（机械制造及其自动化专业论文）宽带砂光机传动与控制系统的设计与研究.pdf

南京理工大学硕士论文宽带砂光机传动与控制系统的设计与研究 摘要 本论文所研究的宽带砂光机用于对贴面装饰前的人造木工板材进行单面拉毛，以 达到贴面所需要的粗糙度要求，为进一步装饰提供良好的表面质量。宽带砂光机是木 材加工业广泛采用的加工设备，加工时噪声大、木质粉尘多，对人的健康不利。p l c 是专为工业环境下应用而设计的一种工业控制计算机，具有抗干扰能力强、可靠性高、 体积小等优点，是实现机电一体化的理想控制装置。c c l i n k 现场总线基于p l c 系统， 可以同时高速处理控制和信息数据，沟通生产过程现场控制设备之间及其与控制管理 层之间的联系，实现一体化的工厂和过程自动化控制，减小生产现场恶劣环境对人的 伤害。 本设计宽带砂光生产线有四台宽带砂光机，每一台宽带砂光机由一台f x 2 n p l c 控制，可以实现顺序控制、升降台定位控制、送料电机变频调速控制，并可设定及显 示相关控制参数。每一台砂光机的主控p l c 通过从站通讯模块与主站通讯模块相连， 主站p l c 通过r s 2 3 2 接口与上位机相连，构建了基于c c = l i n k 总线网络的宽带砂光生 产线监控系统。 工业控制组态软件使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统 监控功能的、通用层次的软件工具。世纪星组态软件具有先进性、方便性、全面性、 独特性等特点。本设计上位机运用世纪星组态软件对宽带砂光机的运行进行组态设 计，监控宽带砂光机的运行状态，统计宽带砂光生产线的产量信息，并进行故障信息 管理。 本论文的研究内容涉及机械结构及传动、电机拖动、电气控制技术、p l c 控制技 术、变频器技术、c e l i n k 总线技术、组态技术等。论文介绍了宽带砂光机机械结构， 设计了宽带砂光机传动系统，构建了以p l c 为控制器的宽带砂光机控制系统及基于 c c l i n k 总线和世纪星组态软件的宽带砂光机监控系统。论文具体内容包括：宽带砂 光机结构设计；宽带砂光生产线控制系统总体方案设计；宽带砂光机传动系统设计； 宽带砂光机控制系统设计；宽带砂光机控制系统c c l i n k 总线设计；宽带砂光机监控 系统设计，最后对控制系统的调试结果进行了分析。 虽然p l c 技术、总线技术、组态技术已广泛应用于工业控制各个领域，但其在木 工机械行业中的应用还很少见。本课题的研制对木工机械生产线的开发具有实际应用 价值。 关键词：p l cc c l i n k 组态技术监控系统 南京理工大学硕士论文 宽带砂光机传动与控制系统的设计与研究 a b s t r a c t b r o a d b a n ds a n d i n gm a c h i n eb yt h i sp a p e ri su s e dt op u l lh a i rt oc a r p e n t e rs h e e to n s i n g l ef a c eb e f o r ew a i n s c o td e c o r a t i o n , t or e a c hf i n es u r f a c eq u a l i t yf o rf u r t h e rd e c o r a t i o n b r o a d b a n ds a n d i n gm a c h i n ei sw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lp r o c e s s i n ge q u i p m e n t ，w h e n p r o c e s s i n g , n o i s ea n dw o o dd u s t a a d v e r s et oh u m a nh e a l t h p l ci s d e s i g n e d s p e c i f i c a l l yf o ri n d u s t r i a le n v i r o n m e n t s i ti sa ni n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r sw i t ht h e a d v a n t a g e so fa n t i - i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t y , h i g hr e l i a b i l i t y ，s m a l ls i z e i ti st h ei d e a lc o n t r o l d e v i c eo f m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a li n t e g r a t i o n c c - l i n kf i e l d b u si s p l c b a s e ds y s t e m i t c a na l s oh a n d l eh i g h - s p e e dd a t aa n di n f o r m a t i