铣端面机床电气系统的设计.doc

1、1第一章 绪论铣床是指主要用铣刀在工件上进行加工各种表面的机床。通常把铣刀的旋转运动称之为为主运动，工件和铣刀的移动称之为进给运动。它可以加工平面、垂直面、斜面等一些加工比较简单的型面，如果配一些附件也可以加工螺旋槽，凸轮、成型面等加工比较复杂的型面。铣床是用铣刀对工件进行铣削加工的机床。铣床除了能铣削平面、沟槽、轮齿、螺纹和花键轴以外，还能加工一些相对比较复杂的型面，与刨床相比而言，效率高，在机械制造和修理领域得到了广泛的应用。最早的铣床是美国人惠特尼于 1818 年创制的卧式铣床；为了铣削麻花钻头的螺旋槽，美国人布朗于 1862 年创制了第一台万能铣床，这是升降台铣床的雏形；1884 年前

2、后又出现了龙门铣床；二十世纪 20 年代出现了半自动铣床，工作台利用挡块可完成“进给-快速”或“快速-进给”的自动转换。铣床按其结构可以分为：台式铣床、悬臂式铣床、滑枕式铣床、龙门式铣床、平面式铣床、仿行铣床、升降台铣床、摇臂铣床、床身式铣床、专用铣床。(1)台式铣床：用于铣削仪器、仪表等小型零件的铣床。(2)悬臂式铣床：床身水平放置，铣头装在悬臂上的铣床。悬臂通常可沿床身一侧的立柱导轨垂直方向移动，铣头可沿悬臂导轨移动。(3)滑枕式铣床：床身水平布置，主轴装在滑枕上的铣床。滑枕可沿滑鞍导轨作横向移动，滑鞍可沿立柱导轨作垂直移动。(4)龙门式铣床：床身水平布置，其两侧的立柱和连接梁构成门架的铣

3、床。铣头装在横梁和立柱上，可沿其导轨移动。横梁可沿立柱导轨垂向移动，工作台可沿床身导轨纵向移动。主要用于大件加工。(5)平面铣床：床身水平布置，用于铣削平面和成型面的铣床。通常工作台沿床身导轨纵向移动，主轴可轴向移动。优势在于其结构简单，生产效率高。(6)仿形铣床：对工件进行仿形加工的铣床。主要用于加工复杂形状工件。(7)升降台铣床：具有可沿床身导轨垂直移动的升降台的铣床，通常安装在升降台上的工作台和滑鞍可分别作垂直、水平移动。2(8)摇臂铣床：摇臂装在床身顶部，铣头装在摇臂一端，摇臂可在水平面内回转和移动，铣头能在摇臂的端面上回转一定角度的铣床。(9)床身式铣床：工作台不能升降，却可以沿床身

4、导轨作纵向移动，铣头或立柱可作垂直移动的铣床。(10)专用铣床：为了某一特殊的用途而特制的铣床。上 世 纪 五 十 年 代 以 后 ， 铣 床 在 控 制 系 统 方 面 得 到 了 飞 速 的 发 展 ， 数 字控 制 在 铣 床 上 的 应 用 大 大 提 高 了 其 的 自 动 化 程 度 。 尤 其 是 在 上 世 纪 末 ， 微处 理 机 的 数 字 控 制 系 统 和 自 动 换 刀 系 统 在 铣 床 上 得 到 了 广 泛 的 应 用 ， 从 而扩 大 了 铣 床 的 加 工 范 围 ， 提 高 了 加 工 精 度 与 工 作 效 率 。 近几年来，国内外铣床的技术发展非常快，

5、其特点是产品结构不断更新，新技术应用层出不穷，工艺性能复合化，速度、效率不断提高，突出精细化制造。自动化铣床以其独特的优势成为今后铣床发展的一种趋势。自动化方面本论文主要涉及到 PLC 和变频器的相关知识。说到自动化就不得不提到身为工业自动化三大支柱之一的 PLC，虽然它在工业控制中得到广泛的应用，但是人们对其还是不怎么了解。自 60 年代末第一台 PLC 问世以来，已很快被应用到机械制造、冶金、矿业、轻工等各个领域，大大推进了机电一体化进程，被人们称为现代工业控制三大支柱之一。和一般家庭、办公室相比，在恶劣的工业环境中，能够 24 小时连续运行365 天，且 10 年不停止的除了可编程序控制

