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湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
目錄
摘要 1
關(guān)鍵詞 1
一.前言 2
1.1 PLC的國(guó)內(nèi)外的狀況 2
1.2 PLC的組成及特點(diǎn) 4
1.3 PLC的用途 5
1.4 PLC常用語(yǔ)言 6
1.5本課題的主要任務(wù) 6
二.整體方案的選擇 7
2.1整體功能介紹 7
2.2控制要求 7
2.3電器說(shuō)明…………………………………………………………………… .. 8
2.4保護(hù)裝置……………………………………………………………………... 8
2.5電氣原理圖、電器接線圖……………………………………………………. .8
三.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9
3.1 PLC機(jī)型的選擇步驟與原則 9
3.2 F1系列PLC的指令系統(tǒng)簡(jiǎn)介 10
3.3 YM3150E型滾齒機(jī)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11
四軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 13
4.1 PLC程序設(shè)計(jì)的相關(guān)指令 13
4.2根據(jù)控制要求繪制梯形圖 15
五結(jié)束語(yǔ) 16
小結(jié)…………………………………………………………………….......................................17
致謝…………………………………………………………………………………………….. 18
參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………………………. 19
附錄1程序………………………………………………………………………………….... 20
附錄2 外文文獻(xiàn)翻譯……………………………………………………………………… ..23
附錄3外文文獻(xiàn)原文……………………………………………………………….34
2
YM3150E型精密滾齒機(jī)的PLC改造
摘要
近年來(lái)，作為機(jī)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(lái)越高,工作速度越來(lái)越快,功能越來(lái)越強(qiáng),使用越來(lái)越方便,特別是遠(yuǎn)程通信功能的實(shí)現(xiàn),易于實(shí)現(xiàn)柔性加工和制造系統(tǒng),使得PLC如虎添翼。本文簡(jiǎn)要的介紹了YM3150E型精密滾齒機(jī)的控制原理，并利用PLC對(duì)滾齒機(jī)進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)，使?jié)L齒機(jī)的控制更加方便。
關(guān)鍵詞：滾齒機(jī)，控制系統(tǒng)，機(jī)電一體化，PLC
Reconstruction of YM3150E 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 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(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動(dòng)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(jī)械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機(jī)械工業(yè)的滲透所形成的機(jī)電一體化，使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機(jī)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(jī)械電氣化”邁入了“機(jī)電一體化”為特征的發(fā)展階段。PLC作為機(jī)電一體化的一個(gè)重要的進(jìn)程，在機(jī)械電氣化的過(guò)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(lái)越廣，功能越來(lái)越強(qiáng)的。
可編程序控制器（programmable Logic Controller）是一種數(shù)字運(yùn)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(jì)。它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字的，模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)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(gè)整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。
1.1 PLC的國(guó)內(nèi)外的狀況
在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，大量的開(kāi)關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動(dòng)作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動(dòng)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(guò)氣動(dòng)或電氣控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。1968年美國(guó)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(guó)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(tái)PLC.
限于當(dāng)時(shí)的元器件條件及計(jì)算機(jī)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(jiǎn)單的邏輯控制及定時(shí)、計(jì)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(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計(jì)算機(jī)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(yǔ)言，并將參加運(yùn)算及處理的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)元件都以繼電器命名。此時(shí)的PLC為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。個(gè)人計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱PC）發(fā)展起來(lái)后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點(diǎn)，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(shí)用化發(fā)展階段，計(jì)算機(jī)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(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、PID功能及極高的性價(jià)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(guó)家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個(gè)時(shí)期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個(gè)階段的另一個(gè)特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國(guó)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(shí)期，年增長(zhǎng)率一直保持為30～40%。