基于S7200对重型机床CQK5250的运动设计.docx
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基于S7200对重型机床CQK5250的运动设计
摘要
当代机床都是自动化数控机床，工作过程长，工作时间久，不需要投入的两人力，以前的人工换油，人工监督检测。
现在都换成机器啦，所以机床润滑系统的设计，调试和维系保养，对提高机床加工精度，延长机床使用寿命等都有十分重要的作用。
现在润滑系统电气控制方面，依然存在以下问题；一是机床工作状态的监视。
数控机床控供油制系统中一般仅设邮箱油面控制，以防止供油不足，而对润滑系统易出现的漏油，油路堵塞等现象，不能及时作出反应。
二是设置的润滑循环和给油时间单一，容易造成浪费。
数控机床在不同工作状态，需要的润滑油剂量是不一样的，如铣床在暂停阶段就比运行阶段需要的润滑油少。
针对上述情况，在数控机床电器控制中，对润滑控制部分进行了改进设计，时刻监控润滑系统的工作状况，以保证机床机械部件良好的润滑，并且还可以根据机床工作状态，自动调整供油，循环时间，以节约润滑油。
由于我国近年来经济和加工技术的快速发展，人们认识到发展大型、重型高档数控机床能够取得良好的经济效益和社会效益。
数控立式车床是满足加工技术快速发展所需要的重要加工设备之一。
数控立式车床由许多部件构成，横梁是其中重要部件。
CQK5250机床的横梁运动就其升降、定位、锁紧等运动的PLC设计。
变速箱是在工作台底座后部上。
主电机由联轴器与变速箱相连接。
变速箱变速由变速油缸来实现两种转速的变换。
通过PLC编程的控制来实现主轴的变速。
本文主要是对数控CQK5250机床的液压、润滑、横梁、主轴变速控制系统设计。
运用plc编写程序满足机床运动要求。
关键词:
PLC、液压、主轴变速、横梁运动、润滑
摘要........................................................................................................2
目录........................................................................................................3
致谢......................................................................................................35
参考文献..................................................................................................36
第1章绪论
20世纪中期，随着电子技术的发展，自动信息处理、数据处理以及电子计算机的出现，给自动化技术带来了新的概念，用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制，推动了机床自动化的发展。
1.1S7-200系列PLC概述
1.1.1S7-200的种类
西门子S7系列PLC分为S7-400、S7-300和S7-200三个系列，分别为S7系列的大、中、小型PLC系统。
S7-200系列PLC有CPU21X系列和CPU22X系列，其中CPU22X型PLC提供了4个不同的基本型号，常见的有CPU221、CPU222、CPU224和CPU2264中基本型号。
小型PLC中，CPU221的价格低廉，能满足多种集成功能的需要。
CPU222是S7-200家族中低成本的单元，通过可连接的扩展模块即可处理模拟量。
CPU224具有更多的输入输出点及更大的存储器。
CPU226和226XM是功能最强的单元，可完全满足一些中小型复杂的控制系统的要求。
