数控切割机结构与运动控制系统设计.doc

济南大学毕业设计
1 前言
1.1 课题背景
在机械加工过程中，以往板材切割常用的方式有手工切割、半自动切割机切割及数控切割机切割。手工切割灵活方便，但手工切割质量差、尺寸误差大、材料浪费多、生产效率低。半自动切割机中仿形切割机，切割工件的质量较好，由于其使用切割模具，不适合于单件、小批量和大工件切割。其它类型半自动切割机虽然降低了工人劳动强度，但其功能简单，只适合一些较规则形状的零件切割。数控切割相对手动和半自动切割方式来说，可有效地提高板材切割地效率、切割质量，减轻操作者地劳动强度。
数控切割机是数字程序控制(Numerical program Control)的自动化切割设备，简称NC切割机，这种设备不但切割操作的自动化程度高，而且切割精度高、材料利用率高、生产效率。同时，随着时代的发展数控切割机控制系统已经在当初的简单功能、较低的自动化程度、复杂的编程和输入方式方面得到了很好的发展，形成了现在的具有功能完善、图形化、智能化、网络化的控制方式； 驱动系统也从的步进驱动、模拟伺服驱动到今天的全数字式伺服驱动。
激光是二十世纪最重大的科学发现之一，它刚一问世就引起了科学家们的高度重视。自此以来，世界各国投入了大量资金和人力进行激光器、激光加工设备和激光加工对材料学的研究，促使激光加工在很短的时间内得到了飞速发展，并获得了巨大的经济效益和社会效益。如今在中国，激光技术在工业、医学、军工以及人们的现代生活中得到广泛的应用，并且正逐步实现激光技术产业化。
切割机的数控化以及激光器的应用在当今机加工过程中的地位越来越重，这种机光、机、电为一体的设备实现代科学技术的完美体现，在高强度、高韧性、高硬度等工件的加工过程中会得到广泛的运用。
数控激光切割机是集光、机、电为一体的高度集成设备，是目前科技含量相对较高的机械设备，现对于传统的机加工，数控激光具有切割机的加工精度更高、柔性化好，有利于提高材料的利用率，降低产品成本，减轻工人负担等优点，对制造业来说，数控激光的出现是一场机加工技术的革命。
数控激光切割的适用对象主要是难切割材料，如高强度、高韧性、高硬度、高脆性磁性材料，以及精密细小和形状复杂的零件。数控切割技术、数控切割机床正在各行各业中得到广泛的应用。因此研究和设计数控切割有很强的现实意义。微机控制技术正在发挥出巨大的优越性。
1.2 设计任务
本次设计任务是设计一台由单片机控制的切割机床，主要设计对象是XY工作台部件及单片机控制原理图。单片机对XY工作台的纵、横向进给脉冲当量0.001mm/ pluse。工作台部件主要构件为滚珠丝杠副、滚动直线导轨副、步进电机、工作台等。设计时应兼顾两方向的安装尺寸和装配工艺。
1.3总体设计方案
通过对数控切割机的整体设计，确定一台合理的立式机床结构。
数控切割机的主要组成部分有工作台、滚珠丝杠传动系统、直线导轨、步进电机及其传动机构、数控系统等。根据题目要求，设计出一个结构合理的XY轴工作台，同时对工作台进行受力分析、设计计算，对滚珠丝杠传动系统传动效率、强度等也进行相应的计算，对直线滚动导轨如何选型进行深度分析，确定步进电机及其传动机构并进行惯性负载计算、刚度讨论等，分别来验证其合理性。
利用单片机，设计出一个比较合理的数控硬件电路与步进电机驱动相匹配的数控软件连接，由单片机控制步进电机来实现XYZ方向的运动。在设计中对机床数控部分的I/O进行扩展，并对键盘和显示器进行相应的设计，对程序进行初始化。采用单片机对数据进行计算处理，由I/O接口输出控制信号给驱动器，来驱动步进电机，经齿轮机构减速后，带动滚珠丝杠转动，实现进给。其原理示意图如图1：

