1、西南大學機電一體化系統設計課程設計（論文）題 目： 鉆削加工電氣控制系統設計 學生姓名： 付西 專 業： 機電一體化 學 號： 班 級： 機電一班 指導教師： 蔣猛 成 績： 工程技術學院20 11 年 11 月 5 日目 錄 摘要.1 1引言.2 2設計任務.2 2.1 設計目的.2 2.2 設計要求.2 3總體設計方案. 3 3.1 鉆削加工的過程流.3 3.2 繼電器控制的電器原理.5 繼電器控制的電氣原理圖.5 電氣原理圖的符號意義.5 電磁閥選擇.6 3.3 電氣控制系統設計功能樹.7 3.4 系統負載速度圖.7 3.5 PLC控制電路.7 3.6 PLC控制鉆削加工的梯形圖.8 3

2、.7 PLC控制鉆削加工的指令表.9 4機械傳動設計. 11 4.1 限位開關SQ1 的設計.11 4.2 限位開關SQ3 的設計.11 4.3 限位開關SQ2 的設計.12 滾珠絲杠的介紹、選擇及計算說明.12 步進電機的選用.15 蝸桿與滾珠絲杠配合.18 鉆削深度計算.19 5軟件調試及注意事項.19 5.1 軟件調試.19 5.2 注意事項.20 6致謝.21 參考文獻.22摘 要 針對某生產線鉆削加工工序的動作要求， 設計了采用可編程控制器改造原繼電器控制電路的方案，并提出了設計中需要注意的問題，該設計方法一般不需要改變控制面板，保持了系統原有的外部特性，工作人員不用改變長期形成的操

3、作習慣，某生產線鉆削加工設備采用可編程控制器改造原繼電器控制電路效果顯著。 關鍵詞：機械制造自動化；可編程控制器；設計；梯型圖；控制系統 Abstract：Aiming at the demanding of one production lines working procedure of Drilling and Paring Processing, we designed of a project that used programmable controller to rebuild the control circuit of the former relay. And we als

4、o indicated some problems that should be paid attention to.Key words：automation of machinery manufacture; PLC; design; ladder diagram; control system鉆削加工電氣控制系統設計姓名：付西西南大學工程技術學院，重慶 400716 1引言 數控技術和數控裝備是制造工業現代化的重要基礎。 基礎是否牢固直接影響到一個國家的經濟發展和綜合國力，關系到一個國家的戰略地位。在我國，數控技術與裝備的發展亦得到了高度重視，近年來取得了相當大的進步。特別是在通用微機數控

5、領域，以 PC平臺為基礎的國產數控系統，已經走在了世界前列。但是我國在數控技術研究和產業發展方面亦存在不少問題， 特別是在技術創新能力等方面情況尤為突出。如何有效解決這些問題，使我國數控領域沿著可持續發展的道路，從整體上全面邁入世界先進行列，使我們在國際競爭中有舉足輕重的地位，將是數控研究開發部門所面臨的重要任務。 2設計任務 2.1 設計目的 用PLC控制一條多工位加工線，其中第三工位的頭道工序為鉆孔。此工序的動作要求如下：起動后，夾緊裝置動作。為確保可靠夾緊，鉆頭向工件方向快進，當接近工件時，限位開關SQ1動作，延時5s鐘。同時，控制冷卻油的電磁閥吸合，鉆頭變為慢進，開始鉆削。達到預定深度

6、，限位開關 SQ2動作，延時10s鐘,鉆頭快速退回。回到原始位置，限位開關SQ3 動作，鉆頭停止移動，鉆削工序結束。2.2 設計要求 1）畫出加工過程流程圖 2）畫出繼電器控制的電氣原理圖 3）畫出PLC控制的輸入輸出接線圖 4）設計PLC控制鉆削加工的梯形圖 5）完成加工程序設計 6）整理設計說明書，答辯3總體設計方案 可編程控制器 PLC 的使用與繼電器有極為相似的梯形圖語言，用 PLC 改造繼電器控制系統時，根據繼電器電路來設計梯形圖是一條捷徑，因為原有的繼電器控制系統經過長期的使用和考驗已經被證明能完成系統要求的控制功能， 因此可以將繼電器電路圖轉換成梯形圖，即用 PLC 的外部硬件接

