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旋轉(zhuǎn)彎曲軸承的微加工
H.P.Luo, B.Zhang, Z.X.Zhou
湖南大學(xué)，湖南，中國
美國康涅狄格大學(xué)，CT，美國
摘要
本研究方案提出了一種新型的以研究旋轉(zhuǎn)彎曲軸承為基礎(chǔ)的彈性彎曲的設(shè)計方法。軸承在一個完整的旋轉(zhuǎn)振蕩周期里具有潛在的高重復(fù)性流暢的運動、無機械磨損、無需潤滑、沒有間隙或接口、無需維護的特點。除了其緊湊的特點外，該研究還從其結(jié)構(gòu)特點和彎曲軸承的基本工作原則對軸承的各個方面，包括材料的選擇、應(yīng)力分析和計算（如非線性有限元分析、靜態(tài)和疲勞強度設(shè)計）、運動誤差分析、誤差減少方案、參數(shù)化設(shè)計等提供了設(shè)計分析。
關(guān)鍵詞：主軸、有限元方法、旋轉(zhuǎn)彎曲軸承。
1. 緒論
特征尺寸小的工業(yè)產(chǎn)品正變得更為重要。這些產(chǎn)品分布在許多行業(yè)，包括機床、汽車、醫(yī)藥、電子、光學(xué)、制藥和通信。這些可以是微型機器（M-機器）或微型設(shè)備（M-設(shè)備），它們通常具有體積小、重量輕、高能量轉(zhuǎn)換效率和低能耗消耗、快速響應(yīng)、高可靠性、低成本、高集成度、高智力水平的特點。典型的例子有M機床、M機器人、M飛機、M潛艇、M、M醫(yī)療設(shè)備、M衛(wèi)星、M齒輪、M泵、M閥、M傳感器和M驅(qū)動器。大部分微型機械設(shè)備都具有的一個共同特點是：其結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，往往是三維的而它們的尺寸也越來越小，這對它們的生產(chǎn)問題是一個非常大的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的MEMS和LIGA技術(shù)已被廣泛應(yīng)用在2-D和2.5-D的微型制造中，然而，它們不能提供3-D的微型制造能力，因此一個重要的和富有挑戰(zhàn)性的研究課題是能夠用3-D的微型制造技術(shù)把微型機器設(shè)計或微型設(shè)備達(dá)到納米級精度的水平。
這項研究提出了一種新穎的旋轉(zhuǎn)彎曲軸承能夠?qū)崿F(xiàn)高轉(zhuǎn)速/振蕩運動精度的設(shè)計方法。這軸承是針對微型制造精密計量的使用，如M-EDM、M-ECM、超聲波M-加工、激光M-加工、三坐標(biāo)測量機。軸承的設(shè)計是以彎曲機制為原則的，通過彈性變形的彈性彎曲實現(xiàn)一個周期的旋轉(zhuǎn)/小值振蕩運動。
2. 擬議的旋轉(zhuǎn)彎曲軸承
圖1顯示了一個旋轉(zhuǎn)彎曲軸承示意圖，它有三個軸承部分并配置了一個微型的主軸單元。軸承有內(nèi)部和外部的軸承籠，軸承軸耦合連接到一個微型的伺服電機（外部電源）。軸承引導(dǎo)軸承軸旋轉(zhuǎn)/小值振蕩運動期望獲得非常高的準(zhǔn)確性。整個設(shè)計的尺寸緊湊，沒有任何冗余。利用耦合可以最大限度地減少錯誤扭矩的傳輸并避免造成軸承軸和伺服電機軸之間的可能不對稱以及振蕩或伺服電機的運動誤差，這樣一來軸承的旋轉(zhuǎn)/小值振蕩的精度都能夠得以保證。
2.1 一般的設(shè)計方法
軸承必須滿足以下的要求：
1. 應(yīng)該能夠完成一個完整的旋轉(zhuǎn)/振蕩運動周期；
2. 必須具有足夠的強度和較長時間的疲勞壽命；
3. 具備納米級旋轉(zhuǎn)運動精度的水平或更好；
4. 結(jié)構(gòu)緊湊，以適應(yīng)各種微型機器或設(shè)備的有限空間。
在擬議的設(shè)計中，內(nèi)部和外部的軸承籠嵌套連接在一端（圖1左端）。
圖1 微型主軸軸承配置的示意圖
雖然軸承可以作為一個單一的沒有任何接縫的結(jié)構(gòu)設(shè)計，擬議的兩片設(shè)計純粹是基于制造角度考慮的，因為單片的設(shè)計制造是極其困難的。在圓周方向，軸對稱安排在內(nèi)部和外部的籠子里軸承的彈性彎曲是靈活的，但在其他方向就會變得比較僵硬。可以得到360°（一個完整的周期）或者更大的旋轉(zhuǎn)/振蕩運動，如果取一個較大的角位移（如＞360°）則需要添加更多軸承部分的設(shè)計，但這樣會使軸承更長剛性變差。否則，軸承具有緊湊的結(jié)果和相對較高的剛性強度的設(shè)計。
應(yīng)當(dāng)指出，從理論上說軸承應(yīng)無運動誤差。實際上，運動誤差會因為軸承制造和裝配過程中所涉及的各種誤差而產(chǎn)生，它也可因軸承的材料缺陷而引起。因此因根據(jù)以下考慮軸承的設(shè)計：
2.1.1使用直彎曲軸承
相比其他類型的彎曲軸承，直彎曲軸承具有一定的優(yōu)勢，例如它的彎曲應(yīng)力分布在整個彎曲軸承中而不是遵守集中在一定壓力條件下。直彎曲軸承能夠有效的抑制應(yīng)力集中，同時這反過來又提供了更多的在材料疲勞極限的合規(guī)性和更長的疲勞壽命。此外，直彎曲軸承厚度小，但在旋轉(zhuǎn)方向和其他方向剛度較高時具有更大的靈活性。
2.1.2使用對稱軸承
在減少或消除軸承誤差上對稱設(shè)計是一個非常有效的設(shè)計手段。在本設(shè)計中，相同的彈性彎曲軸對稱排列并均勻分布在軸承上，這樣將有助于抑制徑向、軸向和傾斜方向的運動誤差周長。同時，這種軸承對工作環(huán)境的溫度的上升是不敏感的，這是因為由于熱膨脹誤差傾向于相互抵消。此外，軸對稱設(shè)計在很大程度上簡化了軸承的制造，它也有利于提供因制造工藝的誤差而導(dǎo)致幾何誤差的補償，這也有助于提高軸承的整體性能。
2.1.3偶數(shù)特性的彈性彎曲
事實上完美的軸對稱彈性彎曲是不切實際的，由于在制造和裝備過程期間存在抗彎承載力的幾何誤差。對稱分布的彈性彎曲中的任何誤差都可能會導(dǎo)致軸承的運動誤差。為了盡量減少在制造和裝配過程中的幾何誤差，一個很好的方法是使用偶數(shù)在軸承的彈性彎曲設(shè)計中。利用機器的彈性彎曲而采用電火花加工（線切割機床），例如兩個對立的彎曲可以同時削減，同時加工兩個對立的彎曲軸承，不僅最大限度地減少了兩者之間的彎曲幾何差異，但也放寬了對整個軸承的加工公差。
圖2 軸承的縮頸現(xiàn)象
2.1.4 多個系列的復(fù)合軸承部分
一個完整的旋轉(zhuǎn)周期，軸承至少需要360°角位移。因此這不可能是一個單節(jié)軸承實現(xiàn)一個這樣打的撓度，這是因為一個單一的軸承部分撓度可能會隨著彈性彎曲的壓力而增大，這會造成永久性的塑性變形甚至斷裂。也可能導(dǎo)致超過偏轉(zhuǎn)所謂的“縮頸”和“交叉干擾”的現(xiàn)象，如圖2所示。為了獲得一個大的振蕩范圍如果有這樣的問題的話應(yīng)使用多個系列的復(fù)合軸承設(shè)計。
2.1.5 軸承籠嵌套設(shè)計
軸承采用圓周方向的彎曲變形以實現(xiàn)其旋轉(zhuǎn)運動，如果受到扭矩軸承部分不得不減少其長度。長度的減少直接導(dǎo)致軸向運動誤差，為了減小或消除這種誤差建議采用軸承籠嵌套設(shè)計。在這個設(shè)計中，內(nèi)部的軸承保持架插入類似長的外軸承籠中并連接到外部的軸承保持架一端。當(dāng)它受到外部扭矩時，如果外軸承籠的另一端是固定的，則自由端（圖3右側(cè)端）內(nèi)的軸承保持架將很少甚至沒有軸向運動誤差。這是因為軸向誤差能有效地補償外軸承籠內(nèi)的軸承保持架的運動誤差。
