YM3150E滚齿机电气控制的设计改造.doc
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YM3150E滚齿机电气控制的设计改造.doc
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YM3150E滚齿机电气控制的设计改造
摘要
本文简要介绍了1YM3150E滚齿机工作原理,并利用PLC和传感器对滚齿机的改造,使滚齿机的控制更加方便,机器的操作更简单、灵活,更方便维修,发挥了PLC控制系统的运行可靠、控制灵活的优点。
关键词:
滚齿机PLC传感器控制系统
目录
第一章:
选题背景及YM3150E滚齿机简述………………………1
1.1YM3150E滚齿机电气控制的缺点……………………………1
1.2YM3150E滚齿机机床简述……………………………………1
1.3电路控制原理原理图…………………………………………4
1.4对YM3150E滚齿机电气控制的改造方案……………………7
第二章:
对YM3150E滚齿机电气控制硬件设计…………………7
2.1传感器的选择…………………………………………………7
2.2PLC的选择……………………………………………………9
2.3元件清单………………………………………………………10
2.4I/O分配表……………………………………………………11
2.5PLC接线图……………………………………………………12
第三章:
对YM3150E滚齿机软件设计……………………………13
3.1流程图…………………………………………………………13
3.2程序……………………………………………………………14
总结…………………………………………………………………17
答谢词………………………………………………………………18
参考文献……………………………………………………………19
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第一章:
YM3150E滚齿机简述
齿轮加工机床是一种用途广泛的机床,可进行多种齿轮加工。
包括直齿轮加工、斜齿轮加工、蜗轮加工等。
在各种机床中,滚齿机操作方便,灵活,适用范围广,具有典型性。
本次论文主要介绍了YM3150E滚齿机控制系统的改造。
1.1YM3150E滚齿机电气控制的缺点
一、行程开关目前存在的缺点:
1.由于长期使用,使得行程开关易损坏、影响生产,增加了电器人员的维修工作量。
2.电磁铁在使用一段时间后,容易失灵。
导致电器系统执行动作不可靠,影响了生产,不便管理。
3.线路复杂,维修不方便。
二、YM3150E滚齿机采用了传统的接触器——继电器控制系统。
继电接触器控制系统是使用按钮、开关、行程开关、接触器、继电器组成的控制系统。
它通过电气触电的闭合和分断来控制电路的接通与断开。
实现对电动机拖动系统的启动、停止、调速、自动循环和保护等自动控制。
它具备控制结构简单、价格低廉、控制方式直观、容易掌握等优点,但体积较大、控制速度慢、改变控制功能必须改变接线来完成,在工厂实际操作中,越来越不适应现场系统。
1.2YM3150E滚齿机简介
滚齿机实物图
该机床由液压泵电动机,主电机,冷却电机和快速移动电机组成。
液压泵电动机主要来提供液压阀的压力来润滑机械等功能,冷却电机提供机械的冷却循环系统,使机械温度不至于过高,系统在一定范围里;快速移动电机用于装置的快速移动,提高非工作时段的效率,以提高整体时段的效率。
一、滚齿机的运动
滚齿加工是由一对交错轴斜齿轮齿合传动原理演变而来。
在加工不同类型的齿轮时,其传动链有不同的要求,归纳起来主要包括的传动链有:
1.直齿轮加工时,电动机带动的滚刀旋转的运动链(外联系传动链),滚刀旋转与工作台回转之间的内联系传动链,(内联系传动链),滚刀在刀架的带动下沿轴向的直线运动(外联系传动链)。
2.斜齿轮加工时,由于斜齿轮与直齿轮的不同之处是齿线为螺旋线,因此斜齿轮滚切时,除了与滚直齿一样,需要有滚切旋转与工件旋转之间的展成运动,主运动,轴向进给运动外,为了形成螺旋齿线,在滚刀作轴向进给运动的同时,工件还应作附加旋转运动,而且这两个运动之间必须保持确定的运动关系,即滚刀移动一个工件旋转线导程时,工件应该准确地附加转过一圈。
3.蜗轮加工时,用蜗轮滚刀滚切蜗轮,齿廓的形成方法与加工圆柱齿轮是相同的,但齿线是当滚刀切至全齿深时,在展成齿廓的同时形成的。
因此主要运动包括滚切蜗轮的展成运动,主运动以及滚刀切入工件的进给运动。
对于YM3150E滚齿机,其切入运动是径向进给法。
即在加工齿轮时,还应该由滚刀或工件沿工件径向作切入进给运动,使滚刀从蜗轮顶逐渐切入至全齿深。
二、控制要求
