齿形磨床磨头部分的设计说明书

- 1 -1 前言1.1 课题背景齿形磨床经过八十余年发展和科研人员的长期努力，已从单一产品演变到多系列、多规格，从传统的机械式到采用数控技术，从氧化铝砂轮到采用 CBN 砂轮，使机床精度、性能和加工效率不断提高，而操作日趋简捷方便。现已形成七个系列200 余种规格的齿形磨床，按标准化分为碟形双砂轮系列（Y70） 、锥形砂轮系列（Y71） 、蜗杆砂轮系列（Y72） 、成型砂轮系列（Y73） 、大平面砂轮系列（Y74） 、内齿轮砂轮系列（Y75） 、摆线齿轮系列（Y76） 。中国的齿形磨床研究制造已有四十余年历史，从八十年代初至今近二十多年间发展较快，制造出七个系列 60 余种规格的齿形磨床。其中 1997 年由秦川机床集团有限公司研制成功的 YK7250 蜗杆砂轮齿形磨在国际机床博览会上被有关专家誉为“具国际水平的机床” ，标志着中国齿轮磨床制造技术水平跨入世界先进行列。1.2 国内外研究现状随着科学技术和经济的发展，齿形加工业对于齿形加工机床的性能要求不断提高，反之，齿形加工机床制造业对于齿形加工又具有导向作用，形成有机的联动发展。为此，一批能适应社会科技和经济发展节拍的新产品应运而生；反之，则被淘汰。这在齿形磨床制造业中尤为突出。像瑞士马格公司（Magg）七十余年来一直以其生产的碟形双砂轮齿形磨床在国际市场独显风采，作为磨齿机中最高精度的代表产品，采用展成磨削原理，及其它技术措施，可磨削出三级以上精度的齿形。但是，马格磨齿机亦有不足之处，主要是：效率低 展成磨削为点接触加上碟形砂轮自身强度、刚度限制，不能作深切或强力磨削；生产成本高 所需的特殊附件多，如缺口分度板齿数须和工件齿数相匹配，工作基圆要与滚圆盘的直径一致等，工作种类愈多，所需附件愈多。国内曾研制出 Y7032A、Y7063A、Y7160 等碟形双砂轮齿形磨，其中原秦川机床厂制造的 Y7032A，其主要性能均达到马格公司同类产品 SD-32-X 碟形双砂轮齿形磨水平，荣获国家科技进步一等奖。但是，由于高效蜗杆砂轮磨齿机制造技术的成熟应用，碟形双砂轮磨齿机的市场占有率逐年缩小。1.3 主要研究内容- 2 -本课题研究的锯片齿形磨床主要对圆锯片的刃部进行研磨，可以对刃部进行后刀面加工、前刀面加工等。本课题主要完成的研究内容如下：（1）齿形磨磨床机械系统的结构设计，重点对磨头部分的设计。（2）齿形磨磨头部分的电气液压控制系统设计。a、机械系统设计本课题的机械部分主要研究齿形磨的主要功能结构，我们设计的齿形磨床主要有中枢机构、定位机构、翻转部分、磨头部分、夹紧机构、主传动机构组成。我们主要对齿形磨磨头部分进行了重点设计，其他部分了解其大体结构，知道其功能，并未有对机械结构进行具体设计。b、 齿形磨床磨头部分电气液压控制系统设计我们设计的齿形磨采用电气液压控制，利用 PLC 来控制齿形磨床自动加工。1.4 小结我们这次的毕业设计，因为时间及个人能力问题，在查阅大量有关齿形磨文献及资料后，对齿形磨各部分进行了大体设计，具体机械结构没有设计，只对齿形磨磨头部分进行了重点具体设计。齿形磨采用电气液压控制，控制用 plc。- 3 -2.锯片齿形磨床的设计介绍 图 1 齿形磨主体结构外形图1、 去刺电机机座 2、光杠 3、丝杠 4、中枢装置 5、磨头装置 6、定位装置7、立柱旋转控制部分 8、大臂旋转控制部分 9、锯片手动调节部分 10、机座去刺电机座把光杠固定在机床基座上。丝杠带动中枢装置在光杠上左右移动。锯片安装在中枢装置上，中枢机构固定定位锯片的作用。锯片可以在中枢装置上旋转，在程序控制之下，当磨头部分磨完一个齿形后，锯片就转动一个齿，磨头就进行下一个齿的磨削，这样实现锯片的自动加工。定位装置主要夹住锯片，但不能加死锯片，定位装置只是让锯片在加工过程中向两边摆动，而且锯片可以旋转，因此定位装置不能夹住锯片的力应该适当，即能夹住锯片不让锯片向两边摆动，又能不加死锯片，锯片能旋转。工人师傅通过 9 锯片手动调节部分来调节加紧力的。磨头装有磨片（见图） ，对锯片齿形进行加工。磨头通过轴与立柱旋转控制部分连接在一- 4 -起，并且磨头可以旋转。立柱旋转控制部分与大臂旋转控制部分也是通过轴连接在一起。