前 言
中国数控市场发展状况
数控机床是电子信息技术与传统机床技术相结合的机床一体化产品，具有高效、精密、柔性自动化和信息集成特点，特别适用加工复杂形状的零件，因而成为现在先进制造技术最重要的基础装备和世界机床市场的主流产品，受到机械制造企业的青睐。工业发达国家数控机床的发展大体上经历了缓慢、快速和深入发展三个阶段，目前一达较高水平，其机床产值数控化率至少超过50%，产品数控化率至少超过20%。 设计思想
在社会主义市场经济的今天，产品的市场竞争日趋激烈，在保证产品的质量的前提下，如何提高机床的加工范围和降低制造成本是提高竞争力的关键所在。产品成本一般包括原材料、工具损耗、机床折旧、工人工资和各项管理费用，他们与劳动生产了密切相关，因此提高产品加工效率是降低成本的最有效途径。
在小批量多品种生产中，为了加工具有精确角位置的零件，可采用回转盘或多齿分度盘进行精确加工，但对于直径较大、较重的工件却无能为力，这就需要设计制造大型回转台。
随着我国制造业的发展，加工中心将会越来越多地被要求配备第四轴和第五轴，以扩大加工范围。估计近几年要求配备数控转台的加工中心将会达到每年600台左右。数控转台作为机床附件，其技术性能的提高直接影响着数控机床的加工效率和加工质量。
回转工作台与落地铣镗床及各种大型、重型铣镗床配用，是机械加工的最佳组合，为此类机床增加了一个回转坐标一个直线坐标。扩大了机床的使用范围，能完成平面、圆柱面、角度面的加工，对各种形状复杂的中、大重型工作的掉头镗十分有利，是一次完成多面加工的最佳选择。数控回转工作台与数控落地铣镗床，各种大型、重型加工中心、数控端面铣配用，更是机械加工的最佳组合。
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回转工作台与数控铣床、数控镗床、加工中心等数控机床不可缺少的重要附件。它的作用是按照控制装置的信号或指令做回转分度或连续回转进给运动，以使数控机床能完成指定的加工工序。 常见的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。 功能：完成工作台的连续回转进给和任意角度的分度。
作用：既能作为回转坐标轴实现坐标联动加工，又能作为分度头完成工件的转为换面。
特点：采用伺服系统实现回转、精确分度和定位。 种类：开环数控回转台和闭环数控回转台
考虑到数控回转工作台使用后，在对不需要回转工作台的工件加工时，回转工作台的存在影响将要加工工件的装卸、加工等操作，所以本次设计对传统的回转工作台进行改进，把它制造可以拆卸夹具式数控回转工作台。该工作台具有两大优点：
第一：使用时，工作台如夹具固定在直线进给工作台的T行槽内，不用时，即可拆下，工作台是一个独立体，可以有几台数控机床公用。 第二：本结构具有适应高温、高速和便于保证装配精度的特点。 通过这样的改动后使得回转工作台的加工范围和加工精度都得到了扩展，在方法适用于中小型加工厂对多齿类零件的加工，同时也提高了设备利用率。
在数控机床电气控制中可编程控制器（PLC）是应用最广泛的控制装置，已成为自动化系统的基本装置。PLC置于NC系统和机床之间，控制主轴、刀库等外部执行机构的动作，当前数控机床电器控制系统采用PLC已成为发展趋势。PLC以微处理器为基础，是一种将计算机技术、自动控制技术和通信技术结合在一起的新型工业自动化控制设备，面向控制过程、面向用户、适应工业环境，具有操作方便、可靠性高的特点，在包括数控机床在内的工业自动化控制中得到广泛应用，成为新一代通用工业控制设备，于CAD\\CAM技术、工业机器人并成为加工业自动化的三大支柱。利用PLC代替
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传统的继电器—接触器控制，可以避免大量的电器元件的更换，在逻辑关系改变时只需要相应的修改程序就可以啊实现目标，既节省时间、也节省成本，同时大幅度提高了机床自动化控制程度和电器控制系统柔性化。目前PLC技术已经成熟，基于PLC的机床电器控制系统设计具有良好的可行性。
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1 .方案设计
1.1数控回转工作台的结构设计方案的优化选择
设计数控回转工作台时，应该考虑合理的布局。在满足所要达到功能的前提下，应该降低成本。同时要使工作台的结构尽量简单、装配容易，而且达到所需的精度要求。
1.1.1比较几种不同的传动方案的优缺点
1.平面圆柱齿轮包络蜗杆传动 优点：传动结构简单、易于装配。
缺点：制造复杂，成本较高，承载能力较小。 2.单头双导程蜗杆传动
优点：传动结构简单、易于装配。 缺点：制造复杂，成本较高。 3.双蜗杆双蜗轮结构传动（如图1.1）
优点:可以消除蜗轮杆的反向间隙，调整方便，装配简单，减速比大，也可提高电机扭矩，并且具有自锁功能。
缺点：成本较高。
图1.1双蜗杆蜗轮结构
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4.双蜗杆单蜗轮结构传动
优点：可以消除蜗轮蜗杆的反向间隙，调整方便，装配制造简单，成本低，承载能了大。
缺点:传动结构比较复杂。
我们对于以上四种方案比较优化，其中第四种方案比较好，因此这个方案为本次设计方案。（如图1.2）
