2204Y3150E型滚齿机的PLC改造分解

1、XXXX毕业设计说明书题 目：Y3150E型滚齿机的 PLC改造学院：XXXX专业：机械设计制造及其自动化学号：XXXX姓 名:XXXX指导教师：XXXX完成日期：2012年5月27号XXXX毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目： Y3150E型滚齿机PLC系统改造学号： XXXX姓名: XXXX专业: 机械设计制造设计及其自动化指导教师：XXXX系主任： 周友行一、主要内容及基本要求本课程设计完成对 Y3150E型滚齿机控制系统的 PLC改造。主要完成改造系 统的PLC硬件设计和软件设计，并对滚齿机进行改造后的试切验证。需编写相应的设 计说明书，并用二维软件绘制电气原理图、I/O端口电路接

2、线图、PLC梯形图。最后还 需翻译一篇外文文献。、重点研究的问题滚齿机控制系统改造的总体方案设计以及其硬件设计和软件设计、进度安排厅P各阶段完成的内容完成时间1熟悉课题及基础资料第一周2调研及收集资料第二周3力杀设计与讨论第三四周4滚齿机PLC控制系统的设计第五八周5滚齿机的电气原理图和梯形图设计第九周6I/O端口电路接线图设计第十周7撰写说明书第十三周8英文文献翻译，答辩第十四周四、应收集的资料及主要参考文献1王永华.现代电气控制及 PLC应用技术M.北京航空航天大学出版社.2朱朝宽，张勇.典型机床电气控制解析与 PLC改造实例M.机械工'业出版社.3李响初，向凌云、余雄辉.实用机床

3、电器控制线路 200例M.中国电力出版社.4马应用，王阿根.电气可编程控制原理M.清华大学出版社.5张建民.机电一体化系统设计M.高等教育出版社.6濮良贵、纪名刚.机械设计M.高等教育出版社.7海心：赵华.机电传动捽制M.高等教育出版社.8张海根.机电传动捽制M.高等教育出版社.9张万奎.机床电气控制技术M.中国林业出版社.10马应用，干.阿根.电气可编程捽制原理M.清华大学出版社.11漆汉宏.PLC电气控制技术M.机械工业出版社.12李国厚.PLC原理与应用设计M.化学工业出版社.13台达PLC编程手册.XXXX毕业论文（设计）鉴定意见学号： XXXX 姓名:刘志木 专业: 机械设计制造及其

4、自动化毕业论文（设计说明书）50 页图 表 3 张论文（设计）题目：Y3150E型滚齿机的PLC改造内容提要：本课题是利用PLC对原有Y3150E型滚齿机进行改造，主要是对其控制系统的改造。 由于市场的竞争日趋激烈；产品的更新换代也越来越快；对机床的要求也越来越高。因 此通过对机械设备的硬件改造，用多台伺服电机对各运动部件直接进行控制，利用 PLC 实现各轴的联动。利用PLC软件的特点，根据加工工件的参数不同，输入工件关键的参 数后系统能够自动实现各轴之间的速度调节，无需操作人员进行挂轮操作。而且还可以 利用传感器对运动部件的位置进行跟踪和检测，采用触摸屏作为人机交换界面，有利于 参数额的输入

5、和加工过程的检测。该改造的主要任务是对加工任精度的提高和操作效率 的提高。此外还需利用 CAD画出该改造过程中所用PLC的I/O端口电路接线图、电气 原理图、梯形图等。指导教师评语指导教师：年 月 日答辩简要情况及评语答辩小组组长：年 月 日答辩委员会意见答辩委员会主任：年 月日目录摘要 1Reconstruction of Y3150E Precision Gear Hobbing Machine by PLC 21 .绪论 31.1 课题的依据 31.2 课题的研究意义 41.3 课题的现状分析 41.4 PLC 简介 52 .PLC系统总体设计方案概述 112.1 传统滚齿机控制系统的功

6、能与技术指标 112.2 PLC控制系统设计方案 143 .硬件系统的设计 171 .1 PLC 172 .2伺服系统 193 .3触摸屏 204 . 4传感器 215 . 5电源电路 216 . 6硬件连接 234 .软件系统的设计与调试 284.1 数控化改造的电气要求 294.2 I/O 点的分配 304.3 3 PLC梯形图设计 325 .期望与总结 34致谢 36参考文献 37附录1 Y3150E滚齿机相关技术参数 38附录 2 外国文献翻译 39Y3150E型滚齿机PLC控制系统的改造摘要作为机电一体化重要技术的可编程序控制器 （PLC）产品的集成度越来越高，工作速度越来越快， 功