1.1.24种型号的PLC具有特点
1、集成的24V电源。
可直接连接到传感器和变送器执行器，CPU221和CPU222具有180mA输出。
CPU224输出280mA，CPU226、CPU226XM输出400mA，可用作负载电源。
2、高速脉冲输出。
具有2路高速脉冲输出器，输出脉冲频率可达20kHz，用于控制步进电动机或伺服电动机，实现定位任务。
3、通信口。
CPU221、CPU222和CPU224具有一个RS-485通信口。
CPU226、CPU226XM具有2个RS-485通信口。
支持PPI、MPI通信协议，有自由口通信能力。
4、模拟电位器。
CPU221和CPU222有1个模拟电位器，CPU224、CPU226和CPU226XM有2个模拟电位器。
模拟电位器用来改变特殊存储器（SMB28，SMB29）中的数值，以改变程序运行时的参数。
如定时器、计数器的预置值，过程量的控制参数。
5、中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。
6、EEPROM存储器模块（选件）。
可作为修改与复制程序的快速工具，无需编程器，并可进行辅助软件归档工作。
7、电池模块。
用户数据（如标志位状态、数据块、定时器、计数器）可通过内部的超级电容存储大约5天。
选用电池模块能延长存储时间到200天（10年寿命）。
电池模块插在存储器模块的开槽上。
8、不同的设备类型。
CPU221～226各有2中类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。
9、数字量输入/输出点。
CPU221具有6个输入点和4个输出点；CPU222具有8个输入点和6个输出点；CPU224具有14个输入点和10个输出点；CPU226/226XM具有24个输入点和16个输出点。
CPU22X主机的输入点为24V直流双向光耦合输入电路，输出有继电器和直流（MOS型）两种类型。
10、高速计数器。
CPU221/222有4个30kHz高速计数器；CPU224/226/226XM有6个30kHz高速计数器，用于捕捉比CPU扫描频率更快的脉冲信号。
各类型PLC的输入/输出电源电压如表1-1：
表1-1CPU22X模块的主要输入输出技术指标
1.2液压传动的概述
一部完整的及其由原动机、工作机（含辅助装置）、传动机构级控制部分组成。
原动机包括电动机和内燃机等。
工作机是完成该机器的全部工作任务的直接工作部分，如剪床的剪刀，车床的刀架、车刀、卡盘等。
由于原动机的功率和转速变化范围有限，为了适应工作机的工作力和其他操纵性能的要求，在原动机和工作机之间设置了传动机构，其作用是吧原动机的输出功率经过转换后传递给工作机，控制部分的作用是在确定的时间里可预见的任务。
它可实现的功能有两部分：
一部分是机器运行功能的控制，另一部分是机器安全保护功能的控制。
1.2.1液压传动系统的组成
液压传动系统主要由动力原件、执行元件、控制调节元件、辅助元件和工作介质五部分组成。
1、动力元件
动力元件主要是指各种类型的液压泵。
其作用是把原动机的机械能转换为
液体的压力能，为液压传动系统提供压力油。
它是液压传动系统的动力源。
2、执行元件
执行元件主要是指各类型的液压缸和液压马达。
其作用是将液体的压力能转换为机械能，输出一定的力（或力矩）和速度，以驱动负载。
3、控制调节元件
控制调节元件主要是指各类型的液压控制阀，如溢流阀、节流阀、换向阀等。
其作用是控制液压传动系统中液体的压力、流量和流动方向，从而保证执行元件能驱动负载，并按规定的方向运动，获得规定的运动速度。
4、辅助元件
辅助元件主要是指各类型的油箱、过滤器、油管、管接头、压力计等。
这些辅助元件分别起到散热、存储、过滤、输油、连接和测验力等作用，对保证液压传动系统可靠、稳定、持久地工作，具有重要作用。
