管道焊缝磨削机床控制系统设计-管接头焊接[含CAD高清图纸和文档全套]

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管道焊缝磨削机床控制系统设计
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内容简介:
重庆理工大学毕业论文 管接头焊缝磨削机床控制系统设计 目 录摘 要IIIAbstractIV第一章 绪论11.1 砂带磨削技术的国内外现状、发展趋势11.2 砂带磨削的关键技术21.3 不锈钢的砂带磨削21.4 课题研究内容3第二章 水槽焊缝磨削的数控砂带磨床42.1 水槽焊缝磨削的加工工艺及运动分析42.2 水槽焊缝磨削数控砂带磨床的结构设计52.3本章小结6第三章 水槽焊缝磨削数控砂带磨床控制系统设计83.1 控制系统的方案设计83.2 M64S数控系统的特点83.3 磨削机床系统的控制过程113.4 PLC输入输出点的分配15第四章 电气元件的设计计算及选型184.1 电机184.2 变频器244.3 空气开关254.4 变压器254.5 安全保护264.7 PLC程序设计274.8 本章小结28结 论29致 谢30参考文献31摘 要通过对水槽焊缝磨削的加工工艺及运动的分析,对水槽焊缝磨削数控砂带磨床的结构的了解,进而对水槽焊缝磨削数控砂带磨床的控制系统进行设计。在此过程中,主要对水槽焊缝磨削数控砂带磨床的气动系统和控制系统进行了设计并对重要的元器件(如:主轴电机、进给电机、变频器、气缸等)进行了设计计算、选型。控制系统设计主要包括数控系统的选用、电气原理图及其相关图纸的绘制。关键词:水槽焊缝磨削; 数控 ;焊缝磨削; AbstractThrough the analysis of the process and the movement of tank weld grinding, for tank weld grinding CNC Abrasive belt grinding to understand the structure, design the control system and the groove weld grinding CNC Abrasive Belt Grinding machine. In this process, mainly on the groove weld grinding CNC Abrasive belt grinding machine pneumatic system and control system are designed and the key components (such as: spindle motor, feed motor, inverter, cylinder etc.) for the design and calculation, selection. Control system design includes drawing the selection, numerical control system electrical schematic diagram and related drawings.Keywords: groove weld grinding; CNC; weld grinding;第一章 绪论砂带磨削几乎能加工所有的工程材料,从一般家庭生活到工业生产的各个领域无所不用。作为有着“万能磨削”和“冷态磨削”之称的新型涂附磨削工艺,砂带磨削技术已经被当作与砂轮磨削同等重要的不可缺少的加工方法。综观近几年来国内外各类机床及工具展览会情况,结合砂带磨削在国内外各行业的应用状况,可以看出砂带磨削技术在制造业中发挥着越来越重要的作用,更有着广泛的应用及发展前景。 1.1 砂带磨削技术的国内外现状、发展趋势国外的砂带磨削发展非常迅速,自20世纪60年代以来,特别是静电植砂及涂附磨具技术的出现及发展,欧、美、日等工业发达国家在砂带制造技术和砂带磨床技术上都取得了巨大的成就。在砂带制造技术方面,随着许多特殊的涂附磨料及涂附形式的出现,产生了如金刚石、立方氯化硼(CBN)、锆刚玉、陶瓷磨料、复合磨料、堆积磨料等各类砂带,使得砂带已经能用于干磨、高速,大吃刀量等的重磨削领域,及高精密零件的磨削加工领域。