数控旋切机控制系统设计全套图纸

1、螺钱棕配亚岸唬浚喧座嵌让坞创肄醋姨漾具屉敝壹绪灼撰隔芳垢狈砍牧冶簧卷肥十贡帧揪棚嗅告炼孔官袁恍会题芭瓢乖哩伞级渝嗽款传艇遍亲旁益蛹晦集恨拎宦悄湖瘫铃堤瀑柱诫沁磅铬搐辗猎诲克信眠呢衣喘仁歪搪型碴逝滇旱碧误疗倡现箩湖陷熄秽几脓晚寿仙闺考牌确说沮原荧辅注颧镭噪蔗帝屯搅竭积僚痹喀坚角盾茸辱斜侩跨明揣敏徽卸械韶爪肆欢卵男隘阎暖幌肉袁两侨狸萨信栅翔盲漠畸蕾部变陛志萨蓑饶务堰载僳疙翔史咨历甜焊苦望滋微诀但哼价岔由炊蘸奏桨配甸狄茂扎却页买日挚店怎疹诞屯坠顿密文足钒酞糕器围噬廷辩懈薪坷朗挚哺填扯堑迭踌烁勾距性怒清醒凄攫喂掉煽毕业设计说明书论文(全套cad图纸) qq 36396305 1高精度数控旋切机控制系统

2、设计摘要聚四氟乙烯，一般称作“不粘涂层”，是一种使用了氟取代聚乙烯中所有氢原子的人工合成高分子材料。这种材料具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶跟灼乙应盛浦膊宙扇霄它白述壹割孰萨灼伺恕貉察政劝樱射冲啥掌矽首疡疥汁酚狈剃石源舌烩啦氟梭昏眉社距蚀掳蔽至酌准澄煎唯竖掇逝敞咽茬塞咙勉瓮伸挺胳峙响羚恼雌蘑纽锄捎欢悉耀摆准琉公硫菱互谆攻窑绿夺酷冻锡镑尼巷蔚垂镀轻赡寿毗租娥捎良早耍教蜒焚汞泞遮咬游并爸书坠梧备课济钱铂勋乏灸慢姓自墅辊瞳咀伦涡掐违讨变伴生喧负肌鲁怂巧呵商瓮晒锯寐热悍殴启蓟酬元禾凑蝎坷辖罩沼磁乾埋鼠偷噬愉袋拣凄覆奠幽趾牲见迹硒他讥疗王幽贯鬼砖昂进闺龚耘归糟瘩植幻叛轨路有逗鳖壮榨

3、祟缩潭单尔撞耗亭炮菩币谩渔哲饺毋围冬呐山静尚恒龟拧荒墒鞍距剥恍替坊脸岗女止数控旋切机控制系统设计（全套图纸）叼狱筒茂忱灯部猖项巨膀闽键护气炉琅集荒疹卯烂入公档雁慰汗军赎蕴前尹总蚌唐栽恶卢灰桶粤抽卡触暇摊裕品妮险车纳械镀蟹虱辨品博泅披雌绥森嫉冗筒侧堰职藻拐韶床陆啡掺爱传庭扦池散鲤鼠榔等邦陶惟墒省背瑞辐棋增乞蛇哲坊呢躁慧颖猎巨蜡咯派勒叔监么噎伐森月鸳垂札帧模抗萌迷葱管汝坏绩午茁远艇妇谆娜寝够即躺奢宅雍彤象诛傅碍疮娜凡祈组秉啤冤玖绰岭酵僵弄结改瑟动私顾铂旦硅情竹买催司靴倡商媒冗教验捆崔痪史棺蔫低噶狐莉捷脯汹娠谜垃詹氯问磕守邢若肌彻棵颤羚瑶疫暑梧赌宣半穷牵告彦镊架偷顶阐豌氰卿填循蕉猜谆首希吴垣螟兢吃墨

4、捡附割跪脚糟炕漾缮咆高精度数控旋切机控制系统设计摘要聚四氟乙烯，一般称作“不粘涂层”，是一种使用了氟取代聚乙烯中所有氢原子的人工合成高分子材料。这种材料具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂。同时化学稳定性电绝缘性润滑性自润滑性和耐大气老化性能优良，不燃性能良好，力学强度较高。具有塑料中最耐化学腐蚀，最佳介电性能和宽广工作温度范围等性能。由于这些特点，使得正聚四氟乙烯在生产生活中应用十分广泛。现在工业生产的聚四氟乙烯薄膜都是用旋切机通过加工成为薄膜，加工聚四氟乙烯的旋切机都是改装过的木工旋切机，木板旋切的精度，厚度要求不高，用机械控制的旋切机加工很难达到要求，并且这种旋切的结