图1.2双蜗杆单蜗轮结构
1.2双蜗杆结构传动的数控回转工作台的结构原理
如图1.2所示，设当使用步进电机驱动时，电机每转动50转（即蜗杆轴转动50转时）蜗轮轴转动1转，即蜗杆蜗轮的传动比为50：1。
即 （1.1）
上式中： n ——电动机转数； Z ——工件的等分数；
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50——蜗杆蜗轮副的传动比
1.3双蜗杆结构传动的数控回转工作台的一些改进
双蜗杆结构传动的数控回转工作台虽然具有很多优点，但是它在具体的实际应用中还存在着一定的局限性，现下面对这些局限性进行分析和改造。
数控回转工作台夹具式改造：考虑到回转工作台使用之后，在对不需要回转工作台加工的工件加工时，回转工作台的存在影响将要加工工件的装卸、加工等操作。所以对传统的回转工作台进行改造，把它制造成可以拆卸夹具式数控回转工作台。
上述回转工作台具有两大优点:
使用时，工作台如夹具固定在直线进给工作台的T行槽内，不用时，即可拆下，工作台是一个独立体，可以由几台数控机床共用。 本结构具有适应高温、高速和便于保证装配精度的特点。
通过这样的改动后使得回转工作台在加工范围和精度得到扩展，该设备适用于中小型加工厂对多齿类零件的加工，同时也提高了设备利用率。
1.4双蜗杆结构传动的数控回转工作台结构及参数设计
数控回转工作台采用双蜗杆传动，步进电机正反转控制工作台的正反转，两个蜗杆分别与蜗轮左右齿面接触，尽量消除正反传动间隙。采用六个气压缸作为工作台的夹紧装置。两个锥齿轮实现双蜗杆的传动。 设计参数为：
回转工作台台面尺寸（直径 高）为
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回转工作台(材料为HT200)
重量:
(材料密度)
所能承受的负载转矩为100N.
2.机械部件的设计和校核 2.1蜗轮蜗杆的设计 2.1.1蜗轮蜗杆的设计参数
初始条件确定：设定蜗杆转速为2000r/min，蜗轮蜗杆副的传动比为50。 材料选择
考虑到蜗杆的传递功率不大，但速度比较高。所以蜗杆选用40Cr钢，芯部调质、表面淬火、硬度为HRC45 ，加工精度6级并磨削。蜗杆形式采用延伸渐开线蜗杆，法面齿形角 。蜗轮材料ZCuSn10Pl,金属膜制造，其最大负载转矩为100NM 选择蜗杆传动类型
根据GB/T10085—1988的推荐，采用渐开线蜗杆（ZA）。 按照齿面接触疲劳强度进行设计计算
根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计计算，再按弯曲疲劳强度进行校核. 由传动中心距的公式：
(2.1)
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确定作用在蜗轮上的转矩 按照 估计取效率 。则
(2.2)
确定载荷系数K
因为工作载荷比较稳定，所以取载荷分布不均匀系数 ,选取使用系数 。由于转速不高，冲击不大，可以取动载系数 。则 (2.3) （3）确定弹性影响系数
因为选用的是铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配，所以选取 （4）确定接触系数
先假设蜗杆的分度圆直径 和传动中心距a的比值 ,则可以查出 . （5）确定许用应力
根据蜗轮材料ZCuSn10Pl，金属模制造，蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC。可得出蜗轮的许用应力为 。 应力循环次数
(2.4) 现取失效概率为1%，安全系数为S=1 (6) 计算中心距
(2.5)
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求的
中心距 取模数 。 则蜗杆分度圆直径 。
这时 (2.6)
查表得 。 所以，满足要求。 蜗轮蜗杆的主要参数与几何尺寸 蜗轮 分度圆直径
(2.7) 齿顶圆直径
(2.8) 齿根圆直径
(2.9)
外径
咽喉母圆半径
(2.11)
齿宽
取B=35mm (2.12)
2.10）
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（
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顶隙
(2.13) 齿宽包角
(2.14)
蜗杆 分度圆直径
齿顶圆直径
(2.15) 齿根圆直径
(2.16) 轴向齿距
螺旋线导程
(2.18) 法向齿距
(2.19)
2.17） 第 10页共50页
（
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蜗杆螺旋角
(2.20)
压力角
螺旋部分长度
所以 2.1.2校核齿根弯曲疲劳强度 由公式
（2.21）
当量齿数
（2.22） 由 查出 螺旋角系数
(2.23) 许用弯曲应力
(2.24) 查出ZCuSn10pb1制造的蜗轮的基本许用弯曲应力 查出寿命系数 MP
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而 故满足弯曲强度