5、工作介质
工作介质主要是指各类型的液压油，其作用是实现对运动和动力的传递。
1.2.2液压传动系统的应用
目前，液压传动系统在以下几方面有普遍应用：
1、进给运动的传动装置。
如磨床的砂轮架和工作台，铣床、刨床、组合机床的工作台，车床、六角车床、自动车床的刀架或转塔刀架。
2、往复运动的传动装置。
如龙门刨床的工作台、牛头刨床或插床的滑枕。
3、仿形装置。
如车床、铣床、刨床上的仿形加工，精度可达0.01～0.02mm。
4、辅助装置。
如机床上的加紧装置、齿轮箱的变速操纵装置、丝杠螺母间隙消除装置、垂直移动部件平衡装置、分度装置、工件和刀具装卸装置、工件传送装置等。
5、静压支撑。
如重型机床、高速机床、高精度机床上的轴承、导轨、丝杠螺母机构等。
1.3CQK5250机床的概述
CQK5250机床是一种双刀架双柱立式车床，其中左或右刀架为数控刀架，广泛用于冶金机械、矿山机械、化工机械、发电设备、国防等行业的机械加工，可粗精车工件的外圆、端面、内孔、切槽及内外锥面、任意圆弧曲面等加工。
1.3.1CQK5250机床组成部分
CQK5250机床组成部分有:
数控系统、左右立柱、横梁、底床、工作台、工作台传动箱、连接梁、顶梁、左右刀架、进给箱、电器柜和操纵按钮站等主要部件组成。
CQK5250机床辅助设施有：
自动润滑系统、恒温油箱、自动排泄系统、照明装置、扶梯、导轨防护罩、液压系统及电气系统等。
1.3.2CQK5250机床的结构形式
1、该机床由左、右立柱、顶梁、工作台底座组成框架式结构（如图1-1所示），刚性强，能承受较大的切削负荷。
机床主要基础件采用热对称结构，提高热稳定性。
机床主运动主要采用交流主轴伺服电机，二级机械变速，具有恒线速切削的功能；机床的右立刀架为数控刀架，可用于粗车或精车工件的外圆、内孔、端面、大角度圆锥体及任意圆弧曲面。
图1-1CQK5250机床实物图
2、横梁沿立柱导轨上下移动，由蝶形弹簧通过杠杆夹紧在立柱上，横梁升降的操纵按钮在悬挂按钮站上，横梁上有微动机械可调整横梁水平位置。
3、导轨滑动面采用贴塑处理，提高耐磨性。
横梁、左右刀架各有一个电动润滑泵，分别定时定量对各润滑点及导轨副进行润滑（如图1-2所示）。
4、工作台由主电机通过皮带经变速箱直接启动和制动。
各级转速由变速箱内变速油缸推动交换齿轮实现十五种转速的变换，转速变换选择开关在悬挂按钮站上或转速由变频电机通过变频器调速实现无极调速。
5、工作台镶有铸造锌铝合金耐磨导轨板，并采用每控一泵式的横流静压导轨（有20个压力油供油点），使相对滑动面脱离接触形成液体摩擦，压力储备大，过载能力强。
工作台主轴上装有一个单向推力球轴承和一个双列短圆柱滚子轴承，以保证主轴能在高精度下平稳地工作。
表1-2CQK5250机床的技术参数
6、左、右两个立刀架装在横梁上，在横梁上装有供手动操作的手柄，以便于调整刀架的位置和对刀。
滑枕重量由压力油进行平衡。
在刀架滑座的上部装有两个卸荷滚子，拧动其上端的螺钉可调整卸荷滚子的承载能力，以便减轻手动操作时的用力。
7、机床铸件采用优质树脂砂铸造工艺，铸造品质高，经时效处理，经久耐用。
8、左（右）立刀架X轴（刀架水平移动）、Z轴（滑枕上下移动）为数控轴，两个坐标分别由伺服电机通过增力箱、滚珠丝杠驱动，且具有联动进给功能。
9、数控系统采用西门子（SIEMENS）系统或者发格（FAGOR）系统，配置可移动手持脉冲发生器。
1.4数控技术的发展趋势
数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，是制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。
从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有高速、高精加工技术及装备的新趋势；智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势；重视新技术标准、规范的建立。
