基于PLC的數控鉆床控制系統(tǒng)設計,基于PLC的數控鉆床控制系統(tǒng)設計,基于,plc,數控,鉆床,控制系統(tǒng),設計 開題報告 設 計 題 目:基于PLC的數控鉆床控制系統(tǒng)設計 院 系 名 稱: 專 業(yè) 班 級: 學 生 姓 名: 導 師 姓 名: 開 題 時 間: 指導委員會審查意見： 簽字： 年 月 日 一、 課題研究目的和意義 1.1 傳統(tǒng)機床的PLC改造必然性 20世紀90年代以前我國生產機床的電氣控制普遍采用繼電控制，這些機床現在依然在各企業(yè)中被廣泛應用，由于傳統(tǒng)繼電控制系統(tǒng)使用大量的中間繼電器、時間繼電器，控制觸電多，因此電氣控制系統(tǒng)存在一些缺陷： 1、故障率高 2、可靠性差 3、接線復雜不便維修。 為了提高機床控制系統(tǒng)的可靠性，降低故障率，提高機床的加工效益，很多企業(yè)對傳統(tǒng)控制機床的電氣控制系統(tǒng)進行了改造。通常這種改造有PLC改造和數控改造兩種。[1]機床的PLC改造和數控改造不同，PLC改造是使用PLC系統(tǒng)替代原有的繼電控制系統(tǒng)，機床的操作方式、加工工藝部發(fā)生改變，只是提高系統(tǒng)的可靠性。而數控技術改造是在機床上附加控制裝置和執(zhí)行元件，使用合適的機床伺服控制和計算機系統(tǒng)，改變原有機床加工精度低、加工品種單一等問題，使機床實現自動化和精密化，提高原機床的生產效率，降低勞動強度。但是舊機床存在剛度低、抗震性差等缺點，不易進行數控技術改造，并且隨著PLC價格的減低，PLC改造的成本也隨之降低，由于改造后的系統(tǒng)故障率低，也降低了維修成本，因此，對傳統(tǒng)控制機床進行PLC改造已經成為大多數企業(yè)的首選。隨著我國市場經濟的飛速發(fā)展，國內外市場競爭日趨激烈，在機械制造行業(yè)普遍存在著設備老化的問題，原有的機床設備便的陳舊、落后，已經滿足不了產品種類迅速增加和質量不斷提高的需求，僅僅購買新設備，所需資金太大，企業(yè)往往難以承受。為了節(jié)約資金，通過現有技術進行機床設備改造，使一些舊設備能夠達到生產要求，提高生產效率，繼續(xù)加工出具有競爭力的優(yōu)質產品[2]。 1.2 PLC具有的優(yōu)點 在工作原理方面，可編程序控制器采用周期循環(huán)掃描方式，在執(zhí)行用戶程序過程中與外界隔絕，從而大大減小外界干擾；在硬件方面，采用良好的屏蔽措施、對電源及I／O電路多種形式的濾波、CPU電源自動調整與保護、CPU與I／O電路之間采用光電隔離、輸出聯鎖、采用模塊式結構并增加故障顯示電路等措施；在軟件方面，設置自診斷與信息保護與恢復程序。PLC由于采用現代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性[3]。 可靠性高，抗干擾能力強，高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產的F系列PLC平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到數百甚至數千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了[4]。 配套齊全，功能完善，適用性強。PLC發(fā)展到今天，已經形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現代PLC大多具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 易學易用，深受工程技術人員歡迎。PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。 系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造。PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經過改變程序改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合[5]。 體積小，重量輕，能耗低。以超小型PLC為例，新近出產的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現機電一體化的理想控制設備。 