基于S7200的电解机床控制系统的设计Word文件下载.docx
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ECMisgenerallyusedinaviation,aerospace,weapons,moldandotherindustries,mainlyfordifficultmaterialsorcomplexshapedparts.TheresearchelectrolysismachineaccordingtotherequirementsoftheverticalelectrolyticmachiningPLCcontrolsystem.
First,weneedtounderstandthestructureandprinciplesofelectrolysisprocessingmachine,studingtheworkoftheACservodrivePrinciple.Secondly,weneedtoanalysizethecontrolrequirementsofelectrolyticmachiningwhichbasesonSiemensS7-200.Thecontrolsystemsolutionsistoimprovethereliability,stabilityandadaptabilityofthesystem.Furthermore,thecombinationofmachinebedprocessingcharacteristicswhichdeterminetheselectionofthevarioushardwaredevices,completeservosystembasingonS7-200Electricalsystemschematicdesign.Finally,theelectrolyticmachiningofacontrolflowchartofthecontrolandSystemrequirementsforthesystemistocompletethePLCladderprogrammingofcontrolsystems.
ElectrolysismachinecontrolsystembasedontheS7-200canachieveautomatictool,manualknife,automaticWorkersandotheroperatingmodes,whichiseasytooperateandimprovetheaccuracyoftheelectrolysisprocessthathaveimportantsignificance.
Keywords:
electrolysismachine,S7-200,thecontrolsystem,servocontrol
第一章绪论
1.1电解加工
1.1.1电解加工原理
电解加工(electrochemicalmachining,ECM)是金属阳极电解液和消融反映去除多余的材料的使用,一个零件的加工模式。
其原理图如图1.1所示。
图1.1电解加工原理图
加工时,工件接电源正极(阳极),按必需形状的请求制成的用具接负极(阴极),工具电极向工件迟缓进给(一般为0.07~150mm/min),并使两极之间保持较小的间隙(正常为0.02~0.7mm),在间隙中利用电解液泵能通以高速(5~50m/s)流动的电解液。
施加一定电压在工件与器材之间,阳极工件的金属被渐渐电解蚀除,电解液会带走电解产物,直至工件外面形成与工具表面基本接近的形状截止。
加工时,工件阳极与工具阴极的形状不同的,如图1.2(a)所示表明,在工件和刀具表面的距离范围内表面的每个点,所以对每个点的电流密度范围。
通过局部电流密度的阴极和阳极的距离,电解质的流动率高,阳极溶解速度快,且距离较远,电流密度小,阳极溶解速度慢。
由于刀具相对于工件的连续进料,在溶解速度不同的工件表面的每个点,电解产品已被冲走,直到工件表面类似工具表面的形状截止,如图1.2(b)所示。
