摇臂钻床控制系统的PLC改造毕业设计Word文档下载推荐.docx
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ControlSystem;
Transformation
绪论
摇臂钻床适用于单件或批量生产带有多孔的大型零件的孔加工,是机械加工车间常用的机床,能够进行多种形式的机械加工,如钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、刮平面以及攻螺纹等。
在各类钻床中,它具有性能完善,适用范围广,操作方便、灵活等优点,它适用于带有多孔的大型零件的孔加工,是一般机械加工车间常用的机床,在机械行业中应用广泛。
目前机械行业中使用的摇臂钻床其控制系统大多数是采用继电器—接触器控制方式,具有电路接线复杂、触点多、噪音大、维修工作量大等缺点。
长期使用后,故障率高,故障排查困难,常常影响企业正常生产。
另外,一些复杂的控制,如时间、计数控制用传统控制方式较难实现。
利用PLC对摇臂钻床传统控制电路进行改造,有助于提高设备的可靠性、使用率、抗干扰能力,降低设备故障率,提高生产效率,使其经济效益显著。
同时,PLC还具备了网络功能,能实现多台PLC或PLC与PC机之间的联网通讯,使用PLC可以很方便的构成“集中管理、分散控制”的分布式电气控制系统,通过现场总线的PLC通讯网络,可使工厂的各种资源共享,为工厂自动化提供技术保证[1]。
因此,利用PLC电气控制系统对钻床技术改造以弥补传统系统的缺陷是非常必要的。
钻床的电气系统由液压系统、冷却泵、电磁吸盘以及照明电路等部分组成。
从控制上讲,它需要机、电、液压等系统相互配合使用,而且,要进行时间控制。
钻床的电气系统是三相交流异步电动机的动力源,通过齿轮箱来实现速度控制,有的还采用多速异步电机驱动,从而可以简化传动机构。
此电气系统的特点是只用一台电动机拖动就可实现摇臂钻床主轴的旋转和进给运动,而且摇臂上升、下降和立柱夹紧、放松各由一台交流异步电动机拖动,分工明确[2]。
此外,因为可以通过机械转换的方式实现主轴的正向和反向旋转运动,因此,只在一个方向旋转主电机。
本文在分析摇臂钻床继电接触控制系统工作原理的基础上,提出了运用可编程控制器(PLC)对摇臂钻床控制系统进行改造设计的方案。
首先对钻床的主要结构、运动形式、系统特点进行了解,在此基础上对钻床工作原理进行理解掌握;
然后根据输入输出点数选择PLC型号,对PLC的硬件和软件进行设计,编写相应的程序语句表并绘制梯形图;
最后再根据钻床的工作要求选择合理的工作器件。
改造钻床是一项专业知识相当广泛的研究,它涉及到机电专业的多门专业基础课:
电子技术、计算机控制、计算机接口、自控原理、检测技术、电机拖动、电气系统控制、可编程逻辑控制器等。
在此次毕业设计中,既可以学到新知识,又可以将以前学过的知识加以复习巩固,而且还可以学到解决实际问题的方法和技能。
当前社会电子信息技术在多个领域被广泛应用,为我国诸多生产加工企业带来了巨大的发展空间和机遇,同时也为我国机床加工设备的现代化改造提供了有力的技术支持。
为了能够在当前工业生产中充分的发挥设备的功能,迅速的提升加工技术水平与精度,越来越多的企业运用PLC技术对机床进行了改造升级。
1材料与方法
1.1本课题的选题背景和意义
可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController)简称PLC,是从早期的继电器逻辑电气控制系统发展而来,它不断吸收微型计算机控制技术,使之功能不断增强,逐渐适合复杂的电气控制系统。
所谓PLC系统就是采用目前市场上各大工业控制厂家生产的可编程控制器,根据要求选用不同的模块,在此基础上设计程序以达到所设计的功能。
这种形式目前在工业现场应用最为广泛。
PLC之所以有较强的生命力,在于它更加适应工业现场和市场要求,同时,它的输入/输出端更接近现场设备,不需添加太多的中间部件,这样可以大大节省用户的开发时间与生产成本。