大臂旋转控制部分固定在基座上，立柱旋转控制部分通过轴可以旋转，带动磨头旋转。图 2 一种磨片结构2.1 中央驱动机构图 3 中央驱动机构部件图中央驱动机构主要结构有锯片装卸架、中枢主轴、大齿轮、小齿轮、大同步皮带轮、小同步皮带轮、皮带轮、转盘。通过锯片装卸架把锯片装在中枢驱动机构上。手动转动转盘，转盘带动小同步皮带轮转动，小同步皮带轮通过皮带传动带动大同步皮带轮转动，再通过大小齿轮的传动带动中枢主轴转动，继而带动锯片转动。中央驱动机构用于从中心位置逐齿地转动锯片，并把齿准确定位以进行研磨。- 5 -根据锯片直径，惯量有所不同，从中央驱动机构驱动锯片的圆周速度也不同,要把锯齿准确定位，对所有锯片来讲，使锯齿定位停住所需的力必须相同。圆周速度也应跟对应齿间距的定位销的绕轴旋转运动相适配。这两个参数值可按锯片外径进行调整。锯片移入并定位：锯片用电机驱动进入研磨位置。当按下开始按钮时，锯片旋转，且液压锯片夹紧装置打开直到按钮放开。锯片装卸架（中央驱动）可轴向移动，以避免在安装锯片时跟锯片及锯片夹紧机构相碰。移动锯片到齿恰好在夹紧压板的上面，然后旋转入定位机构。为了使定位销对着齿的正确位置，旋转位 3 的手轮及锯片。注意定位销约在距齿顶面 2mm 接触齿表面。2.2 锯片夹紧机构图 4 锯片加紧机构部件图锯片夹紧机构主要部件有限位板 1、限位板 2、防护罩、转动手柄、转动轴、大小带轮、皮带、弹簧。锯片的锯齿加紧在限位板 1、2 之间，限位板的加紧力由限位板下面的左右两个弹簧决定，而左右两个弹簧的加紧力取决于弹簧的伸缩长度。我们可以转动手轮带动转动轴转动，转动轴带动皮带轮，进而带动弹簧的伸缩程度，控制定位机构对锯片齿的加紧力。本机床配有一固定夹紧机构。锯片轴向偏移由在中央驱动机构上的锯装卸架来进行补偿。前夹紧压块是可调的固定好的压块，据此可设定锯片厚度。刻度套筒转 1 圈- 6 -等于 1.5mm 厚，1 个刻度等于 0.2mm 厚。后夹紧压块是放松的，在液压系统有压力时夹紧。有一压力弹簧保留一定的夹紧力，使放松的压块在锯片进给时跟锯片保持接触。松开一螺钉，可以使前面和后面夹紧压块绕其轴旋转，以便根据齿形和齿厚而选择合适的锯片夹紧位置。由于夹紧压块的磨损，在使用一段时间后，在读刻度时，在前压块上会产生调整偏差。新夹紧板是 4mm 厚。锯片夹紧机构对锯片具有定位作用，当磨头对锯片齿进行磨削加工时，因为圆锯片直径很大，难免会有左右摆动现象。这时锯片夹紧机构就起到作用了。锯片夹紧机构把锯片夹住，不让锯片左右摆动，使锯片在加工时不动，因此锯片保证了研磨精度。但是呢，加紧力又不能太大，在锯片研磨完一个齿后，锯片将会旋转到下一个齿。磨头对下一个齿进行加工，因此加紧力必须既能满足让锯片不左右摆动起到定位锯片作用，又能让锯片旋转到下一个齿。为了达到此功能，我们设计了弹簧加紧机构，用弹簧来控制加紧力。用卡板夹住锯片，杠杆原理，下面设置弹簧。弹簧力压杠杆，杠杆带动卡板加紧锯片。并且弹簧的力可以通过手动来调节。在自动加工之前，手动调节弹簧，适当的加紧锯片。23 立柱旋转控制部分和大臂旋转控制部分图 5 立柱旋转控制部分和大臂旋转控制部分部件图立柱旋转控制部分与大臂旋转控制部分主要结构有转动轴 1、大臂壳体、转动轴 2、固定壳体。立柱旋转控制部分通过转轴 1 与磨头连接在一起，转轴 1 两端有轴承。因此磨头可以旋转。立柱旋转控制部分主要控制磨头的旋转。大臂壳体与固定壳体通过转轴 2 连接在一起。固定壳体固定在磨床基座上，固定不动。因此，大- 7 -臂壳体可以通过转动轴 2 做左右旋转移动。大臂旋转控制部分主要控制磨头的左右角度摆动。我们设计的齿形磨床可以对前刀面进行研磨、后刀面进行研磨、齿面开槽、齿倒棱。齿形磨的这几种功能，自动加工过程相差不多，主要是自动加工之前的手动位置调节。大臂旋转部分主要调节磨头的角度。2.4 磨头部分磨头部分是齿形磨的重要的部分，齿形磨通过磨头来研磨锯片。我们在做毕业设计时，对齿形磨查阅了大量的资料及文献，对齿形磨床进行了磨头部分是我们这次机械设计的重点。- 8 -3 锯片齿形磨床磨头部分的重点设计图 6 齿形磨磨头部分主体部件外形图1、行程调整机构 2、旋转箱体 3、垂直箱体 4、丝杠副 5、丝杠 6、磨头旋转轴 7、磨头壳体 8、升降油缸 9、形成导轨齿形磨磨头主要有这几部分组成，这几部分在电气液压系统控制作用下实现了磨头研磨锯片的功能。