无心外圆砂带磨床自动上下料控制的设计.docx
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无心外圆砂带磨床自动上下料控制的设计
毕业设计（论文）
题目无心外圆砂带磨床自动上下料控制设计
二级学院机械工程学院
专业机械设计制造及其自动化
班级109040205班
学生姓名学号10904020517
指导教师职称
时间
摘要
本文介绍了无心外圆磨床的上下料系统控制的原理和特点，主要是通过PLC控制液压系统实现对工件上料和收料的控制。
先根据的已知条件计算并选择液压系统各个元件，如液压泵、电磁阀、流量控制阀等，再设计连接液压回路，形成液压的传动系统。
由液压系统的不同控制控制方式、如手动控制和自动控制，选择合适的PLC，编写程序，绘制电气接线图，并在运行过程中不断的调整和优化。
而且在整个过程中会有变频器对电机的调速和传感器的检测，这些也有赖于PLC的控制，总之，最后由PLC程序控制液压系统形成一个统一的控制系统整体，达到控制液压系统完成特定的工作行程的目的。
关键词：
PLC液压系统变频器
Abstract
Thisarticledescribesthecenterlescylindricalgrindingmachineloadingandunloadingsystemcontrolprinciplesandcharacteristics，MainlythroughPLCcontrolhydraulicsystemtoachievetheworkpiecefeedingandrewindingcontrolled.Firstcalculatedaccordingtotheknownconditionsandselecttheindividualcomponentsofhydraulicsystems,Suchaspumps,solenoidvalves,flowcontrolvalve,Redesignofthehydrauliccircuitconnectedtoformahydraulicdrivesystem.Controlledbythehydraulicsystemofdifferentcontrolmethods,suchasmanualcontrolandautomaticcontrol,SelecttheappropriatePLC,programming,drawingelectricalwiringdiagram,Andrunningcontinuouslyduringtheadjustmentandoptimization.Butintheprocesswillbethedrivespeedofthemotorandsensordetection,ThesealsodependsoncontrolofthePLC,Inshort,thelastbythePLCprogramcontrolhydraulicsystemtoformaunifiedcontrolsystemasawhole,Tocontrolthehydraulicsystemtoaccomplishspecifictaskstravelpurposes.
KeyWords:
PLCHydraulicSystemInverter
第一章绪论
1.1本课题研究的背景
心外圆砂带磨床适用于管材、棒材等工件的外圆磨削和抛光，可磨削金属、木材、玻璃、橡胶等材料。
随着市场经济的高速发展，对生产的要求也不断提高，对于磨床磨削的要求越来越高，砂带磨床的加工工效甚至超过了普通常规加工工艺,砂带越来越宽,加工精度越来越高，已达到和超过砂轮磨床。
如今，由于可编程控制器（PLC）在无心外圆砂带磨床控制系统中的应用范围越来越广泛，为了提高生产效率，PLC控制液压系统对工件上下料在各种机床上也得到了广泛的应用。
1.2本课题研究的内容和方法
本课题主要是研究PLC控制液压系统，从而在加工生产中实现工件的上下料自动化。
而且，这个课题主要是采用实例分析，结合阅读大量的文献和查找资料，寻求出最佳的设计方案。
1.3国内外的发展现状
1.31液压传动发展现状
液压传动与控制是以液体（油、高水基液压油、合成液体）作为介质来实现各种机械量的输出（力、位移或速度等）的。
它与单纯的机械传动、电气传动和气压传动相比，具有传递功率大，结构小、响应快等特点，因而被广泛的应用于各种机械设备及精密的自动控制系统。
液压传动技术是一门新的学科技术，它的发展历史虽然较短，但是发展的速度却非常之快。
自从1795年制成了第一台压力机起，液压技术进入了工程领域；1906年开始应用于国防战备武器。
第二次世界大战期间，由于军事工业迫切需要反应快、精度高的自动控制系统，因而出现了液压伺服控制系统。
