2204 Y3150E型滾齒機的PLC改造

2204 Y3150E型滾齒機的PLC改造,y3150e,型滾齒機,plc,改造 1旋轉彎曲軸承的微加工H.P.Luo, B.Zhang, Z.X.Zhou湖南大學，湖南，中國美國康涅狄格大學，CT，美國摘要本研究方案提出了一種新型的以研究旋轉彎曲軸承為基礎的彈性彎曲的設計方法。軸承在一個完整的旋轉振蕩周期里具有潛在的高重復性流暢的運動、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，該研究還從其結構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、應力分析和計算（如非線性有限元分析、靜態(tài)和疲勞強度設計） 、運動誤差分析、誤差減少方案、參數(shù)化設計等提供了設計分析。關鍵詞：主軸、有限元方法、旋轉彎曲軸承。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、制藥和通信。這些可以是微型機器（M- 機器）或微型設備（M-設備） ，它們通常具有體積小、重量輕、高能量轉換效率和低能耗消耗、快速響應、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)療設備、M 衛(wèi)星、M 齒輪、 M 泵、 M 閥、M 傳感器和 M 驅動器。大部分微型機械設備都具有的一個共同特點是：其結構也越來越復雜，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 技術已被廣泛應用在 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 的微型制造技術把微型機器設計或微型設備達到納米級精度的水平。這項研究提出了一種新穎的旋轉彎曲軸承能夠實現(xiàn)高轉速/振蕩運動精度的設計方法。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、三坐標測量機。軸承的設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/ 小值振蕩運動。2.擬議的旋轉彎曲軸承圖 1 顯示了一個旋轉彎曲軸承示意圖，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） 。軸承引導軸承軸旋轉/小值振蕩運動期望獲得非常高的準確性。整個設計的尺寸緊湊，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/小值振蕩的精度都能夠得以保證。2.1 一般的設計方法軸承必須滿足以下的要求：1.應該能夠完成一個完整的旋轉/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.具備納米級旋轉運動精度的水平或更好；4.結構緊湊，以適應各種微型機器或設備的有限空間。在擬議的設計中，內部和外部的軸承籠嵌套連接在一端（圖 1 左端） 。2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構設計，擬議的兩片設計純粹是基于制造角度考慮的，因為單片的設計制造是極其困難的。在圓周方向，軸對稱安排在內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?？梢缘玫?360°（一個完整的周期）或者更大的旋轉/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計，但這樣會使軸承更長剛性變差。否則，軸承具有緊湊的結果和相對較高的剛性強度的設計。應當指出，從理論上說軸承應無運動誤差。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計是一個非常有效的設計手段。在本設計中，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。3圖 2 軸承的縮頸現(xiàn)象2.1.4 多個系列的復合軸承部分一個完整的旋轉周期，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。也可能導致超過偏轉所謂的“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使用多個系列的復合軸承設計。2.1.5 軸承籠嵌套設計軸承采用圓周方向的彎曲變形以實現(xiàn)其旋轉運動，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計。在這個設計中，內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 右側端）內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的軸承保持r?架的運動誤差。在嵌套和軸對稱設計中，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構更為緊湊。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妥善設計，一盡量減少應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/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 設備的應用要求。材料的選擇都應考慮以下的情況：1.高的靜態(tài)強度。為了實現(xiàn)軸承的彈性彎曲變形最大，軸承材料應有一個大的彈性模量，屈服強度比盡可能大，這被認為是對材料最重要的要求。2.材料密度低。軸承材料的密度應該盡可能低，以盡量減少偏轉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量密度相結合。4.良好的可加工性。