基于PLC的數(shù)控鉆床控制系統(tǒng)設計

基于PLC的數(shù)控鉆床控制系統(tǒng)設計,基于PLC的數(shù)控鉆床控制系統(tǒng)設計,基于,plc,數(shù)控,鉆床,控制系統(tǒng),設計 開題報告 設 計 題 目:基于PLC的數(shù)控鉆床控制系統(tǒng)設計 院 系 名 稱: 專 業(yè) 班 級: 學 生 姓 名: 導 師 姓 名: 開 題 時 間: 指導委員會審查意見： 簽字： 年 月 日 一、 課題研究目的和意義 1.1 傳統(tǒng)機床的PLC改造必然性 20世紀90年代以前我國生產(chǎn)機床的電氣控制普遍采用繼電控制，這些機床現(xiàn)在依然在各企業(yè)中被廣泛應用，由于傳統(tǒng)繼電控制系統(tǒng)使用大量的中間繼電器、時間繼電器，控制觸電多，因此電氣控制系統(tǒng)存在一些缺陷： 1、故障率高 2、可靠性差 3、接線復雜不便維修。 為了提高機床控制系統(tǒng)的可靠性，降低故障率，提高機床的加工效益，很多企業(yè)對傳統(tǒng)控制機床的電氣控制系統(tǒng)進行了改造。通常這種改造有PLC改造和數(shù)控改造兩種。[1]機床的PLC改造和數(shù)控改造不同，PLC改造是使用PLC系統(tǒng)替代原有的繼電控制系統(tǒng)，機床的操作方式、加工工藝部發(fā)生改變，只是提高系統(tǒng)的可靠性。而數(shù)控技術(shù)改造是在機床上附加控制裝置和執(zhí)行元件，使用合適的機床伺服控制和計算機系統(tǒng)，改變原有機床加工精度低、加工品種單一等問題，使機床實現(xiàn)自動化和精密化，提高原機床的生產(chǎn)效率，降低勞動強度。但是舊機床存在剛度低、抗震性差等缺點，不易進行數(shù)控技術(shù)改造，并且隨著PLC價格的減低，PLC改造的成本也隨之降低，由于改造后的系統(tǒng)故障率低，也降低了維修成本，因此，對傳統(tǒng)控制機床進行PLC改造已經(jīng)成為大多數(shù)企業(yè)的首選。隨著我國市場經(jīng)濟的飛速發(fā)展，國內(nèi)外市場競爭日趨激烈，在機械制造行業(yè)普遍存在著設備老化的問題，原有的機床設備便的陳舊、落后，已經(jīng)滿足不了產(chǎn)品種類迅速增加和質(zhì)量不斷提高的需求，僅僅購買新設備，所需資金太大，企業(yè)往往難以承受。為了節(jié)約資金，通過現(xiàn)有技術(shù)進行機床設備改造，使一些舊設備能夠達到生產(chǎn)要求，提高生產(chǎn)效率，繼續(xù)加工出具有競爭力的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品[2]。 1.2 PLC具有的優(yōu)點 在工作原理方面，可編程序控制器采用周期循環(huán)掃描方式，在執(zhí)行用戶程序過程中與外界隔絕，從而大大減小外界干擾；在硬件方面，采用良好的屏蔽措施、對電源及I／O電路多種形式的濾波、CPU電源自動調(diào)整與保護、CPU與I／O電路之間采用光電隔離、輸出聯(lián)鎖、采用模塊式結(jié)構(gòu)并增加故障顯示電路等措施；在軟件方面，設置自診斷與信息保護與恢復程序。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性[3]。 可靠性高，抗干擾能力強，高可靠性是電氣控制設備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了[4]。 配套齊全，功能完善，適用性強。PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 易學易用，深受工程技術(shù)人員歡迎。PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。 系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造。PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合[5]。 