T68镗床的控制系统的改造设计Word文档下载推荐.docx
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由上所述,可知镗床的运动多,精度要求高,而其控制系统控制逻辑复杂、相互连锁繁多,传统的继电器控制系统,其控制工程由硬件接线的方式实现,需要的继电器多、接线复杂,如果某一继电器损坏,甚至只是一对触点接触不良就会影响整个系统的正常运转,且排查困难,花费时间就多。
可见传统的继电器控制系统存在可靠性低、适应性差的缺点,使用方面存在着诸多不便。
相比于继电器控制系统,采用PLC控制可使接线大为简化,PLC内部触点代替了继电器的机械触点,降低了故障率,减小了维修量,提高了功效。
PLC控制与继电器控制有着以下几点优势[2]:
1、用户使用方便,适应性强。
PLC产品已经实现标准化、系列化、模块化,配备有齐全的硬件装置供用户使用,用户可根据自身要求,灵活配置系统以达到要求。
2、可靠性高,抗干扰能力强。
PLC用软件代替继电器控制系统中大量的中间继电器和时间继电器,只有与I/O有关的少量硬件,大大减少了因触点接触不良而造成的故障。
同时PLC采取了一系列硬件和软件的抗干扰措施,具有很强抗干扰能力。
3、功能强,性价比高。
一台小型PLC内有着成百上千个供用户使用的编程元件,可以实现非常复杂的控制功能,具有很高的性能价格比。
4、编程方法简单。
PLC的编程语言多是采用梯形图,其电路符号和表达方式与继电器原理图相似,梯形图语言形象直观,易学易懂。
5、维修工作量少,维修方便。
PLC本身的故障率就低,且具有完善的自我诊断和显示功能,故可迅速的查明故障原因,采用更换模块的方法方便的排除故障。
可见,经过PLC改造后的T68镗床,将全方位提升一个档次,它可降低机床的故障率,延长其使用寿命,功能更加强大,运作更加可靠。
因此研究这一课题既能将我们所学的知识得以综合应用,将所学的知识与实践相结合,又具有普遍的技术及经济意义。
1.2国内外的研究现状
随着科技的发展和工业生产的需要,国外PLC发展已进入第四代,产品不断更新、提升,主流的生产厂商几乎每年都会推出新产品,现在可编程控制器向着以下几个趋势发展[3]。
1、向网络化方向发展。
今年来,PLC厂家在原来CPU模板上提供的总接线口的基础上,逐渐加入各种通信接口,而且提供完善的通讯网络,慢慢形成了网络化发展的基础。
不同的厂商提供了不同类型的现场总线技术,如:
LonWorks、Profibus、HART、CAN等,它们具有各自的特色,在不同的应用领域有着自己的产品优势。
2、向两极化发展。
所谓两极化即小型化和高速化,这是当今PLC发展的一个基本趋势。
3、开放的图形软件。
随着个人计算机的普及,现今大批专业监控软件商在Windows系统平台上开发功能强大的监控软件,这些软件可与多种PLC相连,它们具有丰富的图形显示功能,PLC图形组态功能等,为用户提供了良好的开发界面和简单的使用方法。
现今世界上PLC产品可按地域分成三大流派:
欧洲产品、美国产品、日本产品。
美国和欧洲的PLC技术是相互隔离的独立的研究卡发,因此美国和欧洲的PLC产品存在明显的差距,而日本的PLC技术则是从美国引进的,继承了美国产品的一些特性,但日本产品主要定位在小型PLC上,美国和欧洲则以中大型PLC闻名。
现今主流的可编程的控制器生产厂商有:
欧洲有德国的西门子(Siemens)公司,法国的施耐德电气公司;
美国的A-B(Allen-Bradley)公司,莫迪康(Modicon)公司;
日本的欧姆龙(OMRON)公司,三菱电机株式会社(MITSUBISHI)。
销量较大有西门子公司,A-B公司,三菱电机等,而本次设计则采用三菱FX2N系列PLC进行改造,将在第三章简单介绍此系列PLC[2]。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的,我国在PLC生产方面比较弱,目前国内自己已可以生产中小型可编程控制器,生产厂家约30多家,但都没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品。
上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用[3]。
1.3设计思路
本次设计是基于PLC的对T68镗床控制系统的改造,主要内容有:
1.熟悉T68镗床的切削加工过程,根据继电器电路图,分析和了解系统的工作原理,根据工艺流程等机械动作情况编制梯形图,再将梯形图编程,写出程序。
2.掌握PLC的硬件接线与编程方法,熟悉镗床的工作原理及控制柜和接线等方面的知识。