7、線圖和梯形圖來實現繼電器系統的功能。 3.1 多工位加工線上鉆削加工的過程流鉆削加工工序的動作要求如下：用PLC控制一條多工位加工線，其中第三工位的頭道工序為鉆孔。此工序的動作要求如下：起動后，夾緊裝置動作。為確保可靠夾緊，鉆頭向工件方向快進，當接近工件時，限位開關SQ1動作，延時5s鐘。同時，控制冷卻油的電磁閥吸合，鉆頭變為慢進，開始鉆削。達到預定深度，限位開關 SQ2動作，延時10s鐘,鉆頭快速退回。回到原始位置，限位開關SQ3 動作，鉆頭停止移動，鉆削工序結束。其加工過程流程圖如圖1： 圖 1 加工過程流程圖3.2 繼電器控制的電器原理 繼電器控制的電氣原理圖 圖 2 繼電器控制的電器原

8、理圖 電氣原理圖的符號意義 電磁閥選擇 電磁閥是用來控制流體的自動化基礎元件， 屬于執行器； 并不限于液壓，氣動.電磁閥用于控制液壓流動方向，工廠的機械裝置一般都由液壓鋼控制，所以就會用到電磁閥。 1）電磁閥的工作原理：電磁閥里有密閉的腔，在的不同位置開有通孔，每個孔都通向不同的油管，腔中間是閥，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動來檔住或漏出不同的排油的孔，而進油孔是常開的，液壓油就會進入不同的排油管，然后通過油的壓力來推動油剛的活塞，活塞又帶動活塞桿，活塞竿帶動機械裝置動。這樣通過控制電磁鐵的電流就控制了機械運動。 2）電磁閥的選型依據： 一、根據管

9、道參數選擇電磁閥的：通徑規格(即DN)、接口方式 1、按照現場管道內徑尺寸或流量要求來確定通徑(DN)尺寸。 2、接口方式，一般>DN50 要選擇法蘭接口，DN50則可根據用戶需要自由選擇。 二、根據流體參數選擇電磁閥的：材質、溫度組 1、腐蝕性流體：宜選用耐腐蝕電磁閥和全不銹鋼；食用超凈流體：宜選用食品級不銹鋼材質電磁閥。 2、 高溫流體： 要選擇采用耐高溫的電工材料和密封材料制造的電磁閥，而且要選擇活塞式結構類型的。 3、流體狀態：大至有氣態，液態或混合狀態，特別是口徑大于 DN25訂貨時一定要區分開來。 4、流體粘度：通常在 50cSt以下可任意選擇，若超過此值，則要選用高粘度電磁

10、閥。 三、根據壓力參數選擇電磁閥的：原理和結構品種 1、公稱壓力：這個參數與其它通用閥門的含義是一樣的，是根據管道公稱壓力來定。 2、工作壓力：如果工作壓力低則必須選用直動或分步直動式原理；最低工作壓差在0.04Mpa 以上時直動式、分步直動式、先導式均可選用。 四、電氣選擇：電壓規格應盡量優先選用 AC220V、DC24 較為方便。 五、根據持續工作時間長短來選擇：常閉、常開、或可持續通電 1、當電磁閥需要長時間開啟，并且持續的時間多余關閉的時間應選常開型。 2、要是開啟的時間短或開和關的時間不多時，則選常閉型。 3、但是有些用于安全保護的工況，如爐、窯火焰監測，則不能選常開的，應選可長期通

11、電型。 3.3 電氣控制系統設計功能樹3.4 系統負載速度圖3.5 PLC 控制電路 該設備采用美國通用電氣公司的 GE-1/J 型PLC 來實現對該鉆削加工的控制.由圖1 和圖2 確定輸入信號和輸出信號先把外部輸入信號(來自限位開關按鈕以及其它來自現場的控制信號)連接到 PLC 的輸入接口的端子，得到用 PLC控制的外部接線圖如圖5 所示：3.6 PLC控制鉆削加工的梯形圖 按照加工過程流程圖并參考繼電器控制電路圖，遵循編程規則，用 PLC 的內部繼電器，計數器/計時器等單元設計出 PLC 控制鉆削加工的梯形圖.如圖6 所示 PLC 各輸入、輸出線圈內部繼電器線圈及觸頭，特殊功能單元，計時器