磨头在研磨锯片之前，需要电机带动磨片旋转、工人师傅调节磨头升降、调节磨头前后移动，来实现把磨头定位在加工锯片之前的合适位置。因此，在磨头实现研磨加工锯片功能，是在磨头调节位置基础上。磨头还有分功能，磨头升降调节位置、磨头前后移动调节位置、磨头旋转调节速度、磨头升降油压调整位置。磨削加工是非常广泛的，是机械加工的主要方法之一。但是，由于磨床砂轮的转速是非常高的。砂轮又比较硬、脆、经不起较重的撞击，偶然的操作不当，就会使撞碎砂轮，会造成非常严重的后果。因此，在磨床磨削加工过程中，磨削加工的磨削安全条件显得非常重要。我们必须采取相应的安全防护措施。工人师傅操作磨- 9 -床时，操作要集中精神，保证万无一失。此外，磨削砂轮的工件上飞溅出的微细沙屑及金属屑，也会伤害到工人的眼睛。工人若大量的吸入这种灰尘则会对身体有害，我们也应该采取相应的防护措施。磨削加工时应注意到以下安全技术问题。开车前应仔细地对磨床进行全面完整的检查，包扩操作机构、电磁设备、磁力吸盘等的检查。检查后我们再润滑，润滑后我们再试车，确定一切良好后，我们启动磨床。装卡工件时要一定要注意卡正、卡紧，在磨削过程中工件松脱动会造成工件飞出伤人或撞碎砂轮等严重不良的后果。开始工件加工工作时，应用手调方式，使砂轮慢些与工件慢慢靠近，开始时进给量要小，不许用力过猛，防止碰撞到砂轮。需要用挡铁控制住工作台往复运动时，要根据工件的磨削长度，准确调好，将挡铁紧牢。 更需要换砂轮时，必须首先进行外观检查，看是否有外伤，再用木锤或木棒敲击，要求声音清脆保证确无裂纹。安装砂轮时必须按照规定的方法和要求装配，进行静平衡调试后进行安装，试车，一切检测正常后，方可使用。 工人在操作磨床的工作中要戴好防护眼镜，修整砂轮时要平衡地进行操作，防止撞击。测量工件、调整或擦拭机床必须都要在停机后进行。用磁力吸盘时，必须要将盘面、工件擦净、靠紧、吸牢，必要时可加挡铁，防止工件移位或飞出。要注意仔细装好砂轮防护罩或机床挡板，站位要侧过高速旋转砂轮的正面的 位 置 。 齿形磨床用锯片来研磨齿形，锯片安装在齿形磨磨头装夹装置上。测量锯片外径与中心孔选好定心垫圈，把锯片装到锯片座上，再以锯片座的螺钉锁紧，再移动锯片座，使锯片外径的外径尺寸与刻度盘上的要求尺寸相同，然就把螺钉拧紧，就实现了锯片的加紧固定。如果锯片的旋转没有合适的松紧到位，此时锯片的前进位移会不准。因此当锯片安装后，以左手反时针方向旋转圆锯片，试试其旋转地松紧程度。如果松紧不合适的话，我们再调整螺钉的位置，使锯片的松紧程度适当。磨头主轴带动锯片旋转，锯片旋转来磨削锯片。主轴是机床的核心部件，因为主轴性能好坏在很大程度上决定了整台机床的加工精度与生产效率，因次主轴的性能就显得尤其重要。轴上的装配方案是进行轴结构设计的前提，他决定着轴的基本形式和性能。所谓的轴的装配方案，就是轴上主要零件的装配方式配合形式。我们设计的轴的两端采用采用过盈连接防治径向跳动，轴向用轴肩加以固定。通过皮带轮，电机带动轴旋转，可以正反旋转。3.1 磨头升降油压调整位置- 10 -图 7 升降油缸结构图升降油缸调节磨头的上升与下降，升降油压缸壳体与旋转壳体连接在一起，油缸伸缩轴与垂直缸体连接在一起。油缸在油压下，油缸伸缩轴带动垂直壳体升降移动。升降油缸壳体我们采用三块分壳体组合而成，并且各部分都采用密封圈密封，防治其漏油。活塞与缸筒之间的密封，不像活塞杆密封圈破坏那样油液流到外面，引起人们注意。因而，常常内部泄露被忽视。但当内部泄露多时，会引起油缸的自然下沉与效率低下。这种内部的泄露会使油液体积存在两个密封圈之间从而产生压力。这种压力有时会很高。甚至会把密封元件从密封安装槽中挤出来，是密封件出现裂缝，最终导致油缸失效。因此我们设计的油缸活塞占油缸的体积比较大，并且外部设有小螺纹孔。当压力过大时，不会使活塞变形或油缸壳体裂纹，而是小螺纹被压出，实现卸荷的作用。用时将螺纹再装上，或重新钻螺纹口，活塞就能重新使用。3.2 磨头前后移动调节位置图 8 实现磨头进给功能部件图1、垂直壳体 2、小丝杠轴 3、手轮 4、丝杠副工人师傅转动手轮，带动转动丝杠旋转。