控

制

器
驱
动
器
驱
动
器

步进电 机
步进电 机

X向工作台
Y向工作台

图1系统总体原理图
根据机械系统方案的要求，可以看出：对机械部分的控制只有进给系统的步进电机的控制和工作台回转的步进电机控制。控制系统有微机的、有PLC的、也有单片机的，这里选择经济型的PLC控制系统。另外，居然要控制，就得有输入和输出设备才能对相应的运动进行控制。其控制系统框图如图2所示：

显示器
键 盘
驱动器
存储器扩展

驱动器
I/O
口
扩展

P
L
C

功 率 放 大

Z轴电机
横向丝杠
Y轴电机
纵向丝杠
X轴电机
Z向丝杠

图2 控制系统框图

通过这些过程基本完成经济型数控切割机的设计，按此设计的切割机可以满足生产的实际需要。

2 机械部分的基本结构设计
2.1 工作台的设计
2.1.1 主要设计参数及设计要求
本次设计的是一台数控激光切割机床，主要应用于高硬度的板材加工。其主要设计参数规定如下：
（1） 工作台行程：横向350mm，纵向450mm
（2） 工作台最大尺寸（长×宽×高）：500×550×150mm
（3）最大加工尺寸X×Y：300×400mm
（4） 工作台最大承载重量：100Kg
（5） 脉冲当量：0.001mm/pluse
（6） 进给速度：60mm/min
（7） 设计寿命：15年
2.1.2工作台的尺寸及重量估算
(1) X轴方向工作台的尺寸及重量估算
估计托座重量约为=70N。电机重量约为15Kg，即G=15×9.8=147（N）。
估计其它零件重量之和约为 =120N。
则X方向导轨副所承受的最大负载为：
=+2×+G=70+2×147+120=484（N）
（2）Y轴方向工作台的尺寸及重量估算
初步确定工作台尺寸为600×600×150mm，材料为HT200，估重=400N。
估计工件最大重量约为100 Kg，即其重量约为G=100×9.8=980（N）。
托座重量约为=200N,其它零件的重量之和约为 =200N。
则Y方向导轨副所承受的最大负载为：
=+++G=400+200+200+980=1780（N）
2.2工作台进给系统的受力分析
由于本设计为数控激光切割机，切割机在工作过程中其激光枪与工件不会出现直接接触，因此可以认为在整个加工过程中没有外力负载，即其切削力可认为是零。
通常情况下，滚动直线导轨的摩擦力相对较小，因此可以忽略不计滚珠丝杠副以及齿轮间的摩擦力就相对较大，会影响电机的步距精度，则这些摩擦力是不可以忽略的。
X、Y、Z三个方向的运动全部由滚珠丝杠带动，附加上工作台、中间滑块、底座、导轨等零部件实现完整的工作运动。同时，因为滚珠丝杠副的作用也保证了各相对运动过程中的运动精度。

3 滚珠丝杠的设计计算
3.1 计算切削力
因为在整个切削过程中激光枪与工件之间没有直接接触[18]，则可认为其切削力零：

3.2 滚珠丝杠螺母副的计算和选型
3.2.1 横向进给丝杠
（1）计算进给牵引力（N
横向导轨为滚动导轨
=0+0.004×484=1.936(N) （3.1）
式中
— 滑动导轨摩擦系数：=0.15-0.14;
滚动导轨摩擦系数：=0.0025-0.005，取=0.004
— 工作台及工件重量：G=484(N)
（2）计算最大动载荷C

