基于PLC的三维运动控制平台设计开题报告

1、课题研究的背景

三维运动在各种机床，机械加工，汽车制造，机械臂生产加工等过程中是必不可少的。它是一个无法避免的过程，在过去这个三维运动必须要工人们来操作完成。随着技术的革新，慢慢地这个过程便逐步被机械化并由其他电机来完成。比如工厂里梁上的吊车就是三维运动的，它可以轻松地搬运很重的生产材料。再比如说自动化水平很高的汽车制造车间，生产都是靠做三维运动的机械臂完成的。在工业生产中，但凡需要运动的物体，或多或少都会与三维运动有着千丝万缕的关系。随着三维运动的简易化，它可以大大提升生产效率。这代表着越来越多的地方会用到三维运动控制平台，它的重要性就不言而喻了。

三维运动具有统 一的特点，都是要求被控目标在三维空间按照一定的规律运动，目前一些先进的三维控制系统大多是针对具体的控制目标来进行控制，很少有相关的文献在这方面进行通用控制的研究，尚没有形成一套完整的编程软件对上述三维系统的控制进行普及和应用。

三维运动一般分为两种，一种是在指定的位置设置相应的3个方向的限位开关，当执行元件到达相应的限位开关位置时即停止该维运动；另一种是通过根据运动部件的行程来计算时间或通过经验修正参数来设置时间来控制执行元件的运动。限位开关具有局限性，只能用于位置相同的重复运动。而计算时间来控制运动虽然可以操作不同的位置，但是避免不了误差，精度不高。

随着控制理论及技术的发展，精度不高这个问题在慢慢地被解决。利用伺服电机就可以很好地避免精度不高这一问题。伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。

伺服电机主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。伺服电机在要求精密控制的工业自动化设备中得到了广泛的应用，他的闭环控制功能，是步进电机无法比拟的。

就伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度来看，只要改变输入脉冲频率的大小，就能改变伺服电机的转速，实现无极调速，这对于调速系统来说是十分方便的，也就能控制整个工作过程的时间长短，这样可以使速度及时间更加符合产品的生产规律。

除了伺服电机的转动精度外，还有被动工件的位移精度也是一个问题。这边就用滚珠丝杠来解决。滚珠丝杠一般是用世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度、湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。

P5是国内标准，精度等级是5级，任意300mm行程内行程变动量为0.023mm，这个精度一般表示成P5=0.023，国产丝杆使用多。

这样的设计，这样的精度要求，已经满足大部分的工艺要求，对于很多三维运动控制平台都能够很好的适应。

2、课题研究的目的、意义

位置精度是工业生产加工中的一个重要参数，它的偏差直接会影响到产品的质量。所以精度越高越好。本文针对基于PLC的三维运动控制平台的设计，研究了三维运动的系统建模和控制器设计方法，对精度问题进行了分析与处理，并进行了控制系统的软、硬件设计。其目的在于能够提高三维运动控制平台的工作精度，并且使三维运动控制平台能够满足大部分的工作场景，能够通用化，而不是针对具体的某一控制对象进行设计与研究。

本课题研究内容：

1)三维运动的模型建立

三维运动的结构分析、运动范围参数建立。

2)三维运动的位置精度分析

分析X,Y,Z三维每一维上的位置精度。

3)伺服电机调速系统

掌握伺服电机调速系统的结构、原理，性能要求及其调速方法

4)基于PLC的三维运动控制平台设计

基于PLC的软件设计；PLC控制系统电气设计

预期目标：

1）建立三维运动的物理模型

2）完成伺服电机调速系统的调速实验

3）完成基于PLC的三维运动控制平台的硬件设计，软件设计及仿真调试

本课题拟采用软硬件相结合组成实际控制系统。大致是用PLC控制伺服系统的伺服驱动器，再由驱动器命令伺服电机工作，而伺服电机的转动带动滚珠丝杠运动，可使滚珠丝杠上与螺母连接的被动工件做直线运动。再在其他两个方向上做同样的设计，就可以完成三维运动了。

主要步骤如下；

（1）先查阅文献了解如今三维运动控制平台的相关模型，看看都有哪些具体的设计工艺，是否与自己的想法有相同之处。

（2）提出设计整体思路，确定自己的设计方向

（3）整理出所需要的硬件设施，并查阅资料文献，明白其设计工艺及原理。

（4）建立模型，了解输入输出各点间的连线。

（5）运用软件，进行PLC编程。

（6）程序调试，仿真。

[1]张淼.基于滚珠丝杠传动的六自由度平台设计研究[J].机械传动,2014,38(8):100-103.

[2]赵开富,马玉书. 滚珠丝杠在天线座俯仰传动中的应用[J].零八一科技,2005,16(4):48-52.

[3]唐旭华,白国振,高升,王双园,李小苏. 滚珠丝杠副运动精度测试系统的设计[J]. 机电一体化,2010,16(2):79-81.

[4]张德隆.滚珠丝杠副的降温以解决运动精度问题[J].制造技术与机床,2013,63(1):165.

[5]周岩. 双固定滚珠丝杠的应用[J]. 民营科技,2015,21(2):47,49.

[6]敖荣庆,袁坤.伺服系统 [M].北京:航空工业出版社.2006 .

[7]钱平.伺服系统 [M].北京:机械工业出版社.2005.

[8]张莉松，胡祐德，徐立新.伺服系统原理与设计[ M].北京:北京理工大学大学出版社.2008.

[9]刘力.组态软件在PLC运料小车实验系统中的应用[J].中国校外教育，2011, 5(18):241-145.

[10]刘太湖.机械手PLC控制设计[J].知识经济,2011,11(3): 132-136.

[11]韩伟娜，刘宝华.基于S7-200的搬运机械手的PLC控 制[J].机械科学与技术，2011, 31(2):56-59.

[12]肖艳军，李磊，周姑，等.基于PLC的自动续料机械手 [J].机械设计与制造,2011, 49(2):180-184.

[13]严纪兰，董峰，李明亮.基于PLC控制的搬运机械手的应用[J].机械工程与自动化,2008,37(2):432-435.

[14]海心,马银忠,刘树青.西门子PLC开发入门与典型实例 [M].北京:人民邮电出版社.2010.

[15]王宇,任思璟,李忠勤.PLC电气控制与组态设计 [M].北京:电子工业出版社.2010.

[16]王阿根.PLC控制程序精编108例 [M].北京：电子工业出版社.2009.

[17]郑凤翼，金沙.图解西门子S7-200系列PLC应用88例 [M].北京：电子工业出版社.2009.

[18]赵光.西门子S7-200系列PLC应用实例详解 [M].北京：化学工业出版社.2010.

[19]李道霖.电气控制与PLC原理及应用[M].北京:电子工业出版社.2007.

[20]张万忠.可编程控制器应用技术[M].北京:化学工业出版社.2001.

1）第01～04周：收集资料，知识准备及做开题报告。

2）第05～06周：系统方案设计及可行性研究。

3）第07～08周：系统硬件设计及绘图。

4）第09～11周：系统软件设计及编程。

5）第12～14周：系统调试和撰写毕业论文。

6）第15～16周：完善毕业论文和答辩准备。