12、計數器等都有規定的編號和地址。圖 6 GE1/J型 PLC控制鉆削加工梯形圖3.7 PLC 控制鉆削加工的指令表 根據 GE-1/J 型 PLC 的語句編程規則，把梯形圖轉換為如下指令表：LD 01OR 301AND 02OUT 301LD 301MPSOUT 201 /夾緊控制器啟動OUT T601SP 100MRDLD T601OUT 302MPPLD 03OR 303OUT 303LD 302MPSOUT 202 /電磁閥啟動MRDLDI 303OUT 203 /快進接觸器啟動LD 04OR 304 OUT 304 LD 303 ANI 304 OUT 204 /進給接觸器啟動 LD 2

13、04 MPS LD 05 OR 305 OUT 305 MPP LDI 305 OUT 205 /快退接觸器啟動 4機械傳動設計 4.1 限位開關SQ1 的設計 限位開關SQ1用于在鉆頭向工件快進過程中判斷其之間距離，采用雙極霍爾開關元件177A。霍爾開關原理簡述如下： 當一塊通有電流的金屬或半導體薄片垂直地放在磁場中時， 薄片的兩端就會產生電位差，這種現象就稱為霍爾效應.兩端具有的電位差值稱為霍爾電勢U，其表達式為 U=K·I·B/d.其中K為霍爾系數，I 為薄片中通過的電流，B為外加磁場（洛倫慈力Lorrentz）的磁感應強度，d是薄片的厚度.霍爾開關就屬于這種有源磁電

14、轉換器件，它是在霍爾效應原理的基礎上，利用集成封裝和組裝工藝制作而成，它可方便的把磁輸入信號轉換成實際應用中的電信號，同時又具備工業場合實際應用易操作和可靠性的要求.霍爾開關的輸入端是以磁感應強度B來表征的，當B 值達到一定的程度時，霍爾開關內部的觸發器翻轉，霍爾開關的輸出電平狀態也隨之翻轉.輸出端一般采用晶體管輸出， 和接近開關類似有NPN、PNP、常開型、常閉型、鎖存型（雙極性） 、雙信號輸出之分.霍爾開關具有無觸電、低功耗、長使用壽命、響應頻率高等特點， 內部采用環氧樹脂封灌成一體化，所以能在各類惡劣環境下可靠的工作.霍爾開關可應用于接近開關，壓力開關，里程表等，作為一種新型的電器配件.

15、其內部原理圖如圖7 所示： 鉆頭向工件方向快進，當接近工件設定的距離時，霍爾開關元件開始作用發出信號給限位開關SQ1,SQ1 動作輸出信號給PLC。 4.2 限位開關SQ3 的設計限位開關SQ3用于鉆頭快速退回到原始位置時， 發出信號給 PLC控制鉆頭停止移動，其型號選擇及工作原理如上文限位開關SQ1。 4.3 限位開關SQ2 的設計 限位開關SQ2用于鉆頭鉆削到預定深度時， 其動作輸出信號給 PLC控制鉆頭快速退回。通過步進電機驅動滾珠絲杠轉動從而帶動鉆頭旋轉，設定工件需要鉆削的深度值， 通過計算滾珠絲杠轉動的轉數計算出鉆頭鉆削工件是否到達預定深度。 滾珠絲杠的介紹、選擇及計算說明 1） 滾

16、珠絲杠是將回轉運動轉化為直線運動，或將直線運動轉化為回轉運動的理想的產品。 2） 滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉運動轉化成直線運動，這是滾珠螺絲的進一步延伸和發展，這項發展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應用于各種工業設備和精密儀器。 3） 滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉運動轉換成線性運動， 或將扭矩轉換成軸向反覆作用力， 同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。4）滾珠絲杠的特點： 1與滑動絲杠副相比驅動力矩為1/3 由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動運動,所以能得到較高

17、的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅動力矩達到1/3以下,即達到同樣運動結果所需的動力為使用滾動絲杠副的1/3。在省電方面很有幫助。 2高精度的保證 滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機械設備連貫生產出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環境方面,對溫度、濕度進行了嚴格的控制，由于完善的品質管理體制使精度得以充分保證。 3微進給可能 滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動,所以啟動力矩極小,不會出現滑動運動那樣的爬行現象,能保證實現精確的微進給。 4無側隙、剛性高 滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達到負值,進而得到較高的剛性(滾珠絲杠內通過給滾珠加予壓力,在實際用于機械裝置等時,由