o nc o n t r 0 1 i th a ss e tu pt h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nf i e l dd e v i c e st h e m s e l v e sa n du p p e rs u p e r v i s i n gc o m p u t e r s i tr e a l i z e f a c t o r y a u t o m a t i o na n d p r o c e s sa u t o m a t i o nc o n t r o l ，r e d u c i n gt h ed a m a g eo ft h ew o r s t e n v i r o n m e n t t h eb r o a d b a n ds a n d i n g p r o d u c t i o n l i n e b y t h i s d e s i g nh a sf o u rs a n d i n g m a c h i n e s e v e r y s a n d e ri sc o n t r o l l e d b y af x 2 n - p l c i tc a nr e a l i z e s e q u e n t i m c o n t r o l ，p o s i t i o nc o n t r o l ，a n ds p e e dc o n t r 0 1 i t c a r la l s os e tu pa n ds h o wt h ec o n t r o l p a r a m e t e r s e v e r ys a n d e r sm a s t e rc o n t r o l l e rp l ch a sb e e nl i n k e dt o g e t h e rb yt h es l a v e s t a t i o nc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dt h em a s t e rs t a t i o nc o m m u n i c a t i o nm o d u l e m a s t e r s t a t i o np l ch a sb e e nl i n k e dt o s u p e r o r d i n a t i o nm a c h i n eb yt h er s 2 3 2i n t e r f a c e t h e s a n d e r sp r o d u c t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nc c l i n kb u sh a sb e e ni n t r o d u c e dd e t a i l l y i nt h i sp a p e r 1 1 l ei n d u s t r i a lc o n t r o lc o n f i g u r a t i a ns o f t w a r eu s e sf l e x i b l ew a y , p r o v i d i n gc o n s u m e r w i t ht h es o f t w a r et o o l so fi n d u s t r ya u t o c o n t r o lm o n i t o r i n gs y s t e m t h ec e n t u r ys t a r c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eh a sc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sa d v a n c e d ，e x p e d i e n c e ，c o m p l e t e n e s s ，a n d p e e u l i a r i t y , e t c t h es u p e r o r d i n a t i o nm a c h i n ed e s i g n st h ec o n f i g u r a t i o n p i c t u r e s o f p r o a d v a n ds a n d i n gm a c h i n e s , m o n i t o r i n gt h es t a t e so fs a n d e r s ，c o u n t i n gt h ep r o d u c t i o n s o u t p u t ，e a r r i n go n tm a l f u n c t i o ni m f o r m a t i o na d m i n i s t r a t i o n t h i sp a p e rs t u d i e sc o n t e n tr e l a t e st om a c h i n e r ys t r u c t u r ea n dd r i v e ，t h ee l e c