1.主电动机带动滚刀作旋转运动,构成主运动,并且切削需要刀具能够正反转。
2.所有的内联系传动链是由齿轮机构来实现的。
滚刀旋转、刀架轴向运动、工作台旋转、径向运动等都由一个交流电动机提供动力,不能有多个电动机完成。
3.滚切速度的调节主要由齿轮机构来实现的。
4.不需要电气制动。
5.滚切过程需要必要的冷却和润滑。
6.为了传动系统能够有充分的润滑,必须在液压泵启动后才能启动其他电动机。
7.由于几张床调整的需要,主电动机既能常动又能点动,轴向快速电动机只能点动。
8.轴向运动需要设置极限保护措施。
三、控制特点:
1.主电动M2机带动刀具、刀架、工作台运动,并能实现正反转。
2.液压系统提供工作台径向进给的动力。
3.切削液由冷却泵电动机M3提供。
4.刀加的轴向快速运动由电动机M4提供,而加工齿轮时的轴向进给是主电动机带动。
5.能够监控液压润滑油的多少,当润滑油过少时要提示。
四、保护装置
本机采用自动空气断路器,作为电源开关,并作为主电机保护电路。
且电机M1——M4有接地保护。
五、YM3150E滚齿机主要技术性能
表1机床主要技术规格、参数
项目
参数
最大加工直径
500mm
最大加工模数
6 mm
最大加工螺旋角
±45°
刀具转速/级数
40、50、63、80、100、125、160、200、250r/min9级
滚刀最大安装直径/长度
160mm/160mm
滚刀主轴锥孔
莫氏5号
滚刀心轴直径
φ22、φ27、φ32
工作台最高转速
5.5r/min
滚刀中心至工作台回转中心最小距离
30mm
滚刀中心至工作台平面距离
235~535mm
外支架轴承孔下端面至工作台平面距离
380~630mm
刀具最大轴向串位距离(手动)
50mm
机床总功率
6.45KW
机床净重
4500Kg
机床外型尺寸
244×137×180cm
1.3.电路控制原理及原理图
一、主电路
液压泵电动机M1由接触器KM1控制,主电动机由接触器KM2、KM3控制,并能实现正反转。
冷却泵电动机M3由接触器KM4控制,轴向快速移动电机由接触器KM5、KM6实现正反转控制。
电动机M1、M2、M3都设有过载保护。
二、控制电路
1.液压泵控制
总开关SA1闭合,为控制电路接通做好准备,同时接通接触器KM2、KM3线圈电路,KM1得电;液压泵电动机M1主电路闭合,为液压系统提供压力油,为传动元件提供润滑油,保证旋转元件在工作之前得到充分润滑。
2.主电动机控制
滚齿过程中主要运动都是由电动机M2控制。
先将转换开关SA3转换到KM2线圈电路,此时按下按钮SB1,接触器KM2线圈电路接通,利用其常开触点使M2自锁,主触点闭合,电动机M2正转,主电路接通,电动机M2通过外联系传动链带动滚刀正转,有滚刀轴通过外联系或内联系传动链带动刀架、工作台运动,当刀架运动到上方或下方极限位置时,由行程开关SQ2、SQ4进行极限位置保护,压下行程开关,接触器KM2线圈断电,电动机M2停止转动。
当SA3转换到KM3线圈回路位置时,按下按钮SB1时,接触器KM3线圈电路接通并自锁,电动机M2反转,带动刀具做顺铣加工。
当按下按钮SB3时,其常开触点闭合,接通接触器KM2或KM3电路。
但由于SB3的常闭触点切断了KM2或KM3线圈的自锁回路,接触器线圈回路不能自锁,电动机M2只能点东旋转,为机床调整控制状态有利于调整各个部件之间的相对位置。
3.冷却泵电动机控制
在主电动机的工作状态,即在KM1或KM2线圈得电状态,将转换开关SA5置于闭合状态,接触器KM4线圈电路闭合,线圈得电,主触点接通电动机M3主电路,冷却泵工作,为切削过程提供切削液。
4.轴向快速移动点动控制
刀具在加工完毕,轴向返回初始位置或做刀架的轴向调整,刀架需要做快速移动。
为了减少传动元件和缩短辅助时间,利用快速电动机带动刀架做轴向运动。
5.径向运动控制
为了能够调整刀具与工件的径向位置和加工涡轮的需要,工作台能够做径向运动,其运动由液压系统提供动力,当转换开关SA4闭合后,电磁铁YA1得电,液压缸推动工作台做径向运动
6.其他控制
照明电路采用24V电源,当转换开关SA2闭合,照明电路接通
灯HL亮。
指示灯电路主要有电源指示灯HL1、润滑油指示灯HL2、主电动机过载指示灯HL3,在合上电源总开关QF1时,指示灯HL1亮,标志电源接通;当润滑油减少到定程度时,安装在液压缸中的浮子继电器KF触点闭合,指示灯HL2亮,提醒操作者及时添加润滑油,以监控润滑油;当主电动机过载时,热继电器FR2常开触点闭合,指示灯HL3亮,提醒操作者系统有故障,主电动机过载。
图1-2滚齿机电路控制图
1.4改造方案
根据上述介绍,本机床采用以继电器控制为核心的方式,而继电气控制有很多缺点:
电路接线复杂,触点多、噪音大、可靠性差、故障诊断与排除困难等缺点。
故改用PLC控制。