體積小，重量輕，能耗低。以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。 二、文獻綜述 2.1我國數(shù)控技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 2.1.1我國數(shù)控技術(shù)的現(xiàn)狀 我國數(shù)控技術(shù)起步于20世紀50年代末期，經(jīng)歷了發(fā)展初期的封閉式反正階段，“六五”、“七五”期間的消化吸收和引進技術(shù)階段，“八五”期間國產(chǎn)化體系階段，及“九五”期間產(chǎn)業(yè)化階段，基本掌握了現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)，建立了數(shù)控開發(fā)、生產(chǎn)基地、，培養(yǎng)了一批數(shù)控專業(yè)人才，初步形成了資金的數(shù)控產(chǎn)業(yè)。目前較具規(guī)模的有廣州數(shù)控、航天數(shù)控和華中數(shù)控等。具有中國特色的經(jīng)濟型、普及型數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，產(chǎn)品的性能有了較大的提高，它們逐漸被用戶認可，在市場上站穩(wěn)了腳跟[6]。 我國現(xiàn)有數(shù)控機床生產(chǎn)廠家100多家，生產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)品幾千種以上。產(chǎn)品主要分為3種類型：經(jīng)濟型、普及型和高檔型。在CIMT2003上，中國內(nèi)地共展出機床700多臺，在600多臺金屬切削機床和近100臺金屬成形機床展品中，數(shù)控機床分別占75%和54%。這既體系了中國機床市場的需求趨勢，也反映了中國在數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)化方面取得了突破性進展。雖然我國在數(shù)控產(chǎn)品的研究開發(fā)、產(chǎn)品各方面有了較大的進步，但我們仔細分析可以發(fā)現(xiàn)，目前我們占有市場的產(chǎn)品主要集中在經(jīng)濟型產(chǎn)品上，而在中檔、高檔產(chǎn)品上市場比例仍然很小，與國外一些先進產(chǎn)品相比，在可靠性、穩(wěn)定性和速度、精度等方面均存在較大差距。 2.1.2數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢 目前，世界各國經(jīng)濟發(fā)展速度、工業(yè)化水平等不盡相同，因此對數(shù)控技術(shù)、產(chǎn)品的需求也不一樣。但送的來說，發(fā)達國家對中、高檔數(shù)控產(chǎn)品需求多，發(fā)達國家對低、中檔需求較多并需要少量的高檔產(chǎn)品。目前，發(fā)達國家的低、中、高檔數(shù)控產(chǎn)品之比分別為20:70:10，而發(fā)展中國家約為80:17:3，兩者之間的勞動產(chǎn)品率相差懸殊。因此，發(fā)展中高檔產(chǎn)品仍大勢所趨[7]。 (1)高可靠性、穩(wěn)定性 從“數(shù)控系統(tǒng)千人調(diào)查”分析報告可以看出，無論經(jīng)濟型、普及型還是高檔型數(shù)控系統(tǒng)，在“影響選擇數(shù)控系統(tǒng)因素”的排序中，排在第一位的都是可靠性穩(wěn)定性。由此可見，產(chǎn)品的質(zhì)量性能在用戶選購數(shù)控系統(tǒng)的過程中占有重要的位置。我國的產(chǎn)品要想占據(jù)國內(nèi)國際市場，應把可靠性、穩(wěn)定性作為數(shù)控產(chǎn)品研究的頭等大事。 產(chǎn)品 因素 可靠性穩(wěn)定性 品牌 價格 服務 經(jīng)濟型 33 16 30 21 普及型 37 19 23 21 高檔型 31 28 18 23 不同檔次數(shù)控系統(tǒng)購買因素[8] (2)高速度、高精度化 速度和精度是數(shù)控產(chǎn)品的兩個重要指標，它直接關(guān)系到產(chǎn)品零件加工的銷量和質(zhì)量。