軸承材料必須易于加工，加工軸承應具備良好的表面光潔4度、表面完整性和三維精度。圖 3 嵌套的內部和外部的籠設計，有效降低軸承的軸向誤差 r?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)境下它不應該有老化和蠕變問題?；谏鲜鲈谶x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）?????????????????????????21asacEAM??在式（1）中 a1 和 a2 是選材的動態(tài)和靜態(tài)性能指標；A1 和 A2 是各自的動態(tài)和靜態(tài)性能指標加權因子；E 和 是材料的彈性模量和質量密度，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c 3m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，這種材料能達到很到的表面光潔度和尺寸精度，應當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定為最好的軸承材料選擇。應當指出，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力集中（疲勞缺口敏感性或應力集中敏感性） 。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小于 Ra2.5 微米，邊緣光滑并沒有尖銳的缺口或坑。52.3 設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/振蕩過程中出現(xiàn)斷裂，受力分析需要在軸承結構設計之前進行詳細的應力計算。在設計計算時，應用有限元法（FEM）用在各自的內部和外部的軸承籠進行分析，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。在這樣的有限元分析過程中獲得內部軸承部分的應力分布及最大應力點。當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力狀態(tài)。圖 4 受到順時針和逆時針旋轉的軸承部分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，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計內部和外部的軸承套來達到目的，這樣可以使軸承套在外部負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/外軸承部分受到外部轉矩條件的軸向誤差運動的有限元分析結果。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 疲勞分析和設計因為受到循環(huán)應力，因此為了軸承有一個較長的壽命必須在設計階段考慮軸承的疲勞問題。軸承材料為鈦合金，其 S-N 曲線不應該超出該材料循環(huán)加載條件下的耐力極限。設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。軸承的應力水平是與角位移成正比的，當軸承的應力達到最大值時，其角6位移也達到最大。在單軸、恒定振幅和非對稱循環(huán)應力條件下，軸承的彈性彎曲承圖 5 嵌套單一內/外的軸承部分受到外部轉矩條件的軸向誤差運動圖 6 旋轉彎曲軸承的裝配受非對稱循環(huán)三軸復雜的應力。其疲勞安全系數(shù)表示為：（2）maekn??????????????1在公式（2）中 被稱為平均應力的影響因素，它與循環(huán)應力、材料特性、應力集中系數(shù)和材料的熱處理方法有關。它也可以得到材料的脈動循環(huán)疲勞極限 的方程為：0（3）012????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1?的軸承套子、材料缺陷和材料的熱處理條件、環(huán)境和負載條件下的三維表面的完整性和準確性多種因素的影響。當軸承的疲勞強度 等于或超過了允許的疲?n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)應力來確定其它的因素，如應力狀態(tài)、軸承加工和加工后的條件以及軸承的應用環(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7是典型的單向軸向載荷條件下進行的，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該是在實際符合條件下對軸承進行實際的測試。相比無限壽命的軸承設計，軸承被設計為不一定有頻繁的周期性振蕩應用程序的有限生命的軸承。在設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計。3 原型設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，應進行專用夾具的設計和制造。與通用夾具相比，專用夾具工件受純拉伸力是可調的。圖 6 顯示了軸承的裝配，它由內/外網(wǎng)籠、軸承軸、耦合伺服電機軸承。根據(jù)測量結果，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。雖然軸承的設計、制造和裝配都已經(jīng)做好了，但其性能的實驗尚在進行。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。測試結果將在不久的將來發(fā)表出來。4 總結和對未來的期望旋轉彎曲軸承已被設計和制造，軸承有望實現(xiàn)在應用程序中的高精度的旋轉/振蕩運動的微型制造。表現(xiàn)軸承的特征是一個相當艱巨的任務，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)，軸承的設計將在工業(yè)應用中得到很大的改善。