式中，—滚珠丝杠导程，由于丝杠为低速工作，故初选4mm；
—最大切削速度，=600mm/min；
—运转系数，按一般运转取=1.2～1.5；
—使用寿命，按130000h；
—寿命、以转为1单位。
==15（r/min） （3.2）
==117 （3.3）
==11.4（N） （3.4）
（3） 滚珠丝杠螺母副的选型
查阅《机电专业课程设计指导书》附录A表3，可选用NL3005内循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，其额定动载荷为9100N，足以满足要求，算定精度为3。
（4）传动效率的计算
（3.5）
式中 —螺旋升角，NL3005 =
—摩擦角取；滚动摩擦系数0.003～0.004
==0.95
（5）刚度计算
横向进给丝杠的支撑方式如图3所示，最大牵引力为1.936N支撑间距L=600mm，预紧力为最大轴向载荷的1/3。
步进电 机
工作台
L

图3 横向进给丝杠的支撑计算简图
① 丝杠的拉伸或压缩变形量（mm）
先用下面的公式计算在工作负载的作用下引起的导程的变化量。
（3.6）
式中 —在工作负载作用下引起的每一导程的变化量，（mm）；
—工作负载，即进给率引力，=1.936N；
—滚珠丝杠的导程 ，=4mm；
E—材料的弹性模数，对钢E=20.6×N/mm);
F— 滚珠丝杠横截面积（按内径确定） （mm）
==5.32×10（mm）
在计算滚珠丝杠的总长度上的拉伸和压缩量。
（3.7）
式中 L—滚珠丝杠在支撑间的受力长度，L=600mm 。
==8.55×10（mm）
② 滚珠与螺纹滚道间接触变形量（mm）
由于对滚珠丝杠加有预紧力，且为轴向最大负载的1/3，则之值可减少一半。
（3.8）
式中 —轴向工作负载，=0.1936kgf；
—预紧力，=0.064kgf；
—滚珠直径，=3.175mm；
—滚珠数量 =Z×圈数×列数=27×1×2=54；
Z— 一圈的滚珠数=27
—滚珠丝杠的公称直径，=30mm。
==0.2×10（mm）
则取之值的一半为=0.1×10mm
③ 支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形（mm）
选用51205推力球轴承，=25mm，滚动体直径=7.5mm，滚动体数量z=11。==1.43×10（mm） （3.9）
注意在此公式中的单位应为
又因施加预紧力，故
==×1.43×10=0.715×10（mm） （3.10）
根据以上计算：
=++=8.55×10+0.1×10+0.715×10=0.9005×10（mm）<定位精度
（6）稳定性校核
由于已选定丝杠尺寸且支撑条件为一端支撑一端自由，则应计算承受最大载荷是其有没有产生纵向弯曲的危险。
产生失稳的临界负载可用下式计算： （3.11）
式中 E—丝杠材料弹性模量，对钢E=20.6×10（N/cm）；
I—截面惯性矩（cm），
丝杠截面惯性矩=3.14×3/64=3.97 cm（为丝杠螺纹
的底径）；
—丝杠两端支撑距离，=60㎝；
—丝杠的支撑长度系数，取=0.25。
==55996（N）
=55996/1.936=28924则丝杠不会失稳；
为许用稳定性安全系数，一般取=2.5～4.
3.2.2 纵向进给丝杠
（1）计算进给牵引力（N）
纵向导轨为滚动导轨
=0+0.004×1780=7.12（N） （3.12）
式中
— 滑动导轨摩擦系数：=0.15-0.14;
滚动导轨摩擦系数：=0.0025-0.005，取=0.004
— 工作台及工件重量：G=1780（N）
（2）计算最大动载荷C
==15（r/min） （3.13）
==117 （3.14）
==41.9（N） （3.15）
（3） 滚珠丝杠螺母副的选型
查阅《机电专业课程设计指导书》附录A表3，可选用NL6008内循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，其额定动载荷为21200N，足以满足要求，算定精度为3。
（4）传动效率的计算
（3.16）
式中 —螺旋升角，NL6008 =
—摩擦角取；滚动摩擦系数0003～0.004
==0.93
（5）刚度计算
纵向进给丝杠的支撑方式如图4所示，最大牵引力为7.12N支撑间距L=900mm，预紧力为最大轴向载荷的1/3。

