基于松下PLC的步进电机两轴插补控制_开题报告

人类在工农业生产活动中，发明和创造了各式各样的机器（机械），用于代替人力完成各种各样的生产劳动，这也使得机器与人类组成了一个“人—机”系统，我们已经熟悉了对机器的各种各样的称呼，例如工具、人力机器、半自动机器、甚至机器人等。自动机械的最大特点是自动化程度高、操作人员的劳动强度低、生产效率高。随着我国国民经济的飞速发展，机械在品种、规模、设计与制造技术等方面也得到了迅速的发展和提高。目前全国各地均建有机械制造厂，并逐步走向专业化生产，已能独立自主进行从单机到成套设备乃至自动生产线的设计和制造。根据我国的生产现状和技术经济发展的总体规划，发展生产首先是提高产品质量，改善劳动条件，减轻劳动强度，不断提高机械化水平。当前对现有的各种机械设备，应以改造更新为主，充分发挥它们的潜力。随着新材料，新工艺，新技术的发展，必须推动各种自动机械向机电一体化和智能化的方向发展。[4]最近几年，随着我国内地工业以及制造业的高速发展，使许多劳动密集型产业向内陆转移，这样就造成了沿海地区的“用工荒”。再加上逐年上涨的劳动成本，使得许多企业不得不向自动化工厂方向转移，随之而来的就是大家常说的“非标自动化”的机电一体化设备的发展。发展的同时也对一些工业自动化产品加大了需求，比如PLC、各类电机等。

PLC 是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。

世界上 PLC 产品可按地域分成三大流派：美国、欧洲和日本。日本的 PLC 技术是由美国引进的，但日本的主推定位在小型 PLC 上，在小型机领域中颇具盛名。某些用欧美的中型机或大型机才能实现的控制，日本的小型机就可以解决。在开发较复杂的控制系统方面明显优于欧美的小型机，所以格外受用户欢迎。日本有许多 PLC 制造商，如三菱、欧姆龙、松下、东芝等，在世界小型 PLC 市场上，日本产品约占有70％的份额。松下 PLC 是目前国内比较常见的 PLC 产品之一，其功能完备，性价比高。松下的小型 PLC 有：FP-X、FP0、FP1、FPΣ、FP-e 系列等；中型PLC 为：FP2、FP2SH、FP3 系列 PLC。 [1]松下系列小型PLC具有性价比高、功能完善、指令丰富等优点，能满足本对象各项控制性能要求。[2]

电机为工业发展不可缺少的一大要素，并扮演着重要的角色。电机的应用不仅在动力应用方面不断扩大，而且在控制领域的使用范围也在不断扩大。随着控制电机重要性的增加，控制电机的使用量也逐年增加。步进电机是一种控制电机，不使用反馈电路，就能进行速度控制及定位控制，即所谓的电机开环控制。其应用主要以办公自动化机器和工业自动化机器为核心，并广泛应用于医疗器械、计量仪器、汽车、游戏机等。[3]

步进电机是将电脉冲转化为角位移的电气设备。脉冲数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定了旋转的速度，方向信号决定了旋转的方向。[2] 步进电机直接连接交流或直流电源时不会运动，必须与驱动电路同时使用才能发挥其功能。当步进电机要按一定速度运行时，只要产生一定频率的连续脉冲，就可以决定步进电机的总旋转角度、停止位置、加速、匀速、减速等的变速过程。[3]

根据以上对PLC和步进电机的初步了解，结合实际需要，现有一台自动抛光设备需要通过PLC对步进电机进行两轴控制，实现抛光轮对工件的斜线和圆弧轨迹加工。整台设备可以看成X-Y双轴工作台加抛光机构，驱动电机采用步进电机，沿着工件轮廓进行抛光。这与数控机床的“插补”加工概念类似，由于抛光轮为柔性材料，精度不会达到数控机床精度，只要通过PLC对两个步进电机轨迹控制实现既可。 

对于连续切削的数控机床，不仅要求工作台精确定位，还必须控制刀具相对于工件以给定速度沿着指定的路径进行切削运动，并保证切削过程中每一点的精度和粗糙度，这取决于装置的插补功能。数控机床加工曲线时，用一小段折线逼近要加工的曲线。“插补”实质是数控系统根据零件轮廓线型的有限信息，计算出道具的一系列加工点，完成所谓的数据“密化”工作。大多数数控系统都具有直线插补器和圆弧插补器。根据插补所采用的原理和计算方法的不同，目前应用的插补方法分为两类：脉冲增量插补和数字增量插补。脉冲增量插补适用于以步进电机为驱动装置的开环数控系统。[5]