參考文獻[1] Alting L, Kimura F, Hansen H-N, Bissacco G (2003) Micro Engineering.Annals ofthe CIRP 52(2):635–657.[2] Malek C-K, Saile V (2004) Applications of LIGA Technology to PrecisionManufacturing of High Aspect-Ratio Micro-Components and Systems: AReview. Microelectronics Journal 35:131–143.[3] Masuzawa T (2000) State of the Art of Micro-Machining. Annals of the CIRP49(2):473–488.[4] Forster R, Schoth A, Menz W (2005) Micro-ECM for Production of Microsys-tems With a High Aspect Ratio. Microsystem Technologies11(4–5):246–249.[5] Sun X, Masuzawa T, Fujino M (1996) Micro-Ultrasonic Machining and ItsApplications in MEMS. Sensors and Actuators A 57:159–164.[6] Rizvi N-H (2003) Femtosecond Laser Micro-Machining: Current Status andApplications. RIKEN Review50:107–112.[7] Moon Y-M, Trease B-P, Kota S (2004) Design of Large-Displacement CompliantJoints. ASME Transactions Journal of Mechnical Design127(4):788–798.[8] Howell L-L (2001) Compliant Mechanisms. John Wiley & Sons, Inc., New York.[9] Culpepper M-L, Kim S-H (2004) Design of a Reconfigurable, Monolithic Com-pliant Mechanism for a Six-Axis Nanomanipulator, in: Proceedings of ASMEDETC, Salt Lake City, USA, pp 1–5.[10] Zhao S-B (1994) Anti-Fatigue Design . Mech. Industry Press, Beijing.8XXXX畢業(yè)設計說明書題 目：Y3150E 型滾齒機的 PLC 改造 學 院： XXXX 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學 號： XXXX 姓 名： XXXX 指導教師： XXXX 完成日期： 2012 年 5 月 27 號 XXXX畢業(yè)論文（設計）任務書論文（設計）題目： Y3150E 型滾齒機 PLC 系統(tǒng)改造 學號： XXXX 姓名： XXXX 專業(yè)： 機械設計制造設計及其自動化 指導教師： XXXX 系主任： 周友行 一、主要內容及基本要求本課程設計完成對 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 硬件設計和軟件設計，并對滾齒機進行改造后的試切驗證。需編寫相應的設計說明書，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。 二、重點研究的問題滾齒機控制系統(tǒng)改造的總體方案設計以及其硬件設計和軟件設計。 三、進度安排序號 各階段完成的內容 完成時間1 熟悉課題及基礎資料 第一周2 調研及收集資料 第二周3 方案設計與討論 第三～四周4 滾齒機 PLC 控制系統(tǒng)的設計 第五～八周5 滾齒機的電氣原理圖和梯形圖設計 第九周6 I/O 端口電路接線圖設計 第十周7 撰寫說明書 第十一～十三周8 英文文獻翻譯，答辯 第十四周四、應收集的資料及主要參考文獻[1] 王永華 .現(xiàn)代電氣控制及 PLC 應用技術[M].北京航空航天大學出版社. [2] 朱朝寬，張勇 .典型機床電氣控制解析與 PLC 改造實例[M].機械工業(yè)出版社. [3] 李響初 ,向凌云，余雄輝.實用機床電器控制線路 200 例[M].中國電力出版社. [4] 馬應用，王阿根.電氣可編程控制原理[M].清華大學出版社. [5] 張建民 .機電一體化系統(tǒng)設計[M].高等教育出版社. [6] 濮良貴，紀名剛.機械設計[M].高等教育出版社. [7] 海心，趙華 .機電傳動控制[M].高等教育出版社. [8] 張海根 .機電傳動控制[M].高等教育出版社. [9] 張萬奎 .機床電氣控制技術[M].中國林業(yè)出版社. [10] 馬應用，王阿根.電氣可編程控制原理[M].清華大學出版社. [11] 漆漢宏 .PLC 電氣控制技術[M].機械工業(yè)出版社. [12] 李國厚 .PLC 原理與應用設計[M].化學工業(yè)出版社. [13] 臺達 PLC 編程手冊. XXXX畢業(yè)論文（設計）鑒定意見學號： XXXX 姓名： 劉 志 木 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設計說明書） 50 頁 圖 表 3 張論文（設計）題目： Y3150E 型滾齒機的 PLC 改造 內容提要：本課題是利用 PLC 對原有 Y3150E 型滾齒機進行改造，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。