二、文獻綜述 2.1我國數控技術的現狀及發(fā)展趨勢 2.1.1我國數控技術的現狀 我國數控技術起步于20世紀50年代末期，經歷了發(fā)展初期的封閉式反正階段，“六五”、“七五”期間的消化吸收和引進技術階段，“八五”期間國產化體系階段，及“九五”期間產業(yè)化階段，基本掌握了現代數控技術，建立了數控開發(fā)、生產基地、，培養(yǎng)了一批數控專業(yè)人才，初步形成了資金的數控產業(yè)。目前較具規(guī)模的有廣州數控、航天數控和華中數控等。具有中國特色的經濟型、普及型數控系統(tǒng)經過幾十年的發(fā)展，產品的性能有了較大的提高，它們逐漸被用戶認可，在市場上站穩(wěn)了腳跟[6]。 我國現有數控機床生產廠家100多家，生產數控產品幾千種以上。產品主要分為3種類型：經濟型、普及型和高檔型。在CIMT2003上，中國內地共展出機床700多臺，在600多臺金屬切削機床和近100臺金屬成形機床展品中，數控機床分別占75%和54%。這既體系了中國機床市場的需求趨勢，也反映了中國在數控機床產業(yè)化方面取得了突破性進展。雖然我國在數控產品的研究開發(fā)、產品各方面有了較大的進步，但我們仔細分析可以發(fā)現，目前我們占有市場的產品主要集中在經濟型產品上，而在中檔、高檔產品上市場比例仍然很小，與國外一些先進產品相比，在可靠性、穩(wěn)定性和速度、精度等方面均存在較大差距。 2.1.2數控技術的發(fā)展趨勢 目前，世界各國經濟發(fā)展速度、工業(yè)化水平等不盡相同，因此對數控技術、產品的需求也不一樣。但送的來說，發(fā)達國家對中、高檔數控產品需求多，發(fā)達國家對低、中檔需求較多并需要少量的高檔產品。目前，發(fā)達國家的低、中、高檔數控產品之比分別為20:70:10，而發(fā)展中國家約為80:17:3，兩者之間的勞動產品率相差懸殊。因此，發(fā)展中高檔產品仍大勢所趨[7]。 (1)高可靠性、穩(wěn)定性 從“數控系統(tǒng)千人調查”分析報告可以看出，無論經濟型、普及型還是高檔型數控系統(tǒng)，在“影響選擇數控系統(tǒng)因素”的排序中，排在第一位的都是可靠性穩(wěn)定性。由此可見，產品的質量性能在用戶選購數控系統(tǒng)的過程中占有重要的位置。我國的產品要想占據國內國際市場，應把可靠性、穩(wěn)定性作為數控產品研究的頭等大事。 產品 因素 可靠性穩(wěn)定性 品牌 價格 服務 經濟型 33 16 30 21 普及型 37 19 23 21 高檔型 31 28 18 23 不同檔次數控系統(tǒng)購買因素[8] (2)高速度、高精度化 速度和精度是數控產品的兩個重要指標，它直接關系到產品零件加工的銷量和質量。速度影響產品的生產周期，精度直接影響到工作性能、壽命、能耗和噪聲等。因此數控產品的高速、高精化是市場需求和技術發(fā)展的必然結果。 智能化 現代數控技術的智能化包括兩個方面含義： （1）現代數控產品部應僅僅是某些專業(yè)技術人員才能操作使用，它應發(fā)展成為個個可操作，人人會使用。 （2）現代數控產品應能夠通過對影響加工精度和效率的因素進行自動檢測、比較、補償，準確快速地做出決策，使產品的加工處于最佳狀態(tài)。 (3)復合化 如果能夠在一臺機床上實現或盡可能完成一個復雜的產品從毛坯至成品的全部加工，實現數控技術的復合化。這樣就可以保證工件的加工精度，提高產品的質量，減少在不同數控機床間進行工序的轉換而引起的待工時間及多次上下料等時間，提高加工效率，節(jié)約了產品生產的周期，贏得了市場[9]。 (4)數控編程自動化 隨著計算機技術的發(fā)展，CAD、CAM、CAPP技術的廣泛應用，可實現數控編程的自動化。操作者只需根據需要繪制零件加工樣圖，計算機就能夠根據樣圖進行數據處理，自動編程加工[10]。 (5)網絡化 實現數控技術的網絡化，進行遠程控制和無人化操作。通過數控機床的聯網，可在任何一天機床上對其他機床進行編程、設定和操作。不同機床的畫面可同時顯示在每一臺機床屏幕上，實現資源共享，科學管理。減少人力物力，降低了成本，提高了效率。 三、基本內容、擬解決的主要問題 鉆床是一種孔加工的機床。可用來鉆孔、擴孔、鉸孔、鏜孔、攻螺紋及修刮斷面等多種形式的加工，因此要求鉆床的主軸暈和進給運動有較寬的調速范文。鉆床的種類很多，按用途和結構可分為立式鉆床、臺式鉆床、多軸鉆床、搖臂鉆床及其他專用鉆床等。在各類鉆床鎮(zhèn)南關，搖臂鉆床操作方便、靈活，應用范圍廣，具有典型性，適合于在大、中型零件上進行鉆孔、擴孔、鉸孔及攻螺紋等工作，在具有工藝裝備的條件下海可以進行鏜孔；特別使用于單位或批量生產中帶有多孔的大、中型零件的加工：是一般機械加工車間最常見的機床。臺鉆和立鉆的應用也較為廣泛，但是其電氣線路比較簡單，其他形式的鉆床在控制系統(tǒng)上也大同小異[11]。 