立式车床主轴电控系统的设计(毕业论文)Word格式.doc
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毕业设计（论文）开题报告
题目
1.目的及意义（含国内外的研究现状分析）；
车床是主要用车刀对旋转的工件进行车削加工的机床。
在车床上还可用钻头、扩孔钻、铰刀、丝锥、板牙和滚花工具等进行相应的加工。
车床主要用于加工轴、盘、套和其他具有回转表面的工件，是机械制造和修配工厂中使用最广的一类机床。
立式车床的主轴垂直于水平面，工件装夹在水平的回转工作台上，刀架在横粱或立柱上移动。
适用于加工较大、较重、难于在普通车床上安装的工件，一般分为单柱和双柱两大类。
立式车床是一种自动化程度要求较高的机电设备，一般应用于冶金行业，车制各种大型工件。
它通常采用继电器逻辑控制方式，传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于控制触点多，电控系统故障率高，检修周期长。
立式机床使用年月久后，电气控制系统线路老化，继电器故障频繁，检修困难。
用PLC改造传统继电器控制系统是很好的方法。
它可以充分发挥PLC高可靠性、高抗干扰的特点，寿命长、维修量少、查找外部线路简单。
用PLC对系统进行逻辑控制和变速位置的数据处理，较好地实现了原工艺要求，简化了线路，提高了可靠性和机床的运行率。
可编程控制器（PLC）是目前作为工业控制最理想的机型，它是采用计算机技术、按照事先编好并储存在计算机内部一段程序来完成设备的操作控制。
采用PLC控制，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小。
而在PLC电控系统的基础上配合变频调速装置，运用现在先进的矢量控制技术，不但适合提升机运行工艺的要求，还将解决整套提升机系统的电力拖动方面的一系列问题。
变频装置取代复杂的串联电阻切换装置，提升机运行速度曲线、转矩大小的要求都由变频器来完成，简化了控制操作流程，提高了控制精度。
2.基本内容和技术方案；
基本内容：
本课题重点研究的是立式车床主轴点控制系统的设计，让机床操作和运行起来更加的自动化和提高生产产品的质量。
设计从机床的电机控制系统着手，然后运用PLC可编程控制器件对控制系统进行编程，PLC控制MentorⅡ直流驱动器，实现对立式车床主轴电机的启停，正反转。
具体实施方法如下：
1>
画出其硬件原理图
2>
画出PLC接线图
3>
调试系统
4>
编写毕业设计论文
技术方案：
采用西门子S7-300PLC，S7-300系列PLC是一种通用型PLC，能适用自动化工程中的各种应用场合，尤其是在生产制造工程中的应用。
S7-300基于模块化、无风扇结构设计，采用DIN标准导轨安装，配置灵活、安装简单、维护容易、扩展方便，各种模块可以进行广泛的组合和扩展。
直流电机的直流驱动单元采用的是c.t公司的MentorⅡ系列单象限全数字直流控制装置及磁场控制模块fxm5，采用磁场换向的控制方式，满足反向工作的要求。
MentorⅡ是一种全数字紧凑型直流驱动器。
它采用Siemens80C517A处理器控制，菜单化设计，逻辑化编程，具有容量大，保护措施和限定设置齐全，模块化组态设计，集成度高等特点。
3.进度安排；
①、毕业实习。
②、根据要求完成控制系统的方案设计，完成开题报告。
③、完成控制系统原理图的设计（5-7周）
④、编制控制程序（8-10周）
⑤、撰写设计说明书（11-14周）
⑥、答辩（15周）
3.指导老师意见
指导老师签名：
年月日
郑重声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
本人签名：
王涛日期：
2011-5-12
目录
摘要 -1-
ABSTRACT -2-
绪论 -3-
第一章立式车床的基本结构和工作原理 -4-
1.1立式车床的概述及加工范围 -4-
1.2立式车床的基本结构和工作原理 -4-
1.3立式车床的主要技术参数 -4-
1.4电力拖动及控制特点 -4-
1.5方案设计 -5-
第二章MENTORⅡ直流驱动器的结构及工作原理 -6-
2.1MENTORⅡ概述 -6-
2.2MENTORⅡ的安装及工作原理 -7-
2.3MENTORⅡ的参数设定 -8-
第三章PLC的概述及工作原理 -12-
3.1PLC的定义和分类 -12-
3.2PLC的功能和特点 -12-
3.3PLC的结构和工作过程 -14-
3.4S7-300的系统特性 -17-
第四章电气图的设计 -18-
4.1MENTORⅡ的电气连接图 -18-