7、能越来越强，使用越来越方便，特别是远程通信功能的实现，易于实现柔性加工和制造系统 ，使得 PLC如虎添翼。本文简要的介绍了 Y3150E型精密滚齿机的控制原理，并利用PLC对滚齿机进行改造, 设计PLC控制系统，使滚齿机的控制更加方便。关键词：滚齿机，控制系统，机电一体化，PLCReconstruction of Y3150E Precision Gear Hobbing Machine by PLCAbstractIn recent years, as an important technology in Mechatronics, Programmable Logic Controller

8、 (PLC) products are more integrated, working faster and faster, more powerful in function, more and more convenient to use, especially in telecommunications function implementation, it is easy to implement flexible processing and manufacturing systems, makes the PLC even more powerful. This article

9、briefly describes Y3150E Precision hobbing machine control principle, and to use PLC to reform of the hobbing machine, PLC control system designed to enable gear hobbing machine control more convenient.Keyword : Hobbing Machine,Control System, Mechatronics, PLC第一章绪论1.1 课题的依据本课题依据于PLC对Y3150Ea精密滚齿机控制系

10、统的数控改造。原Y3150E型精密滚齿机采用纯机械的传动链，传动精度低、调整复杂，无法满足大批量、多品种、高精度齿轮的加工要求，且机床电气故障比较突出，有些机床甚至无法使用，如果淘汰了重新购置则投 资太大.由于润滑充分，这些机床的导轨、丝杠、丝母、滑台及工作台的涡轮蜗杆等磨损不大，机床机械精度保持较好，具备进行改造的基本条件，且改造投资少、见效快。而 PLC控制具有通用性强、使 用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点，并采用交流伺服电机对其主轴进 行控制，原设备中的一些机械设备都予以保留，使一些设备得到了充分利用，节省了许多资金，属 于改造的基本原则。同时设备的操作灵敏度，控

11、制要求都达到厂家的要求，使设备能够很好的为厂 家发挥很大的作用。因此对其进行PLC的数控改造具有非常高的经济价值。图1.1 传统的机械传动式滚齿机架猿1釉后江桂1.2 课题的研究意义课题的意义是设备更新，购置新型数控滚齿机、提高企业对产的加工能力，增强产 品市场的竞争能力是企业提高市场竞争能力的首选。但新机床购置费用高，且旧机床的 闲置必然造成很大的资源浪费。因此对原有机床的PLC改造显得尤为重要。利用旧机床进行改造具有一下几点优势：1 ）投资额小、开发成本低数控化机床改造的低成本投入是推动数控改造市场迅速发展的关键因素 .与购置新 机床相比较，一般可以节省60%-70%勺费用，改造费用低。特

12、别是大型特殊机床尤其明显。 一般大型机床改造，只需花费新机床购置费用的三分之一，即使将原机床的结构进行彻底改造升级，也只需要花费购置新机床 50%勺资金。并且企业可以充分利用现有地基， 不必像购入新设备那样重新构筑地基。2 ） 了解设备、便于操与维修，减少后期的培训、维修成本；3 ）使用灵活、性能更稳定；4 ）可充分利用现有的条件使企业更快地投入生产；5 ）可有效的扩大加工范围，提高加工精度；6 ）提高机床的自动化程度及生产效率；7 ）缩短生产和生产准备周期；8 ）减轻工人劳动强度，改善劳动条件。同时经过PLC数控改造的滚齿机直接采用伺服电机驱动内联传动链两端件，取消中间传动齿轮，通过PLC控

13、制装置控制各电机的转速实现远程控制，向最终实现齿轮加工 的集成化迈进。1.3 课题现状分析国内外的基本研究情况是滚齿机从制造技术和核心技术来看，其发展历程可分为两大阶段：20世纪80年代之前，以传统的机械式滚齿机为主导。传统的机械滚齿机以手 动操作为主，以一台主轴电机的运行利用齿轮挂箱实现各运动部件的转速控制和转速联 动，劳动量大且传动链长难以保证加工精度；20世纪80年代数控滚齿机问世，数控滚齿机按其机床结构和工作特点及制造技术可分为三代：第一代数控滚齿机为工件轴和滚 刀轴的切削线速度，第二代滚齿机应运而生。其工件轴和滚刀轴采用齿轮副传动，速度 有了很大提高。但该机床传动链长，加工精度不易保

