大 、 調速范圍寬 、 控制容易 、 需要維護，但維護不方便（換碳刷），產生電磁干擾 、 對環境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業和民用場合。 無刷電機體積 小 、 重量輕 、 出力大 、 響應快 、 速度高 、 慣量小 、 轉動平滑 、 力矩穩定。控制復雜，容易實現智能化，其電子換相 方式 靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環境。 交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和異步電機，目前運動控制中一般都用同步電機，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩運行的應用。 伺服電機（ servo motor）是指在伺服系統中控制 機械元件 運轉的發動機，是一種補助馬達間接變速裝置。伺服 電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓 信號轉化為 轉矩 和轉速以驅動控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統中，用作執行元件，且具有機電時間常數小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉現象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。 本系統所采用的是三相交流同步伺服電機 ， 這種 伺服電動機雖較感應電動機復雜，但比直流電動機簡單。它的定子與感應電動機一樣，都在定子上裝有對稱三相繞 組。而轉子卻不同，按不同的轉子結構又分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又分為磁滯式、永磁式和反應式多種。數控機床中多用 永磁式同步電動機 。與電磁式相比，永磁式優點是結構簡單、運行可靠、效率較高；缺點是體積大、啟動特性欠佳。 可編程控制器的硬件組成 可編程控制器種類繁多，但其基本結構和工作原理基本相同。 PLC 的基本結構由中央處理器（ CPU） ， 存儲器，輸入、輸出接口，電源，擴展接口，通信接口，編沈陽化工大學學士學位論文 第三章 系統的硬件構成 12 程工具，智能 I/O 接口，智能單元等組成。 1．中央處理器（ CPU） 與一般計算機一樣， CPU 是 PLC 的核心，他按 PLC 中系統程序賦予的功能指揮PLC 有條不紊地進行工作。 2．存儲器 PLC 存儲器是用來存放系統程序、用戶程序和