步进电 机
工作台
L

图4 纵向进给丝杠的支撑方式计算简图
① 丝杠的拉伸或压缩变形量（mm）
==4.89×10(m)
==11×10(m) （3.17）
式中 L—滚珠丝杠在支撑间的受力长度，L=900mm 。

② 滚珠与螺纹滚道间接触变形量（mm）
由于对滚珠丝杠加有预紧力，且为轴向最大负载的1/3，则之值可减少一半。
==0.47×109（mm） （3.18）
式中 —轴向工作负载，=0.712kgf；
—预紧力，=0.237kgf；
—滚珠直径，=4.637mm；
—滚珠数量 =Z×圈数×列数=41×1×2=82；
Z— 一圈的滚珠数=41；
—滚珠丝杠的公称直径，=60mm。
则取之值的一半为=0.24×10（mm）
③ 支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形（mm）
选用51200推力球轴承，=55mm，滚动体直径=12.5mm，滚动体数量z=14。
==6.59×10（mm） （3.19）
注意在此公式中的单位应为
又因施加预紧力，故
==×6.59×10=3.295×10（mm）
=++=11×10+0.24×10+3.295×10=3.645×10（mm）<定位精度
（6）稳定性校核
由于已选定丝杠尺寸且支撑条件为一端支撑一端自由，则应计算承受最大载荷是其有没有产生纵向弯曲的危险。
==398630（N） （3.20）
式中 E—丝杠材料弹性模量，对钢E=20.6×10（N/cm）；
I—截面惯性矩，
丝杠截面惯性矩=3.14×6/64=63.59（为丝杠螺纹
的底径）；
—丝杠两端支撑距离，90㎝；
—丝杠的支撑长度系数，取=0.25。
=55996/7.12=55987则丝杠不会失稳；
为许用稳定性安全系数，一般取=2.5～4.
3.2.3 Z轴进给丝杠
因Z轴方向比X轴方向丝杠所受的负载小，则Z向根据X向选用相同规格的丝杠即可满足要求。
4齿轮传动比的计算
4.1横向进给齿轮传动比的计算
已经确定脉冲当量=0.001，滚珠丝杠导程为=4mm，初选步进电机步距角0.36度。则可计算出传动比
==0.25 （4.1）
可以选定齿轮齿数为:
（4.2）
=18，=72或=27，=108
4.2纵向进给齿轮传动比的计算
可根据横向进给齿轮传动比的计算选择合适齿数的齿轮。
4.3 Z向进给齿轮传动比的计算
可与X向选择相同规格的齿轮配合。
由于进给运动齿轮的受力不大，可取模数为2，相关参数见下表1：

齿数

18
72
27
108
分度圆

36
144
54
216
齿顶圆

40
148
58
220
齿根圆

31
67
49
211
齿宽
（6～10）
20
20
20
20
中心距

90
135

表1 齿轮传动几何参数
5步进电机的计算和选型
5.1 横向进给步进电机的计算
（1）等效转动惯量的计算
计算简图见图1。传动系统折算到电机轴上的总的传动惯量为（），可以通过下试进行计算：
（5.1）
式中 —步进电机的转动惯量（）；
、—齿轮、的转动惯量（）；
—滚珠丝杠的转动惯量（）
初选步进电机为45BF，其转子转动惯量=0.8
=0.78×10××=0.78×10×3.6×2=0.262
=0.78×10××=0.78×10×14.4×2=67.077 （5.2）
=0.78×10×3×60=3.791
W=484N
代入上式：

