西华大学毕业设计说明书.docx

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西华大学毕业设计说明书

摘要

此次毕业设计主要是针对桥梁支座孔加工机床电气控制系统设计，由于传统的单面钻床不能满足高效率生产要求，因此提出双面钻床电气控制系统设计。

此次设计中双面钻床采用可编程控制器（PLC）控制，其中工作台运动控制是整个设计的核心，普通的异步电机根本无法满足定位精确的要求，因此采用步进电机实现。

由于这个设计需求精度较高，所以所有限位开关均采用接近开关。

另外不同批次加工时需要调整限位开关位置，因此设计中还提出点动控制方案，方便调试。

本文通过对双面钻床的结构和运动介绍，选用步进电机与驱动器结合控制工作台运动和PLC全程控制的方案。

设计了步进电机与驱动器连接电路、触摸屏面板控制和电气控制系统原理图，根据双面钻床运动分析和要求，设计出运动流程图、电气控制硬件系统及选型、软件程序，最终再通过力控组态软件对双面钻床进行仿真、调试。

此次双面钻床设计主要是在传统加工上进一步改进，以实现高效率、高精度、自动化生产需求。

【关键词】桥梁支座、双面钻床、可编程控制器

Abstract

Thisgraduationdesignismainlydirectedagainstthebridgebearingholeprocessingmachinetooldesign,thetraditionalsingledrillingcannotmeettherequirementsofhighefficiencyproduction,sothetwoatthesametimedrillingprocessingautomationproduction.Thedesignofdoublesideddrillingmachinewithprogrammablecontroller（PLC）control,whereinthetablemotioncontrolisthecoreofthewholedesign,theordinaryasynchronousmotorcan'tmeettherequirementofaccuratepositioning,soitisnecessarytousethesteppermotortoachieve.Duetothedesignrequirementsofhigherprecision,soalllimitswitchesareusedtoswitch.Inadditiondifferentbatchprocessingneedstoadjustthepositionofthelimitswitch,sothedesignisalsoputforwardtomovethecontrolscheme,convenientdebugging.

Thisarticlethroughtothedouble-sideddrillingstructureandmotionisintroduced,usingsteppermotoranddrivewithcontroltablemovementandPLCoverallcontrolscheme.Designofsteppermotorisconnectedwiththedrivecircuit,touchscreencontrolpanelandelectricalprinciplediagramofcontrolsystem,accordingtothedoublesideddrillingmotionanalysisandrequirements,designmovementflowchart,electricalcontrolsystemandmodelselectionofhardware,softwareprogram,andultimatelythroughtheforcecontrolconfigurationsoftwarefordoublesideddrillingsimulation,debugging.Thedouble-sideddrillingdesignismainlyinthetraditionalprocessingforfurtherimprovements,toachievehighefficiency,highprecision,automationneeds.

[Keywords]bridgebearings,doublesideddrillingmachine,PLCprogrammablecontroller

1引言

随着科学技术的发展，自动化控制越来越多，它节省劳动力，降低成本，提高生产效率，其作用显而易见。

现代化建设速度也越来越快，桥梁建造也越来越多，桥梁支座这个不可缺少的事物需求越来越大，为了保障工程建设顺利进行，就需要提高桥梁支座生产效率。

所以此次设计主要是针对桥梁支座孔的加工，设计一台自动化双面钻床，提高加工生产效率。

传统的单个钻床加工方式远远不能满足当今的需求，先提出两面同时进行加工可以缩短加工时间。

同时采用自动化PLC控制，实现批量加工，大幅度提高生产效率。

1.1课题产生背景

我国加入WTO以来，制造业面临机遇与挑战并存。

组合机床行业企业适时调整战略采取了积极的应对措施，出现了产、销两旺的良好势头，截至2002年9月份，组合机床行业企业仅组合机床产品一项，据不完全统计产量已达八百余台，产值达三个亿以上，较2001年同比增长10%以上，另外组合机床行业工业增加值、产品销售率、全员工资总额、出口交货值等经济指标均有不同程度的增长，新产品、新技术较上年有大幅度提高，可见行业企业运行状态良好。

