銑端面機(jī)床電氣系統(tǒng)的設(shè)計

1、第一章 緒論銑床是指主要用銑刀在工件上進(jìn)行加工各種表面的機(jī)床。通常把銑刀的旋轉(zhuǎn)運動稱之為為主運動，工件和銑刀的移動稱之為進(jìn)給運動。它可以加工平面、垂直面、斜面等一些加工比較簡單的型面，如果配一些附件也可以加工螺旋槽，凸輪、成型面等加工比較復(fù)雜的型面。銑床是用銑刀對工件進(jìn)行銑削加工的機(jī)床。銑床除了能銑削平面、溝槽、輪齒、螺紋和花鍵軸以外，還能加工一些相對比較復(fù)雜的型面，與刨床相比而言，效率高，在機(jī)械制造和修理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。最早的銑床是美國人惠特尼于1818年創(chuàng)制的臥式銑床；為了銑削麻花鉆頭的螺旋槽，美國人布朗于1862年創(chuàng)制了第一臺萬能銑床，這是升降臺銑床的雛形；1884年前后又出現(xiàn)了龍

2、門銑床；二十世紀(jì)20年代出現(xiàn)了半自動銑床，工作臺利用擋塊可完成“進(jìn)給-快速”或“快速-進(jìn)給”的自動轉(zhuǎn)換。銑床按其結(jié)構(gòu)可以分為：臺式銑床、懸臂式銑床、滑枕式銑床、龍門式銑床、平面式銑床、仿行銑床、升降臺銑床、搖臂銑床、床身式銑床、專用銑床。(1)臺式銑床：用于銑削儀器、儀表等小型零件的銑床。(2)懸臂式銑床：床身水平放置，銑頭裝在懸臂上的銑床。懸臂通?？裳卮采硪粋?cè)的立柱導(dǎo)軌垂直方向移動，銑頭可沿懸臂導(dǎo)軌移動。(3)滑枕式銑床：床身水平布置，主軸裝在滑枕上的銑床?；砜裳鼗皩?dǎo)軌作橫向移動，滑鞍可沿立柱導(dǎo)軌作垂直移動。(4)龍門式銑床：床身水平布置，其兩側(cè)的立柱和連接梁構(gòu)成門架的銑床。銑頭裝在橫梁

3、和立柱上，可沿其導(dǎo)軌移動。橫梁可沿立柱導(dǎo)軌垂向移動，工作臺可沿床身導(dǎo)軌縱向移動。主要用于大件加工。(5)平面銑床：床身水平布置，用于銑削平面和成型面的銑床。通常工作臺沿床身導(dǎo)軌縱向移動，主軸可軸向移動。優(yōu)勢在于其結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)效率高。(6)仿形銑床：對工件進(jìn)行仿形加工的銑床。主要用于加工復(fù)雜形狀工件。(7)升降臺銑床：具有可沿床身導(dǎo)軌垂直移動的升降臺的銑床，通常安裝在升降臺上的工作臺和滑鞍可分別作垂直、水平移動。(8)搖臂銑床：搖臂裝在床身頂部，銑頭裝在搖臂一端，搖臂可在水平面內(nèi)回轉(zhuǎn)和移動，銑頭能在搖臂的端面上回轉(zhuǎn)一定角度的銑床。(9)床身式銑床：工作臺不能升降，卻可以沿床身導(dǎo)軌作縱向移動，銑

4、頭或立柱可作垂直移動的銑床。(10)專用銑床：為了某一特殊的用途而特制的銑床。上世紀(jì)五十年代以后，銑床在控制系統(tǒng)方面得到了飛速的發(fā)展，數(shù)字控制在銑床上的應(yīng)用大大提高了其的自動化程度。尤其是在上世紀(jì)末，微處理機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng)和自動換刀系統(tǒng)在銑床上得到了廣泛的應(yīng)用，從而擴(kuò)大了銑床的加工范圍，提高了加工精度與工作效率。近幾年來，國內(nèi)外銑床的技術(shù)發(fā)展非?？欤涮攸c是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不斷更新，新技術(shù)應(yīng)用層出不窮，工藝性能復(fù)合化，速度、效率不斷提高，突出精細(xì)化制造。自動化銑床以其獨特的優(yōu)勢成為今后銑床發(fā)展的一種趨勢。自動化方面本論文主要涉及到PLC和變頻器的相關(guān)知識。說到自動化就不得不提到身為工業(yè)自動化三大支柱之

