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Y3150E 型滚齿机 PLC 改造 设计 说明书 CAD

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XXXX毕业设计说明书题 目：Y3150E型滚齿机的PLC改造 学 院： XXXX 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： XXXX 姓 名： XXXX 指导教师： XXXX 完成日期： 2012年5月27号 目录摘要1 Reconstruction of Y3150E Precision Gear Hobbing Machine by PLC2一. 绪论31.1 课题的依据31.2 课题的研究意义41.3 课题的现状分析41.4 PLC简介5二.PLC系统总体设计方案概述112.1传统滚齿机控制系统的功能与技术指标112.2 PLC控制系统设计方案14三.硬件系统的设计17 3.1 PLC173.2 伺服系统193.3 触摸屏20 3. 4 传感器21 3. 5 电源电路21 3. 6 硬件连接23四.软件系统的设计与调试284.1 数控化改造的电气要求294.2 I/O点的分配30 4. 3 PLC梯形图设计32五.期望与总结34致谢36参考文献37 Y3150E型滚齿机PLC控制系统的改造摘 要作为机电一体化重要技术的可编程序控制器(PLC)产品的集成度越来越高,工作速度越来越快,功能越来越强,使用越来越方便,特别是远程通信功能的实现,易于实现柔性加工和制造系统,使得PLC如虎添翼。本文简要的介绍了Y3150E型精密滚齿机的控制原理，并利用PLC对滚齿机进行改造，设计PLC控制系统，使滚齿机的控制更加方便。关键词：滚齿机，控制系统，机电一体化，PLCReconstruction of Y3150E Precision Gear Hobbing Machine by PLCAbstractIn recent years, as an important technology in Mechatronics, Programmable Logic Controller (PLC) products are more integrated, working faster and faster, more powerful in function, more and more convenient to use, especially in telecommunications function implementation, it is easy to implement flexible processing and manufacturing systems, makes the PLC even more powerful. This article briefly describes Y3150E Precision hobbing machine control principle, and to use PLC to reform of the hobbing machine, PLC control system designed to enable gear hobbing machine control more convenient.Keyword：Hobbing Machine,Control System, Mechatronics, PLC第1章 绪论1.1 课题的依据本课题依据于PLC对Y3150E型精密滚齿机控制系统的数控改造。原Y3150E型精密滚齿机采用纯机械的传动链，传动精度低、调整复杂,无法满足大批量、多品种、高精度齿轮的加工要求,且机床电气故障比较突出,有些机床甚至无法使用,如果淘汰了重新购置则投资太大.由于润滑充分,这些机床的导轨、丝杠、丝母、滑台及工作台的涡轮蜗杆等磨损不大,机床机械精度保持较好,具备进行改造的基本条件,且改造投资少、见效快。而PLC控制具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点，并采用交流伺服电机对其主轴进行控制，原设备中的一些机械设备都予以保留，使一些设备得到了充分利用，节省了许多资金，属于改造的基本原则。同时设备的操作灵敏度，控制要求都达到厂家的要求，使设备能够很好的为厂家发挥很大的作用。因此对其进行PLC的数控改造具有非常高的经济价值。 图1.1 传统的机械传动式滚齿机 1.2课题的研究意义课题的意义是设备更新，购置新型数控滚齿机、提高企业对产的加工能力，增强产品市场的竞争能力是企业提高市场竞争能力的首选。但新机床购置费用高，且旧机床的闲置必然造成很大的资源浪费。因此对原有机床的PLC改造显得尤为重要。利用旧机床进行改造具有一下几点优势： 1）投资额小、开发成本低数控化机床改造的低成本投入是推动数控改造市场迅速发展的关键因素.与购置新机床相比较,一般可以节省60%-70%的费用，改造费用低。特别是大型特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只需花费新机床购置费用的三分之一，即使将原机床的结构进行彻底改造升级，也只需要花费购置新机床50%的资金。并且企业可以充分利用现有地基，不必像购入新设备那样重新构筑地基。 2）了解设备、便于操与维修，减少后期的培训、维修成本； 3）使用灵活、性能更稳定； 4）可充分利用现有的条件使企业更快地投入生产； 5）可有效的扩大加工范围，提高加工精度； 6）提高机床的自动化程度及生产效率； 7）缩短生产和生产准备周期； 8）减轻工人劳动强度，改善劳动条件。同时经过PLC数控改造的滚齿机直接采用伺服电机驱动内联传动链两端件，取消中间传动齿轮，通过PLC控制装置控制各电机的转速实现远程控制，向最终实现齿轮加工的集成化迈进。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（%） 工件热误差（%） 操作误差（%）加工过程总误差（%）5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。 图1.2 GENESISTM130H数控滚齿机 图1.3 GENESISTM130H的7个数控轴 1.4 PLC简介现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。