6、器PLC 以外别无他物。PLC 的结构及其相关，这里就不详讲了，我会在正文中为大家详细陈述。目前，PLC 正朝着高性能和多品种方向发展，今后 PLC 的发展趋势将是进一步向着体积小、编程简单实用、安装配线方便灵活等几个方面发展。变频器同样是工业自动化中应用比较广泛的设备之一，主要用于对电动机的调速方面。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4 个部分组成。目前，变频器正向着实现高水平的控制、开发清洁电能的变流器、缩小装置的尺寸、高速的数字控制、模拟与计算机辅助设计技术等方向发展。34第二章 本机床的动作流程的

7、分析本机床分为手动和自动两部分，通过旋钮开关0来选择。手动部分按下夹紧左工位夹紧，按下松开左工位夹紧松开。按下夹紧右工位夹紧，按下松开右工位夹紧松开。按下快进滑台向左快速前进，按下工进滑台向左缓慢前进。按下快退滑台向右快速前进，按下工退滑台向右缓慢前进。由旋钮开关来控制冷却电机、排屑电机、冲屑电机、铣头电机和液压电机的开停。自动部分自动部分开启前必须手动将滑台调整到原位，开启液压电机。自动状态的工作流程是初始化时滑台在原位，先给右工位上加工零件，按下循环启动按钮，右工位夹紧，滑台向左快进，到一定位置压下快进转工进行程开关，左快进转左工进，在这期间给左工位上零件，按下循环启动按钮，左工位夹紧。往

8、左走到一定位置压下左加工结束行程开关，右工位零件加工结束快退。到一定位置压下快退转工退进行程开关，右快进转右工进，在这期间给左工位上零件，按下循环启动按钮，左工位夹紧。往右走到一定位置压下右加工结束行程开关，左工位零件加工结束快进。如此往复循环。铣头的转速由工件的材质决定，用变频器进行调节。机床的外观如下图：图 2.1 机床的外观动作循环（一周期）如下：5工位 1 上料工位 1 夹紧铣头启动滑台左快进再左工进（工位 2 上料按下启动工位 2 夹紧）-工位 1 加工结束滑台快退-滑台右快进再右工进6第三章 PLC 概述3.1 PLC 的产生1968 年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），

9、为了适应汽车型号的不断翻新，想寻找一种方法，以尽可能减少重新设计继电器控制系统和接线、降低成本、缩短时间，而考虑把计算机的功能完善、通用灵活等优点与继电器控制的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，提出了研制 PLC 的基本设想：1.编程简单方便，可在现场修改程序；2.硬件维护方便，最好是插件式结构；3.可靠性要高于继电器控制装置；4.体积小于继电器控制装置；5.可将数据直接送入管理计算机；6.成本上可与继电器竞争；7.输入可以是交流 115V；8.输入为交流 115V，2A 以上，能直接驱动电磁阀；9.扩展时，原有系统只需做很小的改动；10.用户程序存储器容量器容

10、量至少可以扩展到 4K。根据以上设想和要求，1969 年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的汽车生产线上试用成功，从而开创了工业控制的新局面。从此，这一更新技术就以很快的速度发展起来，现代的PLC 已成为现代工业控制的三大支柱（PLC，机器人和 CADCAM）之一。3.2 PLC 的 基 本 结 构PLC 实 质 是 一 种 专 用 于 工 业 控 制 的 计 算 机 ， 其 硬 件 结 构 基 本 上 与 微 型 计算 机 相 同 ， 如 图 所 示7图 3.1 PLC 的 基 本 结 构3.2.1 中 央 处 理 单 元 (CPU)中 央 处 理 单