表2.1蜗轮蜗杆参数
蜗杆参数 分度圆直径 蜗轮参数 分度圆直径 齿顶圆直径 齿根圆直径 轴向齿距 螺旋线导程S（ 齿顶圆直径 齿根圆直径 外径 咽喉母圆半径 法向齿距 蜗杆齿螺旋角 压力角 齿宽 顶隙 齿宽包角 2.2蜗杆传动的热平衡计算
对于闭式蜗杆传动，由于蜗杆传动效率不较低，所以工作时发热量比较大，如果产生的热量不能及时地散逸，将引起油温的不断升高使润滑油稀释，从而增大摩擦损失，甚至发生胶合。所以必须根据单位时间内的发热 等于同时间内的散热量 的条件进行热平衡计算，以保证油温稳定的处于规定的范围内。 由于摩擦损耗的功率 则产生的热量（单位时间内 ）为
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(2.25) 式中为蜗杆传动的功率P，单位为KW
以自然冷却方式，从箱体外壁散发到周围空气里的热量 （单位为W）为 (2.26) 式中： 箱体的表面散热系数，可取 ,当周围空气流通良好时，取偏大值。
内表面能被润滑油飞溅到，而外表面可被周围空气所冷却的箱体的表面积，单位为 。
有的工作温度，一般限制在 ，最高不超过 。
周围温度常取
按热平衡条件，可求得在给定工作条件下的油温（单位为 ）为
(2.27) 或在给定工作条件下，保持正常工作所需要的散热面积S（单位为 ）为
(2.28)
两式中各符号的单位和意义同前。
在 或有效的散热面积不足时，则必须采取措施提高散热能力，通常用的方法有：
增加散热片增大散热面积。
在蜗杆轴端加装风扇，加速空气流通。 在传动箱内装循环冷却管道。
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经检验计算，满足热平衡要求。
2.3精度等级、公差和表面粗糙度的确定
考虑到所设计的蜗轮蜗杆传动是分度装置，在轻载条件下工作。根据GB/T10085—1988的推荐，采用渐开线蜗杆（ZA），蜗轮精度等级6级。 查《机械设计手册》，蜗杆尺寸公差为IT6，形位公差为IT6。
2.4锥齿轮设计计算与校核 2.4．1锥齿轮的设计参数
锥齿轮齿形采用格里森齿制等顶隙收缩弧齿，正交传动，齿形角 。确定两个锥齿轮的齿数都为22，传动比为1。两个齿轮材料都为45钢（调质），硬度240HBS。采用6级精度。 2.4. 2锥齿轮的设计
已知 选用6级精度，两个齿轮材料都为45钢（调质），硬度240HBS。 选齿数 确定作用在蜗杆轴上的转矩
(2.29)
按照齿面接触疲劳强度设计 由公式
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(2.30)
弹性影响系数
由《械设计手册》表10—6查得 试选载荷系数K
试选 选齿轮宽度系数
传动比 接触疲劳强度
计算应力循环次数
查接触疲劳强度系数
由《机械设计》图 查得 取失效概率为1%，安全系数S=1，则
(2.32)
计算
则分度圆直径为
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(2.31)
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校核 模数
取 (2.33)
按照几何关系计算
计算圆周速度 (平均直径处)
a. , (2.34)
b.查图 校对
(2.35)
按照齿根弯曲疲劳强度校核
(2.36)
a. (2.37) b. 的确定
c.确定
(2.38)
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查表
当 时， 查表10-20C，查得 所以
锥齿轮几何尺寸 分度圆直径
节锥角
节锥距
齿宽
周节
变为系数
齿顶高
齿根高
(2.39)
(2.40)
(2.41) (2.42) (2.43)
(2.44) 第 17页 共50页
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(2.45) 齿顶间隙
(2.46) 齿根角
齿顶角
齿顶圆锥角
齿根圆锥角
齿顶圆直径
齿根圆直径
节锥点到轮冠的距离
大端分度圆弧齿厚
(2.47)
(2.48)
(2.49) (2.50) (2.51) (2.52)
(2.53)
(2.54)
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分度圆弧齿厚
分度圆弧齿高
(2.55)
(2.56)
2.5轴设计计算与校核
根据前面所列的基本参数，现在对蜗杆、蜗轮、锥齿轮等进行必要的设计计算和校核。
2.5.1 蜗杆轴的设计
蜗杆轴的结构设计，根据轴上所需要的零件，确定最小轴的直径并草绘轴的结构图。
图2.1蜗杆轴
拟定轴上零件的装配方案。
经过对轴上装配零件的分析计算，其装配方案如上图所示。 根据轴向定位要求确定轴的各段轴径和长度。
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2.5.2蜗杆轴的设计计算
(1)确定作用在蜗杆轴上的转矩
(2.62)
(2)选择45钢正火处理，硬度为 (3)计算最小直径
根据《机械设计》查得： （2.63） 选用30204型轴承，联轴器选用 所以最小轴径取为 .