图1.2电解加工图
1.1.2电解加工特点
电解加工与其他的机器加工相比拟,有如下长处:
(1)加工范围广
淬火钢、钛合金、硬质合金、不锈钢、耐热合金等金属,不受材料自身强度、硬度和韧性的局限,可加工高强度、高硬度和高韧性难切削的金属材料,可加工叶片、炮管膛线、锻模等各类繁杂的三维型面,和薄壁、异形零件等。
(2)进给运动的简单加工复杂曲面型腔,进给速度可高达0.3~15mm/米;
(3)表面质量好
在加工的过程中无切削力和切削热的共同作用,所以不产生由此引起的变形和残余应力、加工硬化、毛刺、飞边、刀痕等,可以达到较低的表面粗糙度(Ra1.25~0.2μm)和±
0.1mm左右的平均加工精度。
微电解钢加工精度可达±
10μm,适合薄壁件的加工变形。
(4)加工过程当中工具电极理论上无损耗,可长期使用
由于工具阴极材料本身不参与电极反应,其表面仅产生析氢反应,同时,刀具材料和不锈钢或黄铜耐腐蚀性好,所以除了火花短和其他特殊情况,工具阴极基本上没有损耗。
(5)加工生产率高
大约是电火花加工的5~10倍以上,电解加工比切削加工的生产率还高,且加工生产率不直接受加工质料的局限,在某些情况下。
所以正常适合于大批量零件的加工。
除此之外,电解加工也有一定的局限性与不足之处,总的来说有如下几点:
(1)影响电解加工的要素很多,技术难度高,不容易达成稳定加工和确保较高的加工精度;
(2)工具电极的设计,制造和改进的更多的麻烦,因此很难适用于一个单一的生产;
(3)电化学加工设备投资较高,占地面积大;
(4)电解液腐蚀设备、工件、加工和回收困难电解产品。
1.2研究背景与发展方向
电解加工它的处理速度快的电化学加工,表面质量好,在金属可以制造和不怕辛苦,脆性材料,无宏观机械切削力,工具阴极无损耗,阴极可用到的复杂型腔,批处理单方向形成表面孔。
于20世纪60年代开始,电解加工模具型腔、型面的研究与利用已较为广泛,1970年前后到达了高峰。
然而,跟着模具生产渐渐转向多品种、少量,乃至是几件或单件需要,并且要求出产周期短。
近年来,由于直流脉冲电源,尤其是在高频率的发展取得了巨大成就,高输出电流脉冲直流电源和电解技术,其加工精度、速率、表面质量对比电火花成形加工、数控切削加工都有着明显的竞争优势,所以它在精细模具加工中发挥重要作用。
加工孔的特殊情况是另一个典型的ECM使用,主要包括困难的深洞,洞下料切割构件。
倾向于第二十一世纪,科学技术的发展,国内外专家,学者都有精辟的论述。
基于此,在近20年的电化学加工应用的发展,大致可以预测和早期的第二十一世纪20年的电化学加工的未来方向的开发应用:
1.不断发展和使用电解加工基本原理的新工艺、新技术:
(1)高频、窄脉冲电流电解加工;
(2)高速、高压、小间隙电解加工;
(3)数控仿型电解加工;
(4)复合电解加工;
(5)微精电解加工。
2.计算机控制技术在电解加工中将得到更高水平的应用:
(1)电解加工进程(参数)的控制;
(2)利用CAD/CAM技术在阴极设计;
(3)电解加工设备的计算机控制。
1.3主要研究内容
电解阴极杆机组成的交流伺服电机运动控制系统,机械传动和西门子S7-200。
本文所完成的具体工作如下:
(1)了解了电解机床的结构及加工原理,研究了交流伺服驱动器的工作原理;
(2)分析电解机床加工的控制要求,提出了基于西门子S7-200的控制系统方案;
提高了系统的可靠性、稳定性和适应性;
(3)联合机床的加工特点,实现了基于S7-200伺服系统的电气原理图的设计;
(4)PLC的梯形图编程控制系统,根据控制电解加工流程图和控制系统的内在要求所设计。
第二章电解机床
2.1电解机床结构及加工原理
电解机床一般分为卧式和立式,本课题所选用的是立式电解机床。
电解机床由床身、进给传动系统、电解液系统、电源系统等构成,如图2.1所示。
图2.1电解机床总结构图
电解加工的主要工作区域在机床,机床床身用于固定工件以及工件的定位,进给系统由交流伺服电机构成,用来驱动阴极拉杆,让工具阴极靠近工件阳极,当两者间的距离达到要求时,电解液系统开始向机床提供电解液,直流电源也开始供电。
