Y3150E型滚齿机课程设计

机电液控制系统设计题目：Y3150E型滚齿机课程设计专业：xxxx班级：xxxx学号：xxxx姓名：xxx指导教师：xxxx2019,01,09一:本次课程设计要求：1了解设计对象的基本功能与主要结构。2了解设计对象的运动形式与控制要求。3电气控制线路设计：绘制主电路，控制电路，辅助电路图。电气元件选择并给出元件明细表。4用PLC对控制线路改造：选择PLC型号。PLC输入输出分配表（即I/O地址分配表）。PLC控制输入输出接线图。设计控制系统梯形图并写出语句表。梯形图调试。 二:PLC系统总体设计方案概述 完成一个改造设计的前提是对需改造对象性能的全面掌握，了解改造前设备存在的问题从而确定改造中需要解决的问题，确定改造目标后再进行系统的设计。 传统滚齿机的类型较多，控制电路各不相同，但都存在相同的问题，即利用齿轮挂箱实现各运动部件的转速控制和联动。过长的传动链是导致产品加工精度低的主要原因。这里先对先对Y3150E型滚齿机做简单电路分析，以明确滚齿机的基本工作原理。 Y3150E型滚齿机的电气控制线路图如下图2.1所示:2.1主电路: 主电路共有四台电动机，其中M2是主轴电动机，利用KM2与KM3实现正反转控制。KM2吸合电机MI正传时实施进给加工，KM3吸合M1反转时进行退刀。轴向快速运动电;机由接触器KM5、KM6实现正、反转控制。液压泵电机由接触器KM1控制。主轴的运转利用齿轮挂箱可带得刀具高速旋转和刀具的横向进给，加工不同工件时应按要求选择不同的齿轮挂箱，利用齿轮传动实现各主轴转速调节和转速联动;M3是冷却泵电动机，只要求单向旋转;冷却泵电机M3由KM4控制，即KM4吸合则M3工作。但要注意的是M2必须在M1电动机工作后才能启动，为顺序控制。M1/M2要进行长时间工作，所以都装有过载保护。整个线路由一组总熔断器做短路保护。2.2控制电路:(1) 液压泵控制总开关SA1闭合，为控制电路接通做好准备，同时接通接触器KM1线圈电路，KM1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SB1，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SB1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YA1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HL1、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)QF1时，指示灯HL1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。四台电动机之间的关系为顺序控制。2.3运动分析:通过对滚齿机进行各种加工操作的运动分析，确定滚齿机运动要求如下:1.动作要求:主轴的高速旋转且转速可调:5495rpm滚刀的高速旋转且转速可调:5004000rpm滚刀的横向进给且进给速度可调:快速时5000mn/min.上述三种速度可根据相关参数实现联动。滚齿机工作时，要求能够实现这三个转速在很大的范围内连续可调，并保证三速度之间存在一定的函数关系。在传统滚齿机上是利用齿轮挂箱实现三者之间的联动和速度控制的。2.进给控制要求:工作台的垂直方向进给;滚刀的横向进给。应该注意的是滚刀的垂直进给和滚刀的横向进给应该实现双速运行，位置较远时可高速进给，当达到一定位置时，由传感器发出信号改为低速进给。另外，加工不同工件，应选择不同的转速比，即电机的转速应该可以按要求调节。3.保护功能:垂直进给行程开关(上下位置) ;横向进给行程开关 (左右极限位置)。在传统机床电路中，行程开关是常见的位置限制元件，在电气控制中是必不可少的。