YM3150E滚齿机PLC改造.doc

专业综合设计与实践报告书专 业 班 级 学 号 姓 名 目录第一章YM3150E滚齿机简介11.1整体功能介绍11.2控制要求11.3 课题现状分析1第二章YM3150E滚齿机的运动分析4第三章YM3150E滚齿机的电路分析5第四章YM3150E滚齿机的PLC选型84.1 PLC的基本概念84.2三菱PLC的主要特点84.3 PLC的选型9第五章YM3150电气控制线路的PLC改造115.1输入输出的设计115.2 YM3150E滚齿机的电气改造图125.2YM3150E滚齿机的PLC改造梯形图14第六章 仿真与调试15第六章 总结18参考文献19第一章YM3150E滚齿机简介1.1整体功能介绍重庆机床厂生产的YM3150E型精密滚齿机采用了传统的接触器继电器控制系统继电接触器控制系统是使用按钮、开关、行程开关、继电器、接触器等组成的控制系统。它通过电气触点的闭合和分断来控制电路的接通与断开，实现对电动机拖动系统的起动、停止、调速、自动循环与保护等自动控制。它具备控制器件结构简单、价格低廉、控制方式直观、容易掌握、工作可靠易维护等优点，但是体积较大、控制速度慢，改变控制功能必须通过改变接线来完成，比较麻烦和困难，在现在工厂的实际操作中，越来越不适应现场控制。本文就针对新的方案解决YM3150E型精密滚齿机难控制的问题，使用PLC对它进行改造。该机床由液压泵电机、主电机、冷却电机和快速移动电机组成。液压泵电机主要是提供液压阀的压力来润滑机械等功能；冷却电机提供机械的冷却循环系统，使得机械的温度不至于过高，控制在一定的范围里；快速移动电机用于装置的快速移动，提高非工作时段的效率，以提高整体的效率。1.2控制要求在这些电机中有一定的启动顺序，只有满足一定的启动要求后才能确保机械的安全使用，保证它的稳定性，所以必须在液压泵电机起动并使水银继电器触点闭合以后主电机才能起动，在主电机起动以后冷却电机才能起动当液压泵电机停止以后整个机床处于停止工作状态。当电箱门打开时电箱门压动行程开关断开，整个机床处于断电状态，以防止触电。当传动箱门打开时传动箱门压动式行程开关处于断开状态，机床不能起动，必须把门关上以后主电机才能起动。一旦机床起动以后主电机控制系统自锁则可以打开传动箱门观察齿轮润滑情况，并且轴向运动有超行程保护开关为轴向超行程保护开关，切向运动有超行程保护开关为切向超行程保护开关对机床进行轴向和径向运动的保护。1.3 课题现状分析国内外的基本研究情况是滚齿机从制造技术和核心技术来看，其发展历程可分为两大阶段：20世纪80年代之前，以传统的机械式滚齿机为主导。传统的机械滚齿机以手动操作为主，以一台主轴电机的运行利用齿轮挂箱实现各运动部件的转速控制和转速联动，劳动量大且传动链长难以保证加工精度；20世纪80年代数控滚齿机问世，数控滚齿机按其机床结构和工作特点及制造技术可分为三代:第一代数控滚齿机为工件轴和滚刀轴的切削线速度，第二代滚齿机应运而生。其工件轴和滚刀轴采用齿轮副传动，速度有了很大提高。但该机床传动链长，加工精度不易保证。同时，加工不同工件时需要进行必要的挂轮操作，劳动强度大，效率低。1997年，美国格里森收购了发明世界上第一台滚齿机的德国普发特公司，联手研发了第三代数控滚齿机。第三代滚齿机的主要特点是在滚刀主轴和工件主轴上采用电动主轴的直接驱动技术，缩短了传动链从而保证了高速度、大转矩和高精度的滚齿加工。近十年间，格里森公司又开发出第四代滚齿机GENESISTM 130H，它比普通数控滚齿机的性能有了很大的提升（见表11），这也是当今世界上唯一的第四代数控滚齿机。机床采用西门子840D数控系统，具有7个数控轴（X轴式径向轴，Y轴式切向轴，Z轴式轴向轴，A是刀架旋转轴，B是滚刀主轴，C是工件轴，Z2是尾架轴），其中4个是联动轴（X、Z、B和C）；采用干切技术，高速钢滚刀切削，转速达955r/min，线速度达180m/min，完成单件全部过程仅需19s；精度高于DIN Class7；用于高精密加工时可达到DIN Class5甚至更高，真正达到高精度、高速度。 表1.1 GENESISTM130H数控滚齿机与普通数控滚齿机的切削情况比较 工件 切削参数项目GENESISTM130H普通数控滚齿机齿数34 刀具转速955r/min300r/min模数1.3589mm表面切削速度180m/min71r/min压力角14.267进给速度2mm/r1.75mm/r螺旋角19.401切削时间15s54.9s全齿深3.2mm装夹时间4s12s外径53.12mm每件总时间19s66.9s齿宽28.346mm件数/h189.5Pcs53.8Pcs 注:以上数据根据各机床能力选用的刀具等有所不同目前，国内的齿轮加工企业却面临很大的窘境。