铣端面机床电气系统的设计.docx

1、铣端面机床电气系统的设计第一章 绪论铣床是指主要用铣刀在工件上进行加工各种表面的机床。通常把铣刀的旋转运动称之为为主运动，工件和铣刀的移动称之为进给运动。它可以加工平面、垂直面、斜面等一些加工比较简单的型面，如果配一些附件也可以加工螺旋槽，凸轮、成型面等加工比较复杂的型面。铣床是用铣刀对工件进行铣削加工的机床。铣床除了能铣削平面、沟槽、轮齿、螺纹和花键轴以外，还能加工一些相对比较复杂的型面，与刨床相比而言，效率高，在机械制造和修理领域得到了广泛的应用。最早的铣床是美国人惠特尼于1818年创制的卧式铣床；为了铣削麻花钻头的螺旋槽，美国人布朗于1862年创制了第一台万能铣床，这是升降台铣床的雏形；

2、1884年前后又出现了龙门铣床；二十世纪20年代出现了半自动铣床，工作台利用挡块可完成“进给-快速”或“快速-进给”的自动转换。铣床按其结构可以分为：台式铣床、悬臂式铣床、滑枕式铣床、龙门式铣床、平面式铣床、仿行铣床、升降台铣床、摇臂铣床、床身式铣床、专用铣床。(1)台式铣床：用于铣削仪器、仪表等小型零件的铣床。(2)悬臂式铣床：床身水平放置，铣头装在悬臂上的铣床。悬臂通常可沿床身一侧的立柱导轨垂直方向移动，铣头可沿悬臂导轨移动。(3)滑枕式铣床：床身水平布置，主轴装在滑枕上的铣床。滑枕可沿滑鞍导轨作横向移动，滑鞍可沿立柱导轨作垂直移动。(4)龙门式铣床：床身水平布置，其两侧的立柱和连接梁构成

3、门架的铣床。铣头装在横梁和立柱上，可沿其导轨移动。横梁可沿立柱导轨垂向移动，工作台可沿床身导轨纵向移动。主要用于大件加工。(5)平面铣床：床身水平布置，用于铣削平面和成型面的铣床。通常工作台沿床身导轨纵向移动，主轴可轴向移动。优势在于其结构简单，生产效率高。(6)仿形铣床：对工件进行仿形加工的铣床。主要用于加工复杂形状工件。(7)升降台铣床：具有可沿床身导轨垂直移动的升降台的铣床，通常安装在升降台上的工作台和滑鞍可分别作垂直、水平移动。(8)摇臂铣床：摇臂装在床身顶部，铣头装在摇臂一端，摇臂可在水平面内回转和移动，铣头能在摇臂的端面上回转一定角度的铣床。(9)床身式铣床：工作台不能升降，却可以

4、沿床身导轨作纵向移动，铣头或立柱可作垂直移动的铣床。(10)专用铣床：为了某一特殊的用途而特制的铣床。上世纪五十年代以后，铣床在控制系统方面得到了飞速的发展，数字控制在铣床上的应用大大提高了其的自动化程度。尤其是在上世纪末，微处理机的数字控制系统和自动换刀系统在铣床上得到了广泛的应用，从而扩大了铣床的加工范围，提高了加工精度与工作效率。近几年来，国内外铣床的技术发展非常快，其特点是产品结构不断更新，新技术应用层出不穷，工艺性能复合化，速度、效率不断提高，突出精细化制造。自动化铣床以其独特的优势成为今后铣床发展的一种趋势。自动化方面本论文主要涉及到PLC和变频器的相关知识。说到自动化就不得不提到

5、身为工业自动化三大支柱之一的PLC，虽然它在工业控制中得到广泛的应用，但是人们对其还是不怎么了解。自60年代末第一台PLC问世以来，已很快被应用到机械制造、冶金、矿业、轻工等各个领域，大大推进了机电一体化进程，被人们称为现代工业控制三大支柱之一。和一般家庭、办公室相比，在恶劣的工业环境中，能够24小时连续运行365天，且10年不停止的除了可编程序控制器PLC以外别无他物。PLC的结构及其相关，这里就不详讲了，我会在正文中为大家详细陈述。目前，PLC正朝着高性能和多品种方向发展，今后PLC的发展趋势将是进一步向着体积小、编程简单实用、安装配线方便灵活等几个方面发展。变频器同样是工业自动化中应用比

6、较广泛的设备之一，主要用于对电动机的调速方面。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。目前，变频器正向着实现高水平的控制、开发清洁电能的变流器、缩小装置的尺寸、高速的数字控制、模拟与计算机辅助设计技术等方向发展。第二章 本机床的动作流程的分析本机床分为手动和自动两部分，通过旋钮开关0来选择。手动部分按下夹紧左工位夹紧，按下松开左工位夹紧松开。按下夹紧右工位夹紧，按下松开右工位夹紧松开。按下快进滑台向左快速前进，按下工进滑台向左缓慢前进。按下快退滑台向右快速前进，按下工退滑台向右缓慢前进。由旋钮开关