在這時(shí)期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)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(guò)程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過(guò)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(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來(lái)說(shuō)，這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)；從控制能力上來(lái)說(shuō)，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(chǎng)合；從產(chǎn)品的配套能力來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)了各種人機(jī)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(jī)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(zhǎng)足的發(fā)展。
我國(guó)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(kāi)放開(kāi)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(lái)在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴(kuò)大了PLC的應(yīng)用。目前，我國(guó)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(jī)床電器廠生產(chǎn)的DKK及D系列、大連組合機(jī)床研究所生產(chǎn)的S系列、蘇州電子計(jì)算機(jī)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(wú)錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國(guó)比較著名的PLC生產(chǎn)廠家?？梢灶A(yù)期，隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的深入，PLC在我國(guó)將有更廣闊的應(yīng)用天地。
1.2 PLC的組成及特點(diǎn)
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(gè)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(jī)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(gè)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(chǎng)輸入裝置送來(lái)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等。進(jìn)入運(yùn)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(hào)，去指揮有關(guān)的控制電路。CPU主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)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(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。在使用者看來(lái)，不必要詳細(xì)分析CPU的內(nèi)部電路，但對(duì)各部分的工作機(jī)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(hào)控制。運(yùn)算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運(yùn)算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運(yùn)算，并存儲(chǔ)運(yùn)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。
1.3 PLC的用途
PLC的初期由于其價(jià)格高于繼電器控制裝置,使其應(yīng)用受到限制。但近年來(lái)由于微處理器芯片及有關(guān)元件價(jià)格大大下降,使PLC的成本下降,同時(shí)又由于PLC的功能大大增強(qiáng),使PLC 的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,廣泛應(yīng)用于鋼鐵、水泥、石油、化工、采礦、電力、機(jī)械制造、汽車、造紙、紡織、環(huán)保等行業(yè)。PLC的應(yīng)用通?？煞譃槲宸N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(jī)控制、多機(jī)群控、生產(chǎn)自動(dòng)線控制等。如注塑機(jī)、印刷機(jī)械、訂書(shū)機(jī)械、切紙機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯控制等。
（2）運(yùn)動(dòng)控制? PLC制造商目前已提供了拖動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或伺服電動(dòng)機(jī)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(dòng)一軸或數(shù)軸到目標(biāo)位置。每個(gè)軸移動(dòng)時(shí)，位置控制模塊保持適當(dāng)?shù)乃俣群图铀俣?，確保運(yùn)動(dòng)平滑。相對(duì)來(lái)說(shuō)，位置控制模塊比計(jì)算機(jī)數(shù)值控制（CNC）裝置體積更小，價(jià)格更低，速度更快，操作方便。
（3）閉環(huán)過(guò)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(gè)具有PID控制能力的PLC可用于過(guò)程控制。當(dāng)過(guò)程控制中某一個(gè)變量出現(xiàn)偏差時(shí),PID控制算法會(huì)計(jì)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(jī)械加工中，出現(xiàn)了把支持順序控制的PLC和計(jì)算機(jī)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(shí)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(guò)窗口軟件，用戶可以獨(dú)自編程，由PLC送至CNC設(shè)備使用。美國(guó)GE公司的CNC設(shè)備新機(jī)種也同樣使用了具有數(shù)據(jù)處理的PLC。預(yù)計(jì)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(guó)外近幾年來(lái)興起的工廠自動(dòng)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(jí)計(jì)算機(jī)之間的通信功能。作為實(shí)時(shí)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(shí)的對(duì)策。
1.4 PLC常用語(yǔ)言
