带轮旋压机PLC控制系统的设计.docx
《带轮旋压机PLC控制系统的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《带轮旋压机PLC控制系统的设计.docx（41页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
带轮旋压机PLC控制系统的设计
1绪论
1.1课题背景及研究意义
1.1.1钣制旋压皮带轮的特点
（1）重量轻
（2）材料密度和壁厚均匀
（3）旋压用工具和模具的费用低
（4）节能、节料、成本低
（5）无环境污染
1.1.2 钣制旋压皮带轮的应用及前景
（1）钣制旋压皮带轮生产中的技术问题
我国钣制旋压皮带轮的应用是从引进轿车和发动机国产化开始的。
从目前的生产企业应用情况看，单槽轮、双槽轮、劈开轮许多生产厂家的技术已经成熟。
（2）钣制旋压带轮的应用问题
从现代汽车工业发展的现状看，旋压带轮的优越性和前景是非常广阔的，但同时也应看到一些问题。
从技术上，除引进技术直接应用较好外，国内钣制旋压带轮在应用上无法实现衔接。
国内市场上许多改型的汽车电机轮、风扇轮等仍沿用铸铁轮，产品改型需要相当的认识过程，为此替代是个相当长的过程；从材料上，由于钣制旋压带轮使用材料为08Al、08F，该材料价格高，和铸铁带轮的比价不合理，市场竞争力弱；从应用上，许多企业在进行技术改造时，只考虑经济效益不注重技术效益，造成应用上的人为阻碍，为推广应用造成不利影响。
（3）钣制旋压皮带轮的应用前景
以汽车工业为例，现在每个家庭差不多拥有一部汽车，其社会需求总量相当可观。
钣制旋压皮带轮从节能、节材、少加工、少切削上看，属于节约能源类产品，并且无污染，是可持续发展的一种优化产品。
所以，无论从技术上，还是从其所应用的前景上我们都应该加快对其的研究，缩小国内外的差距。
1.2继电器控制系统与PLC控制系统
1.2.1继电器控制系统与PLC控制系统的联系与区别
继电器控制系统与PLC控制系统的联系是：
两种方法基本上都可以实现同一种功能。
它们的运用都需要“门电路”的知识。
门电路就是“与门”、“非门”、“或门”之类的知识。
还有一种联系是，采用PLC控制，往往在采集输入信号时，可能需要用到继电器。
在输出控制信号时，还要用继电器做“功率放大”，要实现什么样的控制，是被控制的对象和你自动控制的目的所决定的，与采用什么手无关。
继电器控制系统与PLC控制系统的区别是：
实现控制逻辑所用的硬件不同，继电器控制系统，其逻辑功能由传统的继电器来完成的，比如控制时间，就有相应的时间继电器。
继电器的动作一般与电磁有关。
PLC是可编程控制器，它是基于各种“门电路”的一种集成式的控制器。
其工作状况与计算机更接近些。
对于已经接好的线路，可以通过改变PLC的程序来改变控制逻辑和参数，具有更灵活的运用方式。
另一个差别是，继电器控制系统适用于简单一些的逻辑控制，而PLC可以实现更复杂的逻辑控制。
继电接触器控制的缺点：
如果机床电控系统采用继电接触器控制，由于使用了大量的机械触点，导致设备的响应速度慢、可靠性差、故障率高、接线复杂、不便于调整和维修，加工产品的质量无法得到可靠保证。
继电器控制系统与PLC控制系统的区别是：
实现控制逻辑所用的硬件不同，继电器控制系统，其逻辑功能由传统的继电器来完成的，比如控制时间，就有相应的时间继电器。
继电器的动作一般与电磁有关。
PLC是可编程控制器，它是基于各种“门电路”的一种集成式的控制器。
其工作状况与计算机更接近些。
对于已经接好的线路，可以通过改变PLC的程序来改变控制逻辑和参数，具有更灵活的运用方式。
另一个差别是，继电器控制系统适用于简单一些的逻辑控制，而PLC可以实现更复杂的逻辑控制。
继电接触器控制的缺点：