(1)进给系统电解机床加工时,工具阴极的直线运动是由进给系统的交流伺服电机驱动。
伺服电机利用滚珠丝杆将电机轴的圆周运动转换为阴极的直线运动。
PLC发出指令脉冲来控制伺服驱动的工作,交流伺服电机伺服驱动的操作,因此阴极杆驱动向前或向后的机械结构。
(2)电解质的电解液循环是从电解池电解液泵抽出,输送到阴极工具加工区域的经杆杆内,并通过出液返回电解槽,返回电解液后可再次使用。
同时电解液将电解产物带离加工区域。
(3)电源系统我们采用的加工电源是+24V直流电源,电源正极接工件阳极,电源负极接工具阴极,主要为电解加工提供所需的电能。
2.2电解机床的控制要求
电解加工控制的困难是它的低电压和高电流的主要特征,在电解加工的特殊要求,其控制系统需要对对刀过程、阴极拉杆进给运动、电解液、电源以及电解加工参数进行控制,其性能如下:
(1)对刀功能。
对刀功能一般分为自动对刀和手动对刀,手动对刀是人工手动完成对刀过程,而自动对刀是启动对刀后,由自动对刀电路监控完成。
(2)机床的运动部件的控制和系统功能的运行可靠性,并确保所有的功能互不干扰,能承受预期的工作负荷和外国的影响权重;
当控制的信息载体中断或损坏,也不应该是一个危险的境地。
设置控制器件时,应考虑误操作可能带来的影响,防止由于无意或偶然触碰到控制器件引起的意外。
(3)参数的控制。
电解加工的参数控制系统是其控制环节的核心环节,它的设置决定于电解加工的工艺要求和工艺特点。
源负极接工具阴极,主要为电解加工提供所需的电能。
(4)故障保护。
具有可靠的故障诊断和保护功能,对电解过程进行监控,检测到故障后停止运行。
2.3总体方案设计
设计电解加工控制系统时,先要进行电解机床加工总体方案的设计。
分析系统需要的功能及技术要求,选择合理的结构与功能模块。
总体方规划后,再进行各个模块的设计。
设计时需要遵守一定的准则,以满足系统的功能和技术要求:
(1)结构设计合理,能实现系统的技术要求;
(2)分析系统的技术指标,力求系统简单;
(3)让用户尽可能方便,即使有一个错误不会造成重大不良后果;
(4)器件选择要考虑其工作可靠性及维护方便的原则。
电解机床的电气控制系统如图2.2所示,主要包括以下几大类:
(1)伺服模块:
主要由伺服驱动器和伺服电机做动力传动,驱使阴极运动;
(2)电源模块:
主要是加工电源,为电解加工提供能源;
(3)驱动模块:
用于驱动电解液泵、风机等;
(4)工具模块:
主要有设置和手动工具的自动工具;
(5)保护模块:
主要包括过热保护等;
(6)按钮、触点等开关量控制模块。
图2.2电解机床控制系统结构图
第三章电解机床伺服系统的设计
由上述可知,电解机床的控制系统是以PLC控制为核心的伺服驱动系统,本章内容包括伺服系统硬件选型及接口电路设计等。
3.1交流伺服电机及驱动器的选型
交流伺服电机运转平稳,可控性好,响应速度快,灵敏度高和机械与非线性调制指数的特点(严格的要求是小于10%~15%,低于15%~25%)等。
特性控制好速度,在整个速度范围可以达到控制平稳,几乎非振荡;
效率高,超过90%,不发热;
速度控制;
具有高精度的位置控制(取决于什么样的编码器);
额定运行区域,完成恒转矩;
低噪声;
没有电刷的磨损,免维护;
不产生磨损颗粒,无火花,适用于洁净室,爆炸性环境。
而步进电机是很难获得的较大的转矩,特别是在低速的时候。
所以,为了满足特种加工中对加工执行机构的要求,我们选择伺服电机而舍去步进电机。
综合考虑电机机床的拉杆座的负载、阴极拉杆的精度和进给速度等因素,我们选择松下公司的MinasA5系列的交流伺服电机,所配置的伺服驱动器的型号是MDDHT5540。
此外,交流伺服电机和编码器的选择,不需要另一个,编码器采用的是20位增量法。
3.2可编程控制器的选型
目前工业上广泛应用的控制器有单片机、DSP、工控机和可编程控制器(PLC)等。
单片机有丰富的指令和功能模块,可以经过硬件设计并编写程序来实现高智
能,高效率,以及高可靠性。
但单片机系统的设计周期较长,包括任务分析、
硬件设计、程序编写并对此进行编译查错,最后写入应用。
一旦确定后,再更