从60年代起，由于原子能、空间技术、大型船舰及电子技术的发展，不断地对液压技术提出新的要求，从民用到国防，由一般的传动到精确度很高的控制系统，这种技术得到更加广泛的发展和应用。
在国防工业中：
海、陆、空各种战备武器均采用液压传动与控制。
如飞机、坦克、舰艇、雷达、火炮、导弹及火箭等。
在民用工业中：
有机床工业、冶金工业、工程机械、农业方面，汽车工业、轻纺工业、船舶工业。
另外，近几年又出现了太阳跟踪系统、海浪模拟装置、飞机驾驶模拟、船舶驾驶模拟器、地震再现、火箭助飞发射装置、宇航环境模拟、高层建筑防震系统及紧急刹车装置等，均采用了液压技术。
总之，一切工程领域，凡是有机械设备的场合，均可采用液压技术。
它的发展如此之快，应用如此之广，其原因就是液压技术有着优异的特点，归纳起来液压动力传动方式具有显著的优点：
其单位重量的输出功率和单位尺寸输出功率大；液压传动装置体积小、结构紧凑、布局灵活，易实现无级调速，调速范围宽，便于与电气控制相配合实现自动化；易实现过载保护与保压，安全可靠；元件易于实现系列化、标准化、通用化；液压易与微机控制等新技术相结合，构成“机-电-液-光”一体化便于实现数字化
1.3.2PLC的发展现状
长期以来，PLC始终处于工业控制自动化领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案。
目前，全世界PLC生产厂家约200家，生产300多种产品。
国内PLC市场仍以国外产品为主，如Siemens、A-B、OMRON、三菱、GE的产品。
经过多年的发展，国内PLC生产厂家约有三十家，但都没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，可以说PLC在我国尚未形成制造产业化。
在PLC应用方面，我国是很活跃的，应用的行业也很广泛。
PLC在工业生产过程控制自动化和传统产业技术改造等方面得到了广泛应用,与传统的继电器控制相比,PLC具有控制系统构成简单、可靠性高、通用性强、抗干扰能力强、易于编程、体积小、可在线修改、设计与调试周期短、便于安装和维修等突出优点,而且一般不需要采取什么特殊措施,就能直接在工业环境中使用,更加适合工业现场的要求,使用PLC控制液压控制系统能提高系统的整体性能,具有较明显的优越性。
第二章液压系统工况分析
2.1位移循环图L—t
图2-1为液压机的液压缸位移循环图，纵坐标L表示活塞位移，横坐标t表示从活塞启动到返回原位的时间，曲线斜率表示活塞移动速度。
图2-1位移循环图
图中，0-t1表示慢速上升，t1-t2表示保压停留，t2-t3快速下降回程。
且顶升的高度为200mm。
2.2速度循环图v—t
液压缸的运动速度循环图如图2-2所示，纵坐标V表示活塞杆的运动速度，横坐标t表示时间。
图2.2速度循环图
因为这个过程中的速度分析较为复杂，所以可以简化为是以50mm/s的速度顶升，停留一段时间后，以80mm/s的速度下降。
2.3液压缸的负载分析
液压缸的负载力计算：
工作机构作直线往复运动时，液压缸必须克服的负载由六部分组成：
（2-31）
式中：
Fc为切削阻力；Ff为摩擦阻力；Fi为惯性阻力；FG为重力；Fm为密封阻力；Fb为排油阻力。
因为在本方案中活塞杆做上下的直线往返运动，而且Fc为切削阻力、Ff为摩擦阻力、Fm为密封阻力可以忽略不计。
无心外圆磨床的加工材料为合金钢和碳钢，尺寸如图2.3
图2.3工件尺寸图
工件的重量为
，顶升时还有支撑架，所以可设定
为3000N。
=500N
，又因为
相对
的值较小，可取
=1000N，所以F=
+
+
=4500N。
第3章液压元件的计算和选型
3.1液压缸的设计计算
3.1.1初步确定液压缸的工作压力
根据液压缸的负载F=4500N，因为在工作时是两个液压缸同时工作，单个液压缸的负载
=2250N。
所以，液压缸的工作压力的选择有两种方式：
一是根据机械类型选；二是根据切削负载选。
如表3-1、表3-2所示。
表3-1按负载选执行文件的工作压力
负载/N
＜5000
500-10000
10000-20000
20000～30000
30000～50000
＞50000
工作压力/Mpa
≤0.8～1
1.5～2
2.5～3
3～4
4～5
＞5
表3-2按机械类型选执行文件的工作压力
机械类型
机床
农业机械
工程机械
磨床
组合机床
龙门刨床
拉床
工作压力/MPa
a≤2
3～5
≤8
8～10
10～16
20～32
又表3-1可知，液压缸的工作压力P为0.8--1M
。
3.1.2液压缸的尺寸计算
选用双作用单活塞液压缸，其供油压力为P,回油压力为0.液压缸的输出力F=AP
