畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-專用數(shù)控刻線機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

專用數(shù)控刻線機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)Mechanismdesignofspecialncmarkingmachine專用數(shù)控刻線機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)Mechanismdesignofspecialncmarkingmachine摘要近年來(lái)，國(guó)家在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程對(duì)于環(huán)境的保護(hù)要求越來(lái)越嚴(yán)格，使得許多傳統(tǒng)的加工方法在環(huán)境保護(hù)方面不滿足要求，需要技術(shù)創(chuàng)新。而企業(yè)內(nèi)使用的刻線機(jī)還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、低污染。由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)電氣技術(shù)的不成熟，在使用多年后電氣故障頻出且檢修頻繁，難以滿足現(xiàn)代公司對(duì)于其生產(chǎn)加工要求。為了解決上述問(wèn)題并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，本設(shè)計(jì)采用可編程控制方法解決上述問(wèn)題。本文通過(guò)研究了專用刻線機(jī)，設(shè)計(jì)了刻線機(jī)機(jī)械機(jī)構(gòu)，并且通過(guò)對(duì)PLC機(jī)床控制有關(guān)資料進(jìn)行分析、學(xué)習(xí)，提出通過(guò)PLC控制刻線機(jī)部件實(shí)現(xiàn)刻線機(jī)自動(dòng)控制。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)機(jī)床自動(dòng)化，控制公司生產(chǎn)成本，在現(xiàn)有的資源下使得資源利用可以得到最大的利益，對(duì)于需要刻線機(jī)的公司有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本設(shè)計(jì)在通過(guò)對(duì)于平尺刻線機(jī)及PLC控制機(jī)床原理經(jīng)行深入分析，完成了專用數(shù)控刻線機(jī)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及PLC控制部分。PLC控制設(shè)計(jì)其移動(dòng)精度在0.001μm，刻線全程累積誤差小于±0.05mm，滿足設(shè)計(jì)任務(wù)要求。關(guān)鍵詞:刻線機(jī)構(gòu)；PLC控制；移動(dòng)工作臺(tái)

AbstractInrecentyears,thestate’srequirementsforenvironmentalprotectionintheproductionprocesshavebecomemorestringentinindustrialproduction,makingmanytraditionalprocessingmethodsfailtomeetenvironmentalprotectionrequirementsandrequiretechnologicalinnovation.However,thescribingmachineusedintheenterprisehasnotyetachievedautomationandlowpollution.Duetotheimmatureelectricaltechnologyatthetimeofdesignanddesign,aftermanyyearsofuse,electricalfailuresoccurredfrequentlyandwereoverhauledfrequently,makingitdifficultformoderncompaniestomeettheirproductionandprocessingrequirements.Inordertosolvetheaboveproblemsandachieveautomaticcontrol,thisdesignusesprogrammablecontrolmethodstosolvetheaboveproblems.Inthispaper,throughthestudyofthespeciallineengravingmachine,thedesignofthemechanicalmechanismofthelineengravingmachine,andthroughthePLCmachinetoolcontroloftherelevantdataforanalysis,learning,putforwardthroughthePLCcontrolofthelineengravingmachinepartstoachieveautomaticcontrolofthelineengravingmachine.Thisisofgreatpracticalsignificancetorealizemachinetoolautomation,controltheproductioncostofthecompany,andmaximizethebenefitsofresourceutilizationundertheexistingresources.ThisdesignisthroughthelineoftheprincipleofthehorizontalrulerlinecutterandPLCcontrolmachinetoolin-depthanalysis,completethedesignofthespecialCNClinecuttermechanismandPLCcontrolpart.ThemovementaccuracyofthePLCcontroldesignis0.001feetm,andthecumulativeerrorofthewholelineengravingprocessislessthan±0.05mm,whichmeetstherequirementsofthedesigntask.Keywords：Scribedlineorganization；PLCcontrol；movingtable目錄TOC\o"1-2"\h\z\u第一章緒論 第一章緒論1.1課題的背景和意義我國(guó)提出的中國(guó)制造2025中明確指出，制造業(yè)是我國(guó)的支柱性產(chǎn)業(yè)，而要提高制造業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)，首先要提高技術(shù)基礎(chǔ)使數(shù)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、一體化滿足現(xiàn)代工業(yè)的要求，同時(shí)也為了提高我國(guó)勞動(dòng)生產(chǎn)率以及生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量。因此我國(guó)新階段注重實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的控制技術(shù)，使其盡快實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)型、自動(dòng)化。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)我國(guó)中國(guó)制造2025，提高我國(guó)數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)中的加工效率有重要意義。[1]由于近年來(lái)我國(guó)對(duì)于數(shù)控機(jī)床行業(yè)的重視。使得我國(guó)數(shù)控方面發(fā)展迅速。但是數(shù)控機(jī)床在精度方面與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還是具有很大差距，如美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家。我國(guó)數(shù)控機(jī)床除了在精度方面有所差距外，在機(jī)床功能部件的性能也有所差距。機(jī)床基礎(chǔ)設(shè)施與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，也影響國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)的加工精度、質(zhì)量，同時(shí)對(duì)于機(jī)床的動(dòng)、靜態(tài)性能也有一定影響。