攻丝组合机床机构分析与控制系统设计.docx
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攻丝组合机床机构分析与控制系统设计
攻丝组合机床机构分析与控制系统设计
作者姓名:
王威
专业名称:
机电一体化
指导教师:
赵春雨讲师
成都理工大学工程技术学院
学位论文诚信承诺书
本人慎重承诺和声明:
1.本人已认真学习《学位论文作假行为处理办法》(中华人民共和国教育部第34号令)、《成都理工大学工程技术学院学位论文作假行为处理实施细则(试行)》(成理工教发〔2013〕30号)文件并已知晓教育部、学院对论文作假行为处理的有关规定,知晓论文作假可能导致作假者被取消学位申请资格、注销学位证书、开除学籍甚至被追究法律责任等后果。
2.本人已认真学习《成都理工大学工程技术学院毕业设计指导手册》,已知晓学院对论文撰写的内容和格式要求。
3.本人所提交的学位论文(题目:
),是在指导教师指导下独立完成,本人对该论文的真实性、原创性负责。
若论文按有关程序调查后被认定存在作假行为,本人自行承担相应的后果。
承诺人(学生签名):
20年月日
注:
学位论文指向我校申请学士学位所提交的本科学生毕业实习报告、毕业论文和毕业设计报告。
摘要
随着科学技术的发展,传统机床的低性能已经无法满足实际工业生产的需求,新兴的机床升级改造已经成为了当代工业革命中一种必不可挡的潮流,而以PLC控制技术为核心的机床便是其中最有代表性的。
本课题会对攻丝组合机床的结构进行分析并对其控制系统选定和设计。
过去老式机床采用的系统一般是用继电器进行控制,这种机床存在性能差、稳定性差,机械精度低等缺点。
现在将PLC控制技术运用到机床中,这些缺点会被改善,机床的性能得到大幅度提升。
在论文的开篇阶段会对机床进行介绍,介绍会从组合机床的发展史、结构以及机床的工艺流程等几个方面进行解析,紧接对PLC技术的方方面面作一番概述。
然后,论文会根据相关内容绘制出控制系统的电路图及梯形图,并编写PLC控制的程序来达到加工需求。
论文的末尾还会对以PLC控制系统的机床的安装调试作一些简单的论述。
关键词:
组合机床PLC控制电路图梯形图
Abstract
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,thetraditionaltoolsoflowperformancehasbeenunabletomeettheneedsofpracticalindustrialproduction,newmachineupgradedhasbecomethecontemporaryindustrialrevolutioninawillnotstopthetrend,andthePLCcontroltechnologyisthecoreofthemachinetoolandisthemostrepresentative.
ThisthesiswillmakeadetailedstudyontappingcombinationmachinecontrolsystembasedonPLC.Comparedwiththetraditionalmachinetoolrelaysystemandleadtomachinethestableperformanceofthepoorandlowaccuracy,theuseofPLCcontroltechnology,theseshortcomingswillbeimproved,theperformanceofthemachinegetgreatlyascend.
Intheopeningstageofthepaperwillbeonthemachinetoolareintroduced,willbeintroducedfromthedevelopmenthistoryofmodularmachinetool,structureandmachineprocessanalysis,immediatelytothePLCtechnologymadesomesummaries.Then,thepaperwilldrawthecontrolsystemaccordingtotherelevantcontentofthecircuitdiagramandladderdiagram,andthepreparationofPLCcontrolprogramtomeettheprocessingneeds.TheendofthepaperwillbePLCcontrolsystemfortheinstallationandcommissioningofthemachinetooltodosomesimpleexposition.
