六面顶金刚石压机系统展开设计.doc

摘摘 要要 本论文针对六面顶金刚石压机系统展开设计，其中主要由主电路，PLC 控制 电路，液压系统，模拟量的采集和输出以及加热板触发电路制等四部分组成。其 中电气控制是由 JH-120H 型可编程序控制器(PLC)、 、开关电源、传感器等器件组 成。 本论文首先对该课题的可行性及课题实现的现实意义和价值进行了介绍；其 次对该系统的硬件组成、结构、原理进行了阐述和分析；再次对本控制系统的核 心软件进行了编写。论文中有相应的梯形图程序的实时监控；论文最后对设 计本课题所学到的知识和结论进行归纳和总结，并对立体车库今后的发展进行了 科学的展望。 关键词关键词：液压站，PLC，监控 ABSTRACTABSTRACT This thesis cubic diamond press systems to design, mainly by the main circuit, PLC control circuits, hydraulic systems, analog capture and output and the amount of heating system and other circuit board Chufa four parts. Where electrical control is by the JH-120H programmable logic controller (PLC), switching power supply, sensors and other devices integral. In this thesis, the feasibility of the issues and topics to achieve the relevance and value are introduced; followed by the hardware components of the system, structure and principle are described and analyzed; once again the core of the control system - software for the preparation of . Paper Ladder corresponding real-time monitoring; Finally, the paper design of the knowledge acquired in this topic and summary of conclusions, and parking in the future development of a scientific outlook. KeyKey wordswords: Hydraulic station, PLC, monitor 目目 录录 前前 言言 .4 第一章第一章 课题背景课题背景 .5 第二章第二章 金刚石压机系统介绍金刚石压机系统介绍 .7 2.1 金刚石压机系统简介.7 2.2 六面顶金刚石压机生产流程.8 2.3 压机主电路图解与说明.8 2.3.1 压机主电路图（一）.9 2.3.2 压机主电路图（二）.11 2.4 压机自动控制系统原理简介与框图.13 第三章第三章 PLCPLC 程序设计程序设计 .14 3.1 可编程控制器 JH-120H 简介.15 3.2 PLC 各输入和输出信号接线图.16 3.2.1 PLC 输入信号电路.16 3.3 系统自动工作状态的 PLC 程序设计.18 3.4 系统液压站工作原理.23 第四章第四章 模拟量的处理模拟量的处理 .24 4.1 模拟信号的采集.24 4.2，模拟信号的输出.25 4.3 加热板功能及接线图.27 设计总结与体会设计总结与体会 .28 参考资料参考资料 .29 致致 谢谢 .30 附附 录录 .31 前前 言言 机电一体化是一个新兴的边缘学科， 正处于发展阶段，代表着机械工业技 术革命的发展方向。一般认为，机电一体化技术是一门跨学科的综合性高技术， 是由微电子技术、计算机技术、信息技术、机械技术及其他技术相融合而构成的 一门独立的交叉学科。20 世纪 90 年代后期，机电一体化进入了深入发展时期。 光学、通信技术、微细加工技术等进入了机电一体化，出现了光机电一体化和微 机电一体化的新分支。