组合机床及其PLC电气控制系统是集机电于一体的综合自动化程度较高的制造技术和成套工艺装备。

它的特征是高效、高质、经济适用，因而被广泛应用于工程机械、交通、能源、军工、轻工、家电等行业。

我国传统的组合机床及组合机床电气控制系统主要采用机、电、液、气控制，他的加工对象主要是生产批量比较大大中型箱体类或轴类零件，完成钻孔、扩孔、较孔，加工各种螺纹、镗孔、车端面和凸台，在孔内镗各种槽，以及削铣平面或成形面等。

组合机床分类繁多，有大型组合机床和小型组合机床，有单面、双面、三面、卧式、立式、倾斜式、复合式，还有多工位回转台式组合机床等。

随着技术的不断发展，一种新型的组合机床——柔性组合机床越来越受人们青睐，它应用多为主轴箱、可换主轴箱、编码随行夹具和刀具自动更换，配以可编程控制器PLC、数字控制NC等，能任意改变工作循环控制和驱动系统，并能灵活适应多品种加工的可调可变的组合机床。

另外近年来组合机床加工中心、数控组合机床等在组合机床行业占比重越来越多。

因此为适应市场要求，适应组合机床由过去的刚性机床结构，向柔性化发展的趋势，我设计了这套双面钻床PLC电气控制系统，希望能够满足用户要求，真正成为刚柔兼备的自动化设备。

1.2国内外现状及发展趋势

在我国，组合机床发展已有28年的历史，其科研和生产都具有相当的基础，应用也已深入到很多行业。

是当前机械制造业实现产品更新，进行技术改造，提高生产效率和高速发展必不可少的设备之一。

组合机床及其自动线是集机电于一体的综合自动化程度较高的制造技术和成套工艺装备。

它的特征是高效、高质、经济实用，因而被广泛应用于工程机械、交通、能源、军工、轻工、家电等行业。

我国传统的组合机床及组合机床自动线主要采用机、电、气、液压控制，它的加工对象主要是生产批量比较大的大中型箱体类和轴类零件（近年研制的组合机床加工连杆、板件等也占一定份额），完成钻孔、扩孔、铰孔，加工各种螺纹、镗孔、车端面和凸台，在孔内镗各种形状槽，以及铣削平面和成形面等。

组合机床的分类繁多，有大型组合机床和小型组合机床，有单面、双面、三面、卧式、立式、倾斜式、复合式，还有多工位回转台式组合机床等；随着技术的不断进步，一种新型的组合机床——柔性组合机床越来越受到人们的青睐，它应用多位主轴箱、可换主轴箱、编码随行夹具和刀具的自动更换，配以可编程序控制器（PLC）、数字控制（NC）等，能任意改变工作循环控制和驱动系统，并能灵活适应多品种加工的可调可变的组合机床。

另外，近年来组合机床加工中心、数控组合机床、机床辅机（清洗机、装配机、综合测量机、试验机、输送线）等在组合机床行业中所占份额也越来越大。

由于组合机床及其自动线是一种技术综合性很高的高技术专用产品，是根据用户特殊要求而设计的，它涉及到加工工艺、刀具、测量、控制、诊断监控、清洗、装配和试漏等技术。

我国组合机床及组合机床自动线总体技术水平比发达国家要相对落后，国内所需的一些高水平组合机床及自动线几乎都从国外进口。

工艺装备的大量进口势必导致投资规模的扩大，并使产品生产成本提高。

因此，市场要求我们不断开发新技术、新工艺，研制新产品，由过去的“刚性”机床结构，向“柔性”化方向发展，满足用户需求，真正成为刚柔兼备的自动化装备。

从2002年年底第21届日本国际机床博览会上获悉，在来自世界10多个国家和地区的500多家机床制造商和团体展示的最先进机床设备中，超高速和超高精度加工技术装备与复合、多功能、多轴化控制设备等深受欢迎。