日本已经开发出用软刚带作为基底的金刚石砂带,可有效加工一些特殊难加工的高硬度材料,如单晶硅片等。在国际上知名的砂带品牌有美国3M、美国NYrtYn、德国Hermes、德国VSM、德国KlXngspYr、韩国DEER、日本牛头等。在砂带磨床方面,有大至磨削宽度5米以上的巨型平面磨床,小至牙医用的修齿机等结构形式各异种类,另外,随着自动化技术的发展,像六轴五联动数控砂带磨床、机器人砂带磨削中心、砂带磨削FMS、并联机构的数控砂带磨床都已经得到应用。砂带磨削技术现已成为这些发达国家获得高额经济效益的一种重要手段,且砂带磨削量已占磨削总加工量一半以上。国内的砂带磨削技术是在20世纪70年代末才得以真正发展,随着国内的改革开放,砂带磨削技术日益引起了各行业、研究单位和企业的重视,加之砂带制造技术的提高及品种的增加,使得砂带磨削设备的研究和生产也得到了较大的发展。砂带磨削设备开发与生产的厂家有新乡机床厂、上海机床厂、北京二机等十来家企业;有包括郑州三磨所、湖南大学、东北大学、广东工业大学、广西大学、重庆大学等在内的多家科研院所和高校。砂带磨削总的趋势正向着强力、高速、高效和精密方向发展。在磨床结构方面,从单一磨头向大型、组合(多磨头、多功能、多工位)形式发展。在加工工艺方面,与特种加工相结合的复合加工方法是砂带磨削很有前途的发展方向之一,如与超声振动结合可形成超声砂带精密磨削;与电化学加工结合可形成电解砂带磨削。另一方面自动化在砂带磨削中的应用,尤其是数控砂带磨床及自适应控制技术的应用,使得砂带磨削的加工效率和精度有了很大的提高,已经使得砂带磨削精度已经进入精密和超精密加工行列1。砂带本身在不断的发展和完善中。在砂带结构方面,近年出现了堆积磨料砂带、金字塔型砂带、空心球型砂带、复层砂带、高弹性砂带、防跑偏砂带、不等厚砂带、粒度复合砂带等等。砂带在我国的制造从国产到从磨料、半成品、成品的进口,再到与国外砂带企业的合资等多种形式,这些都极大地丰富了我国的砂带品种,为国内用户提供了更大的选择空间。 1.2 砂带磨削的关键技术根据国内外砂带磨削技术的现状和发展趋势的分析,结合我国在砂带磨削技术上与国外的差距,砂带磨削的关键技术主要体现在砂带上。砂带是砂带磨削技术发展的关键和重要标志,能否制造高品质的砂带已经作为衡量一个国家砂带磨削技术高低的标准。作为构成砂带三要素的基体、磨料、粘结剂以及由此导致影响磨削性能的十种要素,结合近年来像高分子新材料、新技术、新工艺在涂附磨具中的广泛应用,我国的广大砂带生产企业及相关研究机构应该在如下五个方面加大研究和开发力度,争取获得有自主知识产权的高品质砂带:新型基体的应用和开发; 合成浆料的应用和开发; 粘结剂的应用与开发; 磨料的应用与开发; 砂带表面涂层的应用与开发1。 1.3 不锈钢的砂带磨削不锈钢重要有两种,即奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢,当在钢材中增加一定数量的铬及镍以后,就造成了奥氏体不锈钢。马氏体不锈钢在淬火温度下是纯奥氏体组织,冷却后得到马氏体组织。各类不锈钢中会依据须要增加一定合金元素比方钼、钨、钛等,以改良其机械物感性能(高抗侵蚀性、比个别钢材高得多的延长率、端面压缩率、冲击值等)。不锈钢的物感性能与普通钢材也不同,其导热稳定性好、热强度高、耐腐蚀性及耐磨性好等特点,广泛应用于航空、航天、航海等领域,但其导热性差、弹性模量低等特点给磨削加工造成了困难,长期以来,国内外均致力于不锈钢材料磨削加工性能的改善在实际生产和应用中,对不锈钢产品表面加工质量要求越来越高,以往采用砂轮磨削,但存在砂轮易粘附堵塞,加工硬化现象严重,工件易变形、烧伤等问题;而砂带磨削是磨削和抛光 的新工艺,具有磨削效率高、表面加工质量好、能量消耗低等特点,对于各种材料及形状零件加工的适应性和灵活性远超过了常规砂轮磨削工艺,自6Y年代发展以来,受到机械、制造、材料等行业越来越广泛的关注,已成为国内外材料与机械交叉学科中引人注目的领域2。 1.4 课题研究内容针对水槽焊缝磨削数控砂带磨削工艺,在传统结构的磨床上,转轴带动磨头只能在某一个平面上工作,工件在工作台上的Y轴方向运动空间非常有限,磨头部分不能转动,从而在水槽矩形腔体倒边的粗精磨削和抛光时,存在一定的困难,加工不方便,生产效率低。