脉冲增量插补又称基准脉冲插补，其特点是每次插补结束在一个轴上仅产生单个的形成增量，以一个脉冲的方式输出，实现一个脉冲当量的位移。在数控机床中，一个脉冲所对应的坐标轴的移动量称为脉冲当量，也称为位置控制分辨率。这类插补的实现方法比较简单，通常只用加法和位移即可完成插补，故其易用硬件实现，切运算速度很快，目前也有用软件来完成这类算法的。脉冲增量插补在计算过程中不断向各个坐标轴发出互相协调的进给脉冲，脉冲坐标轴的步进电机运动。常用的脉冲增量插补算法有逐点比较法和数字积分法。[5] 

逐点比较法的基本思想是在控制加工过程中，能逐点计算和判别加工偏差，以控制坐标进给，按规定的图形加工出所需要的工件，用步进电机或电液脉冲马达拖动机床，其进给是步进式的。这种算法的特点是运算直观，插补误差小于一个脉冲当量，输出脉冲均匀，且输出脉冲的速度变化小，调节方便，因此在两坐标数控机床中应用比较普遍。逐点比较法既可直线插补，也可进行圆弧插补。[5]

通过对数控机床插补原理的了解，现在需要一台PLC来实现这样的功能。本次采用松下电工的FPΣ系列来实现对两台步进电机进行直线插补和圆弧插补的实现。FPΣ系列小型PLC对于电机控制有以下特点：

脉冲输出最大4Mpps，高速启动0.005ms，可控制线性伺服；

结合高速计数器可实现故障检测功能；

支持CW/CCW方式，可与不支持脉冲+方向方式的小步进电机或伺服电机组合，能够降低系统整体成本；

内置于控制单元本体中的脉冲输出功能，可对2轴进行控制；

直线与圆弧插补功能实现了更广泛的应用；

平滑的加速/减速可实现顺利启动；

简便易懂的指令与可选择的原点返回功能。[11]

通过以上特点，可以很方便的利用松下编程软件FPWIN GR Ver.2来进行程序的设计，结合PLC对步进电机的控制原理来完成本次课题。

二、^范文提纲

1绪论

1.1设计背景

1.2设计任务

2 可编程控制器及步进电机概述

2.1 可编程控制器（PLC）概要

2.2 步进电机概要

2.3 步进电机的PLC控制原理简介

3插补控制原理

3.1插补原理概述

3.2直线插补控制原理

3.3圆弧插补控制原理

4自动抛光机硬件介绍

4.1基本结构

4.1.1结构简图概述

4.1.2运动机构基本参数

4.1.3步进电机基本参数

4.2 PLC选型

4.2.1松下FPΣ系列PLC功能简介

4.2.2 松下编程软件简介

4.3控制接线图

5控制程序设计

5.1基本流程计算

5.1.1控制轨迹简介

5.1.2控制脉冲计算

5.2基本控制指令简介

5.2.1脉冲输出控制中的指令

5.2.2梯形控制指令指令

5.2.3原点返回指令

5.2.4直线插补指令

5.2.5圆弧插补指令

5.3程序设计 

三、参考文献

[1]王剑锋.日本松下PLC的应用探讨[J].科技信息2008（32）：99

[2]宋明学.基于松下PLC脉冲控制机械手系统设计[J].机电工程技术2010（39）：37-39

[3]坂本正文.步进电机应用技术[M].北京：科学出版社. 2010：1-2,6-7

[4]尚久浩.自动机械设计[M].北京：中国轻工业出版社. 2003.5：1-6

[5]董玉红.数控技术[M].北京：高等教育出版社.2004.2:35-41

[6]张铁异.基于松下电工FP1型PLC的直线插补程序设计[J].装备制造技术2007（10）：68-70

[7]但丁.基于西门子S7-200的直线插补和圆弧插补研究[J].机械工程师2013（10）：70-71

[8]庄焕伟.基于PLC的步进电机控制方法研究[J].机电一体化2012（9）：48-50

[9]韩志强.步进电机PLC控制的研究技术[J].轻工机械2006（24）：114-115

[10]沈伯元.步进电机PLC控制的研究技术[J].中国科技博览2013:567

[11]任喜岩.PLC圆弧插补功能开发与研究[J].制造业自动化2009-31（11）：83-86

[12]吴晓梅.PLC在X-Y绘图仪中的应用[J].电气自动化2004-26（1）：54-56

[13]任喜岩.PLC直线插补方法的研究[J].机床与液压2009-37（9）：56-58

[14]杨海波.基于PLC的双轴工作台控制与实现[J].中国农机化学报2014-35（4）：228-230

[15]彭湃.西门子S7-300PLC的步进电机控制[D].武汉：武汉理工大学华夏学院2012-6

[16]顾德英.现代电气控制技术[M].北京：北京邮电大学出版社2006-8-1

[17]岂兴明.PLC与步进伺服快速入门与实践[M].北京：人民邮电出版社2011-1

[18]周美兰.PLC电气控制与组态设计[M].北京：科学出版社2003

[19]杨公源.可编程控制器(PLC)原理与应用[M].北京：电子工业出版社2004-10

[20]杨旭.可编程控制器原理及引用：松下FP系列[M].天津：天津大学出版社2009-2