4.2PLC的电气连接图 -18-
4.3立式车床主轴电控系统程序设计 -19-
第五章前景展望 -22-
致谢 -23-
参考文献 -24-
摘要
立式车床在现代制造业中起着重要的作用，给金属加工工艺带来了便利，主要用于对体积比较大，结构比较复杂的工件的加工。
本文首先介绍了立式车床的发展和现状，阐述了立式车床在工业控制中的地位和作用以及立式车床的特点，然后介绍了立式车床电气控制要求和本课题研究的意义和方法以及如何实现课题涉及到的立式车床主轴电控制系统的功能。
紧接着，本文由介绍了立式车床主轴电控制系统中两大部件MENTORⅡ直流驱动器和PLC。
详细的讲述了MENTORⅡ的特点，工作原理和接线，然后又分章节的讲述了PLC的结构，工作原理以及编程方式。
最后文章还设计了立式车床主轴电控制系统的电气图和控制版面图，而且对立式车床的发展前景进行了展望。
关键词：
MENTORⅡ；
PLC；
电气图
ABSTRACT
Verticallatheinthemodernmanufacturingindustryplaysanimportantrole.itbringsconveniencetothemetaltechnology.Itmainlyusedonthelargeandstructurewhichiscomplexworkpieces.
Thispaperdescribesthedevelopmentandcurrentstatusofverticallathe,verticallathedescribedintheindustrialcontrolthepositionandroleofthecharacteristicsofverticallathe,verticallatheandthenintroducestheelectricalcontrolrequirementsandthesignificanceoftheresearchandmethodshowissuesrelatedtotheverticallathespindlepowercontrolfunctionofthesystem.
Then,thispaperintroducesverticallathespindlebytheelectroniccontrolsystemofthetwopartsMENTORⅡDCdrivesandPLCMENTORⅡdescribedindetailthecharacteristicsoftheprincipleandwiring,andthensub-chapterdescribesthePLCstructure,operatingprinciplesandprogramming.
Finally,thepaperalsodesignedaverticallathespindlecontrolsystemofelectricalpowerandcontrollayoutplanmap,andthedevelopmentoftheverticallatheprospect.
Keywords:
MENTORⅡ；
electricaldiagram
绪论
立式车床属于大型机械设备，用于加工径向尺寸大而轴向尺寸相对较小，形状复杂的大型和重型工件。
如各种盘，轮和套类工件的圆柱面，端面，圆锥面，圆柱孔，圆锥孔等。
亦可借助附加装置进行车螺纹，车球面，仿形，铣削和磨削等加工。
相比，工件在卧式车床的夹装饰里面上的夹装。
而立式车床主轴轴线为垂直布局，工作台台面处于水平平面内，因此工件的夹装与找正比较方便。
这种布局减轻了主轴及轴承的荷载，因此立式车床能够较长期的保持工作精度。
立式车床一般可分为单柱式和双柱式。
小型立式车床一般做成单柱式，大型立式车床做成双柱式。
立式车床结构的主要特点是它的主轴处于垂直位置。
立式车床的主要特点是：
工作台在水平面内，工件的安装调整比较方便。
工作台由导轨支撑，刚性好，切削平稳。
有几个刀架，并能快速换刀。
从70年代初开始，不到三十年的时间里，PLC生产发展成了一个巨大的产业，据不完全统计，现在世界上生产PLC及其网络的厂家有两百多家，生产大约有400多个品种的PLC产品。
而如今，对旧有机床进行PLC改造已经非常普遍。
针对于旧有的机床，其电气控制为继电器控制，而在继电控制中，接触触点多，所以故障也多，操作人员维修任务较大，机械使用率较低。
本课题来源于生产的需要，对于立式车床用PLC改造其继电器控制电路，克服了以上缺点，降低了设备故障率，提高了设备使用率。
第一章立式车床的基本结构和工作原理