针对这些问题,本文提出了一种新型的水槽焊缝磨削数控砂带磨床,并对此磨床进行了控制系统的设计。通过查阅大量的文献资料,对砂带磨削有了一定的了解。在此基础上,对水槽焊缝磨削数控砂带磨削磨床了解并加以改进,最终实现对其控制系统的设计。本文主要内容如下:第一部分,介绍课题研究的背景及基础;第二部分,介绍水槽焊缝磨削数控砂带磨床;第三、四部分,控制系统的设计,其中包括重要元器件的选型,控制系统的设计包括控制方案的设计、控制电路的设计、PLC点位分配、控制器及元器件的选型。第二章 水槽焊缝磨削的数控砂带磨床 2.1 水槽焊缝磨削的加工工艺及运动分析1 加工工艺水槽采用电阻焊接的方法将金属管道组装在一起,然后打磨焊缝并倒角,最后对水槽进行抛光、清洗并安装附件。传统的焊缝打磨方式为人工手砂轮打磨,劳动条件差、工作效率低。水槽具有冲压成型后存在回弹变形,焊缝的几何尺寸精度不高,对打磨后的边缘的表面要求光滑、平顺、一致的特点。针对水槽的特点,如果按照理论尺寸磨削,势必造成表面质量达不到设计要求。在水槽焊缝误差不均匀的情况下,为了使磨削后的焊缝均匀、一致,采用磨头浮动的方法来跟随水槽焊缝误差。加工过程中必须在磨头上施加一定的浮动压力才能保证磨削的顺利进行。磨头的浮动压力由比例阀给定,通过调整气缸内的气压来控制磨削压力。随着砂带的使用砂带上的磨粒逐步钝化,磨削效率和所磨削产品的质量也逐渐降低。为了保持产品的一致性需要不断增加磨削压力,每磨削一个水槽增加一定磨削浮动压力。当砂带的使用寿命达到使用极限,机床自动回到方便操作者更换砂带的位置,并提醒操作者更换砂带。砂带的使用寿命通常设定为每根砂带能磨削的工件个数。每根砂带能磨削的工件个数通过使用不同粒度的砂带实现粗加工及精加工,粗磨采用40号砂带,精磨采用100号砂带34。2 运动分析根据水槽焊缝磨削的加工工艺及运动分析,为提高加工效率,水槽焊缝磨削磨边机需要设计两套磨头机构。每套磨头机构都分别由砂带张紧机构、磨头浮动及进刀机构、吸尘系统组成。在进行水槽焊缝磨削的加工时,首先进行粗磨,此时精磨进刀机构抬起,粗磨进刀机构进刀接触轮落下,压下粗磨吸尘管,然后精磨。精磨时,粗磨进刀机构接触轮抬起,精磨进刀机构接触轮落下,压下精磨吸尘管。以此避免更换砂带,提高磨削效率。此外,根据水槽的结构,在磨削过程中除了需要磨头主轴转动外,还需要在XY平面内做平面运动。当磨削边改变的时候,主轴还需要做旋转运动。因此,水槽焊缝磨削的数控砂带磨床的进给运动需要三轴联动。 2.2 水槽焊缝磨削数控砂带磨床的结构设计 在传统结构的磨床上,转轴带动磨头只能在某一个平面上工作,工件在工作台上的Y轴方向运动空间非常有限,磨头部分不能转动,从而在加工某些复杂工件或带曲面工件(如水槽矩形腔体倒边的粗精磨削和抛光)时,存在一定的困难,加工不方便,生产效率低。根据水槽焊缝磨削数控砂带磨削的工艺要求及运动分析,设计一种龙门式数控磨边机床,以解决现有砂带磨床在加工复杂和曲面工件时加工不方便,生产效率低的问题。为解决上述技术问题,本龙门式数控磨边机床,具有磨头机构和工作台,磨头机构通过联接座安装在旋转滑座上,旋转滑座上端与旋转轴相联,旋转轴通过轴承安装在滑座上,滑座通过直线导轨副支撑在龙门架床身的横梁上,旋转轴上端安装有集电环和回转接头,工作台通过直线导轨副支撑在床身上,磨头机构上安装有吸尘系统。由于将磨头机构通过旋转轴安装在龙门架床身的横梁上,并且旋转轴的安装座与横梁之间还有直线导轨副,即旋转轴不仅可实现C轴旋转运动,还具有Y轴直线运动,工作台带动工件在床身上作X轴直线运动,在数控系统的控制下,整个磨床能实现三轴联动,旋转轴及工件的可移动范围大,为磨削加工水槽焊缝磨削创造了条件。更进一步考虑,上述磨头机构由粗磨头和精磨头两套机构组成,它们分别安装在左、右固定板上且均由驱动轮、过渡轮、张紧轮、接触轮、砂带、进刀机构、抬刀气缸和张紧气缸构成。闭式砂带包络在接触轮上并绕经驱动轮、过渡轮和张紧轮,接触轮安装在进刀机构上。该进刀机构为四连杆结构,进刀机构的一端联接在抬刀气缸的活塞杆上,张紧轮通过力臂与张紧气缸活塞杆相联。该进刀机构通过比例阀调节气缸活塞杆的位置,又扮演磨头浮动机构的角色。