据专家分析，机床装备的高速和超高速加工技术的关键是提高机床的主轴转速和进给速度。

该届博览会上展出的加工中心，主轴转速10000～20000r/min，最高进给速度可达20～60m/min；复合、多功能、多轴化控制装备的前景亦被看好。

在零部件一体化程度不断提高、数量减少的同时，加工的形状却日益复杂。

多轴化控制的机床装备适合加工形状复杂的工件。

另外，产品周期的缩短也要求加工机床能够随时调整和适应新的变化，满足各种各样产品的加工需求。

然而更关键的是现代通信技术在机床装备中的应用，信息通信技术的引进使得现代机床的自动化程度进一步提高，操作者可以通过网络或手机对机床的程序进行远程修改，对运转状况进行监控并积累有关数据；通过网络对远程的设备进行维修和检查、提供售后服务等。

在这些方面我国组合机床装备还有相当大的差距，因此我国组合机床技术装备高速度、高精度、柔性化、模块化、可调可变、任意加工性以及通信技术的应用将是今后的发展方向。

1.3本课题设计的内容任务

本次课题主要对桥梁支座孔加工钻床进行设计，由于当今桥梁支座需求越来越大，传统加工方式效率低，不能满足当今需求。

因此提出双面钻床加工设计方案。

其工作原理如下：

双面钻床采用PLC可编程控制器控制，每批工件加工前只需调整专用夹具，根据当前批次工件规格调整好钻削动力头终止的位置，并将两钻削动力头退回到原位。

将工件安装于夹具中并夹紧后，通过监控系统设定待加工孔的数目、孔间距以及第一孔与工件定位端面的距离。

然后只需按下启动按钮，机床自动进行以下操作：

工作台首先前进到零位，然后开始后退，后退到第一个待加工孔位置后停止（工作台预紧由电机完成），两钻孔动力头快进，然后工进开始钻削加工，钻孔动力头前进到终点位置开始快退，快退回原点后停止，工作台前进一孔间距，按照前面的循环开始钻孔加工，直到所有孔加工完成后，工作台退回原位停止。

工作台原位也是装卸工件的位置。

2双面钻床电气控制系统总体设计

2.1系统总体设计思想

此次设计主要目标是提高加工效率、质量，实现大规模生产，增加产量，满足当前供不应求的局面。

因此将传统的单钻模式改进，提出双面同时加工方案，提高效率，另外使用自动化控制实习批量生产。

全加工过程采用PLC可编程控制器控制，使用接近开关传感器、步进电机等提高加工精度，通过控制面板设置个参数实现不同种类产品加工的柔性方案。

从而达到现代化生产的高效率、高质量、低成本要求。

2.2桥梁支座孔加工双面钻床结构特点

2.2.1双面钻床结构简图

图2.2.1桥梁支座成组双面钻床结构示意图

桥梁支座成组双面钻床用于桥梁支座两对称侧面加工，其结构主要由工作台、左右两主轴台、控制台以及电机驱动等组成。

由于需要两面同时加工，因此采用水平布置方式，针对左右两个面钻孔加工。

左右两主轴箱控制同时进行，对称分布。

工作台竖直方向放平，采用步进电机准确控制其位置。

由于采用了步进电机，因此不得不使用丝杆传动，其中丝杆传动涉及到丝杆间隙存在，因此设计零位传感器达到消除丝杆间隙的目的。

双面钻床个部分运动控制均由控制台控制。

2.3机床运动控制原理

其工作原理如下：

双面钻床采用PLC可编程控制器控制，每批工件加工前只需调整专用夹具，根据当前批次工件规格调整好钻削动力头终止的位置，并将两钻削动力头退回到原位。

将工件安装于夹具中并夹紧后，通过监控系统设定待加工孔的数目、孔间距以及第一孔与工件定位端面的距离。

然后只需按下启动按钮，机床自动进行以下操作：

工作台首先前进到零位，然后开始后退，后退到第一个待加工孔位置后停止（工作台预紧由电机完成），两钻孔动力头快进，然后工进开始钻削加工，钻孔动力头前进到终点位置开始快退，快退回原点后停止，工作台前进一孔间距，按照前面的循环开始钻孔加工，直到所有孔加工完成后，工作台退回原位停止。