丝杠旋转带动丝杠副移动，而丝杠副与下面磨头壳体连接在一起，从而丝杠副带动磨头壳体，继而实现了调节磨头砂轮进给位移。这样磨头的进给就获得了- 11 -为了磨头的前进与后退，我们设计了丝杠带动丝杠副移动，丝杠副固定在磨头壳体上，从而带动磨头壳体移动的方式。这样，磨头的前进后退就获得了较好的传动。但丝杠丝杠副的安装及支撑的的结构也是不可忽视的因素。螺母座、丝杠端部的轴承以及支撑加工的不准确程度和他们受到力后的过量变形，都会对前进带来影响。因此，螺母座得空与螺母之间必须是保持良好的配合，并应保持空对端面的垂直度。并且要在螺母座上加适当的筋板。从而加大螺母座与机床的结合部件的接触面积，用以来提高螺母座的局部刚度与接触刚度。并且，丝杠的不正确安装与支撑结构的刚度不足，还会使丝杠的使用寿命大大降低。磨头壳体安装在前后移动的导轨上，考虑到磨头性能要求与经济适用性，我们从众多的导轨系列中，选择了交叉滚子导轨 skf124X14X15。因为磨头重量轻，并且是手动调节磨头的前进，因此导轨的性能要求不高。在满足磨头前后移动使用性能要求的前提下，我们选用了价格较低，性价比高的交叉鬼子导轨。丝杠与丝杠副我们都做了重新设计，丝杠副下部分加大了，而且与磨头壳体用螺钉连接在一起。这样做可以满足丝杠副带动磨头壳体做前后移动。但还有一个缺陷，就是由于丝杠副被加大了，而且又与磨头壳体连接，因此对于部件的安装精度要求很高。如果安装精度不高的话，就会导致丝杠与丝杠副啮合传动不稳，传动受到影响。丝也会额外受到外力作用。丝会受到更大的破坏，丝杠的使用寿命就会大大降低。但我们考虑到磨头部件重量较轻，而且磨头前进后退都是缓慢的，并不是快速移动。因此，磨头前后移动并不是对丝杠要求很高，在满足使用性能的前提下，我们就采用了这种设计。我们这种设计简化了磨头连接零件，结构简化零件数减少，降低了成本。3.3 磨头旋转调节速度图 9 磨头磨片旋转功能部件图- 12 -1、磨头壳体 2、丝杠副 3、主轴 4、皮带轮电机通过皮带带动皮带轮转动，皮带轮转动带动磨头主轴旋转，磨头主轴带动安装在磨片安装架上的磨片旋转。从而实现了，电机带动磨片旋转，磨片研磨锯片的功能。电机正反转、转动快慢，来调节膜片在研磨过程中的转速。磨片研磨锯片的最大研磨锯片直径 1800mm，最小研磨锯片直径 800mm。研磨轮转速 3400rpm。步进电动机是机电一体化的关键产品之一，广泛应用于各种自动化控制领域中。步进电动机有着优良的控制性能，能准确的控制位移。因此，我们采用步进电机来带动磨头的旋转。我们设计通过 PLC 程序来控制电机，当安装好锯片与调整好锯片与磨头磨片的位置后，PLC 控制器控制磨床自动化加工。PLC 通过程序控制开关闭合，当电机启动开关闭合后电机开始运转。电旋转之后带动磨头主轴旋转，继而带动磨片旋转。3.4 磨头升降调节位置图 10 行程调节功能部件图 1、齿条 2、齿轮轴 3、小齿形带轮 4、微调手轮 5、粗调手轮 6、大齿形带轮 - 13 -齿条安装在垂直壳体上，齿轮轴安装在旋转壳体上。当工人师傅转动粗调或微调手轮时，手轮带动齿轮轴转动，齿轮轴的齿与齿条的齿啮合。齿轮轴在齿条上上下移动，从而实现了，旋转壳体相对于垂直壳体上下移动。微调手轮轴上配有小齿形带轮，粗条手轮轴上配有大齿形带轮。大齿形带轮与小齿形带轮上装有皮带轮，小齿形带轮通过皮带轮带动大齿形带轮转动，从而实现微调粗条的功能。4 锯片齿形磨床电气液压控制系统的设计任何比较复杂的控制电路都是些比较简单的基本的控制环节组成。电气原理图一般由变压环节、电机控制环节、控制回路环节，这三部分组成。4.1 总电源控制原理图的设计电气原理图大都由分主电路和辅助辅助电路两部分设计而得。主电路主要是电源，电动机绕组等一些大电流通过的环节。而辅助电路一般都包括控制电路、照明电路、信号电路及保护电路等。开关电源实际上是一种电压转换电路，主要的工作内容是升压与降压，广泛应用于现代的电子产品。因为开关三极管总是工作在 “开” 和“关”状态，所以就叫做开关电源。开关电源本质就是一个振荡电路，这种转换电能的方式，不仅应用在电源电路上，在其它的电路应用也非常普遍，如日光灯、液晶显示器的背光电路等。