目前，機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大多是基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)或類比法。隨著機(jī)床向高速、高精度方向發(fā)展，傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床已不能滿足高精度、輕量化的要求。為了滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)數(shù)控機(jī)床的要求，數(shù)控系統(tǒng)的由于需求而產(chǎn)生。前期控制主要是由繼電器和接觸器進(jìn)行組合控制，PLC(ProgrammableLogicController)控制系統(tǒng)是以此為基礎(chǔ)發(fā)展而成。最近幾年，由于微機(jī)處理芯片及相關(guān)元器件價(jià)格大幅下跌，同時(shí)，PLC功能得到了很大的發(fā)展，使得PLC的應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大。[2]目前，PLC在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。PLC由于其自身的特點(diǎn)使得在數(shù)控方面也有了極大的發(fā)展，目前，根據(jù)工程實(shí)踐需要，數(shù)控技術(shù)應(yīng)該積極發(fā)展開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)。以PLC控制機(jī)構(gòu)，利用軟件控制PLC，實(shí)現(xiàn)其功能。[3]1.2刻線機(jī)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀1952年，我國(guó)在蘇聯(lián)的幫助下建立了哈爾濱量具廠，第一臺(tái)用于游標(biāo)卡尺刻線的機(jī)床也是從蘇聯(lián)引進(jìn)。[4]測(cè)量工具的刻線主要由刻線機(jī)完成。由于測(cè)量工具的特殊性，要求刻線機(jī)的精度必須滿足使用條件。在早期由于技術(shù)原因刻線機(jī)采用純機(jī)械控制，刻線機(jī)以機(jī)械傳動(dòng)來(lái)保證工作中的精度。在工作中，其移動(dòng)工作臺(tái)由絲杠配合電機(jī)來(lái)進(jìn)行移動(dòng)控制。螺紋傳動(dòng)絲杠移動(dòng)一個(gè)單位，機(jī)械傳動(dòng)裝置帶動(dòng)刀具機(jī)構(gòu)，刻刀隨著刀具機(jī)構(gòu)移動(dòng)完成尺身刻線。由于刻線機(jī)為純機(jī)械式結(jié)構(gòu)，其刻線的精度取決于主軸傳動(dòng)絲和主要零部件的精度，為了保持其加工精度。所以要求其主軸傳動(dòng)絲杠及其零部件精度要求極高，導(dǎo)致主軸傳動(dòng)絲杠及其零部件加工難度增大，由于，其傳動(dòng)裝置采用純機(jī)械傳動(dòng)，導(dǎo)致其刻線速度較慢，而刻線方式屬于刀具與工件直接接觸式加工。由于磨損原因，刀具在長(zhǎng)時(shí)間刻線后會(huì)造成其寬刻線寬度不一致。為了解決這一問(wèn)題，刻線機(jī)廠家將激光標(biāo)刻技術(shù)應(yīng)用于刻線機(jī)，采用激光刻線，避免了刀具與工件接觸，解決了刀具接觸工件加工的磨損問(wèn)題，使得刻線精度得到極大的提升。其以前由于刀具磨損，導(dǎo)致的刻線不均勻得到了完全了解決。在近年來(lái)，由于數(shù)控技術(shù)的進(jìn)入，使得我國(guó)機(jī)床逐漸進(jìn)入數(shù)控化，國(guó)內(nèi)廠家通過(guò)與國(guó)外著名刻線機(jī)廠家的合作，從而實(shí)現(xiàn)新技術(shù)引進(jìn)，并對(duì)于國(guó)外的樣機(jī)進(jìn)行消化吸收，從而使得我國(guó)刻線機(jī)現(xiàn)在的種類及其質(zhì)量得到了全面提升，也進(jìn)入了我國(guó)的機(jī)床數(shù)控技術(shù)時(shí)代。1.2.2國(guó)外研究現(xiàn)狀、第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床誕生于1952年，它是帕森斯有限公司聯(lián)合世界名校麻省理工發(fā)明。這個(gè)時(shí)間也代表著數(shù)控機(jī)床誕生。但是由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)問(wèn)題。該數(shù)控機(jī)床的控制裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制裝置由脈沖倍增器內(nèi)插，可靠性低且使用不便、維修造價(jià)昂貴。因此，在前期數(shù)控系統(tǒng)并沒(méi)有得到大范圍的是使用及在制造業(yè)的生產(chǎn)加工也沒(méi)有得到極大提高。在數(shù)控機(jī)床誕生初期，第一代采用了電子管完成了數(shù)控系統(tǒng)，但其造價(jià)高、使用壽命短并沒(méi)有大范圍得到使用，隨著技術(shù)的發(fā)展集成電路開(kāi)始在數(shù)控系統(tǒng)中得到應(yīng)用，而計(jì)算機(jī)技術(shù)為數(shù)控系統(tǒng)帶來(lái)了騰飛，使得數(shù)控系統(tǒng)更新極快。現(xiàn)階段，國(guó)外刻線機(jī)大部分是采用PLC控制，數(shù)控系統(tǒng)采用現(xiàn)代的微處理數(shù)控系統(tǒng)?，F(xiàn)代激光刻線機(jī)為了在滿足使用條件的前提下，盡可能的節(jié)約空間，設(shè)計(jì)時(shí)采用傳動(dòng)齒輪直徑減小，軸之間的距離也縮短，在節(jié)約機(jī)構(gòu)空間的同時(shí)使得機(jī)器效率得到保持。1.3可編程邏輯控制器的產(chǎn)生和發(fā)展1969年P(guān)LC誕生到現(xiàn)在短短51年，但是PLC發(fā)展卻十分迅速并且應(yīng)用技術(shù)也十分廣泛。PLC通過(guò)三段發(fā)展歷程，形成了現(xiàn)階段的微電子處理。[7]1.PLC初期PLC技術(shù)來(lái)源于傳統(tǒng)的繼電器控制(EZLC)。繼電控制系統(tǒng)在初期不僅僅體積巨大，在實(shí)際工作中可靠性也達(dá)不到人們的要求，產(chǎn)生故障難以發(fā)現(xiàn)和排除、接線復(fù)雜、零件更換麻煩，在使用過(guò)程中對(duì)于生產(chǎn)變化難以適應(yīng)。1969年，由于微電子領(lǐng)域和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的高速發(fā)展，世界上第一臺(tái)可編程控制器誕生，美國(guó)DEC公司將它命名為PDP-14，公司在PDP-14通過(guò)測(cè)試后投入到通用汽車的自動(dòng)裝配線，運(yùn)行效果良好。早期的PLC解決了繼電器體積以及可靠性等問(wèn)題，而且在實(shí)際使用中相比繼電器安裝更加方便，PLC能耗相對(duì)更低、可重復(fù)使用，基于這些優(yōu)點(diǎn)，使得早期PLC優(yōu)于繼電器。但在控制方面早期PLC功能相對(duì)簡(jiǎn)單只能滿足邏輯控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)等基本功能。而梯形圖語(yǔ)言是PLC從初期就開(kāi)始使用一直到今天。2.PLC的中期發(fā)展時(shí)代20世紀(jì)70年代初期微處理器誕生，在70年代中期人們將其應(yīng)用到PLC，由于微處理器的應(yīng)用，PLC在基礎(chǔ)控制功能上添加了算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳輸、處理等功能。隨著控制功能的增加為了滿足控制要求，對(duì)于PLC硬件也有所發(fā)展增加了模擬模塊、I/O模塊，同時(shí)對(duì)于儲(chǔ)存量方面也有所提升。PLC還新增了數(shù)據(jù)寄存器，這些改變使得其應(yīng)用范圍與初期PLC相比更加廣闊。3.PLC現(xiàn)狀隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，PLC在其發(fā)展的基礎(chǔ)上，也得到了一定的提升，主要提升體現(xiàn)在微處理器方面，技術(shù)是提升使得PLC無(wú)論是軟件還是硬件都有不同改變。目前，可以發(fā)現(xiàn)最新的64位微處理器也應(yīng)用于大型PLC，現(xiàn)代PLC與初期相比不僅僅是在控制能力方面有所提升，對(duì)于PLC的功能也得到了極大的發(fā)展。相比于前期PLC，采用微處理器控制的PLC無(wú)論是可靠性、功耗、體積都有所降低，其經(jīng)濟(jì)性更加實(shí)用。[10]同時(shí)，更具有數(shù)據(jù)處理和圖像顯示功能，PLC也新增了邏輯控制、過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制等功能。