工作台原位也是装卸工件的位置。

2.4工作台速度控制方案选择

此次设计重点就在于工作台运动控制，如果采用传统的三相异步电机根本无法实现精确控制。

根据工作原理分析可知左右两主轴刀具只能水平移动进行孔的加工，然而孔加工位置就需要有工作台来确定。

左右主轴刀具位置是不变的，加工孔位置就在两对称刀具中心线上，因此待加工孔位置就必须准确的停在中心线上。

若传统的三相异步电机其停止不能准确定位达不到要求，因此必须采用步进电机控制。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

3双面钻床电气控制系统硬件设计

3.1步进电机控制设计

3.1.1步进电机介绍

　　步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器　　虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。

它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

　　步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

　　步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

通俗一点讲：

当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。

您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机分类

　　步进电机分三种：

永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）基本原理

基本参数

电机固有步距角

它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。

步进电机的相数

　　是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。

转矩

1、HOLDINGTORQUE（保持转矩）　　是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。

2、DETENTTORQUE（无激磁保持转矩）：

　　是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。

DETENTTORQUE在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENTTORQUE。

主要特点

　　1．一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。

　　2．步进电机外表允许的最高温度。

　　步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

　　3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

　　当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。

在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

　　4．步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。

　　步进电机有一个技术参数：

空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。

在有负载的情况下，启动频率应更低。

如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

　　步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。

伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

主要特性

　　1步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角）转动。

转动的速度和脉冲的频率成正比。

　　2三相步进电机的步进角度为7.5度，一圈360度，需要48个脉冲完成。

　　3步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。

　　4改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。

　　因此，目前打印机，绘图仪，机器人，等等设备都以步进电机为动力核心

3.1.2步进电机型号选择

根据设计需求需要三相式混合步进电机，步距角为1.2。

所以选择型号为：

110BYG350DH-0501

其参数如下：

相数：

3

步距角：

1.2

相电流：

5.0

保持转矩：

16

转动惯量：

17400

重量：

11.1

外形尺寸：

110x110x216

3.2步进电机驱动器控制设计

3.2.1驱动器介绍

构成步进电机驱动器系统的专用集成电路：

A、脉冲分配器集成电路：

如三洋公司的PMM8713、PMM8723、PMM8714等。

B、包含脉冲分配器和电流斩波的控制器集成电路：

如SGS公司的L297、L6506等。

C、只含功率驱动（或包含电流控制、保护电路）的驱动器集成电路：

如日本新电元工业公司的MTD1110（四相斩波驱动）和MTD2001（两相、H桥、斩波驱动）。

　　D、将脉冲分配器、功率驱动、电流控制和保护电路都包括在内的驱动控制器集成电路，如东芝公司的TB6560AHQ、MOTOROLA公司的SAA1042（四相）和ALLEGRO公司的UCN5804（四相）等。

“细分驱动”概述：

　　将“电机固有步距角”细分成若干小步的驱动方法，称为细分驱动，细分是通过驱动器精确控制步进电机的相电流实现的，与电机本身无关。

其原理是，让定子通电相电流并不一次升到位，而断电相电流并不一次降为0（绕组电流波形不再是近似方波，而是N级近似阶梯波），则定子绕组电流所产生的磁场合力，会使转子有N个新的平衡位置（形成N个步距角）。