如果机床电控系统采用继电接触器控制，由于使用了大量的机械触点，导致设备的响应速度慢、可靠性差、故障率高、接线复杂、不便于调整和维修，加工产品的质量无法得到可靠保证。
继电器控制系统与PLC控制系统的区别是：
实现控制逻辑所用的硬件不同，继电器控制系统，其逻辑功能由传统的继电器来完成的，比如控制时间，就有相应的时间继电器。
继电器的动作一般与电磁有关。
PLC是可编程控制器，它是基于各种“门电路”的一种集成式的控制器。
其工作状况与计算机更接近些。
对于已经接好的线路，可以通过改变PLC的程序来改变控制逻辑和参数，具有更灵活的运用方式。
另一个差别是，继电器控制系统适用于简单一些的逻辑控制，而PLC可以实现更复杂的逻辑控制。
继电接触器控制的缺点：
如果机床电控系统采用继电接触器控制，由于使用了大量的机械触点，导致设备的响应速度慢、可靠性差、故障率高、接线复杂、不便于调整和维修，加工产品的质量无法得到可靠保证。
1.2.2PLC控制的优点
（1）可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，严格的生产工艺制造，内部电路采用了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
（2）配备齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大，中，小各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能外，现代PLC大多具有完善的数据处理运算能力，可以用于各种数字控制领域，。
（3）系统设计周期短,维护方便,改造容易
PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大地减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计周期大大缩短,同时维护也变得容易起来.更重要的是使同一设备经过改变程序来改变生产过程成为可能.因此很适合多品种、小批量的生产场合.
（4）体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，其新近产品的品种底部迟寸小于100mm2,重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
1.3方案的确定
钣制带轮旋压机的控制系统采用的PLC与液压系统相结合来控制的。
液压系统是本机的进给系统，它由液压电机和电磁阀来控制机器的运转。
液压系统由液压泵来供油。
本次设计采用双泵供油这大大缓解了电力系统的压力。
旋压机采用是日本三菱公司的FX2N型可编程控制器实现自动控制。
编程方法选用步进顺控的方法，这种编程方法很容易被初学者接受和掌握,对于有经验的工程师,也会提高设计效率,程序的调试、修改和阅读也很容易,使用方便,程序也较短,在顺序控制设计中应优先考虑,该法在工业自动化控制中应用较多。
2液压系统设计
2.1液压系统的工况分析
钣制带轮旋压机是满足汽车工业的需要所研制的专业设备，带轮旋压机由三相异步电机拖动。
其加工工艺流程如图2-1所示，进给系统采用液压，由液压电机和电磁阀控制整个工作过程。
图2-1带轮加工工艺流程图
2.2液压回路的选择
拟定液压系统的原理是整个设计中比较重要的步骤，它对系统性能以及设计方案经济性和合理性具有决定性的影响。
其一般方法是根据工作和性能的要求先分别选择和拟定基本回路。
然后将回路组合成完整的系统。
最后将此系统进行归纳整理。
再添加必要的辅助元件和辅助油路，使之成为完整系统。
2.2.2液压基本回路
任何液压系统都是由一些基本回路组成。
所谓液压基本回路是指能实现某种规定功能的液压元件的组合。
按其在液压系统中的功用基本回路可分为：