在嵌套和軸對稱設(shè)計中，由于軸承材料的熱膨脹可以有效的補償運動誤差，這是因為如果軸承的溫度場均勻膨脹其內(nèi)部和外部的軸承籠將有一個在徑向和軸向方向暴露。此外，嵌套設(shè)計不僅有效提高了軸承的振蕩區(qū)間，也降低了其整體尺寸使結(jié)構(gòu)更為緊湊。
2.1.6 邊角圓角
在連接軸承部分的彈性彎曲的邊角圓角應(yīng)妥善設(shè)計，一盡量減少應(yīng)力集中從而提高軸承的疲勞壽命。出了上述考慮外，軸承的設(shè)計還包括材料的選擇；強度分析和計算（靜態(tài)和疲勞因素）；分析和減少徑向、軸向和傾斜方向的運動誤差；剛度分析和計算等。
2.2 材料的選擇
由于軸承實現(xiàn)其旋轉(zhuǎn)/振蕩運動是根據(jù)其圓周排列的彈性彎曲變形，這是受到循環(huán)應(yīng)力條件限制的。在選擇軸承材料時，疲勞強度和靈活性是首要考慮的。軸承的尺寸必須緊湊，以盡量減少引力的作用和以滿足M機器和M設(shè)備的應(yīng)用要求。材料的選擇都應(yīng)考慮以下的情況：
1. 高的靜態(tài)強度。為了實現(xiàn)軸承的彈性彎曲變形最大，軸承材料應(yīng)有一個大的彈性模量，屈服強度比盡可能大，這被認(rèn)為是對材料最重要的要求。
2. 材料密度低。軸承材料的密度應(yīng)該盡可能低，以盡量減少偏轉(zhuǎn)引力能使軸承軸彎曲，從而產(chǎn)生運動誤差。
3. 高的彈性模量。有一個良好的動態(tài)性能，軸承必須具有高彈性模量和低質(zhì)量密度相結(jié)合。
4. 良好的可加工性。軸承材料必須易于加工，加工軸承應(yīng)具備良好的表面光潔度、表面完整性和三維精度。
圖3 嵌套的內(nèi)部和外部的籠設(shè)計，有效降低軸承的軸向誤差
5. 疲勞強度高。疲勞強度高，容許軸承在一個循環(huán)加載條件下具有長的軸承壽命。
6. 具有長期的穩(wěn)定性。材料應(yīng)該能在各種環(huán)境條件下有一個長期穩(wěn)定的狀態(tài)，包括在腐蝕性和高溫環(huán)境下它不應(yīng)該有老化和蠕變問題。
基于上述在選材以及材料靜態(tài)和動態(tài)性能上的考慮，下面全面的介紹選材參數(shù)。
（1）
在式（1）中a1和a2是選材的動態(tài)和靜態(tài)性能指標(biāo)；A1和A2是各自的動態(tài)和靜態(tài)性能指標(biāo)加權(quán)因子；E和是材料的彈性模量和質(zhì)量密度，綜合參數(shù)計算值為2400pa/（kg/）。與鈦合金TI-6AL-4V相比，鈹銅為1199，彈簧鋼為370。
在選定的軸承材料中，鈦合金是最具有全面的參數(shù)和耐力極限（與700Mpa的鈦合金相比，鈹銅、彈簧鋼分別為321和490）。此外，這種材料能達(dá)到很到的表面光潔度和尺寸精度，應(yīng)當(dāng)使用電火花的方法加工。鈦合金還具有優(yōu)良的耐腐蝕性，這甚至比不銹鋼還好。因此，基于上述考慮鈦合金被認(rèn)定為最好的軸承材料選擇。
應(yīng)當(dāng)指出，雖然這種鈦合金是一種綜合性能的材料，但是它具有敏感的表面缺陷和應(yīng)力集中（疲勞缺口敏感性或應(yīng)力集中敏感性）。出于這個原因，在軸承制造過程中，彈性彎曲軸承加工表面粗糙度應(yīng)小于Ra2.5微米，邊緣光滑并沒有尖銳的缺口或坑。
2.3 設(shè)計計算
受力分析是軸承優(yōu)先考慮的。軸承不能在其循環(huán)旋轉(zhuǎn)/振蕩過程中出現(xiàn)斷裂，受力分析需要在軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計之前進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力計算。
在設(shè)計計算時，應(yīng)用有限元法（FEM）用在各自的內(nèi)部和外部的軸承籠進(jìn)行分析，軸承籠是由單軸承串行連接形成籠。這樣工作中的有限元計算的計算量會顯著的降低，而不是整個軸承的計算。圖4顯示了一個單獨的軸承承受順時針和逆時針的旋轉(zhuǎn)。在這樣的有限元分析過程中獲得內(nèi)部軸承部分的應(yīng)力分布及最大應(yīng)力點。當(dāng)軸承承受扭矩后會發(fā)生彈性彎曲的變形，由于合并后的彎曲和扭矩的影響軸承會發(fā)生變形。由于徑向的彈性彎曲局限在連接部分，分布在圓周方向的軸承保持架上，它們受到不停的旋轉(zhuǎn)或扭曲而承受張緊力、剪切力和彎曲力，因此受到三個方向的應(yīng)力狀態(tài)。
圖4 受到順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)的軸承部分
2.4非線性有限元分析
由于彎曲軸承在工作過程中會發(fā)生較大的變形，在良好的彈性限度內(nèi)即使實際壓力很小也可能產(chǎn)生幾何非線性問題。在這項研究中，使用ANSYS9.0通過對軸承的有限元計算，在計算中使用位移（在這項研究中主要是角位移）加載方法。對非線性變形問題，使用位移加載方法通常能夠加快計算速度。
2.5軸向誤差的分析和最小化
彎曲軸承的軸向誤差來自兩個不同的來源。第一，也是最主要的軸向誤差來源是由于軸承的彈性運動。當(dāng)軸承給出了一個角位移它的長度會減少，由于整個軸承的角位移，內(nèi)外軸套會有各自的長度減少。雖然兩個軸套的長度減少彼此相抵消，但因為軸承的耦合效應(yīng)，如果兩者不抵消為零的話會發(fā)生軸向誤差運動。幸運的是，這樣的軸向誤差運動的減少或可以通過精心設(shè)計內(nèi)部和外部的軸承套來達(dá)到目的，這樣可以使軸承套在外部負(fù)載條件下長度減少的相同甚至消除。
第二，輕微的軸向傾斜誤差運動也是軸向誤差的一個源頭。任何誤差的傾斜運動，如果放到軸的軸承中都會使它有軸向的誤差運動，但這種影響是次要的可以忽略不計。圖5顯示了一個嵌套單一的內(nèi)/外軸承部分受到外部轉(zhuǎn)矩條件的軸向誤差運動的有限元分析結(jié)果。由于幾何非線性現(xiàn)象，軸向誤差運動是非現(xiàn)性施加的扭矩產(chǎn)生的。
2.6疲勞分析和設(shè)計
因為受到循環(huán)應(yīng)力，因此為了軸承有一個較長的壽命必須在設(shè)計階段考慮軸承的疲勞問題。軸承材料為鈦合金，其S-N曲線不應(yīng)該超出該材料循環(huán)加載條件下的耐力極限。設(shè)計中使用的疲勞安全系數(shù)超過了允許的疲勞安全系數(shù)，這樣可以獲得較大的材料疲勞極限。
軸承的應(yīng)力水平是與角位移成正比的，當(dāng)軸承的應(yīng)力達(dá)到最大值時，其角位移也達(dá)到最大。在單軸、恒定振幅和非對稱循環(huán)應(yīng)力條件下，軸承的彈性彎曲承
圖5 嵌套單一內(nèi)/外的軸承部分受到外部轉(zhuǎn)矩條件的軸向誤差運動
圖6旋轉(zhuǎn)彎曲軸承的裝配
受非對稱循環(huán)三軸復(fù)雜的應(yīng)力。其疲勞安全系數(shù)表示為：
（2）
在公式（2）中被稱為平均應(yīng)力的影響因素，它與循環(huán)應(yīng)力、材料特性、應(yīng)力集中系數(shù)和材料的熱處理方法有關(guān)。它也可以得到材料的脈動循環(huán)疲勞極限的方程為：
（3）