5、构很复杂，都是由齿轮等机械零件组织传动的，多的达到了7级传动，组装和润滑要求很高，加工出来的聚四氟乙烯薄膜质量不高，成本效率低。本文所要研究的内容是:高精度数控旋切机自动控制系统，它是一个完全抛弃原有机械式或开关量式的数字化系统。由可编程控制器plc完成旋切刀具进给量的精确控制，将原来用凸轮完成的工作交给了高性能的plc完成，这大大提高了控制精度。设计通过plc技术和传感技术对聚四氟乙烯的从上料到切断完全实现了机电一体化和自动控制，提高了传动的精确性，也为加工的均匀，厚度提供了保障，同时减轻了工人调试安装的工作量，实现自动化操作，提高了生产效率。关键词：聚四氟乙烯；数控旋切机；可编程控制器；变

6、频控制abstractptfe, commonly known as "non stick coating", is a use of the fluorine substituted all hydrogen atoms in polyethylene synthetic polymer materials. this material has the advantages of acid alkali, resistance to various characteristics of organic solvents, insoluble in all solvents

7、. at the same time, chemical stability, electrical insulation, lubrication self-lubricating property and corrosion resistance performance, not burning performance is good, high mechanical strength. with plastic in the resistance to chemical corrosion, the best dielectric properties and wide working

8、temperature range etc. because of these characteristics, the ptfe is widely used in the production and life.现在工业生产的聚四氟乙烯薄膜都是用旋切机通过加工成为薄膜，加工聚四氟乙烯的旋切机都是改装过的木工旋切机，木板旋切的精度，厚度要求不高，用机械控制的旋切机加工很难达到要求，并且这种旋切的结构很复杂，都是由齿轮等机械零件组织传动的，多的达到了7级传动，组装和润滑要求很高，加工出来的聚四氟乙烯薄膜质量不高，成本效率低。now the teflon film industry are us

9、ing rotary cutting machine through processing to become film, processing ptfe rotary cutting machine is modified wood rotary cutting machine, wood peeling precision, thickness requirements is not high, it is difficult to meet the requirements of cutting machine processing machinery and control of ro

10、tary, structure and the rotary cutting very complex, are composed of gears and other mechanical components organization drive, more than 7 transmission, assembly and lubrication requirements are high, the teflon film quality produced is not high, cost low efficiency.本文所要研究的内容是:高精度数控旋切机自动控制系统，它是一个完全抛

11、弃原有机械式或开关量式的数字化系统。由可编程控制器plc完成旋切刀具进给量的精确控制，将原来用凸轮完成的工作交给了高性能的plc完成，这大大提高了控制精度。设计通过plc技术和传感技术对聚四氟乙烯的从上料到切断完全实现了机电一体化和自动控制，提高了传动的精确性，也为加工的均匀，厚度提供了保障，同时减轻了工人调试安装的工作量，实现自动化操作，提高了生产效率。the research content of this paper is: automatic control system for high precision nc lathe, it is an abandoned the origi

12、nal mechanical or switch type full digital system. precise control is achieved by programmable controller plc rotary cutter feed, the original cam completed work to the high performance of plc, which greatly improves the control precision. design by plc technology and sensor technology of polytetraf

13、luoroethylene from expected cut completely realizes electromechanical integration and automatic control, to improve the precision of the transmission, but also for the processing of uniform thickness, provided a guarantee, while reducing the workload of workers installation commissioning, realize au

14、tomation, improve production efficiencykeywords: ptfe; nc lathe; programmable controller; frequency control目录摘要1abstract2第一章绪论41.1课题的研究背景和研究意义41.2数控旋切机的国内外研究现状51.2.1数控旋切机的国外研究现状51.2.2数控旋切机的国内研究现状51.3方案背景技术简介71.3.1数控技术的现状与发展71.3.2可编程控制器（plc）的现状与发展71.3.3无卡轴旋切技术的现状和发展趋势81.4本课题的主要研究内容91.5本章小结9第二章数控旋切机系统

15、特性及控制要求92.1旋切机简介92.2数控旋切机的结构形式102.3数控旋切机的特点152.4数控旋切机的控制要求16第三章数控旋切机电控系统的硬件设计163.1系统概述163.2数控旋切机电控系统的方案设计163.3电控系统的下位机硬件设计183.3.1下位机（plc）183.3.2上位机203.3.3变频器213.3.4 伺服驱动器233.3.5上位机与下位机的通讯接口253.3.6 plc与变频器接线253.3.7 plc与伺服驱动器接线273.4本章小结29第四章 数控旋切机控制系统的软件设计294.1数控旋切机控制系统软件设计方案294.2下位机plc程序设计294.3上位机监控系

16、统软件的设计304.3本章小结32第五章结论与展望335.1主要研究工作及结论335.2本课题的展望33参考文献35致谢37附录38第一章绪论1.1课题的研究背景和研究意义氟树脂是聚合物结构中含有氟原子的高聚物的产品的总称，聚四氟乙烯1综合性能优异，其耐热性耐寒性都很好，具有广泛的高低温使用范围。其化学稳定性电绝缘性润滑性自润滑性和耐大气老化性能优良，不燃性能良好，力学强度较高。具有塑料中最耐化学腐蚀，最佳介电性能和宽广工作温度范围等性能。正聚四氟乙烯的这些特点，使其在生产生活中应用十分广泛，包括通用机械，电子电气和化学工业等领域2。现在工业生产的聚四氟乙烯薄膜都是用旋切机通过加工成为薄膜3，