Keywords:
Combinedmachinetools,PLCcontrol,Circuitdiagram,Ladderdiagram
前言
随着科学技术的发展,现代工业进入一个跨时代的崭新时期,对于组合机床的研究已成为当今工业生产的一个主流方向。
在工业生产中,大多数机械零件的生产都需要依靠机床批量生产,因此,组合机床在现代工业运用中发挥着巨大的作用。
传统的机床采用落后的继电器系统,生产效率低,已然不适应急剧增长的生产需求,正逐渐被淘汰。
随着当今工业技术的迅猛发展,PLC技术得到运用的范围更广泛,以PLC控制系统的组合机床逐渐发展推广使用并有取代传统机床的趋势。
组合机床是一种高效率的专用机床,根据加工工艺的要求进行加工,通常以通用部件为基础,配以少量的专用部件[7]。
因为组合机床可以根据要求任意配置,所以生产周期较短,效率高,一般适用于大批量生产。
PLC的高可靠等性能运用到组合机床中,使组合机床性能进一步得到提高,功能更加完善,在现代工艺业的制造与设计中地步越加重要。
实践证明,以PLC控制系统为核心的组合机床是可行的,并且在实际生产中发挥巨大的作用。
我国目前的工业水平还未达到世界一流的水平,如果认真研究PLC技术并运用于工业生产中,这对促进工业水平发展有着显著的作用。
本课题将利用PLC控制系统实现攻丝组合机床对零件加工制造。
课题中会对组合机床和其工艺流程进行简要的介绍,并对如何选择PLC以及PLC控制的编写程序进行详细描述,控制梯形图的绘制也会在课题中呈现,在论文的最后还会简述PLC的安装调试。
1组合机床介绍
1.1组合机床概述
组合机床是一种采用多轴多刀同时加工的,以通用部件作为基础,配以专用部件,按照原先制定好的工序对工件进行切削加工的一种专用机床。
这些专用部件是根据加工对象特有的外形和加工工艺设置。
其中大量通用部件包括:
动力部件如传动装置、动力源、单轴加工的切削头等,以及如侧底座、中间底座等支承部件用来安装动力部件。
1.2组合机床部件分类
组合机床的通用部件以功能可分为动力、支承、输送、控制和辅助部件五类。
其中动力部件是给组合机床提供主运动、进给运动的,包括动力箱、切削头和动力滑台[7]。
支承部件在机床中支撑其他部件,比如夹具需要底座和支架的支撑安装。
输送部件是将加工工件或主轴箱输送至加工工位,主要有分度回转工作台、环形分度回转工作台、分度鼓轮和往复移动工作台等[7]。
控制部件用来操控机床的自动工作循环,如电器控制柜,操作台、液压站等。
辅助部件通常用来冷却、润滑和排除废屑[7]。
1.3组合机床的发展
近年来,在中国,随着科技水平的提高,组合机床逐渐从农用机械发展到航天、汽车、工业等各个领域,在众多领域里都奠定坚实的基础。
组合机床具有高可靠性、生产效率高、使用方便等诸多优点,对一个国家的生产制造业具有深远的影响。
因此,组合机床的发展是具有深远意义的。
但是,我国的机床设备和其他先进制造大国相比较,还是有一定的差距。
因此我国很多先进的机床设备只能从国外购买引进,而不能自主研究生产。
当前,我国大多数组合机床采用的是落后的继电器控制,已经无法满足工艺的精度要求,性能较差。
由于科技的进步,柔性组合机床越来越受欢迎,组合机床运用PLC控制系统,PLC的灵活性可以适应不同品种不同加工要求的零件产品。
我国机床水平正向这方面发展,不断开拓创新,生产出符合我国生产实际需求,具有中国特色的组合机床。
1.4组合机床的装配
图1.1组合机床的装配模型
2组合机床的结构和控制过程
2.1组合机床的结构
组合机床是我们在工业生产中对机械零件进行加工时候最常见的机器设备。
关于机床的结构,我们在加工时候经常使用,对其有一定的认知。
图2.1攻丝组合机床结构示意图
2.2组合机床的控制方式
组合机床的控制方式有两种,一种是继电器控制系统,一种是PLC控制系统。
老式的组合机床都是用传统的继电器控制系统,这种系统有很多不足之处:
由于使用继电器等元件控制电路的输出电压,电路中电线繁多杂乱,出现故障难以维修,维修工作量较大;继电器会随着工作台来回移动容易造成接触不良;功能性单一,可靠性也较差。
然而,随着机电技术水平的大幅度提高,将PLC控制系统投入运用到组合机床,对机床进行创新改造,使机械加工步入一个崭新的时代。
与传统的继电器控制系统相比较而言,PLC控制系统功能性强,可以根据加工要求不同灵活组合,可靠性能也比较高,最主要是适合用户方便上手,操作简便,调试和维修工作也没有传统机床那么复杂。
