基于可编程逻辑器件的Z3040摇臂钻床控制系统设计开题报告.docx
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基于可编程逻辑器件的Z3040摇臂钻床控制系统设计开题报告
上海电机学院
毕业设计（论文）开题报告
课题名称_基于可编程逻辑器件的Z3040
摇臂钻床的电气控制系统设计
学院电气学院
专业电气工程及其自动化
班级BG0802
学号5
姓名俞皓
指导教师张金龙
定稿日期：
2011年12月20日
基于可编程逻辑器件的Z3040
摇臂钻床的电气控制系统设计
摘要：
针对Z3040摇臂钻床的工作特点,设计了摇臂钻床的可编程逻辑器件新式控制系统,给出了钻床控制改造方案和控制程序。
本文详细论述了系统的设计方案,各部分硬件的构成,完成了软硬件及外围电路的设计开发,并结合实际运行情况对系统做了进一步的改进和扩展,减少了系统布线,投资少,控制稳定,具有较好的推广价值。
该控制方法简单易行、动态响应快、系统控制效果好。
实际应用表明,该系统具有加工精度高、抗干扰性好、自动化程度高、实用性强的特点，在工业上有广泛的应用前景。
关键词：
可编程逻辑器件，Z3040摇臂钻床，电气控制系统
1文献综述
可编程逻辑器件英文全称为：
programmablelogicdevice即PLD[1]。
PLD是做为一种通用集成电路产生的，他的逻辑功能按照用户对器件编程来确定。
一般的PLD的集成度很高，足以满足设计一般的数字系统的需要。
这样就可以由设计人员自行编程而把一个数字系统“集成”在一片PLD上，而不必去请芯片制造厂商设计和制作专用的集成电路芯片了[2]。
PLD与一般数字芯片不同的是：
PLD内部的数字电路可以在出厂后才规划决定，有些类型的PLD也允许在规划决定后再次进行变更、改变，而一般数字芯片在出厂前就已经决定其内部电路，无法在出厂后再次改变，事实上一般的模拟芯片、混讯芯片也都一样，都是在出厂后就无法再对其内部电路进行调修[3]。
1.1逻辑器件的分类
逻辑器件可分类两大类-固定逻辑器件和可编程逻辑器件[4]。
一如其名，固定逻辑器件中的电路是永久性的，它们完成一种或一组功能-一旦制造完成，就无法改变。
另一方面，可编程逻辑器件（PLD）是能够为客户提供范围广泛的多种逻辑能力、特性、速度和电压特性的标准成品部件-而且此类器件可在任何时间改变，从而完成许多种不同的功能。
对于固定逻辑器件，根据器件复杂性的不同，从设计、原型到最终生产所需要的时间可从数月至一年多不等。
而且，如果器件工作不合适，或者如果应用要求发生了变化，那么就必须开发全新的设计。
设计和验证固定逻辑的前期工作需要大量的“非重发性工程成本”，或NRE。
NRE表示在固定逻辑器件最终从芯片制造厂制造出来以前客户需要投入的所有成本，这些成本包括工程资源、昂贵的软件设计工具、用来制造芯片不同金属层的昂贵光刻掩模组，以及初始原型器件的生产成本。
这些NRE成本可能从数十万美元至数百万美元。
对于可编程逻辑器件，设计人员可利用价格低廉的软件工具快速开发、仿真和测试其设计。
然后，可快速将设计编程到器件中，并立即在实际运行的电路中对设计进行测试。
原型中使用的PLD器件与正式生产最终设备（如网络路由器、DSL调制解调器、DVD播放器、或汽车导航系统）时所使用的PLD完全相同。
这样就没有了NRE成本，最终的设计也比采用定制固定逻辑器件时完成得更快。
采用PLD的另一个关键优点是在设计阶段中客户可根据需要修改电路，直到对设计工作感到满意为止。
这是因为PLD基于可重写的存储器技术--要改变设计，只需要简单地对器件进行重新编程。
一旦设计完成，客户可立即投入生产，只需要利用最终软件设计文件简单地编程所需要数量的PLD就可以了。
1.2可编程逻辑器件的类型
可编程逻辑器件的两种主要类型是现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）。
[5]在这两类可编程逻辑器件中，FPGA提供了最高的逻辑密度、最丰富的特性和最高的性能。
现在最新的FPGA器件，如XilinxVirtex™系列中的部分器件，可提供八百万"系统门"（相对逻辑密度）[6]。