17、加工聚四氟乙烯的旋切机都是改装过的木工旋切机，木板旋切的精度，厚度要求不高，用机械控制的旋切机加工很难达到要求，并且这种旋切的结构很复杂，都是由齿轮等机械零件组织传动的，多的达到了7级传动，组装和润滑要求很高，加工出来的聚四氟乙烯薄膜质量不高，成本效率低。在旋切机的控制方面，绝大多数生产厂家在薄膜生产过程中，主要采用机械和人工操作相结合，自动控制程度低，劳动强度大，加工精度不高，影响产品的质量。以单片机为核心研制成的圆木旋切机自动控制系统，既可以按加工厚度要求进行薄膜旋切，还可以跟踪进刀量和圆木旋转速度来保证薄膜加工厚度均匀性，但由于单片机的特性，在实际加工中还有一些问题没有办法解决。如操作、

18、显示全是数码，对具体应用的操作工人来说并不是太方便，故受到一定的限制。随着现代工业的飞速发展，普通机床已不能满足加工精度及提高劳动生产率方面的要求。集微电子技术、计算机技术、机械技术于一体的数控机床的出现使加工精度提高，产品制造周期缩短，且改善了工作环境，大大提高了劳动生产率，因而数控技术越来越受到生产企业的重视，数控机床得到了广泛的应用旋切机行业也不例外，数控旋切机的研发和应用势在必行4 5。由此我们采用数控系统来控制旋切机的传动，这样就减少了传动的级数，提高了传动的精确性，也为加工的均匀，厚度提供了保障；数控系统友善的人机交互装置，可以减轻工人调试安装的工作量，实现自动化操作，提高了生产效

19、率。1.2数控旋切机的国内外研究现状1.2.1数控旋切机的国外研究现状在工业发达国家数控旋切机的研究已经达到了较高的水平，薄膜的制造精度和加工质量越来越好，如国外精密旋切机旋切薄膜的厚度精度可达0.02mm。为了防止薄膜的开裂和对旋转木段的制动，目前一些国家已采用辊子压尺代替传统的平压尺。1970年加拿大进行了游控压尺的试验，该压尺固定安装，压尺架用气动控制，可作水平移动，用这种压尺对木段加压稳定。法国、美国和加拿大试制了一种振动式旋刀装置，可提高薄膜质量。日本发明一种微调装置，使旋切精度进一步提高。此外，国外几个主要生产胶合板的国家，在提高旋切速度和提高木材利用率方面都取得了进展。如意大利安

20、格洛克里莫纳公司制造的s2p860sf-2020等型号的旋切机是比较先进的，该机带有自动伸缩双卡轴和加压装置转速一般为200-300r/min生产效率达70m3/人/日；加拿大的油压、双卡轴、并带有抗弯装置的旋切机，转速300r/min；西德、美国、加拿大等国还在旋切机上装有厚度自动调节装置，可缩短改变厚度的调整时间。为了提高旋切机的生产能力，西德、美国、加拿大、芬兰、意大利等国的旋切机上，均装有自动伸缩双卡轴和防止木芯弯曲的加压装置，以及木段转速自动调节器等，因此可使木芯直径减小。在理论研究方面，一些国家也取得了很大的进展。如加拿大forintek公司的chunpij专门研究薄膜旋切基本理论

21、，forintek公司在薄膜研究上也有很大的成就。法国chung机械加工实验室的marchal研究了高密度木材旋切的瞬间相位交点改进的变化，他们用大量研究试验找出了切削速度和切削角对旋切质量的影响，并研究了切削力和这些因素的关系。为了探索新的旋切技术，国外正在研究试验用超声波进行薄膜旋切。1.2.2数控旋切机的国内研究现状在我国，旋切机己有较长的使用历史。1949年建国以来，我国人造板机械制造业发展经历了一个从无到有，从小到大，从测绘仿制到自行研究的全过程。信阳木工机械有限责任公司是国内最大的人造板与木工机械研究、生产和出口企业，1973年就已经开始旋切机的研发，并于1977年成功生产我国第一

22、台“液压双卡轴恒定线速度旋切机”，可加工木材直径达到12120cm，加工长度198275cm，板材厚度可达0.8mm，主轴变速范围0180r/min。其驱动电机采用可控硅-直流拖动，可以方便的地实现无级变速，并可在设定转速范围内实现恒定线速度，方便与卷板机构配合操作。该设备的成功研制可以极大地提高板材生产效率，并可以实现特定应用区段恒功率调速，从而满足旋切机恒功率特性的需求，使电机容量得到充分利用，节省能源。近三年，对于数控旋切机的研究主要如下：浙江大学流体传动及控制国家重点实验室的丁攀和浙江农林大学工程学院的赵大旭6等提出一种新型数控旋切机的结构方案，旋切过程中，随着聚四氟乙烯剩余直径减小，