PLC作为一种工业标准设备,虽然生产厂家众多,产品种类层出不穷,但他们具有以下一些共同的特性。
(1)抗干扰能力强,可靠性高。
进口PLC采用的CPU都是生产厂家专门设计的工业级专用处理器,其余各元件也是经过严格挑选的工业级元件。
其内部不仅包括大规模和超大规模集成电路,而且具有完善的通道保护与信号调整电路,使得PLC具有一系列耐热、防潮、防尘、抗震等功能。
硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施,软件上采用信息保护和恢复技术,实时报警和运行信息显示等技术,电源部分采用多级滤波,集成电压调整器等保护措施。
PLC采用微电子技术,大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成,使其抗干扰能力和可靠性提高。
(2)功能强大,成本低。
PLC控制系统可大可小,能轻松完成单机控制、批量控制、复杂逻辑顺序控制、模拟量控制以及组成通信网络、进行数据处理和管理等任务[4]。
PLC控制系统中的I/O系统、HMI等可以直接和现场信号连接使用,系统不需要进行专门的抗干扰设计,和其他控制系统(如DCS、IPC等)相比,其成本较低。
(3)编程方便,使用便捷。
PLC编程语言采用的梯形图语言电气原理类似于传统的控制系统原理,PLC内部组件也用中间继电器、定时器、计数器等名称。
编程语言形象直观,易于掌握,不必具备特定的计算机知识和语言,具有一定的电气和工艺知识的人员都可以短时间学会,深受现场电气人员的欢迎[3]。
近年来,顺序控制的流程图语言也很受欢迎。
(4)结构简单,通用性强。
在PLC构成的的控制系统中,只需在PLC的端子上接入相应的输入/输出信号线即可,不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量而又繁杂的硬接线线路。
当需要变更控制系统功能时,只需对程序进行简单修改,对硬件部分稍作改动即可,所以说PLC系统具有极强的柔性,即通用性强。
(5)操作性强,维护方便。
PLC的操作采用触摸式操作终端,人机界面,全屏显示。
PLC本身有很强的自诊断功能,其输入/输出端子能直观反应现场信号的变化状态,通过编程工具可以直观的观察控制程序和控制系统的运行状态,极大地方便了维护人员查找故障,缩短对系统的维护时间。
1.2国内外研究现状和发展动态
在国外可编程逻辑控制器(PLC)的应用早在上世纪六十年代就已经出现了,之后世界各国争相在该领域投入大量资金进行新产品的开发。
1995年研制成功的西门子S7-200,S7-300系列,提供了一个方便的人机界面,对于用户来说,三个级别密码保护的用户程序,计算能力非常强,而且内部集成了强大的功能,全面的故障诊断功能,提高了指令集和带有工业现场总线和以太网的网络容量。
此外,快速指令处理周期大大缩短,使用高速计数器,高速中断处理响应事件,成本大大降低。
由于人们更加注重电控系统的可靠性,一些企业把自诊断技术,冗余容错技术广泛应用到现有产品,推出一个冗余系统,具有高可靠性,并发工作,多数表决权的特性。
PLC的众多优点,使其迅速在工业控制中得到推广。
虽然国内PLC技术的应用前景很大,并且取得了一定的经济效益,但相比之下,由于受经济技术水平的限制,大多数企业在生产上使用的钻床电气控制系统,还是采用传统的继电器—接触器控制方式,与国外大量采用PLC控制相比,我们还存在很大差距。
随着时代的发展,微处理器,网络通信,人机接口技术的日新月异,工业自动化技术不断进步,各种产品竞争激烈,新产品不断涌现。
PLC原来只能处理开关量,现在发展到可以完成模拟和数据处理,它已不是一种简单的控制设备,它必将随着自动控制技术的不断发展而生存下去。
因此,抓住这个有利时机进一步促进PLC技术的推广与应用,是提高我国工业自动化水平的迫切任务。
此次对于摇臂钻床电气控制系统改造设计,就是希望借鉴国外先进的工业控制技术,应用到工业现场,以提高摇臂钻床的工作性能,增加工业化效益[5]。
1.3钻床简介
