YM3150E型滾齒機的控制系統(tǒng)的PLC改造設計

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This article briefly describes YM3150E Precision hobbing machine control principle, and to use PLC to reform of the hobbing machine, PLC control system designed to enable gear hobbing machine control more convenient. Keyword：Hobbing Machine,Control System, Mechatronics, PLC 1.前言 現代科學技術的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學科的交叉與滲透，導致了工程領域的技術革命與改造。在機械工程領域，由于微電子技術和計算機技術的迅速發(fā)展及其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化，使機械工業(yè)的技術結構、產品機構、功能與構成、生產方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發(fā)展階段。PLC作為機電一體化的一個重要的進程，在機械電氣化的過程中起著很大的作用，現在還是這樣，隨著PLC本身的發(fā)展，它的應用范圍越來越廣，功能越來越強的。 可編程序控制器（programmable Logic Controller）是一種數字運算操作電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字的，模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P的外圍設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴充其功能的原則設計。 1.1 PLC的國內外的狀況 在工業(yè)生產過程中，大量的開關量順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數據采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數字設備公司（DEC）研制出了基于集成電路和電子技術的控制裝置，首次采用程序化的手段應用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable ,是世界上公認的第一臺PLC. 限于當時的元器件條件及計算機發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數功能。20世紀70年代初出現了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運算、數據傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運算及處理的計算機存儲元件都以繼電器命名。此時的PLC為微機技術和繼電器常規(guī)控制概念相結合的產物。個人計算機（簡稱PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC）。 20世紀70年代中末期，可編程控制器進入實用化發(fā)展階段，計算機技術已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現代工業(yè)中的地位。20世紀80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應用。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產品系列化。這個階段的另一個特點是世界上生產可編程控制器的國家日益增多，產量日益上升。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。 上世紀80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為30～40%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數字運算能力、人機接口能力和網絡能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。 20世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應于現代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機和超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉速、位移等各式各樣的控制場合；從產品的配套能力來說，生產了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領域的應用都得到了長足的發(fā)展。 我國可編程控制器的引進、應用、研制、生產是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產設備及產品中不斷擴大了PLC的應用。