4. Y3150E型滚齿机的参数指标Y3150E型滚齿机的参数指标如表2.1所示:项目参数数据最大加工直径500mm最大加工模数8mm最大加工宽度250mm工件上最小齿数6刀架最大回转角度240刀架最大垂直行程(Z轴)300mmZ轴分辨率0.001mm工作台直径510mm工作台到立柱最大距离835mm工作台到立柱最小距离380mm工作台水平移动行程(X轴)310mmX轴分辨率0.001mm允许安装的最大滚刀直径160mm滚刀的转速500-4000pm滚刀横向进给速度(快速)500mm/min滚刀最大的的轴向运动量55mm滚刀轴线到台面的距离最大 535mm最小253mm工件轴线到滚刀轴的距离最大 330mm最小20mm主轴转速范围40-250mm主电动机功率5.5kv机床净重500kg2.4. PLC控制系统设计方案: 在传统滚齿机中,最大的问题是齿轮挂箱的使用。在传统滚齿机进行滚齿加工操作时，为了保证各运动部件的同步进给，利用了齿轮挂箱的齿轮传动链实现三轴联动并实现速度匹配的，这使得传动链过长，难以保证加工精度;同时加工不同工件时，因加工齿轮齿数、模数等重要参数的不同，需要进行挂轮操作进行换档换速，此类操作使得劳动量大，生产效率低。传统滚齿机的传动示意图如图2.3所示。图中齿轮的传动误差为齿轮加工误差的主要来源。为了克服传统滚齿机中因机械传动复杂而导致加工精度低、劳动强度大的缺点，对滚齿机的硬件进行了改造、减少传动链，并利用软件进行控制，以实现三轴联动并进行调速，以期达到提高加工精度、降低劳动强度的目的。1设计思路(1)通过机械设备的硬件改造，用多台伺服电机对各运动部件进行直接控制，利用PLC实现各轴联动，这样去掉传统滚齿机中的传动齿轮，实现零件传动从而减小齿轮的传动误差，增强了设备的刚性，提高了齿轮加工精度。(2)利用PLC软件的功能特点，根据加工工件参数的不同，输入工件关键的参数后，系统能自动实现三轴之间的速度调节，无需操作人员进行挂轮操作，降低劳动量，提高加工效率。(3) 利用传感器对运动部件的位置进行跟踪和检测,将检测到的数据传递给PLC,由PLC做出更为及时、更为精确的控制调整，提高加工精度。同时实现控制过程的自动化。(四)为了提高改造后机床的可操作性，增强人机对话功能,采用触摸屏作为人际交换界面，有利于参数额输入和加工过程的检测。2系统设计方案在硬件改造上，为了解决齿轮挂箱的使用出现的问题，结合最新的数控滚齿机传动技术，在硬件改造上决定实现零传动技术，即利用伺服电机直接连接旋转主轴，实现零传动。零传动的传动方式大大缩短传动链，降低传动误差带来的加工误差。同时，由于其机械结构简单，有利于提高机床的刚性，完全机械传动链中存在的磨损问题，进而保持了精度的稳定性，提高机床加工精度。同时，为了更好的对运动部件位置进行定位和检测反馈，提高自动化控制的程度，在机床改造过程中，应充分利用传感器。在进给的极限位置和原点位置均设置了传感器对工作台的进给进行位置跟踪。从安全的角度出发，加设了行程开关，与传感器组合使用，以更好的对机床进行保护。为了提高改造后机床的操作灵活性，并对机床性能全面提升，采用触摸屏作为改造后机床的输入部件，在触摸屏上可直接进行各参数的设定、机床运行情况监控，并能在加工过程中进行故障报警。充分考虑滚齿机改造后需实现的功能之后，对滚齿机的硬件部分做出如图2.4所示的框架设计:在图2.4中，电网电压对PLC、伺服电机、触摸屏和传感器进行供电。为PLC供电时，应在PLC前加一比一的隔离变压器以保护PLC的安全使用。 为伺服驱动电路供电时，因伺服驱动需要采用三相220V供电，因此在伺服驱动电路之前加380V/220V三相隔离变压器。 伺服驱动电路与伺服电机之间有电力线与编码线连接。 触摸屏工作电压+24V由开关电源或者直流稳压电源提供。触摸屏是参数输入的主要操作界面,实现转速调节和过程监控。触摸屏与PLC利用RS232实施连接实现数据传输。 