我国机械加工业与发达国家相比总体水平较低，而且大部分中、小型企业的齿轮加工设备仍使用传统的手动机械机床，而传统的齿轮加工机床已越来越难以适应现代化生产的要求。使用传统的机械滚齿机加工齿轮，产品精度得不到保证，并且加工劳动强度大、效率低，这样导致企业生产成本高，企业竞争力差。分析齿轮加工过程，导致产品精度误差的来源很多，但其中大部分误差是由机床自身的问题引起的。另外齿轮加工在国民经济发展中也占有重要位置，据统计：十五期间，中国齿轮行业总产值由250亿元增长到500亿元，平均增长速度接近20%，五年间上升了一倍，排名世界第四，销售规模上亿元企业超50家，行业集中度明显提高。2006年中国齿轮行业的年产值是590亿。但是，传统的机械滚出机床结构非常复杂，一台主电机不仅要驱动展成分度传动链，还要驱动差动和进给传动链，个传动链中的每一个传动元件本身的加工误差都会影响被加工齿轮的加工精度，同时为加工不同齿轮，还需要更换各种挂轮调整起来复杂费时，大大降低了劳动生存率。而现在我国大约有五万台已陈旧滚齿机，加工不出GB10095-88标准的7级齿轮。因此，改造机床、减少机床误差是提高产品精度、增强企业市场竞争力的有效途径。分析齿轮加工过程，导致产品精度误差的来源很多，但其中大部分误差是由机床自身的问题引起的，因此，改造机床减少机床误差是提高产品精度，增强企业市场竞争能力的有效途径。传统机械滚齿机加工误差分析见下表1.2： 表1.2 普通机床各误差源对加工精度的影响程度 机床误差（%） 几何误差（%） 2030 热误差（%） 2535 机床总误差（%） 4565加工过程误差（%） 刀具误差（%） 1015 夹具误差（%）610 工件热误差（%）35 操作误差（%）610加工过程总误差（%）2540检测误差（%） 安装误差（%） 25 不确定误差（%） 810 检测总误差（%） 1015 由表1.2可以看出，齿轮加工的误差来源较多，而机床误差就达到误差总额的45%65%。因此，更新设备，减少机床自身的误差比对其他误差的纠正更有意义和价值。第二章YM3150E滚齿机的运动分析在加工不同类型的齿轮时，其传动链有不同的要求，归纳起来，滚齿机上主要包括的传动链有： 1)直齿加工时，电动机带动滚刀旋转的运动链(外联系传动链)、滚刀旋转与工作台回转之问的内联系传动链(内联系传动链)、滚刀在刀架的带动下沿轴向的直线运动(外联系传动链)。 2)斜齿轮加工时，由于斜齿轮与直齿轮的不同之处是齿线为螺旋线，因此，斜齿轮滚切时，除了与滚直齿一样，需要有滚刀旋转与工件旋转之间的展成运动、主运动、轴向进给运动外，为了形成螺旋齿线，在滚刀作轴向进给运动的同时，工件还应作附加旋转运动，而且这两个运动之间必须保持确定的运动关系，即滚刀移动一个工件螺旋线导程时，工件应该准确地附加转过一圈。 3)蜗轮加工时，用蜗轮滚刀滚切蜗轮，齿廓的形成方法与加工圆柱齿轮是相同的，但齿线是当滚刀切至全齿深时，在展成齿廓的同时形成的。因此，主要运动包括滚切蜗轮的展成运动、主运动以及滚刀切人工件的切入进给运动。对于YM3150E滚齿机，其切入运动是径向进给法，即在加工齿轮时，还应该由滚刀或工件沿工件径向作切人进给运动，使滚刀从蜗轮齿顶逐渐切人至全齿深。第三章YM3150E滚齿机的电路分析YM3150E滚齿机的控制特点主要体现在以下几个方面： 1)主电动机M2带动刀具、刀架、工作台运动，并能实现正、反转。 2)液压系统提供工作台径向进给的动力。 3)切削液由冷却泵电动机M3提供。 4)刀架的轴向快速运动由电动机M4提供，而加工齿轮时的轴向进给是由主电动机带动。5)能够监控液压润滑油的多少，当润滑油过少时要提示。电气元件名称及用途电气元件名称及用途M1液压泵电动机KM2、KM3主电动机用接触器M2主电动机KM1冷却泵用接触器M3冷却泵电动机KM5、KM6轴向电动机用接触器M4轴向快速运动电动机YA1、YA2平衡液压缸用电磁阀的电磁铁TC控制变压器SQ1SQ4行程开关SA1总开关FR1FR3热继电器SA2照明开关HL1HL3指示灯SA3主轴正、反转开关SB1、SB2、SB3主电动机起、停按钮SA4径向快速开关SB4、SB5M4正、反向点动按钮SA5冷却泵开关HL照明灯KM1液压泵用接触器KF浮子继电器1主电路 液压泵电动机M1由接触器KMl控制，主电动机由接触器KM2、KM3控制，并能实现正、反转。冷却泵电动机M3由接触器KM4控制，轴向快速运动电动机由接触器KM5、KM6实现正、反转控制。电动机M1、M2、M3都设有过载保护。 2控制电路 (1)液压泵控制 总开关SAl闭合，为控制电路接通做好准备，同时接通接触器KMl线圈电路，KMl得电；液压泵电动机M1主电路闭合工作，为液压系统提供压力油，为传动元件提供润滑油，保证旋转元件在工作之前得到充分的润滑。 (2)主电动机控制 滚齿过程中的主要运动都是由电动机M2提供。先将转换开关SA3转换到KM2线圈电路，此时按下按钮SBl，接触器KM2线圈电路接通，利用其常开触点使KM2自锁，主触点闭合，电动机M2正转，主电路接通，电动机M2通过外联系传动链带动滚刀正转(逆铣)，由滚刀轴通过内联系或者外联系传动链带动刀架、工作台运动，当刀架运动到上方或者下方的极限位置时，由行程开关SQ2和SQ4进行极限位置保护，压下行程开关，接触器KM2线圈断电，电动机M2停止转动。 当SA3转换到KM3线圈回路位置，按下按钮SBl时，接触器KM3将得电并自锁，电动机M2反转，带动刀具作顺铣加工。 当按下按钮SB3时，其常开触点闭合，接通接触器KM2或KM3电路。但由于SB3的常闭触点切断了KM2或KM3线圈的自锁回路，接触器线圈回路不能自锁，电动机M2只能点动旋转，为机床点动调整控制状态，有利于调整各个运动部件之间的相对位置。 (3)冷却泵电动机控制 在主电动机的工作状态，即KM2或KM3线圈得电的情况下，将转换开关SA5置于闭合状态，接触器KM4线圈电路闭合，线圈得电，主触点接通电动机M3主电路，冷却泵工作，为切削过程提供切削液。 （4)轴向快速移动点动控制 刀具在加工完毕，轴向返回初始位置或作刀架的轴向调整时，刀架需要作快速移动。为了减少传动元件和缩短辅助时间，利用快速电动机带动刀架作轴向运动。在作快速移动之前，将刀架轴向工作进给的传动链切换到由快速电动机带动的传动链。扳动手柄接通快速运动机械离合器，断开工作进给传动链，压下行程开关SQ3，然后按下按钮SB4，接触器KM6线圈电路接通，其主触点闭合，快速移动电动机M4正转，电动机带动刀架快速从底端向上运动，由于KM6线圈回路没有自锁，电动机只能点动工作，松开按钮SB4，则运动停止。 当按下按钮SB5时，接触器KM5得电，接通电动机M4的反转电路，轴向快速移动电动机M4反转，带动刀架作由上向下的快速移动。接触器KM5的常开触点闭合，接通电磁阀电磁铁YA2电路，平衡液压缸工作，使得快速向下移动平稳。 (5)径向运动控制 为了能够调整刀具与工件的径向位置和加工蜗轮的需要，工作台能够作径向运动，其运动由液压系统提供动力，当转换开关SA4闭合后，电磁铁YAl得电，液压缸推动工作台作径向运动。 (6)其他控制内容 照明电路采用24V电源，当将转换开关SA2闭合时，照明电路接通，灯HL亮。指示灯电路主要有电源指示灯HLl、润滑油指示灯HL2、主电动机过载指示灯HL3，在合上电源总开关(低压断路器)QFl时，指示灯HLl亮，标志电源接通；当润滑油减少到一定程度时，安装在液压缸中的浮子继电器KF触点闭合，指示灯HL2亮，提醒操作者及时添加润滑油，以监控润滑油；当主电动机过载时，热继电器FR2常开触点闭合，指示灯HL3亮，提示操作者系统有故障，主电动机过载。第四章YM3150E滚齿机的PLC选型4.1 PLC的基本概念早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller,PLC），它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC,PLC自1969年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。PLC的应用面广、功能强大、使用方便，已经广泛应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其他领域，例如民用和家庭自动化的应用也得到了迅速的发展。PLC扔然处于不断的发展之中，其功能不断增强，更为开放，它不但是单机自动化中应用最广泛的控制设备，在大型工业网络控制系统中也占有不可动摇的地。PLC的应用之广、普及程度之高，是其他计算机控制设备无法比拟的。 国际电工委员会（IEC）在1985年的PLC标准草案第3稿中，对PLC作了如下定义：“可编程控制器是一种中数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的储存器，用来在其内部储存执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器即其有关设备，都应按易于是工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”从上述定义可以看出，PLC是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，出能完成各种各样的控制功能外，还有与其它计算机通信联网的功能。