3.1總體設計技術要求 數控鉆床的控制要求為: （1）回轉工作臺加緊與松開，轉速、轉向控制 （2）動力滑臺進給控制。 （3）機床電氣圖設計。 （4）控制電路設計。 （5）控制程序設計。 3.2具體實施方案 搖臂鉆床的內立柱固定在底座的一端，在它的外面套有外立柱，外立柱可繞內立柱回轉360°。搖臂的一端為套筒，它套裝在外立柱上，并借助絲杠的正反轉可沿外立柱做上下移動；由于該絲杠于外立柱連成一體，并且升降螺母固定在搖臂上，所以搖臂不能繞外立柱轉動，智能于外立柱以前繞內立柱回轉。主軸箱是一個復合部件，它有主傳動電動機、主軸和主軸傳動機構、進給和變速機構以及機床的操作機構等部分組成，主軸箱安裝在搖臂的遂平導軌上，可通過手輪操作使其在水平導軌上沿搖臂移動。檔進行加工時，由特殊的加緊裝置有主軸箱緊固在搖臂導軌上，外立柱緊固在內立柱上，搖臂緊固在外立柱上，然后進行鉆削加工。鉆削加工時，鉆頭一面進行旋轉切削，一面進行縱向進給[12]。 搖臂鉆床的電氣控制和PLC控制[13] 傳統(tǒng)數控鉆床結構示意圖 主電路搖臂鉆床的主軸旋轉運動和進給運動由一臺交流異步電動機M1拖動，主軸的正反向旋轉運動是通過機械轉換實現的。故主電動機只有一個旋轉方向。通常情況下主軸的調速范圍為50:1，正轉最低轉速為40r/min，最高為2000r/min，進給范圍為（0.05-1.6）r/min。它的調速是通過三相交流異步電動機和變速箱來實現的。也有的是采用多速異步電動機拖動，這樣可以簡化變速機構。 搖臂鉆床除了主軸的旋轉和進給運動外，還有搖臂的上升、下降及立柱的加緊和放松。搖臂的上升和下降由一臺交流異步電動機M2拖動，立柱的夾緊和放松由另一臺甲流電動機M4拖動。 控制電路主軸電動機控制。主軸電動機M1為單向旋轉，由按鈕和接觸器實現啟動停止控制。主軸的正反轉則由M1電動機拖動齒輪泵送出壓力油，通過液壓系統(tǒng)操縱機構，配合正反轉摩擦離合器驅動主軸正反轉。 搖臂上升、下降控制。搖臂鉆床在加工時，要求搖臂處于夾緊狀態(tài)，才能保證加工精度。但在搖臂需要升降時，又要求搖臂處于松開狀態(tài)，否則電動機負載大，機械磨損嚴總，無法升降工作。搖臂上升或下降時，其動作過程是升降指令發(fā)出，先使搖臂于外立柱處于松開狀態(tài)，而后上升或下降時，待升降到位時自動重新夾緊。由于松開和夾緊工作是由液壓系統(tǒng)實現，因此，升降控制必須于松緊機構液壓系統(tǒng)緊密配合[14]。 四、技術路線或研究方法 五、進度安排 2012年2月27日-2012年3月4日——接受任務，市場調查； 2012年3月5日-2012年3月18日——查閱文獻、收集資料，撰寫并提交開題報告； 2012年3月19日-2012年4月1日——確定控制方案，設計控制系統(tǒng)框圖； 2012年4月2日-2012年4月15日——器件選型； 2012年4月16日-2012年4月29日——系統(tǒng)硬件設計；解決問題，修改完善 2012年4月30日-2012年6月3日——程序編制與調試； 2012年6月4日-2012年6月10日——撰寫設計說明書并用計算機繪圖； 2012年6月11日-2012年6月15日——完成說明書及圖紙的打印，準備答辯。 六、主要參考文獻 1、段明忠王婷婷武漢工程職業(yè)技術學院學報 2007-2 12 19(4) [G] 2、關榆軍河北理工學院學報 2000-9第22 (3)[ G] 3、彭永忠中國制造信息化 2010-3第39 (5)[ G] 4、袁海霞湖南農機 2010-1 第37卷 1(4)[ G] 5、梁偉王先桂林航天工業(yè)高等?？茖W院學報 2010-3 第9 (2)[ G] 6、肖麗遼寧師專學報 2009-12 第11卷 4期[G] 7、張新喜李偉波李寧農機使用與維修 2008-4 第9 (6)[ G] 8、潘鐘鍵劉曉紅機械電子 2011-2 第11 (4)[ G] 9、趙良，PLC控制技術在自動機床擴切記中的應用，工業(yè)控制計算機 1996 P104[M] 10、段明忠王婷婷武漢工程職業(yè)技術學院學報 2007 12 19(4)[ M] 11、基于PLC的Z3040搖臂鉆床控制系統(tǒng)改造方案電工技術邵金均[m] 12、關學峰，3-PTT型滑塊式并聯機床的PLC控制，機械設計與制造 2009[M] 13、熊辛明，千斤頂油缸加工專用機床的PLC控制系統(tǒng)設計，機床電器 2002[M] 14、活塞環(huán)放行車、銑組合機床PLC控制的研究，南通工學院學報 1999[M] 15、楊世成，基于PLC控制的三軸鉆專機控制系統(tǒng)設計，機電產品開發(fā)與創(chuàng)新 2009[M] 16、楊斌，基于PKC控制系統(tǒng)的電解加工機床改造，新技術新工藝 2011[M]