2.5.3蜗杆轴的结构设计
根据轴上定位的要求确定各段轴的直径和长度
（1）为了满足联轴器的轴向定位要求，L1—L2段轴左端需要轴肩，故L1端轴的直径长度由联轴器确定 ， 。 （2）初步选轴承
因为轴同时受到轴向力和径向力的作用，故选双列圆锥滚子轴承。考虑到工作要求并根据轴径 查《机械设计手册》初选00基本游隙组，标准精度级的双列圆锥滚子轴承30204，其基本尺寸为 。根
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据相关参数，轴左端应选用N204E圆柱滚子轴承，基本尺寸为 。
(3)取安装锥齿轮处轴直径为 。这样去可以对轴承N204E圆锥滚子轴承的左端其定位作用。已知锥齿轮的宽度为17mm。为了是轴端的挡板与锥齿轮很好的接触并其定位作用。故 。轴承N204E圆锥滚子轴承右端轴肩定位。 （4） 蜗杆两端直径根据蜗杆参数取 ,长度根据装配结构蜗杆右端取 左端 。由蜗杆参数已知d5=60mm、l5=90mm。 (5)零件的轴向定位
轴承30205的右端用圆螺母固定定位，因此该段轴做成螺纹型。选用M20*1.5的薄螺母。其基本尺寸为 。为了保证轴端不与电机碰撞，故 根据装配结构 。锥齿轮左端采用轴端挡板定位，并用螺钉紧固，轴端做成螺纹孔，选用六角螺钉，基本参数 。 （6）轴上零件的轴向定位
锥齿轮、联轴器于轴的轴向定位均采用平键连接，按 、 查《机械设计手册》基本尺寸为： 、 (7)轴端倒角为
2.5.4蜗杆轴的受力分析
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求轴的载荷，根据轴的载荷做出轴的计算简图如下:
图2.2 轴的载荷分度
各级传动效率按η=0.9计算，则
（2.64） 再水平面内：
(2.65) 因为：
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(2.66)
所以：
（2.67）
垂直平面内：
得
已知
则 由
得
可以看出C点处受最大载荷，故对C点进行弯扭合成校核。
(2.68)
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则
(忽略键槽的影响)
故合理。
2.5.5蜗轮轴的设计
（1）取传动效率η=0.95，则 蜗轮轴上的功率
(2.69)
(2.70)
（2）选择蜗轮轴的材料为45钢，正火处理，硬度 (3)计算轴径
轴在蜗轮以上部分受扭转力矩，蜗轮安装部分的轴径为：
(查手册得 C=117 106) （2.71）
选用22206/W33调心滚子轴承，其内径
2.5.6联轴器的选择
本设计中电机轴与蜗杆轴通过弹性套柱销联轴器联结。
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这种联轴器的构造与凸缘联轴器相似，只是用带有弹性套的柱销代替了联结螺栓，通过蛹状的弹性套传递扭矩，它可以缓冲减振。弹性套的材料常用耐油橡胶，并且做成截面形状，以提高其弹性，半联轴器与轴的配合孔可以做成圆柱或圆周形。
半联轴器的材料常用HY200，有时也采用35钢等材料，柱销的材料也采用35钢。 第 25页共50页
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3.驱动系统设计
3.1驱动器的选择
步进电机是一种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。步进电机的输出位移量与输入脉冲量成正比，其速度与单位时间内输入的脉冲数（即脉冲频率）成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和方向。步进电机具有较好的控制性能，其启动、停车、反转及其他任何运行方式的改变都可在少数脉冲内完成，且可获得较高的控制精度。特别是在短距离的传动中，步进电机具有很好的精度保障。因此，本次设计选择步进电机作为驱动系统。
3.2步进电机的简单介绍 3.2.1基本工作原理
步进电机是一种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。对这种电机送一个控制脉冲，其转轴就转过一个角度，转速度就高，反之则慢；分配脉冲的相序改变后，可以实现电动机的正反转。称为一步。脉冲数增加，直线或角位移随之增加；脉冲频率高，旋
3.2.2步进电机的重要参数
步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定了下来。 步距角
电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）1.5度/3度（三相电机）等。
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静转矩
步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载两种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的，直接启动（一般低速）时两种负载都要考虑，加速启动时主要考虑惯性负载；恒速运行时只考虑摩擦负载。一般情况下，静力距应为摩擦负载的 倍内好，静力距一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸） 电流
静力距一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据距频特性曲线图，判别电机的电流（参考驱动电源、驱动电压）。 力矩与功率
步进电机一般再较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率转换如下：
(3.1) (3.2) (3.3) 其 为功率单位为瓦， 为每秒角速度，单位为弧度， 为每分钟转速，M为力矩，单位牛顿每米。
（半步工作） (3.4) 其中f为每秒脉冲数（简称PPS）
3.3步进电机的选型 3.3.1惯量折算和负载折算
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已知条件：在回转工作台的传动系统中，蜗轮蜗杆的模数 ,蜗杆的分度圆直径 ，蜗轮的分度圆直径 ,蜗杆的长度 工作台面直径 ，系统的传动比 ，蜗轮的宽度 。材料的密度 ㎏/ 1．传动惯量的折算
(3.5)
㎏
(3.6)
㎏
㎏ ㎡ 2.惯量匹配计算 由惯量匹配的条件：
(3.8)
取匹配值等于2，则有：
则：
㎏ ㎡ 3.步进电机轴上总惯量的计算
㎏ ㎡ (3.9)
（3.7）
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4.惯性转矩
空载启动时电机轴上的惯性转矩为：
(3.10)
5.工作台所能承受的最大负载转矩为100Nm， 取效率η=0.8
(3.11)
忽略摩擦转矩
启动时电动机轴上总负载转矩为
工作时电机轴上负载转矩为 6.最大静转矩
按照正常运行所需要的在最大静转矩:
(3.12) 7.验算 验算准则
（3.13）
3.3.2选择步进电机型号
选择金坛市四海电机电器厂生产的永磁感应式步进电机（三相90），根据上述计算的最大静转矩5.4N.M，选择步距角为0.6度，型号为90BYG350C.
