内蒙古工业大学本科毕业设计说明书
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：
Z向步进电机 电主轴 X向步进电机 X向步进电机 电机步进驱动装置 主轴变频器 图2-1 三维雕刻机组成
控制装置
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。
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X向步进电机 图形输入 PC主机 USB数据传输接口 PLC 变频器 X向滚珠丝杠 Y向步进电机 Z 向步进电机 Y向滚珠丝杠 Z向滚珠丝杠 图2-2 三维雕刻机工作原理
电主轴 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，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（0.6~0.1μs）的指令运算速度；
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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，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
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数字量输入模块:SM321
SM321,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
货物编码 062534 相电感（mH） 1.3 步进电机型号 60BYG3250DLS-SASSML-0551 保持转矩（N·m） 相数 3 定位转矩（N·m） 0.07 步距角（ °） 1.2 电压（VDC） 24~70 静态相相电阻电流（A） （Ω） 5.5 重量（Kg） 1.2 1.05 转动惯量（g·cm） 480 1.5
2.2.3步进电机驱动器的选择
步进电机驱动器的选择为与步进电机所适配的驱动器，为森创数字三相步进电
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