可編程控制器中有多種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言,它們是梯形圖語(yǔ)言、布爾助記符語(yǔ)言、功能表圖語(yǔ)言、功能模塊圖語(yǔ)言及結(jié)構(gòu)化語(yǔ)句描述語(yǔ)言等。梯形圖語(yǔ)言和布爾助記符語(yǔ)言是基本程序設(shè)計(jì)語(yǔ)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(jiǎn)單控制功能，例如，代替繼電器、計(jì)數(shù)器、計(jì)時(shí)器完成順序控制和邏輯控制等，擴(kuò)展或增強(qiáng)指令集，它們也能執(zhí)行其它基本操作。功能表圖語(yǔ)言和語(yǔ)句描述語(yǔ)言是高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)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(bào)表報(bào)印和其他基本程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言無(wú)法完成功能。功能模塊圖語(yǔ)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(shí)也常常被采用，它具有連接方便、操作簡(jiǎn)單、易于掌握等特點(diǎn)，為廣大工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用人員所喜愛(ài)。
可編程器應(yīng)用范圍，程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言可以組合使用，常用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是：?
梯形圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言；
布爾助記符程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（語(yǔ)句表）；
功能表圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言；
功能模塊圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言?；
結(jié)構(gòu)化語(yǔ)句描述程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言；?
梯形圖與結(jié)構(gòu)化語(yǔ)句描述程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言?；
布爾助記符與功能表圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言；??
布爾助記符與結(jié)構(gòu)化語(yǔ)句描述程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。
1.5本課題的主要任務(wù)
本文主要是對(duì)YM3150E滾齒機(jī)進(jìn)行電氣化改造，利用PLC進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，要求邏輯控制的正確性，機(jī)械能在新的控制系統(tǒng)下能夠正常的平穩(wěn)的運(yùn)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(jī)床廠生產(chǎn)的YM3150E型精密滾齒機(jī)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(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)、繼電器、接觸器等組成的控制系統(tǒng)。它通過(guò)電氣觸點(diǎn)的閉合和分?jǐn)鄟?lái)控制電路的接通與斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的起動(dòng)、停止、調(diào)速、自動(dòng)循環(huán)與保護(hù)等自動(dòng)控制。它具備控制器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、控制方式直觀、容易掌握、工作可靠易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但是體積較大、控制速度慢，改變控制功能必須通過(guò)改變接線來(lái)完成，比較麻煩和困難，在現(xiàn)在工廠的實(shí)際操作中，越來(lái)越不適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)控制。本文就針對(duì)新的方案解決YM3150E型精密滾齒機(jī)難控制的問(wèn)題，使用PLC對(duì)它進(jìn)行改造。
該機(jī)床由液壓泵電機(jī)、主電機(jī)、冷卻電機(jī)和快速移動(dòng)電機(jī)組成。液壓泵電機(jī)主要是提供液壓閥的壓力來(lái)潤(rùn)滑機(jī)械等功能；冷卻電機(jī)提供機(jī)械的冷卻循環(huán)系統(tǒng)，使得機(jī)械的溫度不至于過(guò)高，控制在一定的范圍里；快速移動(dòng)電機(jī)用于裝置的快速移動(dòng)，提高非工作時(shí)段的效率，以提高整體的效率。
2.2控制要求
在這些電機(jī)中有一定的啟動(dòng)順序，只有滿足一定的啟動(dòng)要求后才能確保機(jī)械的安全使用，保證它的穩(wěn)定性，所以必須在液壓泵電機(jī)起動(dòng)并使水銀繼電器觸點(diǎn)閉合以后主電機(jī)才能起動(dòng)，在主電機(jī)起動(dòng)以后冷卻電機(jī)才能起動(dòng)．當(dāng)液壓泵電機(jī)停止以后整個(gè)機(jī)床處于停止工作狀態(tài)。當(dāng)電箱門(mén)打開(kāi)時(shí)電箱門(mén)壓動(dòng)行程開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，整個(gè)機(jī)床處于斷電狀態(tài)，以防止觸電。當(dāng)傳動(dòng)箱門(mén)打開(kāi)時(shí)傳動(dòng)箱門(mén)壓動(dòng)式行程開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)，機(jī)床不能起動(dòng)，必須把門(mén)關(guān)上以后主電機(jī)才能起動(dòng)。一旦機(jī)床起動(dòng)以后主電機(jī)控制系統(tǒng)自鎖則可以打開(kāi)傳動(dòng)箱門(mén)觀察齒輪潤(rùn)滑情況，并且軸向運(yùn)動(dòng)有超行程保護(hù)開(kāi)關(guān)為軸向超行程保護(hù)開(kāi)關(guān)，切向運(yùn)動(dòng)有超行程保護(hù)開(kāi)關(guān)為切向超行程保護(hù)開(kāi)關(guān)對(duì)機(jī)床進(jìn)行軸向和徑向運(yùn)動(dòng)的保護(hù)。
2.3電氣說(shuō)明
1、首先啟動(dòng)液壓電動(dòng)機(jī)（1D），當(dāng)供油潤(rùn)滑達(dá)到正常后，F(xiàn)J浮子繼電器接通，潤(rùn)滑信號(hào)燈亮，才能啟動(dòng)其余電動(dòng)機(jī)。
2、只有主電動(dòng)機(jī)（2D）啟動(dòng)后，冷卻電動(dòng)機(jī)（3D）才能啟動(dòng)。主電動(dòng)機(jī)停止工作，冷卻電動(dòng)機(jī)也停止工作。
3、在刀架快速向下時(shí)，電磁閥2DT接通。
4、只有當(dāng)手柄1（3XK）處于快速位置時(shí)，軸（切）向快速電動(dòng)機(jī)才能起動(dòng)。
5、電氣操作站工作臺(tái)快速按鈕（4K）處于“退后”時(shí)，電磁閥1DT無(wú)電，工作臺(tái)向后快速。處于“向前”時(shí)，電磁閥1DT有電，工作臺(tái)向前快速。
2.4保護(hù)裝置
1、短路保護(hù)：本機(jī)床采用自動(dòng)空氣斷路器，作為電源開(kāi)關(guān)，并作為主電動(dòng)機(jī)2D的保護(hù)電路。
液壓電動(dòng)機(jī)1D和軸（切）向快速電動(dòng)機(jī)4D用1RD做短路保護(hù)。冷卻電動(dòng)機(jī)3D用2RD作短路保護(hù)。
交流控制線路變壓器用3RD作短路保護(hù)。照明線路用4RD做短路保護(hù)。指示燈線路用5RD作短路保護(hù)。
2、過(guò)載保護(hù)：液壓電動(dòng)機(jī)1D，主電動(dòng)機(jī)2D及冷卻電動(dòng)機(jī)3D分別采用熱繼電器1RJ,2RJ及3RJ作過(guò)載保護(hù)。