5、一的PLC，雖然它在工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用，但是人們對其還是不怎么了解。自60年代末第一臺PLC問世以來，已很快被應(yīng)用到機(jī)械制造、冶金、礦業(yè)、輕工等各個領(lǐng)域，大大推進(jìn)了機(jī)電一體化進(jìn)程，被人們稱為現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱之一。和一般家庭、辦公室相比，在惡劣的工業(yè)環(huán)境中，能夠24小時連續(xù)運行365天，且10年不停止的除了可編程序控制器PLC以外別無他物。PLC的結(jié)構(gòu)及其相關(guān)，這里就不詳講了，我會在正文中為大家詳細(xì)陳述。目前，PLC正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，今后PLC的發(fā)展趨勢將是進(jìn)一步向著體積小、編程簡單實用、安裝配線方便靈活等幾個方面發(fā)展。變頻器同樣是工業(yè)自動化中應(yīng)用比較廣泛的設(shè)備之一，主要用

6、于對電動機(jī)的調(diào)速方面。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。目前，變頻器正向著實現(xiàn)高水平的控制、開發(fā)清潔電能的變流器、縮小裝置的尺寸、高速的數(shù)字控制、模擬與計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)等方向發(fā)展。·第二章 本機(jī)床的動作流程的分析本機(jī)床分為手動和自動兩部分，通過旋鈕開關(guān)0來選擇。手動部分按下夾緊左工位夾緊，按下松開左工位夾緊松開。按下夾緊右工位夾緊，按下松開右工位夾緊松開。按下快進(jìn)滑臺向左快速前進(jìn)，按下工進(jìn)滑臺向左緩慢前進(jìn)。按下快退滑臺向右快速前進(jìn)，按下工退滑臺向右緩慢前進(jìn)。由旋鈕開關(guān)來控制冷卻電

7、機(jī)、排屑電機(jī)、沖屑電機(jī)、銑頭電機(jī)和液壓電機(jī)的開停。自動部分自動部分開啟前必須手動將滑臺調(diào)整到原位，開啟液壓電機(jī)。自動狀態(tài)的工作流程是初始化時滑臺在原位，先給右工位上加工零件，按下循環(huán)啟動按鈕，右工位夾緊，滑臺向左快進(jìn)，到一定位置壓下快進(jìn)轉(zhuǎn)工進(jìn)行程開關(guān)，左快進(jìn)轉(zhuǎn)左工進(jìn)，在這期間給左工位上零件，按下循環(huán)啟動按鈕，左工位夾緊。往左走到一定位置壓下左加工結(jié)束行程開關(guān)，右工位零件加工結(jié)束快退。到一定位置壓下快退轉(zhuǎn)工退進(jìn)行程開關(guān)，右快進(jìn)轉(zhuǎn)右工進(jìn)，在這期間給左工位上零件，按下循環(huán)啟動按鈕，左工位夾緊。往右走到一定位置壓下右加工結(jié)束行程開關(guān)，左工位零件加工結(jié)束快進(jìn)。如此往復(fù)循環(huán)。銑頭的轉(zhuǎn)速由工件的材質(zhì)決定，用

8、變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)。機(jī)床的外觀如下圖：圖2.1機(jī)床的外觀動作循環(huán)（一周期）如下：工位1上料工位1夾緊銑頭啟動滑臺左快進(jìn)再左工進(jìn)（工位2上料按下啟動工位2夾緊）-工位1加工結(jié)束滑臺快退-滑臺右快進(jìn)再右工進(jìn)第三章 PLC概述3.1 PLC的產(chǎn)生1968年，美國最大的汽車制造商通用汽車公司（GM），為了適應(yīng)汽車型號的不斷翻新，想尋找一種方法，以盡可能減少重新設(shè)計繼電器控制系統(tǒng)和接線、降低成本、縮短時間，而考慮把計算機(jī)的功能完善、通用靈活等優(yōu)點與繼電器控制的簡單易懂、操作方便、價格便宜等優(yōu)點結(jié)合起來，制成一種通用控制裝置，提出了研制PLC的基本設(shè)想：1.編程簡單方便，可在現(xiàn)場修改程序；2.硬件維護(hù)方便，最