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它的技术参数为： 内容 型型号 号90BYG350C 相相电电步距角 数 流 感 A mH 度 3 3.0 5.2 0.6/1.2 保持空载启空载运转矩 动频率 行频率 N.m KHz KHz 6.3 2.0 15 转动惯量 11 重量 Kg 4.8 第 30页共50页
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4.控制系统设计
4.1控制方式选择
本次设计选用可编程控制器（Programmable Logic Controller）PLC控制步进电机带动回转工作台工作。PLC适应工业环境，简单易懂，操作方便，可靠性高的新一代通用工业控制装备。它能够完成较精确地位置控制。
4.2 PLC的简单介绍
4.2.1可编程序控制器的由来和分类
1.可编程控制器的由来
可编程控制器（Programmable Controller）简称PC，但为了与个人计算机 （Personal Computer）相区别，也可简称为PLC。是为工业控制应用而设计制造的。在60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。
2.可编程控制器的现状
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
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3.可编程控制器的分类
PLC一般可按I/O点数和结构形式分类。 1）按I/O总点数分类 （1）小型PLC
输入、输出点数在128点以下，用户存储器容量在2KB以下。小型PLC适用于开关量控制场合， 具有逻辑运算、计算、计时等功能，可以实现条件控制、定时、计数控制和顺序控制。
（2）中型PLC
输入/输出点数在256－1024点之间，用户程序存储器容量在2－8KB。中型PLC除具有上述逻辑运算功能外，还有模拟量输入、输出、数据传输、数据通信等功能。这种PLC多采用模块使结构，用户可根据控制要求增加I/O模块外，还有模拟量模块。因此，可以完成既有开关量又有模拟量复杂的工业生产过程的自动控制。
（3）大型PLC
输入/输出点数在1024点上，最多可达8192点，用户程序存储器容量在8KB或8KB以上。这种PLC有丰富的I/O 模块，能适应各种控制要求。它除了能用梯形图编程外，还可以采用高级语言编程，如BASIC、C语言等。具有数据运算、模块调节、实时中断、过程监控、联网通讯、文件处理、远程控制、智能控制等，也可构成分布式控制系统或整个工厂的自动化网络。 2）按结构形式分类 （1）整体式（箱体式）
将PLC的中央处理器单元、输入、输出部件安装在一块印刷电路板上，
并连同电源一起装在一个标准机壳内，形成一个箱体。这种结构简单，体积小，重量轻，通过输入、输出端子与外部设备连接。一般小型PLC常采用这种结构，它适用于单机自动控制。
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（2）机架模块式
把PLC的各个部分制成独立的标准尺寸的模块，主要有CPU模块（包
括存储器）、输入模块、输出模块、电源模块以及其他各种模块直接插入机架底板的插座上即可。这种结构形式配置灵活，装配方便，便于扩展，用户根据控制要求灵活地配置各种模块，构成各种控制系统。一般大型、中型PLC采用这种结构。
4.可编程控制器的特点 （1） 可靠性高，抗干扰能力强
这是选择控制装置的首要条件。可编程控制器生产厂家在硬件方面和软件方面上采取了一系列抗干扰措施。（无触点控制） 硬件措施：屏蔽、滤波、隔离
软件措施：故障检测、信息保护和恢复、警戒时钟（死循环报警）、程序检验 （2） 使用灵活，通用性强
产品均成系列化生产，多数采用模块式的硬件结构，用户可灵活选用。软接线逻辑使得PLC能简单轻松的实现各种不同的控制任务，且系统设计周期短。 （3）编程方便，易于掌握
采用与继电器电路极为相似的梯形图语言，直观易懂；近年来又发展了面向对象的顺控流程图语言 (SFC —— Sequential Function Chart) ，也称功能图，使编程更简单方便。
（4） 接口简单、安装，维护方便 、体积小、结构紧凑、
可编程控制器可直接与现场强电设备相连接，接口电路模块化，与被控制对象的硬件连接方式简单，接线少、便于维护。体积小、重量轻、便于安装。
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有完善的自诊断和监视功能。可编程控制器对于其内部工作状态，通信状态，异常状态和 I/O 点的状态均有显示。可以方便的查出故障原因，迅速作出处理。 （5） 功能完善，性价比高
除基本的逻辑控制，定时计数，算术运算外，配合特殊功能模块可以实现点位控制， PID 运算，过程控制，数字控制等功能，还可与上位机通信、远程控制等。
5.PLC的应用领域
PLC在国内外广泛应用于钢铁、采矿、石化、电力机械制造、汽车制造、环保及娱乐等各行各业。其应用大概可分为以下几类： 1） 用于开关逻辑和顺序控制
这是PLC最基本的应用范围，它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序控制，可用PLC取代传统继电器控制。如机床电气、电机控制等，亦可取代顺序控制。如高炉上料等，总之PLC可用于单机、多机及生产线的自动控制。 2）PID控制
大中型PLC都有多路的模拟量输入输出和PID控制，甚至有的小型PLC也带有模拟量输入输出。这样，PLC也可以作为模拟量控制，用于过程控制。 3） 运动控制
PLC对直线运动和圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，可实现单轴、双轴和多轴位置控制，使运动控制与顺序控制功能有机地结合在一起，PLC的运动控制功能广泛地用于各种机械、金属切削机床、装配机械、机器人、电梯等场合。 4） 用于模拟量检测和闭环过程的控制过程是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。