因此通過對機械設備的硬件改造，用多臺伺服電機對各運動部件直接進行控制，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，輸入工件關鍵的參數(shù)后系統(tǒng)能夠自動實現(xiàn)各軸之間的速度調節(jié)，無需操作人員進行掛輪操作。而且還可以利用傳感器對運動部件的位置進行跟蹤和檢測，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。指導教師評語指導教師： 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……………………………………………………………………………………1Reconstruction of Y3150E Precision Gear Hobbing Machine by PLC……2一. 緒論 ………………………………………………………………………………31.1 課題的依據(jù)……………………………………………………………………31.2 課題的研究意義………………………………………………………………41.3 課題的現(xiàn)狀分析………………………………………………………………41.4 PLC 簡介………………………………………………………………………5二.PLC 系統(tǒng)總體設計方案概述……………………………………………………112.1 傳統(tǒng)滾齒機控制系統(tǒng)的功能與技術指標……………………………………112.2 PLC 控制系統(tǒng)設計方案………………………………………………………14三.硬件系統(tǒng)的設計…………………………………………………………………173.1 PLC……………………………………………………………………………173.2 伺服系統(tǒng)………………………………………………………………………193.3 觸摸屏…………………………………………………………………………203. 4 傳感器…………………………………………………………………………213. 5 電源電路………………………………………………………………………213. 6 硬件連接………………………………………………………………………23四.軟件系 統(tǒng)的設計與調試…………………………………………………………284.1 數(shù)控化改造的電氣要求………………………………………………………294.2 I/O 點的分配…………………………………………………………………304. 3 PLC 梯形圖設計 ………………………………………………………………32五.期望與總結………………………………………………………………………34致謝…………………………………………………………………………………36參考 文獻 …………………………………………………………………………37附錄 1 Y3150E 滾齒機相關技術參數(shù)………………………………………………38附錄 2 外國文獻翻譯………………………………………………………………391Y3150E 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 對滾齒機進行改造，設計 PLC 控制系統(tǒng)，使?jié)L齒機的控制更加方便。關鍵詞：滾齒機，控制系統(tǒng)，機電一體化，PLC2Reconstruction of Y3150E Precision Gear Hobbing Machine by PLCAbstractIn 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, PLC3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、調整復雜,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行控制，原設備中的一些機械設備都予以保留，使一些設備得到了充分利用，節(jié)省了許多資金，屬于改造的基本原則。同時設備的操作靈敏度，控制要求都達到廠家的要求，使設備能夠很好的為廠家發(fā)揮很大的作用。因此對其進行 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，即使將原機床的結構4進行徹底改造升級，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，不必像購入新設備那樣重新構筑地基。2）了解設備、便于操與維修，減少后期的培訓、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動內聯(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速實現(xiàn)遠程控制，向最終實現(xiàn)齒輪加工的集成化邁進。1.3 課題現(xiàn)狀分析國內外的基本研究情況是滾齒機從制造技術和核心技術來看，其發(fā)展歷程可分為兩大階段：20 世紀 80 年代之前，以傳統(tǒng)的機械式滾齒機為主導。