所以PLC控制系统将会逐渐取代传统的以继电器为控制系统的组合机床投入到机械加工生产制造中,也是今后组合机床发展的趋势。
2.3组合机床的工艺流程
如图所示,首先给机床系统通上电源,启动液压泵电动机,即图中M1;接着将工件放置到工作台上,按下起动按钮SB,由于夹紧装置得电后,工作台上的夹具会将工件夹紧,此时电动机M2通电转动。
当工件被夹紧后,启动电动机M3。
因为M2转动,控制凸轮会控制液压阀推着钻孔滑台往前移动,推动钻孔动力头进行钻孔。
等到钻孔动力头达到要求的钻孔深度,钻孔滑台会从最终位置归位,同时钻孔动力头电机也会随之停止转动。
当钻孔滑台归位,工作台会将夹紧的工件往右输送,电磁阀YV2接通得电,在液压系统下工作台向右移,工作台与攻丝工位接通时便停下移动。
当电机M4正转时,攻丝滑台便开始向前移动,攻丝加工动作开始。
等到终点时即终点限位SQ7动作,DL电磁铁被通上得电,0.3s后电机M4反向旋转,控制凸轮控制攻丝的滑台往后退。
等到攻丝动力头装置完成攻丝动作后,攻丝动力头电机M4没有电,控制凸轮旋转一圈,电机M2停止转动。
工作台停止3秒后往左移动到SQ1位置,YV3接通得电。
接着给放松电磁阀YV4通电,夹具上的工件开始松动,当接通放松限位SQ8后,被夹具夹着的工件停止放松。
当原来位置上的指示灯亮了,手动取出从夹具上放松的工件,整个的加工过程就可以完成。
图2.2攻丝组合机床示意图
3PLC的简介
3.1PLC及其特点
PLC也称为可编程控制器,在制造工业领域里运用广泛,可以进行数字运算操作的电子产品。
由于它的存储器可以编程,存储在内部的逻辑运算、顺序运算、计数等指令都可以执行并通过数字式或则模拟式的输出和输入控制机械的加工生产。
PLC的特点有以下几个:
1.编程简单易学
梯形图是PLC最常用的编程语言。
绘图时使用的符号以及表达形式与传统的电路原理图几乎相同,对于刚刚学习PLC的人员来说,只要对电工电子学有一定的基础,梯形图完全可以胜任掌握。
梯形图一目了然,直观形象的表达对于用户来说是最大的便利。
2.功能强大,性价比高
可编程控制器(PLC)虽然体积不大,但内部有很多的编程元件,可以满足用户的许多要求,用户的需求不同,系统便可自行组合所需的模块,很是便利。
对比传统继电器系统,性价比高了许多。
3.可靠性高,抗干扰强
PLC系统一般使用的是软件,系统中不会有任何继电器,因此不存在由于接触点之间接触不良导致的故障。
此外,PLC系统使用一些硬件和软件来提高抗干扰能力。
PLC自身还可以自我审查,诊断是否有故障。
所以PLC是目前可靠性最高的设备之一。
4.安装简便,调试方便
因为PLC是使用编程软件编写程序,代替传统器件的安装,没有繁杂的接线,在安装方面工作量小,对于用户而言十分便利。
我们可以将PLC编写好的程序在实验室的机器上进行模拟调试,实验的开关可以模拟输入信号,若二极管发光就表示输出信号没问题。
在实验中便可以发现问题并及时解决问题,与继电器系统相比调试的时间少,还方便容易。
5.维修方便
一般来说,PLC发生故障的几率很小,因为本身自己就可以自我检查,而且软件的错误率相当低。
如果有故障,可以在实验室用二极管的照亮与否模拟排除找出问题根源,然后对症下药。
本身的故障可以更换模块来排除。
所以PLC一旦发生故障,维修还是相当便利。
6.硬件齐全,通俗易懂
PLC控制器很多都是标准化、模块化、系列化,用户可以根据不同的需求,选择不同的硬件,灵活组装成工艺要求所需的系统。
在硬件确定以后,用户可以修改程序,灵活适应不同的工艺条件。
7.体积小,能源消耗少
PLC的体积不多大,所以复杂的控制系统可以采用PLC系统代替中间继电器和时间继电器减少外形体积,一般外形变为原来的二分之一到十分之一左右,减少占用空间,同时也节约制作成本。
3.2PLC的组成
PLC实质上是一种工业计算机,只不过比一般计算机更符合工业生产需求。
主要由中央处理器(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口、编程设备等部分组成。
1.中央处理器(CPU)
与一般计算机相同,CPU是PLC的核心,相当于人的大脑。
在PLC中,系统程序赋予CPU的功能,使PLC整齐地运作,有以下这些:
(1)通过扫描接受输入的数据并将数据存入到映象寄存器或则数据寄存器;
(2)用户程序和数据通过编程器输入将会被接收读取;
(3)诊断电路故障和编程过程中语法错误等;
(4)一条条读取存储器中的用户程序,进行命令解释后执行;