=0.8+0.262+ （5.4）
=5.5
考虑步进电机与传动系统惯量相匹配问题。
/=0.8/5.5=0.145 （5.5）
基本满足惯量匹配的要求。
（2）电机力矩的计算
①快速空载启动力矩
在快速空载启动阶段，加速力矩占的比例比较大，具体计算如下：
==60（r/min） （5.6）
启动加速时间=30ms
=×=×= （5.7）
折算到电机上的摩擦力矩:
====1.545 （5.8）
附加摩擦力矩
0.013 （5.9）
上述三项之和为：
=++=11.5+1.545+0.013=13.058 （5.10）
②快速移动所需力矩
=+=1.545+0.013=1.558 （5.11）
由以上计算可看出快速空载启动所需力矩最大，以此作为初选步进电机的依据。
但步进电机为五相十拍时
=0.951 （5.12）
最大静力矩 ===13.73 （5.13）
查表45BF005的最大静转矩为1.537 N·m。大于所需最大静转矩，可以满足要求。
5.2 纵向进给步进电机的计算
计算简图见图2。初选步进电机为90BF，其转子转动惯量=1.8
=0.78×10××=0.78×10×5.4×2=1.326
=0.78×10××=0.78×10×21.6×2=339.578 （5.14）
=0.78×10×6×90=90.979
W=1780N
代入上式：

=1.8+1.326+ （5.15）
=30.08
考虑步进电机与传动系统惯量相匹配问题。
/=1.8/30.08=0.06 （5.16）
基本满足惯量匹配的要求。
（2）电机力矩的计算
①快速空载启动力矩
在快速空载启动阶段，加速力矩占的比例比较大，具体计算如下：
==60（r/min） （5.17）
启动加速时间=30ms
=×=×=62.89 （5.18）
折算到电机上的摩擦力矩:
====5.67 （5.19）
附加摩擦力矩
===0.048 （5.20）
上述三项之和为：
=++=62.89+5.67+0.048=68.608 （5.21）
②快速移动所需力矩
=+=5.67+0.048=5.718 （5.22）
由以上计算可看出快速空载启动所需力矩最大，以此作为初选步进电机的依据。
但步进电机为五相十拍时
=0.951 （5.23）
最大静力矩 ===72.14 （5.24）
查表得90BF006最大静转矩为2.156N·m。大于所需最大静转矩，可以满足要求。
5.3 其余电机得选型
由于其余电机所带动的负载比较小，故其电机型号可以选取与横向进给系统相同的电机。

6直线导轨的选型
导轨主要分为滚动导轨和滑动导轨，且滚动导轨数控机床上的应用最为广泛滚动导轨又可分为滚动体不做循环运动的直线运动导轨和滚动体做循环运动的直线导轨两大类。
与普通机床所用的滑动导轨相比，其具有以下几方面的优点：
（1）摩擦系数小，f=0.0025～0.005；
（2）动、静摩擦系数很接近，且几乎不会受到运动速度变化的影响；
（3）运动轻便灵活，所需驱动功率较小；
（4）定位精度高，且可长期保持机床的高精度；
（5）摩擦发热少，磨损小，因而可以大幅度降低机床造价并节约能源。
滚动体的数目对适当选择导轨起着一定的作用。滚动体的数目过多会造成滚动体上的载荷分布不均,即部分滚动体可能承受不到载荷，而部分滚动体长时间承受过量载荷而过度损伤，这样会使其刚度下降；滚动体的数目过小的话，导轨的位置精度受其制造误差的影响就会比较明显。因此每个导轨上毎排滚珠的数目应不少于12～16个。
滚动导轨中滚动体的直径愈大、滚动摩擦力及其接触应力就愈小，但是如若滚动体的直径过小就会造成摩擦阻力增大的后果，甚至还会产生滚动体滑动的现象。因此，在结构尺寸几乎不受限制的时候，可以尽可能的选用直径较大的滚动体。滚柱和滚珠的直径应大于或等于6～8mm，而且滚柱的长度也应该适当选择，滚柱过长会造成因其锥度误差引起的载荷分布不均，过短则会使导轨面的压强增加。对于淬火钢导轨，其长度和直径的比值最好不要超过1.5～2。[2]
根据机床工作时导轨所承受的载荷，查《机电专业课程设计指导书》附录C，横向导轨与Z轴方向导轨可选为相同型号，即都选用JSA-LG20型号的导轨即可满足要求，取横向导轨长度为850mm、Z轴方向导轨长度为285mm。纵向导轨选用JSA-LG65型号的导轨，其导轨长度取为1250mm。直线滚动导轨的结构如图5：