PLC对温度、压力等模拟信号进行A/D转换与D/A转换，转换为计算机所识别的数字量。并实现闭环PID（比例-积分-微分）控制。PID闭环控制功能已广泛地应用
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于塑料挤压成型机、加热炉、窑炉、热处理炉、锅炉等设备以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。 5）定时和计数控制
定时和计数精度高，设置灵活，且高精度的时钟脉冲可用于准确的实时控制。 6） 通讯网
PLC通讯包括主机与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通讯、PLC与其他控制设备（如计算机、变频器、数控装置）之间的通讯、PLC与字符屏，触摸屏，计算机一起可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。
4.2.2 PLC的硬件组成
可编程控制器一般由中央处理单元（CPU）、存储器（ROM/RAM）、输入/输出单元（I/O 单元）、编程器、电源等主要部件组成，如图1所示。
主机
外部设备电源用户输入设备编程器输入单元微处理器(CPU)运算器控制器输出单元用户输出设备 盒式磁带机 打印机EPROM写入器图形监控系统PLC或上位计算机外设I/O接口存储器EPROMRAM(系统程序)(用户程序)I/O扩展接口I/O扩展接口1．中央处理器 (CPU)
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CPU是可编程控制器的核心，它按系统程序赋予的功能指挥可编程控制器有条不紊地进行工作，其主要任务是：
（1）接收、存储用户程序和数据，并通过显示器显示出程序的内容和存储地址。 （2）检查、校验用户程序。对输入的用户程序进行检查，发现语法错误立即报警，并停止输入；在程序运行过程中若发现错误，则立即报警或停止程序的执行。 （3）接收、调用现场信息。将接收到现场输入的数据保存起来，在需要数据的时候将其调出、并送到需要该数据的地方。
（4）执行用户程序。PLC进入运行状态后，CPU 根据用户程序存放的先后顺序，逐条读取、解释并执行程序，完成用户程序中规定的各种操作，并将程序执行的结果送至输出端口，以驱动可编程控制器的外部负载。
（5）故障诊断。诊断电源、可编程控制器内部电路的故障，根据故障或错误的类型，通过显示器显示出相应的信息，以提示用户及时排除故障或纠正错误。 不同型号可编程控制器的 CPU 芯片是不同的，有的采用通用 CPU 芯片，如 8031 、 8051 、 8086 、 80826 等，也有采用厂家自行设计的专用 CPU 芯片（如西门子公司的 S7-200 系列可编程控制器均采用其自行研制的专用芯片）， CPU 芯片的性能关系到可编程控制器处理控制信号的能力与速度， CPU 位数越高，系统处理的信息量越大，运算速度也越快。 2. 存储器
可编程控制器的存储器可以分为系统程序存储器、用户程序存储器及工作数据存储器等三种。 3.输入输出单元
输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。 PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为
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PLC对被控制对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将结果送给被控制对象，以实现控制目的。
PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O接口，有各种各样功能的I/O接口供用户选用。I/O接口的主要类型有：数字量（开关量）输入、数字量（开关量）输出、模拟量输入、模拟量输出等。
由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的 信 息只能是标准电平，所以I/O接口要实现这种转换。I/O接口一般都具有光电隔离和滤 波功能，以提高PLC的抗干扰能力。另外，I/O接口上通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护。
常用的开关量输入接口按其使用的电源不同有三种类型：直流输入接口、交流输入接口 和交/直流输入接口，其基本原理电路如图2所示。
VDCR2PLC内部电路R1光耦合器LEDa)
电源R1R2双向耦合器CR3PLC内部电路LED~交流电源VDb)
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c)
a)直流输入 b)交流输入 c)交直流输入
4.通信接口
PLC配有各种通信接口，这些通信接口一般都带有通信处理器。PLC通过这些通信接口可与监视器、打印机、其它PLC、计算机等设备实现通信。PLC与打印机连接，可将过程信息、系统参数等输出打印；与监视器连接，可将控制过程图像显示出来；与其PLC连接，可组成多机系统或连成网路，实现大规模的控制，实现控制与管理相结合。 5.智能接口模块
智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器以及与PLC系统总线相连接的接口。它作为PLC系统的一个模块，通过总线与PLC相连，进行数据交换，并在PLC的协调管理下独立的进行工作。 6.编程装置
编程装置的作用是编程、调试、输入用户程序，也可在线监控PLC内部状态和参数，与PLC进行对话。 7．电源
PLC配有开关电源，以供内部电路使用。
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4.3回转工作台PLC控制系统硬件设计