PLC作为机电一体化的一个重要的进程，在机械电气化的过程中起着很大的作用，现在还是这样，随着PLC本身的发展，它的应用范围越来越广，功能越来越强大。可编程序控制器（programmable Logic Controller）是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的，模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。 PLC的国内外的状况在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable ,是世界上公认的第一台PLC.限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。 PLC的组成及特点从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。这里主要介绍一下它的CPU，CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 PLC的用途PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置,使其应用受到限制。但近年来由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降,使PLC的成本下降,同时又由于PLC的功能大大增强,使PLC 的应用越来越广泛,广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。PLC的应用通常可分为五种类型：（1）顺序控制 这是PLC应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。PLC可应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。（2）运动控制 PLC制造商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模版。在多数情况下，PLC把扫描目标位置的数据送给模版块，其输出移动一轴或数轴到目标位置。每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。相对来说，位置控制模块比计算机数值控制（CNC）装置体积更小，价格更低，速度更快，操作方便。（3）闭环过程控制 PLC能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。PID（Proportional Intergral Derivative）模块的提供使PLC具有闭环控制功能,即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。当过程控制中某一个变量出现偏差时,PID控制算法会计算出正确的输出,把变量保持在设定值上。（4）数据处理 在机械加工中，出现了把支持顺序控制的PLC和计算机数值控制（CNC）设备紧密结合的趋向。著名的日本FANUC公司推出的Systen10、11、12系列，已将CNC控制功能作为PLC的一部分。为了实现PLC和CNC设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件。通过窗口软件，用户可以独自编程，由PLC送至CNC设备使用。美国GE公司的CNC设备新机种也同样使用了具有数据处理的PLC。预计今后几年CNC系统将变成以PLC为主体的控制和管理系统。（5）通信和联网 为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化（FA）系统、柔性制造系统（FMS）及集散控制系统（DCS）等发展的需要，必须发展PLC之间，PLC和上级计算机之间的通信功能。作为实时控制系统，不仅PLC数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电故障时的对策。 PLC常用语言可编程控制器中有多种程序设计语言,它们是梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等，扩展或增强指令集，它们也能执行其它基本操作。功能表图语言和语句描述语言是高级程序设计语言，它可需要去执行更有效操作，例如，模拟量控制，数据操纵，报表报印和其他基本程序设计语言无法完成功能。功能模块图语言采用功能模块图形式，软连接方式完成所要求控制功能，它可编程序控制器中到了广泛应用，集散控制系统编程和组态时也常常被采用，它具有连接方便、操作简单、易于掌握等特点，为广大工程设计和应用人员所喜爱。 可编程器应用范围，程序设计语言可以组合使用，常用程序设计语言是： 梯形图程序设计语言； 布尔助记符程序设计语言（语句表）； 功能表图程序设计语言； 功能模块图程序设计语言； 结构化语句描述程序设计语言； 梯形图与结构化语句描述程序设计语言； 布尔助记符与功能表图程序设计语言； 布尔助记符与结构化语句描述程序设计语言。 第二章 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。2.1传统滚齿机控制系统的功能与技术指标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型滚齿机电气电路分析Y3150E型滚齿机的电气控制线路图如下图2.1所示： 图2.1 Y3150E型滚齿机的电气控制线路图 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M1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。 控制电路 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。 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。 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。 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。 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。 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。