电磁铁推拉力测试系统——控制部分

目录

第一章引言 (1)

1.1 电磁铁概述 (1)

1.2 课题背景及意义 (1)

1.3 国内外基本研究情况 (1)

1.4 课题的主要研究内容 (1)

第二章理论知识介绍 (3)

2.1 PLC简介 .................................................................................................. 错误！未定义书签。

2.1.1 PLC的结构及各部分的作用..................................................... 错误！未定义书签。

2.1.2 PLC的工作原理......................................................................... 错误！未定义书签。

2.1.3 PLC编程语言............................................................................. 错误！未定义书签。

2.2 步进电机及其发展.................................................................................. 错误！未定义书签。

2.3 步进电机的结构和工作原理.................................................................. 错误！未定义书签。

2.4 步进电机的特点...................................................................................... 错误！未定义书签。第三章元器件选择及I/O分配 (4)

3.1 系统基本框图的确定 (4)

3.1.1 元器件的选择 (5)

3.1.2 雷赛ND1182 步进驱动器 (5)

3.1.3 雷赛110HS20两相混合式步进电机 (9)

3.2 系统控制过程 (11)

3.3 控制系统的I/O点及地址分配.............................................................. 错误！未定义书签。第四章系统控制过程设计 .................................................................... 错误！未定义书签。结束语 . (11)

参考文献 (13)

第一章引言

1.1 电磁铁概述

电磁铁在我们的日常生活中到处可见，应用非常广泛，生活中我们越来越离不开它。电磁铁是一种电器，它被广泛应用于机床、起重机等大型机电设备中。电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁或保持某种机械零件、工件于固定位置的一种电器。衔铁的动作可使其他机械装置发生联动。当电源断开时，电磁铁的磁性随之消失，衔铁或其他零件即被释放。

电磁铁在生产中的应用极为普遍，工业上常用来制动机床和起重机的电动机。当接通电源时，电磁铁动作而拉开弹簧，把抱闸提起，于是放开装在电动机轴上的制动轮，这时电动机便可自由转动。当电源断开时，电磁铁的衔铁落下，弹簧便把抱闸压在制动轮上，电动机就被制动。在起重机中采用这种方法，可以避免由于工作过程中的断电而使重物滑下造成的事故。

随着机械工业的发展，在机床中也常用电磁铁操纵气动或液压传和控制变速机构。电磁吸盘和电磁离合器也都是电磁铁的具体应用

此外，现代物流业的集装流程中，也使用电磁铁进行起重提放钢材等。不论是机床、起重机，还是物流装卸的电磁继电器和接触器，电磁铁的任务是开闭电路，起到一个开关的作用。

1.2 课题背景及意义

电磁铁是一种基于电磁系统产生电磁力，使衔铁做机械运动，从而对外做功的电-机转换器，因此，电磁铁力特性成为表征其主要性能的基本特性。作为一个转换元件，电磁铁的静态力特性直接影响到由它所构成的元件及装置的整体性能，国内外有许多机构、学者都曾做过电磁铁的推拉力测试，可以测试量电磁铁的静动态力和位移特性。有的结构复杂，精度不高，且难以测量出双向电磁铁的静动态力特性。因此，对电磁铁进行推拉力的测试是非常必要的。

1.3 国内外基本研究情况

电磁铁被广泛应用于工业生产和日常生活之中，其作用不容忽视。电磁铁的特性中力的特性是很重要的一部分，因此对电磁铁进行推拉力测试具有非常的实际意义。国内外已经有很多学者和机构对其进行研究和探讨过。此次，本人在前人的基础上，基于PLC控制步进电机和滚珠丝杆组成的机构，应用力传感器技术，再一次尝试对电磁铁的推拉力测试进行学习研究，以更好的学习掌握所学的相关内容。

1.4 课题的主要研究内容

电磁铁推拉力测试系统——控制部分设计，其主要工作内容是：

1）确定电磁铁测力系统的方案及系统的各组成部件

首先拟定一个大致方案，初步确定各组成部件的型号。再分析了解各组成部分的

功能用途，掌握各部件的使用方法和工作原理。最后讨论系统的可行性、连续性、完整性，不断修正系统，确保系统能正常、稳定的工作。握PLC基本指定和程序设计的方法。要弄清步进电机、驱动器的工作原理和其参数特性以及他们之间的接线问题。最终学会如何用PLC对步进电机实现精确的速度控制、正转、反转等。