使得PLC應(yīng)用范圍更加廣闊，可靠性也得到了極大的提升。[11]1.3.1編程邏輯控制器的特點(diǎn)PLC經(jīng)過(guò)近50年的發(fā)展，其功能不斷增強(qiáng)，逐漸呈現(xiàn)出以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)[6-14]1.可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)在控制工程中，干擾一直是控制工程的難點(diǎn)。PLC為了提高其抗干擾能力，在硬件和軟件上都積極地采取了各種辦法來(lái)進(jìn)行提高PLC的抗干擾能力。同時(shí)，增加了PLC的自我診斷功能，能及時(shí)對(duì)于故障信息給予返饋，并且停止運(yùn)動(dòng)，等待維修。2.通用性強(qiáng)，控制程序可變，使用方便硬件:PLC經(jīng)過(guò)發(fā)展系列齊全，對(duì)于工業(yè)使用來(lái)說(shuō)能夠滿足大部分客戶需要。軟件程序:PLC軟件可以根據(jù)要求不同而編寫(xiě)符合自身要求的程序，實(shí)際使用中只要硬件符合生產(chǎn)線，在PLC軟件改變后，不需要對(duì)相應(yīng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改變，對(duì)于流程改變來(lái)說(shuō)，也僅僅只有編寫(xiě)符合要求的程序就可以了。基于這種特點(diǎn)PLC，除了單片控制的應(yīng)用以外，在其工廠中的自動(dòng)化控制生產(chǎn)線中也得到了廣泛應(yīng)用。3.功能強(qiáng)，適應(yīng)面廣現(xiàn)代PLC不僅具有傳統(tǒng)功能，而且在傳統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上新增通訊、人機(jī)對(duì)話、自檢等新功能?，F(xiàn)代PLC加強(qiáng)的不僅僅是通訊及自檢方面的功能，在控制方面也有了很大的進(jìn)步，在控制中不在是以前的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制，現(xiàn)在可以通過(guò)PLC對(duì)于整個(gè)加工環(huán)節(jié)進(jìn)行控制。而且PLC隨著計(jì)算機(jī)以及微電子技術(shù)的發(fā)展，PLC應(yīng)用范圍相信會(huì)越來(lái)越廣泛。4.編程簡(jiǎn)單，容易掌握初期PLC的編程語(yǔ)言為梯形圖編程。這種編程語(yǔ)言可以清晰直觀的表達(dá)控制電路。而且初期PLC即為梯形圖語(yǔ)言控制，同時(shí)梯形圖直觀清晰。因此大數(shù)電氣工人的閱讀習(xí)慣和編程都采用梯形圖編程。所以梯形圖是大多數(shù)PLC用戶使用的編程語(yǔ)言，同時(shí)，梯形圖與傳統(tǒng)繼電器控制電路原理圖非常相似，方便用戶容易學(xué)習(xí)和掌握。但PLC梯形圖在實(shí)際運(yùn)行中，首先使用內(nèi)部解釋器將其轉(zhuǎn)換為匯編語(yǔ)言，然后再進(jìn)行執(zhí)行項(xiàng)目，由此可以發(fā)現(xiàn)其執(zhí)行時(shí)間相比與匯編語(yǔ)言有所延遲。但是對(duì)于大多數(shù)控制設(shè)備來(lái)說(shuō)這點(diǎn)時(shí)間，對(duì)于使用來(lái)說(shuō)其影響可以忽略不計(jì)。5.減少了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及施工的工作量PLC在發(fā)展中為了滿足多變的工作環(huán)境，對(duì)于硬件進(jìn)行了不斷的改變，在后期用軟件編程代替了一部分硬件，使得現(xiàn)在PLC相比以前整體安裝更為簡(jiǎn)單、不需要太多的線路，而軟件編程可以按照要求編寫(xiě)，節(jié)約了大量的成本。同時(shí)，可以在明確控制要求后，進(jìn)行搭建模擬，對(duì)于出現(xiàn)故障后，采用計(jì)算機(jī)處理，并且對(duì)于PLC程序進(jìn)行仿真和調(diào)試，節(jié)約現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間?，F(xiàn)代PLC還具有安裝方便、可靠性高、監(jiān)控力強(qiáng)及模塊化設(shè)計(jì)使得其應(yīng)用范圍廣泛。6.體積小、重量輕、功耗低、維護(hù)方便PLC由于微電子技術(shù)的應(yīng)用，PLC控制器結(jié)構(gòu)緊湊、功能多樣且功耗低等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)繼電器相比PLC是理想的控制裝置。以西門子s7-200cpu211為例，其外形尺寸90×80×62mm，數(shù)控儲(chǔ)存器2048字節(jié)。同時(shí)，為了更好的滿足工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用，s7-200系列含有多種類型的擴(kuò)展模塊。1.3.2PLC在數(shù)控系統(tǒng)上的應(yīng)用PLC的出現(xiàn)和應(yīng)用,顯示出巨大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益,引起了各個(gè)國(guó)家的注意,國(guó)家開(kāi)始重視對(duì)于PLC的研究和開(kāi)發(fā)。PLC基于這種條件下，其設(shè)備的型號(hào)以及系列發(fā)展迅速，應(yīng)用范圍擴(kuò)大到包括機(jī)床在內(nèi)的各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。[15]在20世紀(jì)70年代，數(shù)控機(jī)床中的自動(dòng)化控制開(kāi)始采用PLC控制。到20世紀(jì)80年代，高性能數(shù)控機(jī)床中都已出現(xiàn)PLC的身影。目前，現(xiàn)代控制系統(tǒng)中PLC已經(jīng)成為了必備的控制裝置之一。而在數(shù)控機(jī)床中PLC按照類型可以獨(dú)立式PLC和鑲嵌式PLC也可以叫內(nèi)裝式PLC。內(nèi)裝式PLC是數(shù)控系統(tǒng)廠家為數(shù)控機(jī)床制造設(shè)計(jì)的PLC與數(shù)控系統(tǒng)為一體。1.內(nèi)裝型PLC內(nèi)置的PLC實(shí)際上是一個(gè)具有PLC功能的數(shù)控設(shè)備，它存在于數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部，不能與數(shù)控系統(tǒng)分開(kāi)獨(dú)立完成控制要求。[17]內(nèi)置PLC的性能指標(biāo)(如I/O點(diǎn),程序執(zhí)行的最大數(shù)量的步驟,每一步的執(zhí)行時(shí)間,程序掃描時(shí)間、功能指令的數(shù)量等等)是由規(guī)格、性能都與數(shù)控機(jī)床相匹配的系統(tǒng)處理。內(nèi)裝型PLC其軟件與硬件是一體，內(nèi)裝型PLC是完成數(shù)控系統(tǒng)的基本硬件。內(nèi)裝型PLC與獨(dú)立型相比較它的結(jié)構(gòu)更加緊湊。PLC功能與機(jī)床更加匹配，技術(shù)指標(biāo)可以達(dá)到較高的要求。而內(nèi)置型PLC多用于加工中心。內(nèi)置PLC隸屬于數(shù)控設(shè)備，具有以下特點(diǎn):內(nèi)置型PLC在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上有兩種模式，內(nèi)置型PLC單獨(dú)使用一個(gè)