这些先进的器件还提供诸如内建的硬连线处理器（如IBMPowerPC）、大容量存储器、时钟管理系统等特性，并支持多种最新的超快速器件至器件（device-to-device）信号技术。
FPGA被应用于范围广泛的应用中，从数据处理和存储，以及到仪器仪表、电信和数字信号处理等。
与此相比，CPLD提供的逻辑资源少得多-最高约1万门。
但是，CPLD提供了非常好的可预测性，因此对于关键的控制应用非常理想。
1.3可编程逻辑器件的优点
固定逻辑器件和PLD各有自己的优点。
例如，固定逻辑设计经常更适合大批量应用，因为它们可更为经济地大批量生产。
对有些需要极高性能的应用，固定逻辑也可能是最佳的选择。
然而，可编程逻辑器件提供了一些优于固定逻辑器件的重要优点，包括：
PLD在设计过程中为客户提供了更大的灵活性，因为对于PLD来说，设计反复只需要简单地改变编程文件就可以了，而且设计改变的结果可立即在工作器件中看到[7]。
PLD不需要漫长的前置时间来制造原型或正式产品-PLD器件已经放在分销商的货架上并可随时付运。
PLD不需要客户支付高昂的NRE成本和购买昂贵的掩模组-PLD供应商在设计其可编程器件时已经支付了这些成本，并且可通过PLD产品线延续多年的生命期来分摊这些成本。
PLD允许客户在需要时仅订购所需要的数量，从而使客户可控制库存。
采用固定逻辑器件的客户经常会面临需要废弃的过量库存，而当对其产品的需求高涨时，他们又可能为器件供货不足所苦，并且不得不面对生产延迟的现实。
PLD甚至在设备付运到客户那儿以后还可以重新编程[8]。
事实上，由于有了可编程逻辑器件，一些设备制造商现在正在尝试为已经安装在现场的产品增加新功能或者进行升级[9]。
要实现这一点，只需要通过因特网将新的编程文件上载到PLD就可以在系统中创建出新的硬件逻辑。
过去几年时间里，可编程逻辑供应商取得了巨大的技术进步，以致现在PLD被众多设计人员视为是逻辑解决方案的当然之选[10]。
能够实现这一点的重要原因之一是象Xilinx这样的PLD供应商是"无晶圆制造厂"企业，并不直接拥有芯片制造工厂，Xilinx将芯片制造工作外包给IBMMicroelectronics和UMC这样的主要业务就是制造芯片的合作伙伴。
这一策略使Xilinx可以集中精力设计新产品结构、软件工具和IP核心，同时还可以利用最先进的半导体制造工艺技术。
先进的工艺技术在一系列关键领域为PLD提供了帮助：
更快的性能、集成更多功能、降低功耗和成本等。
目前Xilinx采用先进的0.13um低K铜金属工艺生产可编程逻辑器件，这也是业界最好的工艺之一。
例如，仅仅数年前，最大规模的FPGA器件也仅仅为数万系统门，工作在40MHz。
过去的FPGA也相对较贵，当时最先进的FPGA器件大约要150美元。
然而，今天具有最先进特性的FPGA可提供百万门的逻辑容量、工作在300MHz，成本低至不到10美元，并且还提供了更高水平的集成特性，如处理器和存储器[11]。
同样重要的是，PLD现在有越来越多的知识产权（IP）核心库的支持-用户可利用这些预定义和预测试的软件模块在PLD内迅速实现系统功能。
IP核心包括从复杂数字信号处理算法和存储器控制器直到总线接口和成熟的软件微处理器在内的一切。
此类IP核心为客户节约了大量时间和费用-否则，用户可能需要数月的时间才能实现这些功能，而且还会进一步延迟产品推向市场的时间。
1.4Z3040摇臂钻床的基本工作原理
摇臂钻床主要由底座、内外立柱、摇臂、主轴箱和工作台等组成。
内立柱固定在底座的一端，在它外面套有外立柱，摇臂可连同外立柱绕内立柱回转。
摇臂的一端为套筒。
套装在外立柱上，并借助丝杠的正、反转可沿外立柱作上下移动。
z3040型摇臂钻床共有四台电动机，都为三相鼠笼式电动机[12]。
控制要求如下：
1）主要控制电器为4台电动机:
主电动机、摇臂升降电动机、液压泵电动机和冷却泵电动机。
2）主电动机和液压泵电动机采用热继电器进
行过载保护,摇臂升降电动机、冷却泵电动机均为短时工作,不设过载保护。
3）摇臂的升降,主轴箱、立柱的夹紧放松都要求拖动摇臂升降电动机、液压泵电动机能够正反转。