，A为液压缸的有效面积，
是机械效率，可取0.9.液压缸的工作压力P取0.8M
。
F=
=2250N,得到D=0.06309m=63.09mm。
查液压手册GB/T2348-93，将液压缸直径圆整得D为63mm，则无杆腔的面积
=31.16
。
可根据活塞杆的伸出和退回的速度比求活塞杆的直径
，查手册可得活塞杆直径d=40mm。
那么有杆腔的有效面积
=
。
3.1.3液压缸流量的计算
A为液压缸的有效面积，活塞杆运动的最大速度
，运动的最小速度为
，液压缸最大流
，最小流量
。
因为上升与下降时的流量基本相同，故可使用定量泵。
而且定量泵、分流阀等液压元件的最小稳定流量要小于等于9.248L/min。
3.2液压泵的确定与所需功率的计算
要选择合适的液压泵就必须先要确定液压泵的最大工作压力。
活塞杆上升时液压缸的压力为
，这是单个液压缸的压力。
活塞杆下降时液压缸的压力为
，粗布估计右路压力损失为0.8
。
则液压泵的工作压力为0.802
2+0.8=2.404
，液压泵的最大流量
=KQ=1.1
9.348
2
2=41.08L/min，在回路中泄露按液压泵最大输入流量的1.1倍计算。
活塞杆上升送料时的输入功率P=
，送料下降时的输入功率为1.30944kw，因为泵的效率为
，驱动泵的电动机所需功率P=1.648/0.7=2.354kw。
根据以上计算结果，查阅液压手册可选用叶片泵的型号为
其流量为48L/min，转速为960r/min，而且其电动机的驱动功率为7.5kw，再由此可以选用三相异步电动机Y160M-6作为其驱动电机。
3.3阀类元件的选择
下图是液压传动图。
图3.31液压传动图
在图中有一个溢流阀、两个节流阀、一个分流阀和相同的分流集流阀，而且根据选用的液压泵和液压缸，以及它们在不同工况下的流量和工作压力，可按下表3.3选用液压阀，还要注意阀的最小稳定流量要小于等于9.248L/min。
估计通过的流量l/min
型号
额定压力
调节压力
溢流阀
10
Y-10B
6.3
2.5
节流阀
19
MG8G1.2
31.5
三位四通阀
18.8
34D-20B
分流集流阀
18.6
FJL-B10H
分流阀
48
3FJL-10-50H
表3.3液压阀的选用
液压回路中所用到的液压元件名称、符号、及其作用说明，见表（3.4）
序号
名称
符号
作用
1
三位四通电磁换向阀
通过阀芯与阀体之间的相对运动改变液体的流向，控制液压缸前进和后退。
2
分流集流阀
控制和分配油路中的流量。
3
双作用单活塞杆缸
将液压能转换成机械能，实现往复直线运动。
4
节流阀
控制油路中流量大小。
5
单向定量液压泵
将液压油从油缸引入液压油路中，将机械能转化为液压能。
7
油箱
为系统存储液压油
3.4滤油器的选型
液压油中往往含有颗粒状杂质，会造成液压元件相对运动表面的磨损、滑阀卡滞、节流孔口堵塞，使系统工作可靠性大为降低。
在系统中安装一定精度的滤油器，是保证液压系统正常工作的必要手段。
滤油器的过滤精度是指滤芯能够滤除的最小杂质颗粒的大小，以直径d作为公称尺寸表示，按精度可分为粗滤油器（d＜100）普通滤油器（d＜10），精滤油器（d＜5），特精滤油器（d＜1）。
选择滤油器的依据有以下几点：
（1）承载能力：
按系统管路工作压力确定。
（2）过滤精度：
按被保护元件的精度要求确定，选择时可参阅表3-4。
（3）通流能力：
按通过最大流量确定。
（4）阻力压降：
应满足过滤材料强度与系数要求。
系统
过滤精度（μm）
元件
过滤精度（μm）
低压系统
100～150
滑阀
1/3最小间隙
70×105Pa系统
50
节流孔
1/7孔径（孔径小于1.8mm）
100×105Pa系统
25
流量控制阀
2.5～30
140×105Pa系统
10～15
安全阀溢流阀
15～25
电液伺服系统
5
高精度伺服系统
2.5
表3-4滤油器过滤精度的选择
根据以上条件，选用WU型网式吸油过滤器，型号为WU-40
180，是普通滤油器，通过流量40/min，用螺纹连接。
3.5油箱的设计
油箱的作用是储油，散发油的热量，沉淀油中杂质，逸出油中的气体。
其形式有开式和闭式两种：
开式油箱油液液面与大气相通；闭式油箱油液液面与大气隔绝。
开式油箱应用较多。
3.5.1油箱设计要点
（1）油箱应有足够的容积以满足散热，同时其容积应保证系统中油液全部流回油箱时不渗出，油液液面不应超过油箱高度的80%。
（2）吸箱管和回油管的间距应尽量大。
（3）油箱底部应有适当斜度，泄油口置于最低处，以便排油。
（4）注油器上应装滤网。
（5）油箱的箱壁应涂耐油防锈涂料。
3.52油箱容量计算
油箱的有效容量V可近似用液压泵单位时间内排出油液的体积确定。
（3-51）