t r i cm o t o r d r a g sm o v e ，e l e c t r i cc o n t r o lt e c h n o l o g y , p l cc o n t r o lt e c h n o l o g y , f r e q u e n c yt r a n s f o r m e r t e c h n o l o g y , c c - l i r m k c o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g y , e t c t h cm e c h a n i c a ls t r u c t u r ed e s i g no f b r o a d b a n ds a n d i n gm a c h i n eh a di n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h eb r o a d b a n ds a n d i n gm a c h i n e c o n t r o ls y s t e mh a sb e e nc o n s t r u c t e db yp l cc o n t r o l l e r t h es a n d i n gw o r k s h o pp r o d u c t i o n m o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ts y s t e ma r eb a s e do nc c - l i n kb u s ，a n dc e n t u r ys t a r i l 南京理工大学硕士论文 宽带砂光机传动与控制系统的设计与研究 c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ed e s i g ni su s e df o rb r o a d b a n ds a n d i n gm a c h i n ec o n t r o ls y s t e m sa n d p r o d u c t i o nl i n e sh m i p a p e r ss p e c i f i cc o n t e n t si n c l u d e ：i n t r o d u c t i o nt 0b r o a d b a n ds a n d i n g m a c h i n e ；b r o a d b a n ds a n d i n gm a c h i n ec o n t r o ls y s t e md e s i g n ；b r o a d b a n ds a n d i n gm a c h i n e d r i v es y s t e md e s i g n ；b r o a d b a n ds a n d i n gm a c h i n ec o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ea n ds o r w a r e d e s i g n ；c c - l i n kb u sd e s i g n ；s u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e md e s i g n t h er e s u l t so ft h ec o n t r o l s y s t e mh a v eb e e na n y l y s e d a l t h o u g ht h ep l ct e c h n o l o g y ，c c l i n kt e c h n o l o g y ，c o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g y a l r e a d yh a v ea p p l i e dt oe a c hf i e l d so fi n d u s t r i a lc o n t r o lb r o a d l y , t h ep e r s o ns e l d o ms e e s a p p l i c a t i o ni nw o o d w o r k i n gm a c h i n e r yi n d u s t r y t h ed e v e l o p m e n th a sa p p l y i n gv a l u et o w o o d w o r k i n gm a c h i n e r yp r o d u c t i o nl i n ee x p l o i t a t i o n ， k e y w o r d s ：，p l c ，c c l i n k ，c o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g y ，m o n i t o rs y s t e m m 附件二： 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：够 叩铴肜日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生虢璐 叩私月岁日 南京理工大学硕士论文宽带砂光机传动与控制系统的设计与研究 1 绪论 1 1 引言 随着木材工业、人造板工业、家具工业、建筑装潢业等的发展，木制品表面的 砂光技术得到越来越多的重视。