CPU，第二個(gè)種內(nèi)置的PLC與宇數(shù)控系統(tǒng)共同使用一個(gè)CPU，內(nèi)置PLC一般是由一塊附加電路附加在數(shù)控主板上。采用數(shù)控系統(tǒng)的I/O接口。用于PLC控制部分和電路部分的電源(一般為輸入電源，配置輸出電源)由數(shù)控設(shè)備提供，不提供附加電源。PLC內(nèi)置PLC結(jié)構(gòu)，數(shù)控系統(tǒng)可以有一些先進(jìn)的PLC控制功能，比如梯形圖顯示編輯及狀態(tài)監(jiān)控功能。目前，世界上的數(shù)控制造商在自己生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)中，大部分都開(kāi)發(fā)了內(nèi)置的PLC功能。例如三菱的A700系列、丹佛斯、富士的VG7、西門子的Sinumerik820/820;AB公司的8200、8400、8500等國(guó)內(nèi)華中數(shù)控和廣州數(shù)控也有相應(yīng)的內(nèi)置PLC。與國(guó)外的嵌入式PLC相比，國(guó)內(nèi)的嵌入式PLC技術(shù)仍有相當(dāng)大的差距。2.獨(dú)立型PLC獨(dú)立型PLC是與數(shù)控裝置相互獨(dú)立的一套PLC系統(tǒng)，具有獨(dú)立的軟件和硬件能夠憑借自身完成控制任務(wù)。獨(dú)立型PLC相比與內(nèi)置型PLC具有以下特點(diǎn)：獨(dú)立PLC的基本功能結(jié)構(gòu)與內(nèi)置PLC完全相同。數(shù)控機(jī)床如果采用獨(dú)立PLC，一般型號(hào)選用中型或者大型。同時(shí)根據(jù)工作需要I/O點(diǎn)數(shù)一般選擇200左右，獨(dú)立PLC使用安裝方便，便于擴(kuò)展可以通過(guò)可以通過(guò)輸入輸出模塊，按照實(shí)際需求添加配置。為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集中控制，一些獨(dú)立PLC可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)端輸入/輸出通過(guò)獨(dú)立PLC內(nèi)置的連接器進(jìn)而控制PLC。實(shí)現(xiàn)集中控制。[18]通過(guò)分析獨(dú)立PLC和內(nèi)置PLC的優(yōu)缺點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)數(shù)控內(nèi)置PLC的優(yōu)點(diǎn)比獨(dú)立PLC更加突出，更容易實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)對(duì)于控制功能的要求。因此，本文打算采用的數(shù)控系統(tǒng)的PLC也選擇為嵌入式PLC。1.4課題的目的和研究意義裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展程度與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水平有著很大的關(guān)系，裝備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在一定情況下可以反映出國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水平。而數(shù)控機(jī)床作為裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最基礎(chǔ)設(shè)備，其數(shù)控機(jī)床的技術(shù)含量、加工水平、機(jī)床數(shù)量已經(jīng)成為衡量國(guó)家裝備產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展水平的重要指標(biāo)之一。由于技術(shù)原因我國(guó)的高精度數(shù)控機(jī)床，大部分采用進(jìn)口的方式引進(jìn)國(guó)內(nèi)進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)。世界機(jī)床出口有五分之一是進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)。我國(guó)是機(jī)床的主要消費(fèi)國(guó)和進(jìn)口國(guó)。PLC作為數(shù)控機(jī)床的重要設(shè)備之一，其發(fā)展水平同時(shí)也影響著數(shù)控機(jī)床的技術(shù)、加工精度。因此，我國(guó)應(yīng)該重視PLC在機(jī)床方面的應(yīng)用，PLC控制在對(duì)于我國(guó)發(fā)展制造業(yè)，提高國(guó)內(nèi)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)有著不可或缺的作用。第二章刻線機(jī)機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與搭建2.1總體設(shè)計(jì)方案按照任務(wù)書(shū)要求，其專用刻線機(jī)采用PLC控制，機(jī)床加工零件長(zhǎng)度不超過(guò)800mm，寬度不超過(guò)50mm,工件厚度為1mm，刻線機(jī)工作中每格最大誤差：±0.01mm?？叹€全程誤差：±0.05mm，本章設(shè)計(jì)出刻線機(jī)機(jī)構(gòu)部分。2.1.1刻線機(jī)刀具選擇本論文設(shè)計(jì)的專業(yè)數(shù)控刻線機(jī)要想保證刻線精度，其刀具必須滿足精度要求，而對(duì)于刀具性能、特點(diǎn)及保持精度至關(guān)重要的刀具材料來(lái)必須充分考慮其使用條件。本次設(shè)計(jì)的專用刻線機(jī)構(gòu)，其刀具與工件是接觸式加工。為了避免由于刀具磨損，而引起刻線誤差，同時(shí)，避免經(jīng)常更換刀具影響加工進(jìn)度，本次刀具材料選用天然單晶金剛石。天然金剛石加工刀具可達(dá)到0.002——0.008μm。刀具經(jīng)經(jīng)過(guò)精細(xì)研磨。能夠?qū)崿F(xiàn)超薄加工，使用天然金剛石加工，工件精度極高，表面粗糙度極低，在加工刀具中被認(rèn)定為理想的超精密加工刀具。有色金屬刀具在加工方面與天然金剛石刀具相比有色金屬刀具摩擦系數(shù)大，而摩擦系數(shù)大會(huì)導(dǎo)致加工時(shí)工件發(fā)生一定變形（變形與摩擦系數(shù)成正相關(guān)），工件變形引起刀具切削力增加。采用天然金剛石刀具可以有效避免以上問(wèn)題。2.1.2刻線機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)刀具上下進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速太低會(huì)造成強(qiáng)烈的震動(dòng)，轉(zhuǎn)速太高會(huì)容易丟拍，所以步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速一般在300-600r/min，本文設(shè)計(jì)初步將此步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為400r/min，步進(jìn)電機(jī)出來(lái)后需經(jīng)過(guò)聯(lián)軸器傳動(dòng)，再通過(guò)減速將速度降到合理使刀具上下運(yùn)動(dòng)。本文的減速方案為：采用直齒輪進(jìn)行減速傳動(dòng)，考慮到工作效率及直齒輪減速傳動(dòng)比要求，設(shè)計(jì)齒輪減速的傳動(dòng)比為20，考慮到降低噪聲和振動(dòng)及提高平穩(wěn)性，高速齒輪傳動(dòng)比i1設(shè)計(jì)為5，減速齒輪傳動(dòng)比i2設(shè)計(jì)為本文采用凸輪機(jī)構(gòu)將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為刀具的上下直線運(yùn)動(dòng)。初步設(shè)計(jì)如下：在0°-20°為推程，位移由0增加到5mm，作為刀具的上升運(yùn)動(dòng)，由于刀具的抬刀無(wú)需加工，故設(shè)計(jì)的時(shí)間較短提高效率，為了避免加工中產(chǎn)生剛性沖擊與柔性沖擊，設(shè)計(jì)凸輪時(shí)其從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)其運(yùn)動(dòng)規(guī)律為無(wú)沖擊正弦加速度（擺線）；20°-100°為停止階段，此時(shí)間段為工作臺(tái)動(dòng)作；100°-180°為回程階段，位移從5mm將為0，此過(guò)程為刀具的下降過(guò)程，考慮到進(jìn)刀時(shí)與工件接觸，故時(shí)間設(shè)計(jì)的長(zhǎng)一些，同樣，為避免剛性沖擊與柔性沖擊，此過(guò)程的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為擺線-直線-擺線運(yùn)動(dòng)，這樣既可以避免剛性沖擊與柔性沖擊，又可使進(jìn)刀過(guò)程保持相對(duì)平穩(wěn)，最后180°-360°為停止階段，此時(shí)間段為工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)帶動(dòng)工件先對(duì)刀具運(yùn)動(dòng)，完成劃線動(dòng)作，此過(guò)程的時(shí)間為刀具上下運(yùn)動(dòng)周期的一半，來(lái)使劃線動(dòng)作保持平穩(wěn)。按以上設(shè)計(jì)的凸輪運(yùn)動(dòng)曲線如圖1所示。