同时对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，以 及学科体系和发展趋势都进行了深入研究。人工智能技术、神经网络技术及光纤 技术也为机电一体化技术开辟了广阔的发展天地。 随着机电一体化技术的不断发展和完善，它在工业中的应用也越来越广泛。 我国从 20 世纪 80 年代初开始进行机电一体化的研究和应用，并在数控技术， 工业机器人，计算机集成制造系统等各方面取得了一定的成绩。它未来的发展趋 势将向着绿色化，智能化，微型化发展，同时它会更加促进工业的不断发展，也 将会使人们的生活更加便捷。 本论文将对机电一体化技术在金刚石压机设备上的应用展开设计和分析，其 中包括压机的电气控制原理，液压驱动系统以及 PLC 程序设计等方面的内容。由 于设计者水平有限，文中若有不妥之处，请老师指出，以便更加完善。 第一章第一章 课题背景课题背景 世界上人工合成金刚石的专用超高压设备，除了个别实验室使用的四 面顶压机、八面顶压机之外，在工业生产中实际应用的压机主要有 3 类：年轮式 (环带式)两面顶压机，欧美及日韩等各国在广泛使用；凹模式(双面凹)两面顶压 机，俄罗斯等独联体国家使用；六面顶压机，主要在中国使用。 从 20 世纪 60 年代以来的几十年中，我国人造金刚石的技术水平长期落后于 欧洲的跨国公司德比尔斯公司 (De Beers Consolidated Mines LtdCo)和美国 的 GE 公司(General Electric)，只能生产中低档金刚石产品。对于造成这种 差距的原因，长期以来，人们以为是在于压机，似乎是六面顶压机不如两面顶压 机，用六面定压机造不出好金刚石。近几年来，情况发生了变化，而且是带有根 本性的重大变化，变化的主要标志是我国六面顶压机生产的金刚石质量有了显著 提高，达到了欧美高端产品的水平。 例如，国内原来只能生产粒度号为 3540 以及粒度号大于 3540 而实 际粒径更小的金刚石，现在可以批量供应小粒度号如 3035、2025、1820、1618 甚至 1416、1214、1012 的金刚石；又 如，国内原来生产的金刚石冲击韧性 TI(Toughness Index)值达到 85(筛上物 ：表示未破碎颗粒的百分比)就不错了，现在可以达到 95 以上；原来热冲击韧性 TTI(Thermal Toughness Index)比 TI 降低 25甚至更多(例如，由 80 降低到 60 以下)，现在 TTI 与 TI 很接近(例如，由 95 降到 9093)；再如，原来我国标准 规定最高品级金刚石的静压强度(单颗粒静压破碎负荷值)是 50kg，现在已经远超 过 100kg，连原来的标准检测仪器都不适用了。这些粗粒度、高韧性、高强度的 重要指标都达到了美的 MBS900 系列和英国、德国的 SDA 系列、SDB 系列、和 DSN 系列产品的水平，这足以表明我国金刚石的品级及其性能得到大幅度提高，达到 了世界前列。 这一变化引起了全世界超硬材料行业的极大关注。之所以取得历史性进 展，其主要原因在于，在装备(压机大型化)、原材料(石墨和合金触媒的成分和 含氧量、合成快的组装结构)、合成工艺(高压高温的控制方式)等 3 个最基本、 最重要的方面都取得了全方位的长足进步，解决了以前长期存在的的问题，突破 了技术的瓶颈。其中，需要指出的是在原材料和工艺方面，我们也借鉴和吸收了 欧美在两面顶压机上成功使用的技术成果。 第二章 金刚石压机系统介绍 2.1 金刚石压机系统简介 金刚石俗称钻石，是碳的一种同素异形体，是人类发现最早的一种最硬的天 然矿物。石墨可在高温、高压的环境中，在触媒的催化作用下，其原子结构发生 改变，从而合成人造金刚石。人造金刚石超硬材料的独特性能使其在建材建筑工 业、地质钻探、石油开采、机械加工、光学仪器等领域得到广泛应用。 六面顶金刚石合成压机是我国超硬材料生产的关键设备。由于国内人造金刚 石的生产工艺还比较落后，现有的生产设备自动化程度不高,相当一部分还停留 在人工操作阶段,尤其是压力与加热控制现状很难满足金刚石生产工艺的要求,精 度较低,致使生产出的金刚石多为中低品级产品。 人造金刚石压机的上、前、右、下、后、左六个油缸顶锤从分别六个方向向 位于压机中心的石墨叶腊石合成块运动，从而构成六面顶压机;液压油泵输出的 液压油，通过油路中各阀门的开、闭控制各油缸顶锤的前进后退;人造金刚石合 成中所需的超高压的是通过增压器实现的。 