压力控制回路——控制整个系统或局部油路的工作压力；速度控制回路——控制和调节执行原件的速度；方向控制回路——控制执行元件运动方向的变换和锁停；多执行元件控制回路——控制几个执行元件相互间的工作循环。
（1）调压回路
调压回路的功能在于调定或限制液压系统的最高工作压力，或者使执行机构在工作过程不同阶段实现多级压力变换。
一般由溢流阀来实现这个功能。
图2-2
是采用二位三通电磁换向阀阀控制先导型溢流阀的卸载回路。
当先导型溢流阀3的遥控口通过二位三通电磁换向阀阀5接通油箱时，泵输出的油液以很低的压力经溢流阀回油箱，实现卸载。
本次设计采用的是在液压系统中选择两个溢流阀，分别安装在两个进油油路上，以之来调定系统的压力，来保持系统或回路中的压力稳定。
图2-2先导型溢流阀的卸载回路
（2）调速回路
将调速阀和单向阀并联组成单向调速阀18（见图2-3）串联在液压泵和液压
图2-3定量泵节流调速回路
缸之间，用它来控制液压缸的排油流量达到调速的目的。
图中的10为精过滤器它的主要作用是过滤油路中的杂质。
（3）换向回路
采用二位四通、三位四通换向阀都可以使执行元件换向。
二位阀只能执行元件正、反向运动，而三位阀有中位，不同中位滑阀机能可使系统获得不同性能。
见图2-4本次设计使用三位四通电磁换向阀，其结构简单，使用维护方便。
它的作用是控制液压缸的方向。
是用来控制和改变液压系统中液流方向的。
2-4换向回路
2.3回路方式的选择
液压系统按油液的循环方式不同，有开放式系统和闭式系统两种。
开式系统即从执行元件排出来的油回油箱，冷却后在进入液压泵的进口，其结构简单；闭式系统即工作液体在油管中闭式循环，其结构紧凑，空气不容易进入系统，传动较为平稳。
本次设计中由于系统比较简单，所以选择开式系统
2.4拟定液压系统原理图
将上述所选定的液压回路进行组合，并根据要求做必要的修改和补充。
组成如图2-5所示的液压系统图。
图2-5
旋压机的要求的是直线运动，并且是双向工作进给，应选用双活塞杆液压缸，本次设计选用了五个液压缸进行工作。
中小型液压设备，一般选用定量泵节流调速。
此设备对速度的稳定要求较高，则选用调速阀的节流调速。
2.4.3液压系统及其工作原理
图2-5所示为旋压机的液压系统原理图该系统的五个执行器均为双杆活塞液压缸（其中缸C1和C2驱动两预成型轮，缸C3和C4驱动两校形轮，缸C5驱动尾架）。
油源为两定量泵（叶片泵）1和2,工作压力分别由先导式溢流阀3、4调定，系统可通过二位三通电磁换向阀5、6控制升压和卸荷；液压缸C1～C5的运动方向分别由三位四通电磁换向阀12～16控制，各缸的运动速度分别由个液压缸回油路上设置的单向调速阀17～21调节。
两泵的合流由二位四通电磁换向阀7控制。
系统中的各换向阀的电磁铁通断信号由设置在各液压缸行程上的电气行程开关发出。
系统的工作循环如下。
电磁铁1YA,2YA,13YA通电，压力油进入液压缸C5大腔驱动尾架进给，定位夹紧毛坯后，行程开关SQ1发信，主轴带动坯料旋转，同时电磁铁4YA、9YA通电，压力油进入液压缸C1和C2大腔（小腔分别经17和19中的调速阀及换向阀12和14向油箱排由），带动两预成型轮进给，进给速度分别由阀17和阀19中的调速阀开度决定；预成型旋压后行程开关SQ2，SQ3发信，电磁铁4YA、9YA断电，5YA,8YA通电，压力油进入液压缸C3和C4大腔（小腔分别经阀20和阀18中的调速阀开度决定；带轮旋压成型后行程开关SQ5、SQ6发信，电磁铁6YA、11YA、13YA同时断电，7YA、10YA、12YA同时通电，压力油进入液压缸C3和C4及C5小腔带动两校形轮及尾顶快速返回，从而完成一个带轮的旋压成型过程，整个过程由可编程控制器（PLC）自动控制完成。
表2-1液压控制动作要求
YA1
YA2
YA4
YA5
YA6
YA7
YA8
YA9
YA10
YA11
YA12