目前，我國自己已可以生產中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產的CF系列、杭州機床電器廠生產的DKK及D系列、大連組合機床研究所生產的S系列、蘇州電子計算機廠生產的YZ系列等多種產品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產品中獲得了應用。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的PLC生產廠家。可以預期，隨著我國現代化進程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應用天地。 1.2 PLC的組成及特點 從結構上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。 這里主要介紹一下它的CPU，CPU是PLC的核心，起神經中樞的作用，每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數據，用掃描的方式采集由現場輸入裝置送來的狀態(tài)或數據，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經分析后再按指令規(guī)定的任務產生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路。CPU主要由運算器、控制器、寄存器及實現它們之間聯(lián)系的數據、控制及狀態(tài)總線構成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。內存主要用于存儲程序及數據，是PLC不可缺少的組成單元。在使用者看來，不必要詳細分析CPU的內部電路，但對各部分的工作機制還是應有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。運算器用于進行數字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運算，并存儲運算的中間結果，它也是在控制器指揮下工作。CPU速度和內存容量是PLC的重要參數，它們決定著PLC的工作速度，IO數量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。 1.3 PLC的用途 PLC的初期由于其價格高于繼電器控制裝置,使其應用受到限制。但近年來由于微處理器芯片及有關元件價格大大下降,使PLC的成本下降,同時又由于PLC的功能大大增強,使PLC 的應用越來越廣泛,廣泛應用于鋼鐵、水泥、石油、化工、采礦、電力、機械制造、汽車、造紙、紡織、環(huán)保等行業(yè)。PLC的應用通常可分為五種類型： （1）順序控制? 這是PLC應用最廣泛的領域，用以取代傳統(tǒng)的繼電器順序控制。PLC可應用于單機控制、多機群控、生產自動線控制等。如注塑機、印刷機械、訂書機械、切紙機械、組合機床、磨床、裝配生產線、電鍍流水線及電梯控制等。 （2）運動控制? PLC制造商目前已提供了拖動步進電動機或伺服電動機的單軸或多軸位置控制模版。在多數情況下，PLC把掃描目標位置的數據送給模版塊，其輸出移動一軸或數軸到目標位置。每個軸移動時，位置控制模塊保持適當的速度和加速度，確保運動平滑。相對來說，位置控制模塊比計算機數值控制（CNC）裝置體積更小，價格更低，速度更快，操作方便。 （3）閉環(huán)過程控制? PLC能控制大量的物理參數，如溫度、壓力、速度和流量等。PID（Proportional Intergral Derivative）模塊的提供使PLC具有閉環(huán)控制功能,即一個具有PID控制能力的PLC可用于過程控制。當過程控制中某一個變量出現偏差時,PID控制算法會計算出正確的輸出,把變量保持在設定值上。 （4）數據處理? 在機械加工中，出現了把支持順序控制的PLC和計算機數值控制（CNC）設備緊密結合的趨向。著名的日本FANUC公司推出的Systen10、11、12系列，已將CNC控制功能作為PLC的一部分。為了實現PLC和CNC設備之間內部數據自由傳遞，該公司采用了窗口軟件。通過窗口軟件，用戶可以獨自編程，由PLC送至CNC設備使用。美國GE公司的CNC設備新機種也同樣使用了具有數據處理的PLC。預計今后幾年CNC系統(tǒng)將變成以PLC為主體的控制和管理系統(tǒng)。 （5）通信和聯(lián)網? 為了適應國外近幾年來興起的工廠自動化（FA）系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)（FMS）及集散控制系統(tǒng)（DCS）等發(fā)展的需要，必須發(fā)展PLC之間，PLC和上級計算機之間的通信功能。作為實時控制系統(tǒng)，不僅PLC數據通信速率要求高，而且要考慮出現停電故障時的對策。 1.4 PLC常用語言 可編程控制器中有多種程序設計語言,它們是梯形圖語言、布爾助記符語言、功能表圖語言、功能模塊圖語言及結構化語句描述語言等。梯形圖語言和布爾助記符語言是基本程序設計語言，它通常由一系列指令組成，用這些指令可以完成大多數簡單控制功能，例如，代替繼電器、計數器、計時器完成順序控制和邏輯控制等，擴展或增強指令集，它們也能執(zhí)行其它基本操作。