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5000mm/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： 表2.1 Y3150E型滚齿机参数指标 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5004000rpm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40250mm主电动机功率5.5KW机床净重500kg此次改造要求是将机械滚齿机改造为数控滚齿机，由于机床设备自身的一些特点，改造过程中将对上述参数有较大的调整，如各运动部件的行程距离、齿轮加工角度等，但改造最主要的任务是对加工精度的提高和操作效率的提高。 图2.2 Y3150E型滚齿机数控改造后的传动原理图2.2 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。 图2.3 传统滚齿机传动示意图 1 设计思路 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。 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。 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。 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： 图2.4 总体设计框架示意图 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。 第三章 硬件系统的设计 一个完整的自动化控制电路包括能保证电路正常工作的电源部分、起控制作用的核心部件PLC、受控性能优越的伺服系统、以及对位置进行检测和反馈的传感器。做好每一部分电路的设计是完成整个电路设计的基础。本节主要概述PLC的特性和PLC的选择、伺服系统的选择和应用、传感器的特性与应用、触摸屏的使用以及电源设计等内容。3.1 PLC1 PLC概述 PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境设计的一种工业控制计算机，采用面向用户的指令，编程方便。近年来，PLC在传统的对开关量处理的基础上，又增加了数字运算及对模拟信号处理的能力。这给PLC的应用带来了巨大的发展前景。PLC的基本结构 根据硬件结构的不同，可以把PC分为整体和模块式，近年来又将这两种形式结合起来的趋势。PLC的内部结构大体上可分为四部分：中央处理器（CPU）、存储单元、输入输出单元和扩展单元。 CPU模块：CPU模块主要由微处理器（CPU）和存储器组成。有的还包括PC的直流稳压电源。在控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏。它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。 存储器：根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为下面的4种：系统程序存储器；用户程序存储器；数据表寄存器（Data table memory）；高速暂存存储器（Scratch pad memory）。 开关量I/O输入输出模块：I/O模块的接线方式有汇点式、分隔式和分组式三种，极大多数的PLC的输入端子采用汇点式，而输出端子则采用分组式或分隔式。 编程器：PC的编程器用来生成PC的用户程序，并对程序进行编辑、检查和修改，高级的编程器还可以将程序存储在磁带或磁盘中，并驱动打印机打出带注解的梯形图程序或指令表程序。各种编程器还可以用来监视系统运行的情况。下面是PLC的内部结构单元框图： 图3.1 PLC内部结构单元图框 1. PLC的工作过程 图3.2 扫描过程示意图 PLC一循环扫描的方式工作如图3.2所示，整个扫描工作过程包括内部处理、通信服务、输入处理、程序执行输出处理五个阶段。PLC有两种工作状态，即运行状态（RUN）和停止状态（STOP）。当PLC处于停止状态时，只完成内部处理和通信工作，主要用于外部程序的编制和修改；当PLC处于运行状态时，除了完成内部处理和通信服务外，还要完成输入采用程序执行和输出刷新工作，即执行用户应用程序。 PLC循环扫描一次所需的时间称为扫描周期。PLC运行正常时扫描周期的长短与CPU的运算速度、I/O点的情况、用户应用程序的长短以及编程情况有关。通常用PLC执行1KB指令所需的时间来描述扫描速度（一般110ms/KB）。二 PLC的选型 在机床的数控改造中，控制系统的选择尤为重要。 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/O。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-40ES00R2型号PLC。DVP-40ESOOR2的主机I/O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路伺服电机的测量，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： 图3.3 高速计数器控制流程图 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： 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。 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。 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。 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。 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，一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-AO7212A。