第2章CQK5250机床的液压润滑
机床润滑系统在机床整机中占有十分重要的位置，其设计、调试和维修保养，对于提高机床加工精度、延长机床使用寿命等都有着十分重要的作用。
现代机床导轨、丝杆等滑动副的润滑，基本上都是采用集中润滑系统。
集中润滑系统是由一个液压泵提供一定排量、一定压力的润滑油，为系统中所有的主、次油路上的分流器供油，而由分流器将油按所需油量分配到各润滑点：
同时，由控制器完成润滑时间、次数的监控和故障报警以及停机等功能，以实现自动润滑的目的。
集中润滑系统的特点是定时、定量、准确、效率高，使用方便可靠，有利于提高机器寿命，保障使用性能。
2.1润滑系统的分类
集中润滑系统按使用的润滑元件可分为阻尼式润滑系统、递进式润滑系统和容积式润滑系统。
2.1.1单线阻尼式润滑系统
此系统适合于机床润滑点需油量相对较少，并需周期供油的场合。
图2-1单线阻尼式润滑系统
它是利用阻尼式分配器，把泵打出的油按一定比例分配到润滑点。
一般用于循环系统，也可以用于开放系统，可通过时间的控制，以控制润滑点的油量。
该润滑系统非常灵活，多一个润滑点或少一个都可以，并可由用户安装，且当某一点发生阻塞时，不影响其他点的使用，故应用十分广泛。
图2-1所示为单线阻尼式润滑系统。
2.2.2递进式润滑系
递进式润滑系统主要由泵站、递进片式分流器组成，并可附有控制装置加以监控。
其特点是能对任一润滑点的堵塞进行报警并终止运行，以保护设备；定量准确、压力高，不但可以使用稀油，而且还适用于使用油脂润滑的情况。
润滑点可达100个，压力可达21MPa。
递进式分流器由一块底板、一块端板及最少三块中间板组成。
一组阀最多可有8块中间板，可润滑18个点。
其工作原理是由中间板中的柱塞从一定位置起依次动作供油，若某一点产生堵塞，则下一个出油口就不会动作，因而整个分流器停止供油。
堵塞指示器可以指示堵塞位置，便于维修。
图2-2所示为递进式润滑系统。
图2-2递进式润滑系统
2.2.3容积式润滑系统
该系统以定量阀为分配器向润滑点供油，在系统中配有压力继电器，使得系统油压达到预定值后发讯，使电动机延时停止，润滑油从定量分配器供给，系统通过换向阀卸荷，并保持一个最低压力，使定量阀分配器补充润滑油，电动机再次起动，重复这一过程，直至达到规定润滑时间。
该系统压力一般在50MPa以下，润滑点可达几百个，其应用范围广、性能可靠，但不能作为连续润滑系统。
定量阀的结构原理是：
由上下两个油腔组成，在系统的高压下将油打到润滑点，在低压时，靠自身弹簧复位和碗形密封将存于下腔的油压入位于上腔的排油腔，排量为0.1~1.6mL，并可按实际需要进行组合。
图2-3所示为容积式润滑系统。
图2-3容积式润滑系统
2.2CQK5250机床的润滑系统的控制原理
机床润滑系统的控制分为两部分：
电器控制和PLC自动控制。
1、润滑系统电器控制图如图2-4所示，通过控制交流接触器KM1来控制润滑电机主电源。
经过PLC的自动控制来实现自动控制。
2、自动控制原理
如图2-5所示，为润滑系统自动控制流程图。
当系统准备好之后，CNC发出信号，使得润滑系统开始工作，首次润滑15s后，电机停止工作。
当压力开关SP2因压力降低而接通时，开始计时30min,计时完成后，当压力开关SP2断开，润滑电动机再次工作20S，并循环工作。
QF4为电动机过载保护开关，SL为润滑油检测开关，当电动机过载或润滑油不足时则使系统发出报警信号。
图2-4润滑系统电器控制图
图2-5润滑系统自动控制流程图
3、PLC梯形图的编写与分析
下面是主程序的编写与解释分析。
1）该程序首次上电扫描时为1，意义是首次上电初始化PLC。
2）I0.0为急停按钮的输入，此程序是在机床发生积极情况下，按下面板上的急停按钮时，机床不能进行任何动作。