9、好是插件式結(jié)構(gòu)；3.可靠性要高于繼電器控制裝置；4.體積小于繼電器控制裝置；5.可將數(shù)據(jù)直接送入管理計算機(jī)；6.成本上可與繼電器競爭；7.輸入可以是交流115V；8.輸入為交流115V，2A以上，能直接驅(qū)動電磁閥；9.擴(kuò)展時，原有系統(tǒng)只需做很小的改動；10.用戶程序存儲器容量器容量至少可以擴(kuò)展到4K。根據(jù)以上設(shè)想和要求，1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出世界上第一臺可編程控制器，并在通用汽車公司的汽車生產(chǎn)線上試用成功，從而開創(chuàng)了工業(yè)控制的新局面。從此，這一更新技術(shù)就以很快的速度發(fā)展起來，現(xiàn)代的PLC已成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（PLC，機(jī)器人和CADCAM）之一。3.2 PLC的基本結(jié)

10、構(gòu)PLC實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機(jī)相同，如圖所示圖3.1 PLC的基本結(jié)構(gòu)3.2.1 中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它由控制器、運算器所組成。它由程序內(nèi)存中順序取出使用者的程序指令，并對其譯碼，根據(jù)指令功能，發(fā)出有序的控制信號，從輸入單元或組件區(qū)讀取資料，在運算器中進(jìn)行處理，而后把處理結(jié)果給輸出單元存入組件區(qū)。不斷循環(huán)掃描整個程序區(qū)，實行預(yù)定的控制程序。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當(dāng)PLC投入運行時，首先它以

11、掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。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

12、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。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(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。3.2.2 存儲器存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。3.2.3

13、電源PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設(shè)計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。圖3 PLC的電源3.2.4 輸入單元這是各種輸入信號(動作命令信號及回授的檢測信號)的輸入接口，為直流輸入類型并采用光耦合隔離，可將外部信號與PLC內(nèi)部隔離。3.2.5 輸出單元這是把PLC處理結(jié)果即輸出信號送給控制對象的輸出點。輸出點型式有繼電器輸出及晶體管輸出二種類型，可將PLC內(nèi)部信號與外部負(fù)載電源隔離。開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、1

14、10VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA0-20mA）、電壓型（0-10V0-5V-10-10V）等，按精度分，有12bit14bit16bit等。除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。3.3 PLC的工作原理一.掃描技術(shù)當(dāng)PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CP

15、U以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。(一)輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。(二)用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的

16、順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。(三)輸出刷新階段當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，

17、PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。這時，才是PLC的真正輸出。第四章 PLC的選型隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，PLC產(chǎn)品的種類也越來越多。不同型號的PLC，其結(jié)構(gòu)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(cè)重。因此，合理選用PLC，對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有著重要意義。在滿足控制要求的前提下選型時應(yīng)選最佳的性價比，一般可以從以下幾個方面考慮：4.1 I/O點數(shù)估算I/O點數(shù)是PLC的一項重要指標(biāo)。合理選擇I/O點數(shù)既可使系統(tǒng)滿足控制要求有可使系統(tǒng)總投資最低。PLC的

18、輸入輸出點總數(shù)和種類應(yīng)根據(jù)被控對象的模擬量、開關(guān)量、輸入/輸出設(shè)備狀況（包括模擬量、開關(guān)量、輸出類型）來確定，一般一個輸入輸出元件要占用一個輸入輸出點?？紤]到今后的擴(kuò)充，一般應(yīng)估計的總點數(shù)再加上15%20%的備用量。本設(shè)計所占用的I/O點數(shù)計算：輸入信號：共需要30個輸入信號點，考慮以后對系統(tǒng)的調(diào)整與擴(kuò)充留有20%的備用點，即用30×20%=6，取6個點，這樣共用36個輸入點。輸出信號：共需要28個輸出點考慮以后對系統(tǒng)的調(diào)整與擴(kuò)充留有20%的備用點，即28×20%=6，取6個點，這樣共用34個輸出點。4.2 用戶存儲容量估算用戶應(yīng)用程序占用多少內(nèi)存與許多因素有關(guān)，如I/O點

19、數(shù)、控制要求、運算處理量、量程結(jié)構(gòu)等。因此在程序設(shè)計之前只能粗略的估算。根據(jù)經(jīng)驗，每個I/O點及有關(guān)功能器占用內(nèi)存大致如下：開關(guān)量輸入元件：1020B/點；開關(guān)量輸出元件：510B/點；定時器/計數(shù)器：2B/個；模擬量：100150B/點；通信接口：一個接口一般需要300B以上；根據(jù)上面算出總字?jǐn)?shù)再加上25%左右的備用量，就可以估算出程序所需要的內(nèi)存量，從而選擇合適的PLC內(nèi)存。本設(shè)計所需CPU內(nèi)存的計算：開關(guān)量輸入元件36點×1020B/點360720B；開關(guān)量輸出元件：34點×510B/點340680B；總需內(nèi)存量：7001400B；4.3 PLC輸入輸出元件分配結(jié)合上