3、行程保護(hù)：1XK為軸向行程開(kāi)關(guān)，7XK為切向行程開(kāi)關(guān)。2XK、4XK是軸向超行程開(kāi)關(guān)。8XK、9XK是切向超行程開(kāi)關(guān)。
4、其他保護(hù)：當(dāng)傳動(dòng)箱打開(kāi)時(shí)，5XK、6XK斷開(kāi)。不能啟動(dòng)機(jī)床。所以必須把門(mén)關(guān)閉才行。一旦機(jī)床起動(dòng)后則可打開(kāi)齒輪箱門(mén)，以觀察潤(rùn)滑情況。主軸沖動(dòng)時(shí)例外。電箱門(mén)打開(kāi)時(shí)不能啟動(dòng)機(jī)床，因?yàn)?0XK已打開(kāi)。以防觸電。
2.5電氣原理圖、電氣接線圖見(jiàn)附圖紙
3.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 PLC機(jī)型的選擇步驟與原則
隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，PLC產(chǎn)品的種類也越來(lái)越多。不同型號(hào)的PLC，其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價(jià)格等也各有不同，適用的場(chǎng)合也各有側(cè)重。因此，合理選用PLC，對(duì)于提高PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有著重要意義。
PLC的選擇主要應(yīng)從PLC的機(jī)型、容量、I/O模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯(lián)網(wǎng)能力等方面加以綜合考慮。
PLC機(jī)型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護(hù)方便的前提下，力爭(zhēng)最佳的性能價(jià)格比。選擇時(shí)主要考慮以下幾點(diǎn)：
(1)合理的結(jié)構(gòu)型式
PLC主要有整體式和模塊式兩種結(jié)構(gòu)型式。
整體式PLC的每一個(gè)I/O點(diǎn)的平均價(jià)格比模塊式的便宜，且體積相對(duì)較小,一般用于系統(tǒng)工藝過(guò)程較為固定的小型控制系統(tǒng)中；而模塊式PLC的功能擴(kuò)展靈活方便,在I/O點(diǎn)數(shù)、輸入點(diǎn)數(shù)與輸出點(diǎn)數(shù)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(fù)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(yuǎn)程I/O式以及多臺(tái)PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式。
集中式不需要設(shè)置驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)程I/O硬件，系統(tǒng)反應(yīng)快、成本低；遠(yuǎn)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(yuǎn)程I/O可以分散安裝在現(xiàn)場(chǎng)裝置附近，連線短，但需要增設(shè)驅(qū)動(dòng)器和遠(yuǎn)程I/O電源；多臺(tái)PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式適用于多臺(tái)設(shè)備分別獨(dú)立控制，又要相互聯(lián)系的場(chǎng)合，可以選用小型PLC，但必須要附加通訊模塊。
(3)相應(yīng)的功能要求
一般小型(低檔)PLC具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能，對(duì)于只需要開(kāi)關(guān)量控制的設(shè)備都可滿足。對(duì)于以開(kāi)關(guān)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(zhuǎn)換單元，具有加減算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送功能的增強(qiáng)型低檔PLC。對(duì)于控制較復(fù)雜，要求實(shí)現(xiàn)PID運(yùn)算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等功能，可視控制規(guī)模大小及復(fù)雜程度，選用中檔或高檔PLC。但是中、高檔PLC價(jià)格較貴，一般用于大規(guī)模過(guò)程控制和集散控制系統(tǒng)等場(chǎng)合。
(4)響應(yīng)速度要
PLC是為工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)的通用控制器，不同檔次PLC的響應(yīng)速度一般都能滿足其應(yīng)用范圍內(nèi)的需要。如果要跨范圍使用PLC，或者某些功能或信號(hào)有特殊的速度要求時(shí)，則應(yīng)該慎重考慮PLC的響應(yīng)速度，可選用具有高速I(mǎi)/O處理功能的PLC，或選用具有快速響應(yīng)模塊和中斷輸入模塊的PLC等。
(5)系統(tǒng)可靠性的要求
對(duì)于一般系統(tǒng)PLC的可靠性均能滿足。對(duì)可靠性要求很高的系統(tǒng)，應(yīng)考慮是否采用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)。
(6)機(jī)型盡量統(tǒng)一
根據(jù)上面的選擇原則和根據(jù)YM3150E型滾齒機(jī)控制系統(tǒng)輸人輸出點(diǎn)數(shù)的需要這次對(duì)YM3150E滾齒機(jī)的改造采用三菱公司生產(chǎn)F1—40MR，日本三菱公司生產(chǎn)的PLC以其體積小、控制靈活、具有良好的性價(jià)比等特點(diǎn)而在我國(guó)機(jī)械設(shè)備和工業(yè)控制中應(yīng)用廣泛。
3.2 F1系列PLC的指令系統(tǒng)簡(jiǎn)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(yǔ)言，用于開(kāi)關(guān)量I/O的控制系統(tǒng)的梯形圖程序設(shè)計(jì)，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(kāi)關(guān)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(mǎi)/O處理、數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)數(shù)器的特殊用法、算術(shù)運(yùn)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(diǎn)的指令：LD/LDI、AND/ANI、OR/ORI等。
作用于線圈的指令：OUT。
數(shù)據(jù)處理指令：如S/R、RST、SFT、MC/MCR、PLS、SFT、CJP/EJP等。
獨(dú)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(shù)字表示，它們分別表示元件的類型和元件號(hào)。元件號(hào)用八進(jìn)制表示，各種編程元件的編號(hào)的取值范圍有嚴(yán)格的規(guī)定，不同的元件編號(hào)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(shí)器（T）：50—57，450—457，550—557，650—657
計(jì)數(shù)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(gè)
3.3 YM3150E型滾齒機(jī)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
通過(guò)對(duì)YM3150E型滾齒機(jī)功能實(shí)現(xiàn)分析后，可以得到要它的外部需要的控制圖，需要的開(kāi)關(guān)和繼電器，并對(duì)這些開(kāi)關(guān)和繼電器進(jìn)行必要的編號(hào)，以有效的表示它們，增強(qiáng)可讀性，下面是對(duì)相關(guān)的硬件的編號(hào)J及相關(guān)的硬件接線圖如圖1：