针对以上主要内容,设计思路如下[4]:
1、熟悉T68镗床的机械机构及其切削加工过程,对其各部分的的运动做仔细分析,了解各运动的控制过程,各运动之间的逻辑关系。
2、熟悉PLC电气控制方面的知识,并选择PLC类型进行本次设计。
3、根据T68镗床的运动逻辑关系,设计出相应的继电器电路图,并对其作出详细阐述。
4、根据电气原理图编制梯形图,及编写指令语句表。
5、对梯形图进行调试、仿真。
本次设计采用的是三菱FX2N系列PLC,使用三菱GXDeveloper软件进行梯形图和指令语句的编制,使用GXSimulator6对设计结果进行仿真。
2T68镗床概述及其运动分析
2.1镗床概述
镗床是用镗刀对在工件上有预制孔进行加工的机床。
镗床主要用于加工高精度孔,或一次对多个孔的精加工。
镗床可分为以下几类:
卧式镗床、坐标镗床、金刚镗床。
其中卧式镗床应用最为广泛,性能也最广,在卧式镗床上可以进行孔加工、车端面、车凸缘外圆、铣平面和车螺纹等工作,因此习惯上卧式镗床也被称为万能镗床。
2.2T68镗床的主要结构[1]
图2.2.1T68镗床外形图
T68型卧式镗床的外形如图2.2.1所示,它由床身、主轴箱、前立柱、带支承的后立柱、上滑柱、下滑柱和工作台等五部分组成。
加工时,将工件固定于工作台上,由装在主轴箱的镗轴或平旋盘上的镗刀进行加工。
主运动和进给运动变速传动机构及操纵机构都装在主轴箱上,通过操纵机构可获得各种转速和进给量。
主轴箱可沿着前立柱的导轨上下移动。
工作台是由上下滑座和回转工作台组成的,工件可与工作台一起随上滑座或下滑座做横向或纵向移动,工作台也可绕上滑座的圆导轨在水平面内调至一定的角度位置,以便加工互相成一定角度的孔或平面。
镗刀随着镗轴的横向运动做轴向运动,以实现轴向进给或调整刀具的轴向位置,当镗刀装在平旋盘的径向刀架上时,刀具就可以随着径向刀架做径向进给,以实现车削端面的加工过程。
当刀杆伸出较长时,为增加刀杆的刚性,用后立柱的支撑来支撑它,且后立柱可沿着床身导轨横向移动,调整位置。
2.3T68镗床的运动分析
由于镗床的工艺范围广,因此要求镗床的运动形式多,调速范围广。
T68镗床进行加工时,各部件的运动有:
主运动、进给运动和辅助运动。
T68镗床运动形式
表2.3
具体运动形式
主运动
主轴和平旋盘的旋转运动。
进给运动
主轴的轴向进给,平旋盘径向刀架的径向进给,主轴箱的上下移动(垂直进给),工作台的横向和纵向进给。
辅助运动
主轴箱、工作台等的快速调位移动,工作台的回转的运动,后立柱的纵向调位移动,支承架的垂直调位移动。
为适应各种工件的加工工艺要求,主轴和平旋盘的旋转运动和进给运动都应有较大的调速范围,且进给运动应有很多的方向(横向、纵向、主轴垂直方向、轴向、径向)。
而为了提高工作的效率,镗床的各个进给部分都设有快速移动功能。
T68型卧式镗床用两台电动机拖动各项运动,即用于拖动主运动和进给运动的主电机,和用于拖动各部件快速移动的快速进给电机。
由于主运动和进给运动都是由主电机一台电机拖动,所以要求主电机应能正反转,和高低速转换。
3PLC概述
3.1PLC简介
3.1.1PLC的产生及发展
在工业生产过程中,一般采用了大量的开关量来进行控制,它们按照一定的逻辑顺序进行动作,并按照逻辑关系进行连锁保护,及采集大量的生产数据。
以往的顺序控制器主要由继电器组成,此系统只能按事先设定好的顺序工作,若想改变顺序控制,则必须改变硬件设置,极为不方便。
为此,美国GM(通用公司)于1968年,提出取代继电器顺序控制的要求;
到1969年,美国数字公司研制出基于集成电路和电子技术的控制装置,首次采用程序化手段应用于电气控制,这就是第一代可编程控制器(ProgrammmableController,PC)。
1971年,日本从美国引进这项技术,并研制出了日本第一台PLC;
1973年,德国西门子公司(SIEMENS)研制出欧洲第一台PLC;
我国则于1974年开始研制PLC,1977年开始应用于工业生产。
20世纪80年代以来,PLC迎来了飞速发展阶段,随着超大规模集成电路技术的发展,以16位和32位微处理器构成的PLC使其在概念、设计、性能、价格以及应用方面都有了新的突破,PLC的控制功能增强、功耗和体积减小,成本下降、可靠性提高、编程和故障检测更为灵活。
且迅速发展起来的远程I/O和通讯网络、数据处理以及模拟量处理技术,PLC逐渐进入连续过程控制领域,在某些领域已取代原先处于统治地位的DCS系统,成为工业生产自动化的三大支柱之一。
国际电工委员会(IEC)在《可编程控制器标准草案》第三稿中也对PLC做出如下定义:
