三维雕刻机控制系统设计毕业设计.doc
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1、学校代码: 10128学号: 201020102008 本科毕业设计说明书(题 目:三维雕刻机控制系统设计学 院:机械学院系 别:机械系 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书摘 要在二十一世纪的今天,工业的大力发展来源于机器的发展。雕刻机对于现代工业具有很大的意义,所以说研究雕刻机具有一定意义。雕刻加工涉及到各行各业,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、工装模具等行业,由于雕刻机用途广泛,随着社会的发展,雕刻机行业的发展也是必然的,因此,对雕刻技术的创新是十分必要的。首先是对雕刻机总体结构进行分析,雕刻机一般由X、Y、Z三轴和主轴组成,X、Y、Z三轴的移动是通过步进
2、电机带动丝杠来运动,主轴是通过电主轴带动刀具运动。首先要对总体的控制系统进行设计,选择电气元件,进行电路设计。本文研究的是三维雕刻机的控制系统设计,采用PLC控制。使用的PLC为西门子S7300系列。选用好电气元件后,连接电路图,设计控制电路。此次设计是采用PLC控制,所以必须进行PLC的编程。使用的软件为STEP7,分别对X、Y、Z三轴的步进电机进行控制,使其实现点位和轮廓控制。主轴通过变频器控制电主轴,使雕刻机在不同转速下运行,使雕刻机可以加工不同类型的产品。 关键词:三维雕刻机;控制系统;PLC;AbstractThe strong industrial development in t
3、he 21st century today, from the development of the machine. Carving machine has great significance for modern industry, so study carving machine has certain significance. Carving processing involved in all walks of life, has a gift industry, the advertising industry, the seal industry, wood processi
4、ng industry, construction industry, art, model industry, mechanical processing, tooling and etc, because of engraving machine is widely used, with the development of the society, the engraving machine industrys development is also inevitable, therefore, innovation of carving technology is very neces
5、sary.First is to analyze carving machine overall structure, carving machine generally consists of X, Y, Z of three axis and spindle, X, Y, Z three axis movement is a movement by stepper motor drive screw, main shaft through the motorized spindle drive tool motion. First of all to the overall control
6、 system design, electric component choice, circuit design.This paper studies the three-dimensional carving machine control system design, PLC control. Using the PLC of Siemens S7300 series. Choose good after electrical components, connection diagram, design control circuit. This design is to adopt P
7、LC control, so must be PLC programming. Use of software for the STEP7, respectively to the X, Y, Z three axis stepper motor to control, make its implementation level and profile control. Main shaft through the inverter control of motorized spindle, make engraving machine to run under different rotat
8、ional speed, the engraving machine can process different types of products.Key words: 3 d engraving machine; Control system ; PLC;目 录引言1第一章 数控雕刻机概况21.1雕刻工艺与数控雕刻机21.2雕刻机的发展现状31.3雕刻机的未来发展趋势3第二章 三维雕刻机控制系统的总体方案设计42.1三维雕刻机的组成及工作原理42.1.1三维雕刻机的组成42.1.2三维雕刻机的工作原理42.2电气元件的选择52.2.1 S7300简介及PLC的选择52.2.2 步进电机的选
9、择72.2.3 步进电机驱动器的选择72.2.4 变频器的选择122.2.5 电主轴的选择122.3 控制系统总体设计142.3.1 步进电机的控制电路142.3.2 变频器的控制电路142.3.3 PLC的I/O分配表15第三章 STEP7的介绍及硬件组态163.1 STEP7概述163.2 STEP7项目的创建及硬件组态16第四章 PLC程序的编写214.1步进电机控制程序的编写214.1.1 硬件设置214.1.2 调用系统功能块SFB49234.1.3 SFB49功能块的参数确定244.1.4 步进电机控制程序264.2 变频器控制程序的编写314.2.1 变频器控制的要求314.2.