X0：SB1主電機(jī)起動(dòng)按鈕；
X1：SB2主電機(jī)停止按鈕；
X2：SB3軸向快速反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)按鈕；
X3：SB4軸向快速電機(jī)正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)按鈕；
X4：SQ0電箱門(mén)壓動(dòng)行程開(kāi)關(guān)；
X5：SQ1軸向行程開(kāi)關(guān)；
X6，X 10：SQ2，SQ4軸向超行程保護(hù)開(kāi)關(guān)；
X7：SQ3軸向快速移動(dòng)手柄壓動(dòng)式行程開(kāi)關(guān)；
X11，X12：SQ5，SQ6傳動(dòng)箱門(mén)壓動(dòng)式行程開(kāi)關(guān)；
X13：SQ7切向行程開(kāi)關(guān)；
X14，X15：SQ8，SQ9切向超行程保護(hù)開(kāi)關(guān)；
X 16：SA1液壓泵電機(jī)起動(dòng)操作開(kāi)關(guān)；
X17：SA6主電機(jī)起動(dòng)與點(diǎn)動(dòng)切換開(kāi)關(guān)；
X20：SA3主電機(jī)正反轉(zhuǎn)切換開(kāi)關(guān)；
X21：SA5冷卻液電機(jī)起動(dòng)開(kāi)關(guān)；
X22：SA4徑向快速移動(dòng)刀開(kāi)關(guān)；
X23：SA2照明電源開(kāi)關(guān)；
X24：K1水銀繼電器觸點(diǎn)；
Y0：KM1液壓泵電機(jī)接觸器線圈；
Y1：KM2主電機(jī)正轉(zhuǎn)接觸器線圈；
Y2：KM3主電機(jī)反轉(zhuǎn)接觸器線圈；
Y3：KM4冷卻電機(jī)接觸器線圈；
Y4：KM5軸向快速移動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)接觸器線圈；
Y5：KM6軸向快速移動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)接觸器線圈；
Y6：YA1徑向移動(dòng)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(kāi)關(guān)SB1—SB4屬于按鈕開(kāi)關(guān)，SQ0—SQ9屬于限位（行程）開(kāi)關(guān)，SA1—SA6是表示控制開(kāi)關(guān)。在這些開(kāi)關(guān)當(dāng)中限位開(kāi)關(guān)是起保護(hù)作用的，如SQ8，SQ9切向超行程保護(hù)開(kāi)關(guān)，SQ2，SQ4軸向超行程保護(hù)開(kāi)關(guān)。如由上圖可以看出來(lái)PLC的外部接線圖，當(dāng)PLC的控制邏輯程序?qū)懭牒?，就可以進(jìn)行測(cè)試的，下面我們就開(kāi)始進(jìn)行軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，它是實(shí)現(xiàn)外部硬件的邏輯，所以是非常重要的，只有設(shè)計(jì)的合理，才能保證機(jī)器的正常運(yùn)行。
4軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.1 PLC程序設(shè)計(jì)的相關(guān)指令
1.微分指令（PLS/PLF）
（1）PLS（上升沿微分指令） 在輸入信號(hào)上升沿產(chǎn)生一個(gè)掃描周期的脈沖輸出。
（2）PLF（下降沿微分指令） 在輸入信號(hào)下降沿產(chǎn)生一個(gè)掃描周期的脈沖輸出。
PLS、PLF指令的使用說(shuō)明：
1）PLS、PLF指令的目標(biāo)元件為Y和M；
2）使用PLS時(shí)，僅在驅(qū)動(dòng)輸入為ON后的一個(gè)掃描周期內(nèi)目標(biāo)元件ON；使用PLF指令時(shí)只是利用輸入信號(hào)的下降沿驅(qū)動(dòng)，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(diǎn)的連接。執(zhí)行MC后，左母線
MC觸點(diǎn)的后面
（2）MCR（主控復(fù)位指令） 它是MC指令的復(fù)位指令，即利用MCR指令恢復(fù)原左母線的位置。
在編程時(shí)常會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，多個(gè)線圈同時(shí)受一個(gè)或一組觸點(diǎn)控制，如果在每個(gè)線圈的控制電路中都串入同樣的觸點(diǎn)，將占用很多存儲(chǔ)單元，使用主控指令就可以解決這一問(wèn)題。利用MC N0 M100實(shí)現(xiàn)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(jí)，在無(wú)嵌套結(jié)構(gòu)中N0的使用次數(shù)無(wú)限制；利用MCR N0恢復(fù)到原左母線狀態(tài)。如果X0斷開(kāi)則會(huì)跳過(guò)MC、MCR之間的指令向下執(zhí)行。
MC、MCR指令的使用說(shuō)明：
（1）MC、MCR指令的目標(biāo)元件為Y和M，但不能用特殊輔助繼電器。MC占3個(gè)程序步，MCR占2個(gè)程序步；
（2）主控觸點(diǎn)在梯形圖中與一般觸點(diǎn)垂直。主控觸點(diǎn)是與左母線相連的常開(kāi)觸點(diǎn)，是控制一組電路的總開(kāi)關(guān)。與主控觸點(diǎn)相連的觸點(diǎn)必須用LD或LDI指令。
（3）MC指令的輸入觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)，在MC和MCR之內(nèi)的積算定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、用復(fù)位/置位指令驅(qū)動(dòng)的元件保持其之前的狀態(tài)不變。非積算定時(shí)器和計(jì)數(shù)器，用OUT指令驅(qū)動(dòng)的元件將復(fù)位。
（4）在一個(gè)MC指令區(qū)內(nèi)若再使用MC指令稱為嵌套。嵌套級(jí)數(shù)最多為8級(jí)，編號(hào)按N0→N1→N2→N3→N4→N5→N6→N7順序增大，每級(jí)的返回用對(duì)應(yīng)的MCR指令，從編號(hào)大的嵌套級(jí)開(kāi)始復(fù)位。
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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(lái)便利。在FX系列PLC中有11個(gè)存儲(chǔ)單元，它們專門(mén)用來(lái)存儲(chǔ)程序運(yùn)算的中間結(jié)果，被稱為棧存儲(chǔ)器。
（1）MPS（進(jìn)棧指令） 將運(yùn)算結(jié)果送入棧存儲(chǔ)器的第一段，同時(shí)將先前送入的數(shù)據(jù)依次移到棧的下一段。
（2）MRD（讀棧指令） 將棧存儲(chǔ)器的第一段數(shù)據(jù)（最后進(jìn)棧的數(shù)據(jù)）讀出且該數(shù)據(jù)繼續(xù)保存在棧存儲(chǔ)器的第一段，棧內(nèi)的數(shù)據(jù)不發(fā)生移動(dòng)。
（3）MPP（出棧指令） 將棧存儲(chǔ)器的第一段數(shù)據(jù)（最后進(jìn)棧的數(shù)據(jù)）讀出且該數(shù)據(jù)從棧中消失，同時(shí)將棧中其它數(shù)據(jù)依次上移。
堆棧指令的使用說(shuō)明：
1）堆棧指令沒(méi)有目標(biāo)元件；
2）MPS和MPP必須配對(duì)使用；
3）由于棧存儲(chǔ)單元只有11個(gè)，所以棧的層次最多11層。
4.邏輯反、空操作與結(jié)束指令（INV/NOP/END）
（1）INV（反指令） 執(zhí)行該指令后將原來(lái)的運(yùn)算結(jié)果取反。使用時(shí)應(yīng)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(dú)使用。