本系统主要有由控制柜（PLC,电气元件等），液压站（油箱，电磁铁）， 增压器，六面锤 等四部分组成，从而完成金刚石的生产。 2.2 六面顶金刚石压机生产流程 1.设备运行前的调试：在设备投入生产前，通常要对设备进行各方面的调试。 主要有校锤和试加热，前者是为了保证六面锤于叶腊石块的正确接触，后者则为 了检验加热方面是否存在问题，如加热电流是否正常，触发相序是否同步等。 2操作流程：首先，人工要把烘箱中处理过的叶腊石块放入六面锤的中心， 按“工作”按钮，设备即开始自动运行。这时，上、前、右三个活缸顶锤前进至 停锤位，与下、后、左三个死缸一起从六面轻压石墨叶腊石合成块。随后液压站 开始对六缸进行“充液” ， 六缸顶锤同时向压机中心前进，将石墨叶腊石合成块 压紧，随即进入“超压”工步，对石墨叶腊石合成块施加高温、超高压，带压力 升到一定值，超压停止，进入长时间“保压”阶段。当加热和保压时间到达后， 系统会自动转入“卸压” 、 “回程”工步，六缸顶锤回到起始位，完成一个工作循 环。 3.系统特点：采用电液比例控制技术，实现液压系统压力、超高压压力及六 缸位移的连续控制。六缸定位控制;采用新型的压机充液同步调整控制方案，各 缸可单独调整，相互影响小，调整方便联通超压阶段精确跟踪程序设定曲线，控 制良好、保压平稳，波动小，有利于金刚石的合成;采用自动补偿控制方法实现 功率控制，有效地克服了电网电压的波动对合成的影响。 2.3 压机主电路图解与说明 2.3.1 压机主电路图（一） 图 1-1 压机主电路图 原理图说明与分析（一） 如图所示，图中大泵的公率为 11kw，在生产流程中，为液压站和增 压器提供足够的动力，这是它的主要作用。当设备正常运行时，按下“工作”按 钮，随之大泵启动，在液压站的作用下，通过油管推动右缸，前缸，上缸三个活 缸向处于六锤中心的叶腊石块匀速运动，直到被三缸对应的接近开关限位而停止 运动，这一过程为“空程前进” 。暂停几秒钟后，仍是在大泵的作用下，通过液 压站同时对上，下，左，右，前，后六缸进行充液，油箱中的液压油通过六个输 油管进入各自的缸中。接下来就是“超压”阶段，此时增压器开始工作，整个系 统的压力开始迅速上升，当上升到 55 兆帕左右时大泵停止运转，进入“中停” 阶段，小泵开始工作，而且在变频器的控制下不断地对系统进行补压，此阶段系 统压力缓慢上升。当系统压力上升到 70 兆帕时，大泵再次启动，系统开始“二 次超压” ，直到压力上升到 83 兆帕时，系统进入“保压”阶段，直到系统压力上 升到 100 兆帕左右时，系统开始“卸压” ，直至为 0 兆帕为止。下图为系统在整 个过程中的压力变化曲线： 2.3.2 压机主电路图（二） 图 1-2 压机主电路图 原理图说明与分析（二） 如图所示，此部分为压机的加热电路。根据金刚石加工的工艺参数，当系统 压力达到 55 兆帕时，两个交流接触器动作，且来自加热板的出发脉冲开始触发 双向晶闸管的门极，从而使加热电路导通，并通过变压器对上下两锤进行加热， 电流不断上升到 800 安左右，当达到的设定的加热时间后，进入“停热等待”状 态，此时两交流接触器断开停止加热，电流迅速降至 0 安，完成对叶腊石块的加 热。而电流模块，功率模块的主要完成对各种模拟信号的检测和输送。 下图为整个加热过程中的电流变化曲线图： 图 1-3 电流变化图 2.4 压机自动控制系统原理简介与框图 如下图所示，系统通过开关量数字输入信号（接近开关，面板按钮，手操按 钮）进入 PLC 中，经过处理后的开关量输出信号主要用来控制液压电磁阀，大小 泵电机。各类模拟信号（压力，频率，温度等）经过模入调理进入 PLC 的特殊功 能模块进行模数转换，输出的两路模拟信号经过模出调理分别用来控制可控硅触 发和变频器频率。 第三章 PLC 程序设计 3.1 可编程控制器 JH-120H 简介 JH120H 系列可编程控制器是适用于小型工业过程自动控制理想的控制装置。 它的主要特点是由标准的 12 路输入模块及标准的 8 路输出模块构成，可嵌接出 最大 120（72 如 48 出）的 PLC，适用于交流 240V/5A，直流 24V/5A 以下输出状 态的控制场合。JH120H 为嵌入式结构，模块与模块之间用垛口联接，不需要联接 电缆。它的输入模块以 12 点为最小单元，输出单元以 8 点为最小单元，从 20 点 到到 120 点可任意配置。