20、述指標(biāo)本系統(tǒng)選擇PLC為三菱FX2N80MR001，本系統(tǒng)中PLC輸入輸出元件分配如下表：表4.1PLC的元件分配X0選擇/調(diào)整Y0滑臺原位指示燈X1液壓電機(jī)開Y1夾緊1指示燈X2冷卻電機(jī)Y2夾緊2指示燈X3沖屑電機(jī)開Y3潤滑液位指示燈X4排屑裝置開Y20右冷卻閥X5銑頭電機(jī)開Y21紅X6滑臺快進(jìn)Y22黃X7滑臺工進(jìn)Y23綠X10滑臺快退Y24聲音X11滑臺工退Y25X14潤滑液位低Y26電磁閥3X15夾緊1Y27電磁閥4X16松開1Y30液壓電機(jī)開X17夾緊2Y31冷卻電機(jī)開X20松開2Y32沖屑電機(jī)開X21循環(huán)啟動Y33排屑電機(jī)開X22循環(huán)啟動Y34銑頭電機(jī)X23總電源啟動Y35滑臺快進(jìn)X

21、24急停Y36滑臺工進(jìn)X25左快進(jìn)轉(zhuǎn)工進(jìn)Y37滑臺快退X26右快進(jìn)轉(zhuǎn)工進(jìn)Y40滑臺工退X27原位Y41夾緊1X30左快進(jìn)轉(zhuǎn)工進(jìn)Y42松開1X31左加工結(jié)束Y43夾緊2X32右快進(jìn)轉(zhuǎn)工進(jìn)Y44松開2X33右加工結(jié)束Y45總電源X34Y46潤滑電機(jī)開X35Y47左冷卻閥X41夾緊1檢測X42夾緊2檢測第五章 PLC軟件系統(tǒng)及梯形圖編程語言5.1 PLC軟件系統(tǒng)5.1.1 系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序包括監(jiān)控程序、編譯程序、診斷程序等，主要用于管理全機(jī)、將程序語言翻譯成機(jī)器語言，診斷機(jī)器故障。系統(tǒng)軟件由PLC廠家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干預(yù)。5.1.2 用戶程序用戶程序是用戶根據(jù)現(xiàn)場控制要求，

22、用PLC的程序語言編制的應(yīng)用程序（也就是邏輯控制）用來實現(xiàn)各種控制。5.2 PLC梯形圖編程語言梯形圖程序設(shè)計語言是用梯形圖的圖形符號來描述程序的一種程序設(shè)計語言。采用梯形圖程序設(shè)計語言，程序采用梯形圖的形式描述。這種程序設(shè)計語言采用因果關(guān)系來描述事件發(fā)生的條件和結(jié)果。每個梯級是一個因果關(guān)系。在梯級中，描述事件發(fā)生的條件表示在左面，事件發(fā)生的結(jié)果表示在后面。梯形圖程序設(shè)計語言是最常用的一種程序設(shè)計語言。它來源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述。在工業(yè)過程控制領(lǐng)域，電氣技術(shù)人員對繼電器邏輯控制技術(shù)較為熟悉，因此，由這種邏輯控制技術(shù)發(fā)展而來的梯形圖受到了歡迎，并得到了廣泛的應(yīng)用。梯形圖語言是我們最常用的一

23、種語言，它有以下特點（1）它是一種圖形語言，沿用傳統(tǒng)控制圖中的繼電器觸點、線圈、串聯(lián)等術(shù)語和一些圖形符號構(gòu)成，左右的豎線稱為左右母線。梯形圖中接點（觸點）只有常開和常閉，接點可以是PLC輸入點接的開關(guān)也可以是PLC內(nèi)部繼電器的接點或內(nèi)部寄存器、計數(shù)器等的狀態(tài)。（2）梯形圖中的接點可以任意串、并聯(lián)，但線圈只能并聯(lián)不能串聯(lián)。（3）內(nèi)部繼電器、計數(shù)器、寄存器等均不能直接控制外部負(fù)載，只能做中間結(jié)果供CPU內(nèi)部使用。（4）PLC是按循環(huán)掃描事件，沿梯形圖先后順序執(zhí)行，在同一掃描周期中的結(jié)果留在輸出狀態(tài)暫存器中所以輸出點的值在用戶程序中可以當(dāng)做條件使用。5.3 本機(jī)床梯形圖本機(jī)床采用FXGPWIN編程軟