改或者添加新内容会比较麻烦。
所以单片机不宜用于机床动作的逻辑控制。
DSP是一种数字信息来处理大量信息的器件,强大数据处理本领和高运行速
度,是其两大特征。
普遍选用流水线操纵,提供特别的DSP指令,数字信号处理算法的执行速度。
控制机床运动一般不使用DSP。
工控机选用总线结构和模块化设计技术,并根据需求选配I/O模板。
工业
控制软件体系主要包含三大部分:
系统软件、工控应用软件和应用软件开发环境等。
工业控制应用软件主要是基于用户需求和发电工业控制和管理,因此具有
专用性。
工业控制软件具有以下功能:
开放性、实时性、网络集成化、人机界
面和多任务多线程性。
工控机一般作为上位机,而PLC属于下位机控制,两者
不属于同于层次。
继电接触控制系统发展成为今天的可编程控制器,程序指令的功能:
实现逻辑、顺序、定时、计数和算术运算等,完成对机器和生产过程的控制。
PLC的编程简单、可靠性强、通用性好、功能强、使用方便,设计实施和调试的周期短等优点。
图3.1PLC基本结构
如图3.1所示,PLC由输入输出部件、中央处理单元、存储器、电源部件
和编程器等构成。
根据电解机床的控制要求,控制器需要对电解机床阴极的运动动作和工艺
参数的控制,既有数字量又有模拟量的控制,所以选择PLC来控制电解机床。
依据控制系统的要求,我们选择西门子的S7-200系列可编程控制器,
其有以下优点:
(1)强大的CPU功能
S7-200PLC具有高速处理能力,最多有六路高速计数器和两路高速脉冲输出等,这些功能已足够满足电解机床控制系统的控制要求。
(2)通讯功能灵活而强大
S7-200通常使用的通讯协议有PPI协议、MPI协议及自由口通讯等。
(3)专用的编程环境
STEP7-Micro/WIN是S7-200的专用编程软件,它有强大的指令集,操作简单方便,以及拥有丰富的指令向导和程序加密功能。
3.3控制系统的电气原理图设计
3.3.1电气原理图设计的总方案及其可行性分析
根据电解机床的控制系统的要求,最终的硬件选取有:
(1)阴极进给驱动采用松下公司的MinasA5系列的交流伺服电动机,及其配置的伺服驱动器MDDHT5540;
(2)采用基于S7-200可编程控制器的控制方案;
(3)启动、加电解液、加电等各开关量用逻辑控制实现;
(4)选择可靠的电器元件,并合理的布局布线;
图3.2是系统主回路图,图3.3是系统主回路电气原理图,图3.4是系统控制回路图。
主回路中380V的三相交流强电为电解液泵和风机供电,取其一相与公共端构成220V的单相交流电,为电解电源、PLC、伺服驱动器供电,而伺服交流电机由伺服驱动器为其供电。
~380V
~220V编码器M1
BM
交流伺服电机
图3.2系统主回路图
图3.3系统主回路电气原理图
PLC
MD
编码器M1
图3.4系统控制回路图
3.3.2电气原理图设计
(1)自动对刀电路
以电解加工控制的大小,在加工前的刀柄。
手动对刀是采用人工控制的方式进行,存在的误差比较大,一般情况我们都采用自动对刀的方式,如图3.5所示自动对刀电路图,这种对刀电源会产生约2V的电压,接在电解机床的阴阳两极,当阴阳两极未碰到时,2V电压加在220欧的电阻上,使晶体管的基极回路串联2V的反向电压而阻断,继电器KA因无电而不吸合;
当阴极慢速下降与工件阳极触碰时,2V的电压被短路,晶体管导通而继电器KA通电吸合,用继电器的常闭触点切断电机驱动,使阴极停止下降,对刀结束,这个位置就是阴极与工件相接触的位置。
图3.5自动对刀电路图
图中HK为双刀开关,不用对刀时将此电路断开,KA为继电器的常闭触点,防止在加工时电源电压的正负极加到该电路上;
按钮S是在正式对刀前模拟阴极与工件短路,试验电力是否灵敏,并借助于100欧的电位器使对刀动作尽量灵敏。
(2)电气控制电路图
图3.6电解机床动作控制电路图
电解机床加工时,除了阴极主轴的进给运动外,电解机床还有其他的动作,如电解液泵的启动/停止,风机的启动/停止,电解电源的启动/停止,自动对刀电源的启动/停止,加电/断电。
这些动作分别由各自所串联的继电器(KA1至KA5)给出信号,驱动相应的交流接触器(KM1至KM4)动作,并且使得相应的指示灯(HL1至HL5)点亮。
