木工锯片磨削机PLC程序控制系统设计.docx
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木工锯片磨削机PLC程序控制系统设计
本科毕业设计（论文）
木工锯片磨削机程序控制系统设计
摘要
随着我国锯木市场的蓬勃发展，硬质合金圆锯片大受欢迎，而锯齿的磨削一直是由专业技术人员靠经验完成，精度不够高，效率比较低，于是锯片磨削机应运而生，它是一种对圆锯片进行磨削加工的机器，是机械与自动化结合的典型产物，具有中国企业智能化发展的典型特征。
运用数控技术，将具有控制功能的PLC引入机械加工中，使高精密的磨削技术成为轻而易举的事，能使锯片保持精确而锋利的齿型，并减少人工和时间上的浪费，大大提高了工作效率。
根据磨削锯齿的角度，锯片的磨削可以分为磨削锯齿的前角、后角、侧角。
根据此分类锯片磨削机可分为前角磨齿机、后角磨齿机和侧角磨齿机。
本文主要研究其中的侧角磨削机——锯片侧角磨削机。
文章介绍了合金圆锯片磨削机及其数控机床在国内外的现状及其发展趋势,详细的论述了锯片侧角磨削机的工作原理和锯齿刃磨技术。
通过对锯片侧角磨削机系统的分析，了解了单齿磨削工艺流程和自动磨削工艺流程。
通过对锯片侧角磨削机机械装置和工艺流程的研究设计了PLC核心控制系统、人机界面及两者间的通讯，控制系统的设计介绍了整个控制系统的硬件构造和电气连接。
系统的软件设计部分介绍了PLC关键程序和人机界面的设计。
文章的最后讨论了该控制系统的不足和改进方向，并对锯片侧角磨削机的前景作了展望。
关键词：
硬质合金圆锯片；磨削机；PLC；人机界面
Woodworkingsawbladegrindingmachinecontrolsystemdesign
Abstract
Withtheincreasingdevelopmentofthewoodworking,metalcircularsawbladehasbeenwidelyused,Butthesawusedtobegrindedbyprofessional,it.Isinefficientandlowoftherequireprecision.Sosawbladegrindingmachinehasbeeninvented.Itisakindofmachinewhichisusedtogrindtheroundsawblades.Itisthetypicalproductofthecombinationofmechanismandautomation,representingtheuniqueintellectualizationofChinesecorporations.WiththenumericalcontroltechnologyandaddingthePLCwhichhavecontrolfunctiontothemachine,itcaneasilyapplytotheindustrialprocessandalsohelpthebladesmaintainapreciseandsharpsawtooth.Thepointisthatitcancutthewasteofmanualworkandsavemoretime,makingtheprocessmuchmoreefficiently.
Accordingtotheanglesgrinded,thegrindingcanbecategorizedintothreekinds:
grindingthefrontangle,grindingthesideangleandgrindingthesideangle.Andfromthis,themachinecanbeclassifiedintofrontanglegrindingmachine,sideanglegrindingmachineandsideanglegrindingmachine.Thisdesignprojectforgraduationwillfocusonthesideanglegrindingmachine.
Theessaywillintroducethedevelopmentoftheroundsawbladegrindingmachinehomeandabroad,analysetheworkingprincipleandtechnologicalprocessofthesideanglegrindingmachine.Itwilldesignthecorecontrollingsystemofthemachineonthebasisofstudyingthemachinerydeviceandtechnologicalprocess.Afterthat,theessaywillintroducethehardwarestructureandthesoftwaredrivingmoduleofthewholecontrollingsystem.
Theessaydiscussthedefectsofthedesignandtheprospectofthesideanglegrindingmachineintheend.