表面砂光对于木制品的外观起着决定性的作用。与 此相应，一种能够根据木工工件的加工要求，以相应的方式，应用砂带、砂纸、砂 盘等磨削工具进行加工的磨削机器一木工砂光机应运而生，并快速发展【l 】。木工砂 光机具有砂削效率高( 磨具为多刀多刃工具) ，砂削热产生少( 采用静电植砂工艺， 砂带、砂纸的磨粒均匀直立于基底且锋刃向上，定向整齐排列，磨粒间容屑较大， 磨粒与工件的接触面积小) ，工件变形小( 磨具与工件的接触大都为柔性接触) ，表 面粗糙度好( 磨粒具有较小的负前角和较大的后角) 等特点。由于木制品的大小、 形状、规格及加工要求不同，木工砂光机的功能各异：有小型砂光机、宽幅面水平 带式砂光机、自动进料的带式砂光机、辊式砂光机、刷辊式砂光机、仿形砂光机、 宽带砂光机、砂光加工中心等。小型砂光机主要对木制品短小构件、方材零件、小 板材平面及边面等进行修整加工，以除去表面的加工痕迹及毛刺、裂痕，为后道工 序作好准备；宽幅面水平带式砂光机，砂带宽度一般为1 5 0 m m 左右，长度由板材 幅面而定，可以对木工板材进行砂光，使用灵活，砂光范围广，为手工进料；自动 进料的带式砂光机通过输送带自动进料，砂光宽度在2 0 0 r a m 至5 0 0 m m 之间，可以 对板条、门窗框、地板、板式家具中小的贴面工件进行修饰加工，加工效率高、精 度高；辊式砂光机在辊子的圆周面上卷绕砂布或砂纸，散热效果较差，磨削效率较 低，逐渐被淘汰；刷辊式砂光机可以实现对各种不同轮廓的镶板、窗框、门框及木 门等工件进行立体砂光与光漆砂光。仿形砂光机是在仿形铣床的基础上加上砂光装 置而成，可以实现对复杂形状工件的加工，效率高。宽带砂光机加工宽度范围为 2 0 0 2 6 5 0 m m ，共十多个规格，加工效率高，加工质量高，适应性好，已成为当今 木材加工业广泛采用的加工设备。宽带砂光机有轻型宽带砂光机和重型宽带砂光机 两大类。轻型宽带砂光机主要应用于定厚砂光( 使板材厚度均匀一致) 、光整砂光 ( 除去木材表面毛刺，提高表面粗糙度) 和漆面砂光( 底漆砂光、面漆砂光、漆膜 消光及抛光) 等。重型宽带砂光机主要应用于定厚砂光、消除人造板面薄弱层、消 除板材结构的不对称性、消除板材表面的各种污染，以利于胶贴、打毛工件表面达 到所需的表面粗糙度等方面。重型宽带砂光机适合于人造板生产线和大型板式家具 生产线。砂光加工中心具有组合刀架及两个砂架，c n c 自动控制，能自动生成加工 工艺，自动适应新的工作边缘状态，自动调整砂带速度，完美实现平面雕刻及边缘 修整，满足了家具业设计造型复杂工件的装饰砂光的要求i ij 【”。 4 南京理工大学硕士论文宽带砂光机传动与控制系统的设计与研究 1 2 宽带砂光机国内外发展现状 宽带砂光机不仅能提高木制产品的外观质量，而且具有变换快、生产效率高等 优点，是木材加工业广泛采用的加工设备。 1 ) 国外宽带砂光机的发展 德国、美国、意大利、荷兰、日本等国的宽带砂光机从上世纪5 0 年代开始起 步，到了上世纪8 0 年代，加工质量、功能、系列、控制各方面的技术都已经成熟 起来。世界上各种研磨产品的迅速发展进一步提高了宽带砂光机的性能和质量。早 期的普通宽带砂光机只能实现单功能，不同的机器适应不同的加工任务，已形成完 整的型号系列。随着市场需求的日新月异，用户需要高精度多功能灵活性好的自动 化设备，以适应少批量多品种短周期的加工需求。定量砂光机、模块式结构的宽带 砂光机、计算机控制的宽带砂光机应运而生。定量砂光机既可以对人造板和实木进 行定厚砂光，又可以对饰面单板和漆膜进行初砂光和精细砂光，还可以对不同形状 和尺寸的工件同时进行均匀砂光；模块式结构的宽带砂光机，关键部件采用模块化 结构，模块之间进行不同的组合，即可实现不同的加工功能，将宽带砂光机组合化、 系列化，实现多工序集中，一机多用，一次即可完成工件的全部砂光任务，提高了 加工效率，减少了工件的存放和运输，更好地适应市场快速变化的需求；计算机控 制的宽带砂光机，通过计算机一方面实现了对砂光机本身各功能参数的控制，使砂 光机能适应不同的加工条件，另一方面实现了对整个与砂光机连接的生产流水线的 控制，提高了生产的自动化程度【2 】。国外宽带砂光机已普遍应用了数控、数显、计 算机控制。 2 ) 国内宽带砂光机的发展 上个世纪8 0 年代以前，宽带砂光机均由国外引进，成本较高，数量受到限制。 随着新型人造板的发展，国内对宽带砂光机的需求不断增加，8 0 年代起开始仿制宽 带砂光机。牡丹江木工机械厂于1 9 8 2 年开始研制砂光机，现已有b s g 2 1 1 2 、b s g 2 3 1 3 等多种类型产品。以后，青岛木工机械厂、苏州林业机械厂也陆续研制生产宽带砂 光机，并已形成系列化【4 j 。与国外相比，国内宽带砂光机技术落后了1 5 年左右，差 距主要体现在自动化控制、机电一体化技术方面。 1 3 论文的课题背景及意义 本论文源于本人与南通四通林业机械安装公司合作的“宽带砂光机控制系统的 设计”课题，属机电一体化研究领域。