基于PLC的雕刻机控制新版系统标准设计.doc

目录
1 绪论 1
1.1 课题研究意义 1
1.2 雕刻机应用及发展 1
1.2.1 雕刻机应用 1
1.2.2 中国外发展和现实状况 2
1.3 课题研究关键内容 3
1.3.1 试验平台介绍 3
2方案选择 4
2.1三轴驱动方案选择 4
2.1.1直流驱动 4
2.1.2 交流伺服驱动 5
2.1.3 步进驱动 5
2.2 控制器选择 6
2.3限位开关 7
3硬件电路设计 9
3.1主电路设计 9
3.1.1步进电机及步进驱动器 9
3.1.2 主轴及变频驱动 9
3.2控制电路设计 11
3.2.1控制要求 11
3.2.2 步进电机驱动器 12
3.2.3 PLC选型 14
3.2.4 I/O配置及PLC外部接线图 16
4软件设计 18
4.1 PTO/POS配置 18
4.1.1 PTO配置 19
4.1.2 PTO/PWM组件 23
4.2主程序 24
5总结 43
致谢 43

基于PLC雕刻机控制系统设计
摘要 自从有了人类社会活动以后，就有了雕刻这一行业，伴伴随人类社会发展，现在大家对雕刻有了全新认识，伴随大家对雕刻机认识和掌握逐步加深，应用范围会得到不停扩大，应用水平也会逐步提升，雕刻加工肯定会有更宽广前景。
本文叙述了雕刻机控制要求及驱动方法，设计了基于PLC控制三维雕刻机电气控制线路，并编制了实现轨迹运行控制程序。三维雕刻机为滚珠丝杠设计，X、Y、Z三轴采取步进系统，分别经过CPU高速脉冲输出PTO及定位模块EM253实现三根轴位置控制，主轴采取交流变频驱动，系统中设置了限位开关和位置感应器以预防运动超程。调试结果表明，系统能够实现一定精度雕刻轨迹控制，达成了设计指标要求。

关键词：雕刻机；PLC；位置控制；滚珠丝杠

ABSTRACT Ever since human social activity later, there is a sculpture of the industry, along with the development of human society, and now people have a new understanding of sculpture ,engraving machines as people gradually deepening understanding and grasp the scope of application will been expanding the application level will gradually increase ,engraving process must be more broad prospects.
This paper discusses the requirements and drive mode control engraving machine, the design of PLC-based electrical control circuit controls the three-dimensional engraving machine and prepared to achieve trajectory control program running. Three-dimensional engraving machine for the ball screw design, X, Y, Z-axis stepper system ,respectively, to achieve three-axis position control with high-speed pulse output PTO and the positioning module EM253 CPU, the spindle AC variable frequency drive, the system set up limit switches and position sensors to prevent over travel movement Debugging results show that the system can achieve a certain precision engraving trajectory control, met the requirements of the design specifications.
Keywords：Engraving machine; Position Control; ball screw shaft