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，控制伺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： 图3.4 伺服驱动与伺服电机连接示意图 3.3 触摸屏触摸屏是人机交换设备，是各种参数的输入操作界面，同时也是过程检测和错误警报的显示界面。触摸屏的充分应用可以提高人机互动功能。改造后的数控滚齿机具有更强大的控制功能和检测功能。为了体现新机床的功能并充分利用其功能，增强人机交换的灵活性，选用触摸屏是必然选择。在触摸屏上可以利用参数设定对电机运动模式进行控制、可以对PLC的I/O进行监控并具有报警功能。触摸屏的画面可进行切换。综合分析各型号的触摸屏，最终选择台达DOP-BO5S100型号触摸屏。台达DOP-BO5S100触摸屏特性： 1 7寸宽屏幕（16：9）TFT机种，具高彩65536色，其分辨率为480234； 2 造型时尚现代化，内置高质感MP3/WMA/WAV/MI DI音效功能； 3 提供普及型、隔离型、网络型机型，分别整合CF卡，Ethernet和Can bus接口，满足用户的不同需求； 4 支持USB上下载，可连接打印机和U盘； 5 具有宏指令精灵，使宏指令使用更便利。 如图3.5所示为台达DOP-BO5S100型号的触摸屏正面示意图： 图3.5 台达DOP-BO5S100型号触摸屏正面示意图 在图3.5中，A为触摸屏电源指示灯；B为操作显示区域。如图3.6中所示为台达DOP-BO5S100型号的触摸屏背面示意图： 图3.6 台达DOP-BO5S100型号触摸屏背面示意图 在图3.6中，A为电源+24V输入端子；B为COM2口；C为COM1口；D为电源外盖；E为USB Host连接端口；F为USB Client连接端口；G为系统键。3.4 传感器 传感器是一种能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器检测技术是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强，系统的自动化程序就越高。现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，它是机电一体化系统达到高水平的保证。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。 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； 退刀极限即右行极限传感器，为退刀的极限位置； 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。1. PLC电源电路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： 图3.7 PLC电源电路 图3.7中，空气开关QM1的型号为NSE-80，其额定电流80A，能够保证电路正常工作输出电流，且留有足够的余量。T2为1：1的隔离变压器，能够将电网电压中的各次谐波滤除，保证PLC工作过程的可靠性；C1、C2的耐压700V，容量4700PF。2. 伺服系统电源电路 伺服系统可采用单相220V供电，也可采用三相220V供电，视伺服电机的功率确定，若伺服系统的功率小于1KW，则采用单相220V供电，超过1KW则采用三相220V供电。考虑滚齿机的实际加工情况，伺服系统的电路电压选用三相AC220V供电。（本文所选伺服系统功率为750W，仅作为运动部件空载运行轨迹分析）三相电网电压为380 V，故需采用一台三相隔离变压器T1将三相交流380V的电压降压至三相220V。三相干式隔离变压器不仅具有防火、难燃、防潮、噪音小、不污染环境、安装方便、免维护、体积小、重量轻、过载能力强、抗短路冲击性能好、损耗小、节能等优点，而且还可以去掉三次谐波和减少干扰信号。至于伺服电机的供电，则由伺服驱动电路提供。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： 图3.8 伺服系统电源电路 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： 图9 直流稳压电路图 在图3.9所示电路为带大环节的串联型稳压电源，其特点是输出电流大，稳压性能好且输出电压可调。四个二极管构成桥式全波整流电路，利用C1进行电容滤波。在稳压部分，R8、R9构成采样电路，稳压二极管BG7（2CW56）提供基准电压，三极管3DG945为比较放大管，将输出电压的变化量加以放大去控制调整管BG6（3DD15A），使调整管做出反应，对输出电压的变化做出调整，从而保证输出电压基本稳定。考虑到调整管BG6的耗散功率较大，发热情况严重，为其增加散热片。4. 传感器电源电压 传感器工作电压为+24V，同样由直流稳压电源提供。3.6 硬件连接 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 触摸屏与PLC连接示意图 图3.10中，连接导线为RS232。RS232端口示意图如图3.11所示： 图3.11 RS232端口电路图 2. PLC与伺服系统的连接 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： 图3.12 伺服驱动CN1端口示意图 在图3.12所示电路中，36、37脚为位置指令符号输入端，41、42为位置指令脉冲输入端。PLC与伺服驱动连接示意图如图3.13所示： 图3.13 PLC与伺服驱动连接示意图 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： 图3.14 PLC与传感器连接示意图 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。 表3.1 硬件选用型号 名称型号数量备注伺服电机ASMT07L250BK3台达伺服驱动器ASD-A07212A3台达PLCDVP-40ES00R21台达触摸屏DOP-BO5S1001台达转换开关CBZK10/32防爆空气开关NSE801梅兰日兰传感器KHP-01DB5霍尔行程开关JLXK1-31145安培 图3.15 硬件的控制示意图 第四章 软件系统的设计与调试 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-40ES00R2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/O点数。