速度影響產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，精度直接影響到工作性能、壽命、能耗和噪聲等。因此數(shù)控產(chǎn)品的高速、高精化是市場需求和技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。 智能化 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的智能化包括兩個方面含義： （1）現(xiàn)代數(shù)控產(chǎn)品部應僅僅是某些專業(yè)技術(shù)人員才能操作使用，它應發(fā)展成為個個可操作，人人會使用。 （2）現(xiàn)代數(shù)控產(chǎn)品應能夠通過對影響加工精度和效率的因素進行自動檢測、比較、補償，準確快速地做出決策，使產(chǎn)品的加工處于最佳狀態(tài)。 (3)復合化 如果能夠在一臺機床上實現(xiàn)或盡可能完成一個復雜的產(chǎn)品從毛坯至成品的全部加工，實現(xiàn)數(shù)控技術(shù)的復合化。這樣就可以保證工件的加工精度，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，減少在不同數(shù)控機床間進行工序的轉(zhuǎn)換而引起的待工時間及多次上下料等時間，提高加工效率，節(jié)約了產(chǎn)品生產(chǎn)的周期，贏得了市場[9]。 (4)數(shù)控編程自動化 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，CAD、CAM、CAPP技術(shù)的廣泛應用，可實現(xiàn)數(shù)控編程的自動化。操作者只需根據(jù)需要繪制零件加工樣圖，計算機就能夠根據(jù)樣圖進行數(shù)據(jù)處理，自動編程加工[10]。 (5)網(wǎng)絡化 實現(xiàn)數(shù)控技術(shù)的網(wǎng)絡化，進行遠程控制和無人化操作。通過數(shù)控機床的聯(lián)網(wǎng)，可在任何一天機床上對其他機床進行編程、設定和操作。不同機床的畫面可同時顯示在每一臺機床屏幕上，實現(xiàn)資源共享，科學管理。減少人力物力，降低了成本，提高了效率。 三、基本內(nèi)容、擬解決的主要問題 鉆床是一種孔加工的機床?？捎脕磴@孔、擴孔、鉸孔、鏜孔、攻螺紋及修刮斷面等多種形式的加工，因此要求鉆床的主軸暈和進給運動有較寬的調(diào)速范文。鉆床的種類很多，按用途和結(jié)構(gòu)可分為立式鉆床、臺式鉆床、多軸鉆床、搖臂鉆床及其他專用鉆床等。在各類鉆床鎮(zhèn)南關(guān)，搖臂鉆床操作方便、靈活，應用范圍廣，具有典型性，適合于在大、中型零件上進行鉆孔、擴孔、鉸孔及攻螺紋等工作，在具有工藝裝備的條件下?？梢赃M行鏜孔；特別使用于單位或批量生產(chǎn)中帶有多孔的大、中型零件的加工：是一般機械加工車間最常見的機床。臺鉆和立鉆的應用也較為廣泛，但是其電氣線路比較簡單，其他形式的鉆床在控制系統(tǒng)上也大同小異[11]。 3.1總體設計技術(shù)要求 數(shù)控鉆床的控制要求為: （1）回轉(zhuǎn)工作臺加緊與松開，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向控制 （2）動力滑臺進給控制。 （3）機床電氣圖設計。 （4）控制電路設計。 （5）控制程序設計。 3.2具體實施方案 搖臂鉆床的內(nèi)立柱固定在底座的一端，在它的外面套有外立柱，外立柱可繞內(nèi)立柱回轉(zhuǎn)360°。搖臂的一端為套筒，它套裝在外立柱上，并借助絲杠的正反轉(zhuǎn)可沿外立柱做上下移動；由于該絲杠于外立柱連成一體，并且升降螺母固定在搖臂上，所以搖臂不能繞外立柱轉(zhuǎn)動，智能于外立柱以前繞內(nèi)立柱回轉(zhuǎn)。