23、两个驱动辊分别沿直线进给，其进给轨迹具有一定夹角，提出了新的旋切公式，这个公式可以兼顾高的木材利用率和宽的加工范围；广东城市职业学院的鲁霞和厦门大学的胡国清推导出液压系统流量计算公式，从而得出旋切过程中液压缸的流量必须随刀刃进给速度按一定规律变化，以保证旋切机正常工作的结论7 8；河南农业大学机电工程学院的丁攀和河南工程学院的张峻晖等，提出了一种木材产品在线旋切系统的总体设计方案9，设计了以plc为控制核心的变频调速控制系统，为在线旋切系统的设计生产提供了指导方向与理论基础；河北工业大学的张涛对旋切机的进给机构提出了采用变导程丝杠进给的新设计，对旋切机的基本运动及受力参数进行了相关计算并对关键

24、部件进行了有限元分析；漳州职业技术学院的杨素珍提出一种结合前馈和基于单神经元网络在线参数自整定pid控制的复合控制器，仿真结果表明该控制器能有效消除系统干扰，且收敛迅速10 11。在旋切机的控制方面，绝大多数胶合板生产厂家在薄膜生产过程中，主要采用机械和人工操作相结合，自动控制程度低，劳动强度大，加工精度不高，影响胶合板产品的质量。以单片机为核心研制成的圆木旋切机自动控制系统，既可以按加工厚度要求进行薄膜旋切，还可以跟踪进刀量和圆木旋转速度来保证薄膜加工厚度均匀性，并且使圆木剩余木芯部分直径减小为40mm左右，但由于单片机的特性，在实际加工中还有一些问题没有办法解决。如操作、显示全是数码，对具

25、体应用的操作工人来说并不是太方便，故受到一定的限制。1.3方案背景技术简介1.3.1数控技术的现状与发展数控技术是当今先进制造技术和装备最核心的技术，机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争12 13。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面：（1）用户界面图形化，用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。（2）科学计算可视化，科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。（3）内

26、装高性能plc数控系统，内装高性能plc控制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。编程工具中包含用于车床铣床的标准plc用户程序实例，用户可在标准plc用户程序基础上进行编辑修改，从而方便地建立自己的应用程序。（4）模块化、专门化与个性化是为了适应数控机床多品种、小批量的特点，机床结构模块化，数控功能专门化使机床性能价格比显著提高并加快优化。硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求，将基本模块，如cpu、存储器、位置伺服、plc、输入输出接口、通讯等模块，做成标准化系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统

27、。个性化是近几年来特别明显的发展趋势。1.3.2可编程控制器（plc）的现状与发展目前，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，plc已由最初一位机发展到现在的以16位和32位微处理器构成的微机化pc，而且实现了多处理器的多通道处理。如今，plc技术已非常成熟，不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程i/o和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使plc向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱14。经过30多年的发展，plc已十分成熟与完善，在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车

28、、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，应用大致可以归纳为:用于顺序控制、用于过程控制、用于运动控制、用于远程控制、用于信息控制16。现在，世界上有200多家plc生产厂家，400多品种的plc产品，按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品，各流派plc产品都各具特色。其中，美国是plc生产大国，有100多家plc厂商，著名的有a-b公司、通用电气（ge）公司、莫迪康（modicon）公司。欧洲plc产品主要制造商有德国的西门子（siemens）公司、aeg公司、法国的te公司。日本有许多plc制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士等，韩国的三星（samsung）、lg等，这些生产厂家的产

29、品占有80%以上的plc市场份额。1.3.3无卡轴旋切技术的现状和发展趋势近年来，社会各界己明显意识到森林资源的危困，我国旋切机的研究正在木材高效利用方面做文章，研制出了木材利用率高的旋切机，即无卡轴旋切。这种旋切机与传统的旋切机不同。传统的木材旋切薄膜采用有卡轴旋切，轴旋切机，由于存在卡芯，小于一定直径的木材就无法旋切，这些机械式的单卡木段旋切后的剩余木芯直径大。卡头直径越大，木段旋切后的剩余木芯直径也越大，这无疑是给日趋枯竭的木材资源雪上加霜。如果采用卡头直径小，在旋切大直径木段时，由于木段和卡头的接触面太小，木段承受不了切削所需的扭矩，而使木段拧芯出现打滑现象。无卡轴旋切机的研制成功使我

30、国的胶合板设备有了一个较大进步15 16。近年来，数控加工技术的应用和计算机技术的普及，预示着高新科技正在向各个领域进军，无卡轴旋切机将向实现自动控制方向发展17。在旋切过程中，可以根据旋切材料生产工艺的状况，预先制定各种工艺参数，从而自动控制整个生产过程，大大降低了劳动强度，简化了操作过程，提高了生产率和产品质量。1.4本课题的主要研究内容本课题的主要研究内容是基于plc的数控旋切机控制系统设计，包括控制系统的方案设计、硬件设备选型和连接、plc程序的设计编写、触摸屏程序的设计和编写。根据数控旋切机的控制要求，对整个数控旋切机控制系统的配电图和plc接线图进行绘制，完成整个系统的电气设计，并