圖SEQ圖\*ARABIC1凸輪運(yùn)動(dòng)曲線2.1.3刻線機(jī)電機(jī)的選擇刀具的上升運(yùn)動(dòng)中，刀具采用天然金剛石，其他零件采用普通碳鋼材料，本文建模后刀具上升運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量為3.01千克，故在計(jì)算保持轉(zhuǎn)矩時(shí)初步按此質(zhì)量計(jì)算，電機(jī)初步轉(zhuǎn)速按400r/min計(jì)算，齒輪傳動(dòng)比為20，故凸輪轉(zhuǎn)速為20r/min即周期為3s，刀具的上升過(guò)程為凸輪整周的20°可計(jì)算上升的時(shí)間為T=20°360°×3s=160圖SEQ圖\*ARABIC2凸輪上升壓力角根據(jù)此前設(shè)計(jì)的凸輪，測(cè)量出上升時(shí)的壓力角如圖2所示，凸輪上升時(shí)壓力角α為27.49°，故傳動(dòng)角γ為62.51°，直齒圓柱齒輪傳動(dòng)效率采用η齒=0.97，軸承傳動(dòng)效率采用η軸承=0.98，聯(lián)軸器傳動(dòng)效率采用η聯(lián)=0.98，安全系數(shù)SP則電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩為：T=根據(jù)此條件，本文初步選用型號(hào)為60BYG350CLS-SASSML-0562的三相60系列混合式步進(jìn)電機(jī)，此電機(jī)步距角為1.2°，保持轉(zhuǎn)矩為0.9N?m。2.2工作臺(tái)的設(shè)計(jì)方案輔助定位監(jiān)測(cè)刻線機(jī)工作臺(tái)設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求主要由PLC模塊、輔助定位裝置、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)及工作臺(tái)本體組成。如圖2-1所示輔助定位監(jiān)測(cè)工作臺(tái)X工作臺(tái)XY輔軸軸助運(yùn)運(yùn)定動(dòng)動(dòng)位機(jī)機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)構(gòu)PLC模塊L伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)1、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)圖2-1工作主要組成機(jī)構(gòu)PC端發(fā)送程序指令到PLC，PLC接受指令經(jīng)過(guò)ＣＰＵ運(yùn)算和邏輯處理等操作后控制系統(tǒng)按照指令控制工作臺(tái)移動(dòng)完成相應(yīng)指令。1、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及輔助定位裝置伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由伺服電機(jī)提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)電路配合PLC完成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，工作臺(tái)工作定位采用傳感器輔助定位。2、機(jī)床的機(jī)械本體機(jī)床的機(jī)械本體主要包括:驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部件、機(jī)床支撐部件及輔助PLC控制系統(tǒng)的輔助定位部件。2.2.1工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)于工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在滿足刻線要求的前提下，應(yīng)該盡量使得其控制簡(jiǎn)單，初步設(shè)想采用絲杠完成移動(dòng)任務(wù)，同時(shí)，考慮到加工實(shí)際，通過(guò)適當(dāng)延長(zhǎng)來(lái)使得其有足夠的移動(dòng)距離，在工作中不會(huì)發(fā)生碰撞。為了能夠滿足刻線驅(qū)動(dòng)要求在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中采用伺服電機(jī)，并且按照編碼器通過(guò)PLC模塊控制伺服電機(jī)來(lái)調(diào)整到所需的位置，實(shí)現(xiàn)模塊的組合。[26]如圖2-2所示圖2-2所示工作臺(tái)進(jìn)給結(jié)構(gòu)刻線機(jī)精度主要由刀具及工作臺(tái)決定，在加工中主要通過(guò)控制工作臺(tái)完成刻線，對(duì)于刻線的長(zhǎng)短取決于工作臺(tái)的精度。而工作臺(tái)為了滿足對(duì)于刻線長(zhǎng)度及加工長(zhǎng)度的要求，工作臺(tái)為雙自由度。對(duì)于工作臺(tái)位置通過(guò)編碼器及限位開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行控制。通過(guò)控制可以實(shí)現(xiàn)精確刻線，并且不會(huì)發(fā)生零件碰撞。但是，為了達(dá)到精度要求，工作臺(tái)主要零件特別是絲杠要求精度必要滿足。2.2.2工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作臺(tái)由夾緊裝置安裝在梁上,滿足的實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度運(yùn)動(dòng),結(jié)構(gòu)緊湊的設(shè)計(jì)原則以及小型簡(jiǎn)單的整體模型,工作臺(tái)將使用疊加結(jié)構(gòu)形式,以降低工作臺(tái)的總體規(guī)模。[27]工作臺(tái)采用雙層設(shè)計(jì)，移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為導(dǎo)軌與絲杠傳動(dòng)組合，它們垂直固定，分別實(shí)現(xiàn)X方向和Y方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。上層為固定平臺(tái)，下層為固定安裝。為了在滿足工作要求的同時(shí)使工作臺(tái)整體結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)如圖2-3所示。工作臺(tái)安裝在第一底座，而第一底座可由于第二底座通過(guò)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)進(jìn)行移動(dòng)。固定橫輥導(dǎo)軌和上工作臺(tái)安裝在其上，實(shí)現(xiàn)X/Y進(jìn)給。直線運(yùn)動(dòng)在兩個(gè)方向都是由滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)螺旋副。工作臺(tái)面第一底座限位開(kāi)關(guān)工作臺(tái)面第一底座限位開(kāi)關(guān)第二底座絲杠螺母機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)第二底座絲杠螺母機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)圖2-3工作臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2-3導(dǎo)軌組合。下層絲杠直接通過(guò)固定端座固定于基座上，工作臺(tái)下有螺母座用于安裝驅(qū)動(dòng)螺母。導(dǎo)軌采用螺栓固定，為了實(shí)現(xiàn)X／Y方向移動(dòng)，導(dǎo)軌分別安裝在下層基座與上層基座并都采用螺栓固定。根據(jù)行程要求，確定螺母座與兩側(cè)導(dǎo)軌的相對(duì)初始位置。伺服電機(jī)的電主軸通過(guò)聯(lián)軸器與絲杠的固定端連接，伺服電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，工作臺(tái)通過(guò)滑動(dòng)螺桿帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)螺母完成直線運(yùn)動(dòng)，并且通過(guò)分別固定在底座和工作臺(tái)上的導(dǎo)軌的相對(duì)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，以完成驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。2.2.3工作臺(tái)質(zhì)量初步估計(jì)以及力計(jì)算根據(jù)工作最大值設(shè)定移動(dòng)行程，用solidworks畫(huà)出工作臺(tái)與底平臺(tái)三維模型如圖2-4所示圖2-4工作臺(tái)與底平臺(tái)三維模型指定安裝負(fù)載的工作臺(tái)材料為45鋼，底平臺(tái)材料為HT200，得出其質(zhì)量分別為11658.16g，22051.71g。1下層平臺(tái)主力計(jì)算下層平臺(tái)承受的力來(lái)自載荷以及上層結(jié)構(gòu)的總重量。