11、 元 (CPU)是 PLC 的 控 制 中 枢 。 它 由 控 制 器 、 运 算 器 所 组 成 。它 由 程 序 内 存 中 顺 序 取 出 使 用 者 的 程 序 指 令 ， 并 对 其 译 码 ， 根 据 指 令 功 能 ，发 出 有 序 的 控 制 信 号 ， 从 输 入 单 元 或 组 件 区 读 取 资 料 ， 在 运 算 器 中 进 行 处 理， 而 后 把 处 理 结 果 给 输 出 单 元 存 入 组 件 区 。 不 断 循 环 扫 描 整 个 程 序 区 ， 实 行预 定 的 控 制 程 序 。 它 按 照 PLC 系 统 程 序 赋 予 的 功 能 接 收 并 存 储

12、从 编 程 器 键 入的 用 户 程 序 和 数 据 ； 检 查 电 源 、 存 储 器 、 I/O 以 及 警 戒 定 时 器 的 状 态 ， 并 能诊 断 用 户 程 序 中 的 语 法 错 误 。 当 PLC 投 入 运 行 时 ， 首 先 它 以 扫 描 的 方 式 接收 现 场 各 输 入 装 置 的 状 态 和 数 据 ， 并 分 别 存 入 I/O 映 象 区 ， 然 后 从 用 户 程序 存 储 器 中 逐 条 读 取 用 户 程 序 ， 经 过 命 令 解 释 后 按 指 令 的 规 定 执 行 逻 辑 或 算数 运 算 的 结 果 送 入 I/O 映 象 区 或 数 据 寄

13、 存 器 内 。 等 所 有 的 用 户 程 序 执 行 完 毕之 后 ， 最 后 将 I/O 映 象 区 的 各 输 出 状 态 或 输 出 寄 存 器 内 的 数 据 传 送 到 相 应 的输 出 装 置 ， 如 此 循 环 运 行 ， 直 到 停 止 运 行 。8CPU 是 PLC 的 核 心 ， 起 神 经 中 枢 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

14、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 。在 使 用 者 看 来 ， 不 必 要 详 细 分 析 CPU 的 内 部 电 路 ， 但 对 各 部 分 的 工 作 机制 还 是 应 有 足 够 的 理 解 。 CPU 的 控 制 器 控 制 CPU 工 作 ， 由 它

15、 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 。CPU 速 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 。3.2.2 存 储 器存 放 系 统 软 件 的 存 储 器 称

16、 为 系 统 程 序 存 储 器 。存 放 应 用 软 件 的 存 储 器 称 为 用 户 程 序 存 储 器 。3.2.3 电 源PLC 的 电 源 在 整 个 系 统 中 起 着 十 分 重 要 的 作 用 。 如 果 没 有 一 个 良 好 的 、可 靠 的 电 源 系 统 是 无 法 正 常 工 作 的 ， 因 此 PLC 的 制 造 商 对 电 源 的 设 计 和 制造 也 十 分 重 视 。 一 般 交 流 电 压 波 动 在 +10%(+15%)范 围 内 ， 可 以 不 采 取 其 它措 施 而 将 PLC 直 接 连 接 到 交 流 电 网 上 去 。图 3 PLC 的 电

17、源93.2.4 输 入 单 元这 是 各 种 输 入 信 号 (动 作 命 令 信 号 及 回 授 的 检 测 信 号 )的 输 入 接 口 ， 为直 流 输 入 类 型 并 采 用 光 耦 合 隔 离 ， 可 将 外 部 信 号 与 PLC 内 部 隔 离 。3.2.5 输 出 单 元这 是 把 PLC 处 理 结 果 即 输 出 信 号 送 给 控 制 对 象 的 输 出 点 。 输 出 点 型 式 有继 电 器 输 出 及 晶 体 管 输 出 二 种 类 型 ， 可 将 PLC 内 部 信 号 与 外 部 负 载 电 源 隔离 。开 关 量 ： 按 电 压 水 平 分 ， 有 220VA

18、C、 110VAC、 24VDC， 按 隔 离 方 式 分 ，有 继 电 器 隔 离 和 晶 体 管 隔 离 。模 拟 量 ： 按 信 号 类 型 分 ， 有 电 流 型 （ 4-20mA0-20mA） 、 电 压 型 （ 0-10V0-5V-10-10V） 等 ， 按 精 度 分 ， 有 12bit14bit16bit 等 。除了上述通用 IO 外，还有特殊 IO 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按 I/O 点数确定模块规格及数量，I/O 模块可多可少，但其最大数受 CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。3.3 PLC 的 工 作 原 理一 .扫 描 技 术当 P