本课题的研究内容涉及机械结构及传动、电 机拖动、电气控制技术、p l c 控制技术、变频器技术、c c - l m k 总线技术、世纪星 组态设计等。 南京理工大学硕士论文宽带砂光机传动与控制系统的设计与研究 人造板工业的发展和板式家具生产线的出现，促进了人造板表面装饰工业迅速 发展，与发达国家比，我国人造板基材质量不高，表面粗糙度、厚度误差、孔隙度 等方面大都不能满足表面贴装工艺的要求。表面砂光对于人造板的外观起着决定性 的作用，据研究分析，木制品的加工时间约有3 0 用于表面砂削加工。 宽带砂光的目的主要有以下几点：砂掉人造板表面的薄弱层；纠正人造板 的厚度偏差；提高板面的粗糙度，以获得均匀精细的表面质量，为板材的饰面加 工作好准备；修正板材结构的不对称性，消除板材横断面容重分布的不对称状态， 以利于长期保持板面的平整；砂掉板材表面的各种污染，提高板材表面的化学活 性，以利于胶贴；工作前后的超精细砂光，如工件油漆后的磨光，以获得镜面般 光滑的漆膜；工件的表面打毛，用于因原先表面太光滑，需要特殊粗糙度时的情 况。 德国、美国、意大利、荷兰、日本等国的砂光机起步早，到了上个世纪八十年 代，各方面技术已成熟起来，一般生产经济普通型和计算机控制型高档砂光机，以 满足不同层次用户的需求。我国从上个世纪八十年代才开始参照德国、日本技术研 制砂光机，且生产厂家屈指可数，不能适应砂光机的市场需求，大量设备靠国外引 进，成本高。南通四通林业机械安装公司在此背景下开始研制宽带砂光机。 砂光机加工时噪声大、木质粉尘多，对人的健康不利。总线技术可实现车间设 备之间的联网通讯、监控及各种设备的协调运行，提高车间的自动化程度。本研究 项目基于c c - l i l l l c 总线控制，p c 机作为上位机，p l c 作为下位机，通过主站p l c 与从站p l c 的连接，利用世纪星组态软件设计人机界面，实现数据采集与实时监控。 类似的控制方式在工控领域已得到了越来越广泛的应用。 1 4 论文研究的内容 1 ) 本论文通过研究宽带砂光机的机械结构及工艺要求，科学设计其传动系统， 正确选择变频电机、进给电机的功率，合理选择伺服控制系统及控制参数。 2 ) 分析宽带砂光机的控制要求，确定以三菱f x 2 n 系列p l c 为主控制器的控制 系统总体设计方案。 3 研究p l c 对变频电机的控制技术，合理选择控制方案，并选择简单易行的频 率设定方法，同时通过编码器反馈实现对送料滚筒的速度控制与显示。 4 ) 研究p l c 对步进电机的控制技术，合理选择控制方案，实现对升降台的回零、 点动、启停及准确的位置控制，研究位置参数输入及显示方法。 5 ) 研究升降台不平控制技术，可靠诊断升降台可能出现的不平故障。 6 ) 研究c c l i n k 总线技术，实现宽带砂光车间生产线的总线控制，主要包括 c c 。l i n k 总线连接，主站p l c 通讯模块、从站p l c 通讯模块的参数设置，主站c c l i n k 6 南京理工大学硕士论文 宽带砂光机传动与控制系统的设计与研究 控制程序设计，从站c c l i n k 控制程序设计等。 6 ) 研究组态软件技术，对宽带砂光机及宽带砂光生产线的运行进行组态设计， 通过上位机监控p l c 及宽带砂光机的运行状态，并统计砂光生产线所有宽带砂光机 的产量信息。 本论文预期达到的成果是合理设计传动系统和控制方案，能实现p l c 对变频电 机、步进电机及其它执行元件的正确控制，对送料滚筒的速度及升降台的位置设定 简单、方便，参数显示易行、直观，同时正确连接c c l i n k 总线系统，合理设置各 模块通讯参数，编写通讯程序，实现宽带砂光生产线的总线控制，并利用世纪星组 态设计实现对宽带砂光机及宽带砂光生产线的运行监控及状态检测。 7 南京理工大学硕士论文 宽带砂光机传动与控制系绕的设计与研究 2 宽带砂光机结构及控制系统总体方案设计 2 1 宽带砂光机结构设计 本论文所研究的宽带砂光机用于对贴面装饰前的人造木工板材进行单面拉毛， 以达到贴面所需要的粗糙度要求，为进一步装饰提供良好的表面质量。功能上属于 定厚砂光，既能降低或消除板内和板间误差，提高人造板的尺寸精度、表面平直度 和光洁度，又满足了下道工序所需的粗糙度要求。 圈2 1 1 宽带砂光机的机械结构 i 主电机2 一清洁系统3 一升降步进电机4 砂光头 5 彳 降系统6 - 机架7 砂带摆动系统8 砂架9 砂带 宽带砂光机的机械结构如图2 1 1 所示，主要包括机架、砂光系统、送料系统、 升降系统，吸尘系统、清洁系统等。其中，机架采用钢框结构，既坚实又抗振，保 证了定厚砂光的精度。砂光系统主要包括砂带、砂架、砂光头及砂带摆动系统。砂 带由基材、粘结剂、磨料组成。基材有纸、布、纸布复合、尼龙、胶片等多种材料， s 南京理工大学硕士论文宽带砂光机传动与控制系统的设计与研究 不同的材料决定了砂带不同的柔曲度和抗拉强度【4 】。粘结剂使磨料与基材良好结合， 保证砂带在强力磨削条件下不致使磨粒脱落。磨粒由不同的材料( s i 0 2 ，a 1 2 0 3 ，s i c 等) 组成，为针状，分为不同的粒度，粒度等级越小，磨粒越粗，允许切削深度和 容屑空间越大，切削能力越强，反之粒度等级越大，磨粒越细，切削能力越弱1 3 1 。 