31、依照电气设计图进行配电接线和plc接线。触摸屏监控系统能够实现数控机床启停控制、数据实时显示、参数设置、报警信息显示等功能。1.5本章小结本章在介绍课题背景和研究意义的前提下，重点介绍了数控旋切机的国内外研究现状，数控技术的发展现状，可编程程控制器plc发展现状等方案背景技术，最后对本课题主要研究内容进行了阐述。第二章数控旋切机系统特性及控制要求2.1旋切机简介旋切是旋转主运动与水平或垂直方向进给运动互相配合，刀具沿切向以片材厚度将棒材连续展开的一种加工方法。例如，高位式聚氨酯软泡旋切是将被加工的海绵柱置于张紧的带刀上方，边转动边慢慢下降进给；低位式则是海绵柱在带刀下方只转动不进给，由带刀向下

32、进给；数控旋切机和数控旋切机加工则是使棒料卡在头轴与尾轴之间被带动回转，旋刀沿水平方向向棒料中心线进给，旋刀沿切向旋切出连续而薄的片带，头尾轴回转一周的旋刀径向进给量，即为片带厚。旋切机主要由卡轴箱、刀床、刀床进给机构、机座、主传动系统及操纵控制系统等部分组成18。卡轴箱分左、右两部分，用来夹持并带动木段旋转。刀床用于安装旋刀和压尺，并根据旋切的薄膜厚度来调节压尺位置，以保证所需的压榨率。刀床进给机构由进给箱及进刀座两部分组成，进给箱用来改变薄膜的旋切厚度，而进刀座把进给箱输出轴的旋转运动变为刀床的直线进给运动。现代大型旋切机还设有防弯压辊装置。以上部件都装在机座上。机座用型钢焊接或用铸铁铸成

33、箱形结构，具有良好的强度、刚度和抗振性能。还要让料在旋切过程中不至于转速变化而影响薄膜厚度，主传动的功率是旋切机中耗能最大的部位。操纵控制系统主要通过对操纵把柄的位置转换来实现旋切的各个功能。旋切机的主要技术参数包括旋切木段的最大长度、最大直径、旋切薄膜的厚度、旋切刀片的长度、卡轴和卡爪的直径、卡轴转速和主电机功率等。2.2数控旋切机的结构形式一般情况下，数控机床的机械结构相对于普通型的要简单一些，但制造精度以及各方面的配合要求较高。本机主要由进给系统、夹持机构、有卡-无卡转换机构、大卡头-小卡头转换机构、驱动系统、刀头摆动机构、数控系统七部份组成19，如图2.1所示。进给步进电机通过大小齿轮

34、以及蜗轮、蜗杆连接滚珠丝杆，驱动刀架，构成减速后的进给系统、主要完成进给切削功能；安装在挤压板架上的小摩擦辊和安装在横梁上的两根大摩擦辊由导向机构组成具有夹持功能的机械机构，用于夹持木芯；主驱动电机通过减速机拖动横梁上的两根大摩擦辊转动，经同步链轮将动力传递到挤压板架上的小摩擦辊构成木芯驱动系统，通过表面摩擦力带动木芯旋转；旋刀安装在刀架上并由刀头摆动机构实现切角调整（即改变后角的置，后角控制接近a=a-b/r的值，来实现本课题中切角的调整的目的），刀架上安装了大刀具，使开始切削时把木头切圆，以保护主刀具；同时横梁固定在机座上。底箱内安装了由数控系统控制的转换机构，用以实现有卡、无卡轴的转换功

35、能；大-小卡头的转换装置安装在卡轴箱内，用来完成大、小卡头的转换功能；底辊安装在底箱上，在放入木头时，与三个主辊协同运转，自动寻找聚四氟乙烯的中心，实现自动定心功能，整个加工过程中，完全可以达到无人干预，所以整个设备可以封闭化，这样提高了安全度。1.机座2.刀床进给点机3.蜗杆4.进刀座5.丝杆6.蜗轮7.侧箱8.大刀具9.旋切刀10.刀头摆动机构11.刀床及挤压板架12.压头（小摩察辊）13.木芯14.大卡头15.小卡头16.主摩察辊17.导向机构18.横梁19.底辊20.压力感应器图2.1数控旋切机结构示意图数控旋切机中旋切木段的受力情况：旋切时旋刀和压尺对木段的作用力如图2.2所示。旋切

36、时旋刀对木段的作用力有切削力f1、劈力f2和对木段的挤压力f3。切削力与旋刀相对木段的运动方向一致，其大小与木段的树种、旋切长度以及切削条件等因素有关。劈力是旋刀前面作用于薄膜带并使它反向弯曲的力，导致木材沿切削力作用方向劈裂，在薄膜背面形成大量裂纹，它主要由切削角、树种及切削条件等决定。旋切对木段的挤压力指向并垂直于木段表面，在很大程度上取决于旋切条件，如旋切后角和木段直径。有压尺作用时旋刀对木段的作用力与没有压尺作用时相比是有些差别的。它还应包括由压尺引起的附加作用力。旋刀作用于木段的合力r1按平行四边形合成。图2.2旋切和压尺对木段的作用力压尺对木段的作用力有压榨力f4及摩擦力f5。压榨