上層平臺(tái)重量與工作臺(tái)質(zhì)量之和：22051.71+11658.16=33709.87g除了兩個(gè)平臺(tái)之外還有其他零部件，按1.5倍估計(jì)，上層結(jié)構(gòu)的總體質(zhì)量為1.5*33709.87=50564.805g根據(jù)工作需要，負(fù)載體積為40000立方毫米，刻線機(jī)刻線材料按照鐵鎳合金計(jì)算，而鐵鎳合金的密度根據(jù)含鎳量的不同而不同,根據(jù)不同的含鎳量,鐵鎳合金的密度在7.86~8.902克/立方厘米之間.按照計(jì)算，其質(zhì)量在314~356克，為了安全性，負(fù)載質(zhì)量設(shè)計(jì)按照1000克，所以X方向阻力：F其中摩擦因數(shù)通過(guò)查閱滾動(dòng)導(dǎo)軌選型手冊(cè)為0.003,故：FfX2上層平臺(tái)力計(jì)算上層平臺(tái)主要承受工作臺(tái)重量以及載荷。11658.16×1故Y向總阻力：FfY2.3工作臺(tái)導(dǎo)軌及絲杠螺母的選型2.3.1導(dǎo)軌的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及選型依據(jù)移動(dòng)工作臺(tái)的機(jī)床導(dǎo)軌的功能主要是導(dǎo)向以及輔助支撐兩個(gè)作用是。導(dǎo)軌與滑動(dòng)組合輔助工作臺(tái)完成控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)。按照其作用不同,可分為支撐導(dǎo)軌和運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌。導(dǎo)軌是機(jī)床移動(dòng)中的重要部件之一,在很大的程度上保證了機(jī)床移動(dòng)與加工時(shí)的精度。而且隨著機(jī)床產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，其現(xiàn)代加工對(duì)機(jī)床精度要求更高。這方同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致機(jī)床對(duì)于導(dǎo)軌的要求提高，導(dǎo)軌各項(xiàng)性能都要到達(dá)更高的技術(shù)指標(biāo)，從而保證機(jī)床更高的加工精度。1.直線導(dǎo)軌的特點(diǎn)現(xiàn)代機(jī)床采用最多的導(dǎo)軌被分為三類導(dǎo)軌。其中滾動(dòng)導(dǎo)軌相比滑動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌更加應(yīng)用廣泛。主要是滾動(dòng)導(dǎo)軌自身優(yōu)良的特性。滾動(dòng)導(dǎo)軌可以適應(yīng)機(jī)床加工中的高速直線運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦因數(shù)小、運(yùn)動(dòng)靈敏度高，而且滾動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)是無(wú)間隙運(yùn)動(dòng)。在使用導(dǎo)軌時(shí)采用成對(duì)導(dǎo)軌副時(shí)可以使得誤差均化，降低對(duì)于導(dǎo)軌安裝面精度要求，可以有效降低機(jī)械制造成本。2.直線導(dǎo)軌選型依據(jù)及其結(jié)構(gòu)（1）計(jì)算負(fù)荷大小根據(jù)圖所示的使用條件，計(jì)算滑塊載荷（vmax=0.1mm/s，設(shè)加減速時(shí)間1s）mg4=負(fù)載質(zhì)量塊為長(zhǎng)方體，其長(zhǎng)為800mm,寬為50mm,厚度為1mma=10003m故：mαl2m故Pmax=186+128.83=314.83N選擇THK的SHS-C型直線導(dǎo)軌，其基本動(dòng)額定載荷為14.2kN，基本靜額定載荷24.2kN。靜態(tài)安全系數(shù)：f故可以滿足要求。（2）直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)靜音型-THK直線導(dǎo)軌如圖3

，為了減少導(dǎo)軌在直線運(yùn)動(dòng)中的摩擦系數(shù)，LM滑塊和LM導(dǎo)軌中有經(jīng)過(guò)精密研磨加工而成的滾動(dòng)面。在滾動(dòng)面中安裝鋼球。鋼球在鋼球保持器與組裝滑塊中。導(dǎo)軌做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，使鋼球做循環(huán)運(yùn)動(dòng)。THK滑塊。由于其設(shè)計(jì)原因在受力時(shí)其四個(gè)作用方向所受到的荷載力均相同。主要原因是鋼球在設(shè)計(jì)時(shí)，是按照45°接觸配置，并且由于受到的荷載力均相同，在運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以達(dá)到降低摩擦系數(shù)、加強(qiáng)作用方向剛度。為了保證導(dǎo)軌在運(yùn)動(dòng)是保持穩(wěn)定、高精度，SHS滑塊采用了高剛性設(shè)計(jì)。圖3靜音型-THK直線導(dǎo)軌2.3.2滾珠絲杠計(jì)算和選擇初選THK的預(yù)壓型滾珠絲杠，公稱直徑20mm，導(dǎo)程5mm。型號(hào)為SBN2005-5。1.導(dǎo)程與軸向間隙由選型手冊(cè)查得：該型滾珠絲杠的導(dǎo)程精度為4μm，軸向間隙0（G0級(jí)）。總誤差為4+0=4μm。2.絲杠強(qiáng)度與極限轉(zhuǎn)速考慮到載荷不大，溫度變化小，且兩端固定能夠施加一定預(yù)壓消除間隙，減少軸向誤差，所以滾珠絲杠采用兩端固定的方式進(jìn)行安裝。絲杠的挫曲載荷：P1=0.5絲杠的容許拉伸壓縮負(fù)荷：P2=σπ4通過(guò)查圖知：當(dāng)安裝間距取460mm，兩端固定時(shí)，其容許軸向載荷約為6kN。絲杠的極限轉(zhuǎn)速：N1=λ絲杠的許用轉(zhuǎn)速：N2=130000根據(jù)vmax=0.1m/s求絲杠轉(zhuǎn)速：N=60×1易見(jiàn)N＜N2，轉(zhuǎn)速滿足要求。X、Y方向的載荷均由絲杠螺母承受。有此前的計(jì)算結(jié)果知道，該載荷遠(yuǎn)小于容許軸向載荷。綜上，絲杠的強(qiáng)度與轉(zhuǎn)速能夠滿足要求。3.剛度根據(jù)選型手冊(cè)：&δ=其中:δ——當(dāng)采用兩端固定的安裝方式時(shí)：KS由選型手冊(cè)查得所選絲杠軸的軸向剛性為370N/μm，基本額定靜載荷16.2kN，基本額定動(dòng)載荷10.3kN。施加的預(yù)壓力為基本額定動(dòng)載荷的10%，即1.03kN。此時(shí)根據(jù)說(shuō)明：K軸承剛度：&故：Q=所以K=(149.97+故：δ=52.2337.42=1.40綜上所述，由于絲杠螺母副的機(jī)械精度造成的誤差為4+1.4=5.4μm＜50/3故絲杠螺母副滿足精度要求。2.4電機(jī)的計(jì)算和選擇2.4.1等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算對(duì)于X-Y二維平臺(tái)，底層絲杠的回轉(zhuǎn)帶動(dòng)上層結(jié)構(gòu)沿X方向運(yùn)動(dòng)，最大速度為0.1m/s。所以有：J=其中：J——Jmv——ω——所以：J=54.63933+44.56×(1001200×最大角加速度為α2π60×1max最大轉(zhuǎn)矩為M=Jα=82.858×10-要求底層電機(jī)的扭矩為T=10.4N·mm。功率為：P=2πTn查閱選型手冊(cè)，選用科爾摩根的AKM24F直流伺服電機(jī)。其額定功率為0.42kW，額定轉(zhuǎn)速為3000min-1，扭矩1.33N·m，可以滿足要求。為方便起見(jiàn)，上層電機(jī)同樣選用該種型號(hào)電機(jī)。2.5編碼器的計(jì)算與選擇要求定位精度達(dá)到0.05mm，根據(jù)絲杠的導(dǎo)程計(jì)算編碼器精度：a=即：編碼器的精度達(dá)到1.2°能夠滿足要求。根據(jù)此指標(biāo)，選擇海德漢的ERO1470增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，其技術(shù)參數(shù)如圖所示。第三章伺服系統(tǒng)、模擬量的PLC控制3.1伺服電機(jī)的定位運(yùn)動(dòng)控制3.1.1定位的概述圖3.1機(jī)器返回原點(diǎn)操作示意圖圖3.2JOG操作示意圖1.執(zhí)行ORG指令時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)移到設(shè)備原點(diǎn)位置，當(dāng)信號(hào)發(fā)出時(shí)，電機(jī)減速至低速運(yùn)行;當(dāng)檢測(cè)到源信號(hào)時(shí)，。當(dāng)輸入電機(jī)在原點(diǎn)附近被檢測(cè)到時(shí)，它立即停止。機(jī)器原點(diǎn)返回操作如圖3.1所示。2.