砂带磨削模具与工件之间为柔性接触，有较好的跑合和抛光作用，能获得较好 的表面粗糙度。砂带磨削为典型的弹性磨削，其实际磨削值小于理论值，发热量小， 减少了工件的变形和烧伤，具有“冷态磨削“之称。 要保证板材表面质量，提高砂削效率，节约成本，必须合理选择磨削拉力、磨 削压力、磨削速度、砂粒粒度。在砂带基体能承受的范围内，尽量绷紧砂带，以得 到高的拉力，充分发挥砂带的切削能力，而如果砂带张紧力不足，则容易出现打折、 跑偏、爆带( 砂带断裂) 现象。砂带的磨削压力要适度，不能让磨粒的裸露部分全 部切入工件，没有容屑空间，使磨粒之间的空隙全部被磨屑嵌入而丧失磨削能力。 适度的磨削压力，可保持稳定的工件切除量，保证加工精度，一旦磨粒发生磨耗， 其磨削能力降低，此时应降低工件的进给速度，以减小单位时间内的去除量，如果 工件的进给速度低于经济运行速度，则应更换砂带。磨削速度包括砂带线速度和工 件迸给速度。宽带砂光机砂带的线速度一般是恒定的，在1 2 3 0 r n s 范围内【引。工 件的进给速度是砂光机重要的设计参数，必须与砂带线速度，工件宽度，工件硬度 及切削量等参数相匹配，才能获得好的切削质量和高的切削效率。现在国内外砂光 机的进给速度一般为6 4 0 m m i n ，送料电机采用无级调速，保证无论加工何种工件， 都能获得合适的进给速度f 4 】。砂带粒度的粗细决定了切削去除率的高低，粒度越粗， 去除率越高，粒度越细，去除率越低。本论文研制的宽带砂光机是对人工板材表面 进行拉毛的，选择粗粒砂带。砂带装、卸、张紧由砂带升降气缸控制。 砂架为砂光系统的支承件，与机架应紧密结合，保证刚度和抗震性能，提高砂 削过程的稳定性和良好的砂削质量。根据砂削工艺的不同，宽带砂光机有上砂式， 下砂式及混合式三种砂架形式。上砂式砂架的送料系统位于砂带的下方，砂带砂削 工件的上表面，利用送料工作台的升降完成不同厚度工件的砂光，由于工作高度不 固定，不利于生产线的使用。下砂式砂架送料系统位于砂带的上方，砂带砂削工件 的下表面，也是利用送料工作台的升降完成不同厚度工件的砂光，由于工作高度固 定，可用于生产线。混合式砂架由上砂式砂架和下砂式砂架组合而成，可实现双面 定厚砂光，主要用于人造板生产线。本论文设计的宽带砂光机为下砂式砂架。 由于砂光工艺不同，不同的砂架可安装不同的砂光头。砂光头有定厚砂光头、 砂光垫砂光头、组合式砂光头、带压带器的砂光头、横向砂光头等多种形式。本论 文设计的宽带砂光机选择定厚砂光头，示意图如图2 1 2 。定厚砂光头切削力强，接 触辊与工件为线性接触，安装粗粒砂带，砂削后表面比较粗糙，满足了设计要求。 9 南京理工大学硕士论文宽带砂光帆传动与控制系统的设计与研究 接触辊 砂带 张紧辊 图2 1 2 宽带砂光机定厚砂光头示意图 接触辊为砂带驱动器，张紧辊用来张紧砂带。砂带随接触辊转动的力，主要来 自于砂带接触辊包角的摩擦力，该摩擦力不能小于砂带与工件之间的摩擦力，否则 会出现砂带打滑现象，局部产生高温，使砂带基体变脆，韧性打折3 1 。 主传动为回转运动，驱动电机的动力经皮带传递给主轴。主轴上装有砂带接触 辊。图2 1 3 为主传动原理图。 3 图2 1 _ 3 宽带砂光机主传动原理图 1 接触辊2 - 砂带3 张紧辊4 v 带5 驱动电机 由于砂带边缘长度不规则等原因，砂带在运行过程中往往容易跑偏甚至滑脱， 影响砂光机正常工作。因此，设计时采用了砂带摆动控制，在砂削过程中砂带左右 交替摆动，克服砂带向一侧跑偏，并起了纵横砂削的效果，减小砂削痕迹，提高砂 削质量。本论文设计的宽带砂光机砂带摆动采用气动控制，两侧摆动极限各由一只 光电开关来控制电磁阀的动作，实现砂带的换向摆动。设计时应考虑光电开关的寿 命，灵敏度及可靠性。 1 0 南京理工大学硕士论文宽带砂光帆传动与控制系统的设计与研究 送料系统有输送带送料和滚筒送料两种形式。本设计为滚筒送料，送料滚筒采 4 图2 1 4 宽带砂光机切削原理示意图 1 前、上输送辊2 一工件3 一前，下输送辊4 一定位辊 5 - - 后，上输送辊6 一后、下输送辊7 一接触辊8 一砂带9 - - 张紧辊 用实心钢辊，以提高刚度。图2 1 4 为切削原理示意图，上、下输送辊反向转动， 上输送辊逆时针转动，下输送辊顺时针转动，通过摩擦力向右输送木板，由于输送 滚筒之间存在空隙，在砂光头两侧装有压靴，起工件传送的导向作用，并给工件以 刚性支持。上输送辊随着升降台上、下运动，以满足不同厚度工件，不同砂削量的 加工。为使砂带的磨削压力适度，以获得最佳的磨削效率和表面效果，采用2 只定 位辊压力气缸，调节定位辊、工件、砂带之间的压力。 前已述及，工件的进给速度是一个重要的设计参数，应能随着工件材料、工 件大小、切削量的变化而变化，以获得好的切削质量及高的切削效率。工件的进给 速度取决于输送辊的旋转速度。随着现代电力电子技术的发展和可控硅变流技术的 普及，变频器调速电控系统的应用越来越广泛。变频调速技术集自动控制，微电子， 电力电子，通信技术于一体【4 7 】，具有可靠性好、精度高、节能、价格低、易于实现 智能控制等特点。本设计送料电机采用变频器调速，由p l c 程序控制，可实现自动 控制、无级变速。送料电机的动力经v 带、蜗轮蜗杆、链轮及齿轮传动传递给输送 辊。进给传动示意图如图2 1 5 所示。 