在公式（3）中表示對稱循環(huán)疲勞強度系數(shù)。必須指出的是它受如軸承的軸承套子、材料缺陷和材料的熱處理條件、環(huán)境和負(fù)載條件下的三維表面的完整性和準(zhǔn)確性多種因素的影響。當(dāng)軸承的疲勞強度等于或超過了允許的疲勞安全系數(shù)時，軸承具有較長的軸承壽命，其疲勞安全系數(shù)是。
值得注意的是，使用的軸承材料的疲勞極限理論上是可以允許設(shè)計無限壽命的軸承。但實際上，由于一些原因軸承的壽命可能會受到限制。例如包括軸承材料的疲勞強度可能不完全由循環(huán)應(yīng)力來確定其它的因素，如應(yīng)力狀態(tài)、軸承加工和加工后的條件以及軸承的應(yīng)用環(huán)境，都可能會帶來不確定的因素而影響軸承的壽命。此外，軸承材料的疲勞極限通常是通過THES-N測試獲得的，這是典型的單向軸向載荷條件下進(jìn)行的，但在三軸軸向載荷條件下，S-N曲線的疲勞極限會有所不同。在這樣的考慮下更好的方法來確定軸承的使用壽命應(yīng)該是在實際符合條件下對軸承進(jìn)行實際的測試。
相比無限壽命的軸承設(shè)計，軸承被設(shè)計為不一定有頻繁的周期性振蕩應(yīng)用程序的有限生命的軸承。在設(shè)計中使用耐力極限更高的材料，這可以獲得更緊湊和更好精度的軸承設(shè)計。
3 原型設(shè)計
絲線切割機床用于制造軸承，在制造過程中發(fā)現(xiàn)軸承彎曲撓度的產(chǎn)生往往是由于加工應(yīng)力、加工產(chǎn)生的熱量和火花引起的振蕩而產(chǎn)生的。為了盡量減少在加工過程中的彎曲變形，應(yīng)進(jìn)行專用夾具的設(shè)計和制造。與通用夾具相比，專用夾具工件受純拉伸力是可調(diào)的。圖6顯示了軸承的裝配，它由內(nèi)/外網(wǎng)籠、軸承軸、耦合伺服電機軸承。根據(jù)測量結(jié)果，可獲得長超過150米、厚5毫米尺寸精度的彎曲軸承。此外可獲得整個軸承彎曲小于3毫米的變化，并使得對立雙方彎曲軸承的表面粗糙度Ra小于0.3毫米。
雖然軸承的設(shè)計、制造和裝配都已經(jīng)做好了，但其性能的實驗尚在進(jìn)行。在性能測試中，軸承的徑向、軸向和傾斜方向的誤差運動將被確定。測試結(jié)果將在不久的將來發(fā)表出來。
4總結(jié)和對未來的期望
旋轉(zhuǎn)彎曲軸承已被設(shè)計和制造，軸承有望實現(xiàn)在應(yīng)用程序中的高精度的旋轉(zhuǎn)/振蕩運動的微型制造。表現(xiàn)軸承的特征是一個相當(dāng)艱巨的任務(wù)，今后的工作是表現(xiàn)軸承運動精度的條件，如軸承的徑向、軸向和傾斜誤差的運動、疲勞壽命等?；谶@些特征數(shù)據(jù)，軸承的設(shè)計將在工業(yè)應(yīng)用中得到很大的改善。
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8
XXXX
畢業(yè)設(shè)計說明書
題 目：Y3150E型滾齒機的PLC改造
學(xué) 院： XXXX
專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化
學(xué) 號： XXXX
姓 名： XXXX
指導(dǎo)教師： XXXX
完成日期： 2012年5月27號
XXXX
畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書
論文（設(shè)計）題目： Y3150E型滾齒機PLC系統(tǒng)改造
學(xué)號： XXXX 姓名： XXXX 專業(yè)： 機械設(shè)計制造設(shè)計及其自動化
指導(dǎo)教師： XXXX 系主任： 周友行
一、主要內(nèi)容及基本要求
本課程設(shè)計完成對Y3150E型滾齒機控制系統(tǒng)的PLC改造。主要完成改造系統(tǒng)的PLC硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，并對滾齒機進(jìn)行改造后的試切驗證。需編寫相應(yīng)的設(shè)計說明書，并用二維軟件繪制電氣原理圖、I/O端口電路接線圖、PLC梯形圖。最后還需翻譯一篇外文文獻(xiàn)。
二、重點研究的問題
滾齒機控制系統(tǒng)改造的總體方案設(shè)計以及其硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。
三、進(jìn)度安排
序號
各階段完成的內(nèi)容
完成時間
1
熟悉課題及基礎(chǔ)資料
第一周
2
調(diào)研及收集資料
第二周
3
方案設(shè)計與討論
第三～四周
4
滾齒機PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計
第五～八周
5
滾齒機的電氣原理圖和梯形圖設(shè)計
第九周
6
I/O端口電路接線圖設(shè)計
第十周
7
撰寫說明書
第十一～十三周
8
英文文獻(xiàn)翻譯，答辯
第十四周
四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)
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XXXX
畢業(yè)論文（設(shè)計）鑒定意見
學(xué)號： XXXX 姓名： 劉 志 木 專業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化
畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 50 頁 圖 表 3 張
論文（設(shè)計）題目： Y3150E型滾齒機的PLC改造
內(nèi)容提要：
本課題是利用PLC對原有Y3150E型滾齒機進(jìn)行改造，主要是對其控制系統(tǒng)的改造。由于市場的競爭日趨激烈；產(chǎn)品的更新?lián)Q代也越來越快；對機床的要求也越來越高。因此通過對機械設(shè)備的硬件改造，用多臺伺服電機對各運動部件直接進(jìn)行控制，利用PLC實現(xiàn)各軸的聯(lián)動。利用PLC軟件的特點，根據(jù)加工工件的參數(shù)不同，輸入工件關(guān)鍵的參數(shù)后系統(tǒng)能夠自動實現(xiàn)各軸之間的速度調(diào)節(jié)，無需操作人員進(jìn)行掛輪操作。而且還可以利用傳感器對運動部件的位置進(jìn)行跟蹤和檢測，采用觸摸屏作為人機交換界面，有利于參數(shù)額的輸入和加工過程的檢測。該改造的主要任務(wù)是對加工任精度的提高和操作效率的提高。此外還需利用CAD畫出該改造過程中所用PLC的I/O端口電路接線圖、電氣原理圖、梯形圖等。
指導(dǎo)教師評語
指導(dǎo)教師：
年 月 日
答辯簡要情況及評語
答辯小組組長：
年 月 日
答辯委員會意見
答辯委員會主任：
年 月 日
目錄
摘要……………………………………………………………………………………1
Reconstruction of Y3150E Precision Gear Hobbing Machine by PLC……2
一. 緒論………………………………………………………………………………3
1.1 課題的依據(jù)……………………………………………………………………3
1.2 課題的研究意義………………………………………………………………4
1.3 課題的現(xiàn)狀分析………………………………………………………………4