功能表圖語言和語句描述語言是高級程序設計語言，它可需要去執(zhí)行更有效操作，例如，模擬量控制，數據操縱，報表報印和其他基本程序設計語言無法完成功能。功能模塊圖語言采用功能模塊圖形式，軟連接方式完成所要求控制功能，它可編程序控制器中到了廣泛應用，集散控制系統(tǒng)編程和組態(tài)時也常常被采用，它具有連接方便、操作簡單、易于掌握等特點，為廣大工程設計和應用人員所喜愛。 可編程器應用范圍，程序設計語言可以組合使用，常用程序設計語言是：? 梯形圖程序設計語言； 布爾助記符程序設計語言（語句表）； 功能表圖程序設計語言； 功能模塊圖程序設計語言?； 結構化語句描述程序設計語言；? 梯形圖與結構化語句描述程序設計語言?； 布爾助記符與功能表圖程序設計語言；?? 布爾助記符與結構化語句描述程序設計語言。 1.5本課題的主要任務 本文主要是對YM3150E滾齒機進行電氣化改造，利用PLC進行控制設計，要求邏輯控制的正確性，機械能在新的控制系統(tǒng)下能夠正常的平穩(wěn)的運行，可靠性好，可操作性好，操作更加安全、方便。 2.整體方案的選擇 2.1整體功能介紹 重慶機床廠生產的YM3150E型精密滾齒機采用了傳統(tǒng)的接觸器—繼電器控制系統(tǒng)．繼電接觸器控制系統(tǒng)是使用按鈕、開關、行程開關、繼電器、接觸器等組成的控制系統(tǒng)。它通過電氣觸點的閉合和分斷來控制電路的接通與斷開，實現對電動機拖動系統(tǒng)的起動、停止、調速、自動循環(huán)與保護等自動控制。它具備控制器件結構簡單、價格低廉、控制方式直觀、容易掌握、工作可靠易維護等優(yōu)點，但是體積較大、控制速度慢，改變控制功能必須通過改變接線來完成，比較麻煩和困難，在現在工廠的實際操作中，越來越不適應現場控制。本文就針對新的方案解決YM3150E型精密滾齒機難控制的問題，使用PLC對它進行改造。 該機床由液壓泵電機、主電機、冷卻電機和快速移動電機組成。液壓泵電機主要是提供液壓閥的壓力來潤滑機械等功能；冷卻電機提供機械的冷卻循環(huán)系統(tǒng)，使得機械的溫度不至于過高，控制在一定的范圍里；快速移動電機用于裝置的快速移動，提高非工作時段的效率，以提高整體的效率。 2.2控制要求 在這些電機中有一定的啟動順序，只有滿足一定的啟動要求后才能確保機械的安全使用，保證它的穩(wěn)定性，所以必須在液壓泵電機起動并使水銀繼電器觸點閉合以后主電機才能起動，在主電機起動以后冷卻電機才能起動．當液壓泵電機停止以后整個機床處于停止工作狀態(tài)。當電箱門打開時電箱門壓動行程開關斷開，整個機床處于斷電狀態(tài)，以防止觸電。當傳動箱門打開時傳動箱門壓動式行程開關處于斷開狀態(tài)，機床不能起動，必須把門關上以后主電機才能起動。一旦機床起動以后主電機控制系統(tǒng)自鎖則可以打開傳動箱門觀察齒輪潤滑情況，并且軸向運動有超行程保護開關為軸向超行程保護開關，切向運動有超行程保護開關為切向超行程保護開關對機床進行軸向和徑向運動的保護。 2.3電氣說明 1、首先啟動液壓電動機（1D），當供油潤滑達到正常后，FJ浮子繼電器接通，潤滑信號燈亮，才能啟動其余電動機。 2、只有主電動機（2D）啟動后，冷卻電動機（3D）才能啟動。主電動機停止工作，冷卻電動機也停止工作。 3、在刀架快速向下時，電磁閥2DT接通。 4、只有當手柄1（3XK）處于快速位置時，軸（切）向快速電動機才能起動。 5、電氣操作站工作臺快速按鈕（4K）處于“退后”時，電磁閥1DT無電，工作臺向后快速。處于“向前”時，電磁閥1DT有電，工作臺向前快速。 2.4保護裝置 1、短路保護：本機床采用自動空氣斷路器，作為電源開關，并作為主電動機2D的保護電路。 液壓電動機1D和軸（切）向快速電動機4D用1RD做短路保護。冷卻電動機3D用2RD作短路保護。 交流控制線路變壓器用3RD作短路保護。照明線路用4RD做短路保護。指示燈線路用5RD作短路保護。 2、過載保護：液壓電動機1D，主電動機2D及冷卻電動機3D分別采用熱繼電器1RJ,2RJ及3RJ作過載保護。 3、行程保護：1XK為軸向行程開關，7XK為切向行程開關。2XK、4XK是軸向超行程開關。8XK、9XK是切向超行程開關。 4、其他保護：當傳動箱打開時，5XK、6XK斷開。不能啟動機床。所以必須把門關閉才行。一旦機床起動后則可打開齒輪箱門，以觀察潤滑情況。主軸沖動時例外。電箱門打開時不能啟動機床，因為10XK已打開。以防觸電。 2.5電氣原理圖、電氣接線圖見附圖紙 3.硬件系統(tǒng)設計 3.1 PLC機型的選擇步驟與原則 隨著PLC技術的發(fā)展，PLC產品的種類也越來越多。不同型號的PLC，其結構形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價格等也各有不同，適用的場合也各有側重。因此，合理選用PLC，對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術經濟指標有著重要意義。 PLC的選擇主要應從PLC的機型、容量、I/O模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯(lián)網能力等方面加以綜合考慮。 　　PLC機型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護方便的前提下，力爭最佳的性能價格比。選擇時主要考慮以下幾點： (1)合理的結構型式 　　PLC主要有整體式和模塊式兩種結構型式。 　　