1.3.1主要结构摇臂钻床主要由图1-1所示的底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱及工作台等部分组成。
外立柱套于固定在底座一端的内立柱上,而且可以绕内立柱旋转一周。
摇臂借助套筒可沿外立柱上下移动,但不能绕外立柱转动,只能与外立柱一起回转。
主轴箱是由主传动电动机、主轴和主轴传动机构、进给和变速机构、机床的操作机构等部分组成的复合部件。
主轴箱可以通过手轮操作,使其在水平导轨上沿摇臂移动。
主轴可在水平面上调整位置,在工件固定不动时使刀具对准被加工孔轴心。
因此,对于加工大而重的工件上的孔带
来很大方便。
图1-1摇臂钻床结构示意图
1.底座;
2.外立柱;
3.内立柱;
4.升降丝杆;
5.摇臂;
6.主轴箱;
7.主轴;
8.工作台
1.3.2运动形式当进行加工时,由特殊的加紧装置将主轴箱紧固在摇臂导轨上,而外立柱紧固在内立柱上,摇臂紧固在外立柱上,然后进行钻削加工。
钻削加工时,钻头一边进行旋转切削,一边进行纵向进给。
其运动形式为:
主运动为主轴的旋转运动,进给运动为主轴的纵向进给,辅助运动为摇臂沿外立柱上下移动,主轴箱沿摇臂水平移动,摇臂和外立柱一起绕内立柱的回转运动[6]。
1.3.3摇臂钻床特点摇臂钻床在机械行业中应用及其广泛,这与其自身具有的特点息息相关。
首先摇臂钻床主轴箱、摇臂、内外柱采用液压驱动的菱形块夹紧机构,夹紧可靠,减少了危险事故的发生。
其次摇臂钻床主轴正反转、停车(制动)、变速、空挡等动作都用一个手柄控制,操纵轻便。
而且主轴箱的移动除手动,还可以机动,方便快捷。
再次摇臂钻床采用液压预选变速机构,可节省辅助时间。
摇臂上导轨、主套筒及内外柱回转滚道等均进行淬火处理,其完善的安全保护装置及外柱防护和自动润滑装置,可延长使用寿命。
1.3.4液压系统的主要特点液压系统在摇臂钻床工作过程中起着至关重要的作用。
其特点表述如下:
第一,该液压系统中工作台的换向采用了时间控制的换向回路。
在换向阀阀芯上的四个控制边均带有锥度较小的制动锥,同时可采用单向节流阀来调整阀芯的移动速度,使制动过程平稳,减小了换向冲击,从而使工作台运动速度较高、换向较平稳。
第二,液压系统中,采用了进油路和回油路的双重节流调速回路,并以回油路节流调速为主,因此,不仅使工作台的运动平稳,而且可减小工作台启动时的前冲现象。
第三,该系统具有卸荷回路,机床不工作时,可使系统卸荷,以减少功率损失和油液发热。
2继电器—接触器控制原理
2.1控制线路特点
(1)自动空气断路器作为主电路、控制电路、信号指示灯电路及机床照明电路的电源引入开关。
自动空气断路器中的电磁脱扣装置不仅可以取代熔断器作为短路保护电器,而且此断路器也具有零压保护和欠压保护作用。
(2)摇臂的上升运动和下降运动有严格的动作顺序,由限位开关ST3给以保证,每一个主要动作均有指示灯作出指示,便于操作和进行电气维修。
(3)摇臂的上升运动和下降运动可以用主轴箱上的十字开关操作,也可以用装在立柱下部的控制按钮操作,属于两地控制线路。
(4)由于各台点动机的容量不同,在起动时须区别对待。
为了控制更为灵活,主柱的夹紧与松开单独用一台电动机拖动。
为了降低操作者的劳动强度,主轴箱的水平移动单独用一台电动机拖动。
(5)立柱与主轴箱的松开与夹紧可以同时进行操作,也可以单独进行。
(6)控制线路装有总起动与总停止按钮,便于操作和在发生事故时紧急停车。
(7)为防止发生电源短路事故,控制线路采取了可靠的电气联锁措施。
2.2电气控制原理图
图2-1摇臂钻床传统电气控制系统电气原理图
摇臂钻床采用4台电动机拖动,他们分别是主轴电动机,摇臂升降电动机,液压泵电动机和冷却泵电动机。
主轴电动机控制钻床的进给运动;
摇臂的移动严格按照摇臂松开→移动→摇臂夹紧的程序进行,摇臂升降电动机可用手动操作,要求能正反向旋转;
摇臂和主轴之间的夹紧、松开可用电气、液压、机械来实现,液压泵电动机要求能正反向旋转,并根据要求采用电动控制;
冷却泵电动机带动冷却泵提供冷却液,只要求单向旋转[7]。
控制电路设有短路、失压、过载和位置极限保护。