24、件進(jìn)行編程。梯形圖程序分為三大塊：公共部分、手動部分、自動部分。圖5.1 公共部分手動部分按下夾緊左工位夾緊，按下松開左工位夾緊松開按下夾緊右工位夾緊，按下松開右工位夾緊松開按下快進(jìn)滑臺向左快速前進(jìn)，按下工進(jìn)滑臺向左緩慢前進(jìn)按下快退滑臺向右快速前進(jìn)，按下工退滑臺向右緩慢前進(jìn)由旋鈕開關(guān)來控制冷卻電機(jī)、排屑電機(jī)、沖屑電機(jī)、銑頭電機(jī)和液壓電機(jī)的開停。圖5.2 手動部分自動部分圖5.3 自動部分動作循環(huán)（一周期）如下：工位1上料工位1夾緊銑頭啟動滑臺左快進(jìn)再左工進(jìn)（工位2上料按下啟動工位2夾緊）-工位1加工結(jié)束滑臺快退-滑臺右快進(jìn)再右工進(jìn)完整的PLC程序如下圖5.4 PLC梯形圖第六章 變頻器概述隨著

25、變頻技術(shù)的提高，交流電動機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，采用變頻調(diào)速可以提高生產(chǎn)機(jī)械的控制精度、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，有利于實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化，是交流拖動系統(tǒng)具有優(yōu)良的控制性能，而且在許多生產(chǎn)場合具有顯著的節(jié)能效果。6.1 變頻器簡介6.1.1 什么是變頻器？變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。6.1.2 變頻器的基本結(jié)構(gòu)變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機(jī)的變速運行的設(shè)備，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對于如矢量控制變頻

26、器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計算的CPU以及一些相應(yīng)的電路。6.1.3 變頻器工作原理主電路是給異步電動機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類:電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。（1）整流器：最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆

27、，可以進(jìn)行再生運轉(zhuǎn)。（2）平波回路：在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。（3）逆變器：同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使6個開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到3相交流輸出。以電壓型PWM逆變器為例示出開關(guān)時間和電壓波形?？刂齐娐肥墙o異步電動機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機(jī)的“速度檢

28、測電路”，將運算電路的控制信號進(jìn)行放大的“驅(qū)動電路”，以及逆變器和電動機(jī)的“保護(hù)電路”組成。（1）運算電路：將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進(jìn)行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。（2）電壓、電流檢測電路：與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。（3）驅(qū)動電路：驅(qū)動主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。（4）速度檢測電路:以裝在異步電動機(jī)軸機(jī)上的速度檢測器(tg、plg等)的信號為速度信號，送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機(jī)按指令速度運轉(zhuǎn)。（5）保護(hù)電路:檢測主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機(jī)損壞，使逆變器停止工作

29、或抑制電壓、電流值。6.1.3 變頻器的分類變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關(guān)方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器。PAM控制變頻器：PWM是英文Pulse Width Modulation(脈沖寬度調(diào)制)縮寫，按一定規(guī)律改變脈沖列的脈沖寬度，以調(diào)節(jié)輸出量和波形的一種調(diào)值方式。高載頻PWM控制變頻器：PAM是英文Pulse Amplitude Modulation(脈沖幅度調(diào)制)縮寫，是按一定規(guī)律改變脈沖列的脈沖幅度，以調(diào)節(jié)輸出量值和波形的一種調(diào)制方式。按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、

30、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。6.2 變頻器中常用的控制方式非智能控制方式在交流變頻器中使用的非智能控制方式有V/f協(xié)調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。(1)V/f控制V/f控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩-速度特性，基于在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時，又要保證電動機(jī)的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。V/f控制變頻器結(jié)構(gòu)非常簡單，但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式，不能達(dá)到較高的控制性能，而且，在低頻時，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。V/f控制就是保證輸出電壓