14、证。同时，加工不同工件时需要进 行必要的挂轮操作，劳动强度大，效率低。1997年，美国格里森收购了发明世界上第一 台滚齿机的德国普发特公司，联手研发了第三代数控滚齿机。第三代滚齿机的主要特点 是在滚刀主轴和工件主轴上采用电动主轴的直接驱动技术，缩短了传动链从而保证了高速度、大转矩和高精度的滚齿加工。近十年间，格里森公司又开发出第四代滚齿机 GENESISTM30H,它比普通数控滚齿机的性能有了很大的提升（见表 1 1）,这也是当 今世界上唯一的第四代数控滚齿机。机床采用西门子840D数控系统，具有7个数控轴（X轴式径向轴，Y轴式切向轴，Z轴式轴向轴，A是刀架旋转轴，B是滚刀主轴，C是 工件轴，

15、Z2是尾架轴），其中4个是联动轴（X、Z、B和C）;采用干切技术，高速钢 滚刀切削，转速达955r/min ,线速度达180m/min,完成单件全部过程仅需19s；精度高 于DIN Class7 ;用于高精密加工时可达到 DIN Class5甚至更高，真正达到高精度、高 速度。表1.1 GENESISTM130敞控滚齿机与普通数控滚齿机的切削情况比较工件切削参数项目GENESISTM130H1普通数控滚齿机齿数34刀具转速955r/min300r/min模数1.3589mm表面切削速 度180m/min71r/min压力 角14.267 0进给速度2mm/r1.75mm/r螺旋 角19.401

16、 0切削时间15s54.9s全齿 深3.2mm装夹时间4s12s外径C53.12mm每件总时间19s66.9s28.346mm件数/h189.5Pcs53.8Pcs注：以上数据根据各机床能力选用的刀具等有所不同目前，国内的齿轮加工企业却面临很大的窘境。我国机械加工业与发达国家相比总 体水平较低，而且大部分中、小型企业的齿轮加工设备仍使用传统的手动机械机床，而 传统的齿轮加工机床已越来越难以适应现代化生产的要求。使用传统的机械滚齿机加工齿轮，产品精度得不到保证，并且加工劳动强度大、效率低，这样导致企业生产成本高， 企业竞争力差。分析齿轮加工过程，导致产品精度误差的来源很多，但其中大部分误差 是由

17、机床自身的问题引起的。另外齿轮加工在国民经济发展中也占有重要位置，据统计:十五期间，中国齿轮行业总产值由 250亿元增长到500亿元，平均增长速度接近20% 五年间上升了一倍，排名世界第四，销售规模上亿元企业超50家，行业集中度明显提高。2006年中国齿轮行业的年产值是590亿。但是，传统的机械滚出机床结构非常复杂， 一台主电机不仅要驱动展成分度传动链，还要驱动差动和进给传动链，个传动链中的每 一个传动元件本身的加工误差都会影响被加工齿轮的加工精度，同时为加工不同齿轮， 还需要更换各种挂轮调整起来复杂费时，大大降低了劳动生存率。而现在我国大约有五 万台已陈旧滚齿机，加工不出 GB10095-8

18、8标准的7级齿轮。因此，改造机床、减少机 床误差是提高产品精度、增强企业市场竞争力的有效途径。分析齿轮加工过程，导致产品精度误差的来源很多，但其中大部分误差是由机床自 身的问题引起的，因此，改造机床减少机床误差是提高产品精度，增强企业市场竞争能 力的有效途径。传统机械滚齿机加工误差分析见下表 1.2:表1.2普通机床各误差源对加工精度的影响程度机床误差（%几何误差（%2030热误差（%2535机床总误差（%4565加工过程误差（刀具误差（%1015夹具误多（%6 - 1 0( %3 - 5操作误差（%6 - 1 0加工过程总误差（%2 5 4 0检测误差（%安装误差（%25不确定误差（%810

19、检测总误差（%1015由表1.2可以看出，齿轮加工的误差来源较多，而机床误差就达到误差总额的45%- 65%因此，更新设备，减少机床自身的误差比对其他误差的纠正更有意义和价值。图 1.2 GENESISTM130 K控滚齿机图1.3 GENESISTM130H勺7个数控轴1.4 PLC简介现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域 的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向 机械工业的渗透所形成的机电一体化， 使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、 生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了 “机电一

20、体 化”为特征的发展阶段。PLC作为机电一体化的一个重要的进程，在机械电气化的过程 中起着很大的作用，现在还是这样，随着 PLC本身的发展，它的应用范围越来越广，功 能越来越强大。可编程序控制器（programmable Logic Controller ）是一种数字运算 操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其 内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字 的，模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的 外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。PLC的国内外的状

21、况在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按 照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是 通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气 控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC研制出了基于集成电路和电子技 术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制， 这就是第一代可编程序控制器， 称Programmable ,是世界上公认的第一台 PLC.限于当时的元器件条件及计算机发展水平， 早期的PLC主要由分立元件和中小规模 集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70

22、年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使 PLC增加了运算、数据传送及处理等功 能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的 工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语 言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机(简称P。发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable LogicController (PLC 。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引