1 绪论
1.1 课题研究意义
自从有了人类社会活动以后，就有了雕刻这一行业，伴伴随人类社会发展，现现在大家对雕刻有了全新认识，电脑雕刻加工兴起和发展是时代发展需要，电脑雕刻替换机械雕刻已是大势所趋。电脑雕刻加工能够就是现在理想选择，即使有些地域电脑雕刻加工业务量不是很多，但它是雕刻行业发展肯定趋势。雕刻加工包含各行各业、分布很广，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、工装模具等等，伴随大家对雕刻机认识和掌握逐步加深，应用范围会得到不停扩大，应用水平也会逐步提升，雕刻加工肯定会有更宽广前景。
伴随多年来中国制造业快速发展，中国雕刻机产业也取得了良好发展机遇，数控木工雕刻机、模具雕刻机、激光雕刻机等电脑雕刻加工有效地促进了中国雕刻机生产和推广应用。中国雕刻机起步于经济型机床，伴随科学技术进步，经过十多年发展，已形成了多个国产品牌雕刻机，不过中国雕刻关键技术还是和国外有很大差距，需要我们去努力去靠近国外，拥有自己关键技术。要立足中国，结合国情，面向经济建设需要，开发出有自己特色，符合中国人习惯雕刻机结构及其软件。
1.2 雕刻机应用及发展
1.2.1 雕刻机应用
在现在这个科技时代，计算机应用技术和机电一体化技术飞速发展，机械领域、电子领域和控制、检测领域全部空前发展，小型雕刻机也将伴随这些技术发展，包含众多工业品生产和加工过程,取得一个更为宽广应用范围。
现在，雕刻机在各行各业中应用已日益广泛，所以，此行业竞争是十分猛烈。现在中国外市场上出现雕刻机，即使性能很好，但价格也很昂贵。一般雕刻机全部是万元以上，令部分小单位及个人用户望而却步。如美国“雕霸”、法国“嘉宝”和日本“御牧”全部是此行业佼佼者，但其价格很昂贵，不管大小全部在10万元人民币以上。近些年，中国雕刻机，如北京“精雕”、上海“啄木鸟”在中国也有一定市场，但其价格也不菲。所以，着力提升雕刻机性价比是十分必需。
伴随电子技术发展，雕刻机也逐步地向数控雕刻方向发展。传统雕刻加工工业是一门技术性要求很高手工技艺，雕刻品质量完全取决于雕刻师技艺水平，所以生产效率很低、成本也很高，制品随意行强、一致性差，严重制约了雕刻行业发展。数控雕刻机是数控技术和雕刻工艺相结合产物，是一个专用数控机床，实现了雕刻加工自动化，较传统手工雕刻、仿形雕刻，含有更高生产效率和加工精度。
1.2.2 中国外发展和现实状况
雕刻加工包含到了各行各业、分布很广，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，介于雕刻机广泛用途，伴随社会发展，雕刻机行业发展也是肯定，其竞争会展现出愈加猛烈局面，所以，对雕刻技术创新是十分必需。功效完善、性格稳定、造型美观和价格合理成为雕刻机研制基础要求。
数控雕刻机作为制造业一个有力工具，有着很宽广发展前景，伴随计算机技术、机电技术、机械技术等各个科学技术发展，数控雕刻机功效将日益强大，性能将更趋稳定。雕刻机发展趋势总结以下：
（1）愈加精密
控制部分和机械部分精度提升将极大地提升雕刻系统精度，控制部分将向闭环私服方向发展，经过反馈调整做到误差赔偿，从而能够大幅度提升精度；机械部分将采取更高精度滚珠丝杠和驱动电机，同时装配工艺提升也将深入提升系统精度。
（2）愈加高效
高性能运动控制技术如DSP技术、32为单片机等发展，驱动电机性能提升，刀具性能提升，采取规范软件开发技术等等，全部将会推进数控雕刻系统向着高速、高效、高可靠性方向发展。利用移动通讯技术和网络技术飞速发展，数控雕刻机将朝着数值化、网路化方向发展。
1938年世界第一台手动雕刻机“嘉宝”在法国问世，1950年“嘉宝”生产出世界第一台真正意义电动、可缩放百分比手动雕刻机。随即美国、日本等国也开始研制。20世纪90年代，伴随微电子技术突飞猛进，直接推进微型计算机急剧发展。微电子技术和微型计算机技术带动了整个高技术群体飞速发展，从而使雕刻机产生了质飞跃。雕刻机完成了从2D—2.5D—3D加工变革，功效完善、性能稳定、造型美观和价格合理成为雕刻机研制基础要求。
二十一世纪，PLC会有更大发展。从技术上看，计算机技术新结果会更多地应用于可编程控制器设计和制造上，会有运算速度愈加快、存放容量更大、智能更强品种出现；从产品规模上看，会深入向超小型及超大型方向发展；从产品配套性上看，产品品种会更丰富、规格更齐全，完美人机界面、完备通信设备会愈加好地适应多种工业控制场所需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品情况会伴随国际竞争加剧而打破，会出现少数多个品牌垄断国际市场局面，会出现国际通用编程语言；从网络发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网组成大型控制系统是可编程控制器技术发展方向。伴伴随计算机网络发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络关键组成部分，将在工业及工业以外众多领域发挥越来越大作用。
1.3 课题研究关键内容
1.3.1 试验平台介绍
KNT-PHT3三自由度运动控制系统实训装置能够模拟数控车床铣床加工过程，其三自由度十字滑台图1.1所表示。关键由控制工作台在X、Z轴二个方向上运动二个滚珠丝杠副和控制刀具安装夹具在垂直方向（即X轴）上下运动滚珠丝杠副、刀具旋转主轴驱动设备等器件组成。