Keywords：
metalcircularsawblade；grindingmachine；PLC；man-machineinterface
1.绪论
1.1数控技术的发展
1.1.1数控技术的基本概念
数控又称数字控制是综合了计算机、自动控制、电机、电气传动、测量、监控、机械制造等学科领域最新成果而形成的一门边缘科学技术。
在现代机械制造领域中，数控技术已成为核心技术之一，是实现柔性制造、计算机集成制造、工厂自动化的重要技术之一。
数控技术较早地应用于机床装备中，所以现在数控技术具体指机床数控技术。
[1]
1.1.2数控技术的发展趋势
在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。
当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。
工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅大力发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。
因此大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展，提高综合国力和国家地位的重要途径。
数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，其技术范围覆盖很多领域：
①机械制造技术;②信息处理、加工、传输技术;③自动控制技术;④伺服驱动技术;⑤传感器技术;⑥软件技术等。
从目前世界上数控技术发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面。
[2]
1.高速、高精度化
高速切削加工不仅可以提高生产效率，而且可以改善加工质量，所以自20世纪90年代初以来，便成为机床技术重要的发展方向。
各国相继推出了许多主轴转速10000r/rain至60000r/min以上的加工中心和数控铣床。
高速切削加工正与硬切削加工、于切削和准干切削加工以及超精密切削加工相结合;正从铣削向车、钻、镗等其他工艺扩展;正向较大切削负荷方向发展。
[3]
2.智能化、开放式、网络化
2l世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：
为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电动机参数的自适应运算、自动识别负载、自动选定模型、自整定等;简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、specidRepons综述能化的人机界面等;还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。
[4]
3.环保化
随着人们环境保护意识的加强，对环保的要求越来越高。
不仅要求在机床制造过程中不产生对环境的污染，也要求在机床的使用过程中不产生二次污染。
在这种形势下，装备制造领域对机床提出了无冷却液、无润滑液、无气味的环保要求，机床的排屑、除尘等装置也发生了深刻的变化。
上述绿色加工工艺愈来愈受到机械制造业的重视。
[5]
4.采用五轴联动加工和复合快速力
采用五轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅粗糙度好，而且效率也大幅度提高。
一般认为，1台五轴联动机床的效率可以等于2台三轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢工件时，五轴联动加工可比三轴联动加工发挥更高的效益。
但过去因五轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比三轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了五轴联动机床的发展。
当前由于电主轴的出现，使得实现五轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小，因此促进了复合主轴头类型五轴联动机床和复合加工机床（含五面加工机床）的发展。
1.1.3我国数控技术历程和现状
1、我国数控技术发展现状及问题
我国数控技术起步于20世纪50年代末期，经历了初期的封闭式开发阶段，“六五”、“七五”期间的消化吸收、引进技术阶段，“八五”期间建立国产化体系阶段，“九五”期间产业化阶段，现已基本掌握了现代数控技术，建立了数控开发、生产基地，培养了一批数控专业人才，初步形成了自己的数控产业。