23、入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工 业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。 20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程 控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是 世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步 入成熟阶段。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30 40%在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到 大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制

24、领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统 治地位的DC繇统。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特 殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力 来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配 套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等 领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在 引进设备中大量使用了可编程控制器。 接下来在各

25、种企业的生产设备及产品中不断扩大 了 PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公 司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DK磔D系列、大连组合机床研究所生产的S 系列、苏州电子计算机厂生产的 YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品 中获得了应用。止匕外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名 的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。PLC的组成及特点从结构上分，PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式 PLC包括CPUft、 I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个

26、不可拆卸的整体。 模块式PLC 包括CPU真块、i/o模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则 组合配置。这里主要介绍一下它的 CPU CPia PLC的核心，起神经中卞E的作用，每套 PLC至 少有一个CPU它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的 方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源 和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮 器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的 控制电路。CP"要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系

27、的数据、控制及状 态总线构成，CP加元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序 及数据，是PLC不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析CPU勺内部电路， 但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU勺控制器控制CPia作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运 算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器 指挥下工作。CPI®度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。PLC的用途PLC的初期由于其价格高于继电器控制装

28、置，使其应用受到限制。但近年来由于微处 理器芯片及有关元件价格大大下降，使PLC的成本下降，同时又由于PLC的功能大大增强， 使PLC的应用越来越广泛，广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制 造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。PLC的应用通常可分为五种类型：(1)顺序控制这是PLC应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。PLC可应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。如注塑机、印刷机械、订书机 械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。(2)运动控制 PLC制造商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或 多轴位置控制模版。在多数情况下，P

29、LC把扫描目标位置的数据送给模版块，具输出移 动一轴或数轴到目标位置。每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确 保运动平滑。相对来说，位置控制模块比计算机数值控制(CNC装置体积更小，价格更低，速度更快，操作方便。(3)闭环过程控制PLC能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。PID (Proportional Intergral Derivative )模块的提供使 PLCM有闭环才5制功能，即 一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。当过程控制中某一个变量出现偏差 时,PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。（4）数据处理 在机械加工中，出现了把

30、支持顺序控制的 PLC和计算机数值控制 （CNC设备紧密结合的趋向。著名的日本 FANU公司推出的Systen10、11、12系列， 已将CNC空制功能作为PLC的一部分。为了实现PLC?口 CNCS备之间内部数据自由传递， 该公司采用了窗口软件。通过窗口软件，用户可以独自编程，由PLC送至CNCK备使用。 美国G玄司的CNCJ备新机种也同样使用了具有数据处理的 PLG预计今后几年CNC 系统将变成以PLC为主体的控制和管理系统。（5）通信和联网为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化（FA）系统、柔性制造系统（FMS及集散控制系统（DCS等发展的需要，必须发展 PLC之间，PLC和上级 计算机之

31、间的通信功能。作为实时控制系统，不仅 PLC数据通信速率要求高，而且要考 虑出现停电故障时的对策。PLC常用语言可编程控制器中有多种程序设计语言，它们是梯形图语言、布尔助记符语言、功能 表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是 基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单控制功 能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等，扩展或增强指令 集，它们也能执行其它基本操作。功能表图语言和语句描述语言是高级程序设计语言， 它可需要去执行更有效操作，例如，模拟量控制，数据操纵，报表报印和其他基本程序 设计语言无法完成功能。功

32、能模块图语言采用功能模块图形式，软连接方式完成所要求 控制功能，它可编程序控制器中到了广泛应用，集散控制系统编程和组态时也常常被采 用，它具有连接方便、操作简单、易于掌握等特点，为广大工程设计和应用人员所喜爱。可编程器应用范围，程序设计语言可以组合使用，常用程序设计语言是：1 .梯形图程序设计语言；2 .布尔助记符程序设计语言（语句表）；3 .功能表图程序设计语言；4 .功能模块图程序设计语言；5 .结构化语句描述程序设计语言；6 .梯形图与结构化语句描述程序设计语言；7 .布尔助记符与功能表图程序设计语言；8 .布尔助记符与结构化语句描述程序设计语言。10第二章PLC系统总体设计方案概述完成

33、一个改造设计的前提是对需改造对象性能的全面掌握，了解改造前设备存在的问题从而确定改造中需要解决的问题，确定改造目标后再进行系统的设计。2.1传统滚齿机控制系统的功能与技术指标传统滚齿机的类型较多，控制电路各不相同，但都存在相同的问题，即利用齿轮挂 箱实现各运动部件的转速控制和联动。过长的传动链是导致产品加工精度低的主要原 因。这里先对先对Y3150ES滚齿机做简单电路分析，以明确滚齿机的基本工作原理。Y3150E型滚齿机电气电路分析Y3150E型滚齿机的电气控制线路图如下图 2.1所示：图2.1 Y3150E型滚齿机的电气控制线路图1 .主电路主电路共有四台电动机，其中 M2是主轴电动机，利用