YA13
启动
+
+
+
工进一
+
+
快退
_
+
+
_
工进二
+
+
返回
_
+
+
_
+
_
2.5液压元件的选用[8]
2.5.1液压缸的选用及参数计算
参考同类型组合机床，初定液压缸的工作压力为PS=4MPa液压缸的最高工作压力Pmax=0.9Ps工作负载压力F=30000N初选背压Pb=0.8MPa
快进快退速度为V=0.885m/min
液压活塞缸作用面积
A=F/Pmax–Pb=30000N/4MPa×0.9–0.8MPa=107cm2（8-1）
取D=0.5d速度比为1.33
双活塞液压缸直径由A=π（D2–d2）/4得
107cm2=π（D2-1/4D2）
D=13.48cm
按GB/T2384-1993将所算的D与d值分别圆整到相近的标准直径，以便采用标准的密封装置。
圆整后得
D=14cmd=7cm
按标准直径算出
A=π（D2–d2）/4
A=115.39cm2
液压缸所需流量q=VmaxA=0.885m/min×115.39cm2=10.21L/min
2.5.2液压泵的选用及参数计算
系统压力P<21MPa,选用双作用叶片泵，系统采用的是节流调速，选定定量泵。
因为有五个执行器，所以选择两台泵供油。
1确定液压泵的最大工作压力Pp
Pp
P1+
（8-5）
P1为执行元件的最高压力
执行元件进油路上的压力损失一般取（2-5）×105Pa
Pp
4Mp+0.5Mp
Pp
4.5Mp
2确定液压泵最大流量
qp
K
（8-6）
k为泄漏系数，一般取k=1.1-1.3,大流量时取最小值，反之取最大值
qp
1.1×2×10.21L/min=22.5L/min
3选择液压泵的规格型号YB-A26B
YB:
单级叶片泵A：
系列26：
排量B：
压力分级（2-8MPa）
2.5.3定量泵电机的功率的计算
根据压力和流量选定液压泵的规格型号之后，驱动液压泵的电动机功率按下式计算：
P=Ppqp/ηp（8-7）
P——电动机功率
Pp——液压泵最大工作压力
Qp——液压泵的输出流量
ηp——液压泵总效率，可由液压泵产品样本查出。
P=Ppqp/ηp
P=4.5×106Pa×22.5×10-3m3/0.75×60s=2.25KW
定量泵电机型号：
Y112M-4IR=11A
表2-2液压元件明细表
序号
元件名称
最大通过
流量/Lmin-1
型号
1
先导型溢流阀
9.4
Y-Ha32L
2
二位四通电磁换向阀
DG4V-3-13A
3
二位四通电磁换向阀
DG4V-3-13A
4
二位四通电磁换向阀
40
24I1-10B
5
单向阀
25
1-25B
6
三位四通换向阀
40
34O-10B
7
单向调速阀
25
QA-H8
3电气控制系统设计
3.1拖动控制要求
（1）带轮旋压机的控制方式选择
PLC的控制主要特点是：
电气控制系统的可靠性高，它的结构较简单，在强电、步进控制方面控制有它的优势，程序修改不频繁的，要求较高的系统等方面使用比较好，内部系统资源较小，投资成本要求较高。
由于带轮旋压机由三相异步电机拖动，并且可靠性要求高，所以本设计采用带轮旋压机PLC控制方式较为合适。
（2）带轮旋压机工作方式选择
在现代的控制系统中越来越多的采用自动化程度水平的设备来用于生产，科研，娱乐，通信等很多的领域。
智能化，节能环保，易维护的特点发展。
在一般的设备中，大都是手动，自动，半自动这三种工作方式。
在我们的生产生活中所使用的机械电子设备大部分采用手动和自动相结合的工作方式。
在航天航空领域一般采用全自动化的设备。
在这次的设计中，我采用的方案是手动和自动相结合的工作方式。
在带轮旋压机工进工作状况下，带轮旋压机由PLC的程序自主控制其自动正常运行，但在这个过程中可以随时的转换成手动控制来控制工作过程，这大大的方便了操作。
（3）电动机的保护
短路保护