传感器的工作电压+24V由开关电源提供或直流稳压电源提供。传感器对伺服电机的运行过程位置进行监控，将信息传递给PLC，由PLC对运行过程进行调整，保证程序执行过程的精确性。三PLC改造控制线路3.1PLC型号选择:对于PLC型号的选择问题，首先要对控制任务进行详细的分析，根据机床的硬件改造情况和设备具体运行要求，确定出所有的I/0。本机床的改造涉及到的输入点有16个。输出点有8个(为留有余量，输入点取20,输出点取10或者12)，对于容量的要求不是很高。对于PLC功能方面的分析，所有PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力完成控制任务。确定好容量和性能之后，还要考虑的就是价格问题。性能相同或相近的PLC，不同厂家在价格上的差异非常之大。经比较分析，在保证功能符合要求的前提之下，我们选用了台达的DVP-40ESOOR2型号PLC。DVP-40ESO0R2的主机I/0点数为20/10;运行速度为1.6us/步;容量为2720步;基本指令数为80;高级指令数为111;内部继电器为1008点;特殊内部继电器为64点;定时器/计数器为144点;数据寄存器为1660字;特殊数据寄存器为70字;索引寄存器为2字;主控指令为32点;跳转标记数为64点;步进数为128级;子程序个数为16个;中断个数为9个程序;输入滤波时间为1128ms。台达ES系列PLC的性能稳定。本身含有的功能完全满足在数控控制系统中的应用。 (-) 高数计数器的应用 台达PLC DVP-ES有 4个单独的32位高速计数器，这为数控滚齿机的高速计数控制做好了准备。滚齿机的高速计数主要有2个方面，一个是主机测速，另一个是进给测速。主机测速有伺服电机控制，进给测速则可以通过2个高速计数器测量主轴的速度，用2个高速计数器捕捉进给电机的运行速度。这2对高速计数器形成了2路同服电机的测量，彼此独立，互不干涉，资源充足。如图3. 3所示高速计数控制流程图:3.2伺服系统:伺服系统在数控机床设备中具有重要的地位，高性能的伺服系统可以提供灵活、方便、准确、快速的驱动。伺服系统是以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，它是数控系统和机床的连接环节，是数控机床的主要组成部分,是数控机床的执行单元。在数控机床中，伺服系统接受PLC发出的进给速度和位移指令信号，由伺服放大器作一定的转换和放大后，经伺服电动机驱动机床工作台等执行部件实现工作进给或快速移动。随着技术的进步和整个工业的不断发展，伺服驱动技术也取得了极大的进步，伺服系统已进入全数字化和交流化的时代。在本次滚齿机改造过程中，本文利用伺服电机对执行机构直接连接，实现零传动。伺服电机的选择，原则上要考虑诸多因素:,根据负载条件来选择伺服电机:(1)当机床作空载运行时，在整个速度范围内，加在伺服电机轴上的负载转矩应在电机连续额定转矩范围内，即应在转矩速度特性曲线的连续工作区。(2)最大负载转矩，加载周期以及过载时间都在提供的特性曲线的准许范围内。曰电机在加速/减速过程中的转矩应在加减速区(或间断工作区)之内。(3)频繁地定位和加减速会使电动机发热，此时需要计算出电动机承受的力矩的均方根值。(4)加在电机轴上的负载惯量大小对电机的灵敏度和整个伺服系统的精度将产生影响。 通常，当负载小于电机转子惯量时，上述影响不大。但当负载惯量达到甚至超过转子惯量的5倍时，会使灵敏度和响应时间受到很大的影响，甚至会使伺服放大器不能在正常调节范围内工作。所以对这类惯量应避免使用。 负载转矩折算到伺服电机轴上的负载转矩计算公式，因机械而异,但不论何种机械,都因计算出折算到电机轴上的负载转矩。按伺服电机轴上的负载转矩进行选择相应型号的伺服电机。 负载惯量的计算，由电机驱动的所有运动部件，无论旋转运动的部件，还是直线运动的部件，都成为电机的负载惯量。