JH120HPLC 的基本单元模块主要有 CPU 模块，I/O 模块， 电源模块，和特殊功能模块组成。它的组成电路如下图所示： 3.2 PLC 各输入和输出信号接线图 3.2.1 PL 输入信号电路图 3.2.23.2.2 PLC 输出信号电路图 3.3 系统自动工作状态的 PLC 程序设计 8.2 PLCPLC 程序指令一程序指令一 LDI 453 ANI 456 ORB OUT 432 AND 100 OUT 444 OUT 447 OUT 452 LD 413 K 20 AND 414 LD 452 AND 415 OUT 453 OUT 450 K 100 K 5 ANI 456 LD 450 OUT 435 ANI 451 LD 453 OUT 441 OUT 454 OUT 442 K 500 OUT 443 LD 454 OUT 451 OUT 455 K 10 K 100 LD 451 LD 455 AND 423 OUT 456 PLCPLC 程序指令二程序指令二 LD 402 LD I414 OR 100 OR 450 LDI 451 ANI 451 OR 551 AND 100 ANB OUT 437 ANI 400 LDI 415 ANI 403 OR 450 ANI 416 ANI 451 OUT 431 AND 100 LD 100 OUT 440 ANI 451 LD 100 OUT 434 OUT 446 LDI 413 LD 551 OR 450 ANI 552 AND 100 LD 454 ANI 451 ANI 455 OUT 436 ORB PLCPLC 程序指令三程序指令三 K 1000 LD 456 OUT 457 K 150 LD 457 OUT 550 K 50 ANI 550 OUT 445 LD 550 OUT 551 K 100 ANI 551 OUT 530 LD 551 ANI 552 OUT 433 ANI 552 OUT 531 OUT 552 K 30 END 3.4 系统液压站工作原理 本系统采用了上置卧式液压站，它主要有泵装置（大，小泵） ，阀组合，油 箱，输油管等组成。各部分的功能：泵装置上装有电机和油泵，是液压站的动力 源，将机械能转化为液压油的压力能。其中大泵主要工作在“空程前进 ” ， “超 压”和“快速回程”阶段，小泵主要工作在“保压”和“中停阶段” ，通过变频 器来控制小泵的转速； 阀组合：如 PLC 的输出控制电路所示，该系统共有十五个电磁铁组合而成。 其中“1”阀和“4”阀工作在“空程前进”阶段， “3”和“12”阀在“回程”阶 段起作用， “2”阀长时间工作在“超压”和“保压”阶段，故又称为工阀。 “6,7,8,9,10,11”阀通过油管分别控制“右，前，上，左，后，下”六缸的移 动方向，速度。 “14”阀和“17”阀主要控制系统卸压速度，工作在卸压阶段， 其中前者在“一卸” 阶段起作用，后者工作在“二卸” 。另外“15”阀控制系统 压力， “13”控制系统的连通状态。 油箱：板焊的半封闭容器上装有滤油网，空气滤清器等，用来储油，油的冷 却，过滤。 油管:液压油的输送管道和回油管道。 第四章 模拟量的处理 4.1 模拟信号的采集 在该系统中需要采集的模拟信号有压力，温度，电流，电压，功率，频率。 这些模拟信号均来自它们与之对应的传感器。比如，压力的检测来自固定在油路 管道的压力传感器；温度的检测来自插在后锤上的锤温探头；而电流信号经过互 感器（20005）后通过功率模块和电流模块进行检测；电压信号经过变压器后通 过电压模块进行检测。其中压力，温度采用的是标准电流信号 420 毫安，其他 的采用的是 020 毫安。这些模拟信号均传送到 ISO 4021 系列的模拟信号采集板 并将这些标准电流信号转化为标准电压信号，最后将这些信号传送至 PLC 内进行 处理。在 PLC 内经过 AD 转换模块进行模数转换，用于显示，监控等。 4.2，模拟信号的输出 模拟信号输出调理器 本系统采用 ISO 4021 系列模拟信号调理器，主要对 PLC 输出的两路模拟信 号进行调理，这两路模拟信号在 PLC 内经过 D/A 转换后进入该处理器，通过处理 后信号变为标准电压信号，均为 05 伏，该电压信号分别进入可控硅触发板（又 称加热板）和变频器的频率控制端，从而实现了对加热电压（加热板为双向 SCR 提供触发脉冲）和压力（保压阶段）的控制。 