图1.1 三自由度十字滑台
（1）工作台：关键功效是用来固定工件或夹具等，工作台上面T型为工件拆装提供了便利。
（2）滚珠丝杠副：是运动实施机构，经过丝杆正、反转动带动装在直线导轨副上螺母块左右运动，以滚直线导轨副为导向支承方法组成，含有活动灵活、运动平稳、精度高、摩擦系数小、结构紧凑等特点，图1.2所表示。

图1.2 滚珠丝杠副
（3）关键技术指标以下：
横向行程：250（mm）、纵向行程：250（mm）
1.3.2 课题研究关键内容
（1）了解三维十字滑台机械运动实施机构组成，工件加工路径控制要求。
（2）能根据工件实际需要加工路径进行高精度切削加工；
（3）设计雕刻机电气控制系统（硬件电路及控制程序）。
2方案选择
2.1三轴驱动方案选择
雕刻机床三轴驱动电机通常有步进电机，交流伺服电机，直流伺服电机和直线电机等。
2.1.1直流驱动
无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一个经典机电一体化产品。无刷直流电机外形图图2.1所表示。

图2.1 无刷直流电机外形图
电动机定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相同。电动机转子上粘有已充磁永磁体 ，为了检测电动机转子极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等组成，其功效是：接收电动机开启、停止、制动信号，以控制电动机开启、停止和制动；接收位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管通断，产生连续转矩；接收速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。
直流电机含有响应快速、较大起动转矩、从零转速至额定转速含有可提供额定转矩性能，但直流电机优点也正是它缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩性能，则电枢磁场和转子磁场须恒维持90°，这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉所以除了会造成组件损坏之外，使用场所也受到限制。交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特征上若要达成相当于直流电机性能须用复杂控制技术才能达成。现今半导体发展快速功率组件切换频率加紧很多，提升驱动电机性能。微处理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转两轴直角坐标系统中，合适控制交流电机在两轴电流分量，达成类似直流电机控制并有和直流电机相当性能。
2.1.2 交流伺服驱动
（1）伺服驱动
伺服电机内部转子是永磁铁，驱动器控制U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场作用下转动，同时电机自带编码器反馈信号给驱动器，驱动器依据反馈值和目标值进行比较，调整转子转动角度。伺服电机精度决定于编码器精度。
20世纪80年代以来，伴随集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出发展，各国著名电气厂商相继推出各自交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不停完善和更新。交流伺服系统已成为现代高性能伺服系统关键发展方向，使原来直流伺服面临被淘汰危机。90年代以后，世界各国已经商品化了交流伺服系统是采取全数字控制正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域发展日新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，关键优点有：
⑴无电刷和换向器，所以工作可靠，对维护和保养要求低；
⑵定子绕组散热比较方便；
⑶惯量小，易于提升系统快速性；
⑷适应于高速大力矩工作状态；
⑸同功率下有较小体积和重量。
（2）变频器
变频器是应用变频技术和微电子技术，经过改变电机工作电源频率方法来控制交流电动机电力控制设备。变频器关键由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT开断来调整输出电源电压和频率，依据电机实际需要来提供其所需要电源电压，进而达成节能、调速目标，另外，变频器还有很多保护功效，如过流、过压、过载保护等等。伴随工业自动化程度不停提升，变频器也得到了很广泛应用。
2.1.3 步进驱动
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移开环控制元步进电机件。其内部结构图2.2所表示。在非超载情况下，电机转速、停止位置只取决于脉冲信号频率和脉冲数，而不受负载改变影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定方向转动一个固定角度，称为“步距角”，它旋转是以固定角度一步一步运行。能够经过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达成正确定位目标；同时能够经过控制脉冲频率来控制电机转动速度和加速度，从而达成调速目标。