目前，较具规模的企业有广州数控、航天数控、华中数控等，生产了具有中国特色的经济型、普及型数控系统。
经半个世纪的发展，产品的性能和可靠性有了较大的提高，逐渐被用户认可，在市场上站稳了脚跟。
但是由于系统技术含量低，产生的附加值少，不具备与进口系统进行全面抗衡的能力，只在低端市场占有一席之地，还不能为我国数控产业起到支撑的作用，与国外相比，还有不小的差距。
主要问题有以下几方面：
（1）低技术水平的产品竞争激烈，互相靠压价促销；
（2）高技术水平、全功能产品主要靠进口；
（3）配套的高质量功能部件、数控系统附件主要靠进口；
（4）应用技术水平较低，联网技术没有完全推广使用；
（5）自行开发能力较差，相对有较高技术水平的产品主要靠引进图纸、合资生产或进口件组装。
1.2锯齿磨削的现状
1.2.1锯齿磨削的现状
随着我国木材加木工业的不断发展，各木材制造生产厂商不断涌现，对硬质合金锯片的需求量不断增加，因而硬质合金锯片的市场潜力很大，许多锯片专业生产厂商都在不断更新设备，以提高生产效率和增加经济效益。
然而，在实际锯材生产中，由于磨削技术水平低和使用不当，往往使锯片达不到工艺质量要求，使用寿命不到设计的一半。
这不仅仅影响产品质量，而且增加了费用支出。
通常锯片的磨削工作是由维修工完成的，由于这项工作技术性很强，又属于辅助工序，而且操作时间不固定，因此磨削工作往往是锯材加工生产管理中比较薄弱的环节。
1.2.2锯齿磨削机的现状与发展前景
鉴于锯片磨削比较困难，需要专业人员进行，磨削不好不但起不到提高工作效率，提高加工质量的效果，还将直接影响到锯片使用寿命。
同时，为了降低加工成本，提高效率，更考虑到数控技术发展的大趋势，锯齿磨削机产生了。
采用PLC作为控制核心，能够充分利用其丰富软件功能来达到控制目的，从而克服原控制部分因由传统的继电器和接触器组成，触点多、线路复杂而带来的种种弊端。
锯齿磨削机的产生极大的提高了效率，但是，在我国，由于人力资源丰富，最主要是磨齿机价格比较高，初期投资比较大，锯齿的磨削要几台机器来完成，集成度不够高，这些因素直接影响到了磨齿机的推广与应用。
所以目前为止磨齿机的应用还是比较局限的。
另外一方面，目前所用的锯齿磨削机主要来自进口，我国在该方向上的研究比较少，技术不够成熟，虽然也有厂家生产出了技术含量很高的机器，但是受长期进口的影响，采用国产磨削机的还是比较少。
[6]
从现在存在的问题来看，我国锯齿磨削机的研究需要解决以下几个方面的问题，以便达到广泛应用，提高效率，精度，取代进口的目的。
第一，精度上要加强，达不到精度要求的机器没有实用性。
第二，降低成本，当然这不能通过降低质量来实现，国产机器本来在质量上就不比别人强，如果质量上有问题，那就彻底没有了市场。
第三，提高集成度，目前多采用多台机器磨削锯齿，我们可以想办法用一台机器来代替，从而降低成本，提高简洁性和实用性。
[7]
1.3研究内容和主要工作
基于锯齿磨削机的市场需求和发展前景，以及数控技术的发展趋势，我们决定对锯齿磨削机进行研究，锯齿磨削机是一种特殊的数控机床，用于磨削硬质合金锯片，磨削机根据磨削角度分成三种：
锯片前角磨削机、锯片侧角磨削机和锯片后角磨削机。
本文针对其中的一种——锯片侧角磨削机的控制系统进行研究。
主要完成以下工作：
⑴研究国内外数控技术的发展状况，了解锯片磨削机的产生背景，现状和发展前景。
⑵深入研究锯齿磨削的工艺流程，分解其动作步骤，作为锯片磨削机自动执行的依据。
⑶对锯片侧角磨削机控制系统进行硬件部分的总体分析，确定控制点，完成控制核心PLC以及其他硬件的选型。
⑷完成PLC主要程序的设计。
⑸完成人机界面的设计（由于我们的主要工作是研究该控制系统，所以不开发人机界面，而选用Hitech公司的PWS500系统进行设计）。
⑹硬件设备的连接与调试。
⑺软件部分的调试。
⑻研究总结，不足分析与展望
2硬质合金锯片刃磨工艺流程分析
2.1锯片侧角磨削机工艺流程分析
2.1.1总体功能概述
锯片侧角磨削机主要用来磨削锯齿的侧角（水平面），要完成这一任务侧角磨齿机必须有以下功能：
[8]
（1）手动功能：
主要用来调试拨齿、夹片、进刀、砂轮/水泵、磨进、磨退、是否按设定的正常运行。
[9]
（2）设定功能：
主要用来设定总齿数、水口槽数、AC距离、OA速度进、BA速度磨进、AB退速度、AO退速度、拨齿时间、磨削次数、OA距离、AB距离等参数。
（3）自动功能：
用来自动完成圆锯片的锯齿侧角磨削过程。