南京理工大学硕士论文宽带砂光机传动与控制系统的设计与研究 图2 1 5 宽带砂光机进给传动原理示意图 1 上输送辊2 下输送辊3 v 带4 送料电机 一般砂光机的升降行程为3 1 5 0 m m 【4 】。本设计宽带砂光机升降行程为8 0 r a m 。 为了保证不同厚度工件的砂光质量，并实现自动控制上、下行程，升降台的上，下 运动由型号相同，同步控制的四台步进电机拖动( 分别安装在四个角上) ，由p l c 程序控制。步进电动机是自动控制系统中常用的控制电动机，是一种能将数字输入 脉冲信号转换为旋转运动的电磁执行元件，控制简单，可以实现高精度，无累计误 差的传动l l ”。步进电机通过联轴器与滚珠丝杠紧密联接，采用导柱导套结构传动， 滚珠丝杠转动时，导套沿着导柱上下自如滑动。当升降台不运动时，按下夹紧手柄， 使导柱、导套处于夹紧状态，而当升降台需上下运动时，松开夹紧手柄，使导柱、 导套处于松开状态。升降系统上下行程数字显示，要求工件厚度公差在0 1 m m 之内。 升降台采用四只配重气缸来平衡自重。 升降台结构见附图b 2 。 木制工件在磨削过程中会产生大量的粉尘，因此在砂光头处装有吸尘装置，由 吸尘电机驱动，吸尘管道路径要合理，并保证气流通畅及一定的气流速度。 砂削后，木制工件表面残留一些木粉，在砂光机的后端，设计一台独立驱动的 刷辊，以除去工件粉尘，不让粉尘带出机器外面，对机器周围的环境清洁及工件下 道工序的加工有利。 1 2 南京理工大学硕士论文 宽带砂光机传动与控制系统的设计与研究 2 2 宽带砂光机气动系统设计 宽带砂光机使用了大量的气缸实现所需要的控制，如砂带升降气缸、砂带摆动 气缸、定位辊压力气缸、升降台夹紧气缸、升降台配重气缸等。另外，驱动辊的刹 车装置还使用了一只气液增压缸。气压原理如图2 2 1 所示。 定位辊压力气缸( 2 只) 图2 2 1 宽带砂光机气压原理图 2 3 宽带砂光机安全系统要求 根据木工机床安全通则，宽带砂光机应实现以下安全保护： 1 ) 气压保护 当气压低于正常工作电压时，机床禁止运行。 2 ) 电机保护 各电机根据各自工作要求设置合理的安全保护，如短路保护、过载保护、升降 台四台步进电机的同步控制等。 3 ) 紧急制动 出现紧急情况时，按下急停按钮，机床立即停止运行，主滚筒( 驱动辊) 立即 刹车，1 5 秒钟之内停止，采取气液混合刹车装置。 1 3 南京理工大学硕士论文宽带砂光机传动与控制系统的设计与研究 钔失电保护 砂光机突然停电时，主滚筒刹车装置在电磁阀失电后，由阀芯弹簧复位，气源 接通增压缸，将主滚筒刹停，升降夹紧装置在夹紧电磁阀失电后，也由阀芯弹簧复 位，气源接通锁紧缸，拉动夹紧手柄，夹紧导柱、导套。来电后，电磁阀得电，刹 车装置松开。 5 ) 砂带保护 当砂带运行时跑偏、滑脱、爆带( 断裂) 时，砂带左右限位及断裂保护开关将 使机床立即制动。 6 ) 升降保护 砂光机升降台运行时着因故障而偏离了设置的行程范围时，上、下行程限位开 关将使升降台停止升降。升降台由四台步进电机同步控制，对可能出现的升降台不 平故障设有专门的保护。 2 4 宽带砂光机控制系统总体方案设计 2 4 1 控制方式的选择 在机械本体结构相近的情况下，一台设备的整体性价比往往取决于控制系统的 选择。纵观国内外砂光机的发展历程，在控制方面经历了手动控制和计算机控制两 个阶段。手动控制方式继电器接触器控制线路非常复杂，采用固定接线的硬件实现 控制逻辑，控制系统体积大、耗电多、可靠性差、生产效率低、精度差。用计算机 控制1 3 】，一方面是对砂光机本身各功能参数的控制，另一方面可以实现对整个与砂光 机连接的生产作业线的控制，提高了生产的自动化程度 2 1 。但如果采用全功能数控 系统【4 】实现对砂光机进料电机变频调速控制及砂带升降控制，又造成了功能的浪费， 价格昂贵；如果采用单板机或单片机控制，除了要进行软件开发外，还要设计硬件 电路、接口电路、驱动电路，特别要考虑工业现场中的抗干扰问题。可编程逻辑控 制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 简称p l c ，是以微处理器为基础，综合了计算机 技术、自动控制技术和网络通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控 制装置，是将计算机技术应用于工业控制领域的新产品，具有抗干扰能力强、可靠性 高、体积小等优点，是实现机电一体化的理想控制装置。 宽带砂光机除了要实现多台普通电动机启停控制、砂带摆动控制、刹车、夹紧 控制、各种安全限位保护控制、各类运转报警指示及进料张数显示等开关量为主的 控制外，还要实现对送料系统变频电机、升降系统步进电机的控制。本设计利用三 菱f ) ( 2 n 系列p l c 作为核心控制器，其丰富的指令系统及特殊功能模块能够满足宽 带砂光机的控制要求。 南京理工大学硕士论文宽带砂光机传动与控制系统的设计与研究 2 4 2p l c 对变频器的控制 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能 控制装置。由三相异步电动机转速公式n = 0 s ) 6 0 f p 可知，只要连续改变频率f ，就 可以实现平滑调速。