图2.2 步进电机结构图
步进电机优点为：①步距值不受多种干扰原因影响。②误差不长久积累。③控制性能好，开启、停车、翻转全部是在少数脉冲内完成。然而步进电机存在以下缺点：①输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降②开启频率过高或负载过大易出现丢步或堵转现象，停止时转速过高易出现过冲现象。③步进电机从静止加速到工作转速。
2.2 控制器选择
现在采取传统继电器控制一般车床在中小型企业中仍然大量使用。然而继电器系统接线复杂，故障诊疗和排除全部比较困难，而且存在以下几点缺点：①触点轻易被电弧烧坏而造成接触不良；②机械方法控制下触点控制反应比较慢；③继电器控制功效被固定在线路中，功效较单一，灵活性差，造成生产效率低，效益低下。
采取变频技术和单片机原理，实现对数控车床主轴和进给系统自动控制，能够有效节省电能、提升设备自动化、产品产量和质量，提升可观经济效益。单片机已经广泛应用于现代工业控制自动化系统中，掌握单片机技术是从事工业控制关键技能。单片机片内资源丰富，成本廉价，但和PLC相比，其抗干扰性能方面较差。
（1）单片机控制
控制器是CPU神经中枢，它包含定时控制逻辑电路、指令寄存器（register）、译码器、地址指针DPTR及程序计数器PC（Program counter）、堆栈指针SP（stack pointer）等。这里程序计数器PC是由16位（8+8）寄存器组成计数器。要单片机实施一个程序，就必需把该程序按次序预先装入存放器ROM某个区域。单片机动作时应按次序一条条取出指令来加以实施。所以，必需有一个电路能找出指令所在单元地址，该电路就是程序计数器PC。当单片机开始实施程序时，给PC装入第一条指令所在地址，它每取出一条指令（如为多字节指令，则每取出一个指令字节），PC内容就自动加1，以指向下一条指令地址，使指令能次序实施。只有当程序碰到转移指令、子程序调用指令，或碰到中止时（后面将介绍），PC才转到所需要地方去。8051 CPU指定地址，从ROM对应单元中取出指令字节放在指令寄存器中寄存，然后，指令寄存器中指令代码被译码器译成多种形式控制信号，这些信号和单片机时钟振荡器产生时钟脉冲在定时和控制电路中相结合，形成按一定时间节拍改变电平和时钟，即所谓控制信息，在CPU内部协调寄存器之间数据传输、运算等操作。
（2）PLC控制
PLC是在传统次序控制器基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成一代新型工业控制装置，目标是用来替换继电器、实施逻辑、记时、计数等次序控制功效，建立柔性程控系统。含有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。
PLC内部工作方法通常是采取循环扫描工作方法，在部分大、中型PLC中增加了中止工作方法。当用户将用户程序调试完成后，经过编程器将其程序写入PLC存放器中，同时将现场输入信号和被控制实施元件对应连接在输入模块输入端和输出模块输出端，接着将PLC工作方法选择为运行工作方法，后面工作就由PLC依据用户程序去完成。
可编程控制器（PLC）含有以下优点：①通用性和适应性强；②完善故障自诊能力而且维修方便；③可靠性高和柔韧性强，而且小型PLC价格现在也很廉价。国外发达国家应用PLC控制机床技术已相当成熟，
（3）单片机和PLC比较
单片控制板同PLC区分在于，PLC关键专注于逻辑关系，是一个继电器逻辑，通常电工比较轻易了解上手。而单片机控制器对于学习使用者来说相对门槛要求就高了部分。不仅要熟悉了解单片机本身内部资源，将其内部资源按功效定义好，还需要了解其单片机外围电路特征，这么才能编写出好有质量工业控制动作步骤程序出来。所以，在中国相对流传得比较少了。
而对于PLC使用者来说就不需要那么高门槛了，对于硬件、系统定义之类烦琐处理已经有了现成处理，要实现工业控制动作步骤只要专注于软件上逻辑控制编写。相对大大降低了使用门槛。现在国外对这种控制器使用相对较中国多得多。伴随电脑普及，C语言编程人员越来越普及化，相信这种C语言编程PLC会是一个流行趋势！
2.3限位开关
限位开关就是用以限定机械设备运动极限位置电气开关。限位开关有接触式和非接触式。接触式比较直观，机械设备运动部件上，安装上行程开关，和其相对运动固定点上安装极限位置挡块，或是相反安装位置。当行程开关机械触头碰上挡块时，切断了（或改变了）控制电路，机械就停止运行或改变运行。因为机械惯性运动，这种行程开关有一定“超行程”以保护开关不受损坏。非接触式形式很多，常见有干簧管、光电式、感应式等，这多个形式在电梯中全部能够见到。经典限位开关以下图所表示。