34、KM2与KM或现正反转控制。 KM2吸合电机M1正传时实施进给加工，KM3®合M1反转时进行退刀。轴向快速运动电 机由接触器KM5 KM以现正、反转控制。液压泵电机由接触器 KM1控制。主轴的运转 利用齿轮挂箱可带得刀具高速旋转和刀具的横向进给，加工不同工件时应按要求选择不 同的齿轮挂箱，利用齿轮传动实现各主轴转速调节和转速联动；M3是冷却泵电动机，只要求单向旋转；冷却泵电机 M3由KM4控制，即KM4吸合则M3工作。但要注意的是 M2 必须在M1电动机工作后才能启动，为顺序控制。M1/M2要进行长时间工作，所以都装有 过载保护。整个线路由一组总熔断器做短路保护。2 .控制电路液压泵

35、控制总开关SA1闭合，为控制电路接通做好准备，同时接通接触器KM饯圈电路，KM1得电；液压泵电动机M1主电路闭合工作，为液压系统提供压力油，为传动元件提供润 滑油，保证旋转元件在工作之前得到充分的润滑。主电动机控制11滚齿过程中的主要运动都是由电动机 M2提供，先将转换开关SA3转换到KM凌圈 电路，此时按下按钮SB1,接触器KM礴圈电路接通，利用其常开触点使 KM2自锁，主 触点闭合，电动机M2正转，主电路接通，电动机M2通过外联系传动链带动滚刀正转（逆 铳），由滚刀轴通过内联系或者外联系传动链带动刀架、工作台运动，当刀架运动到上 方或者下方的极限位置时，由行程开关 SQ2?口 SQ4进行极

36、限位置保护，压下行程开关， 接触器KM凌圈断电，电动机M2停止转动。当SA3转换到KM3ife圈回路位置，按下按钮SB1时，接触器KM3等得电并自锁，电 动机M2反转，带动刀具作顺铳加工。当按下按钮SB3时，其常开触点闭合，接通接触器 KM减KM3电路。1由于SB3的 常闭触点切断了 KM2< KM3ife圈的自锁回路，接触器线圈回路不能自锁，电动机 M2只 能点动旋转，为机床点动调整控制状态，有利于调整各个运动部件之间的相对位置。冷却泵电动机控制在主电动机的工作工作状态，即 KMM KM3ife圈得电的情况下，将转换开关 SA5置 于闭合状态，接触器KM饯圈电路闭合，线圈得电，主触点接

37、通电动机 M3主电路，冷 却泵工作，为切削过程提供切削液。轴向快速移动点动控制刀具在加工完毕，轴向返回初始位置或作刀架的轴向调整时， 刀架需要作快速移动。 为了减少传动元件和缩短辅助时间，利用快速电动机带动刀架作轴向运动。在作快速移 动之前，将刀架轴向工作进给的传动链切换到由快速电动机带动的传动链。扳动手柄接 通快速运动机械离合器，断开工作进给传动链，压下行程开关SQ3然后按下按钮SB4,接触器KM瞰圈电路接通，其主触点15合，快速移动电动机 M4正转，电动机带动刀架 快速从底端向上运动，由于KM藏圈回路没有自锁，电动机只能点动工作，松开按钮Sb4, 则运动停止。当按下按钮SB5时，接触器KM

38、5导电，接通电动机M4的反转电路，轴向快速移动 电动机M4反转，带动刀架作由上向下的快速移动。接触器 KM5勺常开触点闭合，接通 电磁阀电磁铁YA2电路，平衡液压缸工作，使得快速向下移动平稳。径向运动控制为了能够调整刀具与工件的径向位置和加工蜗轮的需要，工作台能够作径向运动， 其运动由液压系统提供动力，当转换开关 SA4闭合后，电磁铁YA1得电，液压缸推动工 作台作径向运动。（六）其他控制内容照明电路采用24V电源，当将转换开关SA2闭合时，照明电路接通，灯 HL亮。指示灯电路主要有电源指示灯 HL1、润滑油指示灯HL2、主电动机过载指示灯HL3, 在合上电源总开关（低压断路器） QF1时，指