粗磨头与精磨头在各自对应抬刀气缸的作用下可分别实现进刀,从而在同一磨床上不用更换砂带便完成粗磨和精磨工艺。磨头浮动机构和张紧气缸分别实现对接触轮位置和砂带松紧程度的调节5。本结构有益效果是:可实现三轴联动磨削加工,磨头机构的调整方便、快捷,磨头机构工作可靠,可完成复杂和曲面工件的粗精磨和抛光,生产效率高。特别是能满足水槽焊缝磨削数控砂带磨削的工艺要求。本磨床的机械结构大致如图2.2: 图2.2 磨床的机械结构其中:1磨头机构;2工作台;5C轴;7Y轴;8床身横梁;12X轴;13床身;27吸尘系统;38水槽专用工装2.3本章小结本章主要介绍了水槽焊缝磨削数控砂带磨削的工艺及运动分析,对比传统的加工工艺及现代各种加工方法,水槽焊缝磨削采用数控砂带磨削是最合适的。针对水槽焊缝磨削数控砂带磨削的特点及要求提出了一种龙门式的数控磨边机,并对此磨边机的特点及结构进行了设计说明。第三章 水槽焊缝磨削数控砂带磨床控制系统设计3.1 控制系统的方案设计根据前面对水槽焊缝磨削的加工工艺及运动的分析以及对水槽焊缝磨削数控砂带磨床的结构及气动系统的设计,确立该磨床的控制系统的方案如下:在现在自动化程度已经较高的形势下,水槽焊缝磨削的磨削加工采用数控砂带磨削。因水槽焊缝磨削的加工工艺要求,该数控系统需要三轴联动。综合考虑采用三菱M64S数控系统3.2 M64S数控系统的特点三菱M64S数控系统具有一般通用数控系统的结构,分别由控制单元/显示单元、基本I/O单元、伺服驱动单元、伺服电机、远程I/O单元、RS-232等设备组成,如图所示:图3.1(a) 三菱M64S数控系统结构三菱M64S数控数控系统的功能强大,故当其用于加工中心时的各功能组件也很多,有些组件在本次设计中并未遇到,所以在此次设计中可将系统结构稍作简化,如图3.1(b)所示。图 3.1(b) 三菱M64S数控系统结构三菱M64S数控系统的特点(1)所有M64S系列控制器都标准配备了RISC 64 位CPU,具备目前世界上最高水准的硬件性能。(2)高速高精度即能对应,尤为适合模具加工。(3)SSS(Super Smooth Surface)超高平滑表面控制,大幅改善模具加工精度及时间要求。(4)标准内藏对应全世界主要通用的12种多国语言操作界面。(5)可对应内含以太网络和IC卡界面,即使在程序运转中,所有内藏资料都可以传输对立。(6)坐标显示转换可自由切换(程序值显示或手动插入量显示切换)(7)标准内藏波形显示功能,工件位置坐标及中心点测量功能。(8)缓冲区修正机能扩展,可对应HPS/计算机链接B/DNC/记忆/MDI等模式。(9)图形显示机能改进;可含有刀具路径资料,以充分显示工件坐标及刀具补偿的实际位置。(10)简易式对话程序软件。(11)可对应Windows操作环境的PLC开发软件GX Developer。(12)特殊G代码和固定循环程序,如G12/13,G34/35/36,G37.1等。(13)新机能扩展追加,根据市场,满足客户请求,详细给营业单位。3.3 磨削机床系统的控制过程根据水槽焊缝磨削的加工工艺及运动分析,设计该磨床控制系统的整个控制过程如下(其中“X”表示PLC的输入,“Y”表示PLC的输出):(1) 程序开始(2) 判断人是否处于安全位置-用安全光栅检测,并将信号输 入PLC(X*1);(3) 检测接触轮和吸尘管是否收回-利用气缸附带的磁性开关检测(X *3*2个);(4) 检测砂带是否张紧-用手感知;(5) 移动工作台至磨削起点-启动X、Y轴伺服电机,PLC程序控制(Y*2);(6) 检测是否移动到位、是否超越极限位置-利用行程开关检测X、Y的位置(X*4);(7) 开启磨头电机-粗磨/精磨(X*1个),主轴起/停(X*1个),变频器(Y*2个);(8) 压下吸尘管-启动吸尘系统电机(程序控制或者吸尘器进/退,X*1个),电磁阀动作(Y*1*2个),控制气缸进气;(9) 压下接触轮-电磁阀动作(Y*1*2个),进刀气缸无杆腔进气,进刀机构进刀,磨削开始,X、Y、C 三轴联动,C轴电机(Y*1);(10) 反馈磨削压力并调整压力(磨头浮动机构)-电磁阀动作;(11) 计数,磨削水槽的个数-利用数控系统的计数功能;(12) 磨削是否完成-程序判断;(13) 抬起接触轮和吸尘管-两电磁阀动作,进而气缸执行动作;(14) 检测接触轮和吸尘管是否收回; (15) 移动工作台至取件位置;(16) 停止磨头电机-停止按钮(X*1个);(17) 程序结束。