（2）NOP（空操作指令） 不執(zhí)行操作，但占一個(gè)程序步。執(zhí)行NOP時(shí)并不做任何事，有時(shí)可用NOP指令短接某些觸點(diǎn)或用NOP指令將不要的指令覆蓋。當(dāng)PLC執(zhí)行了清除用戶存儲(chǔ)器操作后，用戶存儲(chǔ)器的內(nèi)容全部變?yōu)榭詹僮髦噶睢?
（3）END（結(jié)束指令） 表示程序結(jié)束。若程序的最后不寫(xiě)END指令，則PLC不管實(shí)際用戶程序多長(zhǎng)，都從用戶程序存儲(chǔ)器的第一步執(zhí)行到最后一步；若有END指令，當(dāng)掃描到END時(shí)，則結(jié)束執(zhí)行程序，這樣可以縮短掃描周期。在程序調(diào)試時(shí)，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(wú)誤后，依次刪除END指令，直至調(diào)試結(jié)束。
4.2根據(jù)控制要求繪制梯形圖
該控制系統(tǒng)分別控制著四臺(tái)電機(jī)（主電機(jī)，冷卻電機(jī)，液壓泵電機(jī)，軸向快速移動(dòng)電機(jī)）和兩個(gè)油缸（徑向移動(dòng)油缸，平衡油缸）的動(dòng)作過(guò)程，當(dāng)電箱門(mén)關(guān)閉之后SQ0被壓動(dòng)即X4閉合，此時(shí)機(jī)床才能起動(dòng)，以確保安全。合上操作開(kāi)關(guān)SA1即X16閉合則液壓泵電機(jī)起動(dòng)，當(dāng)達(dá)到一定油壓之后水銀繼電器觸點(diǎn)動(dòng)作即X24閉合，機(jī)床充分潤(rùn)滑。當(dāng)確定傳動(dòng)箱門(mén)閉合即SQ5、SQ6閉合后，按動(dòng)SB1即X0閉合主電機(jī)起動(dòng)，這是才能順利啟動(dòng)主電機(jī)，此時(shí)的主電機(jī)是正傳的。主電機(jī)正反轉(zhuǎn)由操作開(kāi)關(guān)SA3即X20進(jìn)行轉(zhuǎn)換，當(dāng)SA3斷開(kāi)時(shí)常閉觸點(diǎn)閉合，常開(kāi)觸點(diǎn)打開(kāi)，這時(shí)接通正轉(zhuǎn)控制線路；當(dāng)SA3閉合時(shí)即X20常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，接通反轉(zhuǎn)控制線路。當(dāng)操作開(kāi)關(guān)SA6閉合時(shí)即X17常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，按動(dòng)SB1可實(shí)現(xiàn)主電機(jī)的點(diǎn)動(dòng)控制。在主電機(jī)起動(dòng)以后，合上SA5即X2l閉合使冷卻電機(jī)起動(dòng)。當(dāng)機(jī)床操作手柄轉(zhuǎn)到刀架快速移動(dòng)位置時(shí)SQ3被壓動(dòng)即X7閉合．為軸向快速電機(jī)起動(dòng)做準(zhǔn)備。按下SB3即X2閉合，使KM6得電，刀架快速向上移動(dòng)；按下SB4即X3閉合，使KM5和YA2得電，刀架向下快速移動(dòng)。當(dāng)操作開(kāi)關(guān)SA4即X22合上時(shí)YA1得電，工作臺(tái)徑向快速進(jìn)給。按下SA2照明燈開(kāi)關(guān)就可以打開(kāi)照明燈，這個(gè)必須是在機(jī)器啟動(dòng)后才行。
根據(jù)上面的功能描述，可以畫(huà)出如圖2 所示的梯形圖來(lái)，這個(gè)圖表示了電機(jī)啟動(dòng)順序及工作的內(nèi)在邏輯和條件。我主要講講延時(shí)繼電器和MCR指令在這個(gè)梯形圖的重要作用，啟動(dòng)主電機(jī)前，先要關(guān)閉電箱門(mén)，啟動(dòng)液壓泵電機(jī)，當(dāng)液壓達(dá)到一定的壓力值后，水銀繼電器觸點(diǎn)動(dòng)作即X24閉合，但閉合后不能立即可以啟動(dòng)主電機(jī)，延時(shí)一段時(shí)間后，等液壓保持穩(wěn)定后，才允許主電機(jī)啟動(dòng)，這就是延時(shí)繼電器在這里起到的作用。而關(guān)于MCR指令是在多個(gè)線圈同時(shí)受一個(gè)或一組觸點(diǎn)控制，如果在每個(gè)線圈的控制電路中都串入同樣的觸點(diǎn)，將占用很多存儲(chǔ)單元，使用主控指令就可以解決這一問(wèn)題。當(dāng)M1中間繼電器閉合以后，就可以啟動(dòng)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(yùn)行的先覺(jué)條件。
圖 2
5結(jié)束語(yǔ)
本文利用PLC對(duì)YM3150E精密型滾齒機(jī)進(jìn)行改造，使得機(jī)器的的操作更簡(jiǎn)單，靈活，更是方便維修，發(fā)揮出了PLC控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠，控制靈活的優(yōu)點(diǎn)。在改進(jìn)的過(guò)程中，需要對(duì)機(jī)器進(jìn)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(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)就必須謹(jǐn)慎。
小結(jié)
在指導(dǎo)老師張高峰副教授的精心輔導(dǎo)下，經(jīng)過(guò)近一個(gè)學(xué)期的努力，基本完成了此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)。
通過(guò)這個(gè)過(guò)程，對(duì)大學(xué)四年所學(xué)的專業(yè)知識(shí)和各項(xiàng)技能都有了一個(gè)重新的認(rèn)識(shí)，是一個(gè)階段性提高自我的過(guò)程，從中，也不斷發(fā)現(xiàn)自己在專業(yè)知識(shí)和創(chuàng)新思維方面的不足，達(dá)到改進(jìn)的目的。
在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，經(jīng)常性的查閱各種資料和文獻(xiàn)，經(jīng)常碰到一些以前未遇到的問(wèn)題，都促使我反復(fù)思考探究，或者向人請(qǐng)教，學(xué)到了不少的知識(shí)。特別是對(duì)本課題的相關(guān)知識(shí)，有了更深層次的理解和消化，在電氣控制技術(shù)方面有了顯著的提升。
在此感謝我的指導(dǎo)老師和幫助我的老師們！
致 謝
經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的努力，畢業(yè)設(shè)計(jì)接近了尾聲，也意味著我大學(xué)四年的生活接近了尾聲?；仡欉@幾年的學(xué)習(xí)，感慨頗深，收獲頗多。
在此我首先要衷心的感謝我的指導(dǎo)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(shè)計(jì)。從課題的選題、開(kāi)展到論文的撰寫(xiě)、結(jié)稿，自始至終都得到了張高峰老師的悉心指導(dǎo)與熱情幫助。他淵博的學(xué)識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)，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(jīng)歷必將對(duì)我日后的工作生活起到良好的促進(jìn)作用。
同時(shí)，感謝學(xué)校給予我的培養(yǎng)，使我在走入社會(huì)前有了一個(gè)立身的平臺(tái)。
再次，我要感謝我的父母，沒(méi)有他們的支持，我便沒(méi)有今天的成就，是他們辛勤的勞動(dòng)使我有了在湘潭大學(xué)深造的機(jī)會(huì)。
最后，我還要謝謝我的大學(xué)同窗們，大學(xué)能認(rèn)識(shí)你們，是我人生的一筆寶貴的財(cái)富。你們平時(shí)和我一起討論關(guān)于學(xué)習(xí)的點(diǎn)點(diǎn)滴滴，使我有了更大的進(jìn)步。
興湘學(xué)院
06級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化一班
李增
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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(xiàn)翻譯
硬質(zhì)合金刀加工合金718時(shí)刀具磨損建模