2）对电磁铁测力系统的控制部分进行学习和研究

为实现PLC对步进电机的精确控制，一定要掌握PLC应用技术的核心内容，如各种控制线路图、功能图、梯形图、时序图、语句表等，掌握PLC的基本指定和程序设计的方法；要弄清楚步进电机、驱动器的工作原理和参数特性以及他们之间的接线问题，最终学会如何用PLC对步进电机实现精确地速度控制、正转、反转等。

3）其他工作

要知道力传感器、位移传感器、滚珠丝杠和显示终端的工作原理和特征参数，最终得到不同距离时电磁铁推拉力的大小

对本课题的研究，预期要达到能用PLC实现对步进电机的精确速度控制、正转、反转等，熟悉步进电机、驱动器、滚珠丝杠、推拉力传感器、位移传感器、电磁铁的工作原理和特征参数，最终得到电磁铁在每隔0.2mm时所对应的推拉力大小的目标。其中关键的理论和技术是PLC应用技术在工程实现.中程序设计的方法，技术指标要达到精确的控制。其使用的方案是用电磁铁、位移传感器、力传感器、滚珠丝杠、显示终端、步进电机、驱动器、电源所组成的系统进行电磁铁的推拉力测试。

第二章理论知识介绍

第三章元器件选择及I/O分配

3.1 系统基本框图的确定

电磁铁推拉力测试系统的基本框图如图3-1所示

图3-1 系统基本框图

系统测试原理如图3-2所示

1-力传感器安装座2-测试台3-步进电机4-滚珠丝杆副5-移动工作台6-力传感器7-被测电磁铁8-工件安装座9-工件安装工作台

图3-2 系统测试原理图

3.1.1 元器件的选择

PLC选用西门子S7-200 CPU222 PLC系列，无需扩展。

步进电机选用雷赛公司110HS20两相混合式步进电机。

驱动器选用与步进电机相配套的雷赛ND1182 步进驱动器。

滚珠丝杆型号为2504-4，导程角4mm。

力传感器为上海天沐NS-WL1型拉压力传感器。

离合器型号为天津市首达永恒离合器厂DLY0-20A。

显示终端选用国光CJ6812系列液晶显示终端

3.1.2 雷赛ND1182 步进驱动器

驱动器接口和接线介绍

P1 端口控制信号接口描述如图3-3所示

图3-3 P1端口控制信号接口

P2 端口强电接口描述如图3-4所示

图3-4 P2端口强电接口

输入接口电路

输入接口电路（共阳极接法）控制器集电极开路输出如图3-5所示

图3-5 输入接口电路（共阳极接法）控制器集电极开路输出

西门子PLC 系统和驱动器共阳极的连接如图3-6所示

图3-6 西门子PLC 系统和驱动器共阳极连接

控制信号时序图

为了避免一些误动作和偏差，PUL、DIR 和ENA 应满足一定要求，如图3-7所示：

图3-7 控制信号时序图

注释：

（1）t1：ENA（使能信号）应提前DIR 至少5μs，确定为高。一般情况下建议ENA+和ENA-悬空即可。

（2）t2：DIR 至少提前PUL 下降沿5μs 确定其状态高或低。

（3）t3：脉冲宽度至少不小于1.2μs。

（4）t4：低电平宽度不小于1.2μs。

ND1182两相步进电机的典型接线如图3-8所示

图3-8 ND1182两相步进电机的典型接线

工作（动态）电流设定

四位拨码开关SW5-SW8 一共可设定16 个电流级别，参见下表3-1。

细分设定

细分精度由SW1-SW4 四位拨码开关设定，参见表3-2所示。

3.1.3 雷赛110HS20两相混合式步进电机

技术规格如图3-9所示

图3-9雷赛110HS20两相混合式步进电机技术规格

外形尺寸如图3-10所示

图3-10雷赛110HS20两相混合式步进电机外形尺寸接线图如图3-11所示

图3-11 雷赛110HS20两相混合式步进电机接线图

3.2 系统控制过程

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结束语

本次毕业论文设计是基于PLC控制步进电机，借助于力传感器技术实现对电磁铁推拉力测试，是在指导老师的指导和严格监督下完成的。通过这次设计，本人对所学的知识在实际应用中有了更感性的认识和全新的体会。本次论文设计让我学会了怎样实现PLC对步进电机的控制。对PLC、步进电机、电磁铁等有了更深刻了解。学会了用PLC编程、PLC的基本指令及其功能指令。理解了步进电机、驱动器、电磁铁等的工作原理和使用方法。