式中：
K为系数，低压系统取2～4，中、高压系统取5～7；Σq为同一油箱供油的各液压泵流量总和。
根据管路流量估算选取容量为200L的油箱。
第4章PLC的选用
4.1PLC的特点
a可靠性高，抗干扰能力强
b丰富的I/O接口模块
c编程简单
d安装简单，维修方便
e配套齐全，功能完美
f体积小，重量轻，能耗低
g系统设计，调试周期短
4.2PLC的选型原则
（1）输入输出I/O点数的估算
I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。
实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。
（2）存储器容量的估算
存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。
设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。
为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。
存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。
（4）控制功能的选择
该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。
4.3机型的选择
选择PLC时主要考虑以下几个方面：
容量的选择、输入输出模块的选择、控制功能的选择、电源模块的选择等。
根据这个设计所选电机的功率以及上面几点的综合考虑，初步选择PLC的型号为三菱FX-2N48MR。
这个PLC共有48个输入输出点，而且输出方式是继电器输出。
FX-2N48MR端子分布如下图
各端子的定义如下表：
第5章滚轮电机的选择和调速
5.1滚轮电机的选择
根据计算要求，选取三相异步电动机，Y型，型号为Y132S-8，其功率为2.2kw，同步转速为710r
，额定电流5.6A。
5.2变频器的选用
根据滚轮电机的型号选择，变频器的输出功率和额定电流应大于三相异步电动机的功率和额定电流，而且对于连续恒附在运转时的变频器容量可按公式：
其中K--电流波形系数；取1.05-1.10；
--变频器额定容量，kVA;
、
--电动机的额定电流、电压；
--变频器的额定电流。
根据以上要求，选取三菱变频器FR-A540，当其要调速的三相异步电动机的功率为2.2kw时，其额定电流为6A，额定容量为4.2kVA。
电压为三相，380v-450v，50Hz-60Hz。
符合要求。
5.3滚轮电机的调速
5.31三相异步的调速方式
（1）变极对数调速方法
这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下：
具有较硬的机械特性，稳定性良好；无转差损耗，效率高；接线简单、控制方便、价格低；有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。
本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。
（2）变频调速方法
变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。
变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。
其特点：
效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围大，特性硬，精度高；技术复杂，造价高，维护检修困难。
本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。
（3）串级调速方法
串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。
大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。
根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，其特点为：
可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；
装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速70％－90％的生产机械上；调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。