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)各運動部件的轉速控制和轉速聯(lián)動，勞動量大且傳動鏈長難以保證加工精度；20 世紀 80 年代數(shù)控滾齒機問世，數(shù)控滾齒機按其機床結構和工作特點及制造技術可分為三代: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動技術，縮短了傳動鏈從而保證了高速度、大轉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，高速鋼滾刀切削，轉速達 955r/min，線速度達 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到 DIN Class5 甚至更高，真正達到高精度、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)5項目 GENESISTM130H普通數(shù)控滾齒機齒數(shù) 34 刀具轉速 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)的機械滾出機床結構非常復雜，一臺主電機不僅要驅動展成分度傳動鏈，還要驅動差動和進給傳動鏈，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整起來復雜費時，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 標準的 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 1.2：6表 1.2 普通機床各誤差源對加工精度的影響程度幾何誤差（%） 20┈30熱誤差（%） 25┈35機床誤差（%）機床總誤差（%）45┈65刀具誤差（%）10┈15夾具誤差（%）６┈１０工件熱誤差（%）３┈５操作誤差（%）６┈１０加工過程誤差（%）加工過程總誤差（%）２5┈４０安裝誤差（%）2┈5不確定誤差（%）8┈10檢測誤差（%）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，而機床誤差就達到誤差總額的45%～65%。因此，更新設備，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7圖 1.3 GENESISTM130H 的 7 個數(shù)控軸1.4 PLC 簡介現(xiàn)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(chǎn)品機構、功能與構成、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8“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(xiàn)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(shù)和算術運算等操作的指令，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。㈠ PLC 的國內外的狀況在工業(yè)生產(chǎn)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(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(shù)功能。20 世紀 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(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 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(xiàn)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(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(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡能9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(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(chǎn)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(chǎn)設備及產(chǎn)品中不斷擴大了 PLC 的應用。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?？梢灶A期，隨著我國現(xiàn)代化進程的深入，PLC 在我國將有更廣闊的應用天地。㈡ 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(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(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務產(chǎn)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(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、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(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(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(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。10㈢ 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?？煞譃槲宸N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(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)軸到目標位置。每個軸移動時，位置控制模塊保持適當?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(xiàn) PLC 和 CNC 設備之間內部數(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 設備使用。