39、示灯HL1亮，标志电源接通；当润滑油减12 少到一定程度时，安装在液压缸中的浮子继电器 KF触点闭合，指示灯HL2亮，提醒操 作者及时添加润滑油，以监控润滑油；当主电动机过载时，热继电器FR2常开触点闭合, 指示灯HL3亮，提示操作者系统有故障，主电动机过载。四台电动机之间的关系为顺序控制。3 .运动分析通过对滚齿机进行各种加工操作的运动分析，确定滚齿机运动要求如下：1 .动作要求： 主轴的高速旋转且转速可调：5495rpm 滚刀的高速旋转且转速可调：5004000rpm 滚刀的横向进给且进给速度可调：快速时 5000mm/min上述三种速度可根据相关参数实现联动。滚齿机工作时，要求能够实现这

40、三个转速在很大的范围内连续可调，并保证三速度 之间存在一定的函数关系。在传统滚齿机上是利用齿轮挂箱实现三者之间的联动和速度 控制的。2 .进给控制要求：工作台的垂直方向进给；滚刀的横向进给。应该注意的是滚刀的垂直进给和滚刀的横向进给应该实现双速运行，位置较远时可高速进给，当达到一定位置时，由传感器发出信号改为低速进给。另外，加工不同工 件，应选择不同的转速比，即电机的转速应该可以按要求调节。3 .保护功能：垂直进给行程开关（上下位置）； 横向进给行程开关（左右极限位置）。在传统机床电路中，行程开关是常见的位置限制元件，在电气控制中是必不可少 的。4 .Y3150E型滚齿机的参数指标Y3150E

41、型滚齿机的参数指标如表2.1所示：表2.1 Y3150E型滚齿机参数指标项目参数数:最大加工直径500mm最大加工模数8mm最大加工宽度250mm工件上最小齿数6力架最大回转角度2400刀架最大垂直行程（Z轴）300mmZ轴分辨率0.001mm13工作台直径510mm工作台到立柱最大跑离835mm工作台到立柱最小跑离380mm工作台水平移动行程（X轴）310mmX轴分辨率0.001mm允许安装的最大滚刀直径160mm滚力的转速5004000rpm滚刀横向进给速度（快速）500mm/min滚力最大的的轴向运动量55mm滚刀轴线到台面 的距离最大535mm最小253mm工件轴线到滚刀 轴的距离最大

42、330mm最小20mm主轴转速范围40250mm主电动机功率5.5KW机床净重500kg此次改造要求是将机械滚齿机改造为数控滚齿机，由于机床设备自身的一些特点, 改造过程中将对上述参数有较大的调整，如各运动部件的行程距离、齿轮加工角度等, 但改造最主要的任务是对加工精度的提高和操作效率的提高。图2.2 Y3150E型滚齿机数控改造后的传动原理图5 .2 PLC控制系统设计方案在传统滚齿机中，最大的问题是齿轮挂箱的使用。在传统滚齿机进行滚齿加工操作 时，为了保证各运动部件的同步进给，利用了齿轮挂箱的齿轮传动链实现三轴联动并实14 现速度匹配的，这使得传动链过长，难以保证加工精度；同时加工不同工件

43、时，因加工 齿轮齿数、模数等重要参数的不同，需要进行挂轮操作进行换档换速，此类操作使得劳 动量大，生产效率低。传统滚齿机的传动示意图如图 2.3所示。图中齿轮的传动误差为 齿轮加工误差的主要来源。为了克服传统滚齿机中因机械传动复杂而导致加工精度低、 劳动强度大的缺点，对滚齿机的硬件进行了改造、减少传动链，并利用软件进行控制， 以实现三轴联动并进行调速，以期达到提高加工精度、降低劳动强度的目的。图2.3传统滚齿机传动示意图1设计思路 通过机械设备的硬件改造，用多台伺服电机对各运动部件进行直接控制，利用 PLC 实现各轴联动，这样去掉传统滚齿机中的传动齿轮，实现零件传动从而减小齿轮的传动 误差，增

44、强了设备的刚性，提高了齿轮加工精度。 利用PLC软件的功能特点，根据加工工件参数的不同，输入工件关键的参数后，系 统能自动实现三轴之间的速度调节，无需操作人员进行挂轮操作，降低劳动量，提高加 工效率。利用传感器对运动部件的位置进行跟踪和检测， 将检测到的数据传递给PLC由PLC 做出更为及时、更为精确的控制调整，提高加工精度。同时实现控制过程的自动化。为了提高改造后机床的可操作性，增强人机对话功能，采用触摸屏作为人际交换界面，有利于参数额输入和加工过程的检测。2系统设计方案在硬件改造上，为了解决齿轮挂箱的使用出现的问题，结合最新的数控滚齿机传动 技术，在硬件改造上决定实现零传动技术，即利用伺服