通过以上分析,画出程序流程图如图3.2所示。 图3.2 程序流程图 根据整个系统的控制过程及流程图,设计了机床控制面板如图3.3。图3.3 机床控制面板其中机床面板按键/指示灯功能设计如下:(1) 换砂带指示灯(黄色):该指示灯灯亮表示需要更换砂带。(2) 运行指示灯(绿色):系统处于自动运行状态。(3) 故障指示灯(红色):系统处于故障状态。(4) 数控开(SA1):启动数控系统。(5) 数控关(SA2):关闭数控系统。(6) 启动(SB1):运行数控程序(数控系统处于自动运行模式时有效)。(7) 停止(SB2):暂停数控程序的运行,可以按“启动”键继续运行程序。(8) 紧急停止(SB4):按下此键系统各轴停止,磨头和吸尘器抬起,主轴停止旋转。解除停止时,顺时针旋转“紧急停止”旋钮,并按下“复位”按钮使系统复位。(9) 粗磨/精磨(SB5):当其至于“粗磨”状态,手动操作“抬刀进刀”、“吸尘器进/退”、“主轴起停”、“换砂带”针对的是粗磨磨头;当其至于“精磨”状态,手动操作“抬刀进刀”、“吸尘器进/退”、“主轴起停”、“换砂带”针对的是精磨磨头。(10) 主轴启/停(SB6):启动或者停止主轴粗磨/精磨电机。 (11) 抬刀/进刀(SB7):推进与抬起磨头。(12) 吸尘器抬/进(SB8):推进与抬起吸尘器。(13) 换砂带(SB9):更换砂带。(14) 复位(SB3):系统功能复位。按下“复位”键以后正在运行的程序将立即结束。(15) 主轴倍率开关:用于主轴速度修调。(16) 进给倍率开关:用于进给轴速度修调。(17) X-(SB10):使磨头沿X轴负向移动。(18) X+(SB11):使磨头沿X轴正向移动。(19) Y-(SB12):使工作台沿Y轴负向移动。(20) Y+(SB13):使工作台沿Y轴正向移动。(21) C-(SB14):使磨头沿C轴负向转动。(22) C+(SB15):使磨头沿C轴正向转动。3.4 PLC输入输出点的分配 根据整个系统的控制分析,绘制出了PLC的输入输出信号见附图8-14,列得PLC点位分配输入如表3.1、输出如表3.2所示。PLC点位分配表信号类型模块号端子号地址值信号输入PP72/48模块一接口:X33310V (DXCYM)0V224VDC 输出*24V3X0安全光栅(绿)4X1安全光栅(蓝)5X2磁性开关16X3磁性开关27X4磁性开关38X5磁性开关49X6磁性开关510X7磁性开关611X10参考点 X轴 12X11参考点 Y轴13X12参考点 Z轴14X13急停15X14限位开关X+ 16X15限位开关X-17X16限位开关Y+ 18X17限位开关Y-19X20电源模块就绪信号20X21电源模块超温度信号21X22数控开22X23数控关23X24启动24X25停止25X26复位26X27粗/精磨PP72/48模块二接口:X11110V (DXCYM)0V224VDC 输出*24V3X30主轴启/停4X31抬/进刀5X32吸尘器进/退6X33换砂带7X34X+8X35X-9X36Y+10X37Y-11X40C+ 12X41C-表4.1 PLC点位分配输入表信号类型模块号端子号地址值信号输出PP72/48模块一接口:X33331Y0电磁阀1YA32Y1电磁阀2YA33Y2电磁阀3YA34Y3电磁阀4YA35Y4电磁阀5YA36Y5电磁阀6YA37Y6粗磨电机38Y7精磨电机39Y10三色指示灯(黄) 40Y11三色指示灯(红)41Y12三色指示灯(绿)42Y13PCU的控制43Y14电源模块脉冲使能44Y15电源模块控制使能45Y16电源模块内部继电器控制表4.2 PLC点位分配输出表第四章 电气元件的设计计算及选型4.1 电机 (1)磨头主轴电机磨头电机采用6FPVF 系列变频调速三相异步电动机。6FPVF 系列变频调速三相异步电动机,是以变频器为供电电源的变频调速三相异步电动机,通过改变电源频率实现平滑地调节电动机的转速,达到节能和控制自动化的目的。