1.4 PLC簡介………………………………………………………………………5
二.PLC系統(tǒng)總體設(shè)計方案概述……………………………………………………11
2.1傳統(tǒng)滾齒機控制系統(tǒng)的功能與技術(shù)指標(biāo)……………………………………11
2.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計方案………………………………………………………14
三.硬件系統(tǒng)的設(shè)計…………………………………………………………………17
3.1 PLC……………………………………………………………………………17
3.2 伺服系統(tǒng)………………………………………………………………………19
3.3 觸摸屏…………………………………………………………………………20
3. 4 傳感器…………………………………………………………………………21
3. 5 電源電路………………………………………………………………………21
3. 6 硬件連接………………………………………………………………………23
四.軟件系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試…………………………………………………………28
4.1 數(shù)控化改造的電氣要求………………………………………………………29
4.2 I/O點的分配…………………………………………………………………30
4. 3 PLC梯形圖設(shè)計………………………………………………………………32
五.期望與總結(jié)………………………………………………………………………34
致謝…………………………………………………………………………………36
參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………37
附錄1 Y3150E滾齒機相關(guān)技術(shù)參數(shù)………………………………………………38
附錄2 外國文獻(xiàn)翻譯………………………………………………………………39
Y3150E型滾齒機PLC控制系統(tǒng)的改造
摘 要
作為機電一體化重要技術(shù)的可編程序控制器(PLC)產(chǎn)品的集成度越來越高,工作速度越來越快,功能越來越強,使用越來越方便,特別是遠(yuǎn)程通信功能的實現(xiàn),易于實現(xiàn)柔性加工和制造系統(tǒng),使得PLC如虎添翼。本文簡要的介紹了Y3150E型精密滾齒機的控制原理，并利用PLC對滾齒機進(jìn)行改造，設(shè)計PLC控制系統(tǒng)，使?jié)L齒機的控制更加方便。
關(guān)鍵詞：滾齒機，控制系統(tǒng)，機電一體化，PLC
Reconstruction of Y3150E Precision Gear Hobbing Machine by PLC
Abstract
In recent years, as an important technology in Mechatronics, Programmable Logic Controller (PLC) products are more integrated, working faster and faster, more powerful in function, more and more convenient to use, especially in telecommunications function implementation, it is easy to implement flexible processing and manufacturing systems, makes the PLC even more powerful. This article briefly describes Y3150E 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
第1章 緒論
1.1 課題的依據(jù)
本課題依據(jù)于PLC對Y3150E型精密滾齒機控制系統(tǒng)的數(shù)控改造。
原Y3150E型精密滾齒機采用純機械的傳動鏈，傳動精度低、調(diào)整復(fù)雜,無法滿足大批量、多品種、高精度齒輪的加工要求,且機床電氣故障比較突出,有些機床甚至無法使用,如果淘汰了重新購置則投資太大.由于潤滑充分,這些機床的導(dǎo)軌、絲杠、絲母、滑臺及工作臺的渦輪蝸桿等磨損不大,機床機械精度保持較好,具備進(jìn)行改造的基本條件,且改造投資少、見效快。而PLC控制具有通用性強、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點，并采用交流伺服電機對其主軸進(jìn)行控制，原設(shè)備中的一些機械設(shè)備都予以保留，使一些設(shè)備得到了充分利用，節(jié)省了許多資金，屬于改造的基本原則。同時設(shè)備的操作靈敏度，控制要求都達(dá)到廠家的要求，使設(shè)備能夠很好的為廠家發(fā)揮很大的作用。因此對其進(jìn)行PLC的數(shù)控改造具有非常高的經(jīng)濟價值。
圖1.1 傳統(tǒng)的機械傳動式滾齒機
1.2課題的研究意義
課題的意義是設(shè)備更新，購置新型數(shù)控滾齒機、提高企業(yè)對產(chǎn)的加工能力，增強產(chǎn)品市場的競爭能力是企業(yè)提高市場競爭能力的首選。但新機床購置費用高，且舊機床的閑置必然造成很大的資源浪費。因此對原有機床的PLC改造顯得尤為重要。利用舊機床進(jìn)行改造具有一下幾點優(yōu)勢：
1）投資額小、開發(fā)成本低
數(shù)控化機床改造的低成本投入是推動數(shù)控改造市場迅速發(fā)展的關(guān)鍵因素.與購置新機床相比較,一般可以節(jié)省60%-70%的費用，改造費用低。特別是大型特殊機床尤其明顯。一般大型機床改造，只需花費新機床購置費用的三分之一，即使將原機床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行徹底改造升級，也只需要花費購置新機床50%的資金。并且企業(yè)可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購入新設(shè)備那樣重新構(gòu)筑地基。
2）了解設(shè)備、便于操與維修，減少后期的培訓(xùn)、維修成本；
3）使用靈活、性能更穩(wěn)定；
4）可充分利用現(xiàn)有的條件使企業(yè)更快地投入生產(chǎn)；
5）可有效的擴大加工范圍，提高加工精度；
6）提高機床的自動化程度及生產(chǎn)效率；
7）縮短生產(chǎn)和生產(chǎn)準(zhǔn)備周期；
8）減輕工人勞動強度，改善勞動條件。
同時經(jīng)過PLC數(shù)控改造的滾齒機直接采用伺服電機驅(qū)動內(nèi)聯(lián)傳動鏈兩端件，取消中間傳動齒輪，通過PLC控制裝置控制各電機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，向最終實現(xiàn)齒輪加工的集成化邁進(jìn)。
1.3課題現(xiàn)狀分析