同样,机床控制线路中行程开关有响应速度低、精度差、接触检测易损坏被测物,及寿命短等缺点。
故改用传感器控制。
第二章对YM3150E滚齿机电气控制的硬件设计
2.1传感器的选择
电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化,从而导致线圈电感的改变这一物理现象来实现测量的。
电感式传感器可以分为自感式和互感式两大类。
自感式电感传感器可分为间隙型,变面积型和螺管型三种类型
电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。
电涡流式传感器可以对表面为金属导体的物体实现多种物理量的非接触测量,如位移,振动,厚度,转速,应力,硬度等。
而电感接近开关是一种常用传感器件,对其重复定位精度要求很高,稳定性好。
用在此场合的器件往往需要对其进行筛选,对检测接近开关设备定位精度要求高,可靠稳定性,操作简单,响应速度快等优点。
图2-1U3系列
槽形系列接近开关在许多行业都有应用,但因其超大的检测距离的特性,材质为塑料,防护等级可达IP67,经仔细选择,决定用槽型
U3系列接近开关
一、U3系列接近开关,参数如表2所示。
表2U3系列接近开关参数表
工作电压
DC10-30V
响应频率
直流三/二线
200Hz
交流二线
控制输出
直流
200mA
交流
材 料
ABS
二、:
改造后的优点:
1:
避免了原装置长期使用后,所带来的一切不利于生产的因素。
2:
电感式接近式开关采用进口电器原件,使用寿命长,安全可靠。
3:
改装后,机床线路板更加简洁,且便于维修管理,提高了生产效率。
4:
本装置体积小,维护方便。
2.2PLC的选择
因接触器——继电器控制系统体积较大、控制速度慢、改变控制功能必须改变接线来完成,在工厂实际操作中,越来越不适应现场系统。
本文故利用PLC对它进行改造。
PLC种类较多,主要有西门子、三菱、OMRON、FANAC、东芝等,但能配套生产,大、中、小、微型均有配套且目前用得最广泛的的主要是西门子、三菱、OMRON的PLC。
根据前面确定的PLC点数:
实际输入点16点,实际输出点8点,综合对比三菱FX系列(包括FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等)、西门子系列、OMRON系列中FX1N——40MR的PLC价格、性能、实用场合等各方面比较适合。
根据YM3150E的工作过程和电气参数,本系统可选择PLC型号为:
FX1N——40MR编程序控制器进行改造。
首要考虑保证原有的控制功能不变,尽量保留原来的电气元件,不添加新的元件。
主电路不变,PLC电源电压为交流220V,接触器线圈负载和电磁铁线圈电源为110V。
照明电路和指示灯电路逻辑关系简单并独立,不做改造。
FX1N系列是FX系列PLC家族中先进的系列,它能最大范围地包容了标准特点,程式执行更快,全面补充通讯功能,适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块,它可以为工厂自动化控制应用提供最大的灵活性和控制能力。
改造过程中主要采取的措施:
(1)将液压泵电动机启停条件作为主控条件,只有在液压泵电动机开始工作以后,才能启动其他输出继电器。
(2)热继电器直接与输入继电器连接。
(3)各个转换开关都只用了两个位置,所以分别占用一个输入端口。
2.3元件清单
液压泵电动机
M1
主电动机
M2
冷却泵电动机
M3
轴向快速运动电动机
M4
控制变压器
TC
总开关
SA1
照明开关
SA2
主轴正反转开关
SA3
径向快速开关
SA4
冷却泵开关
SA5
液压泵接触器
KM1
主电动机接触器
KM2、KM3
冷却泵接触器
KM4
轴向电动机接触器
KM5、KM6
平衡液压缸用电磁阀的电磁铁
YA1、YA2
传感器
LM1-LM4
热继电器
FR1-FR3
指示灯
HL1-HL3
主电动机启停按钮
SB1、SB2、SB3
M4正反向点动按钮
SB4、SB5
照明灯
HL
浮子继电器
KF
2.4I/O分配表
输入信号
输出信号
代号
作用
继电器
代号
作用
继电器
SB1
主电机启动
X0
YA1
径向移动电磁铁
Y0
SB2
主电机停止
X1
YA2
平衡液压缸电磁铁
Y1
SB3
主电机点动
X2
KM1
液压泵电动机接触器
Y2
SB4
轴向快速运动正向点动按钮
X3
KM2
主轴电动机正转接触器
Y3
SB5
轴向快速运动反向点动按钮
X4
KM3
主轴电动机反转接触器
Y4
LM1
轴向电感响应
X5
KM4
冷却泵接触器
Y5
LM2
轴向超行响应
X6
KM5
轴向快速移动电动机正转控制接触器
Y6
LM3
轴向快速移动响应
X7