步进电机位置控制控制以三菱FX2N—48TM为主控单元，以步进电机驱动器为驱动单元，以0.60步距角的三项步进电机为执行单元。通过控制脉冲的发生个数，从而控制步进电机的运转角度，控制脉冲的频率，从而控制步进电机的速度，通过方向控制信号实现对步进电机的正反转的控制。
4.3.1控制因素
1.回转工作台的分度控制
由数显回转工作台的结构可知，回转工作台所转过的角位移正比于步进电机的总转角，因此只要控制步进电机的总转角即可。由步进电机的工作原理和特性可知步进电机的总转角正比于所输入的脉冲个数；因此可以根据回转工作台的角度确定PLC的脉冲个数：
由关系式 式中 n----为脉冲个数
i----回转工作台的传动比 ---步距角
----回转工作台的转角 2.速度控制
回转工作台的进给速度取决于步进电机的转速，而步进电机的转速取决于输入的脉冲频率；因此可以根据该工序要求的进给速度，确定其PLC输出的脉冲频率。
3.方向控制
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进给方向控制即步进电机的转向控制。步进电机的转向可以通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向；如步进电机通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A…时步进电机正转：当绕组按A-AC-C-CB-B-BA-A…顺序通电时步进电机反转。因此可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环形分配器的输出顺序来实现，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现。 4.外部数据输入
应用功能指令实现用BCD码拨盘开关进行外部数据输入。目前较为先进的PLC不仅拥有满足顺序控制要求的基本逻辑指令，而且还提供丰富的功能指令。如果说基本逻辑指令是对继电气控制原理的一种抽象提高的话，那么功能就像是对汇编语言的一种抽象提高。
BCD码又称二——十进制编码，这种编码是把十进制数的每一位分别表示成四位二进制数形式的编码，也叫8421码。BCD码与整数转换关系如表所示。
BCD码与整数的转换关系 整数 BCD码 0 0000 1 0001 2 0010 3 0011 4 0100 5 0101 6 0110 7 0111 8 1000 9 1001 10 0001 0000 456 0100 0101 0110 BCD码在PLC中的应用，主要是通过外部BCD码拨盘开关设定PLC的相关数据，并通过外部BCD码显示器显示PLC的内部数据。
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5.数显
本次设计采用光栅对回转工作台转过的角度进行检测，光栅每个采样周期给PLC发个脉冲，PLC内部采用高速计数器对脉冲进行计数，并通过PLC的功能指令转化成角度送七段数码管显示。
RESR圆光栅具有内径大的特点，因此体积轻薄，转动惯量非常低。这意味着无论何时安装，回转轴定位都能达到最小扭矩和最大速度。选用外径为75mm，分辨率为13.7＂。根据公式 角分辨率=360*60*60/每转脉冲数 求出每个脉冲的角度系数为 。
则光栅检测到的实际角度=脉冲数N 角度系数
4.3.2 PLC控制系统组成
采用PLC控制的数显回转工作台由可编程控制器、环形脉冲分配器、步进电机驱动器、步进电机和伺服传动机构等部分组成。如下图所示： 可编程控 制器
环形分配器 功率驱动电路 步进电机 蜗杆 步进电机的控制系统由可编程控制器、环形脉冲分配器和步进电机功率驱动器组成，控制器中PLC用来产生控制脉冲；通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量；同时通过编程控制脉冲频率——即伺服机构的进给速度；环形脉冲分配器输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。
4.3.3步进电机PLC控制系统I/O接线图设计
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步进电机通常设有加速、减速控制及正反控制等控制方式。控制要求可设计出步进电机的控制系统PLC接图I/O接线图。
、 图中：ＣＰ――脉冲信号输入端子；
M
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ＣＷ――方向信号输入端子；ＥＮ――使能信号输入端子；Ｘ０――启动按钮Ｘ１――正转Ｘ２――反转Ｘ３――停止 陕西理工学院毕业设计论文
４.４回转工作台PLC控制系统软件设计 ４.４.１步进电机脉冲频率的变化规律
步进电机在启动和停止时有一个加速及减速过程，且加速度越小则冲击越小，运动越平稳。所以步进电机工作一般经历以下过程：加速―恒速—减速－恒速－停止。因步进电机转速与脉冲频率成正比，所以输入步进电机的脉冲频率也要经历一个类似的过程. 其变换规律如图。
可见步进电机启动时要使脉冲升频，停车使脉冲降频。由于步进电机驱动器在输入脉冲200HZ以下运转速度较慢，效率较低，故一般采用350HZ作为脉冲低频起点。经测试，轻载时高频脉冲可达到6.8HZ。 4.4.2 FX 2Ｎ的部分指令简介
１.带加减速功能的脉冲输出 PLSR
S1 S2 S3 D FNC 59 PLSR
S1—用来指定最高频率； S2—用来指定总的输出频率； S3—用来设定加减速时间； D—用来指定脉冲输出的原件号。
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K5000 D0 K3600 Y0
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2.谐波信号 RAMP
S1 S2 D N FNC 67 RAM P