(5)数据通过运算处理后,相关标志状态和输出映象寄存器中的内容会依据执行结果进行更新,并通过输出设置来实施控制。
2.存储器
存储器有RAM和ROM两种,其中随机存储器RAM可读/写操作,ROM只能读。
存储器在PLC中主要存放系统程序、用户程序和工作数据。
系统程序是制造厂家先前已经编写完成并困化在只读存储器中,用户无权进行修改。
用户程序是用户自己根据加工对象生产工艺的要求而编写的程序,可以进行检查修改的,一般存放在EPROM中。
工作数据是由于PLC运行时经常会变化而存取的,这些数据一般会存放在RAM里。
3.输入/输出单元
输入/输出单元(I/O模块)是PLC与工业生产现场之间的连接部件。
PLC要实现控制,就要将被控对象的所有数据通过输入接口输入,然后进行处理再将处理结果通过输出接口传送给被控对象。
PLC为用户提供许多功能不一的I/O接口,如数字量(开关量)输入输出、模拟量输入输出等。
4.通信接口
PLC会配备许多带有通信处理器的通信接口。
PLC要想与打印机、计算机等其他设备实现通信就要依靠通信接口。
5.编程装置
用户想将程序编辑输入到PLC中就必须要用到编程装置,编程装置是PLC必备的工具。
编程装置分为专用编程器,和配有专用编程软件包的通用计算机系统。
我们个人用户一般选择后者,其成本花费较少,功能也相对差不多,性价比比较高一些。
6.电源
PLC电源一般是用来控制内部电路的开关,稳定性比较好,抗干扰强。
很多PLC也可以向外部提供一个直流24V稳压电源,给外部电器提供电能。
3.3PLC的工作原理
PLC的工作原理其实很简单,就是对用户编写的程序进行循环扫描。
也就是说,CPU从程序的最开头的头条指令开始,然后按照由上向下的次序逐步执行,直到程序的最后一条为止,再转回到程序的最开始的地方,电脑重复上述动作,再次进行新一轮扫描工作。
一个扫描周期分为以下三个过程:
1.输入采样
首先,PLC会逐条扫描式读入程序的输入数据,然后将它们存入映像寄存器中。
等到样本收集完成后,就会进行接下去的两个步骤。
在此期间,映像寄存器中的数据不会发生改变。
2.程序执行
程序执行时,PLC会对程序实行顺序扫描。
当用户程序是梯形图时候,扫描都是由上向下,由左到右这个顺序进行的。
PLC执行时候,会根据程序进行相关计算机运算,最后运算的结果会刷新RAM中与之对应的状态或是映像寄存器中的状态。
梯形图中的特殊指令程序会根据是否满足条件来执行的。
3.输出刷新
扫描用户的程序完成后,PLC便会输出刷新。
PLC的真正输出是CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路输出到电路驱动对应的外设装置。
4PLC控制系统的硬件设计
4.1PLC控制系统的设计步骤
要对机床的系统进行设计就是考虑系统的硬件设计和软件设计。
硬件设计指的是PLC外设的装置如何选择安装,而软件设计就是考虑如何编写PLC内部程序。
系统设计将会决定PLC的稳定性和设备的可靠性能,所以设计水平的高低对PLC的影响十分重要。
本章节会从系统的硬件设计开始入手,其硬件设计包括PLC的选型、I/O设备选择以及电路图的绘制等几个方面。
4.2PLC的选型
在选择PLC的型号时候,在考虑功能需求和安全可靠、维修方便前提下,我们还要考虑最佳的性价比。
本次设计的机床因为提前制定好了加工要求,环境条件一般是在学校,不需要太多的维修量,所以我选用的PLC是整体式结构形式的。
PLC的生产国内公司水平限制,一般很难有优秀的产品。
,因此一般PLC都是选择国外大公司制造,他们产品的可靠性和性价比都是很高的。
生产整体式结构的PLC公司有很多,比较优秀的有代表性的有西门子的s7系列、日本三菱的FX系列等。
我这次设计采用的是FX2N机型。
初步选定了FX系列的机型,然后根据表4.1中的数据,可以确定PLC的具体型号。
本次设计的机床所用的输出为13点,输入为7点,从表中可以看出,FX2N-32MR-001的输出和输入点数都是16点,符合机床要求的条件。
所以我选用的PLC机型为FX2N-32MR-001。
型号
输入点数
输出点数
模块可用点数
继电器输出
晶闸管输出
晶体管输出
FX2N-16MR-001
FX2N-16MS
FX2N-16MT
8
8
24~32
FX2N-32MR-001
FX2N-32MS
FX2N-32MT
16
16
24~32
FX2N-48MR-001
FX2N-48MS
FX2N-48MT
24
24
48~64
FX2N-64MR-001