图2.3 限位开关
限位开关是一个常见小电流主令电器。利用生产机械运动部件碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达成一定控制目标。通常，这类开关被用来限制机械运动位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。
在电气控制系统中，限位开关作用是实现次序控制、定位控制和位置状态检测。用于控制机械设备行程及限位保护。结构：由操作头、触点系统和外壳组成。
在实际生产中，将限位开关安装在预先安排位置，当装于生产机械运动部件上模块撞击行程开关时，限位开关触点动作，实现电路切换。所以，行程开关是一个依据运动部件行程位置而切换电路电器，它作用原理和按钮类似。
限位开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。在电梯控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门速度、自动开关门限位，轿厢上、下限位保护。
限位开关能够安装在相对静止物体（如固定架、门框等，简称静物）上或运动物体（如行车、门等，简称动物）上。当动物靠近静物时，开关连杆驱动开关接点引发闭合接点分断或断开接点闭合。由开关接点开、合状态改变去控制电路和机构动作。
⑴活塞型
依据密封方法不一样，有表中A型和B型2个种类。A型是用O型环 或薄膜密封，因为密封橡胶没有外露，在抵制工作机械切割碎 屑方面功效较强大，但其反面影响是，有可能会将砂子、切割粉末 等压入活塞滑动面。B型即使不会把砂子、切割粉末等压入，且 密封性能优于A型，但因为炽热切割碎屑飞溅过来，有可能会损 坏橡胶帽。
⑵铰链摆杆型
在摆杆端部（滚珠），柱塞行程量依据摆杆百分比扩大，所以， 通常不使用OT吸收机构。
⑶旋转摆杆型
3硬件电路设计
3.1主电路设计
3.1.1步进电机及步进驱动器
基于PLC步进电机控制系统图3.1所表示，步进电机驱动部分图3.2所表示。

图3.1 基于PLC步进电机控制系统

图3.2 驱动电源方框图
XY轴采取步进电机驱动，步进电机是一个将电脉冲信号转换成直线位移或角位移实施元件，每当对其施加一个电脉冲时，其输出轴便转过一个固定角度。步进电机输出位移量和输入脉冲个数成正比，其转速和单位时间内输入脉冲数(即脉冲频率)成正比，其转向和脉冲分配到步进电机各相绕组相序相关。只要控制指令脉冲数量、频率及电机绕组通电相序，便可控制步进电机输出位移量、速度和转向。步进电机含有很好控制性能,其开启、停车、反转及其它任何运行方法改变，全部在少数脉冲内完成，且可取得较高控制精度，所以得到了广泛应用。
步进电机PLC直接控制方法能够大大降低系统设计工作量，不存在各部分接口信号匹配问题，提升了系统可靠性。
3.1.2 主轴及变频驱动
（1）交流伺服电机
伺服电机（servo motor ）是指在伺服系统中控制机械元件运转发动机，是一个补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度很正确，能够将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作实施元件，且含有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特征，可把所收到电信号转换成电动机轴上角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其关键特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速伴随转矩增加而匀速下降。
（2）变频器
交流变频调速日益完善，调速方便简单成为电机调速主流。三菱变频器以其高性能，适中价格应和了中国工控行业需要，在中国得到了广泛应用。节能需要为三菱变频器应用带来了巨大契机，三菱变频驱动产品在中国得到了更大发展。三菱变频器关键有以下多个系列：
MicroMaster430是全新一代标准变频器中风机和泵类变转矩负载教授。功率范围7.5kW至250kW。它根据专用要求设计，并使用内部功效互联（BiCo）技术，含有高度可靠性和灵活性。控制软件能够实现专用功效：多泵切换、手动/自动切换、旁路功效、断带及缺水检测、节能运行方法等。 
　MicroMaster420是全新一代模块化设计多功效标准变频器。它友好用户界面，让你安装、操作和控制象玩游戏一样灵活方便。全新IGBT技术、强大通讯能力、正确控制性能、和高可靠性全部让控制变成一个乐趣。
MicroMaster440是全新一代能够广泛应用多功效标准变频器。它采取高性能矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好动态特征，同时含有超强过载能力，以满足广泛应用场所。创新BiCo（内部功效互联）功效有没有可比拟灵活性。
在此次方案中采取三菱企业MicroMaster420控制主轴转速，其简单灵活，模块化设计。外形图3.3所表示。