當(dāng)按下前進(jìn)或者后退，電機(jī)按照指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，在沒(méi)有其他指令的情況下到IlVI指令停止。機(jī)器JOG操作如圖3.2所示。3.根據(jù)定位指令，從啟動(dòng)頻率加速到目標(biāo)頻率，然后保持頻率持續(xù)輸出。減速點(diǎn)到達(dá)后，開(kāi)始降低頻率輸出，降低到起動(dòng)頻率時(shí)，輸出停止。定位操作如下圖所示。圖3.3定位操作示意圖3.1.2伺服控制系統(tǒng)工作原理AKM24F直流伺服電機(jī)共4軸高頻脈沖輸出，脈沖輸出從0開(kāi)始到3結(jié)束，輸出頻率設(shè)定范圍為1Hz~0khz，用來(lái)完成PLC與驅(qū)動(dòng)器之間的通信。PLC程序?qū)㈦姍C(jī)的位移、速度值等，通過(guò)脈沖輸出指令輸出到伺服驅(qū)動(dòng)器。伺服驅(qū)動(dòng)器收到脈沖指令后，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)完成指定動(dòng)作，在運(yùn)動(dòng)時(shí)編碼器將收集電機(jī)移動(dòng)位移并將信息傳遞到伺服驅(qū)動(dòng)器。[28]3.2控制系統(tǒng)的硬件連接及參數(shù)設(shè)定根據(jù)工作臺(tái)使用要求及設(shè)計(jì)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)伺服驅(qū)動(dòng)器控制工作臺(tái)位置接線圖(如圖3.4所示)，伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)接線原理按照?qǐng)D3.5進(jìn)行連接。[29]將首先MCDHT3_520E伺服驅(qū)動(dòng)X4連接器在3銷普爾斯1(“指令脈沖”)及5與+5V進(jìn)行連接。4管腳PULS2“與PLC輸出端發(fā)出的輸出零點(diǎn)脈沖進(jìn)行連接。6管腳SIGN2與PLC輸出信號(hào)端連接接收脈沖輸出信號(hào)，進(jìn)過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器傳遞控制工作臺(tái)按照指令做出相應(yīng)的移動(dòng)。設(shè)定異常報(bào)警，如果工作臺(tái)工作發(fā)生異常，發(fā)出脈沖輸入I0.5。[30]31引腳A-clr連接PLC輸出I0.2.、I0.4，即輸出信號(hào)I0.2.、I0.4發(fā)送到PLC程序中的A-clr引腳，清除伺服驅(qū)動(dòng)器的報(bào)警并起到復(fù)位作用。伺服驅(qū)動(dòng)器的29個(gè)引腳，srv-on控制伺服開(kāi)，并直接連接到OV。也就是說(shuō)，一旦伺服驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)，伺服驅(qū)動(dòng)將進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)，隨時(shí)準(zhǔn)備接受定位脈沖移動(dòng)命令。圖3.4X4連接器的接線圖圖3—5伺服驅(qū)動(dòng)器接線圖表3.1伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置3.3伺服電機(jī)的控制設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中，采用PLC控制伺服驅(qū)動(dòng)，按照設(shè)定的輸入、輸出脈沖進(jìn)行定位、位置移動(dòng)，X/Y坐標(biāo)伺服控制系統(tǒng)通過(guò)左右脈沖和方向信號(hào)，進(jìn)行工件加工。X/Y坐標(biāo)伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是滾珠絲杠。Y軸方向的絲杠螺距為5mm，X軸方向的絲杠螺距為10mm，對(duì)于工作臺(tái)移動(dòng)精度設(shè)定為lμｍ由伺服控制驅(qū)動(dòng)，通過(guò)設(shè)置伺服驅(qū)動(dòng)的電子齒輪傳動(dòng)比和其他參數(shù),使每個(gè)伺服系統(tǒng)每接收到一個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)就移動(dòng)lμｍ，在開(kāi)始工作時(shí)，首先進(jìn)行定位原點(diǎn)搜索，然后PLC對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)發(fā)送脈沖指令驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)按照指令進(jìn)行移動(dòng)工作。在工作中伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器來(lái)控制絲杠使得工作臺(tái)移動(dòng)到指定的位置并進(jìn)行移動(dòng)刻線。這里以位置指令“PLS2”為。指指令作用是將PLC程序中事先設(shè)定的脈沖數(shù)和工作頻率發(fā)送到伺服驅(qū)動(dòng)，然后伺服驅(qū)動(dòng)控制伺服電機(jī)按照設(shè)定數(shù)值進(jìn)行工作:本設(shè)計(jì)使用的科爾摩根的AKM24F直流伺服電機(jī)，旋轉(zhuǎn)編碼器為海德漢的ERO1470增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，本設(shè)計(jì)中，根據(jù)滾珠絲杠的選擇，左右、前后伺服設(shè)置為每轉(zhuǎn)10,000脈沖。一個(gè)脈沖伺服電機(jī)接收到一個(gè)脈沖帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)lμｍ。3.4模擬量的PLC控制3.4.1模擬量信號(hào)的選擇輸出信號(hào)可以在電流信號(hào)或者電壓信號(hào)中任選其一，串口通信可以選擇RS232或RS485。本文以設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單更實(shí)用,不考慮串行通信的方法,同時(shí),考慮到使得傳感器與PLC之間有距離，有距離使得如果采用電壓信號(hào)會(huì)得傳輸信號(hào)受到電線電阻的影響，發(fā)生誤差。因此選擇電流信號(hào)輸出。3.4.2設(shè)定字由于本設(shè)計(jì)使用的PLC主機(jī)為CP1h-x40dt-d，主機(jī)占用的輸入地址為CI00~CIO1(即0.00~0.11,1.00~1.11)，輸出地址為CIO100~CIO101(即100.00~100.07,101.00~101.07)。因此，分配給AD041的輸入信道地址為CI02~CIO5。設(shè)置字如圖3.6所示。圖3.6設(shè)定字說(shuō)明從設(shè)置字描述可以看出，我們只使用模擬輸入1，它的最高位為1，最低位為8，用于設(shè)置2個(gè)通道。因此，需要將模擬輸入起始位設(shè)置為需要設(shè)置為0，輸入信號(hào)選擇為10:4到20mA。然后，通道1的設(shè)置其字2其他通道作為備用通道，設(shè)置為1010，其余通道不使用，設(shè)置為0000。3.4.3PLC設(shè)計(jì)說(shuō)明PLC程序在第一次循環(huán)時(shí)需要設(shè)定字節(jié)，這是由于模擬輸入量模塊決定的模擬輸入模塊必須在設(shè)定后才能使用。同時(shí)，由于其設(shè)定字節(jié)，字節(jié)的寫(xiě)入時(shí)間大約需要0.2秒，所以添加一個(gè)定時(shí)器用于延續(xù)時(shí)間。字節(jié)寫(xiě)入后，將對(duì)模擬量信號(hào)進(jìn)行后續(xù)處理操作，本程序設(shè)定，將采用D008寄存器作為寫(xiě)入模擬量輸入信號(hào)的寄存器。在工作中模擬輸入量，需要通過(guò)寄存器讀取，然后輸出，根據(jù)程序設(shè)定完成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)以及刻線。3.5PLC控制設(shè)計(jì)3.5.1I/O的確定與分配考慮到PLC連接現(xiàn)場(chǎng)外部設(shè)備特設(shè)立開(kāi)關(guān)量輸入模塊，用于連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備開(kāi)關(guān)信號(hào)。