“PLC是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。
它采用了可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等面向用户的指令,并通过数字式和模拟式的输入和输出接口,控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及有关外围设备,都应按照易于与工业系统连接成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。
”[5]
3.1.2PLC的结构
PLC实质上是一台用于工业控制的专用计算机,因而它的硬件结构与一般微机控制系统相似。
PLC是为专为工业环境下运用而设计的,为便于与工业系统连接成一个整体,扩充其功能,便于操作与维护,以及提高系统的抗干扰能力,其结构及组成又区别于一般计算机。
PLC基本组成采用典型的计算机结构,主要由中央处理器模块(CPU)、存储器模块(RAM、ROM)、输入/输出(I/O)模块、编程器及电源模块,如图3.1.2所示[6]。
图3.1.2PLC的基本组成
1、中央处理器模块(CPU)
中央处理器(CPU)是PLC的控制中枢,它一般由控制器、运算器和寄存器组
成,这些电路都集成在一个芯片内。
CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路相连接。
它按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊的进行工作,它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。
其中运算器负责逻辑和算术运算;
控制器负责指令读取、指令译码、时序控制等;
寄存器主要用于存储程序和数据。
2、存储器模块(RAM、ROM)
PLC的存储器包括只读存储器(ROM)和读写存储器(RAM),前者用来存放系统程序,它相当于单板机的监控程序或个人计算机的操作系统。
系统程序由生产厂家固化在ROM内。
读写存储器用来存放用户程序,它通过外接的专用编程器写入。
3、输入/输出(I/O)模块
输入/输出(I/O)模块是PLC与工业控制现场各类信号取得联系的桥梁。
由于PLC在工业生产现场工作,对其有两个主要的要求:
一是接口应能满足工业现场各类信号的匹配要求;
二是接口要有良好的抗干扰能力。
输入模块用来接收生产过程中的信号,主要包括光电耦合器输入接口,输入状态寄存器和输入数据寄存器。
输入端子接受各种有触点的和无触点的开关信号或连续变化的模拟量信号(经A/D转换),输入到输入状态(映象)寄存器或输入数据寄存器中。
PLC产生的输出控制信号经过输出模块去驱动负载,包括输出状态(映象)寄存器,输出锁存器,光电耦合器和功率放大器等部分。
PLC提供三种类型的输出:
机械触头继电器、无触点型交流开关(双向晶闸管开关);
无触点型直流开关(晶体管输出);
以供驱动不同类型的负载。
继电器输出型的输出接口是微电磁继电器,它提供一动合触头,可直接驱动交流接触器线圈,交流电磁阀,直流电磁铁等功率器件,而不用外加接口。
3、编程器及电源模块
编程器是PLC重要的外部设备,用户利用编程器将程序送入PLC的用户程序存储区,也可以检查、修改和调试程序,除此之外,还可用来监视PLC工作时各种编程元件的工作状态,它经过接口与CPU联系,实现人机对话。
电源模块主要是将交流电源转换成PLC内部所需的直流电源,是整个PLC的能源供给中心。
它的好坏直接影响到PLC的功能和可靠性,故大多数PLC采用高质量的开关稳压电源,其工作稳定性好,抗干扰能力强。
有的电源模块除了向PLC内部电路提供稳压电源外,还为输入电路提供24V的稳压电源,用于传感器的供电。
3.1.3PLC的工作原理及工作过程[7]
图3.1.3A内部等效继电器系统
PLC的工作可以等效为一个继电器系统,只不过组成PLC的继电器、定时器和计数器等是用编程方式来实现的软继电器,其内部等效继电器系统如图3.1.3A所示。
PLC内部还备有多种类型的元器件如定时器、计数器、辅助继电器等。
所有这些元器件都是用软件实现的,又称为编程继电器,它们都有许多用软件实现的常开、常闭触点,这些触点只能在PLC内部(即编程时)使用。
虚线框内的就是用编程触点构成的控制电路,称为继电器梯形图,它是虚拟的,无实际连线的。
PLC程序的执行是按程序设定的顺序依次完成相应电器的动作,PLC采用一个不断循环的顺序扫描工作方式,其工作过程可划分为三个阶段,即输入采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷新阶段,完成上述三个阶段即称为一个扫描周期,图3.1.3B为PLC周期工作示意图。