图5 直线滚动导轨
滚动导轨选型好以后，导轨的预紧对机构的正常工作也起着比较重要的作用，当滚动导轨通过预紧后，其刚度会显著提高。通常情况下，经过预紧后的导轨的刚度是没有预紧的导轨的三倍左右。因此，对于颠覆力矩较大以及移动精度要求较高的导轨都要进行预紧。常用的预紧方式有两种：采用过盈配合和采用调整元件。
7控制系统设计
7.1 PLC控制系统设计的基本内容
PLC的基本结构由四部分组成：中央处理单元（CPU）、输入输出（I/O）部件和电源部件。[9]
PLC的基本组成包括硬件和软件两部分。其硬件部分包括：中央处理器（CPU）、存储器、输入接口、输出接口、通信接口、电源等；其软件部分包括：系统程序和用户程序。因此要进行PLC控制系统的设计要通过以下几个方面：
（1）了解机床的工作原理。根据机床的工作要求及运动方式，设计系统的控制方式，确定系统的控制方案，进而完成系统的总体设计。
（2）PLC控制系统配置的设计。其主要内容为 PLC的选择，因为PLC是PLC控制系统的核心部件，所以正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济性能非常重要。PLC的选择，应包括机型的选择 、I/O模块的选择等。
（3）一般的电器元件的选择。用户输入设备：按钮、操作开关、限位开关、行程开关等；输出设备：继电器、接触器、信号灯等执行元件；以及由输出设备驱动的控制对象：电动机、电磁阀等。
（4）根据控制要求确定I/O点数和模拟量通道数，进行I/O初步分配，从而完成I/O接线图的绘制。
7.2 PLC的硬件部分
通用型 PLC 的硬件部分如图所示，主要由中央处理器(CPU)、存储器、输入输出（I/O）模块及电源组成。