开关电源和变压器相比较具有效率高、稳定性好、体积小等优点。缺点是功率相对较小，而且会对电路产生干扰。变压器反馈式振荡电路，能产生有规律的脉冲电流或着电压的电路叫振荡电路，变压器反馈式振荡电路就是能满足这种条件的电路。- 14 -图 11 总电源控制原理图一个电气控制系统的控制电路，首先要做得是控制这个系统的启动，停止和保持，其次要考虑系统的电路保护，如过电压保护等。在我们的上面的控制系统中，是总电源控制电气原理图。其中 QF 是低压熔断器，当电压过高的时侯，它会自动断开，保护整个电路不被短路。其中 ESP1 和 ESP2 是整个流水线的急停按钮，SB3 和 SB4 是启动按钮，SB1 和 SB2 是停止按钮，HL3 和HL4 是停止指示灯，HL1 和 HL2 是启动指示灯，灯泡 HL0 用于电柜照明，风扇SF1，SF2 用于电柜的冷却。整个电气控制过程可叙述为：启动之前，停止指示灯 HL3 和 HL4 亮。当按下启动按钮 SB3 或 SB4 的时侯，线圈 KA0 得电，常开触点 KA0 闭合，常闭触点 KA0 断开。此时，停止指示灯 HL3 和 HL4 灭，启动指示灯 HL1 和 HL2 亮。同时，线圈 KM0 得电，常开触点 KM0 闭合，（N1,L1）端子输出 220V 交流电，用于电机等的控制。而（L2,N2）经过电源开关输出 24V 直流电用于 PLC 等低压器件的电气控制。4.2 电机控制原理图的设计电机控制原理图主要是用来控制系统中电机的一系列动作，如启动、保持、停止、调速等。步进电机、直流电机和无刷直流电机的主要的区别在于它们的驱动方式不同。步进电机是以步阶方式分段来移动，而直流电机和无刷直流电机通常则采用与之不同的连续移动的模拟控制方式。由于步进电机是采用步阶移动，所以步进电机特别适合绝对寻址的应用，目前市场上常见的步进电机已能提供每一步 1.8或0.9的精确移动的能力。步进电机采用直接控制方式，它的控制变量和主要命令都是步阶位置 (step position)；相形之下，直流电机则是以电机电压做为控制的变量，以位置或者速度做为命令变量。直流电机则需要反馈控制系统，它会以间接的方式来控制电机位置，步进电机系统多半则是以开环方式进行操作的。我们设- 15 -计的齿形磨电机控制共有五个电机。图 12 电机控制原理图当按下 SB3 或 SB4 启动磨床时，端子（N1，L1）就会加上 220V 交流电。一旦常开触点（如 KM1）闭合时，则电机(M1)就会启动，电机（M1）带动转动实现磨床中功能。下面几个操作以如此。4.3 控制回路原理图的设计控制回路主要是用来控制电路系统中电机的。当启动磨床时，端子（N1，L1）就会加上 220V 交流电，当触点(如 KA1)闭合时，线圈（KM1）就会得电，而常开触点（KM1）就会闭合，从而接通电机，来控制电机的运转。图 13 控制回路原理图 1- 16 -图 14 控制回路原理图 24.4 本章小结本 章主要是对控制系 统的硬件电路进行 了大体设计，包括总 电源控制原理图的 设计，电机控制原 理图的设计，控制回 路原理图的设计。 并且还简要的说明 了各个电路的设计 原则和工作过程。 我们设计的齿形磨 床采用的是电气液压控制， PLC 控制电磁液压阀来控制油缸运作。5 PLC 总体系统的设计5.1 PLC 的选型设计PLC 是在计算机技术和的电气控制技术基础上开发出来的，并逐步的发展成为- 17 -以微处理器为核心，将自将计算机技术、动化技术、通讯技术融为一体的新型工业电气控制装置。5.1.1 PLC 机型的选择目前，国内外的 PLC 生产厂家生产的 PLC 品种已达到数百个，其性能各有各的特点，价格也不尽相同。通过网上查阅资料以及导师的建议，对控制的目标，PLC的配置、I/O 系统及指令系统的了解，因此，初步选择德国的西门子 S7-200 PLC。