J. Lorentzon _, N. Ja¨rvstra? t
關(guān)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(shí)的問(wèn)題，因此它是理解和定量預(yù)測(cè)刀具磨損和刀具壽命的重要的依據(jù)。本文的實(shí)驗(yàn)證明工具磨損模型并已用商業(yè)有限元（FE）的代碼來(lái)預(yù)測(cè)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(duì)速度的不斷演進(jìn)，以適應(yīng)幾何中的變化。對(duì)不同的摩擦和磨損模型進(jìn)行了分析，以及它們對(duì)預(yù)測(cè)磨損配置的影響進(jìn)行評(píng)估。分析表明，一個(gè)更先進(jìn)的摩擦模型比庫(kù)侖摩擦是更重要的，以便獲得準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)磨損，大大提高了速度的預(yù)測(cè)精度，從而對(duì)模擬磨損產(chǎn)生重大影響。實(shí)驗(yàn)取得了一致的硬質(zhì)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(jī)器。這些合金是在高溫高強(qiáng)度下進(jìn)行機(jī)械加工的，從而涉及部隊(duì)使用，大大超出了鋼鐵加工發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)度。此外，接觸長(zhǎng)度較短，這就會(huì)在工具芯片接口引起變形。加工硬化，可高達(dá)百分之30 ，遇到的另一個(gè)問(wèn)題是這些合金加工時(shí)，因?yàn)檫@可能導(dǎo)致在側(cè)翼面對(duì)嚴(yán)重的刀具磨損。低鎳引起高溫合金的熱導(dǎo)率是另一個(gè)問(wèn)題，通過(guò)溫度的測(cè)量，表明溫度比鋼高。
在該芯片接口的高應(yīng)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(guò)程，以預(yù)測(cè)磨損率，提高刀具壽命。在過(guò)去，試驗(yàn)方法一直是主要方式?，F(xiàn)在，數(shù)值方法的不斷發(fā)展，如有限元法（FEM）以及更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，如切削過(guò)程仿真的復(fù)雜的接觸問(wèn)題。
有限元法已被證明是一個(gè)芯片的形成過(guò)程分析和預(yù)測(cè)過(guò)程變量，如溫度的有效方法，力量，強(qiáng)度等等，因此，其模擬的使用大大增加，在過(guò)去十年中，熱力耦合仿真切屑形成過(guò)程一直被許多學(xué)者關(guān)注，如麥金利和莫納漢等等。近來(lái)，對(duì)刀具磨損的演變進(jìn)行了模擬，也通過(guò)實(shí)施磨損率方程，在有限元軟件上應(yīng)用。該方法已使用于鋼鐵，計(jì)算磨損率預(yù)測(cè)，從切割變量，和更新的工具移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的幾何形狀。取得了相當(dāng)好的準(zhǔn)確性，該方法可以作為最先進(jìn)的造型加工看待。
不過(guò)，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(cè)量幾何之間的差距相當(dāng)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(diǎn)不好做，要同時(shí)與建模工具磨損，并在芯片界面摩擦，因?yàn)檫@些現(xiàn)象是密切相關(guān)。摩擦應(yīng)力正應(yīng)力成正比。然而，摩擦壓力是有限的，當(dāng)正應(yīng)力比剪應(yīng)力較大的流動(dòng)狀態(tài)。這是在周圍的工具提示，其中實(shí)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(zhǔn)確的結(jié)果。這在以前沒(méi)有考慮刀具磨損模擬，那里的摩擦系數(shù)在模型的剪切工具界面摩擦片或由庫(kù)侖摩擦力一直不斷形成。
1.1.目標(biāo)
這項(xiàng)工作的總體目標(biāo)是建立一個(gè)有限元工具磨損模型，可以預(yù)測(cè)在硬質(zhì)合金刀具加工鎳基合金的磨損幾何定量。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，不同的磨損和摩擦模型的影響磨損過(guò)程參數(shù)，如溫度和相對(duì)速度，一直在調(diào)查和預(yù)測(cè)工具的磨損幾何使用。具體來(lái)說(shuō)，在這里分為摩擦和磨損（2.1.4節(jié)中更詳細(xì)地描述和2.2）。
1.1.1磨損
W1.Usui的經(jīng)驗(yàn)?zāi)p率模型[14-16]，這是一個(gè)接觸壓力，相對(duì)速度和絕對(duì)溫度的函數(shù);
W2.對(duì)于Usui的模型，第二組的參數(shù)給予不同的溫度進(jìn)行了研究;
W3.磨損率包括絕對(duì)溫度功能的依賴;
W4. Usui磨損率修正模型，包括相對(duì)速度指數(shù);
W5.振動(dòng)調(diào)整Usui模型，其中一個(gè)常數(shù)項(xiàng)被添加到相對(duì)速度的振動(dòng)，這是芯片中不存在形成的模型而造成的。
1.1.2.摩擦
F1庫(kù)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(kù)侖摩擦系數(shù),是尖端減少對(duì)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(gè)有限元模型和切屑形成磨損模型計(jì)算接觸點(diǎn)的磨損率，進(jìn)而相應(yīng)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(wǎng)格與定期重構(gòu)，以避免內(nèi)容失真。在切割過(guò)程需要熱力耦合分析，因?yàn)闄C(jī)械的工作轉(zhuǎn)化為熱能，造成熱壓力影響材料的特性。兩種類型的熱，假設(shè)通常用于機(jī)械切削模擬，即完全耦合絕熱加熱和熱機(jī)械計(jì)算。在這項(xiàng)工作中的耦合，交錯(cuò)，模型已被使用。這意味著，首先是遞增傳熱，其次是應(yīng)力分析，增量的時(shí)間設(shè)置為1.5毫秒。準(zhǔn)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(xué)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(zhǎng)度0.5mm的高度，并在仿真模型所使用的工具是2毫米長(zhǎng)，2毫米高，其尖端半徑設(shè)置為16毫米測(cè)量后角和前角61 01，切割速度為0.75米/秒
2.1.2．網(wǎng)格
工件的網(wǎng)狀圖中可以看出該網(wǎng)格調(diào)整技術(shù)，他使用了前四推進(jìn)。網(wǎng)格創(chuàng)造 沿給定的輪廓邊界和邊界單元網(wǎng)格創(chuàng)作開(kāi)始繼續(xù)向內(nèi)，直到整個(gè)地區(qū)都有網(wǎng)狀。所用的元素的數(shù)量約為6000元，最低為2毫米集大小。圖中可見(jiàn)。用細(xì)網(wǎng)在周圍的物質(zhì)分離的工具提示。該工具中網(wǎng)狀分子大約有5000個(gè)，最小的元素是2毫米大小。
2.1.3．材料特性
一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)變程度，應(yīng)變速率，溫度各有一對(duì)材料流動(dòng)應(yīng)力強(qiáng)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(yù)測(cè)芯片的形成。在這里，忽略了在1 / s的104 / s時(shí)，室溫為[18]和102之間幾乎為零/ s和105 / 300集成電路s時(shí)）應(yīng)變率的依賴性，一率略有（約10％獨(dú)立分段線性塑性模型使用。相反，流動(dòng)應(yīng)力曲線后[18高應(yīng)變率（104 / s）的使用]，見(jiàn)圖2。該流動(dòng)應(yīng)力溫度趨勢(shì)摘自[20]。其他工件材料性能使用可以在圖3看到。