45、电机直接连接旋转主轴，实现零 传动。零传动的传动方式大大缩短传动链，降低传动误差带来的加工误差。同时，由于15 其机械结构简单，有利于提高机床的刚性，完全机械传动链中存在的磨损问题，进而保 持了精度的稳定性，提高机床加工精度。同时，为了更好的对运动部件位置进行定位和检测反馈，提高自动化控制的程度， 在机床改造过程中，应充分利用传感器。在进给的极限位置和原点位置均设置了传感器 对工作台的进给进行位置跟踪。从安全的角度出发，加设了行程开关，与传感器组合使 用，以更好的对机床进行保护。为了提高改造后机床的操作灵活性，并对机床性能全面提升，采用触摸屏作为改造 后机床的输入部件，在触摸屏上可直接进行各参

46、数的设定、机床运行情况监控，并能在 加工过程中进行故障报警。充分考虑滚齿机改造后需实现的功能之后，对滚齿机的硬件部分做出如图2.4所示 的框架设计：图2.4 总体设计框架示意图在图2.4中，电网电压对PLG伺服电机、触摸屏和传感器进行供电。为PLC供电时，应在PLC前加一比一的隔离变压器以保护 PLC的安全使用。为伺服驱动电路供电时，因伺服驱动需要采用三相220V供电，因此在伺服驱动电路之前加380V/220V三相隔离变压器。伺服驱动电路与伺服电机之间有电力线与编码线连接。触摸屏工作电压+24V由开关电源或者直流稳压电源提供。触摸屏是参数输入的主要 操作界面，实现转速调节和过程监控。触摸屏与P

47、LC利用RS232实施连接实现数据传输。传感器的工作电压+24V由开关电源提供或直流稳压电源提供。传感器对伺服电机的 运行过程位置进行监控，将信息传递给 PLC由PLC对运行过程进行调整，保证程序执 行过程的精确性。16第三章硬件系统的设计一个完整的自动化控制电路包括能保证电路正常工作的电源部分、起控制作用的核心部件PLG受控性能优越的伺服系统、以及对位置进行检测和反馈的传感器。做好每 一部分电路的设计是完成整个电路设计的基础。本节主要概述PLC的特Tt和PLC的选择、 伺服系统的选择和应用、传感器的特性与应用、触摸屏的使用以及电源设计等内容。3.1 PLC一. PLC概述PLC 是一种数字运

48、算操作的电子系统，专为工业环境设计的一种工业控制计算机， 采用面向用户的指令，编程方便。近年来，PLC在传统的对开关量处理的基础上，又增加了数字运算及对模拟信号处理的能力。这给PLC的应用带来了巨大的发展前景。PLC的基本结构根据硬件结构的不同，可以把 PC分为整体和模块式，近年来又将这两种形式结合起 来的趋势。PLC的内部结构大体上可分为四部分：中央处理器(CPU、存储单元、输入 输出单元和扩展单元。CPU模块：CPU真块主要由彳处理器(CPU和存储器组成。有的还包括 PC的直流 稳压电源。在控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏。它不断地采集输入信号， 执行用户程序，刷新系统的输出。存

49、储器：根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为下面的 4种：系统程序存 储器；用户程序存储器；数据表奇存器( Data table memory );图速暂存存储 器(Scratch pad memory )。开关量I/O输入输出模块：I/O模块的接线方式有汇点式、分隔式和分组式三种， 极大多数的PLC的输入端子采用汇点式，而输出端子则采用分组式或分隔式。 编程器：PC的编程器用来生成PC的用户程序，并对程序进行编辑、检查和修改， 高级的编程器还可以将程序存储在磁带或磁盘中，并驱动打印机打出带注解的梯形图程序或指令表程序。各种编程器还可以用来监视系统运行的情况。下面是PLC的内部结构单元框图：

50、图3.1 PLC内部结构单元图框电源用户输入设需输入单兀中央处或器用 户 输出 设 备(CPU>3 171.1 LC的工作过程图3.2扫描过程示意图PLC 一循环扫描的方式工作如图3.2所示，整个扫描工作过程包括内部处理、通信 服务、输入处理、程序执行输出处理五个阶段。PLC两种工作状态，即运行状态（RUN 和停止状态（STOP。当PLC处于停止状态时，只完成内部处理和通信工作，主要用于 外部程序的编制和修改；当PLC处于运行状态时，除了完成内部处理和通信服务外，还 要完成输入采用程序执行和输出刷新工作，即执行用户应用程序。PLC循环扫描一次所需的时间称为扫描周期。PLC运行正常时扫描周