整體式PLC的每一個I/O點的平均價格比模塊式的便宜，且體積相對較小,一般用于系統(tǒng)工藝過程較為固定的小型控制系統(tǒng)中；而模塊式PLC的功能擴展靈活方便,在I/O點數、輸入點數與輸出點數的比例、I/O模塊的種類等方面選擇余地大，且維修方便，一般于較復雜的控制系統(tǒng)。 (2)安裝方式的選擇 　　PLC系統(tǒng)的安裝方式分為集中式、遠程I/O式以及多臺PLC聯(lián)網的分布式。 　　集中式不需要設置驅動遠程I/O硬件，系統(tǒng)反應快、成本低；遠程I/O式適用于大型系統(tǒng)，系統(tǒng)的裝置分布范圍很廣，遠程I/O可以分散安裝在現場裝置附近，連線短，但需要增設驅動器和遠程I/O電源；多臺PLC聯(lián)網的分布式適用于多臺設備分別獨立控制，又要相互聯(lián)系的場合，可以選用小型PLC，但必須要附加通訊模塊。 (3)相應的功能要求 　　一般小型(低檔)PLC具有邏輯運算、定時、計數等功能，對于只需要開關量控制的設備都可滿足。對于以開關量控制為主，帶少量模擬量控制的系統(tǒng)，可選用能帶A/D和D/A轉換單元，具有加減算術運算、數據傳送功能的增強型低檔PLC。對于控制較復雜，要求實現PID運算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網等功能，可視控制規(guī)模大小及復雜程度，選用中檔或高檔PLC。但是中、高檔PLC價格較貴，一般用于大規(guī)模過程控制和集散控制系統(tǒng)等場合。 　　(4)響應速度要 　　PLC是為工業(yè)自動化設計的通用控制器，不同檔次PLC的響應速度一般都能滿足其應用范圍內的需要。如果要跨范圍使用PLC，或者某些功能或信號有特殊的速度要求時，則應該慎重考慮PLC的響應速度，可選用具有高速I/O處理功能的PLC，或選用具有快速響應模塊和中斷輸入模塊的PLC等。 　　(5)系統(tǒng)可靠性的要求 　　對于一般系統(tǒng)PLC的可靠性均能滿足。對可靠性要求很高的系統(tǒng)，應考慮是否采用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)。 　　(6)機型盡量統(tǒng)一 根據上面的選擇原則和根據YM3150E型滾齒機控制系統(tǒng)輸人輸出點數的需要這次對YM3150E滾齒機的改造采用三菱公司生產F1—40MR，日本三菱公司生產的PLC以其體積小、控制靈活、具有良好的性價比等特點而在我國機械設備和工業(yè)控制中應用廣泛。 3.2 F1系列PLC的指令系統(tǒng)簡介 （1）F1系列PLC的指令可分為兩大類： 基本邏輯指令：又稱為通用邏輯指令，是PLC中最基本的編程語言，用于開關量I/O的控制系統(tǒng)的梯形圖程序設計，共二十條。掌握了它們也就初步掌握了PLC的使用方法，基本上就滿足開關量邏輯控制系統(tǒng)的編程了。 特殊功能指令：共87條，可用于編程特殊程序，如高速I/O處理、數據傳輸、計數器的特殊用法、算術運算和模擬量控制等。 （2）F1系列PLC的基本邏輯指令又分為四大類： 作用于觸點的指令：LD/LDI、AND/ANI、OR/ORI等。 作用于線圈的指令：OUT。 數據處理指令：如S/R、RST、SFT、MC/MCR、PLS、SFT、CJP/EJP等。 獨立使用的指令：如ANB、ORB、END等 （3）F1—40MR的編程元件： F1—40MR的編程元件的名字有字母和數字表示，它們分別表示元件的類型和元件號。元件號用八進制表示，各種編程元件的編號的取值范圍有嚴格的規(guī)定，不同的元件編號不相同，互不重疊，具體安排如下： 輸入繼電器（X）：400—413.500—513 輸出繼電器（Y）：430—437，530—537 定時器（T）：50—57，450—457，550—557，650—657 計數器（C）：60—67，460—467，560—567，660—667 輔助繼電器（M）：100—377（其中300—377斷電保持） 狀態(tài)寄存器（S）：600—647 特殊輔助繼電器（M）：70，71，72，73，76，77等16個 3.3 YM3150E型滾齒機的硬件系統(tǒng)設計 通過對YM3150E型滾齒機功能實現分析后，可以得到要它的外部需要的控制圖，需要的開關和繼電器，并對這些開關和繼電器進行必要的編號，以有效的表示它們，增強可讀性，下面是對相關的硬件的編號J及相關的硬件接線圖如圖1： X0：SB1主電機起動按鈕； X1：SB2主電機停止按鈕； X2：SB3軸向快速反轉點動按鈕； X3：SB4軸向快速電機正轉點動按鈕； X4：SQ0電箱門壓動行程開關； X5：SQ1軸向行程開關； X6，X 10：SQ2，SQ4軸向超行程保護開關； X7：SQ3軸向快速移動手柄壓動式行程開關； X11，X12：SQ5，SQ6傳動箱門壓動式行程開關； X13：SQ7切向行程開關； X14，X15：SQ8，SQ9切向超行程保護開關； X 16：SA1液壓泵電機起動操作開關； X17：SA6主電機起動與點動切換開關； X20：SA3主電機正反轉切換開關； X21：SA5冷卻液電機起動開關； X22：SA4徑向快速移動刀開關； X23：SA2照明電源開關； X24：K1水銀繼電器觸點； Y0：KM1液壓泵電機接觸器線圈； Y1：KM2主電機正轉接觸器線圈； Y2：KM3主電機反轉接觸器線圈； Y3：KM4冷卻電機接觸器線圈； Y4：KM5軸向快速移動電機正轉接觸器線圈； Y5：KM6軸向快速移動電機反轉接觸器線圈； Y6：YA1徑向移動油缸電磁換向閥電磁鐵線圈； Y7：YA2平衡油缸電磁換向閥電磁鐵線圈； Y10：照明電源輸出端。 