电机轴上的负载总惯量可以通过计算各个被驱动的部件的惯量，并按一定的规律将其相加得到。 带大惯量负载时，当速度指令变化时，电机需较长的时间才能到达这一速度，在我们三轴联动的伺服电机运行时产生的惯量相对来说是比较大的，需要限制。通常，当负载惯量小于电机惯量时就不会有什么问题。如果高于5倍马达转子惯量，-般伺服会出现不良反应，所以，我们在选择伺服电机的时候，必须要考虑负载惯量低于电机转子惯量。台达伺服马达在此方面有它特有的优势，负载惯量比高，因此我们采用了ASMTO7L250BK作为我们的进给伺服电机，伺服驱动我们采用了ASD-A07212A。此型号的伺服驱动和伺服电机的功率均为750W,转子惯量低，但是不影响机床运动部件的空载运行时运动轨迹分析。 伺服驱动工作电压为三相220V电压，故需要三相隔离变压器。三相220V电压由伺服驱动RST端输入。而伺服电机的工作电压由伺服驱动U、V、W输出提供。伺服驱动的CN1接口与PLC连接负责接收信息;伺服驱动的CN2接口与伺服电机的编码器连接，控制同服电机运动方式的同时负责采集伺服电机的运动过程信息，以便对运动过程更好的控制;伺服驱动的CN3与个人PC连接。伺服驱动放大器与伺服电机之间有电力线连接，伺服驱动U、V、W间相序(红、白、黑线及绿/黄双色线)不能接反，否则伺服放大器无法正常工作。伺服驱动与伺服电机之间的详细接线方式如图3.4所示:3.3触摸屏:综合分析各型号的触摸屏，最终选择台达DOP-B05S100型号触摸屏。台达DOP-B05S100触摸屏特性:17寸宽屏幕(16:9)TFT机种，具高彩65536色，其分辨率为480X234;造型时尚现代化，内置高质感MP3/WMA/WAV/MIDI音效功能:提供普及型、隔离型、网络型机型，分别整合CF卡，Ethernet和Canbus接口，满足用户的不同需求;支持USB上下载，可连接打印机和U盘3.4传感器: 在本次滚齿机改造中，传感器的作用是对工作台进给位置与电机转速进行检测与反馈，以便对加工过程更好的控制。滚齿机改造过程中，结合滚齿机应用上的特点，我们选用磁电式传感器KHP-01DB作为位置开关。共有四处设置了传感器。(1) 横向进给极限即左行极限传感器，进行进给极限保护，防止在进到过程中发生碰刀现象; (2) 退刀极限即右行极限传感器，为退刀的极限位置; (3) 工件主轴刀具主轴原点传感器，保证每次加工的起始位置确定，从而使得每次加工的运行轨迹确定，有利于重复加工或者深齿轮加工。3.5电源电路:在滚齿机电路的改装过程中，电源部分的设计和实施极其重要。电路中，PLC、伺服电机、触摸屏、传感器等主要器件的工件电压各不相同，各有各的供电要求和特点，因此，在电源电路设计时，应充分考虑各自特点进行合理设计。PLC的工作电压为AC220V。但是PLC工作环境比较复杂，且交流电网电压中含有大量的谐波、高频干扰等噪音，为了防止外部的干扰造成PLC内部芯片的损坏，减少负载波动的影响，同时也为了安全，PLC使用的电压需要与工业电网电压进行隔离并施加保护;具体的隔离措施可以使用熔断器加1:1的隔离变压器来将测控系统和供电电网电源隔离开。PLC电路工作电源设计如图3.7所示:伺服驱动电路的供电和伺服驱动电路与伺服电机之间的连接的具体设计如图3.8所示。T1为三相隔离变压器，实现降压和隔离的作用:伺服驱动电路与伺服电机之间的连接由配套的四相电缆线连接，具体连接方式见下图。伺服电机的接地线不能直接接地，必须接伺服驱动的PE端。伺服系统电源电路如下图3.8所示:3.触摸屏电源电路触摸屏的工作电压为+24V。故采用+24V直流稳压电路输出DC24V为其供电。直接稳:压电路如图3.9所示:3.6硬件选择:各所选硬件之间存在大量的信息传输。如触摸屏与PLC之间、PLC与伺服驱动之间、传感器与PLC之间都存在信息的传输。正确完成各硬件之间的连接是信息正常传输、电路正常工作的前提和保证。