S7-200PLC CPU 包括 CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP 和 CPU226 等型号，它们的特性如表 2 所示:表 1 PLC CPU 特性及参数特性 CPU221 CPU222 CPU224 CPU224XP CPU226外形尺寸（mmmmmm）908062 12080621908062使用运行编程模式8192 12288 16384程序存储区/字节不用运行编程模式4096 12288 16384 24576数据存储区/字节 2048 8192 10240数字量 16 入/4出8 入/6 出 14 入/10 出 24 入/16出本机 I/O模拟量 无 2 入/1 出 无掉电保持时间/h 50 100单相/kHz 304 306 3042002306高速计数器 双相/kHz 202 204 2031001204扩展模块数量 0 2 7模拟电位器 1（8 位精度） 2（8 位精度）脉冲输出（DC）/kHz 202 1002 202通讯口 RS-4851 RS-4852实时时钟 另配外插时钟/电池卡 内置数字量 256（128 入/128 出）I/O 映像区 模拟量 无 32（16 入/16 出）64（32 入/32 出）浮点数运算 有布尔指令执行速度/us 0.22定时器 256（1ms4，10ms16,100ms 236）计数器 256这样，根据系统所需要的存储器容量，I/O 点数， CPU 性能等综合因素，选择S7-200 PLC CPU226 作为控制系统的控制元件。5.1.2 PLC 的特点及工作过程- 18 -一般的 PLC 主要是由存储器（ROM，RAM） 、中央处理器（CPU） 、输入输出单元（I/O） 、电源和编程器等几部分组成。PLC 都具有以下特点：编程方法简单容易学；功能强，价格低，性价比高；硬件配套齐全，使用方便，灵活，适应性强；可靠性高，抗干扰能力强，稳定性强；其系统的设计、安装、调试工作量少；维修工作量小且方便；体积小，能耗低，经济性能好。小型 PLC 的工作过程主要有两个比较显著的特点：一个是进行周期性的顺序扫描，一个是集中批处理。当 PLC 启动之后，先进行初始化的操作，包括对工作内存的初始化、复位所有的定时器、将输入/输出继电器清零，检查 I/O 单元连接是否完好等，如有异常则接着发出报警信号。初始化后，PLC 就进入周期扫描的过程。可将 PLC 的工作过程分为 4 个功能阶段：公共处理扫描的阶段、输入采样扫描的阶段（第一个集中批处理过程） 、执行用户程序扫描的阶段（第二个集中批处理过程） 、输出刷新扫描的阶段（第三个集中批处理过程） 。5.2 电气原器件选型PLC 选型为德国的西门子 S7-200 PLC。电动机选型为 QA355M4A 绝缘等级为 F 额定电压为 380V，额定频率为 50HZ，采用接线。直流微型继电器选型为 欧姆农生产的 MY2NJ DC24V 型号 微动开关选型为 飞马公司生产的 PRECISIDN SWITCH 型号熔断器座选型为 RT18-32X 型号按钮选型为 AR22FDR-11 型号AR22 V2R-11RAR22 PR-211B接触器选型为 3TB40V 型号变压器选型为 BK-250 380V/220VBK-100 380V/24VBK-400 380V/24V计数器选型为 ZN48J-220V 型号行程开关选型为 Z-15GW22-B 型号负载断路开关选型为 JFD11-40/301111(7.5KW)开关电源选型为 S8PS-300W,24V/14A 型号接线端子选型为 TD1506TD1510TD30A 10信号灯选型为 LAS4Y-24V熔断器芯选型为 RT0-4A RT18 RTO-6A- 19 -RTO-10A 10A 500V电线选型为 BVR2.5BRV1BRV0.3BRV0.55.3 齿形磨操作过程(1)手动操作过程齿形磨床在自动加工之前需要手动调节锯片及磨片到合适位置，手动调节步骤。a、合上开关柜上的主开关b、按“液压”按钮c、置选择磨削开关置于“调整齿”位置d、按“移出锯片”按钮，把锯装卸架（中央驱动）置于后面位置d、装上装锯盘，固定锯片f、根据齿间距及锯片外径，调整圆周速度g、根据锯片外径调整锯片转动压力h、根据锯片厚度调整压板位置i、用按钮把锯片移入到研磨位置j、用手轮并手动旋转锯片把锯片置于研磨位置k、按照研磨部位装研磨轮l、用选择开关选择研磨过程m、把研磨轮跟齿接触n、调整从快速运动到研磨速度（工进）的开关切换点o、给计数装置输入锯片齿数p、接通冷却泵q、自动开始加工(2)齿形磨床主要加工功能我们设计的齿形磨主要有三种功能锯片后刀面的研磨、锯片齿面的倒棱、锯片前刀面的研磨。