3）此程序是EMG_STOP（急停处理）
该子程序根据“SINAMICSS120”中定义的上电及下电时序来控制急停的过程。
输入：
DELAYWORD上下电时序延时（单位：
10ms）
E_KEYBOOL急停开关（NC）
T_RDY_LMBOOL驱动就绪：
SLM（5KW和10KW）：
端子X21.1的状态（NO）；其它LM：
接口信号V27000002.6
HWL_ONBOOL任意轴硬限位开关触发（NO）1）
SpStopBOOL外部主轴停止信号（NO）2）
输出：
T_EP_LMBOOL控制电源模块端子X21.3（NO）：
EP使能
T_OFF1BOOL控制PCU端子X20.1（NO）：
ON/OFF1使能
T_OFF3BOOL控制PCU端子X20.2（NO）：
OFF3使能
4）SM0.0始终为1，油泵的主程序。
5）SM0.0始终为1，刀架润滑的主程序。
6）SM0.0始终为1，报警的主程序。
7）下面是油泵的子程序，当机床需要润滑是会调用此程序，使液压泵运行，对机床进行润滑。
8）刀架的润滑，下图为刀架润滑的梯形图。
9）油泵的报警梯形图
2.3润滑时间及润滑次数的控制
为了要使机床运动副的磨损减小，必须在运动副表面保持适当的清洁的润滑油膜，即维持摩擦表面之间恒量供油以形成油膜。
但是数控机床运动副需要的润滑油量不是太多时，采用连续供油方式既不经济也不合理。
因为过量供油与供油不足同样是有害的、会产生附加热量、污染和浪费。
因此，润滑系统均采用定期、定量的周期工作方式。
集中润滑系统本身可以配置微处理器，专门用于设定润滑泵停止的时间和每次供油时间，以控制润滑泵间隙工作，设计人员往往也借此来简化自己的PLC程序。
但机床在不同的工作状态下，如刚刚通电初始工作阶段、加工运行和因调整、检测工件而使机床暂停运行时，机床对润滑油的需求量各不相同。
通常通过控制润滑泵工作的时间来调节提供的润滑油量，但是，习惯考虑的是润滑系统在机床加工运行状态下的供油方式，而没有顾及其它工作状态，这样，当机床处于其它工作状态时，润滑系统所提供的润滑油量要么不够，要么过多。
机床导轨需要的润滑油量近似可用下面公式计算：
（长度+移动行程）×宽度×K。
从公式中可以看出，机床导轨需要的润滑油量与该导轨上的轴的移动距离有关。
欧美生产的数控系统大多以行程量作为依据，来控制润滑泵工作，间隙供油，并在系统中提供了相应的参数，便于机床制造商通过PLC程序对润滑泵进行电气控制。
采用近似的供油方式控制润滑泵工作，我们改进了润滑控制部分的电气设计，让控制系统能根据机床的具体工作情况自动调整润滑泵工作频率和每次的工作时间，在机床暂停时适当减少供油量，而机床初始工作时适当增加。
现将润滑泵的工作状态分成三类，分别设置润滑泵工作时间和频率。
1）开机初始阶段机床开机，润滑泵即刻开始工作，连续供油一段时间，此时润滑泵工作的时间T1比正常状态下的要长，以便在短时间内提供足够润滑油，使机床导轨上迅速形成一层油膜。
润滑泵运行时间由PLC程序中的TMRB指令设定。
与TMR指令不同，由TMRB设定的时间，用户不能随意修改调整。
2）加工运行阶段机床开机以后，经过空载运行预热后，进入稳定工作状态。
此后，控制系统控制润滑泵间歇工作，以保证机床导轨能够得到定期、定量的润滑。
润滑泵每次工作的时间和其停止的时间由PLC程序中的TMR指令设定。
TMR设定的时间参数，用户可以在PLC数据窗口中根据需要适当调整。
3）暂停阶段工件待加工或加工完毕时，机床往往处于暂停工作状态，润滑油的需求量相应减少，因此，需要及时调整控制方式，适当延长润滑泵停止工作的时间，以减少其工作频率，从而减少油品消耗。
实现的关键是机床处于暂停状态时，系统如何获知。
2.4CQK5250机床的润滑说明
1、工作台润滑，分为二部分。
第一为导轨液压卸荷部分。
压力油由液压系统送来，进入工作台导轨的闭槽油腔中，籍此来提高导轨的承截能力。