6FPVF 系列电动机效率高,调速范围广,精度高,运行平稳,操作和维修方便,其安装尺寸符合国际电工委员会(XEC)标准,外壳防护等级为XP54;电动机有外扇冷风机;电动机的定额是以连续工作制(S1)为基准的连续定额;电动机的额定电压为380V;F 级绝缘;额定频率为50Hz;电动机可以在3100 Hz 范围内连续调速,350 Hz 为恒转矩运行;50100 Hz 为恒功率运行。6FPVF 系列电动机适用于驱动轧钢起重运输机床印染造纸化工纺织包装等要求连续和频繁正反转的各种机械设备上,可与国内外各种变频电源配套使用。1 粗磨电机切入式砂带磨削的切向力FtY6其中: Us比磨削能,kg/mm2,不锈钢取1300kg/mm2,1300kg/mm2=12740N/mm2; vW工件速度,mm/s,取100mm/s; Vs砂带速度,m/s,取25m/s=25000mm/s; ap实际(有效)磨削深度,mm,取0.05mm; B砂带宽度,mm,取10mm。 所以:考虑砂带磨损因素,则式中 t磨削时间,s,取1s; Zs不同磨粒和磨削参数,取0.02(1/s)所以:6则磨削功率主轴电机的功率主轴电机选用6FPVF系列变频调速三相异步电动。2 精磨电机切入式砂带磨削的切向力FtY6其中: Us比磨削能,kg/mm2,不锈钢取1300kg/mm2,1300kg/mm2=12740N/mm2; vW工件速度,mm/s,取150mm/s; Vs砂带速度,m/s,取30m/s=30000mm/s; ap实际(有效)磨削深度,mm,取0.02mm; B砂带宽度,mm,取10mm。 所以:考虑砂带磨损因素,则式中 t磨削时间,s,取1s; Zs不同磨粒和磨削参数,取0.02(1/s)所以:6则磨削功率主轴电机的功率因此,由上表选用6FPVF 50-0.75- 4,不需外扇冷风机。 (2) 进给电机进给电机采用1FK7伺服电机。 1FK7伺服电机是一种特别紧凑型永磁同步电机,具有大功率高性能,内有旋转变压器(ResYlver)用于速度和位置的监测。1FK7伺服电机没有外部冷却,通过点击表面散热。具有很高的负载特性。由控制系统的方案设计可知,进给轴采用全闭环控制系统,传动机构由减速机构和滚珠丝杠副。进给轴的控制原理框图示意如图4.4:图4.4 进给轴的控制原理图1 X轴主要技术参数选择:传动机构的效率 为0.95,传动比X为6,丝杠螺距p为5mm、直径30mm、质量50kg,小齿轮直径60mm(0.06m)、质量m1为5kg,大齿轮直径360mm(0.36m)、质量m2为30kg,水槽工装的质量m为100kg,电机的加速时间0.2s,系统外力折算到电机上的力矩Tl为2Nm.伺服电机的最大速度4000rpm。丝杠传动时传动系统折算到马达轴上的总转动惯量:其中:J1齿轮Z1及其轴的转动惯量, kgm2;J2齿轮Z2的转动惯量,kgm2;P丝杠螺距,mm;M工件及工作台质量,kg;圆柱体转动惯量(齿轮、联轴节、丝杠、轴)的转动惯量:所以:加速度计算电机力矩计算T=因此,由上表可知选取1FK7060-5AF71-1。2 Y轴 主要技术参数选择:传动机构的效率 为0.95,传动比X为6,丝杠螺距p为5mm、直径30mm、质量50kg,小齿轮直径60mm(0.06m)、质量m1为5kg,大齿轮直径360mm(0.36m)、质量m2为30kg,磨头头机构及旋转滑座的总质量m为500kg,电机的加速时间0.2s,系统外力折算到电机上的力矩Tl为2Nm.伺服电机的最大速度4000rpm。丝杠传动时传动系统折算到马达轴上的总转动惯量:其中:J1齿轮Z1及其轴的转动惯量, kgm2;J2齿轮Z2的转动惯量,kgm2;P丝杠螺距,mm;M工件及工作台质量,kg;圆柱体转动惯量(齿轮、联轴节、丝杠、轴)的转动惯量: 所以: 加速度计算电机力矩计算T=因此,选取1FK7060-5AF71-1。3 C轴主要技术参数选择:传动机构的效率 为0.95,传动比X为6,丝杠螺距p为5mm、直径30mm、质量50kg,小齿轮直径60mm(0.06m)、质量m1为5kg,大齿轮直径360mm(0.36m)、质量m2为30kg,磨头质量m为300kg,电机的加速时间0.2s,系统外力折算到电机上的力矩Tl为2Nm.伺服电机的最大速度4000rpm。