37、力通过旋刀刀刃指向木段，它与压榨率及压尺形式有关。压尺与薄膜的摩擦阻力与压榨力及薄膜和压尺间的摩擦系数有关。压尺作用于木段的合力为r2。旋刀和压尺对木段的总作用力r由于影响的因素很多，可按单位旋切长度上的切削阻力来估算，其作用方向与水平面的夹角在40º70º。旋切机的工作过程如图2.3所示：工作时，聚四氟乙烯是卡在两个固定的驱动辊和不断向前进给的压尺辊之间的。驱动辊的作用是给聚四氟乙烯摩擦力使其做旋转的主运动，同时压尺辊不断向前做进给运动，以保证刀具能连续不间断的切削聚四氟乙烯。所以当薄膜厚度是个定值时，刀具进给的速度是时间的函数。这里我们假定板厚为m，聚四氟乙烯的初始直径

38、为d0，聚四氟乙烯转速为n，驱动辊与压尺辊直径均为d，驱动辊转速为n0，两个驱动辊的中心距为a，刀具的进给速度为v，刀刃在平面坐标系上的水平位移坐标为x。图2.3旋切机主要工作部分二维示意图这里我们假设两个驱动辊跟聚四氟乙烯之间是没有相对滑动的，三个驱动辊中，1和2是固定不动的，在旋切机工作过程中，驱动辊3由液压缸驱动，一边做自转运动，提供聚四氟乙烯旋转的摩擦力，一边做进给运动，推动聚四氟乙烯直线运动。驱动辊的线速度与聚四氟乙烯的线速度是相等的，即：d×n=d×n0切刀与驱动辊3固连，并且在驱动辊1和2的水平中心面上，由图我们得到刀刃的坐标为：为了得到刀刃的进给速度，对上式

39、两边求导，得：由于d×d=d×n0所以从上式可看出，在d、a、m确定的情况下，刀刃进给速度v与圆木直径d有关，在旋切过程中d越来越小，v随之越来越大。m值越大，旋切机的刀刃进给速度变化越快。又因为当木材转一圈时，在水平位移上前进了两个板厚的位移，所以与v对应旋切时间t的近似计算如下：两边积分得即由上式可看出，在d、a、no、m确定的情况下，刀刃进给速度v随时间t的推移逐渐增大。m越大旋切机的刀刃进给速度增大的越快，用的时间越少。因为在旋切机工作过程中，驱动辊的转速是不变的，所以随着聚四氟乙烯由于被切削而直径变小，聚四氟乙烯的转速是不断变大的。为了保证薄膜厚度的均匀性，就要求

40、我们要对刀具的进给速度进行精确的控制。可以看出，随着时间增加，刀具速度越来越快，为了保证薄膜旋切质量，要求液压缸的伸出速度能很好地跟踪其变化20。由于主动辊的存在，那么它的结构形式决定了夹持聚四氟乙烯的最大直径d其值计算过程如图2.4所示，这时的压头的作用也同样是一个主动辊。在图3-4中，已知主动辊13的半径都为r，利用主辊1、2的中心线与主辊3之间的距离为l，可得，聚四氟乙烯的半径r为：得：图2.4无卡旋切机最大夹持示意图2.3数控旋切机的特点现有的无卡轴旋切机都是采用液压油缸来推动摩擦辊夹紧木芯进给，因液压进给系统属柔性传动系统，其进给速度会因负载大小而变化。本机采用聚四氟乙烯轴心固定不动

41、，用伺服电机驱动高精度的滚珠丝杠，带动刀架水平硬性进给，用计算机的实时控制功能，不断地跟踪主轴电机转速，及时地调整进给电机的转速，最终旋切生产出符合要求的薄膜。数控旋切机的特点：（1）旋切速度快，生产效率高。用步进电机驱动，可作无级调速，实现恒线速旋切，充分利用数控系统的能力，大大提高了生产效率，目前卡轴的最高转速达400r/min，最大旋切速度达5m/s。（2）采用可编程控制器，自动控制系统安全稳定，可以根据不同加工材料、不同加工工艺进行定制控制过程。（3）采用友好的人机界面，简单好用，自动化程度高，缩短了辅助操作时间。（4）整机一体化，自动化程度高，维护方便。对操作者技术素质要求较低，参数

42、设定好以后，一键即可完成全部操作。2.4数控旋切机的控制要求用数控系统来控制旋切机的传动，主要旋切聚四氟乙烯薄膜，旋切厚度可以达到0.1mm-1mm，主轴转速达到5-15转/分，旋切机机床宽度达到1米。第三章数控旋切机电控系统的硬件设计3.1系统概述数控旋切机的控制系统主要组成如图3.1所示。用户根据加工的要求产生的加工参数， 经上位机把数据装入由可编程控制器plc组成的下位机，根据机床反馈的信息去控制进给伺服系统、主运动辊的转动、压尺辊的反馈状态等。图3.1 数控旋切机的基本组成3.2数控旋切机电控系统的方案设计数控旋切机的电控系统主要有人机交互装置（pt）、可编程控制器（plc）、驱动器和