系统也具有安全照明、信号指示电路以及连锁、保护电路。
2.3主电路分析
主电路由三相交流异步电动机及其有关的电气元件组成。
各台电动机容量不同,故启动方式也不同。
主轴电动机只有一个旋转方向,因为功率较大,为降低起动电流,所以采用Y—△起动控制线路。
冷却泵电动机也只有一个旋转方向,采用开关直接起动控制线路。
其它交流电动机都有两个旋转方向,采用交流接触器起动控制线路[8]。
M1为单向旋转,由接触器KM1控制,主轴的正反转则由机床液压系统操纵机构配合正反转摩擦离合器实现。
M1的短路保护电器是总电源引入开关自动空气断路器Q1中的电磁脱扣装置,M1由热继电器FR1作过载保护。
M2由正、反转接触器KM2、KM3控制实现正反转。
控制电路,首先保证在操纵摇臂升降,液压泵马达开始旋转时,供出压力油,经液压系统使摇臂松开,电动机M2起动,将摇臂向上或向下拖动。
当移动到位后,保证M2先停下,再自动通过液压系统将摇臂夹紧,最后液压泵电机才停下。
M2为短时工作,不设长期过载保护。
M3由接触器KM4、KM5控制实现正反转,热继电器FR2作过载保护。
M4电机容量小,仅0.125KW,由开关Q控制启动,停止。
2.4控制电路分析
控制电路的电源由控制变压器TC将380V交流电压降为110V供电,中间抽头603对地为信号灯电源6.3V,241号线对地为照明变压器TD二次侧输出36V[9]。
2.4.1主电动机的旋转控制在主电动机启动前,首先将自动开关Q2、Q3、Q4扳到接通状态,同时将配电盘的门关好并锁上。
然后再将自动开关Q1扳到接通位置,电源指示灯亮。
这时按下SB1,中间继电器K1通电并自锁,为主轴电动机与其他电动机的启动做好了准备。
当按下按钮SB2时,交流接触器KM1线圈通电并自锁,使主电动机旋转,同时主电动机旋转的指示灯HL4亮。
主轴的正转与反转用手柄通过机械变换的方法来实现。
2.4.2摇臂的升降控制按下按钮SB3,时间继电器KT1通电吸合,它的瞬动触点(33-36)闭合,使KM4线圈通电,液压电动机M3起动供给压力油,经分配阀体进入摇臂的松开油腔,推动活塞使摇臂松开。
同时活塞杆通过弹簧片使行程开关ST2的动断触点断开,KM4线圈断电,而ST2的动合触点(17-21)闭合,KM2线圈通电,它的主触点闭合,M2电动机旋转,使摇臂上升。
如果摇臂没有松开,ST2的动合触点不能闭合,摇臂升降电动机不能转动,这样就保证了只有摇臂可靠松开后,摇臂才能上升或下降。
当摇臂上升到所需要的位置时,松开按钮SB3,KM2和KT1断电,升降电动机M2断电停止,摇臂停止上升。
当持续1-3秒后,KT1的断电延时闭合的动断触点(47-49)闭合,经7-47-49-51线路,KM5线圈通电,液压泵电动机M3反转,使压力油经分配阀进入摇臂的夹紧液压腔,摇臂夹紧。
同时活塞杆通过弹簧片使ST3的动断触点(7-47)断开,KM5线圈断电,M3电动机停止,完成了摇臂的松开—上升—夹紧动作。
摇臂升降电动机的正转与反转不能同时进行,否则将造成电源两相间的短路。
为避免由于操作错误造成事故,在摇臂上升和下降的线路中加入了触点互锁和按钮互锁。
因为摇臂的上升或下降是短时的调整工作,所以采用点动方式。
行程开关ST1是为保护摇臂上升或下降的极限位置而设立。
ST1有两对常闭触点,ST1的动断触点(15-17)是摇臂上升时的极限位置保护,ST1的动断触点(27-17)是摇臂下降时的极限位置保护。
摇臂液压夹紧机构出现故障或ST3调整不当,将造成液压泵电动机M3过载,它的过载保护热继电器的动断触点将断开,KM5释放,M3电动机断电停止。
2.4.3立柱和主轴箱的松开及夹紧控制主轴箱与立柱的松开及夹紧控制可以单独进行,也可以同时进行,它由组合开关SA2和按钮SB5(或SB6)进行控制。
SA2有三个位置,在中间位置(零位)时为同时进行,搬到左边位置时为立柱的夹紧或放松,搬到右边位置为主轴箱的夹紧或放松。
SB5是主轴箱和立柱的夹紧按钮。
下面以主轴箱的松开和夹紧为例说明它的动作过程:
首先将组合开关SA2搬向右侧,触点(57-59)接通,触点(57-63)断开。