图3.3三菱企业MicroMaster420
MICROMASTER 420特点：
设计紧凑：电抗器和滤波器等基础部件可对紧凑型处理方案加以补充
功效多样：可方便地针对多个用途进行调试
含有通信功效：多种通讯接口可确保能够用于最常见网络应用
MICROMASTER 420技术数据如表3.1所表示。
表3.1 技术数据
电压和功率范围
200-240 V，± 10%，单相交流，0.12 - 3 kW (0.16 - 4 HP)
200-240 V，± 10%，三相交流，0.12 - 5.5 kW (0.16 - 7.5 HP)
380-480 V，± 10%，三相交流，0.37 - 11 kW (0.5 - 15 HP)
控制类型
FCC（磁通电流控制），多点特征（可参数化 V/f 特征），V/f 特征

MICROMASTER 420经典用途：输送机系统、物料输送、泵、风机、机械工程。
3.2控制电路设计
3.2.1控制要求
（1）手动操作
按工作台X轴方向+X运动控制按钮，工作台向左运动，按工作台X轴方向-X运动控制按钮，工作台向右运动，按停止按钮工作台停止运动；按工作台Z轴方向+Z运动控制按钮，工作台向前运动，按工作台Z轴方向-Z运动控制按钮，工作台向后运动，按停止按钮工作台停止运动；按Y轴轴方向+Y运动控制按钮，刀具向上运动，按工作台Y轴方向-Y运动控制按钮，刀具向下运动，按停止按钮刀具停止运动。
（2）自动运行
起始位置工作台停在原点位置，起动运行后工作台在X轴方向向右运动、工作台在Y轴方向向前运动、工作台在Z轴方向向上运动；工作台移动到位后，接到设在X轴侧、Y轴侧、Z轴侧三个限位传感器命令后，工作台在X轴方向向左运动、工作台在Y轴方向向后运动、工作台在Z轴方向向下运动；工作台移动到位后，接到设在X轴另外一侧、Y轴另外一侧、Z轴另外一侧三个限位传感器命令后，工作台在X轴方向又向右运动、工作台在Y轴方向又向前运动、工作台在Z轴方向又向上运动；如此反复循环，按停止按钮后，假如工作台还在运动过程中，只有实施完这个循环过程后，工作台回到原点后停止运行。
（3）控制点要求
输入点：
X轴控制：限位（2个）、轴选（1个）、轴参考点（1个）；
Y轴控制：限位（2个）、轴选（1个）、轴参考点（1个）；
Z轴控制：限位（2个）、轴选（1个）、轴参考点（1个）；
其它控制：开启（1个）、停止（1个）、手动/自动（1个）；
主轴：正反转（2个）、急停（1个）、复位（1个）、轴方向（2个）、速度（2个）；
总计：23个输入点。
输出点：
X轴控制：脉冲（1个）、方向（1个）、使能（1个）、选灯（1个）；
Y轴控制：脉冲（1个）、方向（1个）、使能（1个）、选灯（1个）；
Z轴控制：选灯（1个）；
其它控制：主轴正反转（2个）、指示灯（3个）、方向灯（2个）、主轴速度（1个）；
总计：17个输出点。
3.2.2 步进电机驱动器
步进驱动器是一个能使步进电机运行功率放大器，能把控制器发来脉冲信号转化为步进电机功率信号，电机转速和脉冲频率成正比，所以控制脉冲频率就能够正确调速，控制脉冲数就能够正确定位。步进电机驱动器外部接线图图3.4所表示，型号为SWT-204M。