压力油可调整在0.2～0.4Mpa（见图六）。
在此油路中装有YJ—1压力继电器，如果压力低于规定数值时,悬挂按钮站上的信号灯将熄灭,此时不应进行切削加工。
第二为导轨与齿轮、轴承润滑部分。
润滑油由液压系统送来，进入工作台开槽及齿轮、轴承润滑管路中，使导轨及齿轮、轴承等得到充分润滑。
（2）进给箱内装有电磁离合器，因而润滑油必须保持清洁。
（3）横梁升降丝杆与螺母间,应注入N46号润滑油。
数控机床电气控制设计过程中，润滑系统的处理若被忽视，对于机床的使用者而言，机床各部件能否定期定量得到润滑，却是十分重要的问题。
应不断改进、完善产品的设计，减少机床出现故障的次数，提高产品的可靠性。
第3章CQK5250机床的横梁运动设计
由于我国近年来经济和加工技术的快速发展，人们认识到发展大型、重型高档数控机床能够取得良好的经济效益和社会效益。
数控立式车床是满足加工技术快速发展所需要的重要加工设备之一。
数控立式车床由许多部件构成，横梁是其中重要部件。
CQK5250机床的横梁运动就其升降、定位、锁紧等运动的PLC设计。
3.1机械结构
横梁由铸铁制造，为了防止产生弯曲，采取足够的高度和厚度，使其具有刚性。
1、横梁的升降
横梁依靠安装在立柱左右两侧的液压缸进行往复上下升降。
2、定位
横梁导轨依靠辅助功能（M功能）指令，No．1～No．5用5个台阶进行定位。
定位是在对应位置No．1～No．5上，依靠限位开关“ON”，用安装在横梁导轨左右两端背面中间位置的液压缸使定位销动作，升降缸减速下降。
然后，定位销插入安装在立柱上的定位挡块，定位检测用限位开关“ON”横梁移动停止。
另外，定位结束以后，横梁导轨对于立柱被自动锁紧。
锁紧的动作确认依靠限位开关来进行。
3、横梁的锁紧
定位结束以后，横梁导轨在对于立柱导轨面的前后方向上被自动锁紧。
液压缸采用后进退方式，安装在杆端的楔形块被推入，锁紧块压紧导轨面，被锁紧。
另外，液压缸采用前进方式便被松开。
卡紧、松开动作的确认依靠限位开关来进行。
4、横梁升降
本机床通过两个升降缸来控制横梁升降动作，并通过换向阀来实现横梁升降转换。
其液压回路主要由减压阀、单向节流阀、双向液压锁、二位三通Y型电磁阀、等液压元件组成。
双向液压锁用于保证当A3、B3口没有压力油时，反向不导通，液压油反向受到封闭，使横梁保持在停留位置，支撑横梁不落下;单向节流阀用于调整横梁运行速度;电磁阀用于控制横梁升降动作，YV5带电（YV6断电）时横梁下降，YV6带电（YV5断电）时横梁上升。
在机床横梁升降缸的进出油液压管路上，分别安装了管式单向节流阀和下降防爆阀，其中的管式单向节流阀用于调整两液压缸的升降速度以保证达到要求，下降防爆阀安装在横梁升降缸的下降油路上，当油路发生某些故障（如油管爆裂），横梁失控迅速下落时，油管内油流量将突然加大;此时该阀内部的节流口迅速作出反应，在大流量造成的高压下迅速关闭油路，从而有效地杜绝事故的发生。
横梁升降压力数值可通过六点压力表来观察。
其压力设定为8MPa。
3.2横梁PLC运动设计
1、设计步骤
1）根据工艺要求，横梁升降过程是由横梁升降电动机和夹紧放松电动机来完成的。
2）由于横梁升降属于调整动作，故采用点动控制。
3）在横梁上升过程中有顺序动作的要求，控制上升起动按钮发出“横梁上升”信号。
夹紧电动机正转，将横梁放松，当横梁放松到一定程度，由放松限位开关发出放松停止信号，夹紧电动机停止工作，同时横梁升降电动机正转，使横梁上升。
4）升降电动机移动至所需位置时，松开“上升”按，使升降电动机停止工作，同时接通加紧放松电动机，使夹紧放松电动机反转，开始夹紧。
在夹紧过程中放松限位开关复位，当夹紧到一定程度时，力矩增加，电流增加，过电流继电器断开，使夹紧放松电动机停止工作，上升过程结束。
过电流继电器的正确使用能保证横
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