10、2 FC106模块的介绍314.2.3 变频器控制程序32结 论35参考文献36致 谢37引言雕刻加工涉及到各行各业,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、工装模具等行业,由于雕刻机用途广泛,随着社会的发展,雕刻机行业的发展也是必然的,因此,对雕刻技术的创新是十分必要的。首先是对雕刻机总体结构进行分析,雕刻机一般由X、Y、Z三轴和主轴组成,X、Y、Z三轴的移动是通过步进电机带动丝杠来运动,主轴是通过电主轴带动刀具运动。首先要对总体的控制系统进行设计,选择电气元件,进行电路设计。目前,基于PLC的机加工控制系统主要有以单片机为核心组成的控制系统和以可编程序控制器(P
11、LC)为核心组成的控制系统两种。而由继电接触器组成的控制系统因其技术性能指标较差,早己在机加工控制对象上停止使用了。单片机控制系统的特点是成本低,程序可更改。但它需要设计和制作输入、输出接口电路、人机界面和印刷电路板,设计制作工作量大,周期长。且单片机控制系统抗扰能力较差,给调试和操作带来便。可编程控制器(PLC)是在电子技术、计算机技术等基础上发展起来的一种先进的自动控制设备。它具有可靠性高,抗扰能力强,编程简单,设计周期短,安装、接线、调试工作量小,使用维护方便,具有很高的灵活性、适应性及很强的信息处理能力和多功能、体积小、重量轻的优点。因此,PLC控制系统具有继电器控制系统和单片机控制系
12、统无法比拟的优点,它的综合技术性能最好,因而它己成为包括机加工控制对象在内的绝大多数机械设备首选的控制系统。本文控制系统设计采用PLC控制。使用的PLC为西门子S7300系列。选用好电气元件后,连接电路图,设计控制电路。此次设计是采用PLC控制,所以必须进行PLC的编程。使用的软件为STEP7,分别对X、Y、Z三轴的步进电机进行控制,使其实现点位和轮廓控制。主轴通过变频器控制电主轴,使雕刻机在不同转速下运行,使雕刻机可以加工不同类型的产品。第一章 数控雕刻机概况1.1雕刻机工艺与数控雕刻机雕刻工艺可以说是一门传统的工艺,在中国的古代便已经有雕刻这门技术。而如今我们不在是通过手工来进行雕刻,而是
13、通过机器来实现雕刻工艺。随着市场需求不断扩大,雕刻工艺涉及到了方方面面,不仅是在首饰、工艺品等行业,很多日用品也需要雕刻工艺,所以这使得雕刻工艺走向自动化发展成为必然。从工艺上,雕刻可分为全自由度空间雕刻、三维立体雕刻和二维平面雕刻。其中,全自由度空间雕刻主要用于一些形状复杂的工艺品或大型艺术作品的雕刻,如玉雕、冰雕、沙雕等;这些制品往往注重艺术创作性,制品的形状复杂、随意性强、工艺性差;因此这类产品只能依靠手工雕刻,迄今为止雕刻机还无能为力。然而,目前三维立体雕刻和二维平面雕刻大部分已采用雕刻机完成,克服了传统手工雕刻的缺陷。按照控制原理的不同,可以将雕刻机分为仿形雕刻机和数控雕刻机(采用C
14、NC系统)两大类型。仿形雕刻机的工作原理类似仿形铣削,在加工前须制作仿形模型,这一过程通常需手工完成,周期长、效率低。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。与通用的数控机床类似,数控雕刻机通过数控系统根据程序代码控制雕刻机动作,实现加工的自动化。相比传统的手工雕刻、仿形雕刻,数控雕刻具有生产效率高、加工精度高、对零件适应性强等显著优势;同时借助于专用的雕刻CAD/CAM软件系统,加工控制程序的生成快捷、修改方便;因此数控雕刻现已成为实现雕刻加工自动化、高效率、高精度的有效手段,也是当今雕刻机的发展主流,广泛应用于机械工业、广告传媒、日常消费以及建筑装演等众多领域。目
15、前,雕刻机主要分为两种:一种是激光雕刻机,它采用激光作为加工工具进行雕刻加工;另一种机械式雕刻机,它是采用传统的铣削式加工方法进行雕刻加工。这两种雕刻机各有特点,应用领域也不尽相同。此外,按照伺服驱动控制的类型不同,可分为步进驱动雕刻机和伺服驱动雕刻机;根据运动坐标控制的联动轴数,将数控雕刻机分为三坐标数控雕刻机、五坐标数控雕刻机等。1.2雕刻机的发展现状20世纪90年代以来,微电子技术的突飞猛进直接推动了微型计算机的迅速发展,而微电子技术和微型计算机技术又带动了整个高技术群体的飞速发展,从而使雕刻机有了质的飞跃。雕刻机经历了从2D到2.5D再到3D加工的变革,功能完善、性能稳定、造型美观和价
16、格合理成为雕刻机研制的基本要求。国外的雕刻机,如美国的“雕霸”、法国的“嘉宝”和日本的“御牧”是该行业的佼佼者,但价格非常昂贵。随着近年来我国制造业的快速发展,数控雕刻机产业也获得了良好的发展机遇,有效的促进了我国数控雕刻机行业的发展。我国的数控雕刻机起步于经济型数控机床,随着数控技术的进步,经过十多年的发展,己形成了多个国产品牌的雕刻机,如北京的“精雕”、上海的“啄木鸟”等。1.3雕刻机的未来发展趋势 20世纪90年代以来,微电子技术的突飞猛进直接推动了微型计算机的迅速发展,而微电子技术和微型计算机技术又带动整个高科技群体飞速发展,从而使雕刻技术也有了质的飞跃。功能完善、性能稳定、造型美观和