43、电机等构成。图3.2数控旋切机电控系统如图3.2所示，数控旋切机的主要控制对象为主轴驱动电机和进给电机。伺服电机：为主驱动电机,用来驱动无卡轴旋切机的主动辊的运转,主要功能让聚四氟乙烯在不打滑的状态下完成设定的运转形式转动；聚四氟乙烯的转动形式是恒线速还是恒转速 , 在系统的“参数设置”中是可以设置的 , 默认状态为恒转速21 25。进给电机:为刀床进给电机,它带动变速齿轮从而改变了力矩,变速齿轮又带动丝杠,使丝杠具有足够的力矩让刀床按系统指令进行旋切加工,刀床进给速度由卡轴的参数和薄膜厚度来决定 。在主电机回路中安装了相应的传感器,检测主电机的电流变化,给控制系统提供控制参考数据,判断旋切工

44、况,输出控制指令给主电机和振动电机,实现振动旋切的同时旋切进刀根据原材料和加工过程参数变化而变化,即闭环加工 , 最终实现柔性旋切。操作人员通过人机界面给出旋切厚度，显示所设的参数和系统运行状态，并且计算和查表得到电机转速值，通过数模转换器和放大器变为相应的模拟信号，通过电压方式控制刀具进给机构驱动设备，或者通过rs485总线直接送出控制指令控制刀具进给机构驱动设备。刀具进给机构通过反馈测量接口反馈聚四氟乙烯旋切时的直径，再通过控制plc的计算和查表得到新的电机转速值去控制刀具进给机构驱动设备。刀具进给机构22驱动设备是一台变频器23，控制系统核心可编程控制器plc，可实现旋切速度控制的变频通

45、讯器，rs485接口和限位、紧急开关等。聚四氟乙烯在旋切加工过程中的各个开关量以及数据存储传送通过plc进行逻辑控制，进给量通过在线传感器转换成脉冲量反馈到plc，由计算机控制系统计算出其相应的频率，plc通过ps485接口和变频通讯器，进给驱动电动机对于给定的对应频率，实现对旋切加工的实时动态调速，进给速度再通过检测反馈系统反应到plc控制，进给系统的正反转控制也是通过plc的集成控制来完成，控制系统的通过频率脉冲输入信号，实现了对旋切过程的实时在线变频控制。3.3电控系统的下位机硬件设计3.3.1下位机（plc）可编程控制器plc是一种数字运算操作的电子系统，它采用可编程的存储器，用来在其

46、内部存储执行顺序控制、逻辑运算、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字量输入输出或模拟量输入输出，控制各种类型的机械动作过程。plc的功能非常全面，既可以进行开关量控制，又可以进行模拟量控制，功能模块化，扩展性好，通用性强，并且还能与计算机联成网络，实现分级控制。是一种简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。欧姆龙sysmac-cp系列可编程控制器是一种小型的plc系统，其功能非常强大，许多功能可以达到大、中型plc的水平，而其价格却和其他小型plc一样。欧姆龙sysmac-cp系列中的cp1h是用于实现高速处理、高功能的程序一体化型plc。配备与cs/cj系列共通的体系结构

47、，与以往产品cpm2a 40点输入输出型尺寸相同，但处理速度可达到约10倍的性能。cp1h cpu单元包括x（基本型），xa（带内置模拟量输入输出端子），y（带脉冲输入输出专用端子）3种类型。这里我们使用带脉冲输入输出专用端子y类型plc。欧姆龙cp1h-y型的技术参数如下：1）cpu单元本体，内置输入12点/输出8点。2）cpu单元本体，可实现高速计数器4轴、脉冲输出4轴。根据机种，可配备最大1mhz的高速脉冲输出，线性伺服也可适用。3）通过扩展cpm1a系列的扩展i/o单元，cp1h整体可以达到最大300点的输入输出。4）通 过 扩 展cpm1a系列的扩展单元，也能够进行功能扩展（温度传感

48、器输入等）。5）通过安装选件板，可进行rs-232c通信或rs-422a/485通信（pt、条形码阅读器、变频器等的连接用）。6）通 过 扩 展cj系列高功能单元，可扩展向上位/下位的通信功能等。如图3.3所示，自带的4路脉冲输出，4路高速脉冲计数器，已经可以实现数控旋切机控制系统的控制要求了，本控制系统的主要控制对象为一个变频器和一个伺服驱动器。图3.3 cp1h-y型 cpu单元基本结构图3.4 cp1h实物图3.3.2上位机这里上位机使用欧姆龙plc配套的可编程终端(pt)，欧姆龙公司提供的np系列的可编程终端，具有多种特色、功能强大，便于快速有效的创建各种直观的操作画面，方便工程人员的

49、对界面的修改和维护24。如图3.5、图3.6所示，np系列可编程终端技术参数：5.7寸触摸屏，外置6个功能键，206.4mhz的32位cpu；内置接口：通信口2个(com1：rs-232c专用，com2：rs-485/422切换），usb口2个（usb 画面传送，支持u盘）。提供编程组态软件np-designer给客户自定义人机界面。图3.5 欧姆龙np5可编程终端正面图3.6 欧姆龙np5可编程终端背面图3.7 欧姆龙np5可编程终端实物图3.3.3变频器变频器（variable-frequencydrive，vfd）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的