并將現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)為PLC內(nèi)部接收的低電壓信號(hào)，同時(shí)根據(jù)開(kāi)關(guān)量的輸入模塊特性，其可以對(duì)PLC的內(nèi)外信號(hào)進(jìn)行電氣隔離。[33]按照選擇時(shí)留下10%~20%的余量，結(jié)合實(shí)際需要，選擇輸入口為10個(gè)，輸出口為7個(gè)。同時(shí)考慮到在滿足使用條件下滿足工作要求，CPU模塊選用CPU224（14輸入/10輸出），由于CPU滿足工作要求，目前不考慮擴(kuò)展。[34]按照專用刻線機(jī)對(duì)于PLC控制要求，通過(guò)設(shè)計(jì)方案，開(kāi)確定I/O分配，在考慮到需要的控制按鈕以及各種需要的輔助裝置及開(kāi)關(guān)進(jìn)而確定了與PLC控制系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備，最終對(duì)PLC的的I/O點(diǎn)數(shù)完成確定，并且I/O分配表如下圖所示：輸入編號(hào)名稱用途I0.0SB1啟動(dòng)I0.1SP1裝卡信號(hào)I0.2SQ1上下進(jìn)給原點(diǎn)I0.3SQ2縱向原點(diǎn)I0.4SQ3橫向原點(diǎn)I0.5SB2急停I0.6SQ4工作位置I0.7SQ5縱向停止輸出編號(hào)名稱用途Q0.0KM1上下進(jìn)給Q0.1KM2縱向運(yùn)動(dòng)Q0.2KM3橫向劃線Q0.3HL2原位指令Q0.4HL1電源3.5.2元件及具體型號(hào)的匯總表設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該在滿足功能要求及操作要求，在保證加工精度的前提下選擇經(jīng)濟(jì)型的設(shè)備，特別是對(duì)于PLC相關(guān)模塊，在滿足控制要求的前提下，考慮經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的模塊配置，使得專用刻線機(jī)成本盡可能的降低，才能使整個(gè)控制系統(tǒng)最具性價(jià)比。設(shè)備代碼設(shè)備型號(hào)設(shè)備名稱規(guī)格件數(shù)SBLA19-11按鈕2SPDP-25B壓力繼電器1SQLX5-11限位開(kāi)關(guān)5KM1、KM360BYG350CLS-SASSML-0562步進(jìn)電機(jī)α1.2°T0.9N?m2KM2AKM24F縱向電機(jī)0.42kWT1.33N?m1HLXD1-6.3A信號(hào)燈6.3V33.5.3順序控制圖如圖所示，啟動(dòng)后，PLC輸出脈沖發(fā)出脈沖信號(hào)，控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，同時(shí)編碼器將位移信號(hào)實(shí)時(shí)反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器，固定于刀頭一側(cè)的步進(jìn)電機(jī)也控制刀具進(jìn)行移動(dòng)。刀頭向下移動(dòng)的距離通過(guò)凸輪進(jìn)行設(shè)定，只要將可能活動(dòng)的區(qū)間包含在內(nèi)即可。伺服電機(jī)移動(dòng)開(kāi)始后，工作臺(tái)按照PLC指令，移動(dòng)到指定位置。

3.5.4硬件接線圖

第四章結(jié)論與展望4.1結(jié)論按照目前趨勢(shì)PLC將會(huì)在數(shù)控機(jī)床上發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)的研究，對(duì)于數(shù)控機(jī)床未來(lái)發(fā)展及PLC在機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的影響進(jìn)行了分析。并且對(duì)于PLC數(shù)控中的一些問(wèn)題通過(guò)查閱大量文獻(xiàn)做出了深入的研究，對(duì)于主要發(fā)現(xiàn)成果如下：通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床以及PLC發(fā)展有關(guān)資料查詢分析后，對(duì)于PLC在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用研究方向做出以下內(nèi)容。１、在設(shè)計(jì)專用刻線機(jī)時(shí)，通過(guò)文獻(xiàn)查找以及對(duì)于PLC控制系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)。在實(shí)際工程中，PLC控制系統(tǒng)大多采用步進(jìn)電機(jī)，精度并不能滿足高精密機(jī)床機(jī)床要求。2、確定了總體設(shè)計(jì)方案，為了滿足移動(dòng)工作臺(tái)要求，PLC控制系統(tǒng)電機(jī)采用了伺服電機(jī)，相比與步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)與PLC控制系統(tǒng)配合可以使得控制精度更高。3、采用PLC搭建控制系統(tǒng)相比于選擇繼電器-接觸器，PLC控制系統(tǒng)在控制精度、可靠性及安全等方面都有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)實(shí)際工程檢驗(yàn)其故障率也小很多。在操作方面與繼電器-接觸器控制系統(tǒng)相比操作簡(jiǎn)單，不容易發(fā)生誤操作，同時(shí)還有報(bào)警系統(tǒng)，提升了安全性。機(jī)床采用PLC控制能夠有效提高工件加工速度，在相同的時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)更多產(chǎn)品，降低公司生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品利潤(rùn)。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，我在伺服系統(tǒng)應(yīng)用、模擬信號(hào)處理等方面更加熟練，并掌握了PLC編程，進(jìn)一步提高了自己的編程和設(shè)計(jì)水平。同時(shí)，我在設(shè)計(jì)中也有廣泛的其他相關(guān)材料，也提醒了我以后要不斷的學(xué)習(xí)，時(shí)刻關(guān)系專業(yè)發(fā)展。4.2展望作者認(rèn)為PLC控制系統(tǒng)，對(duì)于機(jī)床數(shù)控化來(lái)說(shuō)必不可少。其PLC功能的實(shí)現(xiàn)及完善是數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)。PLC的發(fā)展與未來(lái)高端數(shù)控機(jī)床有著緊密的聯(lián)系。因此，結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和完善PLC的功能是今后研究的重點(diǎn)。它主要包括:1.對(duì)于與PLC配合的PC端軟件進(jìn)行功能完善，使得PC端軟件與工業(yè)編程軟件進(jìn)行結(jié)合，通過(guò)研究它與數(shù)控機(jī)床的匹配度，提高軟件的適應(yīng)性，進(jìn)一步擴(kuò)展功能模塊，以滿足更多使用的需要。2.對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)語(yǔ)言設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言，使得數(shù)控語(yǔ)言在行業(yè)內(nèi)有規(guī)范的編程語(yǔ)言。除了梯形圖和指令語(yǔ)言，還添加了幾種編程語(yǔ)言，以適應(yīng)更多的編程用戶。3.在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的工業(yè)控制更多是注重加工控制及安全控制。在后期我們應(yīng)該注重開(kāi)放人機(jī)互動(dòng)，開(kāi)發(fā)更加人性化、簡(jiǎn)單化的控制功能。4.為了節(jié)約時(shí)間提高效率，對(duì)于數(shù)控機(jī)床在線調(diào)試要進(jìn)行不斷完善，同時(shí)完善故障診斷功能實(shí)現(xiàn)更方便的利用PC端軟件在數(shù)控機(jī)床發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行及時(shí)排查。

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