國內(nèi)外的基本研究情況是滾齒機從制造技術(shù)和核心技術(shù)來看，其發(fā)展歷程可分為兩大階段：20世紀(jì)80年代之前，以傳統(tǒng)的機械式滾齒機為主導(dǎo)。傳統(tǒng)的機械滾齒機以手動操作為主，以一臺主軸電機的運行利用齒輪掛箱實現(xiàn)各運動部件的轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)速聯(lián)動，勞動量大且傳動鏈長難以保證加工精度；20世紀(jì)80年代數(shù)控滾齒機問世，數(shù)控滾齒機按其機床結(jié)構(gòu)和工作特點及制造技術(shù)可分為三代:第一代數(shù)控滾齒機為工件軸和滾刀軸的切削線速度，第二代滾齒機應(yīng)運而生。其工件軸和滾刀軸采用齒輪副傳動，速度有了很大提高。但該機床傳動鏈長，加工精度不易保證。同時，加工不同工件時需要進(jìn)行必要的掛輪操作，勞動強度大，效率低。1997年，美國格里森收購了發(fā)明世界上第一臺滾齒機的德國普發(fā)特公司，聯(lián)手研發(fā)了第三代數(shù)控滾齒機。第三代滾齒機的主要特點是在滾刀主軸和工件主軸上采用電動主軸的直接驅(qū)動技術(shù)，縮短了傳動鏈從而保證了高速度、大轉(zhuǎn)矩和高精度的滾齒加工。近十年間，格里森公司又開發(fā)出第四代滾齒機GENESISTM 130H，它比普通數(shù)控滾齒機的性能有了很大的提升（見表1—1），這也是當(dāng)今世界上唯一的第四代數(shù)控滾齒機。機床采用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，具有7個數(shù)控軸（X軸式徑向軸，Y軸式切向軸，Z軸式軸向軸，A是刀架旋轉(zhuǎn)軸，B是滾刀主軸，C是工件軸，Z2是尾架軸），其中4個是聯(lián)動軸（X、Z、B和C）；采用干切技術(shù)，高速鋼滾刀切削，轉(zhuǎn)速達(dá)955r/min，線速度達(dá)180m/min，完成單件全部過程僅需19s；精度高于DIN Class7；用于高精密加工時可達(dá)到DIN Class5甚至更高，真正達(dá)到高精度、高速度。
表1.1 GENESISTM130H數(shù)控滾齒機與普通數(shù)控滾齒機的切削情況比較
工件
切削參數(shù)
項目
GENESISTM130H
普通數(shù)控滾齒機
齒數(shù)
34
刀具轉(zhuǎn)速
955r/min
300r/min
模數(shù)
1.3589mm
表面切削速度
180m/min
71r/min
壓力角
14.267°
進(jìn)給速度
2mm/r
1.75mm/r
螺旋角
19.401°
切削時間
15s
54.9s
全齒深
3.2mm
裝夾時間
4s
12s
外徑
￠53.12mm
每件總時間
19s
66.9s
齒寬
28.346mm
件數(shù)/h
189.5Pcs
53.8Pcs
注:以上數(shù)據(jù)根據(jù)各機床能力選用的刀具等有所不同
目前，國內(nèi)的齒輪加工企業(yè)卻面臨很大的窘境。我國機械加工業(yè)與發(fā)達(dá)國家相比總體水平較低，而且大部分中、小型企業(yè)的齒輪加工設(shè)備仍使用傳統(tǒng)的手動機械機床，而傳統(tǒng)的齒輪加工機床已越來越難以適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求。使用傳統(tǒng)的機械滾齒機加工齒輪，產(chǎn)品精度得不到保證，并且加工勞動強度大、效率低，這樣導(dǎo)致企業(yè)生產(chǎn)成本高，企業(yè)競爭力差。分析齒輪加工過程，導(dǎo)致產(chǎn)品精度誤差的來源很多，但其中大部分誤差是由機床自身的問題引起的。另外齒輪加工在國民經(jīng)濟發(fā)展中也占有重要位置，據(jù)統(tǒng)計：十五期間，中國齒輪行業(yè)總產(chǎn)值由250億元增長到500億元，平均增長速度接近20%，五年間上升了一倍，排名世界第四，銷售規(guī)模上億元企業(yè)超50家，行業(yè)集中度明顯提高。2006年中國齒輪行業(yè)的年產(chǎn)值是590億。但是，傳統(tǒng)的機械滾出機床結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，一臺主電機不僅要驅(qū)動展成分度傳動鏈，還要驅(qū)動差動和進(jìn)給傳動鏈，個傳動鏈中的每一個傳動元件本身的加工誤差都會影響被加工齒輪的加工精度，同時為加工不同齒輪，還需要更換各種掛輪調(diào)整起來復(fù)雜費時，大大降低了勞動生存率。而現(xiàn)在我國大約有五萬臺已陳舊滾齒機，加工不出GB10095-88標(biāo)準(zhǔn)的7級齒輪。因此，改造機床、減少機床誤差是提高產(chǎn)品精度、增強企業(yè)市場競爭力的有效途徑。
分析齒輪加工過程，導(dǎo)致產(chǎn)品精度誤差的來源很多，但其中大部分誤差是由機床自身的問題引起的，因此，改造機床減少機床誤差是提高產(chǎn)品精度，增強企業(yè)市場競爭能力的有效途徑。傳統(tǒng)機械滾齒機加工誤差分析見下表1.2：
表1.2 普通機床各誤差源對加工精度的影響程度
機床誤差（%）
幾何誤差（%）
20┈30
熱誤差（%）
25┈35
機床總誤差（%）
45┈65
加工過程誤差（%）
刀具誤差（%）
10┈15
夾具誤差（%）
?。订保?
工件熱誤差（%）
?。畅?
操作誤差（%）
６┈１０
加工過程總誤差（%）
?。?┈４０
檢測誤差（%）
安裝誤差（%）
2┈5
不確定誤差（%）
8┈10
檢測總誤差（%）
10┈15
由表1.2可以看出，齒輪加工的誤差來源較多，而機床誤差就達(dá)到誤差總額的45%～65%。因此，更新設(shè)備，減少機床自身的誤差比對其他誤差的糾正更有意義和價值。
圖1.2 GENESISTM130H數(shù)控滾齒機
圖1.3 GENESISTM130H的7個數(shù)控軸
1.4 PLC簡介
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學(xué)科的交叉與滲透，導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)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(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)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(jìn)程，在機械電氣化的過程中起著很大的作用，現(xiàn)在還是這樣，隨著PLC本身的發(fā)展，它的應(yīng)用范圍越來越廣，功能越來越強大?？删幊绦蚩刂破鳎╬rogrammable Logic Controller）是一種數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字的，模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)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(shè)計。
㈠ PLC的國內(nèi)外的狀況
在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)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(rèn)的第一臺PLC.
