【《某三工位旋转工作台控制系统的硬件和软件设计案例》6900字】

某三工位旋转工作台控制系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u2096某三工位旋转工作台控制系统的硬件和软件设计案例 116328第1章硬件设计 1118681.1上位机设计 1281561.2PLC模块设计 3273211.3电机模块设计 8267781.4液压模块设计 14240271.5电源模块设计 1840581.6检测模块设计 19269531.7按键模块设计 21247461.8报警模块设计 2214768第2章软件设计 22211372.1编程软件的介绍 22142772.2系统总体流程图 23260042.3工作方式流程图 24156332.4检测系统流程图 25第1章硬件设计1.1上位机设计1.1.1人机界面设计根据设计要求，着眼实际，考虑设备安装调试和后期维护，钻床的动作由自动控制和手动控制两部分组成，用档位开关切换REF_Ref13621\r\h[3]。通过登录界面进入主界面，上位机监控界面框图如图3-1所示。图3-1上位机监控界面（1）自动控制画面：主要应用于工件自动钻孔的开始、暂停、结束操作。（2）手动控制画面：用来单独控制上料器的进退，工件夹紧和放松，钻头升降，卸料器的进退，工作台升降和旋转。（3）参数设定画面：参数设定画面可以对钻头钻孔深度、钻头进给量进行设置。（4）故障显示画面：当工件上料未到达工作台工位的准确位置指示灯会发出报警信号，故障信息显示在监控界面上。1.1.2上位机通讯设计上位机与PLC之间的通信采用CAN总线方式。基于CAN总线的分布式控制系统属于现场总线和串行通信网络。它具有实时数据传输、开发周期短、应用前景广阔等优点。上位机通过适配卡接口与CAN总线交换信息，PLC通过具有CAN接口的串行芯片与CAN总线相连。上位机负责整个CAN总线系统的监控和管理。具有系统参数设置、监控状态设置、数据传输、数据请求、本地状态请求、节点状态查询、数据管理中断等功能模块。上位机向下位机发送命令。PLC检测并执行相应的写入过程。1.2PLC模块设计1.2.1PLC的选型离散运动控制是三菱的优势，三菱PLC具有丰富的指令，伺服和步进的控制容易在三菱PLC中实现，而西门子在复杂控制方面较弱，在实现伺服或步进的控制，需要比较复杂的程序，控制精度不高。通过三菱系列PLC与西门子系列PLC的对比，可知三菱系列PLC较西门子系列PLC具有以下优点：1、系统配置即固定又灵活；2、编程简单；3、备有可自由选择，丰富的品种；4、使用于多种特殊用途；5、外部机器通讯简单化；从输入和输出点的数量以及编程的难易程度的角度考虑，选用三菱系列PLC能够满足设计要求。PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置REF_Ref18561\r\h[4]。它具有体积小、功能强、可靠性高、灵活通用与维护方便等优点，在机械制造、冶金、化工等领域已得到广泛应用。由于系统的输入和输出信号较多，所以选用的PLC需要具备多个接口。已知系统需要输入输出信号分别为27和14个，总计41个。另外，PLC接口要有余量，所以可以考虑具有输入输出点各32个的FX2N系列PLC，其有高速、强大的基本性能，方便扩展，所占空间体积小，适用于一般逻辑控制以及其他广泛用途，最终选定PLC型号为FX2N-64MR。其实物图如图3-2所示。图3-2PLC的型号FX2N-64MR该型号的PLC主要参数与特点如表3-3所示：表3-3PLC参数表类型FX2N-64MRI/O口32个输入，32个输出CPU运算速度0.08μS所用电源交流电储存器最大扩展16K1.2.2PLC的硬件结构PLC的硬件系统主要由电源、中央处理器、输入输出接口、外设接口、I/O扩展接口与存储器组成。在不同的使用条件下可以将其进行整体化和模块化，以便适用与各大应用场合。必要时，也可以对PLC的硬件及结构进行替换，以达到所需要的功能。PLC结构框图如3-4所示。图3-4PLC的硬件系统框图1.2.3PLC工作流程图3-5PLC的工作流程1.2.4PLC的I/O地址分配三工位旋转钻床所用PLC的I/O分配表如表3-6所示。