此部分在现场的接线图为： 4.3 加热板功能及接线图 如下图所示经过 PLC 内部 CPU 处理过的数字量经过 D/A 转换模块进入，模拟 信号输出调理器，在它的作用下输出 05V 的电压型加热控制信号。然后通过加 热板电路处理，输出两路触发脉冲。当加热时间到时，加热板触发主电路中的双 向 SCR，用于控制双向晶闸管的导通。 此外，加热板上还附带有功率模块，功率输出信号同样通过模拟信号采集器 转变为 05 的电压型信号进入 PLC 中进行处理。下图为加热板的电气接线图： 设计总结与体会 本毕业设计论文主要就六面顶金刚石压机的工作原理，工作流程和控制方式 展开分析和设计，通过三个多月的不懈努力，终于完成了此次论文。在设计的过 程中我对机械技术、可编程序控制器（PLC）微电子技术、电工电子技术、传感 测试技术、接口技术、信息变换技术等多种技术有了更深层次的认识。 在设计过程中的最大困难时程序的编写，及信息技术的转换，对此我不断搜 索资料和请教指导老师，在老师和单位领导的帮助下最终完成了设计任务。这个 过程中通过对资料多方面的查阅，提高了自己的实践能力，和独立思考能力，让 自己的学习能力也起了不小变化。 设计中仍存在有不足，相对程序的编写，由于时间和能力的不足，并没把所 有程序编写出，只编写出相对主要部分。最后在本文即将结束之际，我要由衷地 感谢在我毕业设计阶段，乃至在大学学习生活中帮助过我的师长与同学。 在毕业设计完成的过程中得到了许多老师和单位领导的帮助，学院的老师们 严谨治学的教学使我受益非浅。本论文的选题、研究内容、研究方法及论文的形 成是在指导老师韩全立老师支持、和悉心指导下完成的。他是我获得概念清晰的 见解的来源。本次论文与设计的完成对我是一个巨大的激励，使我在学术研究方 面充满信心，更为我在今后的学习与工作中提供了宝贵的经验。特向我尊敬的韩 全立老师表示衷心的感谢。 参考资料 1 王玲,赵明光.纤维缠绕机的计算机控制系统设计J，微计算机信息， 2006,11S: 126-127,108 2 莫金海,李海标.人造金刚石压机智能化压力测控系统设计仪J. 仪器 仪表学报, 2006, 27（6）：493-495 3 姜荣华,郑利敏.六面顶金刚石压机加热电源智能化研究J. 超硬材料 工程, 2005, 17 （6）: 24-28 4 朱凌云,吕承康,何端阳.人造金刚石合成工艺的智能控制J.工业仪表 与自动化装置, 2005, 6: 27-29 5 路甬祥.电液比例控制技术M.机械工业出版社，北京，1988 6 周车晨,赵国权.金刚石合成工艺M.机械工业出版社, 北京, 1998 7 孙世荣，袁启昌. 一种人造金刚石压机六缸定位控制方法P. ZL200310106067.5 8 方啸虎等. 新型大压机制造中若干问题的探讨. 磨料磨具通讯. 2002,12:1-4 9陆剑 可编程控制器的应用 10王廷才 电力电子技术 模拟电子技术 致 谢 在做论文的过程中老师严谨的治学态度和一丝不苟的工作精神给了我深刻的 启发，也给了我很大的触动。另外，老师经常给我讲解不懂的地方，教我怎么入 手，使我能尽快的完成论文。还要感谢系里其它的老师的指导，给了我很大的帮 助。在此，对老师在工作和生活中给予的指导和关心致以最真诚的谢意。 感谢系里其它的一些同学在设计中提供大量的支持和帮助。 我们即将毕业，在此，再一次向三年中在学习和生活中给予过我帮助的老师 和同学致谢。 附 录 8.1 主要元器件明细表主要元器件明细表 名称 型号 主要参数 PLC JH-120H 240V5A(交)，24V5A（直） 变频器 SV607 400V，7.5KW 大电机 Y112M 380V，1460r/min, 小电机 Y112M 380V，657r/min 变压器 JBK 互感器 LZZBJ9 3000/5 双向 SCR MTC 90A，200V 电磁铁 1 MFB1-2.5YC 220VAC 电磁铁 2 MFB2-2.5YC 220VAC 接近开关 E2E-X5F1 1224VDC 压力变送器 DG1300 420mA 功率模块 WBP114S41 020mA 电流模块 WB1127S01 020mA 电压模块 WBV127S01 020mA 交流接触器 1 CJX1 220V,50HZ 交流接触器 2 CJX2 220V，50HZ 断路