限于當(dāng)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(shù)功能。20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)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(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)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(jì)70年代中末期，可編程控制器進(jìn)入實用化發(fā)展階段，計算機技術(shù)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(shè)計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀(jì)80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)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(chǎn)品系列化。這個階段的另一個特點是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。
上世紀(jì)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(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。
20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應(yīng)于現(xiàn)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(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)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(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長足的發(fā)展。
我國可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進(jìn)設(shè)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(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴大了PLC的應(yīng)用。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產(chǎn)的CF系列、杭州機床電器廠生產(chǎn)的DKK及D系列、大連組合機床研究所生產(chǎn)的S系列、蘇州電子計算機廠生產(chǎn)的YZ系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應(yīng)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(chǎn)廠家。可以預(yù)期，隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應(yīng)用天地。
㈡ PLC的組成及特點
從結(jié)構(gòu)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(nèi)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(nèi)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(jīng)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(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進(jìn)入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路。CPU主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。在使用者看來，不必要詳細(xì)分析CPU的內(nèi)部電路，但對各部分的工作機制還是應(yīng)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(jìn)行數(shù)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(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，IO數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。
㈢ 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(yīng)用受到限制。但近年來由于微處理器芯片及有關(guān)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(yīng)用越來越廣泛,廣泛應(yīng)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(yīng)用通常可分為五種類型：
（1）順序控制? 這是PLC應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，用以取代傳統(tǒng)的繼電器順序控制。PLC可應(yīng)用于單機控制、多機群控、生產(chǎn)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(chǎn)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(jìn)電動機或伺服電動機的單軸或多軸位置控制模版。在多數(shù)情況下，PLC把掃描目標(biāo)位置的數(shù)據(jù)送給模版塊，其輸出移動一軸或數(shù)軸到目標(biāo)位置。每個軸移動時，位置控制模塊保持適當(dāng)?shù)乃俣群图铀俣?，確保運動平滑。相對來說，位置控制模塊比計算機數(shù)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(shù)，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(dāng)過程控制中某一個變量出現(xiàn)偏差時,PID控制算法會計算出正確的輸出,把變量保持在設(shè)定值上。
（4）數(shù)據(jù)處理? 在機械加工中，出現(xiàn)了把支持順序控制的PLC和計算機數(shù)值控制（CNC）設(shè)備緊密結(jié)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(xiàn)PLC和CNC設(shè)備之間內(nèi)部數(shù)據(jù)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(shè)備使用。美國GE公司的CNC設(shè)備新機種也同樣使用了具有數(shù)據(jù)處理的PLC。預(yù)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(wǎng)? 為了適應(yīng)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(shù)據(jù)通信速率要求高，而且要考慮出現(xiàn)停電故障時的對策。
㈣ PLC常用語言
可編程控制器中有多種程序設(shè)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(jié)構(gòu)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(shè)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(shù)簡單控制功能，例如，代替繼電器、計數(shù)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(shè)計語言，它可需要去執(zhí)行更有效操作，例如，模擬量控制，數(shù)據(jù)操縱，報表報印和其他基本程序設(shè)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(yīng)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(shè)計和應(yīng)用人員所喜愛。