7、来控制冷却电机、排屑电机、冲屑电机、铣头电机和液压电机的开停。自动部分自动部分开启前必须手动将滑台调整到原位，开启液压电机。自动状态的工作流程是初始化时滑台在原位，先给右工位上加工零件，按下循环启动按钮，右工位夹紧，滑台向左快进，到一定位置压下快进转工进行程开关，左快进转左工进，在这期间给左工位上零件，按下循环启动按钮，左工位夹紧。往左走到一定位置压下左加工结束行程开关，右工位零件加工结束快退。到一定位置压下快退转工退进行程开关，右快进转右工进，在这期间给左工位上零件，按下循环启动按钮，左工位夹紧。往右走到一定位置压下右加工结束行程开关，左工位零件加工结束快进。如此往复循环。铣头的转速由工件的

8、材质决定，用变频器进行调节。机床的外观如下图：图2.1机床的外观动作循环（一周期）如下：工位1上料工位1夹紧铣头启动滑台左快进再左工进（工位2上料按下启动工位2夹紧）-工位1加工结束滑台快退-滑台右快进再右工进第三章 PLC概述3.1 PLC的产生1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号的不断翻新，想寻找一种方法，以尽可能减少重新设计继电器控制系统和接线、降低成本、缩短时间，而考虑把计算机的功能完善、通用灵活等优点与继电器控制的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，提出了研制PLC的基本设想：1.编程简单方便，可在现场修改程序；2.硬件

9、维护方便，最好是插件式结构；3.可靠性要高于继电器控制装置；4.体积小于继电器控制装置；5.可将数据直接送入管理计算机；6.成本上可与继电器竞争；7.输入可以是交流115V；8.输入为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀；9.扩展时，原有系统只需做很小的改动；10.用户程序存储器容量器容量至少可以扩展到4K。根据以上设想和要求，1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的汽车生产线上试用成功，从而开创了工业控制的新局面。从此，这一更新技术就以很快的速度发展起来，现代的PLC已成为现代工业控制的三大支柱（PLC，机器人和CADCAM）之一。3.2 P

10、LC的基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图所示图3.1 PLC的基本结构3.2.1 中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它由控制器、运算器所组成。它由程序内存中顺序取出使用者的程序指令，并对其译码，根据指令功能，发出有序的控制信号，从输入单元或组件区读取资料，在运算器中进行处理，而后把处理结果给输出单元存入组件区。不断循环扫描整个程序区，实行预定的控制程序。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行

11、时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。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

12、，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。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。3.2.2 存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

13、3.2.3 电源PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。图3 PLC的电源3.2.4 输入单元这是各种输入信号(动作命令信号及回授的检测信号)的输入接口，为直流输入类型并采用光耦合隔离，可将外部信号与PLC内部隔离。3.2.5 输出单元这是把PLC处理结果即输出信号送给控制对象的输出点。输出点型式有继电器输出及晶体管输出二种类型，可将PLC内部信号与外部负载电源隔离。开关量：按电压水平分，有22

14、0VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA0-20mA）、电压型（0-10V0-5V-10-10V）等，按精度分，有12bit14bit16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。3.3 PLC的工作原理一.扫描技术当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，

15、PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。(一)输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。(二)用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右

16、、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。(三)输出刷新阶段当扫描用户

17、程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。第四章 PLC的选型随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多。不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。在满足控制要求的前提下选型时应选最佳的性价比，一般可以从以下几个方面考虑：4.1 I/O点数估算I/O点数是PLC的一项重要指标。合理选择I/O点数既可使系统满足控制要求有可使系统总投资最

18、低。PLC的输入输出点总数和种类应根据被控对象的模拟量、开关量、输入/输出设备状况（包括模拟量、开关量、输出类型）来确定，一般一个输入输出元件要占用一个输入输出点。考虑到今后的扩充，一般应估计的总点数再加上15%20%的备用量。本设计所占用的I/O点数计算：输入信号：共需要30个输入信号点，考虑以后对系统的调整与扩充留有20%的备用点，即用3020%=6，取6个点，这样共用36个输入点。输出信号：共需要28个输出点考虑以后对系统的调整与扩充留有20%的备用点，即2820%=6，取6个点，这样共用34个输出点。4.2 用户存储容量估算用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如I/O点数、控制要求