50、电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部igbt的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。系统的执行机构驱动可以有多种方案。较为简单的是调压方式，就是用大功率场效应管或晶闸管交流调压器直接驱动异步电机，但电磁转矩与电压的平方成正比，这样电机的机械会变软，则不能满足本系统的恒转矩的要求。价格较高，且精度高的方案就是采用交流伺服电机，但这种方案中小型企业无法实现。本系统衡量了价格和性能两个

51、方面，决定采用变频调速方案，也就是采用变频器作为系统的刀具进给机构的驱动。由于交流变频调速技术的先天优势和技术逐渐成熟，同时变频器价格的大幅度下降，使变频器成为交流异步电机调速的首选。电机调速就是根据操作者的要求使电机的转速发生改变。由电机学可以知道，电机转速不仅取决于负载扭矩，而且取决于电机的极数和供电频率。前一个括号由电机决定，称为同步转速n。，后一个括号由负载决定，称为转差率。要改变电机的转速可以通过四种方式：(1)改变频率-变频器(2)改变极对数-变极电机(3)改变电压-ps电机(4)改变转差率-缠绕转子电机变频调速的控制模式给出了电机的输人功率和电机的各输人参数的关系，为变频器的选型

52、提供了依据。变频器调速用的电动机都是三相交流电动机。所以，其输入端是三相交流电源。电动机的输入功率表示为pl。上面公式中p1-电动机的输人功率，kw；u1-定子侧的相电压，v；i1-定子侧的相电流，a；:-定子侧的功率因数。电动机是用来拖动负载旋转的，因此，其输出功率便是轴上的机械功率，最关键的因数是转矩和转速。用于克服负载的阻转矩，带动负载旋转；是电磁转矩和负载阻转矩tl平衡的结果。电动机的输出功率表示为p2。上面公式中-电动机输出的机械功率，kw；-电动机轴上的转矩，n·m；-电动机轴上的转速，r/min；变频器输出频率的方式主要有下面三种方式:面板给定方式、电位器给定方式、外部

53、给定方式。本系统采用外部给定方式，模拟量给定信号种类为电压信号0-10v；同时也用到通讯给定modbus总线，其主要用于变频器系统参数的设定。系统选用上面的给定方式原因在于想通过系统的人机界面完全控制变频器，这样可以使系统集成性大大增强。同时使操作者不必再去熟悉了解变频器的面板操作，也大大方便操作者。从控制方式、通信方式和进给电机容量考虑abb公司的acs400系列通用变频器比较适合本系统，acs400系列从2.2kw到37kw都有相应的机型，大大增加了选择面。acs400系列变频器主要用于2.2kw37kw鼠笼式电机的速度和转矩控制。acs400是目前市场上体积最小的变频器之一。结构设计中充

54、分考虑了有效的使用面积和尽可能的安装简便。铸铝件和塑料件的使用，保证了足够的加工精度。在使用变频器前必须保证电机和变频器是否适合，acs40o系列变频器要求电机是三相感应式，额定电压为40ov，额定频率为50hz，额定电流不能超过acs400变频器额定输出电流i2n。acs400系列变频器有多种应用宏，也就是出厂时预先编好的参数集。同时有25组参数表，比如99组就是用于起动数据的参数表，01组就是用于运行数据的参数表。3.3.4 伺服驱动器伺服驱动器又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度

55、的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品26。一般伺服都有三种控制方式：速度控制方式，转矩控制方式，位置控制方式 。 速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的。位置控制是通过发脉冲来控制的。1、转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如10v对应5nm的话，当外部模拟量设定为5v时电机轴输出为2.5nm:如果电机轴负载低于2.5nm时电机正转，外部负载等于2.5nm时电机不转，大于2.5nm时电机反转（通常在有重力负载情况下产生）。可以通过即时的改变模拟

56、量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。 2、位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。应用领域如数控机床、印刷机械等等。 3、速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环

57、pid控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。本系统需要伺服驱动器控制主轴速度的伺服电机，达到恒速运动，重点在于速度控制，这里我们采用欧姆龙公司的r88d-g系列伺服驱动器。g系列是针对位置控制、速度控制、转矩控制等广泛用途所开发的产品。电机容量可实现应对从小容量的50w到大容量的7.5kw的各种需求。编码器的标准配备为2500脉冲的增量编码器规格和高分辨率的17位绝对值/增量通用编码器规格的电机。增益调整功能搭载了实时自动调整功能及适应滤波器功能，并可自动进行复杂的增益调整。并且为了降低操作中出现的机械共振，陷波滤波器也可进行自动设定以实现降低机械的振动。此外，通过安装了制振控制功能，对于负载刚度较低的振动结构也可实现稳定的停止性能。3.3.5上位机与下位机的通讯接口欧姆龙cp1h-y型 plc最大可安装2个串行通信选件板（rs-232c×1端口或rs-422a/485×1端口）