18、于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強)。 5高速進給可能 滾珠絲杠由于運動效率高、發熱小、所以可實現高速進給(運動)。 5）滾珠絲杠的選擇 滾珠絲杠的選擇包括其精度選擇、尺寸規格 (包括導程與公程直徑 )、支承方式等幾個方面的內容。 滾珠絲杠副的承載能力用額定動載荷或額定靜載荷來表示, 在加工中心的設計中一般按額定動載荷來確定滾珠絲杠副的尺寸規格, 對細長而又承受壓縮載荷的滾珠絲杠作壓桿穩定性核算； 對轉速高, 支承距離大的滾珠絲杠副作臨界轉速校核; 對精度要求高的滾珠絲杠作剛度校核； 對數控機床,需核算其轉動慣量；對全閉環系統, 需核算其諧振頻率。 1滾珠絲杠副選擇計算 1.1精度選擇 滾珠絲杠

19、的精度直接影響數控機床的定位精度,在滾珠絲杠精度參數中, 其導程誤差對機床定位精度影響最明顯。一般在初步設計時設定絲杠的任意300mm 行程變動量 V300p應小于目標設定位的定位精度值的 1 /31 /2,在最后精度驗算中確定。1.2 絲杠導程的確定 絲杠導程的選擇一般根據設計目標快速進給的最高速度為 v max、伺服電機的最高轉速 nmax及電機與絲杠的傳動比 i來確定。 1.3按額定動載荷初步確定滾珠絲杠規格 滾珠絲杠副設計時一般按額定動載荷來確定滾珠絲杠副的尺寸規格。 額定動載荷是指一批相同規格的滾珠絲杠經過運轉一百萬次后, 90%的絲杠副 (螺紋表面或滾珠)不產生疲勞剝傷 (點蝕)時

20、的軸向載荷。 6） 滾珠絲杠的選擇計算 滾珠絲杠的選擇計算負荷包括鉆削力及運動部件的重量所引起的進給抗力，應按鉆削時的情況計算。查表，取滾珠絲杠公稱直徑 0 10 d mm = ，選用滾珠絲杠螺母副 的型號為 SFK1004，其額定動載荷為 390N，符合要求. 2滾珠絲杠螺母副幾何參數計算3傳動效率計算4穩定性驗算 由于絲杠兩端采用止推軸承，故不需要穩定性驗算。 步進電機的選用 步進電動機又稱脈沖電動機或為階躍電動機，目前，隨著電子技術，控制技術以及電動機本體的發展和變化，傳統的電機分類的間界面越來越模糊；步進電動機的傳動定義為： 根據輸入的脈沖信號， 每改變一次勵磁狀態就前進一定角落，若不

21、改變勵磁狀態則保持一定的狀態而靜止；廣義的定義為，步進電動機是一種受電脈沖信號控制的無刷式直流電動機， 也可看作是在一定頻率范圍內轉速與控制脈沖頻率同步的電動機。步進電動機的機理是基于最基本的電磁鐵作用， 其原始模型起源于 1830年至1860年間.在20 世紀60年代后期，隨著永磁材料的發展，各種實用型的步進電動機應運而生，半導體的發展使得步進電動機得到了廣泛的應用。我國的步進電動機開始于21 世紀50年代后期，其發展過程大致經歷了四個階段：第一階段從50 年代后期到60年代后期主要是高等院校和科研機構開發并使用少量的步進電機，以多段結構三相反應式步進電動機為主；第二階段，70年代初期反映在

22、步進電機的生產和研究發展到了一個水平；第三階段，70 年代中期至80年代后期新產品種高性能電動機層出不窮， 各種混合式步進電動機及驅動器作為產品得到廣泛應用。 步進電動機的分類： 步進電機分三種：永磁式（PM） ，反應式（VR）和混合式（HB） 。永磁式步進一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5 度 或15度；反應式步進一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.5 度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發達國家 80年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8 度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛。步進電動機的

23、特點： 步進電機有三大部分組成：步進電動機本體，步進電動機控制器及步進電動機驅動器.其特點如下： 用數字信號直接進行開環控制，整個系統簡單廉價。位移與輸入脈沖數相對應，步距誤差不長期積累，可以組成結構簡單又具有一定精度的開環控制系統，也可在要求更高組成閉環控制系統。無刷，電動機本體部件少，可靠性高。抑郁啟動正反轉和變速停止，影響性好。平滑性好，步距角選擇范圍大，停止時可有自鎖能力 步進電機的選擇： 步進電機有步距角（涉及到相數） 、靜轉矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。 1. 步距角的選擇 電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電

24、機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速） 。電機的步距角應等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有 0.36度/0.72度（五相電機） 、0.9度/1.8度（二、四相電機） 、1.5度/3度 （三相電機）等。 2. 靜力矩的選擇 步進電機的動態力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能