根据锯片侧角磨削机的手动、设定、自动功能可以把侧角磨齿机的操作面板分为显示界面、电源指示灯、手动\设定按钮、自动按钮、急停按钮、启动按钮，如图2-1所示。
侧角磨齿机的总体功能图如图2-2所示：
图2-1操作面板
图2-2总体功能图
2.1.2设定功能
首先，我们看看磨削走向，坐标设定图，如图2-3。
单齿磨削流程：
[10]
（1）固定锯片；
（2）系统复位，砂轮回原点；（3）设定各种磨削参数；（4）启动砂轮和水泵；（5）上片；（6）砂轮按设定好的OA速度磨进至C点；（7）再按照已设定的BA速度磨削锯齿到A点；（8）按照AB速度磨退至B点；（9）再按BA速度磨进至A点；（10）重复8、9步直到达到要求；（11）磨退至C点。
图2-3磨削走向，坐标设定
在设定功能下我们可以按照要求完成以下几个参数的设置：
总齿数：
指圆锯片要磨的锯齿总数；
消音槽数：
指在圆锯片开的消音槽的个数，均匀分布。
注意消音槽两边的齿要多磨一次，安装锯片时要注意水口槽；
AC距离：
指砂轮磨退时后退的距离（一般不退回原点）；
OA速度进：
指砂轮磨进时的速度（还没有到合金的速度）；
BA速度磨进：
指砂轮磨合金时的进的速度；
AB退速度：
指砂轮磨合金时的退的速度；
AO退速度：
指砂轮磨退时的速度（退出合金后的速度）；
拨齿时间：
指拨动锯齿的时间（一般比实际时间长一点）；
磨削次数：
指磨一个锯齿的次数；
OA距离：
指原点到合金里面的距离；
AB距离：
指要磨合金的距离。
2.1.3手动功能
手动功能是为了完成调试拨齿、夹片、进刀、退刀、砂轮、水泵、磨进、磨退是否按设定的正常运行。
其中：
[11]
拨齿——为了完成锯齿的自动磨削，势必在一个齿磨完之后自动换齿去磨下一个齿，由此设计一个拨齿机构，通过气动装置在每次磨完一个齿之后换齿。
夹片——在磨削的时候要为使锯齿片固定，需要一个夹片的装置，在磨完一个齿的时候，需要夹片装置松开，以便换齿。
砂轮开（关）——在手动状态下砂轮的开和关可控。
水泵开（关）——在手动状态下水泵的开和关可控。
2.1.4自动功能
“自动”按钮是用来自动完成一个圆锯片的所有锯齿的磨削过程。
在自动状态下按其他按钮无效，只有按“急停”按钮才有效。
3锯片侧角磨削机硬件设计
3.1硬件部分总体分析、设计
通过前文对锯片侧角磨削机的工艺流程分析知道，我们的主要控制点有：
用于压片、拨齿、上片的三个气动阀，控制砂轮启停的继电器，控制的水泵启停的继电器，控制异步电机启停的信号线等。
这些控制点都是开关量，由PLC发出开或关的指令信号来控制它们。
[12]
系统总体的框架如图3-1所示：
图3-1锯片侧角磨削机系统框图
PLC是整个控制系统的硬件核心，下面我们对PLC进行选型。
3.2控制核心PLC选型
3.2.1控制点确定
为了确定PLC的容量，方便选型，我们需要对控制点进行分析，把I/O点数数出来。
通过前面的分析，我们知道我们的控制对象是锯片侧角磨削机，控制范围包括用于夹片、拨齿、上片的三个气动阀，控制砂轮的继电器，控制水泵的继电器，交流接触器，控制异步电机的信号线等。
根据系统I/O控制点，作出详细的I/O点数分配表，如表3-2所示：
表3-2I/O点数分配
信号作用
输入信号
控制
输出过程
电源
启动
限位开关
磨刀在初始点
磨削到位
砂轮在初始点
模件旋转到位
完成
I0
I1
I2
I3
I4
I5
I6
I7
开砂轮
水泵
磨刀进
磨削
磨刀退
磨齿
旋转
磨进/磨退
Q0
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
3.2.2PLC选型
随着PLC的推广普及，PLC产品的种类和数量越来越多。
近年来，从国外引进的PLC产品，国内厂家组装或自行开发的产品已经有几十个系列，上百个型号。
PLC的品种繁多，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各有不同，适用场合也各有侧重。
因此，合理选择PLC对于提高PLC控制系统的技术经济指标起着重要作用。
PLC的选择应包括机型选择、容量选择、I/O模块选择、电源模块等几个方面，我们这里分别介绍并对我们的系统进行PLC的选型。
[13]
（1）机型选择
机型选择的基本原则是在功能满足要求的前提下，保证可靠、维护使用发表改变以及最佳的性价比。
具体应该考虑：
A.结构上合理，安装要方便，对于复杂高要求的系统一般选择模块式PLC，否则选整体式，价格比较低；
B.功能上要相当，对于开关量控制的设备，一般的小型PLC即可，而不应该去选择增强型功能的PLC；
C.机型上应统一，一个企业用的PLC型号最好统一，方便互用；