a.锯片后刀面的研磨在开始运行操作时，就首先要研磨后刀面，所以要按照锯片的材料正确选择研磨轮。用按扭将锯片移入研磨位置，对好齿位。按所要求齿的几何尺寸（直的或斜角的或沟槽的）调整好研磨头角度。从控制板上用操作按扭对研磨轮磨削轨迹、研磨轮架的角度等进行必要的调整。输入所要研磨的齿数。首先用半自动对刀，调好进给量以后把开关打到自动循环，打开冷却系统，合上喷溅保护装置，开始自动研磨。在所设定的齿数完成要求的研- 20 -磨后，机器便自动停车。b.锯片齿面的倒棱齿面倒棱的操作与上述操作方法相似。将大臂箱上的刻度盘的度数调至要求的度数（如 45 度） ，手动调好锯片前后的位置，研磨时研磨轮架前后摆动，观察齿部磨量均匀后开始自动研磨。c.锯片前刀面的研磨把锯片保持在研磨位置，用操作按钮转动大臂箱，观察转动的角度要与前刀面的倾角相符。将研磨轮架反转 180 度，调整研磨轮架的摆动角度与刃倾角相符，夹紧定位。半自动运行手动调整进刀量，然后开始自动研磨。d.齿顶开槽将研磨轮换成开槽轮，接上步骤，将研磨轮架回转 90 度，此时大臂箱不摆动，手动对好刀后，自动运行。在完成以上研磨之后，用按扭移动锯片并从机器上取下。(3)齿形磨自动加工流程图我们设计的齿形磨床主要有锯片后刀面的研磨、锯片前刀面的研磨、锯片齿面的倒棱、齿顶开槽四大功能。根据自己要加工锯片的过程，选择齿形磨磨床的加工功能。确定齿形磨床加工功能后，大臂旋转部件可以带动齿形磨床的磨头做角度旋转。因此，加工锯片时的角度调整就靠大臂旋转部件来实现。手动调节调节好锯片与磨头位置与角度后，按自动加工按钮。齿形磨床就会在 PLC 控制下，进行自动加工。锯片夹紧机构上的定位销旋进，加紧锯片。定位销旋进后，定位检测元件检测到到定位销旋进到位后，固定锯片的卡爪弹出，卡爪把锯片固定在中枢机构上。卡爪弹出接近开关检测到卡爪到位后，锯片就加紧了。在锯片加紧住后，中枢机构带动锯片移动，移动到磨头磨片研磨位置。主轴电机启动，主轴带动磨片旋转，磨头上磨片开始磨削加工锯片。磨头首先向下移动加工锯片，当移动到下限位置后，磨头上移，当上移到上限位置后，磨头依照输入的角度旋转一定的角度。然后，磨头再下移加工锯片，当下移到下限位置后，磨头上移，当上移到上限位置后，锯片就回到初始加工位置。这时，磨头磨削完一个齿。中枢传动机构带动锯片旋转到下一个齿的加工位置，当加工齿数少于计数器中输入的齿数时，锯片再重复以上步骤进行加工。当加工的锯片齿数达到计数器中输入的齿数时，锯片加工完毕，磨头磨片停止旋转。- 21 -开始定位销开关 SQ5 发出信号电磁阀 S1 运作，油缸 1 带动定位销旋进卡爪开关 SQ6 发出信号电磁阀 S2 运作，油缸 2 带动卡爪加紧锯片锯片移动开关 SQ7 发出信号电动机 M1 转动，带动锯片前进检测传感器 SQ11 检测锯片移入位置否电机 M2 开关 SQ9 发出信号电机 M2 带动磨片转动上线接近开关 SQ1 发出信号电磁阀 S3 运作，油缸 3 带动磨头下降磨头是否到位下限接近开关 SQ2 检测NNYY- 22 -下限接近开关 SQ2 发出信号电磁阀 S3 运作，油缸 3 带动磨头上升上限接近开关 SQ1 检测磨头是否到位上限接近开关 SQ1 发出信号电动机 M3 旋转，带动磨头左旋转左限开关 SQ3 检测磨头是否到位电磁阀 S3 运作，油缸 3 带动磨头下降下限接近开关 SQ2 检测磨头是否到下限位置电磁阀 S3 运作，油缸 3 带动磨头上升上限接近开关 SQ1 检测磨头是否到上限位置YNNYN Y- 23 -接近开关 SQ1 发出信号电动机 M3 运作，磨头右旋回到初始加工位置计数器已加工齿数数值加 1已加工齿数是否小于输入加工齿数结束SQ11 发出控制信号电磁阀 S4 运作，液压缸 4 带动锯片转动到下一个齿NY图 15 PLC 程序流程图5.4 PLC 端口的分配设计在选定 S7-200PLC CPU226，并设计完自动加工流程之后，就要进行对 PLC 端口的分配。