在基频以下调速时，速度调低，应使电动机定子电压随频率成 正比变化，实现恒磁通以保证电机正常工作。在基频以上调速时，速度调高，频率 上调时保证定子电压不变，为恒功率调速。交流电动机变频调速范围较宽，调速平 滑性好，机械特性硬，是一种优良的调速方法。 p l c 对变频器的控制方式一般有三种，一是p l c 输出开关量信号，通过变频 器的正、反转及多段速等外部控制端子实现对变频器的正、反转及多段速度的控制， 该控制方式只能实现几种速度，主要应用于控制电动机按预先设定的几个固定频率 运转的场合，不能充分利用变频器的无级调速功能，也不能跟踪变频器的故障：二 是变频器的正、反转控制由p l c 通过开关量输出控制，变频器频率由p l c 通过模 拟量输出模块( d a 模块) 输出o 5 v 、0 1 0 v 或4 2 0 m a 信号控制，该控制方 式可以实现无级调速，与网络通讯控制调速系统相比，响应时间大大提高，但需要 购买模拟量输出模块，并且p l c 只能读出变频器的故障状态，无法判断具体故障原 因；三是p l c 通过串行通讯方式与变频器通讯，控制变频器的运行，读取变频器的 参数和报警信息，再通过p c 机( 或h m i ，如触摸屏) 显示出来，该控制方式可靠 性高，可节约p l ci o 端口，并可动态获取变频器的所有信息，但需要增加p c 机 或触摸屏等显示装置1 2 ”。宽带砂光机需要在一定的范围内实现送料电机的无级调 速，综合性价比，考虑单台设备的独立性、完整性，本设计p l c 对交频器的控制方 式选择d a 模块控制。 2 4 3p l c 对步进电机的控制 步进电机又称为脉冲电机，是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或直线位移 的控制电动机，它将输入的脉冲信号变成电动机轴的步进转动，在工作范围内，每 输入一个脉冲信号，步进电机就转过一个角度( 步矩角) ，输入脉冲的数量决定了 电机旋转的角度，输入脉冲的频率决定了电动机的转速，脉冲频率越高，电动机转 速越高，脉冲频率越低，电动机转速越低，改变脉冲分配相序，就改变了电动机的 旋转方向，没有脉冲输入时，转子能稳定的停止在原来位置上。脉冲信号一般都很 弱，需经步进驱动器进行信号环分( 硬件环分或软件环分) 及功率放大后才能驱动 步进电机。 p l c 对步进电机的控制随着频率要求的不同可以选择不同的方法。当步进电机 转速要求较低( 1 k h z 以下) 时，可以利用p l c 中的定时器、计数器，利用控制软 南京理工大学硕士论文宽带砂光机传动与控制系统的设计与研究 件设置一个脉冲总数和脉冲频率可控的脉冲信号发生器【1 4 】；当步迸电机转速要求较 高( 2 0 k h z 以下) 时，可以利用p l c 内部的高速处理指令p l s y ( 脉冲输入) 或 p l s r ( 带加减速脉冲输出) 进行中断处理；当步进电机转速要求很高( 1 0 0 k h z 以 下) ，运动机构的位置要求较高，并需要回零、限位、点动控制等伺服功能时，可 以利用p l c 内置式脉冲输出功能的定位指令( a b s ，z r n ，p l s v ，d r v i ，d r v a 等) ，或p l c 运动控制模块f x 2 n 1 p g ，f x 2 n - 1 0 g m ( 内有微处理器) 实现控制。 f x 2 n i p g 是脉冲输出模块，可控制1 个轴定位，输出脉冲为1 0 0 k h z 。f x 2 n 1 0 g m 是单轴定位模块，可以脱离p l c 独立工作，最大脉冲输出频率为2 0 0 k h z 。 宽带砂光机升降台除需要精确定位( 精度达到0 1 m m ) 外，还需要回零、限位、 点动控制等功能，利用p l c 内置式脉冲输出的定位指令能满足控制要求，但编程复 杂，p l c 必须选择晶体管输出方式，其价格高于继电器输出方式，且只能带直流负 载，驱动负载的能力较弱( 小于5 0 0 m a ) ，而继电器输出方式的p l c 价格低，带负 载的能力较强( 可达2 a ) ，且既可带直流负载，又可带交流负载。f x 2 n - i p g 为f x 系列p l c 的专用运动控制模块，设置控制参数方便，编程简单，具有独立的微处理 器，处理速度快且少占用p l c 内部资源，节约了p l c 输出点数，p l c 可选择继电 器输出方式，驱动负载的能力强。故本设计选用f x 2 n i p g 脉冲输出模块实现升降 台的定位功能。 2 4 4c c l i n k 总线技术 c c l i n k 是c o n t r o l & c o m m u n i c a t i o nl i n k 的简称，是一类基于p l c 系统的，可 以同时高速处理控制和信息数据的现场总线，能够提供高效，一体化的工厂和过程 自动化控制1 7 】。 c c l i n k 是一种高可靠性、高性能的、开放的、数字化、双向、多站的通讯系 统，其在实时性、分散控制、与智能机器通信等方面具有最新和最高功能，同时为 用户提供各厂商现场设备的使用环境。c c l i n k 总线网络构建简单便捷，省配线、 低成本，与传统的r s 4 8 5 通讯方式相比，通讯距离长( 通过中继器可以在4 3 公里 范围内通讯) ，传输速度快( 最高