圖 1 在這些開關SB1—SB4屬于按鈕開關，SQ0—SQ9屬于限位（行程）開關，SA1—SA6是表示控制開關。在這些開關當中限位開關是起保護作用的，如SQ8，SQ9切向超行程保護開關，SQ2，SQ4軸向超行程保護開關。如由上圖可以看出來PLC的外部接線圖，當PLC的控制邏輯程序寫入后，就可以進行測試的，下面我們就開始進行軟件系統(tǒng)的設計，它是實現外部硬件的邏輯，所以是非常重要的，只有設計的合理，才能保證機器的正常運行。 4軟件系統(tǒng)的設計 4.1 PLC程序設計的相關指令 1.微分指令（PLS/PLF） （1）PLS（上升沿微分指令） 在輸入信號上升沿產生一個掃描周期的脈沖輸出。 （2）PLF（下降沿微分指令） 在輸入信號下降沿產生一個掃描周期的脈沖輸出。 PLS、PLF指令的使用說明： 1）PLS、PLF指令的目標元件為Y和M； 2）使用PLS時，僅在驅動輸入為ON后的一個掃描周期內目標元件ON；使用PLF指令時只是利用輸入信號的下降沿驅動，其它與PLS相同。 2.主控指令（MC/MCR） （1）MC（主控指令） 用于公共串聯(lián)觸點的連接。執(zhí)行MC后，左母線 MC觸點的后面 （2）MCR（主控復位指令） 它是MC指令的復位指令，即利用MCR指令恢復原左母線的位置。 在編程時常會出現這樣的情況，多個線圈同時受一個或一組觸點控制，如果在每個線圈的控制電路中都串入同樣的觸點，將占用很多存儲單元，使用主控指令就可以解決這一問題。利用MC N0 M100實現左母線右移，使Y0、Y1都在X0的控制之下，其中N0表示嵌套等級，在無嵌套結構中N0的使用次數無限制；利用MCR N0恢復到原左母線狀態(tài)。如果X0斷開則會跳過MC、MCR之間的指令向下執(zhí)行。 MC、MCR指令的使用說明： （1）MC、MCR指令的目標元件為Y和M，但不能用特殊輔助繼電器。MC占3個程序步，MCR占2個程序步； （2）主控觸點在梯形圖中與一般觸點垂直。主控觸點是與左母線相連的常開觸點，是控制一組電路的總開關。與主控觸點相連的觸點必須用LD或LDI指令。 （3）MC指令的輸入觸點斷開時，在MC和MCR之內的積算定時器、計數器、用復位/置位指令驅動的元件保持其之前的狀態(tài)不變。非積算定時器和計數器，用OUT指令驅動的元件將復位。 （4）在一個MC指令區(qū)內若再使用MC指令稱為嵌套。嵌套級數最多為8級，編號按N0→N1→N2→N3→N4→N5→N6→N7順序增大，每級的返回用對應的MCR指令，從編號大的嵌套級開始復位。 34 3.堆棧指令（MPS/MRD/MPP） 堆棧指令是FX系列中新增的基本指令，用于多重輸出電路，為編程帶來便利。在FX系列PLC中有11個存儲單元，它們專門用來存儲程序運算的中間結果，被稱為棧存儲器。 （1）MPS（進棧指令） 將運算結果送入棧存儲器的第一段，同時將先前送入的數據依次移到棧的下一段。 （2）MRD（讀棧指令） 將棧存儲器的第一段數據（最后進棧的數據）讀出且該數據繼續(xù)保存在棧存儲器的第一段，棧內的數據不發(fā)生移動。 （3）MPP（出棧指令） 將棧存儲器的第一段數據（最后進棧的數據）讀出且該數據從棧中消失，同時將棧中其它數據依次上移。 堆棧指令的使用說明： 1）堆棧指令沒有目標元件； 2）MPS和MPP必須配對使用； 3）由于棧存儲單元只有11個，所以棧的層次最多11層。 4.邏輯反、空操作與結束指令（INV/NOP/END） （1）INV（反指令） 執(zhí)行該指令后將原來的運算結果取反。使用時應注意INV不能象指令表的LD、LDI、LDP、LDF那樣與母線連接，也不能象指令表中的OR、ORI、ORP、ORF指令那樣單獨使用。 （2）NOP（空操作指令） 不執(zhí)行操作，但占一個程序步。執(zhí)行NOP時并不做任何事，有時可用NOP指令短接某些觸點或用NOP指令將不要的指令覆蓋。當PLC執(zhí)行了清除用戶存儲器操作后，用戶存儲器的內容全部變?yōu)榭詹僮髦噶睢? （3）END（結束指令） 表示程序結束。若程序的最后不寫END指令，則PLC不管實際用戶程序多長，都從用戶程序存儲器的第一步執(zhí)行到最后一步；若有END指令，當掃描到END時，則結束執(zhí)行程序，這樣可以縮短掃描周期。在程序調試時，可在程序中插入若干END指令，將程序劃分若干段，在確定前面程序段無誤后，依次刪除END指令，直至調試結束。 4.2根據控制要求繪制梯形圖 該控制系統(tǒng)分別控制著四臺電機（主電機，冷卻電機，液壓泵電機，軸向快速移動電機）和兩個油缸（徑向移動油缸，平衡油缸）的動作過程，當電箱門關閉之后SQ0被壓動即X4閉合，此時機床才能起動，以確保安全。合上操作開關SA1即X16閉合則液壓泵電機起動，當達到一定油壓之后水銀繼電器觸點動作即X24閉合，機床充分潤滑。當確定傳動箱門閉合即SQ5、SQ6閉合后，按動SB1即X0閉合主電機起動，這是才能順利啟動主電機，此時的主電機是正傳的。主電機正反轉由操作開關SA3即X20進行轉換，當SA3斷開時常閉觸點閉合，常開觸點打開，這時接通正轉控制線路；當SA3閉合時即X20常開觸點閉合，常閉觸點斷開，接通反轉控制線路。當操作開關SA6閉合時即X17常閉觸點斷開，按動SB1可實現主電機的點動控制。