3.2.2驱动器型号选择

根据步进电机型号选择驱动器型号为D306三相混合式步进电机驱动器。

3.2.3D306三相式混和步进电机驱动器介绍

性能简介

混合式步进电机采用稀土永磁材料制造，与反应式步进电机相比具有电磁损耗小，转换频率高，动态特性好等优点。

混合式电机运行时相对平稳、噪音小，输出力矩大。

混合式电机取代反应式电机是经济型数控系统的发展趋势。

D306型号三相伺服混合式步进电机驱动器，具有以下特点：

1、采用交流伺服控制原理，在控制方式上增加了全数字式电流环控制，三相正弦电流驱动输出，使三相混合式电机低速无爬行，无共振区，噪音小。

2、驱动器功放级的电压达到DC325伏，步进电机高速运转时仍然有高转矩输出。

3、具备短路、过压、欠压、过热等完善保护功能，可靠性高。

4、具有细分和半流功能。

有多种细分选择，最小步距角可设为0.036°。

5、适用面广，通过设置不同相电流可配置各种电机。

电气技术参数

输入电源

AC220V-15%~+10%50/60Hz5.8A（MAX）

输出相电流

1.2A-5.8A

适配电机

三相混合式步进电机

工作环境

0℃~50℃15~85%RH不结露。

无腐蚀性、易燃、易爆、导电性气体，液体和粉尘

存放环境

-25℃~70℃15~85%RH不结露

驱动方式

PWM（脉宽调制）恒流斩波，三相正弦电流输出

步距角

0.006°、0.072°、0.09°、0.36°、0.45°、0.6°、0.72°、0.9°

对应电机

每转脉冲

6000、5000、4000、1000、800、900、500、400

步距角设定

DIP开关（DIP5、DIP6、DIP7）设定

输入信号

CP+/CP-；CW+/CW-；FREE+/FREE-；FINE

输入电平

5V5~10mA12V时串入1K电阻，24V时串入2.2K电阻。

位置脉冲

输入方式

单脉冲方式：

CP（脉冲）+CW（方向）

脉冲宽度≥2.5μS,脉冲频率≤200KHz（100000P/r时）

输出信号

ERR（报警提示）集电极开路输出

状态指示

红色LED--报警指示灯蓝色LED--电源指示灯绿色LED--脉冲指示灯

表3.2.1电气技术参数

接口信号定义

表3.2.2接口信号定义

接口信号说明：

CP+/CP-（脉冲信号）：

每个脉冲上升沿使电机转动一步，最小脉宽≥2.5μS,最高接收频率200KHz。

CW+/CW-（方向信号）：

单脉冲控制方式时为方向控制信号输入接口，若CW为低电平，电机顺时针旋转，CW为高电平，电机逆时针旋转。

双脉冲控制方式时为反转步进脉冲信号输入接口。

方向信号切换时间≥10μS。

改变电机旋转方向可通过互换电机任意两相接线。

FREE+/FREE-（脱机信号）脱机信号输入接口，脱机+与脱机-之间分别加高低电平，电机无相电流，电机转子处于不稳定的自由状态（脱机状态）；反之脱机+与脱机-之间分别加相同电平和不接，电机处于锁定状态。

Vin外部电源输入端（仅需接ERR和FINE时所需）

ERR报警信号输出接口。

FINE当FINE为高电平时，细分功能有效，当FINE为低电平时，细分功能无效。

当细分功能为无效时，电机每转的脉冲数为细分功能有效时的1/10。

外观尺寸

图3.2.1D306三相混合式步进电机驱动器外观尺寸

3.2.4步进电机与驱动器接线设计

接线图

图3.2.2步进电机与驱动器接线图

三相混合式步进电机三个端子分别跟驱动器A.B.C相连，驱动器的AC端口接交流电源220V。

3.3控制面板触摸屏选择

3.3.1触摸屏特点

特点：

•包含了较强功能且价格适中的