1.触摸屏与PLC之间的连接触摸屏与PLC之间的信息传输可以利用RS232实现端口连接进行传输。触摸屏与PLC连接示意图如图3.10所示:图3.10中，连接导线为RS232。RS232端口示意图如图3.11所示: PLC为系统的控制单元，而伺服系统是系统的执行单元。PLC根据程序将运行指令传送至伺服驱动系统，伺服驱动系统通过编码器控制伺服电机的运行。PLC与伺服系统的连接根据PLC对伺服系统的控制方式不同连接方式亦不相同。在本控制系统中，伺服系统采用的是位置控制模式，则应该根据此模式将PLC与伺服驱动系统进行正确连接。 伺服驱动系统的CN1与PLC连接，此CN1 为50PIN,各端口信息如图3.12所示:3. PLC与传感器的连接传感器的工作原理电压为+24V,此电压由直流稳压电源提供;传感器的输出信号传送至PLC作为PLC的输入控制信号。在传感器接线过程中，要注意传感器的正负极和信号输出极，正常情况下，红线为传感器的正极，绿线为传感器的负极，而蓝线为传感器的信号输出极。接线过程中应正确连接。PLC与传感器之间的连接如图3.14所示:根据滚齿机的工作要求，在保证滚齿机的正常工作的前提下结合性能与价格的综合比较，确定了所需硬件的型号以及各硬件自检的连接关系。各硬件的型号如表3.1所示，各硬件的控制示意图如图3.15所示 图3.15硬件的控制示意图:四软件系统的设计与调试 4.1根据Y3150E型滚齿机的工作过程和已有继电器控制的电气参数，选择DVP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DVP-40ESO0R2能够满足改造要求。用PLC改造继电器接触式控制系统，应进行下列操作:1.了解系统改造的要求:根据生产的工艺过程分析控制要求，如需完成的动作(动作顺序，必须的保护和连锁等)，操作方式(手动、自动、连续、点动等)。2.根据控制要求确定所需的用户输入设备(按钮、限位开关、传感器等)、输出设备(继电器、接触器、信号灯等执行元件)以及由输出设备驱动的控制对象(电动机、电磁阀等)。据此确定PLC的I/0点数。分配I/O点，绘制I/0连接图。在满足控制要求的情况下，要预留一些输入输出点，以备添加功能时用。3.根据控制要求与动作要求，画出控制流程图4.实现用计算机对PLC的梯形图的直接编程。控制程序是整个系统工作的软件，是保证系统安全、可靠的关键。因此控制系统的程序应经过反复调试、修改，直到满足要求为此。5.联机调试:包括模拟运行与现场运行。如不满足控制要求，再返回修改程序或检查接线，直到满足要求为止。6.对试运行结果进行分析，确定误差的来源并作出调整。. 4.2绘制I/0端子接线图:根据I/0分配结果，绘制I/0端子接线图。在端子接线图中，XO、X1等共用一个COM端，YO、Y1、Y2各用一个COM端。其余的共用一个COM端。 按钮一端并接在AC110V电路E,另一端分别接在相应的PLC输入端子E。接线时注意PLC输入、输出COM端极性。接触器的线圈工作电压若为交流220V,则接触器线圈可共用一个COM端，而应分开使用。I/0端子接线图如图4.1所示:4.3PLC梯形图设计:(1)液压泵控制:总开关SA1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FR1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KM1线圈电路导通,KM1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SB1,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过载，FR2触点断天，输入继电器X16为OFF，输出继电器Y3、Y4将无法接通，电