KM6
轴向快速移动电动机反转控制接触器
Y7
LM4
轴向超行程响应
X10
SA1
总开关
X11
SA3
主轴正反转开关
X12
SA4
径向快速开关
X13
SA5
冷却泵开关
X14
FR1
热继电器触点
X15
FR2
热继电器触点
X16
FR3
热继电器触点
X17
2.5PLC接线图
第三章:
对YM3150E滚齿机控制系统的软件设计
3.1流程图
3.2程序设计:
1)液压泵控制及主控
总开关SA1闭合,输入继电气X11为NO,由于在电动机无过载情况下,FR1和FR2常闭触点闭合,X15和X17为NO,接通输入继电器Y2线圈逻辑回路,使接触器KM1线圈电路导通,KM1主触点闭合,液压泵M1主电路闭合工作,为液压系统提供压力油,为传动元件提供润滑油,保证旋转元件在工作之前得到充分润滑,同时使主控元件M10为ON,为后续程序控制做好准备。
2)主电动机控制及冷却泵控制
主电动机控制( Y4/Y3):
在液压泵工作的前提下,按下按钮SB1,输入继电器X0为ON,当转换开关SA3断开,输入继电器X12为OFF,取反后为ON,则输出继电器Y3逻辑回路闭合,Y3为ON,则KM2线圈得电导通,主触点闭合,电机M2正转。
当转换开关SA3闭合,X12为ON,出继电器Y4逻辑回路闭合,Y4为ON,则KM3线圈得电导通,主触点闭合,电机M2反转。
当M2过载,FR2触点断开,输入继电器X16为OFF,输出继电器Y3、Y4无法接通,M2停转。
且Y3、Y4逻辑回路自锁,电机旋转运动为长动。
按下SB3,输入继电器X2为ON,取反后X2为OFF,切断Y3、Y4逻辑回路自锁,Y3、Y4只能点动导通,M2点动,试用于点动调整机床。
冷却泵控制(Y5):
在输出继电器Y3或Y4线圈得电并自锁的情况下,闭合SA5,则输入继电器X14为ON,接通Y5逻辑回路,则KM4线圈得电导通,接触器主触点闭合,冷却泵电机主电路接通旋转。
3)轴向快速移动控制
利用操作手柄切换到轴向快进状态,快移机械离合器闭合,电感
接近开关LM3响应,输入继电器X7为ON,为点动快移做好准备,按下SB4,输入继电器X3为ON,则输出继电器Y7逻辑回路闭合,KM6线圈得电导通,但不自锁,接电机M4正转电路,通过快移传动链带动刀架快速轴向向上运动。
当按下SB5时,输入继电器X4为ON,输出继电器Y6为ON,接触器KM5得电,电机M4反转,刀架快速向下。
4)径向运动
转换开关SA4闭合,输入继电器X13为ON,输出继电器Y0为ON,电磁铁YA1得电,液压缸推动工作台径向运动。
5)平衡液压缸控制
总程序
总结
在指导老师朱春萍的精心辅导下,经过两个月的努努力,基本完成了此次毕业论文。
通过这个过程,对本校四年学习的专业知识和各种技能有了一个重新的认识,是一个阶段性提高自我的过程,从中,也不断发现自己的专业知识和创新思维方面的不足,达到改进的目的。
所谓学无止境,我们需要掌握的知识还有很多,认识自己的不足之处,努力钻研,不断求知。
在整篇论文设计过程中,经常性的查阅各种资料和文献,经常碰到以前从未遇过的难题,促使我反复思考深究,或向老师、同学请教,学到了不少知识。
特别是本课题相关知识,有了更深层次的理解和消化,在电气控制方面有了显著提升。
再次感谢我的指导老师和帮助我的同学们。
参考文献
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机械工业出版社,2008
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北京:
清华大学出版社,2004
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电气控制与可编程控制器技术【M】。
北京:
化工工业出版社,2004
【4】高安邦,等。
机电一体化技术实例精解【M】。
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机械工业出版社,2008
【5】漆汉宏。
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.北京:
机械工业出版社,2007
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传感器及应用。
北京:
中国劳动社会保障出版社,2007
【7】何道清。
传感器与传感器技术【M】。
.北京:
北京航空航天大学出版社,2004
【8】江秀汉,李萍,薄保中。
可编程控制器原理及应用【M】。
西安:
西安电子科技大学出版社,2008
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