FX2N-64MS
FX2N-64MT
32
32
48~64
FX2N-80MR-001
FX2N-80MS
FX2N-80MT
40
40
48~64
FX2N-128MR-00
FX2N-128MT
64
64
48~64
表4.1FX系列的基本单元
4.3I/O端口分配
I/O模块是PLC与被控对象连接的桥梁,是系统可靠性的保证之一。
此次设计的控制系统采用是顺序控制,对于功能的要求条件比较平常,没有什么特殊功能需求。
由于对于不同的加工对象,机床需要相应的加工工艺和控制要求,使用I/O地址分配表条目清晰表达简便,可以让我们更加深刻理解机床的工作过程,也会对编程提供便利。
表4.2I/O分配表
输入设备
输入点编号
输出设备
输出点编号
启动按钮SB
X0
KM1(M1快进)
Y1
行程开关SQ1
X1
KM2(M1工进)
Y2
行程开关SQ2
X2
KM3(M1慢退)
Y4
行程开关SQ3
X3
KM4(M1快退)
Y6
行程开关SQ4
X4
KM5(M2正转)
Y3
行程开关SQ5
X5
KM6(M2反转)
Y5
行程开关SQ6
X6
KM7(M3快进)
Y7
停止按钮SB1
X7
KM8(M3工进)
Y8
KM9(M3慢退)
Y10
KM10(M3快退)
Y12
KM11(M4正转)
Y9
KM12(M4反转)
Y11
KM13(夹具夹紧电磁阀)
Y13
4.4接线图的绘制
根据表4.2可以绘制出上图的PLC接线图,如图4.1所示。
图4.1PLC的接线图
5PLC的软件设计
5.1PLC的编程语言
用户想要实现PLC控制系统对加工工艺控制要求就要通过存储内部的程序,而这些程序的编写就要依赖编程语言。
在国际上,已经将这些编程语言标注化。
PLC的编程语言有梯形图语言、指令表语言、功能模块图语言、顺序功能流程图语言和结构文本语言五种。
1.梯形图语言(LD)
在PLC程序的设计中,梯形图语言是编程中使用最频繁的。
梯形图语言与电工电子学中的电路差不多,所以该语言简单易学,容易上手,表达直观,对应性强,运用比较广泛。
继电器系统中存在的电流是我们生活中真实的,而梯形图中的是假想的、没有任何意义,内部的继电器在我们日常生活中也没有实际存在的。
2.指令表语言(IL)
指令表由操作码和操作数两个部分组成,是一种类似汇编语言的助记符编程语言。
通常是用户在没有电脑的场合下,利用编程器来编制程序。
指令表可以变成梯形图,梯形图也可以换成指令表,二者相对应。
我们只要利用PLC编程软件便可以把二者进行对应的互换。
这种编程语言对于用户来说,容易学习,简便易于掌握。
3.功能模块图语言(FBD)
功能模块图语言是采用模块图的方式表示模块的功能,如果模块不一样,那么所表达的作用也就不同,跟电子电路有异曲同工之妙。
由于其使用功能模块的图形方式表达,对设计方案进行分析理解更加直观简便,这种语言能够清晰表达大规模或者关系复杂的控制系统中各个功能关系,可以减少编程时间。
4.顺序功能流程图语言(SFC)
为了适应顺序逻辑控制,人们专门研究出了一种编程语言——顺序功能流程图语言。
编程时,用户用方框表达控制功能,通常是梯形图逻辑,来实现控制功能。
编程过程中设计人员是以功能为主要线路,把加工过程分步按照顺序从上向下表达。
使用顺序流程图语言,程序的结构条理清楚,方便用户阅读查阅,缩短了编程时间,减轻调试的工作量。
5.结构文本语言(ST)
结构文本语言对系统进行描述时候使用结构化的方式,该语言通常使用于程序用别的编程语言难以实现表达的场合。
结构化文本语言是用来描述系统中变量间存在什么样的关系,这种关系通过计算机语言来表达。
这对于编程人员来说,要想熟练使用这种编程语言就必须储存一定量关于计算机高级语言方面的知识。
要求高,操作难,直观性差。
5.2PLC控制程序设计流程图
图5.1程序设计流程图
图5.1设计流程图
5.3PLC程序的设计方法
5.3.1PLC设计方法概述
PLC程序方法有3种,分为:
经验设计法、继电器控制线路移植法、顺序控制法[6]。
经验设计法的前提是一些基础有代表意义的电路,设计者要先了解加工工序以及加工要求,根据加工工件的不同工序要求,再进行选择组装具体的系统,绘制出梯形图。
梯形图要进行在线调试,查找是否存在故障,直到无误后才会达到系统预期要求。
这种方法需要耗费设计者很多时间和精力,找不到规律可以遵循,一般不提倡使用这种方法。
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