分配I/O点，绘制I/O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。4.1 数控化改造的电气要求 1. 滚刀可进行高速的旋转并具有转速可调的能力（5004000rpm）； 2. 主轴可进行高速旋转并具有转速可调的能力（5495rpm）； 3. 滚刀可进行横向进给并具有进给速度可调的能力（快速时5000mm/min）； 4. 上述三种速度可根据相关参数实现联动； 5. 能对工作台的位置和横向进给的位置进行跟踪监测并反馈，以便更好的控制加工过程； 6.主电机带动滚刀作旋转运动，构成主运动，并且切削需要刀具能够正反转； 7. 为了传动系统能够有充分的润滑，必须在液压泵起动后才能起动其他电动机； 8. 所有的内联系传动链是由齿轮机构来实现的，滚刀旋转、刀架轴向运动、工作台旋转、径向运动等都由一个交流电动机提供动力，不能由多个电动机完成； 9. 具有必要的保护功能，轴向运动需要设置极限保护措施； 10.保证产品的加工精度较改造前有较大提高； 11. 改造后机床的操作性提高，能有效提高加工效率。4.2 I/O点的分配 I/O的分配：显然，在建立一个PLC控制系统时，必须首先把系统需要的输入输出数量确定下来，然后按需要确定各种控制动作的顺序和各个控制装置彼此之间的相互关系。结合硬件确定PLC的I/O分配。滚齿机改造涉及PLC控制的I/O分配如表4.1所示： 表4.1 PLC逻辑元件I/O分配表电气元件逻辑元件 作用型号与规格 数量 备注 SB1X0主电动机起动按钮LA39-03Z/r，红 1 SB2X1主电动机停止按钮LA39-01/k，黑 1 SB3X2点动调整主电动机按钮LA39-10/w，白 1 SB4X3轴向快速电动机正向点动按钮LA39-10/w，白 1 SB5X4轴向快速电动机反向点动按钮LA39-10/w，白 1 SQ1X5轴向行程开关LJ17B- 4/621 1 SQ2X6轴向超行程保护开关KWX 1 SQ3X7轴向快速移动行程开关LXW5-11Q1/F 1 SQ4X10轴向超行程保护开关JWM6-11 1 SA1X11总开关LA39-20XS/k 1带旋钮 SA3X12主轴正、反转DPN03005N20R 1 SA4X13径向快速开关LA39-20XS/k 1 SA5X14冷却泵开关DPN03023J20R 1带旋钮 FR1X15热继电器触点3UA5900-OG，0.4A/0.4-0.63A 1 FR2X16热继电器触点3UA5900-OG，0.4A/0.4-0.63A 1 FR3X17热继电器触点3UA5900-OG，0.4A/0.4-0.63A 1 YA1Y0径向移动电磁阀的电磁铁MW-03/1-1，AC127V/DC110V，3A 1 YA2Y1平衡液压缸电磁阀的电磁铁6FC5370-0AA00-2AA0 1 KM1Y2液压泵电动机控制用接触器A9-30-10，AC110V，50HZ 1CA5-10,RC5-1 KM2Y3主轴正转控制接触器A9-30-10，AC110V，50HZ 1RC5-1 KM3Y4主轴反转控制接触器A9-30-10，AC110V，50HZ 1RC5-1 KM4Y5冷却泵电动机控制接触器HH53P-FL，DC24V 1CA5-10,RC5-1 KM5Y6轴向快移电动机正转用接触器HH53P-FL，DC24V 1座TP11X KM6Y7轴向快移电动机反转用接触器HH53P-L，AC110V50HZ 1座TP11X 绘制I/O端子接线图：根据I/O分配结果，绘制I/O端子接线图。在端子接线图中，X0、X1等共用一个COM端，Y0、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电路上，另一端分别接在相应的PLC输入端子上。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/O端子接线图如图4.1所示： 图4.1 I/O端子接线图 选定PLC类型之后，结合滚齿机的功能要求与控制操作要求确定PLC的I/O分配结合PLC编程特点，PLC控制程序基本结构如图4.2所示： 图4.2 PLC控制程序基本结构图 在图4.2中，接通电源，启动电机后，在触摸屏界面上首先出现的是手动操作与自动操作选择，如果启动手动操作模式，则程序不再运行，利用手动操作完成一些简单的操作。因为去掉原机床中的齿轮出动部分，故无法利用手动操作完成加工；选择自动模式后，程序将开机运行，首先是程序初始化并进行程序检测，如果检测程序出现问题则自动停机报警等待检修。等检修结束后再进行第二次程序检测，直到程序无问题方进入正常的加工程序；加工的第一步是将各运动部件回复至原位，当原点传感器测到运动部件的原位后，开始按照程序进行加工；当运动部件运行到加工极限位置时自动退刀到原点；触摸屏会提醒是继续加工还是停止加工，如果继续加工则从新扫描程序进行第二次加工，如果无需加工则各运动部件复位，等待拆卸工件，停止加工过程。4.3 PLC梯形图设计 根据控制要求和PLC端口分配情况，设计得到控制梯形图如图4.3所示： 图4.3 PLC梯形图 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。 主电动机控 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2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。 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。 轴向快速移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。 径向运动转换开关SA4闭合，输入继电器X13为ON，输出继电器为Y0为ON,电磁铁YA1得电，液压缸推动工作台径向中移动。 第五章 期望与总结 本文是对数控滚齿机的三轴联动PLC控制设计改造的一个探索；介绍了所采用到的器件和选择的原因与出发点，以及器件之间的硬件连接等。能较好较完整的体现本设计的特点和设计的思路。本次改造设计采用台达工控机DVP-40ES作为整个系统的控制和处理核心；采用PLC的高速计数模块实现输出脉冲对伺服电机转速的控制；采用RS-232接口和触摸屏连接，实现人机交换；由PLC对传感器采集到的数据进行处理，并对伺服系统和伺服电机进行控制，实现数控滚齿机的三轴联动自动化控制。进行改造设计时，考虑到齿轮加工的精度要求，所以充分利用台达工控机的高速脉冲控制实现三轴联动的速度调节。改造后滚齿机省去了传统滚