图6 通用型PLC 的硬件基本结构
主机内部各部分之间通过总线连接。总线分为电源总线、控制总线、地址总线和数据总线。
7.2.1中央处理器(CPU)
在整个PLC控制系统中，CPU是PLC的控制中枢，PLC在CPU的控制下使整个系统协调工作，以实现对机床的各个设备进行控制。CPU按系统程序赋予的功能，接收并存储从编程器键人的用户程序和数据，用扫描方式查询现场输入装置的各种信号状态或数据，并存入输入状态寄存器或数据寄存器中，在诊断了电源、PLC内部电路及编程语句无误后，PLC开始进入运行状态。
PLC中采用的CPU随着机型不同而不同，通常情况可分为三种：通用微处理器(如8086，80286，80386等)、单片机芯片、位片式微处理器。
一般情况下，小型PLC大多采用8位微处理器或单片机作为CPU，如，Z80A，8085，8031等，其具有价格低、普及通用性好等优点。对于中型的PLC，大多采用16位微处理器或单片机作为CPU，如Intel8086，Intel96系列单片机，具有集成度高、运算速度快、可靠性高等优点。对大型PLC，大多采用高速位片式微处理器，它具有灵活性强、速度快、效率高等优点。
目前，一些厂家生产的PLC中，还采用了冗余技术，即采用双CPU或三CPU工作，进一步提高了系统的可靠性。采用冗余技术可使PLC的平均无故障工作时间达几十万小时以上。
7.2.2 存储器
存储器主要用于存放系统程序，用户程序和工作状态数据。PLC存储器一般有两种，即：随机存储器RAM和只读储器EPROM。
RAM中一般存放各种暂存数据，中间结果及用户正在调试的程序。EPROM内部存储有PLC控制的系统程序，如检查程序、键盘输入处理程序、编译程序、信息传递程序及监控程序等，由厂家固化到EPROM中。有时，用户程序也可固化到EPROM中，避免RAM中存储的用户数据丢失。
7.2.3 输入输出（I/O）部分
PLC的控制是为了实现工业生产过程，它与工业生产过程是通过I/O模块联系的。在生产过程有许多控制变量，如：温度、压力、速度、电压、开关量、继电器状态等。因此，为了实现控制系统与实际生产过程统一，需要有相应的I/O模块作为CPU与工业生产现场连接的桥梁。且这些模块应具有较好的抗干扰能力。在整个系统中，所有的控制按钮、转换开关、行程开关、接近开关、压力开关及温控开关等都属于系统的输入部分；继电器、双向晶闸管和晶体管为系统的输出部分。
7.2.4 电源
PLC 配有开关式稳压电源的电源模块，用来对PLC 的内部电路供电。
7.2.5 编程器
编程器是PLC的重要外部设备，通过它将用户编写的程序送到PLC的用户程序存储器。通过接口与PLC联系，完成人机对话连接。因此它的主要任务就是用于用户程序的编制、编辑、调试和监视。
目前市场上的编程器种类很多，性能、价格相差也很大。如果按照编程器的结构来划分，可以分为三种类型：简易编程器，带有显示屏的编程器(图形编程器)，通用计算机编程。
(1)简易编程器：简易编程器可以直接与PLC上的专用插座相连接，也可以通过电缆与PLC连接。一般只能用助记符指令编程。它的优点是：携带方便，价格便宜，多用于小型PLC。缺点是：它只能连机编程，对PLC控制功能少。
(2)带有显示屏的编程器(图形编程器)：图形编程器的显示屏有两种：一种是液晶显示(LCD)，另一种是阴极射线管（CRT)。显示屏用来显示编程的情况，也可以显示I/O和各继电器的工作占用情况、信号状态以及出错信息等。工作方式既可以是连机编程也可以是脱机编程，可以是梯形图编程也可以用助记符指令编程。同时还可以与打印机、绘图仪等设备相连，并且具有较强的监控功能，但是价格高，所以通常被用于大、中型PLC。
(3)通用计算机编程：这是近几年新的发展趋势。它的特点是采用通用的计算机，通过硬件接口和专用软件包，使用户可以直接在计算机上以连机或脱机的方式编程，可以运用梯形图编程也可以采用助记符指令编程，并且具有较强的监控能力。这样用户就可以充分利用现有的计算机，从而省去了编程器。
7.3 PLC的软件部分
PLC的软件系统包括系统程序和用户程序。
7.3.1系统程序
系统程序又包括监控程序、编译程序及诊断程序等。监控程序也可以称为管理程序，主要用于管理整机；编译程序用来把程序语言翻译成机器语言；诊断程序用来诊断机器故障。系统程序是由PLC生产厂家提供，并固化在EPROM中，用户不能直接存取，故也不需要用户干预。
7.3.2 用户程序
用户程序是用户根据现场控制的需要，用PLC程序语言编制的应用程序，用以实现各种生产要求。用户程序由用户通过编程器输入到PLC内存。
小型PLC的用户程序比较简单，不需要分段，可按顺序编制；大中型PLC的用户程序很长，也比较复杂，为使用户程序编制简单清晰，可按功能结构或使用目的将用户程序划分成各个程序模块，每个模块用来解决一个确定的技术功能，这样使程序编制变得容易理解，同时能很方便地对程序进行调试和修改。
7.4 PLC的编程语言
在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言种类也越来越多，功能也不断增加。IEC（国际电工委员会）是为电子技术的所有领域制定全球标准的世界性组织。IEC于1994年5月公布了PLC标准（IEC 61131）,该标准为可编程控制系统定义了5种语言：顺序功能图（Sequential Function Chart）、梯形图（Ladder Diagram）、功能块图（Function Block Diagram）、指令表（Instruction List）、结构文本（Structured Text）。其中，梯形图是当前使用最广泛的编程语言。
梯形图（Ladder diagram）编程语言是一种图形语言 ,类似于继电器控制线路图的一种编程语言，它面向控制过程，直观易懂，是PLC编程语言中应用最多的编程语言。
PLC继电器并不是平时所见的那种外形可见的物理电器，而是PLC内部的寄存器位，因为它具有与物理继电器相似的功能，故常称之为“软继电器”。 [1]
常闭触点
线圈
常开触点
说明：