對(duì)未涂層硬質(zhì)合金刀具的材料特性被認(rèn)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(xiàng)工作中，使用三個(gè)不同的摩擦。在每一種情況下，摩擦系數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定，以5％以內(nèi)的相關(guān)模擬和測(cè)量力量。該進(jìn)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(jìn)給速度限制，因此摩擦提供了相當(dāng)大的一部分進(jìn)給力。使用的模型是：
F1：在庫(kù)侖摩擦力模型指出，摩擦力是成正比的接觸壓力，通過(guò)摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)設(shè)置為1.0：
（1）
F2：剪切摩擦模型，其中指出，摩擦力是一個(gè)等效壓力。（2）.摩擦系數(shù)m，設(shè)置為1.1：
（2）
F3：作為新一代的庫(kù)侖摩擦力模型，但這里有兩個(gè)不同的摩擦系數(shù)，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(shù)設(shè)置為0.75。在其他地方的摩擦系數(shù)設(shè)置為1.1。這方面的一個(gè)原則是在圖.4。該模型是物理學(xué)家佐列夫在高正應(yīng)力摩擦下等到的。
2.1.5.產(chǎn)生的熱量
在加工過(guò)程中產(chǎn)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(zhuǎn)化為熱量，這時(shí)設(shè)置為1轉(zhuǎn)換。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，這是不正確的，因?yàn)橛行┕ぷ魇谴嬖谒苣z材料儲(chǔ)存，但儲(chǔ)存的相對(duì)比例是未知的，因?yàn)檫@么大變形的塑料儲(chǔ)存工作的一小部分被忽略。產(chǎn)生的熱率因摩擦是由下式給予
在這里，F(xiàn)fr是摩擦力和VR是相對(duì)滑動(dòng)速度。
在因摩擦產(chǎn)生的熱量是同樣的兩個(gè)接觸到分發(fā)機(jī)構(gòu)。這些熱量是從工件轉(zhuǎn)移，由于對(duì)流和傳導(dǎo)對(duì)環(huán)境輻射的忽視。在傳熱之間的工具和工件接觸系數(shù)設(shè)置為1000kW/m2k，而根據(jù)菲利斯等允許數(shù)值之間的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)證據(jù)可以獲得令人滿意的結(jié)果，但應(yīng)該指出，這是對(duì)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(jìn)一步修改后的測(cè)試：
W1：經(jīng)驗(yàn)式的磨損率模型公式（5）模型作為接觸壓力，相對(duì)速度，vrel和絕對(duì)溫度T功能的磨損率：
W2：一種不同的測(cè)試參數(shù)設(shè)置也是為了調(diào)查的溫度依賴性的影響。
W3：磨損率模型公式（6）能夠占主導(dǎo)擴(kuò)散磨損在較高的溫度。模型是在絕對(duì)溫度，T，以及常數(shù)分別為D，這是一個(gè)材料常數(shù)，活化能和R（8.314千焦耳/摩爾K）的玻爾茲曼常數(shù)：
W4：通過(guò)添加改變性能相對(duì)速度的指數(shù)式的磨損率模型公式（4）：
W5：振動(dòng)調(diào)整Usui的磨損率式。 （4）;一常數(shù)項(xiàng)被添加到相對(duì)速度的振動(dòng)其中不包含芯片的形成模型：
2.2.1.磨損模型常數(shù)
第一測(cè)定模型常數(shù)，對(duì)工具磨損選定的材料進(jìn)行加工試驗(yàn)，然后根據(jù)有限元模擬，同樣的條件，最后的磨損率計(jì)算模型的常數(shù)，通過(guò)回歸分析，給。這次B參數(shù)值也用在這里，雖然在芯片的摩擦系數(shù)不同，形成的模式，會(huì)因?yàn)樗F(xiàn)在就校準(zhǔn)而補(bǔ)償?；谶@個(gè)原因，一個(gè)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，以使在相同的實(shí)驗(yàn)中。用同樣的方法來(lái)校準(zhǔn)的A，D，A0和型號(hào)為W1的磨損，W2，W3，W4和W5號(hào)A00。校準(zhǔn)參數(shù)列于表2和3。在W3的方程式（6），E被設(shè)定為75.35千焦耳/摩爾。
3.分析步驟
車削操作，相對(duì)于溫度和力量靜止?fàn)顟B(tài)，一般將會(huì)在滲入工件和隨后的芯片形成初期短暫進(jìn)入高溫。這時(shí)對(duì)該工具的磨損進(jìn)度預(yù)測(cè)會(huì)被忽視。相反，刀具磨損的預(yù)測(cè)，是基于固定切屑形成條件，并通過(guò)刀具磨損預(yù)測(cè)的。第一步是固定的，因此是計(jì)算芯片的條件。最后，通過(guò)對(duì)磨損模型中被激活的芯片形成過(guò)程分析和計(jì)算刀具磨損的進(jìn)展。
3.1.切屑形成
為了達(dá)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(gè)對(duì)象在形成模擬芯片上要執(zhí)行，必須存在并且從模擬網(wǎng)狀開(kāi)始。因而為達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下將計(jì)算進(jìn)行[26]瞬態(tài)分析。幸運(yùn)的是，通過(guò)降低熱容量的工具，它可以更快地達(dá)到平衡，在我們的例子中，這是1500年后獲得約遞增，見(jiàn)圖. 5。
此時(shí)，降低熱容量的原因是參加了較長(zhǎng)時(shí)間的作用。計(jì)算熱增量相同比例的效果比機(jī)械的增加，這可以看式（5）。請(qǐng)注意，左邊在穩(wěn)態(tài)消失，而增加了變化的速度，達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件：
在這里，T是溫度，k是熱導(dǎo)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(gè)有限元模型和切屑形成磨損模型作為子程序計(jì)算接觸點(diǎn)的磨損率，相應(yīng)地修改工具幾何實(shí)施。磨損率的計(jì)算使用的每一個(gè)與母材接觸工具節(jié)點(diǎn)Usui的經(jīng)驗(yàn)?zāi)p模型。為了做到這一點(diǎn)，溫度，相對(duì)速度，并在接觸應(yīng)力的有限元芯片在與工件接觸工具的所有節(jié)點(diǎn)形成的模擬計(jì)算獲得計(jì)算值，然后受聘于用戶子程序來(lái)計(jì)算磨損率，見(jiàn)圖.6。通過(guò)計(jì)算磨損率，分析該工具的幾何形狀，然后更新移動(dòng)芯片中的有限元仿真工具形成特定節(jié)點(diǎn)，請(qǐng)參閱[5]。一個(gè)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)方向是基于在該節(jié)點(diǎn)接觸壓力的方向。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)后，所有的結(jié)合點(diǎn)的數(shù)據(jù)映射到新的融合點(diǎn)位置和切屑形成繼續(xù)模擬，通過(guò)工作物質(zhì)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(huì)自動(dòng)網(wǎng)格，使用四方面推進(jìn)再劃分技術(shù)，再規(guī)定頻率。
磨損計(jì)算是1800年開(kāi)始增加，見(jiàn)圖.5，在穩(wěn)態(tài)方面都包括力和溫度。磨損計(jì)算分為1200增量，每個(gè)幾何工具更新。使用較少的增量將導(dǎo)致收斂問(wèn)題和數(shù)值錯(cuò)誤，但是使用更多的增量，會(huì)增加不必要地計(jì)算時(shí)間。磨損計(jì)算大約相當(dāng)于15秒的無(wú)潤(rùn)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