图3.1.3BPLC周期工作示意图
在一个周期执行完后,地址计数器恢复到初始值,重复执行由以上三个阶段构成的工作周期。
3.1.4PLC的特点及应用领域
PLC具有以下几种特点:
高可靠性,丰富的I/O接口模块,采用模块化结构,编程简单易学,安装简单、维修方便,系统设计周期短,对生产工艺改变适应性强,适应工业环境等。
正是由于PLC具有前述的优点,在工业控制领域内具有不可比拟的竞争力,随着PLC的性价比不断提高,过去使用专用计算机的场合也可使用PLC,PLC的应用范围正不断扩大。
开关量逻辑控制:
可以用价格低,仅有开关量控制功能的小型PLC作为继电器控制的替代物。
开关量控制可以用于单台设备,也可用于自动生产线。
运动控制:
PLC可使用专用运动控制模块实现直线运动和圆周运动的位置控制,可广泛用于各种机械,如机床、装配机械、机器人、电梯等。
闭环过程控制:
过程控制是指对温度、压力、流量、转速等连续变化的模拟量的闭环控制。
数据处理:
数据处理一般用于大型控制系统如无人柔性制造系统或过程控制系统。
通讯:
高档PLC具有PLC与PLC,PLC与远程I/O,PLC与上位计算机之间的通讯功能。
利用PLC的联网功能,可形成多级控制系统。
3.2三菱FX系列PLC简介[8]
三菱的PLC是较早进入中国市场的产品,在20世纪80年代,三菱电机公司推出F1和F2系列,其中F1系列在我国PLC市场占有很高的市场占有率,而后又推出FX系列PLC,在容量、速度、特殊功能和网络功能等方面都有全面加强。
FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的一个系列。
其基本指令执行时间为0.08微秒,用户存储容量可扩展到16k步,最大可以扩展到256个I/O点。
FX有3000多点辅助继电器、1000点状态继电器、200多点定时器、200点16位加计数器、35点32位加/减计数器、8000多点16位数据寄存器,另外FX2N有128种功能指令。
由于它的上述有点,且大学本科教学中即是用此系列的PLC为例,讲述电气控制,故本次设计采用了三菱FX2N系列PLC对T68镗床控制系统进行改造。
4T68镗床电气系统
4.1电气控制电路的要求
上一章我们已经对镗床的主要运动形势进行了研究,有主运动、进给运动和辅助运动三种运动,且其中的主运动和进给运动都由主电机拖动,辅助运动则单独由快速移动电机拖动,上述的运动也给相应的电机和控制电路提出以下要求。
(1)主电机需要较大的变速范围,卧式镗床多是采用交流电动机的滑移齿轮有级调速系统,多采用鼠笼式异步电动机,本次设计采用的是双速电动机M1(7.5KW,1440/2900r/min)。
(2)为适应各种工艺要求,主电机需要有点动控制,正反转控制。
(3)镗床主轴制动需要快而准确,必须采取相应的停车措施,一般采用反接制动,因此需要有反接制动控制。
(4)进给运动有诸多方向,各方向的进给运动之间应有电气联锁。
(5)卧式镗床变速采用的是滑移齿轮有级调速系统,为了使变速后齿轮更好的啮合,需要主电机M1脉动缓慢旋转。
(6)快速移动电机也需要采用正反转控制。
(7)为防止机床和刀具的损坏,主轴箱和工作台的进给也应有电气联锁[9]。
4.2电路所用元器件
根据以上电路要求,我们可以了解,T68型卧式镗床主电路安装着两台电动机,而控制电路需要较多的行程开关以达到控制要求。
电路设计所用到的电器元件如下表所示。
电器元件一览表
表4.2
序号
字符
器件名称及用途
规格
1
M1
主电机,拖动主运动和进给运动
7.5KW,2900/1400r/min
2
M2
快速移动电机
2.2KW,1420r/min
3
KM1
主电机正转用接触器
20A,127V
4
KM2
主电机反转用接触器
5
KM3
短接限流电阻用接触器
6
KM4
使主电机定子绕组△接法,低速运转用接触器
7
KM5、KM6
使主电机定子绕组Y接法,高速运转用接触器
8
KM7
快速移动电机正转用接触器
10A,127V
9
KM8
快速移动电机反转用接触器
10
KA1、KA2
控制主电机正反转用中间继电器
11
KT
主电机高低速转换用时间继电器
127V
12
BV
主电机反接制动用速度继电器
380V
13
SB0
主电机停止按钮
500V,5A
14
SB1、SB2
主电机正反转用按钮
15
SB3、SB4
主电机正
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