在主電機起動以后，合上SA5即X2l閉合使冷卻電機起動。當機床操作手柄轉到刀架快速移動位置時SQ3被壓動即X7閉合．為軸向快速電機起動做準備。按下SB3即X2閉合，使KM6得電，刀架快速向上移動；按下SB4即X3閉合，使KM5和YA2得電，刀架向下快速移動。當操作開關SA4即X22合上時YA1得電，工作臺徑向快速進給。按下SA2照明燈開關就可以打開照明燈，這個必須是在機器啟動后才行。 根據上面的功能描述，可以畫出如圖2 所示的梯形圖來，這個圖表示了電機啟動順序及工作的內在邏輯和條件。我主要講講延時繼電器和MCR指令在這個梯形圖的重要作用，啟動主電機前，先要關閉電箱門，啟動液壓泵電機，當液壓達到一定的壓力值后，水銀繼電器觸點動作即X24閉合，但閉合后不能立即可以啟動主電機，延時一段時間后，等液壓保持穩(wěn)定后，才允許主電機啟動，這就是延時繼電器在這里起到的作用。而關于MCR指令是在多個線圈同時受一個或一組觸點控制，如果在每個線圈的控制電路中都串入同樣的觸點，將占用很多存儲單元，使用主控指令就可以解決這一問題。當M1中間繼電器閉合以后，就可以啟動MC和MCR中間的這塊程序的，MC指令是讓主母線右移，而MCR是讓主母線左移，M1繼電器作為快程序運行的先覺條件。 圖 2 5結束語 本文利用PLC對YM3150E精密型滾齒機進行改造，使得機器的的操作更簡單，靈活，更是方便維修，發(fā)揮出了PLC控制系統(tǒng)的運行可靠，控制靈活的優(yōu)點。在改進的過程中，需要對機器進行整體的了解，特別是它的工作原理和流程，考慮得到操作的安全性和可靠性，設計PLC控制系統(tǒng)就必須謹慎。 小結 在指導老師張高峰副教授的精心輔導下，經過近一個學期的努力，基本完成了此次畢業(yè)設計的任務。 通過這個過程，對大學四年所學的專業(yè)知識和各項技能都有了一個重新的認識，是一個階段性提高自我的過程，從中，也不斷發(fā)現自己在專業(yè)知識和創(chuàng)新思維方面的不足，達到改進的目的。 在整個畢業(yè)設計的過程中，經常性的查閱各種資料和文獻，經常碰到一些以前未遇到的問題，都促使我反復思考探究，或者向人請教，學到了不少的知識。特別是對本課題的相關知識，有了更深層次的理解和消化，在電氣控制技術方面有了顯著的提升。 在此感謝我的指導老師和幫助我的老師們！ 致 謝 經過幾個月的努力，畢業(yè)設計接近了尾聲，也意味著我大學四年的生活接近了尾聲?；仡欉@幾年的學習，感慨頗深，收獲頗多。 在此我首先要衷心的感謝我的指導老師張高峰副教授。正是他的諄諄教誨使我完成了我的畢業(yè)設計。從課題的選題、開展到論文的撰寫、結稿，自始至終都得到了張高峰老師的悉心指導與熱情幫助。他淵博的學識，嚴謹的學風，勤勉的工作態(tài)度，誨人不倦的高尚品格給我留下的深刻的印象，我相信這段經歷必將對我日后的工作生活起到良好的促進作用。 同時，感謝學校給予我的培養(yǎng)，使我在走入社會前有了一個立身的平臺。 再次，我要感謝我的父母，沒有他們的支持，我便沒有今天的成就，是他們辛勤的勞動使我有了在湘潭大學深造的機會。 最后，我還要謝謝我的大學同窗們，大學能認識你們，是我人生的一筆寶貴的財富。你們平時和我一起討論關于學習的點點滴滴，使我有了更大的進步。 興湘學院 06級機械設計制造及其自動化一班 李增 參考文獻 ［1］ 熊葵容. 電器邏輯控制技術[M].科學技術出版社，1999 ［2］ 廖常初.可編程控制器應用技術[M].重啟大學出版社，1996 ［3］ 黃義源.機械設備電器與數字控制[M].中央廣播電視大學出版社，1993 ［4］ 鄭鳳翼，鄭丹丹，趙春江. 梯形圖和語句表.人民郵電出版社，2006.5 ［5］ 王阿根.電氣可編程控制原理與應用.清華大學出版社，2007.4 ［6］ 張高峰，陳資濱.YM3150E精密滾齒機的PLC的改造.計算機PLC應用機床電器 2002 NO.3 ［7］ 王少江，侯力，匡紅. 滾齒機控制系統(tǒng)的數控化研究. 機床與液壓，2009，37（7） ［8］ 張鳳友. 滾齒機微機控制系統(tǒng)設計[學位論文] 1998 ［9］ 趙曉運，鄭勝利. YM3150E型滾齒機的控制系統(tǒng)的PC改造. 河南機電高等?？茖W校學報 2006，14（5） ［10］ 任延明，侯力，趙學玲，舒暢. 基于PLC的滾齒機控制系統(tǒng)設計的研究. 機械 2008，35（4） 附錄一 PLC的程序： LD X4 OUT M0 LD M0 AND X16 OUT Y0 LD X24 MC M0 M1 OUT M1 OUT T1 K50 LD M1 MPS LD X0 AND X11 AND X12 LD Y1 OR Y2 ANI X17 ORB ANB AND T1 ANI X1 ANI X5 ANI X6 ANI X10 ANI X13 ANI M3 OUT M2 MRD AND M2 ANI X20 ANI Y2 OUT Y1 MRD AND M2 ANI Y1 OUT Y2 MRD AND M2 AND X21 OUT Y3 MRD LD X14 OR X15 ANB OUT M3 AND X7 ANI X15 ANI X6 ANI X2 ANI X3 ANI Y4 OUT Y5 MRD AND X7 ANI X14 ANI X10 ANI X2 ANI X3 ANI Y5 OUT Y4 MRD AND X22 OUT Y6 MRD AND Y4 OUT Y7 MPP AND X23 OUT Y10 MCR M0 END 附錄二外文文獻翻譯 硬質合金刀加工合金718時刀具磨損建模 J. Lorentzon _, N. Ja¨rvstra? t 關鍵詞：刀具磨損 有限元 鉻鎳鐵合金718 摩擦 建模 概述 刀具磨損是在鎳基高溫合金車削時的問題，因此它是理解和定量預測刀具磨損和刀具壽命的重要的依據。