(3)伺服驱动器与PLC的接线图
伺服驱动器控制模式选择的是位置模式,与PLC通讯的X4连接器的各个引脚的含义已确定,因本课题所需的功能不需要X4的50个引脚均用到,只需要其中一部分即可。
伺服驱动器与PLC的连接图如图3.7所示。
图3.7伺服驱动器与PLC的连接图
(4)伺服驱动器的电源原理图
伺服驱动器的电源供电方式有两种:
单相电源供电和三相电源供电。
本课题中采用单相供电方式,其接线图如图3.8所示。
图3.8伺服驱动器的电源原理图
第四章电解机床伺服系统的编程
4.1伺服驱动器的应用选择及参数设定
4.1.1伺服驱动器的功能选择
松下伺服驱动器的功能更加完善,能满足高速度的要求,高精度、高性能的机器,可以满足简单的定型机的要求。
通过对伺服驱动器的系统软件功能模块的选择及各参数的设定,来实现各种不同的功能。
MDDHT系列的驱动器拥有不同场合下使用的功能模块供用户选择。
基于同一系统软件下的功能模块,使用时要进行功能模块选择和参数设定。
应用选择主要进行系统参数的设定和接线引脚的选择。
本课题的应用选择如表4.1。
表4.1驱动器的应用选择
基
本
规
格
电源输入
主电路电源
单相220V50Hz
控制电路电源
控制方式
IGBTPWM方式正弦波驱动
编码器反馈
20位增量式编码器
控制信号
输入
伺服接通(SRV-ON)警报清除(A-CLR)
输出
伺服准备(S-RDY)伺服报警(ALM)
控制模式
位置控制
功
能
控制输入
计数清除(CL)正方向驱动禁止(POT)
负方向驱动禁止(NOT)
控制输出
定位结束(INP)
脉冲输入
最大指令脉冲
频率
线驱动器:
500kpps
指令脉冲分频
倍频
设定为:
5242880/2000000
平滑滤波器
FIR型滤波器
4.1.2指令脉冲分频倍频计算
要想确定指令脉冲分倍频D的值,先要了解它与哪些量有关。
如图4.1所示电机驱动滚珠丝杆的示意图。
脉冲串位转速N
置指令+
移动-
量P1减速比
移动R
速度F
编码器脉冲数E
图4.1电机驱动滚珠丝杆示意图
其中移动量P1单位是P,移动速度F的单位是PPS,转速N的单位是r/min,编码器脉冲数E的单位是P/r。
设滚珠丝杆的螺距为L[mm],相对于移动量指令P1[P]的滚珠丝杆的实际移动量M[mm]如式4-1所示。
M=P1×
(D/E)×
(1/R)×
L(4-1)
因此,位置分辨率(△M移动量每1个命令脉冲)在公式4-2所示。
△M=(D/E)×
L(4-2)
将式4-2变形,即可得到指令分倍频D,如式4-3所示。
D=(△M×
E×
R)/L(4-3)
此外,相对于移动速度指令F的滚珠丝杆实际移动速度V[mm/s]如式4-4所示,电
机转速N如式4-5所示。
V=F×
L(4-4)
N=F×
60(4-5)
相对于PLC发出的脉冲指令,P1为其脉冲个数,F为其脉冲频率。
修改PLC脉冲输出的脉冲个数和脉冲周期即可改变阴极拉杆的移动位移和速度。
假如滚珠丝杆螺距L=10mm,减速比R=1,位置分辨率△M=0.0005mm,编码器为
20位时,指令分倍频比D=(△M×
R)/L=0.00005×
220×
1/20=5242880/2000000。
所以Pr0.09=5242880,Pr0.10=2000000。
4.1.3伺服驱动器的参数设定
MinasA5系列的驱动器共有221项参数设定,根据所选定的位置模式可知,有167项参数需要设定,大部分可以用缺省值,所以只有部分参数需要设定,如表4.2所示。
表4.2伺服驱动器部分参数设置
参
数
分
类
编
号
参数名称
设置值
功能
0
01
设定
控制模式为位置控制
05
指令脉冲
输入选择
1
选择长线驱动器专用输入
06
极性设置
指令脉冲方式为脉冲序列+符号
07
输入模式
设置
3
08
电机每旋
转1次得
让Pr0.09和Pr0.10的参数有效
09
第1指令
分倍频分
子
5
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