我们在上面的选型中知道，CPU224 本机的 I/O 数字量有 24 个输入端口和16 个输出端口，再根据 I/O 口所需的数量也选择了其输入扩展模块 EM221 和输出扩展模块 EM222，而输入扩展模块 EM221 选择了 8 点 24V 直流输入，输出扩展模块EM222 选择了 8 点 24V 直流输出。这样从而，总共数字量输入为 24+8=32 点，总共的数字量输出总共为 16+8=24 点，在此 PLC 控制系统中没有用到模拟量输入与输出。（1）PLC 输入端口的分配当把锯片装夹在中枢机构上后，经过检查锯片装夹确实牢固后，选择锯片加工所要加工的功能。按下自动操作按钮，在 PLC 控制之下，锯片就开始自动加工。我们知道 PLC 是通过控制一些接触开关，继电器，通过程序实现了对磨床的加工过程控制。PLC 要对这些接触开关、继电器完成控制，就得需要控制程序。控制程序的- 24 -实现，是通过输入输出端口来分配地址。根据上述的叙述，控制系统的输入信号及代码、地址编号如下所示：表 2 PLC 网路控制系统输入点地址定义元件符号 名称 端子号SQ1 磨头上限接近开关 I0.0SQ2 磨头下限接近开关 I0.1SQ3 磨头左限接近开关 I0.2SQ4 磨头右限接近开关 I0.3SQ5 定位销开关 I0.4SQ6 卡爪开关 I0.5SQ7 锯片移动位置检测传感器 I0.6SQ8 计数器 I0.7SQ9 电机正反转控制开关 I1.0SQ10 液压启动开关 I1.1SQ11 锯片旋转开关 I1.2根据上述的叙述，控制系统的输出信号及代码、地址编号如下表所示：表 3 PLC 网路控制系统输出点地址定义元件符号 名称 端子号KA1 定位销旋进油缸 1 控制 S1 Q0.0KA2 卡爪加紧油缸 2 控制 S2 Q0.1KA3 锯片移入电机控制 M1 Q0.2KA4 磨片旋转电机控制 M2 Q0.3KA5 磨头下降油缸 3 控制 S3 Q0.4KA6 磨头上升油缸 3 控制 S3 Q0.5KA7 磨头旋转电机 3 控制 M3 Q0.6KA8 磨头旋转电机 3 控制 M3 Q0.7KA9 锯片转动一齿，油缸 4 控制 S4 Q1.0KA10 砂轮正反转，电机 2 控制 M2 Q1.1KA11 液压启动，电机 5 控制 M5 Q1.2KA12 冷却，电机 4 控制 M4 Q1.35.5 CPU 电源供电- 25 -每个 CPU 的右下角都会有一个 24V 直流输出电源，叫做传感器电源。它可以用作 CPU 自身和扩展模块的 I/O 点的电源供应来使用，也可以用作扩展模块本身的供电来使用。在 S7-200 中，凡是标记为 L1/N 的，都是交流电源端子，凡是标记 L+/M的，都是直流电源端子。5.6 本章小结本章主要对 PLC 机型，PLC 输入输出扩展模块进行了选择，设计了主要的工艺流程，分配了 PLC 的输入输出端口。- 26 -6 结 论锯片的质量决定着锯片切削加工的好坏，而锯片磨床的性能决定着锯片的质量与精度以及性能与使用寿命，随着我国机械工业的发展，对锯片磨床的要求也越来越高。本文在分析我国锯片磨床的基础上，参照国内外的差距，我们进行了研究工作。本课题包含机械结构的设计与电路电气液压部分的设计。机械部分主要有中枢机构、定位机构、翻转部分、磨头部分、夹紧机构、主传动机构，并且我们对磨头部分机械结构进行了重点设计。电气控制设计主要是电气液压控制，采用 plc 控制程序。在设计齿形磨过程中，我们查阅了大量的国内外过于磨床的文献与资料。通过绘制齿形磨床装配图与各分零件图，我们对齿形磨的设计原理与功能有了具体的认识。齿形磨床主要结构有中枢机构、定位机构、翻转部分、磨头部分、夹紧机构、主传动机构。各个机构都有自己的功能，相互配合实现齿形磨床对锯片齿形的加工。电气控制部分 pcl 按照输入的程序控制磨床各部分，磨床各部分按照程序控制作用，实现了锯片的加工。在电气控制系统设计中，我们查阅了大量关于电气控制与电路设计和程序设计的文献及资料，对 ple 控制有了具体的了解认识。首先我们根据齿形磨床功能要求与齿形磨床的机械结构，设计大体控制过程，画出大体流程图。划分模块具体设计各部分电气控制。最后得出齿形磨电气控制原理图与程序。通过本次毕业设计