31、跟頻率成正比的控制這樣可以使電動機(jī)的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生，多用于風(fēng)機(jī)、泵類節(jié)能型變頻器用壓控振蕩器實現(xiàn)。V-F控制的原理是產(chǎn)生一個震蕩頻率的電路叫做壓控震蕩器，是一個壓敏電容，當(dāng)受到一個變化的電壓時候它的容量會變化，變化的電容引起震蕩頻率的變化，產(chǎn)生變頻。把這個受控的頻率用于控制輸出電壓的頻率，使得受控的電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化。異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩是電機(jī)的磁通與轉(zhuǎn)子內(nèi)流過電流之間相互作用而產(chǎn)生的，在額定頻率下，如果電壓一定而只降低頻率，那么磁通就過大，磁回路飽和，嚴(yán)重時將燒毀電機(jī)。因此，頻率與電壓要成比例地改變，即改變頻率的同時控制變頻器輸出電壓，使電動機(jī)的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽

32、和現(xiàn)象的產(chǎn)生。這種控制方式多用于風(fēng)機(jī)、泵類節(jié)能型變頻器。(2)轉(zhuǎn)差頻率控制轉(zhuǎn)差頻率控制是一種直接控制轉(zhuǎn)矩的控制方式，它是在V/f控制的基礎(chǔ)上，按照知道異步電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電源頻率，并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，就可以使電動機(jī)具有對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。這種控制方式，在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器，有時還加有電流反饋，對頻率和電流進(jìn)行控制，因此，這是一種閉環(huán)控制方式，可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對急速的加減速和負(fù)載變動有良好的響應(yīng)特性。(3)矢量控制矢量控制是通過矢量坐標(biāo)電路控制電動機(jī)定子電流的大小和相位，以達(dá)到對電動機(jī)在d、q、0坐標(biāo)軸系中的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行控制，進(jìn)而

33、達(dá)到控制電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。通過控制各矢量的作用順序和時間以及零矢量的作用時間，又可以形成各種PWM波，達(dá)到各種不同的控制目的。例如形成開關(guān)次數(shù)最少的PWM波以減少開關(guān)損耗。目前在變頻器中實際應(yīng)用的矢量控制方式主要有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式和無速度傳感器的矢量控制方式兩種?；谵D(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式與轉(zhuǎn)差頻率控制方式兩者的定常特性一致，但是基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制還要經(jīng)過坐標(biāo)變換對電動機(jī)定子電流的相位進(jìn)行控制，使之滿足一定的條件，以消除轉(zhuǎn)矩電流過渡過程中的波動。因此，基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式比轉(zhuǎn)差頻率控制方式在輸出特性方面能得到很大的改善。但是，這種控制方式屬于閉環(huán)控制方式，需要在電動機(jī)上

34、安裝速度傳感器，因此，應(yīng)用范圍受到限制。無速度傳感器矢量控制是通過坐標(biāo)變換處理分別對勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，然后通過控制電動機(jī)定子繞組上的電壓、電流辨識轉(zhuǎn)速以達(dá)到控制勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的目的。這種控制方式調(diào)速范圍寬，啟動轉(zhuǎn)矩大，工作可靠，操作方便，但計算比較復(fù)雜，一般需要專門的處理器來進(jìn)行計算，因此，實時性不是太理想，控制精度受到計算精度的影響。(4)直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制是利用空間矢量坐標(biāo)的概念，在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，通過檢測定子電阻來達(dá)到觀測定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復(fù)雜的變換計算，系統(tǒng)直觀、簡潔，計算速度和精度都比矢量控制方式有所

35、提高。即使在開環(huán)的狀態(tài)下，也能輸出100%的額定轉(zhuǎn)矩，對于多拖動具有負(fù)荷平衡功能。(5)最優(yōu)控制最優(yōu)控制在實際中的應(yīng)用根據(jù)要求的不同而有所不同，可以根據(jù)最優(yōu)控制的理論對某一個控制要求進(jìn)行個別參數(shù)的最優(yōu)化。例如在高壓變頻器的控制應(yīng)用中，就成功的采用了時間分段控制和相位平移控制兩種策略，以實現(xiàn)一定條件下的電壓最優(yōu)波形。(6)其他控制方式在實際應(yīng)用中，還有一些非智能控制方式在變頻器的控制中得以實現(xiàn)，例如自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、差頻控制、環(huán)流控制、頻率控制等。6.3變頻器的應(yīng)用我國的電動機(jī)用電量占全國發(fā)電量的60%70%，風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備年耗電量占全國電力消耗的1/3。造成這種狀況的主要原因是：風(fēng)機(jī)