本文的實驗證明工具磨損模型并已用商業(yè)有限元（FE）的代碼來預測刀具磨損。該工具幾何是逐步形成的有限元模擬芯片的更新，以捕捉到穿概況，壓力，溫度和相對速度的不斷演進，以適應幾何中的變化。對不同的摩擦和磨損模型進行了分析，以及它們對預測磨損配置的影響進行評估。分析表明，一個更先進的摩擦模型比庫侖摩擦是更重要的，以便獲得準確的預測磨損，大大提高了速度的預測精度，從而對模擬磨損產生重大影響。實驗取得了一致的硬質合金刀具加工鋁合金718磨損模擬。 1介紹 鎳基高溫合金，在航空航天工業(yè)中使用的最多的材料，機器。這些合金是在高溫高強度下進行機械加工的，從而涉及部隊使用，大大超出了鋼鐵加工發(fā)現的強度。此外，接觸長度較短，這就會在工具芯片接口引起變形。加工硬化，可高達百分之30 ，遇到的另一個問題是這些合金加工時，因為這可能導致在側翼面對嚴重的刀具磨損。低鎳引起高溫合金的熱導率是另一個問題，通過溫度的測量，表明溫度比鋼高。 在該芯片接口的高應力，加工硬化和高溫加工的鎳合金所有參與有助于提高刀具磨損。因此，必須要了解的磨損過程，以預測磨損率，提高刀具壽命。在過去，試驗方法一直是主要方式。現在，數值方法的不斷發(fā)展，如有限元法（FEM）以及更強大的計算機實現，如切削過程仿真的復雜的接觸問題。 有限元法已被證明是一個芯片的形成過程分析和預測過程變量，如溫度的有效方法，力量，強度等等，因此，其模擬的使用大大增加，在過去十年中，熱力耦合仿真切屑形成過程一直被許多學者關注，如麥金利和莫納漢等等。近來，對刀具磨損的演變進行了模擬，也通過實施磨損率方程，在有限元軟件上應用。該方法已使用于鋼鐵，計算磨損率預測，從切割變量，和更新的工具移動節(jié)點的幾何形狀。取得了相當好的準確性，該方法可以作為最先進的造型加工看待。 不過，這種刀具磨損模擬加工鎳基高溫合金的做法表明，特別是在周圍的工具提示區(qū)域模擬和測量幾何之間的差距相當大。因此，需要更多的工作，使精確的刀具磨損模擬。要做到這一點不好做，要同時與建模工具磨損，并在芯片界面摩擦，因為這些現象是密切相關。摩擦應力正應力成正比。然而，摩擦壓力是有限的，當正應力比剪應力較大的流動狀態(tài)。這是在周圍的工具提示，其中實際接觸面積接近名義接觸面積區(qū)域的情況并變量摩擦模型使用，以獲取有限元模擬更準確的結果。這在以前沒有考慮刀具磨損模擬，那里的摩擦系數在模型的剪切工具界面摩擦片或由庫侖摩擦力一直不斷形成。 1.1.目標 這項工作的總體目標是建立一個有限元工具磨損模型，可以預測在硬質合金刀具加工鎳基合金的磨損幾何定量。為了實現這一目標，不同的磨損和摩擦模型的影響磨損過程參數，如溫度和相對速度，一直在調查和預測工具的磨損幾何使用。具體來說，在這里分為摩擦和磨損（2.1.4節(jié)中更詳細地描述和2.2）。 1.1.1磨損 W1.Usui的經驗磨損率模型[14-16]，這是一個接觸壓力，相對速度和絕對溫度的函數; W2.對于Usui的模型，第二組的參數給予不同的溫度進行了研究; W3.磨損率包括絕對溫度功能的依賴; W4. Usui磨損率修正模型，包括相對速度指數; W5.振動調整Usui模型，其中一個常數項被添加到相對速度的振動，這是芯片中不存在形成的模型而造成的。 1.1.2.摩擦 F1庫侖摩擦力模型，其中指出，摩擦力與接觸壓力是成正比的; F2 剪切摩擦模型，其中指出，摩擦力是一小部分的等效壓力; F3 兩種不同的庫侖摩擦系數,是尖端減少對前刀面摩擦形成的. 2.刀具磨損模型 該工具磨損模型由一個有限元模型和切屑形成磨損模型計算接觸點的磨損率，進而相應地修改工具的幾何形狀。 2.1.芯片形成模式 切屑形成的有限元模型是使用商業(yè)軟件MSC。使用更新的拉格朗日表述。這意味著該材料是附加到網格與定期重構，以避免內容失真。在切割過程需要熱力耦合分析，因為機械的工作轉化為熱能，造成熱壓力影響材料的特性。兩種類型的熱，假設通常用于機械切削模擬，即完全耦合絕熱加熱和熱機械計算。在這項工作中的耦合，交錯，模型已被使用。這意味著，首先是遞增傳熱，其次是應力分析，增量的時間設置為1.5毫秒。準靜態(tài)分析的使用，這意味著theheat分析是短暫的，而忽略了力學分析與慣性力靜。 2.1.1.尺寸 在仿真模型中使用的工件的尺寸為5mm長度0.5mm的高度，并在仿真模型所使用的工具是2毫米長，2毫米高，其尖端半徑設置為16毫米測量后角和前角61 01，切割速度為0.75米/秒 2.1.2．網格 工件的網狀圖中可以看出該網格調整技術，他使用了前四推進。網格創(chuàng)造 沿給定的輪廓邊界和邊界單元網格創(chuàng)作開始繼續(xù)向內，直到整個地區(qū)都有網狀。所用的元素的數量約為6000元，最低為2毫米集大小。圖中可見。用細網在周圍的物質分離的工具提示。該工具中網狀分子大約有5000個，最小的元素是2毫米大小。 2.1.3．材料特性 一般來說，應變程度，應變速率，溫度各有一對材料流動應力強的影響力。因此，有必要在材料中使用捕獲模型，以便正確地預測芯片的形成。在這里，忽略了在1 / s的104 / s時，室溫為[18]和102之間幾乎為零/ s和105 / 300集成電路s時）應變率的依賴性，一率略有（約10％獨立分段線性塑性模型使用。