电气控制控制系统除了能满足生产机械的加工工艺要求外，要想长期正常地无故障地运行，还必须有各种保护措施。
保护环节是所有机床电气控制系统不可缺少的组成部分，利用它来保护电动机、电网、电气控制设备以及人身安全等。
电动机绕组的绝缘、导线的绝缘损坏或线路发生故障时，造成短路现象，产生短路电流并引起电气设备绝缘损坏和产生强大的电动力是电气设备损坏。
因此在产生短路现象时，必须迅速地将电源切断。
常用的短路保护元件有熔断器和自动开关。
熔断器的熔体串联在被保护的电路中，当电路发生短路或严重过载时，它自动熔断，从而切断电路，达到保护的目的。
本次设计采用两组容电器保护电路，分别是FU1和FU2。
FU1保护主电动机和主电路，FU2保护两个定量泵电动机。
过载保护
电动机长期超载运行，电动机绕组温升超过其允许值，电动机的绝缘材料就要变脆，寿命减少，严重时使电动机损坏。
过载电流越大，达到允许温升的时间就越短。
常用的过载保护元件是热继电器。
热继电器可以满足这样的要求：
当电动机为额定电流时，电动机为额定温升，热继电器不动作；在过载电流较小时，热继电器要经过较长时间才动作；过载电流较大时，热继电器则较短时间就会动作。
所以，本设计采用FR1、FR2和FR3对三个电动机进行保护。
3.2主电路的设计
本次设计采用三台电动机.M1为主电动机，和进给运动呢电动机。
M2、M3为定量泵电动机，使定量泵能为系统供油。
电路图（见图3-1）。
三相交流电通过自动开关QF将电源引入，交流接触器KM1为主电动机M1的启动用接触器。
热继电器KR1为主电动机M1的过载保护电器，M1的短路保护由FU1保护。
熔断器FU2为M2、M3电动机的短路保护。
M2电动机的启动由交流接触器KM2完成，KR2为它的过载保护。
同样KM3为M3电动机起动用接触器，三个电动机都采用了接地保护。
图3-1带轮旋压机主电路
3.3元器件的选择
3.3.1电动机的选择
常用的交流电动机有三相异步电动机和同步电动机。
异步电动结构简单，维护容易，运行可靠，价格便宜，具有较好的稳态和动态特性，因此，它是工业中使用得最为广泛的一种电动机，所以本次设计也选用三相异步电动机。
由于主电动机功率为11KW,转速是1460r/min频率为50HZ，电流为23A。
P=60f/n0=60×50/1500r/min=4
所以磁级对数为4
综上所述电动机型号为Y160M-4
3.3.2电气元件的选择
（1）电源引入开关QF
QF主要作为电源隔离开关用，并不是用它来直接起停电动机，可按电动机的额定电流来选。
显然应该根据三台电动机来选。
中小型机床常用组合开关，选用HZ10-25/3型，额定电流为25A，三级组合开关。
（2）热继电器KR1、KR2、KR3
主电动机M1额定电流23A，KR1应选用JR0-40型热继电器热元件，热元件电流为25A，整定电流调节范围为16-25A，工作时将额定电流调整为23A
同理，KR2、KR3应选用JR10-10型热继电器，选用1号元件，整定电流调节范围是0.4-0.64A,整定在0.43A。
（3）熔断器FU1、FU2
FU2是对M2、M3两台电动机进行保护的熔断器。
熔体电流为:
IR≥11A×7+11/2.5A=30A
可选用RL1-15型熔断器，配用30A的熔断体。
FU1选用RL1-15型熔断器，配用30A的熔断体。
（4）接触器KM1、KM2、KM3
接触器KM1，根据主电动机M1的额定电流IE=23A控制回路电源220V，需主触点三对，动合辅助触点两对，动断辅助触点一对，根据上诉情况，选用CT0-40型接触器。
由于M2、M3电动机额定电流很小，KM2、KM3可选用JZ7-44交流中间继电器，触点电流为5A，可完全满足要求。
对小容量的电动机常用中间继电器充任接触器。
（5）按钮的选择
机床常用的按钮为LA系列。