36、、水泵等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)給風(fēng)量和給水量，其輸入功率大，大量的能源消耗在擋板、閥門地截流過程中。由于風(fēng)機(jī)、水泵類大多為平房轉(zhuǎn)矩負(fù)載，軸功率與轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系，所以當(dāng)風(fēng)機(jī)、水泵轉(zhuǎn)速下降時，消耗的功率也大大下降，因此節(jié)能潛力非常大，最有效的節(jié)能措施就是采用變頻調(diào)速器來調(diào)節(jié)流量，應(yīng)用變頻器節(jié)電率為20%50%，效果顯著。許多機(jī)械由于工藝需要，要求電動機(jī)能夠調(diào)速。過去由于交流電動機(jī)調(diào)速困難，調(diào)速性能要求高的場合都采用直流調(diào)速，而直流電冬季結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，維修困難，因此隨著變頻調(diào)速技術(shù)的成熟，交流調(diào)速正逐步取代直流調(diào)速，往往需要進(jìn)行矢量和直接轉(zhuǎn)矩控制，來滿足各種

37、工藝要求。利用變頻器拖動電動機(jī)，起動電流小，可以實現(xiàn)軟起動和無級調(diào)速，方便的進(jìn)行加減速控制，使電動機(jī)獲得高性能，大幅度地節(jié)約電能，因而變頻器在工業(yè)生產(chǎn)和生活中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。6.4 變頻器的負(fù)載匹配6.4.1 負(fù)載的類型生產(chǎn)機(jī)械的種類繁多，性能和工藝要求各異，其轉(zhuǎn)矩特性不同，因此應(yīng)用變頻器前首先要搞清電動機(jī)所帶負(fù)載的性質(zhì)，即負(fù)載特性，然后再選擇變頻器和電動機(jī)。負(fù)載有三種類型：恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載和恒功率負(fù)載。不同的負(fù)載類型，應(yīng)選不同類型的變頻器。（1）恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載又分為摩擦類負(fù)載和位能式負(fù)載。摩擦類負(fù)載的起動轉(zhuǎn)矩一般要求額定轉(zhuǎn)矩的150%左右，制動轉(zhuǎn)矩一般要求額定轉(zhuǎn)矩的10

38、0%左右，所以變頻器應(yīng)選擇具有恒定轉(zhuǎn)矩特性，而且起動和制動轉(zhuǎn)矩都比較大，過載時間和過載能力大的變頻器，如FR-A540系列。位能負(fù)載一般要求大的起動轉(zhuǎn)矩和能量回饋功能，能夠快速實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，變頻器應(yīng)選擇具有四象限運行能力的變頻器，如FR-A241系列。（2）風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載是典型的平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，低速下負(fù)載非常小，并與轉(zhuǎn)速平方成正比，通用變頻器與標(biāo)準(zhǔn)電動機(jī)的組合最合適。這類負(fù)載對變頻器的性能要求不高，只要求經(jīng)濟(jì)性和可靠性，所以選擇具有U/f=const控制模式的變頻器即可，如FR-A540(L)。如果將變頻器輸出頻率提高到工頻以上時，功率急劇增加，有時超過電動機(jī)變頻器的容量，導(dǎo)致電動機(jī)過熱

39、或不能運轉(zhuǎn)，故對這類負(fù)載轉(zhuǎn)矩，不要輕易將頻率提高到工頻以上。（3）恒功率負(fù)載恒功率負(fù)載指轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，但功率保持恒定的負(fù)載，如卷取機(jī)、機(jī)床等。對恒功率特性的負(fù)載配用變頻器時，應(yīng)注意的問題：在工頻以上頻率范圍內(nèi)變頻器輸出電壓為定值控制，所以電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為恒功率特性，使用標(biāo)準(zhǔn)電動機(jī)與通用變頻器的組合沒有問題。而在工頻以下頻率范圍內(nèi)為U/f定值控制，電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩又相反傾向，標(biāo)準(zhǔn)電動機(jī)與通用變頻器的組合難以適應(yīng)，因此要專門設(shè)計。6.5 本機(jī)床中PLC選型首先要根據(jù)機(jī)械對轉(zhuǎn)速(最高、最低)和轉(zhuǎn)矩(起動、連續(xù)及過載)的要求，確定機(jī)械要求的最大輸入功率(即電機(jī)的額定功率最小值)。有經(jīng)驗