本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。
（4）绕线式电动机转子串电阻调速方法
绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。
串入的电阻越大，电动机的转速越低。
此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。
属有级调速，机械特性较软。
（5）定子调压调速方法
当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。
由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。
为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。
为了扩大稳定运行范围，当调速在2：
1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。
调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。
晶闸管调压方式为最佳。
调压调速的特点：
调压调速线路简单，易实现自动控制；
调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。
调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。
（6）电磁调速电动机调速方法
电磁调速电动机由笼型电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源（控制器）三部分组成。
直流励磁电源功率较小，通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成，改变晶闸管的导通角，可以改变励磁电流的大小。
电磁转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组三部分组成。
电枢和后者没有机械联系，都能自由转动。
电枢与电动机转子同轴联接称为主动部分，由电动机带动；磁极用联轴节与负载轴对接称为从动部分。
当电枢与磁极均为静止时，如励磁绕组通以直流，则沿气隙圆周表面将形成若干对N、S极性交替的磁极，其磁通经过电枢。
当电枢随拖动电动机旋转时，由于电枢与磁极间相对运动，因而使电枢感应产生涡流，此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动有磁极的转子按同一方向旋转，但其转速恒低于电枢的转速N1，这是一种转差调速方式，变动转差离合器的直流励磁电流，便可改变离合器的输出转矩和转速。
电磁调速电动机的调速特点：
装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便；调速平滑、无级调速；对电网无谐影响；速度失大、效率低；本方法适用于中、小功率，要求平滑动、短时低速运行的生产机械。
（7）液力耦合器调速方法
液力耦合器是一种液力传动装置，一般由泵轮和涡轮组成，它们统称工作轮，放在密封壳体中。
壳中充入一定量的工作液体，当泵轮在原动机带动下旋转时，处于其中的液体受叶片推动而旋转，在离心力作用下沿着泵轮外环进入涡轮时，就在同一转向上给涡轮叶片以推力，使其带动生产机械运转。
液力耦合器的动力转输能力与壳内相对充液量的大小是一致的。
在工作过程中，改变充液率就可以改变耦合器的涡轮转速，作到无级调速，其特点为：
功率适应范围大，可满足从几十千瓦至数千千瓦不同功率的需要；结构简单，工作可靠，使用及维修方便，且造价低；尺寸小，能容大；控制调节方便，容易实现自动控制。
本方法适用于风机、水泵的调速
5.32变频器的调速原理
根据以上的调速方法比较，选用变频调速，因为其调速的平滑性好，适用于磨床中工件前进进给的要求。
变频器的工作原理：
交流电动机的同步转速表达式位：
n＝60f（1－s）/p式中n———异步电动机的转速；f———异步电动机的频率；s———电动机转差率；p———电动机极对数。
由式
（1）可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。
变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
下图5-1为电机调速的控制图。
图5-1为电机调速的控制图
按下PLC的开关就可以启动电动机，而且调节电位器就能实现
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