可編程器應(yīng)用范圍，程序設(shè)計語言可以組合使用，常用程序設(shè)計語言是：?
⒈梯形圖程序設(shè)計語言；
⒉布爾助記符程序設(shè)計語言（語句表）；
⒊功能表圖程序設(shè)計語言；
⒋功能模塊圖程序設(shè)計語言?；
⒌結(jié)構(gòu)化語句描述程序設(shè)計語言；?
⒍梯形圖與結(jié)構(gòu)化語句描述程序設(shè)計語言?；
⒎布爾助記符與功能表圖程序設(shè)計語言；??
⒏布爾助記符與結(jié)構(gòu)化語句描述程序設(shè)計語言。
第二章 PLC系統(tǒng)總體設(shè)計方案概述
完成一個改造設(shè)計的前提是對需改造對象性能的全面掌握，了解改造前設(shè)備存在的問題從而確定改造中需要解決的問題，確定改造目標(biāo)后再進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計。
2.1傳統(tǒng)滾齒機控制系統(tǒng)的功能與技術(shù)指標(biāo)
傳統(tǒng)滾齒機的類型較多，控制電路各不相同，但都存在相同的問題，即利用齒輪掛箱實現(xiàn)各運動部件的轉(zhuǎn)速控制和聯(lián)動。過長的傳動鏈?zhǔn)菍?dǎo)致產(chǎn)品加工精度低的主要原因。這里先對先對Y3150E型滾齒機做簡單電路分析，以明確滾齒機的基本工作原理。
Y3150E型滾齒機電氣電路分析
Y3150E型滾齒機的電氣控制線路圖如下圖2.1所示：
圖2.1 Y3150E型滾齒機的電氣控制線路圖
1. 主電路
主電路共有四臺電動機，其中M2是主軸電動機，利用KM2與KM3實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制。KM2吸合電機M1正傳時實施進(jìn)給加工，KM3吸合M1反轉(zhuǎn)時進(jìn)行退刀。軸向快速運動電機由接觸器KM5、KM6實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)控制。液壓泵電機由接觸器KM1控制。主軸的運轉(zhuǎn)利用齒輪掛箱可帶得刀具高速旋轉(zhuǎn)和刀具的橫向進(jìn)給，加工不同工件時應(yīng)按要求選擇不同的齒輪掛箱，利用齒輪傳動實現(xiàn)各主軸轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速聯(lián)動；M3是冷卻泵電動機，只要求單向旋轉(zhuǎn)；冷卻泵電機M3由KM4控制，即KM4吸合則M3工作。但要注意的是M2必須在M1電動機工作后才能啟動，為順序控制。M1/M2要進(jìn)行長時間工作，所以都裝有過載保護。整個線路由一組總?cè)蹟嗥髯龆搪繁Ｗo。
⒉ 控制電路
㈠ 液壓泵控制
總開關(guān)SA1閉合，為控制電路接通做好準(zhǔn)備，同時接通接觸器KM1線圈電路，KM1得電；液壓泵電動機M1主電路閉合工作，為液壓系統(tǒng)提供壓力油，為傳動元件提供潤滑油，保證旋轉(zhuǎn)元件在工作之前得到充分的潤滑。
㈡ 主電動機控制
滾齒過程中的主要運動都是由電動機M2提供，先將轉(zhuǎn)換開關(guān)SA3轉(zhuǎn)換到KM2線圈電路，此時按下按鈕SB1，接觸器KM2線圈電路接通，利用其常開觸點使KM2自鎖，主觸點閉合，電動機M2正轉(zhuǎn)，主電路接通，電動機M2通過外聯(lián)系傳動鏈帶動滾刀正轉(zhuǎn)（逆銑），由滾刀軸通過內(nèi)聯(lián)系或者外聯(lián)系傳動鏈帶動刀架、工作臺運動，當(dāng)?shù)都苓\動到上方或者下方的極限位置時，由行程開關(guān)SQ2和SQ4進(jìn)行極限位置保護，壓下行程開關(guān)，接觸器KM2線圈斷電，電動機M2停止轉(zhuǎn)動。
當(dāng)SA3轉(zhuǎn)換到KM3線圈回路位置，按下按鈕SB1時，接觸器KM3將得電并自鎖，電動機M2反轉(zhuǎn)，帶動刀具作順銑加工。
當(dāng)按下按鈕SB3時，其常開觸點閉合，接通接觸器KM2或KM3電路。但由于SB3的常閉觸點切斷了KM2或KM3線圈的自鎖回路，接觸器線圈回路不能自鎖，電動機M2只能點動旋轉(zhuǎn)，為機床點動調(diào)整控制狀態(tài)，有利于調(diào)整各個運動部件之間的相對位置。
㈢ 冷卻泵電動機控制
在主電動機的工作工作狀態(tài)，即KM2或KM3線圈得電的情況下，將轉(zhuǎn)換開關(guān)SA5置于閉合狀態(tài)，接觸器KM4線圈電路閉合，線圈得電，主觸點接通電動機M3主電路，冷卻泵工作，為切削過程提供切削液。
㈣ 軸向快速移動點動控制
刀具在加工完畢，軸向返回初始位置或作刀架的軸向調(diào)整時，刀架需要作快速移動。為了減少傳動元件和縮短輔助時間，利用快速電動機帶動刀架作軸向運動。在作快速移動之前，將刀架軸向工作進(jìn)給的傳動鏈切換到由快速電動機帶動的傳動鏈。扳動手柄接通快速運動機械離合器，斷開工作進(jìn)給傳動鏈，壓下行程開關(guān)SQ3，然后按下按鈕SB4，接觸器KM6線圈電路接通，其主觸點閉合，快速移動電動機M4正轉(zhuǎn)，電動機帶動刀架快速從底端向上運動，由于KM6線圈回路沒有自鎖，電動機只能點動工作，松開按鈕Sb4，則運動停止。
當(dāng)按下按鈕SB5時，接觸器KM5得電，接通電動機M4的反轉(zhuǎn)電路，軸向快速移動電動機M4反轉(zhuǎn)，帶動刀架作由上向下的快速移動。接觸器KM5的常開觸點閉合，接通電磁閥電磁鐵YA2電路，平衡液壓缸工作，使得快速向下移動平穩(wěn)。
㈤ 徑向運動控制
為了能夠調(diào)整刀具與工件的徑向位置和加工蝸輪的需要，工作臺能夠作徑向運動，其運動由液壓系統(tǒng)提供動力，當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)SA4閉合后，電磁鐵YA1得電，液壓缸推動工作臺作徑向運動。
㈥ 其他控制內(nèi)容
照明電路采用24V電源，當(dāng)將轉(zhuǎn)換開關(guān)SA2閉合時，照明電路接通，燈HL亮。
指示燈電路主要有電源指示燈HL1、潤滑油指示燈HL2、主電動機過載指示燈HL3，在合上電源總開關(guān)（低壓斷路器）QF1時，指示燈HL1亮，標(biāo)志電源接通；當(dāng)潤滑油減少到一定程度時，安裝在液壓缸中的浮子繼電器KF觸點閉合，指示燈HL2亮，提醒操作者及時添加潤滑油，以監(jiān)控潤滑油；當(dāng)主電動機過載時，熱繼電器FR2常開觸點閉合，指示燈HL3亮，提示操作者系統(tǒng)有故障，主電動機過載。
四臺電動機之間的關(guān)系為順序控制。
3.運動分析
通過對滾齒機進(jìn)行各種加工操作的運動分析，確定滾齒機運動要求如下：
1.動作要求：
① 主軸的高速旋轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速可調(diào)：5～495rpm
② 滾刀的高速旋轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速可調(diào)：500～4000rpm
③ 滾刀的橫向進(jìn)給且進(jìn)給速度可調(diào)：快速時5000mm/min
④ 上述三種速度可根據(jù)相關(guān)參數(shù)實現(xiàn)聯(lián)動。
滾齒機工作時，要求能夠?qū)崿F(xiàn)這三個轉(zhuǎn)速在很大的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，并保證三速度之間存在一定的函數(shù)關(guān)系。在傳統(tǒng)滾齒機上是利用齒輪掛箱實現(xiàn)三者之間的聯(lián)動和速度控制的。
2.進(jìn)給控制要求：
① 工作臺的垂直方向進(jìn)給；
② 滾刀的橫向進(jìn)給。
應(yīng)該注意的是滾刀的垂直進(jìn)給和滾刀的橫向進(jìn)給應(yīng)該實現(xiàn)雙速運行，位置較遠(yuǎn)時可高速進(jìn)給，當(dāng)達(dá)到一定位置時，由傳感器發(fā)出信號改為低速進(jìn)給。另外，加工不同工件，應(yīng)選擇不同的轉(zhuǎn)速比，即電機的轉(zhuǎn)速應(yīng)該可以按要求調(diào)節(jié)。
3.保護功能：
① 垂直進(jìn)給行程開關(guān)（上下位置）；
② 橫向進(jìn)給行程開關(guān)（左右極限位置）。
在傳統(tǒng)機床電路中，行程開關(guān)是常見的位置限制元件，在電氣控制中是必不可少的。
4.Y3150E型滾齒機的參數(shù)指標(biāo)