4.2三菱PLC的主要特点三菱FXPLC是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置，除输入出1625点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。特点:-系统配置即固定又灵活；-编程简单；-备有可自由选择，丰富的品种；-令人放心的高性能；-高速运算；-使用于多种特殊用途；-外部机器通讯简单化；-共同的外部设备。产品说明：FX系列PLC拥有无以匹及的速度，高级的功能逻辑选件以及定位控制等特点； FX2N是从16路到256路输入/输出的多种应用的选择方案；FX2N系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置。除输入出16-25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。可根据电源及输出形式，自由选择。程序容量：内置800步RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至16K步。丰富的软元件应用指令中有多个可使用的简单指令、高速处理指令、输入过滤常数可变，中断输入处理，直接输出等。便利指令数字开关的数据读取，16位数据的读取，矩阵输入的读取，7段显示器输出等。数据处理、数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根、浮点小数运算等。特殊用途、脉冲输出（20KHZ/DC5V，KHZ/DC12V-24V），脉宽调制，PID控制指令等。外部设备相互通信，串行数据传送，ASCII code印刷，HEX ASCII变换，校验码等。时计控制内置时钟的数据比较、加法、减法、读出、写入等。4.3 PLC的选型PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：a、电源 :PLC使用AC220V电源或DC24V电源。内部的开关电源为各模块提供不同电压等级的直流电源。小型PLC可以为输入电路和外部的电子传感器提供DC24V电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。b、中央处理单元(CPU)：CPU模块简称CPU。CPU模块主要有微处理器和存储器组成。在PLC控制系统中，CPU模块想到那个鱼人的大脑和心脏，他不断的采集输入信号，执行用户程序，舒心系统的输出；存储器雍闿储存程序和数据。c、I/O模块：输入和输出模块简称为I/O模块，他们相当于人的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。输入模块用来接受和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟电流电压信号。开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备；模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。 CPU模块的工作电压一般是5V而PLC外部的输入/输出电路的电源电压较高，例如DC24V和AC220V。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使PLC不能正常工作。在I/O模块中用光耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC的内部电路和外部的I/O电路。I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。 d、编程器：编程器用来生成用户程序，并用它来编辑、检查、修改用户程序，监视用户程序的执行情况。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫指令编程器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用于现场调试与维护。 使用编程软件可以在计算机屏幕上直接生成和编辑梯形图或指令表程序，并且可以实现不同编程语言之间的转换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以错判或打印，通过网络或电话线，还可以实现远程编程和传送。