丝杠传动时传动系统折算到马达轴上的总转动惯量:其中:J1齿轮Z1及其轴的转动惯量, kgm2;J2齿轮Z2的转动惯量,kgm2;P丝杠螺距,mm;M工件及工作台质量,kg;圆柱体转动惯量(齿轮、联轴节、丝杠、轴)的转动惯量: 所以: 加速度计算电机力矩计算T=因此,由上表可知选取1FK7060-5AF71-1。综上所述,电机选型如下:粗磨电机:6FPVF 50-1.1-4,不需外扇冷风机;精磨电机:6FPVF 50-0.75-4,不需外扇冷风机;X、Y、C轴进给电机:都采用1FK7060-5AF71-1。 此外,由于X、Y、C轴进给电机都采用1FK7060-5AF71-1,故我选用两块双轴功率模块带动。由上表可以看出,1FK7060-5AF71-1电机所对应变频器的额定电流为5A,故我选用功率模块6SN11 23-1AB00-0AA1(额定电流5A,峰值电流10A)。配套带全屏蔽的电源电缆6FX6002-5 A01-01 0。由于X、Y、C轴进给电机都采用1FK7060-5AF71-1,电机相电流4.5A,相电压220V。故所需电源模块输出总功率:P220*4.5*3=2970W.因此,根据选型资料,选择电源模块6SN11 45-1BA01-0BA1,用于安装控制柜的安装架6SN11 62-YBA04-YBA1.4.2 变频器 变频器采用 MXCRYMASTER420基本型标准变频器MlCRYMASTER 420变频器适合用于各种变速驱动装置,尤其适合用丁水泵,风机和传送带系统的驱动装置。它的特点是设备性能面向用户的需求,并且使用方便。它的电源电压规格很多,因而可在世界范围内应用。MXcrYMaster420基本型标准变频器,该型变频器采用模块化设计,采用全新的XGBT技术。通讯功能强,控制精确,可靠性高,电源三相交流(380480)V(10%,0.37kW11kW)。控制功能:线性V/f控制;平方V/f控制;可编程多点设定V/f控制磁通电流控制,可以改善动态响应特性在电源消失或故障时,具有自动再起动功能保护功能:变频器过热保护;过电压保护;欠电压保护;闭锁电动机保护;防止失速保护。容量的选择:轻载起动或连续性时变频器容量的计算 1.1其中:为变频器的额定输出电流;为电动机额定电流因为粗磨电机的额定电流较精磨电机的额定电流大,为22.3A,所以所选变频器的额定输出电流应大于1.1,即应大于24.53A。综合以上:选用变频器:6SE6420-2AD31-1CA1(带有内置A级滤波器)两个; 进线电抗器:6SE6400-3CR03-5CD3,两个。 PC至变频器的连接组合件:PC 6SE6400-1PC00-0AA0,两套。4.3 空气开关空气开关选用:DZ47-63高分断微型断路器(空气开关)适用范围:适用于保护线路的短路和过载,适用于照明配电系统或电动机的配电系统,外型美观小巧、重量轻、性能优良可靠分断能力较高,脱扣迅速,导轨安装,壳体和部件采用高阻燃及耐冲击塑料,使用寿命长,主要用于交流50Hz,额定电压至400V,额定电流至63A线路的过载、短路保护,同时也可以在正常情况下不频繁地通断电器装置和照明线路。 型号及含义:选型分析由于磨头电机分别采用了6FPVF 50-1.1-4和6FPVF 50-0.75-4,它们的额定电流分别为2.89A和2.03A,故YF2、YF3都选用DZ47-63/3p-C3;由于警示灯选用,段,闪光带响, DC 24,额定电流为0.625A,机床照明灯选用了 JL40A-1,额定电流约1.67A,故YF4选用DZ47-63/1p-C3;综合以上,并考虑到伺服供电,YF1选用DZ47-63/1p-C50.其中,YF1、YF2、YF3、YF4的位置请参看附图1-主回路分析、2-电源电路分析。4.4 变压器变压器的功率(容量)是决定于负载的,即:P2=U2XX2X+U2XXX2XX+.+U2nX2Xn(VA)P1=P2/(VA)式中:P2变压器次级功率计算值P1变压器的初级功率计算值U2X和U2XX变压器次级各绕组电压(V),其值由负载决定,U2X为24V。X2X和X2XX变压器次级各绕组电流(A),其值由负载决定,又YF4的额定电流为3A,故X2X取3A。效率,变压器容量1KVA以下的变压器容量小,效率较低,一般可取=0.8到0.9,对于变压器容量在100VA以下的,选小值;变压器容量在100VA到1000VA者选大值,在此选择为0.8。