主軸箱是一個復合部件，它有主傳動電動機、主軸和主軸傳動機構(gòu)、進給和變速機構(gòu)以及機床的操作機構(gòu)等部分組成，主軸箱安裝在搖臂的遂平導軌上，可通過手輪操作使其在水平導軌上沿搖臂移動。檔進行加工時，由特殊的加緊裝置有主軸箱緊固在搖臂導軌上，外立柱緊固在內(nèi)立柱上，搖臂緊固在外立柱上，然后進行鉆削加工。鉆削加工時，鉆頭一面進行旋轉(zhuǎn)切削，一面進行縱向進給[12]。 搖臂鉆床的電氣控制和PLC控制[13] 傳統(tǒng)數(shù)控鉆床結(jié)構(gòu)示意圖 主電路搖臂鉆床的主軸旋轉(zhuǎn)運動和進給運動由一臺交流異步電動機M1拖動，主軸的正反向旋轉(zhuǎn)運動是通過機械轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的。故主電動機只有一個旋轉(zhuǎn)方向。通常情況下主軸的調(diào)速范圍為50:1，正轉(zhuǎn)最低轉(zhuǎn)速為40r/min，最高為2000r/min，進給范圍為（0.05-1.6）r/min。它的調(diào)速是通過三相交流異步電動機和變速箱來實現(xiàn)的。也有的是采用多速異步電動機拖動，這樣可以簡化變速機構(gòu)。 搖臂鉆床除了主軸的旋轉(zhuǎn)和進給運動外，還有搖臂的上升、下降及立柱的加緊和放松。搖臂的上升和下降由一臺交流異步電動機M2拖動，立柱的夾緊和放松由另一臺甲流電動機M4拖動。 控制電路主軸電動機控制。主軸電動機M1為單向旋轉(zhuǎn)，由按鈕和接觸器實現(xiàn)啟動停止控制。主軸的正反轉(zhuǎn)則由M1電動機拖動齒輪泵送出壓力油，通過液壓系統(tǒng)操縱機構(gòu)，配合正反轉(zhuǎn)摩擦離合器驅(qū)動主軸正反轉(zhuǎn)。 搖臂上升、下降控制。搖臂鉆床在加工時，要求搖臂處于夾緊狀態(tài)，才能保證加工精度。但在搖臂需要升降時，又要求搖臂處于松開狀態(tài)，否則電動機負載大，機械磨損嚴總，無法升降工作。搖臂上升或下降時，其動作過程是升降指令發(fā)出，先使搖臂于外立柱處于松開狀態(tài)，而后上升或下降時，待升降到位時自動重新夾緊。由于松開和夾緊工作是由液壓系統(tǒng)實現(xiàn)，因此，升降控制必須于松緊機構(gòu)液壓系統(tǒng)緊密配合[14]。 四、技術(shù)路線或研究方法 五、進度安排 2012年2月27日-2012年3月4日——接受任務，市場調(diào)查； 2012年3月5日-2012年3月18日——查閱文獻、收集資料，撰寫并提交開題報告； 2012年3月19日-2012年4月1日——確定控制方案，設計控制系統(tǒng)框圖； 2012年4月2日-2012年4月15日——器件選型； 2012年4月16日-2012年4月29日——系統(tǒng)硬件設計；解決問題，修改完善 2012年4月30日-2012年6月3日——程序編制與調(diào)試； 2012年6月4日-2012年6月10日——撰寫設計說明書并用計算機繪圖； 2012年6月11日-2012年6月15日——完成說明書及圖紙的打印，準備答辯。 六、主要參考文獻 1、段明忠王婷婷武漢工程職業(yè)技術(shù)學院學報 2007-2 12 19(4) [G] 2、關(guān)榆軍河北理工學院學報 2000-9第22 (3)[ G] 3、彭永忠中國制造信息化 2010-3第39 (5)[ G] 4、袁海霞湖南農(nóng)機 2010-1 第37卷 1(4)[ G] 5、梁偉王先桂林航天工業(yè)高等?？茖W院學報 2010-3 第9 (2)[ G] 6、肖麗遼寧師專學報 2009-12 第11卷 4期[G] 7、張新喜李偉波李寧農(nóng)機使用與維修 2008-4 第9 (6)[ G] 8、潘鐘鍵劉曉紅機械電子 2011-2 第11 (4)[ G] 9、趙良，PLC控制技術(shù)在自動機床擴切記中的應用，工業(yè)控制計算機 1996 P104[M] 10、段明忠王婷婷武漢工程職業(yè)技術(shù)學院學報 2007 12 19(4)[ M] 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