51、期的长短与CPU 的运算速度、I/O点的情况、用户应用程序的长短以及编程情况有关。通常用 PLC执行 1KB指令所需的时间来描述扫描速度（一般 110ms/KB 。二PLC的选型在机床的数控改造中，控制系统的选择尤为重要。对于PLC型号的选择问题，首先要对控制任务进行详细的分析，根据机床的硬件改 造情况和设备具体运行要求，确定出所有的I/O。本机床的改造涉及到的输入点有16个。输出点有8个（为留有余量，输入点取20,输出点取10或者12）,对于容量的要 求不是很高。对于PLC功能方面的分析，所有PLC一般都具有常规的功能，但对某些特 殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力完成控制任务。确定好

52、容量和性能之后，还 要考虑的就是价格问题。性能相同或相近的 PLC不同厂家在价格上的差异非常之大。经比较分析，在保证功能符合要求的前提之下，我们选用了台达的 DVP-40ES00R2 型号PLG DVP-40ESOOR2主机I/O点数为20/10;运行速度为1.6us/步；容量为2720 步；基本指令数为80;高级指令数为111;内部继电器为1008点；特殊内部继电器为 64点；定时器/计数器为144点；数据寄存器为1660字；特殊数据寄存器为70字；索 引寄存器为2字；主控指令为32点；跳转标记数为64点；步进数为128级；子程序个 数为16个；中断个数为9个程序；输入滤波时间为1128ms

53、台达ES系列PLC的性能稳定。本身含有的功能完全满足在数控控制系统中的应用。18高数计数器的应用台达PLC DVP-ES有4个单独的32位高速计数器，这为数控滚齿机的高速计数控 制做好了准备。滚齿机的高速计数主要有 2个方面，一个是主机测速，另一个是进给测 速。主机测速有伺服电机控制，进给测速则可以通过 2个高速计数器测量主轴的速度， 用2个高速计数器捕捉进给电机的运行速度。这2对高速计数器形成了 2路伺服电机的测量，彼此独立，互不干涉，资源充足。如图 3,3所示高速计数控制流程图：图3.3 高速计数器控制流程图1.2 伺服系统伺服系统在数控机床设备中具有重要的地位，高性能的伺服系统可以提供灵

54、活、方 便、准确、快速的驱动。伺服系统是以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统， 它是数控系统和机床的连接环节，是数控机床的主要组成部分，是数控机床的执行单元 在数控机床中，伺服系统接受PLC发出的进给速度和位移指令信号，由伺服放大器作一 定的转换和放大后，经伺服电动机驱动机床工作台等执行部件实现工作进给或快速移 动。随着技术的进步和整个工业的不断发展，伺服驱动技术也取得了极大的进步，伺服 系统已进入全数字化和交流化的时代。在本次滚齿机改造过程中，本文利用伺服电机对执行机构直接连接，实现零传动。伺服 电机的选择，原则上要考虑诸多因素：根据负载条件来选择伺服电机：当机床作空载运行时，在整个速

55、度范围内，加在伺服电机轴上的负载转矩应在电 机连续额定转矩范围内，即应在转矩速度特性曲线的连续工作区。 最大负载转矩，加载周期以及过载时间都在提供的特性曲线的准许范围内。 电机在加速/减速过程中的转矩应在加减速区（或间断工作区）之内。 频繁地定位和加减速会使电动机发热， 此时需要计算出电动机承受的力矩的均方根 加在电机轴上的负载惯量大小对电机的灵敏度和整个伺服系统的精度将产生影响。19通常，当负载小于电机转子惯量时，上述影响不大。但当负载惯量达到甚至超过转子惯 量的5倍时，会使灵敏度和响应时间受到很大的影响，甚至会使伺服放大器不能在正常 调节范围内工作。所以对这类惯量应避免使用。负载转矩折算到

56、伺服电机轴上的负载转矩计算公式，因机械而异，但不论何种机械，都因计算出折算到电机轴上的负载转矩。 按伺服电机轴上的负载转矩进行选择相应型号 的伺服电机。负载惯量的计算，由电机驱动的所有运动部件，无论旋转运动的部件，还是直线运 动的部件，都成为电机的负载惯量。电机轴上的负载总惯量可以通过计算各个被驱动的 部件的惯量，并按一定的规律将其相加得到。带大惯量负载时，当速度指令变化时，电机需较长的时间才能到达这一速度，在我 们三轴联动的伺服电机运行时产生的惯量相对来说是比较大的，需要限制。通常，当负 载惯量小于电机惯量时就不会有什么问题。如果高于5倍马达转子惯量，一般伺服会出现不良反应，所以，我们在选择伺服电机的时候，必须要考虑负载惯量低于电机转子惯 量。台达伺服马达在此方面有它特有的优势，负载惯量比高，因此我们采用了 ASMTO7L250曰K为我们