表3-6PLC的I/O地址分配输入信号名称外部元件内部地址输出信号名称外部元件内部地址系统启动SB0X000上料推进电磁阀1YAY000上料推进SQ1X001上料退回电磁阀2YAY001上料退回SQ2X002工件夹紧电磁阀3YAY002工件松开SQ3X003工件松开电磁阀4YAY003钻头下降SQ4X004钻头下降电磁阀5YAY004钻头上升SQ5X005钻头上升电磁阀6YAY005卸料推进SQ6X006卸料推进电磁阀7YAY006卸料退回SQ7X007卸料退回电磁阀8YAY007工作台抬起SQ8X010工作台抬起接触器9YAY010工作台落下SQ9X011工作台落下接触器10YAY011工作台旋转SQ10X012工作台电动机转动接触器KM1Y012压力继电器触点SP1X013钻头电动机转动接触器KM2Y013手动上料推进SB1X014液压泵电机KM3Y014手动上料退回SB2X015报警KM4Y015手动工件夹紧SB3X016手动工件放松SB4X017手动钻头下降SB5X020手动钻头上升SB6X021手动卸料推进SB7X022手动卸料退回SB8X023手动工作台抬起SB9X024手动工作台落下SB10X025手动工作台旋转SB11X026手动钻孔SB1X027系统停止SB13X030手动控制SA1X031自动控制SA2X032上料到位检测X0331.2.5PLC端口接线图该设计系统的PLC外部接线如图3-7所示：图3-7PLC接线图1.3电机模块设计由于电机的转速相对较高且工作台每次要求旋转120°，因此工作台电机需要外加减速器，要求运行平滑且相应速度快，所以工作台选用步进电机。对于主轴电机和液压泵电机来说，由于其需要保持高速旋转，对于电机转速控制没有要求，所以不必选用价格比较昂贵的额伺服电机，三相异步电动机便可满足条件。工作特点如下表3-8所示：表3-8三种电机特点步进电机伺服电机三相异步电动机过载特性过载时会失步可3~10倍过载（短时）过载时电流很大响应速度一般快一般耐振动好一般（旋转变压器型可耐振动)较好温升运行温度高一般一般维护性基本可以免维护较好较好价格低高低1.1.1电机选型电机根据设定的系统参数选型，工作台系统各项参数如表3-9所示。表3-9系统参数的设定机械结构参数设定数值工作台直径D工作台厚度L工作台材质密度ρ工件材质密度ρ工件直径D工件厚度L工件数量n=3工作台中心至工件几何中心的距离r=0.16m定位角度θ=120°定位时间t=2s工作台电机转速n减速机减速比i=6工作物转动惯量J工作台电机选型工作台质量mT

三个工作物质量mm工作台和工件总质量m工作台和工件所受重力G工作台转动惯量J工件转动惯量J总负载惯性J负载转矩T工作台转速n工作台角速度ω工作台线速度V工作台切向加速度ε工作台总转矩M工作台旋转阻力f综上选择钻头电机选型钻头切削力矩M=0.21D——钻头直径(mm)f——每转进给量(mm)KP钻头切削阻力F=钻头电机功率P=FV=F考虑到钻头电机效率和带传动效率，取P=11KW,选用YE2-160L-6三相异步电机.液压泵电机选型初选液压泵电机功率P取液压泵和液压缸的效率依次为0.93和0.93P考虑其他负载因素，最终取液压缸功率为P则液压泵电机型号为YS6324-250V。表3-11三台电机参数总表型号电压（V）功率（KW）转速（RPM）工作台电机2200.110钻头电机YE2-160L-6380111200液压泵电机YS63243800.251200（4）减速器选型由于工作台电机的转速较高，如果其电机主轴直接连接工作台，就会导致工作台在很短的时间内拥有很大的角速度，而工作台要求在一定时间内每次旋转120°，要求的角速度要比工作台电机转子角速度小得多，这是就有必要在连接处安装减速器。通过减速器使得传递到工作台转轴上的角速度降低，从而满足要求。以下是两种常见减速器。方案一：RV减速器。在传递相同扭矩和功率时，RV减速器体积较小。其中摆线针轮传动为硬面多齿啮合，这决定了摆线针轮传动本身的性能，而且在传动机构的构造过程中，摆线针轮传动置于行星齿轮架的主库中，大大减少了传动的总体积。