相反，流動應力曲線后[18高應變率（104 / s）的使用]，見圖2。該流動應力溫度趨勢摘自[20]。其他工件材料性能使用可以在圖3看到。 對未涂層硬質合金刀具的材料特性被認為是不受溫度，并在表1中列出 2.1.4.在工具摩擦片接口 在這項工作中，使用三個不同的摩擦。在每一種情況下，摩擦系數進行了標定，以5％以內的相關模擬和測量力量。該進給力是摩擦力力量之和。但是，在我們遇到的尖端半徑相比很小，影響進給速度限制，因此摩擦提供了相當大的一部分進給力。使用的模型是： F1：在庫侖摩擦力模型指出，摩擦力是成正比的接觸壓力，通過摩擦系數。摩擦系數設置為1.0： （1） F2：剪切摩擦模型，其中指出，摩擦力是一個等效壓力。（2）.摩擦系數m，設置為1.1： （2） F3：作為新一代的庫侖摩擦力模型，但這里有兩個不同的摩擦系數，芯片接口。在前刀面，那里的接觸壓力是非常高的高于1000MPa，摩擦系數設置為0.75。在其他地方的摩擦系數設置為1.1。這方面的一個原則是在圖.4。該模型是物理學家佐列夫在高正應力摩擦下等到的。 2.1.5.產生的熱量 在加工過程中產生的摩擦熱和塑性變形。具體的體積通量由于塑性功率給予 在這里，_Wp是塑料的工作速度，r是密度和f是工作的一小部分塑料轉化為熱量，這時設置為1轉換。嚴格來說，這是不正確的，因為有些工作是存在塑膠材料儲存，但儲存的相對比例是未知的，因為這么大變形的塑料儲存工作的一小部分被忽略。產生的熱率因摩擦是由下式給予 在這里，Ffr是摩擦力和VR是相對滑動速度。 在因摩擦產生的熱量是同樣的兩個接觸到分發(fā)機構。這些熱量是從工件轉移，由于對流和傳導對環(huán)境輻射的忽視。在傳熱之間的工具和工件接觸系數設置為1000kW/m2k，而根據菲利斯等允許數值之間的數據和實驗證據可以獲得令人滿意的結果，但應該指出，這是對另一種材料組合使用的。在該工具的外部邊界的溫度定為室溫。 2.2.磨損模型 可切割磨損率模型進一步修改后的測試： W1：經驗式的磨損率模型公式（5）模型作為接觸壓力，相對速度，vrel和絕對溫度T功能的磨損率： W2：一種不同的測試參數設置也是為了調查的溫度依賴性的影響。 W3：磨損率模型公式（6）能夠占主導擴散磨損在較高的溫度。模型是在絕對溫度，T，以及常數分別為D，這是一個材料常數，活化能和R（8.314千焦耳/摩爾K）的玻爾茲曼常數： W4：通過添加改變性能相對速度的指數式的磨損率模型公式（4）： W5：振動調整Usui的磨損率式。 （4）;一常數項被添加到相對速度的振動其中不包含芯片的形成模型： 2.2.1.磨損模型常數 第一測定模型常數，對工具磨損選定的材料進行加工試驗，然后根據有限元模擬，同樣的條件，最后的磨損率計算模型的常數，通過回歸分析，給。這次B參數值也用在這里，雖然在芯片的摩擦系數不同，形成的模式，會因為它現在就校準而補償。基于這個原因，一個參數進行了調整，以使在相同的實驗中。用同樣的方法來校準的A，D，A0和型號為W1的磨損，W2，W3，W4和W5號A00。校準參數列于表2和3。在W3的方程式（6），E被設定為75.35千焦耳/摩爾。 3.分析步驟 車削操作，相對于溫度和力量靜止狀態(tài)，一般將會在滲入工件和隨后的芯片形成初期短暫進入高溫。這時對該工具的磨損進度預測會被忽視。相反，刀具磨損的預測，是基于固定切屑形成條件，并通過刀具磨損預測的。第一步是固定的，因此是計算芯片的條件。最后，通過對磨損模型中被激活的芯片形成過程分析和計算刀具磨損的進展。 3.1.切屑形成 為了達到在有限元模擬芯片形成固定的條件下使用拉格朗日方法，整個對象在形成模擬芯片上要執(zhí)行，必須存在并且從模擬網狀開始。因而為達到穩(wěn)定狀態(tài)下將計算進行[26]瞬態(tài)分析。幸運的是，通過降低熱容量的工具，它可以更快地達到平衡，在我們的例子中，這是1500年后獲得約遞增，見圖. 5。 此時，降低熱容量的原因是參加了較長時間的作用。計算熱增量相同比例的效果比機械的增加，這可以看式（5）。請注意，左邊在穩(wěn)態(tài)消失，而增加了變化的速度，達到穩(wěn)態(tài)條件： 在這里，T是溫度，k是熱導率，r是密度和CP是散熱能力。 3.2.刀具磨損 該工具磨損模型由一個有限元模型和切屑形成磨損模型作為子程序計算接觸點的磨損率，相應地修改工具幾何實施。磨損率的計算使用的每一個與母材接觸工具節(jié)點Usui的經驗磨損模型。為了做到這一點，溫度，相對速度，并在接觸應力的有限元芯片在與工件接觸工具的所有節(jié)點形成的模擬計算獲得計算值，然后受聘于用戶子程序來計算磨損率，見圖.6。通過計算磨損率，分析該工具的幾何形狀，然后更新移動芯片中的有限元仿真工具形成特定節(jié)點，請參閱[5]。一個節(jié)點的移動方向是基于在該節(jié)點接觸壓力的方向。移動節(jié)點后，所有的結合點的數據映射到新的融合點位置和切屑形成繼續(xù)模擬，通過工作物質滲透工具。更新工具的幾何扭曲組成部分。為了避免這種情況，該工具會自動網格，使用四方面推進再劃分技術，再規(guī)定頻率。 磨損計算是1800年開始增加，見圖.5，在穩(wěn)態(tài)方面都包括力和溫度。磨損計算分為1200增量，每個幾何工具更新。使用較少的增量將導致收斂問題和數值錯誤，但是使用更多的增量，會增加不必要地計算時間。磨損計算大約相當于15秒的無潤滑加工，造成約65毫米的后刀面磨損和約5.3毫米刀面深的痕跡。因此，加