图3.4 步进电机驱动器外部接线图
SWT-204M为高性能细分步进驱动器，它适合驱动中小型任何3.5A相电流以下两相或四相混合式步进电机。因为采取新型双极性恒流斩波驱动技术，使用一样电机时能够比其它驱动方法输出更大速度和功率。其细分功效使步进电机运转精度提升，震动降低，噪声降低。
（1）外部端子功效
外部端子功效如表3.2、3.3所表示。
表3.2 步进电机驱动器弱电接线功效表
端子
信号
功效
PUL+(+5V)
PUL-(PUL)
脉冲信号
单脉冲控制方法时为脉冲控制信号，此时脉冲上升沿有效；双脉冲控制时为正转脉冲信号，脉冲上升沿有效。脉冲低电平时间应大于3us。
DIR+(+5V)
DIR-(DIR)
方向信号
单脉冲控制时为高/低电平信号，双脉冲控制时为反转脉冲信号。脉冲上升沿有效。
ENA+(+5V)
ENA-(ENA)
使能信号
此输入信号用于使能/严禁，高电平使能，低电平时驱动器不能工作。

表3.3 步进电机驱动器强电接线功效表
A+
A相头输出
电机A组，A+、A-互调，可更换一次电机运转方向。
A-
A相尾输出
B+
B相头输出
电机B组，B+、B-互调，可更换一次电机运转方向。
B-
B相尾输出
AC1
电源输入
额定电压AC（12～30V），60W
额定电压DC（15～40V），60W
AC2
POWER
电源指示
电源正常时发光管亮（绿色）
（2）细分和电流设定
SWT-204M采取八位拨码开关设定细分精度，动态电流和半流/全流。
动态电流：SW1 SW2 SW3
半流/全流：SW4
细分精度：SW5 SW6 SW7 SW8
①动态电流设定
由SW1、SW2、SW3三位拨码开关共可设定8个电流等级，如表3.2所表示。
表3.2 动态电流设定表
Io（A）
SW1
SW2
SW3
1.3
0
0
0
1.6
1
0
0
1.9
0
1
0
2.2
1
1
0
2.5
0
0
1
2.9
1
0
1
3.2
0
1
1
3.5
1
1
1
②静态电流设定:
静态电流设定由第四位开关SW4设定，OFF表示静态电流设为动态电流二分之一，ON表示静态电流和动态电流相同。
③细分设定：
细分设定由SW5、SW6、SW7、SW8四个位设定，如表3.3所表示。
表3.3 细分设定表
Pulse/rev
SW5
SW6
SW7
SW8
2
1
0
0
0
4
0
1
0
0
8
1
1
0
0
16
0
0
1
0
32
1
0
1
0
64
0
1
1
0
128
1
1
1
0
5
0
0
0
1
10
1
0
0
1
20
0
1
0
1
25
1
1
0
1
40
0
0
1
1
50
1
0
1
1
100
0
1
1
1
125
1
1
1
1

本系统中，X、Y轴步进电机驱动器细分进度为25，即每个脉冲使步进电机移动1.8/25为0.072度；Z轴步进驱动器细分精度为100，即每个脉冲使步进电机移动1.8/100为0.018度。
（3）X、Y轴步进驱动器拨码开关设置
1，2，5，6，8状态为ON，其它为OFF，所以其动态电流等级为2.2，静态电流为动态电流二分之一，细分精度为25。
（4）Z轴步进驱动器拨码开关设置
1，2，6，7，8状态为ON，其它为OFF，所以其动态电流等级为2.2，静态电流为动态电流二分之一，细分精度为100。
系统中用到电机为标准两相电机，电机旋转50圈，转过250mm，由此可见电机每圈转5mm。所以在X和Y轴步进电机中，每个脉冲使电机旋转5/360*0.072=0.001mm，而Z轴步进电机中，每个脉冲使电机旋转5/360*0.018=0.00025mm。
3.2.3 PLC选型
（1）可编程序控制器（PC）主机
PLC主机面板图图3.4所表示，选择CPU226。