主要根据使用场合所需要的触点数、触点形式及颜色选用。
共有10个按钮，其中SB1、SB3作为启动按钮选择绿色；SB2、SB4作为停止按钮选择红色，其他控制按钮选择黑色。
表3-1带轮旋压机电器元件目录
符号
名称及用途
型号
QF
自动开关作为电源引入及短路保护作用
HZ10-25/3
FU1
熔断器作短路保护
RL1-15
FU2
熔断器作短路保护
RL1-15
M1
主电动机
Y160M-4
M2
定量泵电动机
Y112M-4
M3
定量泵电动机
Y112M-4
FR1
热继电器作为主电动机过载保护
JR0-40
FR2
热继电器作为定量泵电动机过载保护
JR10-10
FR3
热继电器作为定量泵电动机过载保护
JR10-10
KM1
接触器作为主电动机启动、停止用
CT0-40
KM2
接触器作为定量泵电动机启动、停止用
JZ7-44
KM3
接触器作为定量泵电动机启动、停止用
JZ7-44
SB1SB3
控制按钮作为启动用
LA10
SB2SB4
控制按钮作为停止用
LA10
其余按钮
控制按钮
LA10
4.1PLC的选型
4.1.1三菱公司PLC简介
到目前为止，三菱公司已有F、F1、F2、FX和FX2N等等。
本次设计采用的是FX2N型。
三菱PLC具有各类功能齐全的高性能模块及快速可靠的系统网络。
它将现场设备层和控制层直接引入工厂的生产管理系统中，并极有创意的将Windows技术融入PLC中，充分利用因特网等通讯手段，以适应当前不断发展的信息技术之需求。
此外，三菱PLC的优势并非局限于硬件，它还提供了集编程、监控、维护及其系统调试为一体的高效、友好的开发监控软件。
三菱公司生产的PLC发展很快，控制功能不断增强。
4.1.2三菱FX系列PLC型号说明
FX系列PLC型号命名的基本格式
例如：
FX2N-48MR-001
2N是系列序号、48是输入输出总点数、M是基本单元、R是继电器输出，001是产品号。
（1）系列序号
如0、1、2、0S、1N、2N、2NC
输入输出总点数：
14-256
（2）单元类型
M——基本单元；E——输入输出扩展单元；EX——扩展输入模块；
EY——扩展输出模块。
（3）输出方式
R——继电器输出；S——可控硅输出；T——晶体管输出。
4.1.3三菱FX2N系列PLC的基本构成
FX2N系列PLC与前系列PLC相比，它最大范围的包容了标准特点、程序执行更快、全面补充了通讯功能、适应世界各国的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，可以为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。
它拥有了无以匹及的速度、高级功能、逻辑选件以及定位控制等特点，FX2N是从16到256路输入输出的多种应用的选择方案。
控制点数：
16到256点（主单元：
16、32、48、65、80、128点）灵活的配置；高速运算；突出的寄存器容量、丰富的软件资源、增加了过程控制、特殊的功能模块。
FX2N系列PLC由基本单元（FX2N系列基本单元表见表5-1）扩展单元、扩展模块构成。
仅用基本单元或将上述各种部分组合起来使用均可。
基本单元（M）：
内有CPU、存储器、电源和一定量的输入/输出端口，为必用装置；扩展单元（E）：
要增加I/O点数使用装置，扩展模块用于扩展一些特殊用的功能，还可以以8位为单位增加I/O点数，或只增加输入点数、输出点数，在此扩展模块与扩展单元的区别在于扩展模块自身不带电源。
表4-1FX2N系列PLC基本单元一览表
输入输出
总点数
输入点数
输出点数
扩展模块可用点数
继电器输出
16
8
8
24-32
FX2N-16MR-001
32
16
16
24-32
FX2N-32MR-001
48
24
24
48-64
FX2N-48MR-
升级会员 