本次课设选用的PLC，如下图：第五章YM3150电气控制线路的PLC改造5.1输入输出的设计 根据YM3150E的工作过程和已有继电器控制的电气参数，选择FXIN可编程序控制器进行改造。首先考虑保证原有控制功能不变，尽量保留原来的电气元件，不添加新的元件。主电路不变，PLC电源电压为交流220V，接触器线圈负载和电磁铁线圈电源为交流110V。照明电路和指示灯电路逻辑关系简单并独立，不作改造。总计输入点数为16、输出总点数8，选用FXIN-40MR能够满足要求。 改造过程中主要采取的措施： 1)将液压泵电动机的起停条件作为主控条件，只有在液压泵电动机开始工作以后，才能起动其他输出继电器。 2)热继电器直接与输入继电器连接。 3)各个转换开关都只用了两个位置，所以分别占用一个输入端口。逻辑元件的分配见表51。电气元件逻辑元件作用I/O地址SB1X0主电动机起动按钮I0.0SB2X1主电动机停止按钮I0.1SB3X2点动调整主电动机按钮I0.2SB4X3轴向快速电动机正向点动按钮I0.3SB5X4轴向快速电动机反向点动按钮I0.4SQ1X5轴向行程开关I0.5SQ2X6轴向超行程保护开关I0.6SQ3X7轴向快速移动行程开关I0.7SQ4X10轴向超行程保护开关I1.0SA1X11总开关I1.1SA3X12主轴正、反转开关I1.2SA4X13径向快速开关I1.3SA5X14冷却泵开关I1.4FR1X15热继电器触点I1.5FR2X16热继电器触点I1.6FR3X17热继电器触点I1.7YA1Y0径向移动电磁阀的电磁铁Q0.0YA2Y1平衡液压缸电磁阀的电磁铁Q0.1KM1Y2液压泵电动机控制用接触器Q0.2KM2Y3主轴正转控制接触器Q0.3KM3Y4主轴反转控制接触器Q0.4KM4Y5冷却泵电动机控制接触器Q0.5KM5Y6轴向快移动电动机正转用接触器Q0.6KM6Y7轴向快移动电动机反转用接触器Q0.75.2 YM3150E滚齿机的电气改造图经过改造后的电气图如图52所示(1)液压泵控制 总开关SAl闭合，输入继电器X11为ON，由于在电动机无过载的情况下，热继电器FRl和FR2常闭触点闭合，X15和X17为ON，接通输出继电器Y2线圈逻辑回路，使接触器KMl线圈电路导通，KMl主触点闭合，液压泵M1主电路闭合工作，为液压系统提供压力油，为传动元件提供润滑油，保证旋转元件在工作之前得到充分的润滑，同时使主控元件M10为ON，为后续程序控制做好准备。 (2)主电动机控制 在液压泵工作的前提下，按下按钮SBl，输入继电器X0为ON，当转换开关SA3断开，输入继电器X12为OFF，取反后为ON，则输出继电器Y3逻辑回路闭合，Y3为ON，使接触器KM2线圈电路导通，KM2得电，主触点闭合，电动机M2正转。当转换开关SA3闭合，则X12为ON，输出继电器Y4逻辑回路导通，Y4为ON，使接触器KM3线圈电路接通，KM3线圈得电，主触点闭合，接通M2反转主电路，电动机反转。当M2过载，FR2触点断开，输入继电器X16为OFF，输出继电器Y3、Y4将无法接通，电动机M2停止。此时，Y3、Y4逻辑回路能够自锁，电动机的旋转运动为长动。 当按下按钮SB3，输入继电器X2为ON，取反后X2的常闭触点为OFF，将切断Y3、Y4逻辑回路的自锁环节，无法自锁，这时Y3、Y4只能点动导通，电动机M2只能点动。适用于点动调整机床。 (3)冷却泵控制 在输出继电器Y3或Y4线圈得电并自锁的情况下，将转换开关SA5闭合，则输入继电器X14为ON，接通输出继电器Y5线圈逻辑回路，使接触器KM4线圈电路导通，接触器KM4，主触点闭合，冷却泵主电路接通旋转。 (4)轴向快速移动控制 利用操作手柄切换到轴向快进状态，快移机械离合器闭合，行程开关SQ3被压下，输入继电器X7为ON，为点动快移做好准备。当按下按钮SB4时，输入继电器X3为ON，输出继电器Y7线圈逻辑回路闭合，使接触器KM6线圈电路导通，接触器线圈KM6得电，但不能自锁，接通电动机M4的正转电路，M4正转，通过快移传动链带动刀架快速轴向向上运动。 当按下按钮SB5时，输入继电器X4为ON，输出继电器Y6为ON，接触器KM5得电，电动机M4反转，刀架快速向下。 (5)径向运动 转换开关SA4闭合，输入继电器X13为ON，输出继电器Yo为ON，电磁铁YAl得电，液压缸推动工作台径向移动。5.2YM3150E滚齿机的PLC改造梯形图图5.2 PLC控制程序基本结构图 梯形图图5-3第六章 仿真与调试仿真调试通过离线模拟仿真实现，运用软件模拟调试梯形图。首先将梯形图写入软件，并用梯形图逻辑测试界面起动，如图6-1所示界面。图6-1 梯形图逻辑测试界面1、写入完成后，进行软元件测试，如启动液压泵控制，即接通Y2线圈逻辑回路，需将输入继电器X11置为ON。如图5-2，右击X011，点击软元件