19、、运算处理量、量程结构等。因此在程序设计之前只能粗略的估算。根据经验，每个I/O点及有关功能器占用内存大致如下：开关量输入元件：1020B/点；开关量输出元件：510B/点；定时器/计数器：2B/个；模拟量：100150B/点；通信接口：一个接口一般需要300B以上；根据上面算出总字数再加上25%左右的备用量，就可以估算出程序所需要的内存量，从而选择合适的PLC内存。本设计所需CPU内存的计算：开关量输入元件36点1020B/点360720B；开关量输出元件：34点510B/点340680B；总需内存量：7001400B；4.3 PLC输入输出元件分配结合上述指标本系统选择PLC为三菱FX2N

20、80MR001，本系统中PLC输入输出元件分配如下表：表4.1PLC的元件分配X0选择/调整Y0滑台原位指示灯X1液压电机开Y1夹紧1指示灯X2冷却电机Y2夹紧2指示灯X3冲屑电机开Y3润滑液位指示灯X4排屑装置开Y20右冷却阀X5铣头电机开Y21红X6滑台快进Y22黄X7滑台工进Y23绿X10滑台快退Y24声音X11滑台工退Y25X14润滑液位低Y26电磁阀3X15夹紧1Y27电磁阀4X16松开1Y30液压电机开X17夹紧2Y31冷却电机开X20松开2Y32冲屑电机开X21循环启动Y33排屑电机开X22循环启动Y34铣头电机X23总电源启动Y35滑台快进X24急停Y36滑台工进X25左快进转

21、工进Y37滑台快退X26右快进转工进Y40滑台工退X27原位Y41夹紧1X30左快进转工进Y42松开1X31左加工结束Y43夹紧2X32右快进转工进Y44松开2X33右加工结束Y45总电源X34Y46润滑电机开X35Y47左冷却阀X41夹紧1检测X42夹紧2检测第五章 PLC软件系统及梯形图编程语言5.1 PLC软件系统5.1.1 系统程序系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言，诊断机器故障。系统软件由PLC厂家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干预。5.1.2 用户程序用户程序是用户根据现场控制要求，用PLC的程序语言编制的应用程序（也

22、就是逻辑控制）用来实现各种控制。5.2 PLC梯形图编程语言梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。采用梯形图程序设计语言，程序采用梯形图的形式描述。这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。每个梯级是一个因果关系。在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在后面。梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言。它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛的应用。梯形图语言是我们最常用的一种语言，它有以下特点（1）它是一种图

23、形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。（2）梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。（3）内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。（4）PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当做条件使用。5.3 本机床梯形图本机床采用FXGPWIN编程软件进行编程。梯形图程序分为三大块：公

24、共部分、手动部分、自动部分。图5.1 公共部分手动部分按下夹紧左工位夹紧，按下松开左工位夹紧松开按下夹紧右工位夹紧，按下松开右工位夹紧松开按下快进滑台向左快速前进，按下工进滑台向左缓慢前进按下快退滑台向右快速前进，按下工退滑台向右缓慢前进由旋钮开关来控制冷却电机、排屑电机、冲屑电机、铣头电机和液压电机的开停。图5.2 手动部分自动部分图5.3 自动部分动作循环（一周期）如下：工位1上料工位1夹紧铣头启动滑台左快进再左工进（工位2上料按下启动工位2夹紧）-工位1加工结束滑台快退-滑台右快进再右工进完整的PLC程序如下图5.4 PLC梯形图第六章 变频器概述随着变频技术的提高，交流电动机的应用越来

25、越广泛，采用变频调速可以提高生产机械的控制精度、生产效率和产品质量，有利于实现生产过程的自动化，是交流拖动系统具有优良的控制性能，而且在许多生产场合具有显著的节能效果。6.1 变频器简介6.1.1 什么是变频器？变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。6.1.2 变频器的基本结构变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时

26、还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。6.1.3 变频器工作原理主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。（1）整流器：最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。（2）平波回路：

27、在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。（3）逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型PWM逆变器为例示出开关时间和电压波形。控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放

28、大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。（4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。（5）保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。6.1.3 变频

29、器的分类变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器。PAM控制变频器：PWM是英文Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)缩写，按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调值方式。高载频PWM控制变频器：PAM是英文Pulse Amplitude Modulation(脉冲幅度调制)缩写，是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量值和波形的一种调制方式。按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等

30、；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。6.2 变频器中常用的控制方式非智能控制方式在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。(1)V/f控制V/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。V/f控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。V/f控制就是保证输出电压跟频率成正比的控制这样可以使电动机的

31、磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生，多用于风机、泵类节能型变频器用压控振荡器实现。V-F控制的原理是产生一个震荡频率的电路叫做压控震荡器，是一个压敏电容，当受到一个变化的电压时候它的容量会变化，变化的电容引起震荡频率的变化，产生变频。把这个受控的频率用于控制输出电压的频率，使得受控的电机的转速变化。异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。这种控制方式多用于风机、泵类节能型变频器。(2)转差频率控制