4）主电路电源电压为交流380V,漏电保护器QS作为电源引入开关。
打开QS开关,照明指示灯亮,将QS开关关闭,指示灯灭。
5）主轴电动机M1的控制:
按下启动按钮
SB2,接触器KM1吸合并自锁,使主轴电动机M1启动运行,同时主轴启动指示灯L3亮。
按下停止按钮SB1,接触器KM1释放,使主轴电动机M1停止旋转,同时指示灯熄灭。
6）摇臂升降控制:
按下上升按钮SB3（或下降按钮SB4）,液压泵电动机M3启动,正向旋转,供给压力油。
压力油经分配阀体进入摇臂的“松开油腔”,推动活塞移动,活塞推动菱形块,将摇臂松开。
同时活塞杆通过弹簧片压下位置开关SQ2,使其常闭触头断开,常开触头闭合。
前者切断了接触器KM4的线圈电路,KM4主触头断开,液压泵电动机M3停止工作。
后者使交流接触器KM2（或KM3）的线圈通电,KM2（或KM3）的主触头接通M2的电源,摇臂升降电动机M2启动旋转,带动摇臂上升（或下降）。
如果此时摇臂尚未松开,则位置开关SQ2的常开触头则不能闭合,接触器KM2（或KM3）的线圈无电,摇臂就不能上升（或下降）。
当摇臂上升（或下降）到所需位置时,松开按钮SB3（或SB4）,则接触器KM2（或KM3）断电释放,M2停止工作,随之摇臂停止上升（或下降）。
由于定时器释放,经3s的延时后,其延时闭合的常闭触头闭合,使接触器KM5吸合,液压泵电动机M3反向旋转,随泵内压力油经分配阀进入摇臂的“夹紧油腔”使摇臂夹紧。
在摇臂夹紧后,活塞杆推动弹簧片压下位置开关SQ3,其常闭触头断开,KM5断电释放,M3最终停止工作,完成了摇臂的松开上升（或下降）夹紧的整套动作。
组合开关SQ1A和SQ1B作为摇臂升降的超程限位保护。
当摇臂上升到极限位置时,压下SQ1A使其断开,接触器KM2断电释放,M2停止运行,摇臂停止上升;当摇臂下降到极限位置时,压下SQ1B使其断开,接触器KM3断电释放,M2停止运行,摇臂停止下降。
摇臂升降电动机M2的正反转接触器KM2和KM3不允许同时获电动作,以防止电源相间短路。
在摇臂上升和下降的控制电路中采用了接触器联锁和复合按钮联锁,以确保电路安全工作。
7）立柱和主轴箱的夹紧与放松控制:
立柱和主轴箱的放松（或夹紧）同时进行,由复合按钮SB5（或SB6）进行控制。
SB5是松开控制按钮,SB6是夹紧控制按扭。
按下松开按钮SB5,KT的延时断开的常闭触头瞬时断开,KM5断电释放,接触器KM4获电吸合,液压泵电动机M3正转,供出的压力油进入立柱和主轴箱的松开油腔,使立柱和主轴箱同时松开。
松开SB5,接触器KM4断电释放,液压泵电动机M3停转。
立柱和主轴箱同时松开的操作结束。
立柱和主轴箱同时夹紧的工作原理与松开相似,只要按下SB6,使接触器KM5获电吸合,液压泵电动机M3反转即可。
8）冷却泵电动机M4的控制:
合上或分断断路器SQ,接通或切断电源,操纵冷却泵电动机M4的工作或停止。
2选题背景及其意义
钻床是一种孔加工设备，可以用来钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及修刮端面等多种形式的加工。
钻床的结构形式很多，有立式钻床、卧式钻床、台式钻床、深孔钻床、多轴钻床、摇臂钻床及其他专用钻床等。
Z3040摇臂钻床是一种立式钻床，在各类钻床中，它具有性能完善、适用范围广、操作方便、灵活等优点，它适用于单件或批量生产带有多孔的大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常用高的机床，在机械行业中得到了广泛应用。
目前机械行业中使用的摇臂钻床其控制系统大多数是采用继电器接触器控制方式，电路接线复杂，触点多、噪声大、维修工作量大。
长期使用后，故障率高，故障排查困难，常常影响企业正常生产。
因此，对Z3040摇臂钻床控制系统的技术改造是非常重要的。
电气控制技术是随着科学技术的进步而不断发展的。
从手动控制发展到自动控制，从简单的控制设备发展到复杂的控制系统，从有触点的继电器－接触器控制系统发展到以计算机为核心的软件控制系统，电气控制技术是随着元器件的不断更新和计算机技术的发展，并且综合应用了计算机、自动控制、电子技术、精密测量等先进科技成果而迅速发展起来的。