但RV减速器由于承受较大的扭矩，所以其内部结构相对复杂，生产制造成本相对较高，且在高速运转时容易引起轴承疲劳磨损，大大缩短了RV减速器的使用寿命，因此不适宜本次设计。方案二：谐波减速器。用于负载小的工作轴上，谐波减速器由刚性轮、柔性轮、轴承和轴发电机组成。由于多齿啮合同时存在多个齿，即多齿啮合对误差有相互补偿，动态精度高。以齿轮为例，齿轮径向运动均匀，即使输入转速高，齿轮的相对滑动速度仍然很低，传动功率也很高。由于其精度相对较高，可以保证一定的减速比，使得工作台的固定旋转角度容易实现。本设计要求三工位钻床的工作台转动平稳，输出速度较低，且出于成本考虑，故选用谐波减速器。如图3-10所示。图3-10谐波减速器结构示意图1.1.2电动机主电路图3-11驱动控制电路在该电路中，主轴电机控制钻头高速旋转，实现钻孔过程。L1、L2、L3为三相电源线，QF为断路开关，主要作为控制系统中的主开关，具有低压保护功能。KM是接触器，主要用来开启和关闭发动机控制系统。KM闭合时，电机运行。FR是一种热继电器，用于保护电机不过载。KM1、KM2和KM3为三台电机开关。开关闭合，则相应的电机马达开始工作。1.1.2控制回路步进电机控制器采用ma860h型号，接触器采用正泰CJX2-1210的380V接触器其控制回路如图3-12所示。图3-12控制回路1.4液压模块设计1.2.1液压驱动原理工作台正常工作时，首先上料器将工件推入工位一，当其接触行程开关，则回油阀打开，活塞杆返回，再次接触行程开关时回油阀关闭，液压阀处于中位，进入等待状态。随后工作台转动120°，工件到达工位二，活塞杆夹紧工件后保压，工位二中的夹紧动作，除了采用液压阀之外，还要使用压力继电器REF_Ref25461\r\h[2]。上述动作完成之后，主轴电动机钻头开始向下进给，进行钻孔工作。当钻孔深度达到预设定的尺寸时，钻头触发行程开关，上升继电器得电使得主轴电机退回，而后再次触发行程开关，上升继电器失电且主轴电机停止运转。之后夹紧装置电磁阀失电，其活塞杆退回，碰到行程开关时停止并进入等待状态。最后，工作台转动120°，当工件到达工位二时。卸料器活塞杆伸出，卸料后活塞杆退回，碰到行程开关后进入等待状态。如此循环，使得流水作业持续进行。液压原理图如图3-13示。图3-13液压系统动动作原理图上料卸料、工件夹紧放松、工作台升降、钻头的升降液压驱动特点如下表3-16所示：表3-14液压驱动特点内容液压驱动输出力压力大，输出力大控制性能控制精度较高响应速度很高安全性能防爆性能好结构性能及体积结构适当，体积小对环境影响易漏油，环境污染应用范围重载、低速成本高1.2.2升降液压缸参数计算（1）载荷的确定支架反力为压力的2倍，钻头压力为500N，则液压缸理论推力F=1000N。（2）工作压力计算负荷小于50kg时，液压缸筒体直径按1MPa计算。根据数据，如果工作压力为1000N，最小气缸直径必须为40mm。（3）液压缸的排量要求钻孔深度80mm，为了确保孔深达标，初选液压缸的行程为100mm。（4）检查液压缸的稳定性1）检查液压缸的直径已知P工作＝1MPa，FD取D=60mm2)液压缸及活塞杆计算由公式：F带入数值得F液压缸=1826N＞1000N，符合要求。由于P工作＝1MPa，查阅资料，初取d=12mm，由公式：4F对d开始验证，查表知F许用=则1.46mm＜d＜12mm，符合要求。3）确定活塞杆长度L活塞杆行程大于等于2L，活塞杆受力小于等于所能最大压力Fcr，考虑到n≥nst，查阅公式nst=FCR/F工作，nst=4。查阅资料得FI为截面惯性矩：I=π铰链摩擦系数：μ弹性模量：E查阅资料知，活塞杆杆弹性模量为210将F工作F则：Fl=得2×100mm≤L≤215mm，取L=215mm，符合要求。4）液压缸筒壁计算查阅资料可知，其可用薄壁桶壁厚公式计算δ=DP式中：δ—壁厚D—缸内径Pp—实验压力，取Pp=2P工作=2×10许用应力σ=2.4MPa带入得出壁厚为2.5mm算出缸外径D=60+2×2.5=65mm5）确定液压缸参数由计算确定D缸=60mm，D杆1.5电源模块设计本设计中三台电机由220V和380V电压进行驱动，而PLC和传感器则需要24V电压驱动工作。