美國 GE 公司的 CNC 設備新機種也同樣使用了具有數(shù)據(jù)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(wǎng) 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(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(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11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?？删幊唐鲬梅秶?，程序設計語言可以組合使用，常用程序設計語言是： ⒈梯形圖程序設計語言；⒉布爾助記符程序設計語言（語句表） ；⒊功能表圖程序設計語言；⒋功能模塊圖程序設計語言 ；⒌結構化語句描述程序設計語言； ⒍梯形圖與結構化語句描述程序設計語言 ；⒎布爾助記符與功能表圖程序設計語言；  ⒏布爾助記符與結構化語句描述程序設計語言。第二章 PLC 系統(tǒng)總體設計方案概述完成一個改造設計的前提是對需改造對象性能的全面掌握，了解改造前設備存在的問題從而確定改造中需要解決的問題，確定改造目標后再進行系統(tǒng)的設計。2.1 傳統(tǒng)滾齒機控制系統(tǒng)的功能與技術指標傳統(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)各運動部件的轉速控制和聯(lián)動。過長的傳動鏈是導致產(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121.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)正反轉控制。KM2 吸合電機 M1 正傳時實施進給加工，KM3 吸合 M1 反轉時進行退刀。軸向快速運動電機由接觸器 KM5、KM6 實現(xiàn)正、反轉控制。液壓泵電機由接觸器 KM1 控制。主軸的運轉利用齒輪掛箱可帶得刀具高速旋轉和刀具的橫向進給，加工不同工件時應按要求選擇不同的齒輪掛箱，利用齒輪傳動實現(xiàn)各主軸轉速調節(jié)和轉速聯(lián)動；M3 是冷卻泵電動機，只要求單向旋轉；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 要進行長時間工作，所以都裝有過載保護。整個線路由一組總熔斷器做短路保護。⒉ 控制電路㈠ 液壓泵控制總開關 SA1 閉合，為控制電路接通做好準備，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，先將轉換開關 SA3 轉換到 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，主電路接通，電動機 M2 通過外聯(lián)系傳動鏈帶動滾刀正轉（逆銑），由滾刀軸通過內聯(lián)系或者外聯(lián)系傳動鏈帶動刀架、工作臺運動，當?shù)都苓\動到上方或者下方的極限位置時，由行程開關 SQ2 和 SQ4 進行極限位置保護，壓下行程開關，接觸器 KM2 線圈斷電，電動機 M2 停止轉動。當 SA3 轉換到 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，帶動刀具作順銑加工。當按下按鈕 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 M213只能點動旋轉，為機床點動調整控制狀態(tài)，有利于調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，將轉換開關 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，斷開工作進給傳動鏈，壓下行程開關 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，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。當按下按鈕 SB5 時，接觸器 KM5 得電，接通電動機 M4 的反轉電路，軸向快速移動電動機 M4 反轉，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，當轉換開關 SA4 閉合后，電磁鐵 YA1 得電，液壓缸推動工作臺作徑向運動。㈥ 其他控制內容照明電路采用 24V 電源，當將轉換開關 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（低壓斷路器）QF1 時，指示燈 HL1 亮，標志電源接通；當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系為順序控制。3.運動分析通過對滾齒機進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 主軸的高速旋轉且轉速可調：5～495rpm② 滾刀的高速旋轉且轉速可調：500～4000rpm14③ 滾刀的橫向進給且進給速度可調：快速時 5000mm/min④ 上述三種速度可根據(jù)相關參數(shù)實現(xiàn)聯(lián)動。滾齒機工作時，要求能夠實現(xiàn)這三個轉速在很大的范圍內連續(xù)可調，并保證三速度之間存在一定的函數(shù)關系。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.進給控制要求：① 工作臺的垂直方向進給；② 滾刀的橫向進給。應該注意的是滾刀的垂直進給和滾刀的橫向進給應該實現(xiàn)雙速運行，位置較遠時可高速進給，當達到一定位置時，由傳感器發(fā)出信號改為低速進給。