25、確定下來（幾何尺寸） 3. 電流的選擇 靜力矩一樣的電機，由于電流參數不同，其運行特性差別很大，可依據矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅動電源、及驅動電壓）步進電機的參數：步進電機的步距角 取系統脈沖當量，初選步進電機步距角。步進電機啟動力矩的計算 設步進電機等效負載力矩為T，負載力為P，根據能量守恒原理，電機所做的功與負載力做功有如下關系式中： 移動部件負載（N） ；G移動部件重量（N） ；與重量方向一致的作用在移動部件上的負載力（N） ； 導軌摩擦系數；步進電機步距角， （rad） ；T電機軸負載力矩（N/cm）取（淬火鋼滾珠導軌的摩擦系數） ，為絲杠牽引力，考慮到重力影響，Y向電機負

26、載較大，因此取 ，所以 蝸桿與滾珠絲杠配合普通圓柱蝸桿可分為阿基米德蝸桿(ZA蝸桿)、漸開線蝸桿(ZI 蝸桿)、法向直廓蝸桿(ZN蝸桿)和錐面包絡圓柱蝸桿(ZK 蝸桿)等四種。滾珠絲杠與蝸桿聯接，蝸桿一頭安裝鉆頭。取蝸桿頭數Z1=1，取滾珠絲杠直徑與蝸桿直徑比例為10：1，即滾珠絲杠每轉動1圈，蝸桿轉動10圈。蝸桿的材料與選擇如下所述： 鉆削深度計算 設定工件鉆削深度為Lmm,則滾珠絲杠轉動的轉數，由上述計算所得t=4mm.即（轉） ，鉆頭旋轉轉數。確定滾珠絲杠轉的轉數到達預定值時，傳感器即輸出信號給限位開關SQ2，SQ2控制步進電機的正反轉向以及轉速。5軟件調試及注意事項 5.1 軟件調試

27、1）程序的輸入，檢查，調試考核和運行，通過編程器把由梯形圖生成的語句表輸入到 PLC存放在用戶程序存儲器中，應用 PLC 的自診斷功能對輸入程序進行語法分析和校驗，若發現錯誤PLC 便拒絕接收，并在顯示器上提示出錯誤信息此時應及時修改錯誤程序，并重新檢驗， 直到排除所有的錯誤，使 PLC 控制實現的鉆削加工過程完全符合工藝的要求。2）連機調試，可以把 PLC 輸出的信號真正連接到鉆床的接觸器和電磁閥等設備上進行空機調試，若發現有問題可以用 PLC 中的移位，刪除插入等編輯命令對程序再次進行修改和調整，直到滿足預定工藝控制要求為止。 3）動態測試，連機調試通過后，還要對已調試通過的程序進行連續運

28、行和考核以檢驗其動態性能等指標，在連續運行過程中 PLC 的另一個自診斷功能，即周期性地對 PLC 內部各個器件部件進行檢查。如判斷數值是否溢出，數字的存取是否出錯，各主要觸點的電源電壓是否正常，備用鋰電池電壓值正常與否等。發現異常情況 PLC 會立即輸出報警信號，顯示出錯代碼，若是災難性錯誤則會自動停止運行，操作人員應根據具體情況進行具體分析處理，如果是程序上的問題則應進一步修改程序，重復上述有關步驟，直到完全通過為止。 4）最后，把調試通過的程序固化到 EPROM中即可。 5.2 注意事項 1）遵守梯形圖語言中的語法規定，在繼電器電路圖中，觸點可以放在線圈的左邊， 也可以放在線圈的右邊， 但是在梯形圖中，線圈必須放在電路的最右邊。 2）設置中間單元，在梯形圖中，若多個線圈都受某一觸點串并聯電路的控制，為了簡化電路 ，在梯形圖中可設置該電路控制的輔助繼電器它類似繼電器電路中的中間繼電器。 3）盡量減少 PLC的輸入信號和輸出信號，PLC的價格與 I/O 點數有關，每一輸入信號和每一輸出信號分別要占用一個輸入點和一個輸出點， 因此減少輸入信號和輸出信號的點數是降低硬件費用的主要措施。在繼電器電路圖中，如果幾個輸入器件觸點的串并聯電路總是作為一個整體出現，可以將它們作為 PLC的一個輸入信號，只占 PLC 的一個輸入點某些器