220V家用电和380V三相电，生活中常用到，可满足电动机的使用要求，不需要进行整改。但24V电源的获得需要对220V电源进行整改转换，根据资料，可选用超薄型LRS25W～350W系列中的LRS-100-24开关电源，其主要参数如表3-15所示。表3-15开关电源参数表参数数值输入范围AC85~264V输入电压DC24V输出电流2.5A额定功率100W尺寸129×97×30LRS-100-24型开关电源电路图如图3-16所示：3-16开关电源电路图1.6检测模块设计三工位钻床的检测系统主要用来检测工作台上料状态，其主要由传感器进行检测，将其始终固定在工作台外圆的工位一和工位二附近，对工件所处位置进行检测，从而来确保工作台处于正常工作状态。若工件所处位置不符合预定位置，则传感器动作，将检测结果转化为电信号传达给PLC，PLC发出相应指令使得系统停机或者暂停，以便工作人员排查错误，起到安全保护作用。1.6.1传感器的选择由于需要对系统自动工作时工件的所处位置状态进行检测，由于工件本身不透光且为实体，所以可以考虑两种传感器，即位移传感器和光电传感器。方案一：位移传感器。位移传感器的原理是磁致伸缩位移传感器通过非接触式测控技术检测主动磁环的位置，测量被测产品的实际位移值。该运动传感器的主要特点是：一是具有广泛的应用和测量范围，能够适应不同的环境和不同的机械运动测量；其次，测量精度和可靠性高，误差小于0.01%，性能稳定，使用寿命长，在成千上万的实际应用中得到了普遍的应用。方案二：对射式光电传感器将光源发射器和光源接收器固定在被测物体的两侧，对物体的实时位置状态进行检测。正常情况下光源发射器发出的光会被接收器接收，物体未进入传感器的检测范围，此时光电开关不动作。当物体进入对射式光电传感器的检测范围，即当工件上料未到位时，发射光被不透明工件阻挡，接收器接收不到发射光，传感器输出异常信号传送给PLC，触发报警系统。方案三：接触式限位传感器在系统固定的某一位置安装接触式限位传感器，当物体到达一定位置后与限位开关接触，限位传感器动作，使得控制电路发生切换或者切断控制电路。接触式限位传感器是一种根据所移动的部件行程所动作的元件，在工业生产中具有广泛的应用。因为本设计只需要对工件上料是否到位进行检测，而无需检测工件的相对位移量，因此对射式光电传感器适用工件位置的实时检测，并将其置于工作台工位一和工位二外圆边沿中。本次设计选用PNP型E3F-20C1直流三线NPN常开的对射式光电传感器。其在没有阻挡物的时候正常工作，当有工件上料未到位时阻挡物出现，光源发射器发出的光束无法被接收器接收，接收器输出电信号传达至PLC，从而产生报警信号。图3-17对接射型光电传感器1.6.2检测电路设计本设计选用NPN三线常开交流6～36V电压检测传感器，而24V正好在可用电压范围区间，这里为了使得检测电路电压与PLC所用电压一致，减少工作量，则棕线和蓝线分别接正、负24V电压，黑线接PLC输入端。光电传感器接线图如图3-18所示。图3-18光电传感器接线图1.7按键模块设计由于设计任务要求三工位旋转钻床要具备自动控制和手动控制两种操作方式，那么对于手动控制来说，按键模块设计就显得尤为必要，根据三工位旋转钻床的流水作业动作要求，可设置以下16个点动按钮来实现系统各项单一动作的手动控制。系统启动按钮系统停止按钮自动控制按钮手动选择按钮手动工件夹紧按钮手动工件放松按钮手动钻头上升按钮手动钻头下降按钮手动上料器推进按钮手动上料器退回按钮手动卸料器推进按钮手动卸料器退回按钮手动工作台上升按钮手动工作台下降按钮手动工作台和旋转按钮手动钻孔按钮按键模块接线图如图3-19所示。图3-19按键模块接线图1.8报警模块设计报警模块主要由传感器、检测电路、PLC和蜂鸣器组成。当三工位旋转钻床在工作过程中工件未达到工作台指定工位上的准确位置时，传感器开始动作并将检测信号转化为电信号传达给PLC，控制器发出指令使得整个系统运行停止且蜂鸣器处于报警状态，同时报警指示灯（红灯）点亮，报警动作完成。报警电路不仅可以保护系统部件和工作人员的安全，还可以及时提醒工作人员维修，减少不合格加工工件的产量，降低了生产成本，消除了不必要的浪费，因此报警模块的设置尤为必要。第2章