另外，加工不同工件，應選擇不同的轉速比，即電機的轉速應該可以按要求調節(jié)。3.保護功能：① 垂直進給行程開關（上下位置）；② 橫向進給行程開關（左右極限位置）。在傳統(tǒng)機床電路中，行程開關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Y3150E 型滾齒機的參數(shù)指標如表 2.1 所示：表 2.1 Y3150E 型滾齒機參數(shù)指標 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刀架最大回轉角度 240°刀架最大垂直行程（Z 軸） 300mmZ 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） 310mmX 軸分辨率 0.001mm允許安裝的最大滾刀直徑 160mm滾刀的轉速 500—4000rpm滾刀橫向進給速度（快速） 500mm/min滾刀最大的的軸向運動量 55mm15最大 535mm滾刀軸線到臺面的距離 最小 253mm最大 330mm工件軸線到滾刀軸的距離 最小 20mm主軸轉速范圍 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)滾齒機進行滾齒加工操作時，為了保證各運動部件的同步進給，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，需要進行掛輪操作進行換檔換速，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雜而導致加工精度低、勞動強度大的缺點，對滾齒機的硬件進行了改造、減少傳動鏈，并利用軟件進行控制，以實現(xiàn)三軸聯(lián)動并進行調速，以期達到提高加工精度、降低勞動強度的目的。 圖 2.3 傳統(tǒng)滾齒機傳動示意圖161 設計思路㈠ 通過機械設備的硬件改造，用多臺伺服電機對各運動部件進行直接控制，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，輸入工件關鍵的參數(shù)后，系統(tǒng)能自動實現(xiàn)三軸之間的速度調節(jié)，無需操作人員進行掛輪操作，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，結合最新的數(shù)控滾齒機傳動技術，在硬件改造上決定實現(xiàn)零傳動技術，即利用伺服電機直接連接旋轉主軸，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，由于其機械結構簡單，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，應充分利用傳感器。在進給的極限位置和原點位置均設置了傳感器對工作臺的進給進行位置跟蹤。從安全的角度出發(fā)，加設了行程開關，與傳感器組合使用，以更好的對機床進行保護。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行各參數(shù)的設定、機床運行情況監(jiān)控，并17能在加工過程中進行故障報警。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 所示的框架設計：圖 2.4 總體設計框架示意圖在圖 2.4 中，電網(wǎng)電壓對 PLC、伺服電機、觸摸屏和傳感器進行供電。為 PLC 供電時，應在 PLC 前加一比一的隔離變壓器以保護 PLC 的安全使用。為伺服驅動電路供電時，因伺服驅動需要采用三相 220V 供電，因此在伺服驅動電路之前加 380V/220V 三相隔離變壓器。伺服驅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)轉速調節(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行監(jiān)控，將信息傳遞給 PLC，由 PLC 對運行過程進行調整，保證程序執(zhí)行過程的精確性。第三章 硬件系統(tǒng)的設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)、以及對位置進行檢測和反饋的傳感器。做好每一部分電路的設計是完成整個電路設計的基礎。本節(jié)主要概述 PLC 的特性和 PLC 的選擇、伺服系統(tǒng)的選擇和應用、傳感器的特性與應用、觸摸屏的使用以及電源設計等內容。183.1 PLC1．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)的對開關量處理的基礎上，又增加了數(shù)字運算及對模擬信號處理的能力。這給 PLC 的應用帶來了巨大的發(fā)展前景。PLC 的基本結構根據(jù)硬件結構的不同，可以把 PC 分為整體和模塊式，近年來又將這兩種形式結合起來的趨勢。PLC 的內部結構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。下面是 PLC 的內部結構單元框圖： 圖 3.1 PLC 內部結構單元圖框1.PLC 的工作過程圖 3.2 掃描過程示意圖 19PLC 一循環(huán)掃描的方式工作如圖 3.2 所示，整個掃描工作過程包括內部處理、通信服務、輸入處理、程序執(zhí)行輸出處理五個階段。PLC 有兩種工作狀態(tài)，即運行狀態(tài)（RUN）和停止狀態(tài)（STOP）。當 PLC 處于停止狀態(tài)時，只完成內部處理和通信工作，主要用于外部程序的編制和修改；當 PLC 處于運行狀態(tài)時，除了完成內部處理和通信服務外，還要完成輸入采用程序執(zhí)行和輸出刷新工作，即執(zhí)行用戶應用程序。PLC 循環(huán)掃描一次所需的時間稱為掃描周期。PLC 運行正常時掃描周期的長短與CPU 的運算速度、I/O 點的情況、用戶應用程序的長短以及編程情況有關。