D.是否在线编程，这要根据被控设备工艺要求来决定，工艺不常变动的设备，应选用离线编程的PLC，反之用在线；
E.是否满足响应时间的要求；
F.对联网通信功能的要求，看是否需要纳入工厂自动控制网络决定。
（2）容量选择
PLC的容量指I/O点数和用户存储的存储容量（字数）两方面的含义。
在选择PLC型号时不应盲目追求过高的性能指标，但是在I/O点数和存储器容量方面除了要满足控制系统要求外，还应留有裕量，以做备用或系统扩展时使用。
I/O点数通常可按实际需要的10~15%考虑裕量。
存储器一般可按照实际需要的25~30%考虑裕量。
[14]
（3）I/O模块的选择
I/O部分的价格占PLC价格的一半以上。
不同的I，O模块，其电路和性能不同，它直接影响着PLC的应用范围和价格，应根据实际情况合理选择。
根据以上标准，考虑到我们的控制系统都是开关量的控制，可以考虑小型PLC，该系统有8个输入点，8个输出点。
再结合市场情况，考察PLC生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况，我们选择了工作稳定、可靠、抗干扰性能好且性价比较高的台达DVP32ES型PLC。
其基本性能有：
输入16点,输出16点，辅助继电器一般用512点M0–M511，程序容量：
内置RAM存储器（1808步），命令种类基本命令（顺序命令）32个（含步进阶梯命令），输入/输出控制方式结束再生方式，演算控制方式内存程序‧往返式来回扫瞄方式，程序语言指令加阶梯图定时器100ms64点，计数器112点。
图3-3是PLC外部接线图：
图3-3PLC外部接线图
3.3其它硬件的选型、设计
我们这里主要介绍一下步进电机的选择及PLC控制步进电机的方式。
（1）在这个系统中选用和步进电机配套的SH-2H090MH型步进电机驱动器。
该驱动器需要5V电源和的60V交流电源，整台机子用的是380V交流电。
其中包括报警灯等已用了交流380V转换成交流220V的变压器，这里还用了一个交流220V转交流60V的变压器。
如果要改变步进电机的转向，另外有两个控制信号，一个是驱动步进电机运转的信号，一个是控制步进电机方向的信号。
在步进电机驱动器1中选用Y6作为控制信号，Y7作为方向控制信号。
A,A`，B,B`用来连接步进电机，不同的组合能使步进电机产生不同转向，接线如图3-4所示：
[15]
图3-4步进电机驱动器连线图
（2）PLC控制步进电机的方式：
PLC控制步进电机系统的示意图如图3-5所示。
在控制面板上设定移动距离、速度和方向等参数。
PLC读入这些设定值后，通过运算产生脉冲、方向信号，控制步进电机的驱动器，达到对距离、速度、方向控制的目的。
图3-5PLC控制步进电机系统示意图
根据磨削机控制性能的要求，结合使用元器件的特性，所设计的锯片侧角磨削机控制系统的外部电路电气连接图如图3-6所示：
图3-6锯片侧角研磨机系统电气连接图
4.锯片侧角研磨机软件设计
4.1PLC软件设计
4.1.1编程软件选型及介绍
PLC是专门为工业自动控制而开发的装置，主要使用对象是广大工程技术人员及操作维护人员，为了满足他们的传统习惯和掌握能力，PLC通常不直接采用微机的编程语言，而常常采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程。
为电子技术所以领域制定全球性标准的世界性组织IEC（国际电工委员会）于1994年5月公布了可编程控制器标准（IEC1131），该标准鼓励不同种类的PLC制造厂商提供在外观上和操作上相似的指令。
该标准中定义了5种PLC编程语言的表达方式：
[16]
（1）梯形图LAD（LadderDiagram）；
（2）语句表STL（StatementList）；
（3）功能块图FBD（FunctionBlockDiagram）；
（4）结构文本ST（StructuredText）；
（5）顺序功能图SFC（SequentialFunctionChart）
其中，梯形图是在传统的电器控制系统电路图的基础上演变而来的，在形式上类似于电器控制电路，由触点、线圈和用方框表示的功能块等组成。
所以梯形图成了使用最广泛的PLC图形编程语言。
它的主要特点有：
（1）PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，但是他们不是真实的物理继电器（即硬件继电器），而是软件中使用的编程元件。
每一编程元件与PLC存储器中元件映像寄存器的一个存储单元相对应。
以辅助继电器M0为例，如
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