现在可编程控制器（PLC）、计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）和机器人技术（ROBOT）组成为现代制造业技术的三大技术支柱。
随着CPLD/FPGA可编程器件的技术进步，它具有更高的性能，更多的灵活性、更低的成本及功耗，尤其近几年可编程逻辑集成电路技术进入飞速发展时代，并出现了内嵌复杂功能模块如：
加法器、乘法器、RAM、CPU核、DSP核、PLL等，这些都使它进入了许多原先不可想象的领域，替代了更多的ASIC应用，可以说，它未来的应用充满了无限的可能。
随着电子技术的高速发展，CPLD／FPGA的出现以其高速、高可靠性、串并行工作方式等突出优点在电子设计中广泛应用，并代表着未来EDA设计的方向。
CPLD／FPGA的设计采用了高级语言（如VHDL语言），进一步打破了软硬件之间的界限，加速了产品的开发过程。
采用先进的CPLD／FPGA取代传统的标准集成电路、接口电路也是电子技术发展的必然趋势。
CPLD／FPGA由于采用连续连接结构，易于预测延时，从而使电路仿真更加准确，可用于各种数字化是电子设计的必由之路也是必然的发展趋势。
由于继电器——接触器控制系统是采用固定接线方式，所以存在着控制灵活性差，动作频率低，触点易损坏，可靠性差等缺点。
但是在电气控制系统中，故障的查找与排除是非常困难的，特别是在继电器-接触式控制系统，由于电气控制线路触点多、线路复杂、故障率高、检修周期长，给生产与维护带来诸多不便，严重地影响生产。
虽然PLC
弥补了一些继电器——接触器系统的缺点，但随着科技的不断发展，单片机（构成PLC的核心器件）也暴露出了两大突出缺点：
串行工作特点决定了它的低速性和程序跑飞、不可靠复位决定了它的低可靠性。
可编程逻辑器件由于采用了全数字化设计，系统稳定可靠，抗干扰能力强，符合现代电子技术发展方向。
采用VHDL设计CPLD／FPGA系统设计简单易行,而且十分易于升级。
因为Z3040摇臂钻床的控制系统不是非常庞大复杂，用PLC来实现的话有点大材小用的感觉。
又因为可编程逻辑器件有着设计制造成本低、结构和逻辑单元灵活、接线简单、故障率低等优点，所以本文提出了利用CPLD/FPGA对Z3040摇臂钻床的继电接触式电控系统进行技术改造的方案。
3研究内容
3.1Z3040摇臂钻床控制系统的电路原理图
图3-1Z3040摇臂钻床电气原理图
3.2输入输出分配表
地址电气符号功能说明
PA0SB1电动机M1停止按钮
PA1SB2电动机M1启动按钮
PA2SB3摇臂上升按钮
PA3SB4摇臂下降按钮
PA4SB5主轴箱松开按钮
PA5SB6主轴箱夹紧按钮
PA6SQ1A摇臂上升限位行程开关
PA7SQ1B摇臂下降限位行程开关
PB0SQ2摇臂自动松开行程开关
PB1SQ3摇臂自动松开行程开关
PB2SQ4主轴箱与立柱箱夹紧松开行程开关
PC0YV电磁阀
PC1KM1接触器KM1
PC2KM2接触器KM2
PC3KM3接触器KM3
PC4KM4接触器KM4
PC5KM5接触器KM5
PC7L1主轴箱与立柱松开指示灯L1
PD0L2主轴箱与立柱夹紧指示灯L2
PD1L3主轴运行指示灯L3
3.3研究方法
用可编程逻辑器件实现对Z3040摇臂钻床电气控制系统的设计，准备从二个方面研究实现。
1.软件准备
采用ALTERA的QUARTUSΠ软件,首先我们需要下载免费软件并安装license。
1）文本编辑：
在用VHDL硬件语言描述万能铣床电气控制系统的逻辑关系。
通常VHDL文件保存为.vhd文件，Verilog文件保存为.v文件
2）功能仿真：
将文件调入VHDL仿真软件进行功能仿真，检查逻辑功能是否正确。
3）逻辑综合：
将源文件调入逻辑综合软件进行综合，即把语言综合成最简的布尔表达式和信号的连接关系。
逻辑综合软件会生成.edf（edif）的EDA工业标准文件。
4）布局布线：
将.edf文件调入PLD厂家提供的软件中进行布线，即把设计好的逻辑安放到PLD/FPGA内
5）时序仿真：
需要利用在布局布线中获得的精确参数，用仿真软件验证电路的时序。
（也叫后仿真）
6）编程下载：