19、LC 投 入 运 行 后 ， 其 工 作 过 程 一 般 分 为 三 个 阶 段 ， 即 输 入 采 样 、 用 户程 序 执 行 和 输 出 刷 新 三 个 阶 段 。 完 成 上 述 三 个 阶 段 称 作 一 个 扫 描 周 期 。 在 整个 运 行 期 间 ， PLC 的 CPU 以 一 定 的 扫 描 速 度 重 复 执 行 上 述 三 个 阶 段 。(一 )输 入 采 样 阶 段在 输 入 采 样 阶 段 ， PLC 以 扫 描 方 式 依 次 地 读 入 所 有 输 入 状 态 和 数 据 ， 并将 它 们 存 入 I/O 映 象 区 中 的 相 应 得 单 元 内 。 输 入

20、采 样 结 束 后 ， 转 入 用 户 程 序执 行 和 输 出 刷 新 阶 段 。 在 这 两 个 阶 段 中 ， 即 使 输 入 状 态 和 数 据 发 生 变 化 ，I/O 映 象 区 中 的 相 应 单 元 的 状 态 和 数 据 也 不 会 改 变 。 因 此 ， 如 果 输 入 是 脉 冲信 号 ， 则 该 脉 冲 信 号 的 宽 度 必 须 大 于 一 个 扫 描 周 期 ， 才 能 保 证 在 任 何 情 况 下， 该 输 入 均 能 被 读 入 。(二 )用 户 程 序 执 行 阶 段10在 用 户 程 序 执 行 阶 段 ， PLC 总 是 按 由 上 而 下 的 顺 序

21、依 次 地 扫 描 用 户 程 序(梯 形 图 )。 在 扫 描 每 一 条 梯 形 图 时 ， 又 总 是 先 扫 描 梯 形 图 左 边 的 由 各 触 点 构成 的 控 制 线 路 ， 并 按 先 左 后 右 、 先 上 后 下 的 顺 序 对 由 触 点 构 成 的 控 制 线 路 进行 逻 辑 运 算 ， 然 后 根 据 逻 辑 运 算 的 结 果 ， 刷 新 该 逻 辑 线 圈 在 系 统 RAM 存 储区 中 对 应 位 的 状 态 ； 或 者 刷 新 该 输 出 线 圈 在 I/O 映 象 区 中 对 应 位 的 状 态 ；或 者 确 定 是 否 要 执 行 该 梯 形 图 所

22、 规 定 的 特 殊 功 能 指 令 。 即 在 用 户 程 序 执 行 过程 中 ， 只 有 输 入 点 在 I/O 映 象 区 内 的 状 态 和 数 据 不 会 发 生 变 化 ， 而 其 他 输 出点 和 软 设 备 在 I/O 映 象 区 或 系 统 RAM 存 储 区 内 的 状 态 和 数 据 都 有 可 能 发 生变 化 ， 而 且 排 在 上 面 的 梯 形 图 ， 其 程 序 执 行 结 果 会 对 排 在 下 面 的 凡 是 用 到 这些 线 圈 或 数 据 的 梯 形 图 起 作 用 ； 相 反 ， 排 在 下 面 的 梯 形 图 ， 其 被 刷 新 的 逻 辑线 圈 的 状 态 或 数 据 只 能 到 下 一 个 扫 描 周 期 才 能 对 排 在 其 上 面 的 程 序 起 作 用 。(三 )输 出 刷 新 阶 段当 扫 描 用 户 程 序 结 束 后 ， PLC 就 进 入 输 出 刷 新 阶 段 。 在 此 期 间 ， CPU 按照 I/O 映 象 区 内 对 应 的 状 态 和 数 据 刷 新 所 有 的 输 出 锁 存 电 路 ， 再 经 输 出 电 路驱 动 相 应 的 外 设 。 这 时 ， 才 是 PLC 的 真 正 输 出 。