预先将初值与目标写入数据寄存器D1、 D2，启动后，D3内容从D1到D2慢慢变化，移动时间为扫描数N*扫描周期，传输完毕后M8029置0 。 3.脉冲数出 PLSY
S1 S2 D
FNC 57 PLSY
S1—指定频率，指定中间可变更。 S2—指定发生脉冲个数。 D—指定脉冲输出Y的地址号
脉冲占空比为50%，执行完毕后Ｍ8029置0. DPLSY为32位指令。 1. 带锁存的七段数码显示 SEEL
S D n
FNC 74 SEGL 该指令原操作数可选的数据类型目标操作数为Y，只有16位运算，该指令用12个扫描周期显示一组或两组数据，占有8到12个晶体管输出点。
D0 Y0 K0 K1000
D0
Y0
D1
D2
D3
K1000
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4.4.3控制系统指令程序
LD M8000 LD X6 SET M8039 ANI X5
MOV K4 D8039 RAMP D7 D6 D8 LD X1 SET M8026 OR M10 PLSY D8 D9 Y0 ANI X2 FEND SET Y1 P11 OUT M10 LD M300 LD X2 RST C235 OR M11 LD X7
ANI X1 OUT C235 K370554774 RST Y1 LDI M30 OUT M11 OUT C235 D10 SET Y2 MUL D10 K106 D12 SET M20 DIV D12 K10000 D14 LD M20 DIV D14 K10000 D16 BIN K3 X10 D0 SEGL D16 Y3 K2 MUL D0 K500 D2 SRET DIV D2 K6 D4 END MOVP K6500 D6 MOVP K350 D7 MOVP K0 D9 SET M30 LD M30 RST M20
PLSR D6 D4 K3600 Y0 CALL P11 LD X5
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ANI X6
RAMP D7 D6 D8 K2500 SET M8026 PLSY D8 D9 Y0
4.5回转工作台的控制举例 4.5.1分度控制
假设要求回转工作台转30°，则控制过程为： 1．数据输入
根据前面所述的，应用功能指令BIN实现用BCD码拨盘开关进行外部数据输入。目前较为先进的PLC不仅拥有满足顺序控制要求的基本逻辑指令，而且还提供了丰富的功能指令。
在BCD码拨盘开关中输入30 写出功能指令 BIN K3 X10 D0
PLC将把30转换成二进制0011 0000 并通过X10-X17输入口传输给PLC内部的数据寄存器D0. 2.脉冲计算
因为驱动回转工作台的步进电机是靠脉冲控制的，所以当数据输入PLC内部后，PLC将根据设定程序进行脉冲计算。 由关系式： 设计中i=50， 。 实现脉冲计算指令为： MUL D0 K5000 D2 DIV D2 K6 D4
该指令把计算后所需的脉冲个数存放在数据寄存器D4中。 3.驱动步进电机 MOVP K6500 D6
PLSR D6 D4 K3600 Y0
通过加减速功能的脉冲输出指令PLSR，向步进电机发出D4个脉冲，当脉冲发送完毕后，回转工作台分度30°工作完毕。
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4.角度显示
回转工作台转过的实际角度，可以通过计算换转工作台的检测装置光栅反馈给PLC内部的脉冲个数得到。
所用光栅的外径为75毫米，分辨率为13.7＂。根据公式： 角分辨率=360*60*60/每转脉冲数 求出每个脉冲的角度系数为 。 则光栅检测到的实际角度=脉冲数N 角度系数 实现该功能的指令为： RST C235 LD X7
OUT C235 K370554774 LDI M30 OUT C235 D10 MUL D10 K106 D12 DIV D12 K10000 D14 DIV D14 K10000 D16 SEGL D16 Y3 K2
就是通过带锁存的七段数码管显示指令SEGL将回转工作台转过的实际角度输出显示。
4.5.2进给控制
回转工作台的进给控制可以由斜坡信号RAMP和脉冲输出PLSY来实现，具体指令为：
RAMP D7 D6 D8 K2500 SET M8026 PLSY D8 D9 Y0
这是加速到匀速的控制过程，也就是传输给步进电机的频率在开始的时候是逐渐增加的，当速度达到稳定后，回转工作台将匀速运行，进行圆周加工。 当回转工作台加工结束后，可以通过以下指令让工作台减速。
RAMP D7 D6 D8 SET M8026
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PLSY D8 D9 Y0
当速度降低后，按下停止按钮X3，工作台停止转动。
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参考文献
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致 谢
首先，深深感谢我的指导老师陈建刚老师。从我作毕业设计开始，陈老师就始终关心我的进展情况，为我的学业培养倾注了大量心血。无论在学习中遇到什么困难，老师都始终给我耐心的指导和积极的鼓励。陈老师渊博的学识.严谨求实的治学态度；正直.宽容.坦诚的待人之道，循循善诱的教导方式都给我留下了深刻的印象。值此论文完成之际，谨再一次向我的指导老陈建刚老师表示由衷的感谢。
本论文从开始到完成，都是在陈老师的精心指导下完成的，论文中的许多工作都凝聚着陈老师的智慧和心血。
衷心感谢电气工程系的刘沛和张鹏超老师以及其学生，他们在我做毕业设计的过程中给了许多无私.热情的帮助。没有他们的帮助和建议，许多工作不会很快取得进展，本次设计也很难顺利完成。
衷心地感谢给我帮助的同学。他们的帮助保证了我的工作的顺利展开。
赵 恒 2008年12月31日
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