图3.4 PLC主机面板图
其中：①输出接线端；②输出端口状态指示；③输入接线端；④输入端口状态指示；
⑤主机状态指示及可选卡插槽（可选卡插槽有：EEPROM卡，时钟卡，电池卡）；
⑥模式选择开关（运行、停止）、模拟电位器、I/O扩展端口；⑦通讯口1；⑧通讯口0；
有三个指示灯
SF/DIAG：系统错误，当出现错误时点亮（红色）；
RUN ：运行，绿色，连续点亮；
STOP : 停止，橙色，连续点亮；
（2）I/O扩展EM223
（3）定位模块
EM253位控模块使用简单，是速度和精度完美协调。
系列号
类别
产品图片
描述
选型型号
EM253
位置定位控制模块。

用于位置定位控制模块。
其输出信号Q用作位控功效逻辑控制信号，不能直接直接驱动现场任何实施控制器件。
6ES7 253-1AA22-0XA0
l 控制正确
EM253控制范围从微型步进电机到智能伺服驱动器；
运行快速而不受约束；
集成脉冲接口能够产生200KHz脉冲信号，指定位置，速度和方向；
集成定位开关输入能够脱离中央处理单元独立地完成位控任务；
l 适应性强
5V直流脉冲或RS422输入接口；
低震荡；
能够选择“jerk”/S-curve功效能够减小在开启，停止和改变速度时产生震荡和后座；
l 控制灵活，功效强大
经过用户程序可配置和选择25个profile，每个profile能够有多达四个速度改变；
绝对、相对和手动定位；能够将距离和位置单位设置为毫米，英寸，度或脉冲数，能够选择4种不一样参考点搜索模式；
l 简便软件配置
图形化、集成于STEP 7-Micro/WIN,V 3.2(及以上版本)向导含有以下功效；参数化（基础参数设定）；
创建定位profile；
确定参考点搜索模式；
集成于Micro/Win中操作简便EM253控制面板支持参数在线修改和参数化功效。
3.2.4 I/O配置及PLC外部接线图
PLC系统编程关键软元件配置见下表3.4。
表3.4 IO地址输入输出
序号
地址
备注
序号
地址
备注
1
I0.0
开启
14
I1.6
Z轴正限位
2
I0.1
停止
15
I1.7
Z轴负限位
3
I0.2
手动。自动
16
I2.0
输入主轴正转
4
I0.3
X轴选
17
I2.1
输出主轴反转
5
I0.4
Y轴选
18
I2.2
复位
6
I0.5
Z轴选
19
I2.3
轴正方向
7
I0.6
急停
20
I2.4
轴负方向
8
I0.7
X轴参考点
21
I2.5
速度选择1
9
I1.0
X轴正限位
22
I2.6
速度选择2
10
I1.1
X轴负限位
23
Q0.0
X轴脉冲
11
I1.2
Y轴参考点
24
Q0.1
Y轴脉冲
12
I1.3
Y轴正限位
25
Q0.2
X轴方向
13
I1.4
Y轴负限位
26
Q0.3
Y轴方向
14
I1.5
Z轴参考点
27
Q0.4
X轴使能
28
Q0.5
Y轴使能
34
Q1.3
Y轴选灯
29
Q0.6
主轴正转
35
Q1.4
Z轴选灯
30
Q0.7
主轴反转
36
Q1.5
复位指示灯
31
Q1.0
开启指示灯
37
Q1.6
轴正方向灯
32
Q1.1
停止指示灯
38
Q1.7
轴负方向灯
33
Q1.2
X轴选灯
39
Q2.0
主轴速度1

PLC外部接线图见附图。

4软件设计

系统控制步骤图4.1所表示。

图4.1 控制程序步骤图
在程序设计之前首先要先绘制程序框图即步骤图，绘制步骤图过程就是确定程序结构一个过程。
步骤图是能够直观地描述一个具体工作过程。步骤图是使用部分标准符号代表一些类型动作，如具体活动用方框表示，决议用菱形框表示。但比这些符号要求更关键，是必需清楚地描述工作过程次序。步骤图也可用于设计改善工作过程，首先能够画出事情应该怎么做，再将其和实际情况进行比较。步骤图是能够为后续工作做