这次毕业设计不仅增强了我的专业方面的能力，在与小组成员的合作中，也学会了沟通和合作，学会共同解决问题，互帮互助。对于各自的问题也有更深的理解。也锻炼了我们在问题和困难面前的耐心与毅力，不轻易放弃，一遍不行就试第二遍，相信自己最终都能解决。当然要感谢毛老师在整个设计中对我们耐心详细的讲解和辅导，及理论和技术等各方面的支持。使我们能更好的完成毕业设计。

参考文献

[1] 王永华主编.现代电器控制及PLC应用技术[M].北京：北京航天航空大学出版社,2006.

[2] 王季秩,曲家骐编著.执行电动机[M].北京: 机械工业出版社,1997.

[3] 蔡行健主编.深入浅出西门子S7-200PLC[M].北京: 北京航空航天大学出版社,2005.

[4]杨黎明编著.机电传动控制技术[M].北京: 国防工业出版社,2007

[5] 史敬灼著.步进电动机伺服控制技术[M].北京: 科学出版社,2006.

[6] 孙以材编著.压力传感器的设计、制造与应用[M].北京: 冶金工业出版社,1999.

[7] 廖常初编著.PLC编程及应用[M].北京: 机械工业出版社,2004.

[8] 汤以范编著.电气与可编程序控制器技术[M].北京: 机械工业出版社,2004.

[9] 宋伯生.PLC顺序控制程序工程方法[J].电气时代.

[10] 孙平编著.可编程控制器原理及应用[M].北京: 高等教育出版社,2002.

[11] 张冠生,陆俭国主编.电磁铁与自动电磁元件[M]北京: 机械工业出版社,1982.

附录I 程序梯形图主程序

子程序高速脉冲输出:

子程序高速计数器

子程序中断程序

附录Ⅱ程序语句表

主程序:

Network 1 Q0.1接步进驱动器方向脉冲，初始化置位Q0.1，步进正传

LD SM0.1

S Q0.1, 1

Network 2 调用高速脉冲输出，同时M0.0作为第一次正传脉冲输出结束后使能反转脉冲输出LD SM0.1

O M0.0

CALL SBR0

R Q0.0, 1

EU

R M0.0, 1

Network 3 调用高数计数

LD SM0.1

CALL SBR1

子程序高速脉冲输出:

Network 1 这是西门子PLC中高速PTO脉冲输出3段输出的格式字，3是指三段（加速段，匀速段，减速段），Q0.0是脉冲输出点，接驱动器脉冲信号端

LD SM0.0

MOVB 3, VB500

MOVW 100, VW501

MOVW -2, VW503

MOVD 100, VD505

MOVW 100, VW509

MOVW 0, VW511

MOVD 1300, VD513

MOVW 100, VW517

MOVW 2, VW519

MOVD 100, VD521

Network 2 这是执行PTO高速输出指令，同时在输出结束进入中断

LD SM0.0

MOVB 2#10100000, SMB67

MOVW 500, SMW168

ATCH INT0, 19

ENI

PLS 0

子程序高速计数:

Network 1 这是西门子高速计数器格式，采用HSC0计数器9号模式（AB相正交，A接I0.0，B 接I0.1）

LD SM0.1

MOVB 16#F8, SMB37

HDEF 0, 9

MOVD 0, SMD38

MOVD 99999999, SMD42

HSC 0

中断程序:

Network 1 在正传脉冲输出结束后复位Q0.1，反转，同时置位M0.0，在主程序中再次调用脉冲输出，实现反转运行

LD SM0.0

LPS

A Q0.1

S M0.0, 1

LPP

R Q0.1, 1

Network 2

// 正传脉冲输出结束后，高速计数器清零，为反转脉冲计值做初始化

LD SM0.0

MOVD 0, SMD38

MOVB 16#C0, SMB37

HSC 0