确认仿真无误后，将文件下载到芯片中
2.硬件准备
学院单片机实验室具有的EDA-V型实验系统和一些基本测试仪器仪表。
进行开发调试。
4工作特色及其难点，拟采取的解决措施
4.1工作特色及其难点
基于可编程逻辑器件的Z3040摇臂钻床电气控制的实现可以说是一个较新颖的课题，无论是VHDL或CPLD∕FPGA技术都是之前未曾学过的，对于我就好比要“万里长城平地起”。
首先要很好的掌握VHDL语句和硬件电路的关系，其次VHDL描述都可以用于仿真，但不是所有的VHDL描述都能用硬件实现，而我的课题是需要在开发板上调试的，所以我要充分考虑到它的综合性。
但我还是可以参考有关的网站和大量的有关外文资料及阅读技术文献，应用在自己的课题上。
4.2拟采取的解决措施
为了解决上述的困难，我会在网上或图书馆查找相关的资料，认真学习理论知识，将其运用到本次毕业设计中，使得设计最终能够顺利完成。
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5论文工作量及预期进度
2011年11月12日----2011年12月23日：
完成开题报告。
2011年12月25日----2012年1月31日：
完成文献翻译，掌握Z3040摇臂钻床电气控制系统控制要求。
2012年2月1日----2012年2月28日：
掌握可编程逻辑器件主要特点、结构及功能；掌握可编程逻辑器件的开发软件及PROTEL软件应用。
2012年3月1日----2012年3月31日：
完成硬件电路设计及准备中期检查。
2012年4月1日----2012年4月15日：
完成软件设计。
2012年4月16日----2012年4月30日：
完成毕计论文。
2012年5月1日----2012年5月10日：
论文修改与完善。
2012年5月10日----2012年5月19日：
准备论文答辩。
6预期成果及其可能的创新点
预期成果：
完成一个Z3040摇臂钻床电气控制系统专用控制模块。
可能的创新点：
用户无需编程，只需将这个控制系统通过输入输出电路与机床相连接，即可实现控制机床按要求动作的目的，十分方便。
参考文献：
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[2]张万奎.机床电气控制技术出版社.中国林业出版社,2006
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[4]连赛荣.福建高级工业专门学校机床电气控制技术.机械工业出版社,2000
[5]杨强浩.基于EDK的FPGA嵌入式系统开发.[J].北京.机械工业出版社,2007
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[18]Deschamps,Jean-PierreSynthesisofarithmeticcircuits:
FPGA,ASICandembeddedsystems2005
[19]Waterman,SteveDigitallogicsimulationandCPLDprogramming2000
指导教师意见
指导教师签名：
年月日
评议小组意见
1、论文选题：
□有理论意义；□有工程背景；□有实用价值；□意义不大。
2、论文的难度：
□偏高；□适当；□偏低。
3、论文的工作量：
□偏大；□适当；□偏小。
4、设计或研究方案的可行性：
□好；□较好；□一般；□不可行。
5、学生对文献资料及课题的了解程度：
□好；□较好；□一般；□较差。
6、学生在论文选题报告中反映出的综合能力和表达能力：
□好；□较好；□一般；□较差。
7、学生在论文选题报告中反映出的创新能力：
□好；□较好；□一般；□较差。
8、对论文选题报告的总体评价：
□好；□较好；□一般；□较差
（在相应的方块内作记号“√”）
二级学院所确定评议小组名单
（3-5人）
组长：
、
组员：
、、、
单位盖章主管领导签名：
年月日
评议结论
评议小组组长签名：
评议小组组员签名：
年月日
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