17、价格合理成为雕刻机研制的基本要求。高速、高效、高精度、高可靠性、智能化、集成化、网络化、开放化成为当代数控系统所呈现的新的发展趋势。 随着嵌入式系统不断深入到人们生活中的各个领域,基于嵌入式系统的数控雕刻机也将迅速发展起来。硬件方面,ARM, DSP等高性能运动控制器逐渐应用于雕刻机系统中,推动数控雕刻机系统向着高速、高效、高可靠性的方向发展;软件方面随着叫/OS-II, Linux等免费操作系统的推广,雕刻系统的操作平台也跨出Windows,使得雕刻机系统形式多样化。由于水平有限,本设计中使用的控制系统为PLC。第二章 三维雕刻机控制系统的总体方案设计2.1三维雕刻机组成及工作原理2.1.1
18、三维雕刻机的组成 雕刻机一般由机架、工作台、刀头、运动系统和控制系统等组成。雕刻机工作时由电机将动力穿给滚珠动丝杠,然后带动刀头相对工作台沿X、Y、Z 轴进给,并且同时主轴旋转产生切削力。三维雕刻机的组成如下图所示:控制装置主轴变频器X向步进电机电主轴步进电机驱动装置X向步进电机Z向步进电机图2-1 三维雕刻机组成2.1.2三维雕刻机的工作原理三维雕刻机的控制主要由软件对PC电脑进行图像输入,然后电脑处理图像后得到参数,然后将参数传给控制系统,控制系统得到参数控制各个工作部件实现图形向实体的转化。本文所做的为三维雕刻机的控制系统设计,即PLC控制各个电机运动,不做图像的处理和参数转化的内容。三
19、维雕刻机是在PLC的控制下的,主要控制对象有X、Y、Z三轴的步进电机和主轴,主轴采用变频器控制电主轴转动。USB数据传输接口PC主机图形输入PLCX向步进电机Y向步进电机Z向步进电机X向滚珠丝杠Y向滚珠丝杠Z向滚珠丝杠变频器电主轴图2-2 三维雕刻机工作原理2.2电气元件的选择2.2.1 S7300简介及PLC的选择中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据;检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态,并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时,首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据,并分别存入I/O映象区,
20、然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序,经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。此次设计所经过考虑选择了西门子PLC,系列为S7300系列。西门子S7-300是模块化中小型PLC系统,能满足中等性能要求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200 PLC比较,S7-300 PLC采用模块化结构,具备高速(0.60.1s)的指令运算速度;用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算;一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值;方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内,人机对话的编程要求大大减少。西
21、门子PLC的优点点事稳定性和可靠性好,缺点是成本太高。本次所选用的型号为CPU314C-2DP,实验室正好有此型号的PLC,所以可以从实践中去进行本次毕业设计。CPU314C-2DP为紧凑型,集成有24个数字量输入接口,16个数字量输出接口,5个模拟量输出接口和2个模拟量输出接口,工艺功能含有4个计数器和一个定位通道。下图显示了具有开放式前盖的 CPU 的集成数字量和模拟量输入/输出。CPU314C-2DP集成有4个用于高速计数或高频脉冲输出的特殊通道,4个通道位于CPU314C-2DP集成数字量输出点首位字节的最低四位,这三位通常情况下可以作为普通的数字量输出点来使用。在需要高频脉冲输出时,
22、可通过硬件设置定义这四位的属性,将其作为高频脉冲输出通道来使用。图2-3 CPU314C-2DP数字量输入模块:SM321SM321,可将位于现场的开关触点的状态经过光电隔离和滤波,转化为S7300内部信号电平,而后送至输入缓冲区等待CPU采样。采样时,信号经过背板总线进入到输入映像区。具有8位独立的输入点,用于连接开关或2线接近开关。数据采集部分与背板总线通过光藕隔离。2.2.2步进电机的选择步进电机的选型为森创步进电机,为北京和利时电机技术有限公司所生产的三相混合式步进电机,步进电机和工作环境如下图下表所示:图2-4 步进电机步进电机型号和技术要求如下表所示:表2-1 步进电机技术数据货物
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