所以:考虑单相感性负荷的功率因数,则此变压器选用正泰NBK-100,其中B表示两相,100表示容量为100W。初级380V,次级24V。4.5 安全保护 根据所设计的水槽焊缝磨削数控砂带磨床的结构,采用安全光栅代替安全门对操作人员进行保护。综合考虑安全光栅的分辨率、检测高度等因素,选用用施莱格SCA系列安全光栅25SCA0150-N08 ,它接线说明如下,即安全光栅的发射单元和接收单元都需要用24VDC电源对其供电,另外接收单元的信号线绿YSSD1和信号线蓝YSSD2作为PLC的输入信号,以此来实现对操作人员的自动安全保护。 4.7 PLC程序设计 工程设计中,可编程控制器应用程序的设计大体上有三种方法,也是使用最多的方法。这些方法的应用,也因不同设计人员有着不同的技术水平和习惯存在着差异。下面介绍一下常用的几种应用程序的设计方法,以便对下面的设计更有一个清晰的认识,也使读者更加明白可编程控制器的设计方法和技巧。 1、经验设计法经验设计法也叫凑试法。在掌握一些典型控制环节和电路设计的基础上,根据被控对象对控制系统的具体要求,凭经验进行选择、组合。这种方法对于一些简单的控制系统的设计是比较凑效的,可以收到快速、简单的效果。但是它没有一个普遍的规律可遵循,具有一定的试探性和随意性,最后得到的结果也不是唯一的,设计所用的时间、设计的质量与设计者的经验的多少有关。 经验设计法的具体步骤如下:(1)确定输入/输出电器;(2)确定输入和输出点的个数、选择PLC机型、进行I/O分配;(3)做出系统动作工程流程图;(4)选择PLC指令并编写程序; (5)编写其它控制控制要求的程序;(6)将各个环节编写的程序合理地联系起来,即得到一个满足控制要求的程序。2. 逻辑设计法工业电气控制线路中,有很多是通过继电器等电器组件来实现的。而继电器、交流接触器的触点都只有两种状态即:断开和闭合,因此用“0”和“1”两种取值的逻辑代数设计电气控制线路是完全可以的。该方法法是根据数字电子技术中的逻辑设计法进行PLC程序的设计,它使用逻辑表达式描述问题。在得出逻辑表达式后,根据逻辑表达式画出梯形图。因此用逻辑设计法也可以适用于PLC应用程序的设计。顺序控制法对那些按动作的先后顺序进行控制的系统,非常适合使用顺序控制设计法进行编程。顺序控制法规律性很强,虽然编程相当长,但程序结构清晰、可读性。在用顺序控制设计法编程时,功能图是很重要的工具。功能图能够清楚地表现出系统各工作步的功能、步与步之间的转换顺序及其转换条件。功能图由流程步、有向线段、转移和动作组成,在使用时它有一些使用规则,具体如下:(1)步与步之间必须用转移隔开;(2)转移与转移之间必须用步隔开;(3)转移和步之间用有向线段连接,正常画顺序功能图的方向是从上向下或则从左向右。按照正常顺序画图时,有向线段可以不加箭头,否则必须加箭头。(4)一个顺序功能图中至少有一个初始步。可编程控制器设计语言也有多种形式,因其在继电器的基础上研制而成,所以大部分都是以开关量为主的控制方式。很多表达形式也都是电气符号的沿用,或直接使用。这样,PLC的语言就有所不同。梯形图语言是设计中使用最多的,还有流程图,语句表,这些都为程序的阅读提供了不同形式的方法,适合电气方面的工程人员阅读,也适合电子方面的工程人员进行参考使用。详细程序参照源程序4.8 本章小结 本章针对水槽焊缝磨削数控砂带磨削的加工过程,对控制系统进行了总体的方案设计,并画出了程序控制流程图。此外根据系统的控制方案,对磨床的数控系统进行了选择,并对重要的元器件进行了计算、选型。水槽焊缝磨削数控砂带磨削需要X、Y、C三轴联动,因此选择了M64S数控系统。另外,根据磨床结构及磨削实际经验,对其各部分结构的参数进行了合理的估计,并在此基础上对各元器件进行了计算及选型。结 论经过几个多月的努力,我顺利完成了毕业设计的任务,对控制系统的设计过程有了一个基本的认识。这次毕业设计是对我大学所学知识的一次综合应用,它涉及到机电传动控制、机电一体化系统设计、液压与气压系统设计、数控技术、电工电子技术、
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