通常用 PLC執(zhí)行 1KB 指令所需的時間來描述掃描速度（一般 1～10ms/KB）。二 PLC 的選型在機床的數(shù)控改造中，控制系統(tǒng)的選擇尤為重要。對于 PLC 型號的選擇問題，首先要對控制任務進行詳細的分析，根據(jù)機床的硬件改造情況和設備具體運行要求，確定出所有的 I/O。本機床的改造涉及到的輸入點有 16個。輸出點有 8 個（為留有余量，輸入點取 20，輸出點取 10 或者 12），對于容量的要求不是很高。對于 PLC 功能方面的分析，所有 PLC 一般都具有常規(guī)的功能，但對某些特殊要求，就要知道所選用的 PLC 是否有能力完成控制任務。確定好容量和性能之后，還要考慮的就是價格問題。性能相同或相近的 PLC，不同廠家在價格上的差異非常之大。經(jīng)比較分析，在保證功能符合要求的前提之下，我們選用了臺達的 DVP-40ES00R2型號 PLC。DVP-40ESOOR2 的主機 I/O 點數(shù)為 20/10；運行速度為 1.6us/步；容量為2720 步；基本指令數(shù)為 80；高級指令數(shù)為 111；內部繼電器為 1008 點；特殊內部繼電器為 64 點；定時器/計數(shù)器為 144 點；數(shù)據(jù)寄存器為 1660 字；特殊數(shù)據(jù)寄存器為 70字；索引寄存器為 2 字；主控指令為 32 點；跳轉標記數(shù)為 64 點；步進數(shù)為 128 級；子程序個數(shù)為 16 個；中斷個數(shù)為 9 個程序；輸入濾波時間為 1～128ms。臺達 ES 系列 PLC 的性能穩(wěn)定。本身含有的功能完全滿足在數(shù)控控制系統(tǒng)中的應用。㈠ 高數(shù)計數(shù)器的應用20臺達 PLC DVP-ES 有 4 個單獨的 32 位高速計數(shù)器，這為數(shù)控滾齒機的高速計數(shù)控制做好了準備。滾齒機的高速計數(shù)主要有 2 個方面，一個是主機測速，另一個是進給測速。主機測速有伺服電機控制，進給測速則可以通過 2 個高速計數(shù)器測量主軸的速度，用 2 個高速計數(shù)器捕捉進給電機的運行速度。這 2 對高速計數(shù)器形成了 2 路伺服電機的測量，彼此獨立，互不干涉，資源充足。如圖 3.3 所示高速計數(shù)控制流程圖： 圖 3.3 高速計數(shù)器控制流程圖3.2 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)在數(shù)控機床設備中具有重要的地位，高性能的伺服系統(tǒng)可以提供靈活、方便、準確、快速的驅動。伺服系統(tǒng)是以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)，它是數(shù)控系統(tǒng)和機床的連接環(huán)節(jié)，是數(shù)控機床的主要組成部分，是數(shù)控機床的執(zhí)行單元。在數(shù)控機床中，伺服系統(tǒng)接受 PLC 發(fā)出的進給速度和位移指令信號，由伺服放大器作一定的轉換和放大后，經(jīng)伺服電動機驅動機床工作臺等執(zhí)行部件實現(xiàn)工作進給或快速移動。隨著技術的進步和整個工業(yè)的不斷發(fā)展，伺服驅動技術也取得了極大的進步，伺服系統(tǒng)已進入全數(shù)字化和交流化的時代。在本次滾齒機改造過程中，本文利用伺服電機對執(zhí)行機構直接連接，實現(xiàn)零傳動。伺服電機的選擇，原則上要考慮諸多因素：根據(jù)負載條件來選擇伺服電機：㈠ 當機床作空載運行時，在整個速度范圍內，加在伺服電機軸上的負載轉矩應在電機連續(xù)額定轉矩范圍內，即應在轉矩速度特性曲線的連續(xù)工作區(qū)。㈡ 最大負載轉矩，加載周期以及過載時間都在提供的特性曲線的準許范圍內。㈢ 電機在加速/減速過程中的轉矩應在加減速區(qū)（或間斷工作區(qū)）之內。㈣ 頻繁地定位和加減速會使電動機發(fā)熱，此時需要計算出電動機承受的力矩的均方根值。㈤ 加在電機軸上的負載慣量大小對電機的靈敏度和整個伺服系統(tǒng)的精度將產(chǎn)生影響。通常，當負載小于電機轉子慣量時，上述影響不大。但當負載慣量達到甚至超過轉子21慣量的 5 倍時，會使靈敏度和響應時間受到很大的影響，甚至會使伺服放大器不能在正常調節(jié)范圍內工作。所以對這類慣量應避免使用。負載轉矩折算到伺服電機軸上的負載轉矩計算公式，因機械而異，但不論何種機械，都因計算出折算到電機軸上的負載轉矩。按伺服電機軸上的負載轉矩進行選擇相應型號的伺服電機。負載慣量的計算，由電機驅動的所有運動部件，無論旋轉運動的部件，還是直線運動的部件，都成為電機的負載慣量。電機軸上的負載總慣量可以通過計算各個被驅動的部件的慣量，并按一定的規(guī)律將其相加得到。帶大慣量負載時，當速度指令變化時，電機需較長的時間才能到達這一速度，在我們三軸聯(lián)動的伺服電機運行時產(chǎn)生的慣量相對來說是比較大的，需要限制。通常，當負載慣量小于電機慣量時就不會有什么問題。如果高于 5 倍馬達轉子慣量，一般伺服會出現(xiàn)不良反應，所以，我們在選擇伺服電機的時候，必須要考慮負載慣量低于電機轉子慣量。臺達伺服馬達在此方面有它特有的優(yōu)勢，負載慣量比高，因此我們采用了 ASMTO7L250BK 作為我們的進給伺服電機，伺服驅動我們采用了 ASD-AO7212A。此型號的伺服驅動和伺服電機的功率均為 750W，轉子慣量低，但是不影響機床運動部件的空載運行時運動軌跡分析。伺服驅動工作電壓為三相 220V 電壓，故需要三相隔離變壓器。三相 220V 電壓由伺服驅動 RST 端輸入。而伺服電機的工作電壓由伺服驅動 U、V、W 輸出提供。伺服驅動的 CN1 接口與 PLC 連接負責接收信息；伺服驅動的 CN2 接口與伺服電機的編碼器連接，控制伺服電機運動方式的同時負責采集伺服電機的運動過程信息，以便對運動過程更好的控制；伺服驅動的 CN3 與個人 PC 連接。伺服驅動放大器與伺服電機之間有電力線連接，伺服驅動 U、V、W 間相序