Y3150E型滾齒機的參數(shù)指標(biāo)如表2.1所示：
表2.1 Y3150E型滾齒機參數(shù)指標(biāo)
項目參數(shù)
數(shù)據(jù)
最大加工直徑
500mm
最大加工模數(shù)
8mm
最大加工寬度
250mm
工件上最小齒數(shù)
6
刀架最大回轉(zhuǎn)角度
240°
刀架最大垂直行程（Z軸）
300mm
Z軸分辨率
0.001mm
工作臺直徑
510mm
工作臺到立柱最大距離
835mm
工作臺到立柱最小距離
380mm
工作臺水平移動行程（X軸）
310mm
X軸分辨率
0.001mm
允許安裝的最大滾刀直徑
160mm
滾刀的轉(zhuǎn)速
500—4000rpm
滾刀橫向進(jìn)給速度（快速）
500mm/min
滾刀最大的的軸向運動量
55mm
滾刀軸線到臺面的距離
最大
535mm
最小
253mm
工件軸線到滾刀軸的距離
最大
330mm
最小
20mm
主軸轉(zhuǎn)速范圍
40—250mm
主電動機功率
5.5KW
機床凈重
500kg
此次改造要求是將機械滾齒機改造為數(shù)控滾齒機，由于機床設(shè)備自身的一些特點，改造過程中將對上述參數(shù)有較大的調(diào)整，如各運動部件的行程距離、齒輪加工角度等，但改造最主要的任務(wù)是對加工精度的提高和操作效率的提高。
圖2.2 Y3150E型滾齒機數(shù)控改造后的傳動原理圖
2.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計方案
在傳統(tǒng)滾齒機中，最大的問題是齒輪掛箱的使用。在傳統(tǒng)滾齒機進(jìn)行滾齒加工操作時，為了保證各運動部件的同步進(jìn)給，利用了齒輪掛箱的齒輪傳動鏈實現(xiàn)三軸聯(lián)動并實現(xiàn)速度匹配的，這使得傳動鏈過長，難以保證加工精度；同時加工不同工件時，因加工齒輪齒數(shù)、模數(shù)等重要參數(shù)的不同，需要進(jìn)行掛輪操作進(jìn)行換檔換速，此類操作使得勞動量大，生產(chǎn)效率低。傳統(tǒng)滾齒機的傳動示意圖如圖2.3所示。圖中齒輪的傳動誤差為齒輪加工誤差的主要來源。為了克服傳統(tǒng)滾齒機中因機械傳動復(fù)雜而導(dǎo)致加工精度低、勞動強度大的缺點，對滾齒機的硬件進(jìn)行了改造、減少傳動鏈，并利用軟件進(jìn)行控制，以實現(xiàn)三軸聯(lián)動并進(jìn)行調(diào)速，以期達(dá)到提高加工精度、降低勞動強度的目的。
圖2.3 傳統(tǒng)滾齒機傳動示意圖
1 設(shè)計思路
㈠ 通過機械設(shè)備的硬件改造，用多臺伺服電機對各運動部件進(jìn)行直接控制，利用PLC實現(xiàn)各軸聯(lián)動，這樣去掉傳統(tǒng)滾齒機中的傳動齒輪，實現(xiàn)零件傳動從而減小齒輪的傳動誤差，增強了設(shè)備的剛性，提高了齒輪加工精度。
㈡ 利用PLC軟件的功能特點，根據(jù)加工工件參數(shù)的不同，輸入工件關(guān)鍵的參數(shù)后，系統(tǒng)能自動實現(xiàn)三軸之間的速度調(diào)節(jié)，無需操作人員進(jìn)行掛輪操作，降低勞動量，提高加工效率。
㈢ 利用傳感器對運動部件的位置進(jìn)行跟蹤和檢測，將檢測到的數(shù)據(jù)傳遞給PLC，由PLC做出更為及時、更為精確的控制調(diào)整，提高加工精度。同時實現(xiàn)控制過程的自動化。
㈣ 為了提高改造后機床的可操作性，增強人機對話功能，采用觸摸屏作為人際交換界面，有利于參數(shù)額輸入和加工過程的檢測。
2 系統(tǒng)設(shè)計方案
在硬件改造上，為了解決齒輪掛箱的使用出現(xiàn)的問題，結(jié)合最新的數(shù)控滾齒機傳動技術(shù)，在硬件改造上決定實現(xiàn)零傳動技術(shù)，即利用伺服電機直接連接旋轉(zhuǎn)主軸，實現(xiàn)零傳動。零傳動的傳動方式大大縮短傳動鏈，降低傳動誤差帶來的加工誤差。同時，由于其機械結(jié)構(gòu)簡單，有利于提高機床的剛性，完全機械傳動鏈中存在的磨損問題，進(jìn)而保持了精度的穩(wěn)定性，提高機床加工精度。
同時，為了更好的對運動部件位置進(jìn)行定位和檢測反饋，提高自動化控制的程度，在機床改造過程中，應(yīng)充分利用傳感器。在進(jìn)給的極限位置和原點位置均設(shè)置了傳感器對工作臺的進(jìn)給進(jìn)行位置跟蹤。從安全的角度出發(fā)，加設(shè)了行程開關(guān)，與傳感器組合使用，以更好的對機床進(jìn)行保護。
為了提高改造后機床的操作靈活性，并對機床性能全面提升，采用觸摸屏作為改造后機床的輸入部件，在觸摸屏上可直接進(jìn)行各參數(shù)的設(shè)定、機床運行情況監(jiān)控，并能在加工過程中進(jìn)行故障報警。
充分考慮滾齒機改造后需實現(xiàn)的功能之后，對滾齒機的硬件部分做出如圖2.4所示的框架設(shè)計：
圖2.4 總體設(shè)計框架示意圖
在圖2.4中，電網(wǎng)電壓對PLC、伺服電機、觸摸屏和傳感器進(jìn)行供電。
為PLC供電時，應(yīng)在PLC前加一比一的隔離變壓器以保護PLC的安全使用。
為伺服驅(qū)動電路供電時，因伺服驅(qū)動需要采用三相220V供電，因此在伺服驅(qū)動電路之前加380V/220V三相隔離變壓器。
伺服驅(qū)動電路與伺服電機之間有電力線與編碼線連接。
觸摸屏工作電壓+24V由開關(guān)電源或者直流穩(wěn)壓電源提供。觸摸屏是參數(shù)輸入的主要操作界面，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和過程監(jiān)控。觸摸屏與PLC利用RS232實施連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
傳感器的工作電壓+24V由開關(guān)電源提供或直流穩(wěn)壓電源提供。傳感器對伺服電機的運行過程位置進(jìn)行監(jiān)控，將信息傳遞給PLC，由PLC對運行過程進(jìn)行調(diào)整，保證程序執(zhí)行過程的精確性。
第三章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計
一個完整的自動化控制電路包括能保證電路正常工作的電源部分、起控制作用的核心部件PLC、受控性能優(yōu)越的伺服系統(tǒng)、以及對位置進(jìn)行檢測和反饋的傳感器。做好每一部分電路的設(shè)計是完成整個電路設(shè)計的基礎(chǔ)。本節(jié)主要概述PLC的特性和PLC的選擇、伺服系統(tǒng)的選擇和應(yīng)用、傳感器的特性與應(yīng)用、觸摸屏的使用以及電源設(shè)計等內(nèi)容。
3.1 PLC
1． PLC概述
PLC是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境設(shè)計的一種工業(yè)控制計算機，采用面向用戶的指令，編程方便。近年來，PLC在傳統(tǒng)的對開關(guān)量處理的基礎(chǔ)上，又增加了數(shù)字運算及對模擬信號處理的能力。這給PLC的應(yīng)用帶來了巨大的發(fā)展前景。
PLC的基本結(jié)構(gòu)
根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)的不同，可以把PC分為整體和模塊式，近年來又將這兩種形式結(jié)合起來的趨勢。PLC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)大體上可分為四部分：中央處理器（CPU）、存儲單元、輸入輸出單元和擴展單元。
⑴ CPU模塊：CPU模塊主要由微處理器（CPU）和存儲器組成。有的還包括PC的直流穩(wěn)壓電源。在控制系統(tǒng)中，CPU模塊相當(dāng)于人的大腦和心臟。它不斷地采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出。
⑵ 存儲器：根據(jù)存儲器在系統(tǒng)中的作用，可以把它們分為下面的4種：①系統(tǒng)程序存儲器；②用戶程序存儲器；③數(shù)據(jù)表寄存器（Data table memory）；④高速暫存存儲器（Scratch pad memory）。
⑶ 開關(guān)量I/O輸入輸出模塊：I/O模塊的接線方式有匯點式、分隔式和分組式三種，極大多數(shù)的PLC的輸入端子采用匯點式，而輸出端子則采用分組式或分隔式。
⑷ 編程器：PC的編程器用來生成PC的用戶程序，并對程序進(jìn)行編輯、檢查和修改，高級的編程器還可以將程序存儲在磁帶或磁盤中，并驅(qū)動打印機打出帶注解的梯形圖程序或指令表程序。各種編程器還可以用來監(jiān)視系統(tǒng)運行的情況。下