当要主轴箱松开时,按下按钮SB5,这时时间继电器KT2和KT3线圈同时通电,但KT2为断电延时型时间继电器,所以KT2的通电使瞬时常开触点闭合,断电延时断开的动断触点(7-57)也闭合使YA1通电,经1-3s后KT3的延时动合触点(7-41)闭合,通过3-5-7-41-43-37-39线路,使KM4通电,液压泵电动机正转,使压力液压油经分配阀进入主轴箱液压缸,推动活塞使主轴箱放松。
活塞杆使ST4复位,主轴箱和主柱分开,指示灯HL2亮。
当要主轴夹紧时,按下按钮SB6仍首先为YA1通电,经1-3s后,KM5线圈通电,液压泵电动机反转,压力油经分配阀进入主轴箱液压缸,推动活塞使主轴箱夹紧。
同时活塞杆使ST4受压,它的动合触点(607-613)闭合,指示灯HL3亮,动断触点(607-613)断开,指示灯HL2灭,指示主轴箱与立柱夹紧。
当将SA2搬到左侧时,触点(57-63)接通,(57-59)触点断开。
按下按钮SB5或SB6时使YA2通电,此时主柱松开或夹紧。
SA2在中间位置时,触点(57-59、57-63)均接通,按下SB5或SB6时,YA1、YA2均通电,主轴箱和立柱同时进行夹紧或放松。
其它动作过程和主轴箱松开和夹紧完全相同。
2.4.4冷却泵控制冷却泵电动机M4容量小,所以用组合开关Q直接控制其运行和停止。
2.4.5照明、信号电路机床工作照明开关,同时起过载及短路保护作用,EL为工作照明灯。
HL1为电源工作信号指示灯,当合上Q4时HL1指示灯亮,HL2为立柱和主轴箱松开指示灯,HL3为立柱和主轴箱夹紧指示灯,分别由限位开关ST4长闭触头和ST4常开触头控制。
HL4为主轴电动机旋转指示灯,由KM1常开触头控制。
3基于PLC控制系统的硬件设计
PLC种类繁多,但其组成结构和工作原理基本相同。
用PLC实施控制,其实质是按控制功能要求,通过程序按一定算法进行输入/输出变换,并将这个变换给以物理实现,应用于工业现场。
PLC专为工业现场应用而设计,采用了典型的计算机结构,它主要由CPU、电源、存储器和输入/输出接口电路等组成。
摇臂钻床电气控制系统的设计方案由两部分组成,一部分为电气控制系统的硬件设计,也就是PLC的机型的确定;
另一部分是电气控制系统的软件设计,就是PLC控制程序的编写。
为了使改造后的摇臂钻床仍能够保持原有功能不变,此次改造的一个重要原则之一就是,不对原有机床的控制结构做过大的调整,只是将原继电器控制中的硬件接线改为用软件编程来替代。
3.1PLC的型号选择
随着科技的发展,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[10]。
PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下,力争最佳的性能价格比。
因此选择摇臂钻床电气控制系统的PLC机型,应从以下几个方面来考虑:
(1)根据PLC的物理结构根据物理结构的不同,PLC分为整体式、模块式和叠装式。
小型电气控制系统一般使用整体式可编程控制器。
此次设计的电气控制系统属于小型开关量电气控制系统,没有特殊的控制任务,整体式PLC完全可以满足控制要求,且在性能相同的情况下,整体式PLC较模块式和叠装式PLC价格便宜,因此,摇臂钻床电气控制系统的PLC选用整体式结构的PLC。
(2)根据PLC的指令功能考虑到任何一种PLC都可以满足开关量电气控制系统的要求,此次设计的电气控制系统属于小型开关量电气控制系统,所以在满足用户控制要求的基础上尽量采用价格便宜的PLC。
(3)根据PLC的输入输出点数以及存储容量如表3-1和表3-2所示,摇臂钻床的电气控制系统需要17个输入口11个输出口,PLC的实际输入点数应大于或等于所需输入点数17,PLC的实际输出点数应大于或等于所需输出点数11,在条件许可的情况下尽可能留有10%-2
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- 摇臂 钻床 控制系统 PLC 改造 毕业设计