40、公式P=nT/9950(kW)式中：P機(jī)械要求的輸入功率(kW)；n機(jī)械轉(zhuǎn)速(r/min)；T機(jī)械的最大轉(zhuǎn)矩(N·m)。然后，選擇電機(jī)的極數(shù)和額定功率。電機(jī)的極數(shù)決定了同步轉(zhuǎn)速，要求電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速盡可能地覆蓋整個調(diào)速范圍，使連續(xù)負(fù)載容量高一些。為了充分利用設(shè)備潛能，避免浪費，可允許電機(jī)短時超出同步轉(zhuǎn)速，但必須小于電機(jī)允許的最大轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)矩取設(shè)備在起動、連續(xù)運行、過載或最高轉(zhuǎn)速等狀態(tài)下的最大轉(zhuǎn)矩。最后，根據(jù)變頻器輸出功率和額定電流稍大于電機(jī)的功率和額定電流的原則來確定變頻器的參數(shù)與型號。需要注意的是，變頻器的額定容量及參數(shù)是針對一定的海拔高度和環(huán)境溫度而標(biāo)出的，一般指海拔1000m以下，

41、溫度在40或25以下。若使用環(huán)境超出該規(guī)定，則在確定變頻器參數(shù)、型號時要考慮到環(huán)境造成的降容因素。本系統(tǒng)選用的是3KW的三相交流異步電動機(jī)，負(fù)載類型為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。綜合上述條件我們選用了三菱FR-E500系列經(jīng)濟(jì)型高性能變頻器，功率為3.7KW，采用V/f控制方式。采用內(nèi)部運行，頻率由變頻器內(nèi)部設(shè)定。圖6.1 變頻器的外部接線第七章 外部電路7.1 主電路圖7.1 機(jī)床的主電路液壓電機(jī)為機(jī)床提供壓力供滑臺移動用 冷卻電機(jī)為銑加工時冷卻用，防止工件過熱燒壞沖屑電機(jī)沖去銑加工過程中銑下來的廢鐵屑排屑電機(jī)為除去切削液中的鐵屑用潤滑電機(jī)為機(jī)床各機(jī)械關(guān)鍵部位提供潤滑油電柜風(fēng)機(jī)為降低電器柜內(nèi)溫度用液壓冷卻電

42、機(jī)為冷卻液壓油用圖7.2 變頻器接線考慮到總功率選用變壓器型號為BK-15024VDC為繼電器中間繼電器線圈及機(jī)床的照明提供電力保障110VAC為三相交流接觸器用銑頭電機(jī)即主軸電機(jī)，帶動銑頭的旋轉(zhuǎn)7.2 中間電路圖7.3 機(jī)床的中間電路PLC不是直接控制外部電路而是通過中間繼電器間接控制,降低了PLC內(nèi)部輸出觸點的負(fù)荷，延長了PLC的工作壽命。同時，采用中間繼電器來間接控制接觸器的吸合，降低了控制開關(guān)上的電壓，保證了安全。也減少了各開關(guān)觸點上電弧的產(chǎn)生，使觸點不容易被侵蝕，延長了各開關(guān)元件的壽命。第八章 設(shè)備清單及參數(shù)名稱規(guī)格數(shù)量交流接觸器CJ16三極110V8只中間繼電器24V20只電磁閥2

43、4V12只三相異步電機(jī)3KW1.5KW各1只水泵電機(jī)075KW3只工作指示燈24V5只機(jī)床工作燈一只24V1只限位開關(guān)7只三菱PLCFX2N80MR001一臺三菱變頻器FR-E5003.7KW一臺按鈕、旋鈕開關(guān)若干隔離變壓器BK-150一臺導(dǎo)線若干補(bǔ)充說明：交流接觸器選用CJ16是因為CJ-16的觸點可以承受16A的電流，現(xiàn)選用的最大的電機(jī)的功率為3KW。正常工作時的電流約為7A左右，考慮到啟動電流約為14A及壽命問題故選用此交流接觸器。因本機(jī)床中只有滑臺使用液壓動力，故對液壓站要求較低，選用1.5KW的液壓電機(jī)足以提供充足的動力?？紤]到機(jī)床照明為40W又要為中間繼電器和電磁閥提供電源，其功率約為一百多瓦，故選用150W的變壓器。第九章 小結(jié)七個多月的畢業(yè)設(shè)計很快就結(jié)束了，是把自己三年來所學(xué)的知識進(jìn)行綜合應(yīng)用。通過這次設(shè)計，不但