PLC每一个继电器都对应着内部的一个寄存器位，该位的状态为“1”态，相当于继电器接通；状态为“0”时，则相当于继电器断开。
7.5 PLC的I/O分配及外部接线图
根据切割机的工作要求，其I/O接口的分配如下表2

输入信号
输出信号
启动按钮
SB1
M1电机正转
Y0
停止按钮
SB2
M!电机反转
Y1
横向电机启动
SB3
M2电机正转
Y2
横向电机停止
SB4
M2电机反转
Y3
纵向电机启动
SB5
上升
Y4
纵向电机停止
SB6
下降
Y5
Z轴电机启动
SB7
左旋转
Y6
Z轴电机停止
SB8
右旋转
Y7
工作头转动
SB9

工作头停动
SB10

横向左限位开关
SQ1

横向右限位开关
SQ2

纵向左限位开关
SQ3

纵向右限位开关
SQ4

下限位
SQ5

上限位
SQ6

转动左限位开关
SQ7

转动右限位开关
SQ8

表2 PLC输入/输出分配表

图7 PLC外部接线图
（1）工作台横向控制过程
横向工作台运动的电气控制原理图如图7所示。按下正向启动开关SB4，工作台从左边运动到右边，触动行程开关SQ2，工作台停止向左边运动。工作台在左边时，触动行程SQ1，工作台向右边运动。按下停止按钮SB1，工作台停止运动。

图8 纵向工作台运动的电气控制原理图
工作台运动的等效梯形图如图9所示。

图9工作台运动的等效梯形图
（2）工作头上下运动过程
工作头上下运动的电气原理图如图10。当电机正向旋转开关SB7按下时，接触器KM5得电吸合且自保持，Z轴电机开始正向旋转，工作头开始向上移动。当工作头上升至上限时，行程开关SQ5被触动，停止向上运动。如需工作头向下运动，则触动行程开关SQ6，接触器KM6得电吸合，Z轴电机反向旋转，工作头向下运动。

图10工作头上下运动的电气原理图

8结 论
通过对数控激光切割机的整体设计，确定了一台合理的小型卧式机床结构。
（1）根据设计题目的要求，设计了一个结构合理的X、Y轴工作台，同时对工作台进行了受力分析、设计计算，对滚珠丝杠传动系统传动效率、强度等进行了相应计算，对齿轮的传动比及其选型做了相应的计算，对直线滚动导轨如何选型进行了简单分析，确定了步进电机及其传动机构并进行了惯性负载计算、刚度讨论等，分别来验证了其合理性。
（2）利用可编程控制器，设计出了一个比较合理的数控控制系统的硬件电路与步进电机驱动相匹配的数控软件连接，通过PLC来控制步进电机来实现X、Y、Z三个方向的运动。
（3）对可编程控制器（PLC）的硬件部分和软件部分做了相应介绍。
（4）基本完成了经济型数控激光切割机的设计，按此设计的切割机可以满足生产的实际需要。

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