1.1立式车床的概述及加工范围
立车主要用于加工直径大、长度短的大型、重型工件和不易在卧式车床上装夹的工件，回转直径满足的情况下，太重的工件在卧车不易装夹，由于本身自重，对加工精度有影响，采用立车可以解决上述问题。
立式车床一般可分为单柱式和双柱式。
有几个刀架，并能快速换刀，立式车床的加工精度可达到IT9-IT8，表面粗糙度Ra可达3.2-1.6um.立式车床。
立式车床的主参数为最大车削直径D。
1.2立式车床的基本结构和工作原理
立式车床的工作原理大致可分为主轴的移动运动、工作台的回转运动、主轴箱的升降运动、正反向机动进给运动、快速移动运动。
如上诉的这些运动主要靠电磁阀、离合器来实现转换，如要实现某个运动必须使它所对应的电磁阀或离合器动作，除此之外就是添加各运动中的正负限位开关，这主要是起到各运动在动作时的保护作用。
1.3立式车床的主要技术参数
型号
最大加工直径
（毫米）
最大加工高度
主轴转速
电机功率
（千瓦）
重量（吨）
包装箱尺寸
长×
宽×
高
外形尺寸
级数
范围
（转/分）
主电机
总容量
毛重
净重
CQ5250
630
300
1250
16
27-435
18.5/22
26.7
12
11
3550×
3210×
3461
3000×
3610×
3126
C5116
400
60
4000
1
93-122
15
19.4
8.5
8
2490×
2270×
2910
1800×
1925×
2330
CQ5240
320
40
1600
50-80
7.5
11.9
6.5
6
2910×
2270
1260×
1860×
2100
C5116A
500
250
2550
56-307
18.5
24.25
5.7
5.5
2250×
2430
2350×
2030×
2060
CB7740
600
-
2150
4
60-240
2.9
1810×
2000×
1380×
1980×
1900
表1立式车床的技术参数
1.4电力拖动及控制特点
立式车床的主运动与进给运动由同一台双速电动机M拖动，各方向的运动由相应的按键手柄选择，因此对控制提出了以下要求。
（1）为了适应各种工件的加工工艺要求，主轴旋转和进给都应有较大的调速范围。
因此，该机床采用双速笼型异步电动机M作为主拖动电动机，并采用机电联合调速，这样既扩大了调速范围又使机床传动机构简化。
（2）进给传动和主轴旋转采用同一台电动机拖动，由于进给运动有几个方向（主轴轴向、主轴垂直方向、工作台横向、工作台纵向），所以要求电动机能正反转，并有高、低速度选择。
高速运转应先低速启动，各方向的进给应有电气联锁。
（3）为适应调整需要，要求主拖动电动机应能正反方向点动，并且带有制动。
因此，该机床采用电磁铁带动的机械制动装置。
1.5方案设计
根据立式车床主轴电控系统设计的要求，采用西门子公司的可编程控制器S7—300控制，用MENTORⅡ直流驱动器来控制主轴电机的转动，PLC的输出接继电器，再通过继电器来控制MENTORⅡ直流驱动器的一些端子的接通和断开，完成电动机M的正（反）转，加（减）速及制动。
设计流程图如下：
图1系统设计方框图
第二章MENTORⅡ直流驱动器的结构及工作原理
2.1MENTORⅡ概述
2.1.1MENTORⅡ是英国CT公司生产，具有当代水平的全数字直流电动机调速驱动器最新系列产品，输出电流范围是25A—1850A。
全系列产品具有控制、监测、保护和串行通讯的功能。
MENTORⅡ分单象限和四象限两种配置。
单象限驱动器仅能实现正向运行，四象限驱动器是完全可逆的。
这两种配置的驱动器均能对电机的速度和转矩进行全面的控制，四象限驱动器可对正反向运行进行全面控制。
MENTORⅡ运行参数可由面板或通过串行通讯接口进行选择和修改。
参数的设定或修改受三级密码系统的保护。
MENTORⅡ配有作为可选件的智能键盘显示，可以就地或远地安装，提供多语种的用户界面。
图2MENTORⅡ的控制面板
直流电机在实际应用中必须控制的量是速度，输出转矩和转向。
速度与电枢反电势成正比、与磁通成反比。
转矩与电枢电流和磁通成正比。
转向简单的由电枢和励磁电压的相对极性决定。
以下是必须控制的量：
1.电枢电压：
反电势是电枢电压的一部分。
因而若假定磁场不变，控制电枢电压能完全控制速度直到电枢的最大电压设计值。
电枢电流也是电枢电压的函数。
在速度能达到的范围内，转矩也由电压控制。
只要磁场是完全激励的，从零速到最大电枢电压（基速）一般能保持最大转矩。
2.励磁电压：
它决定励磁电流、从而决定磁通量。
若励磁电压能独立于电枢电压变化，在满功率（满电枢电压）下速度可以超过电枢电压提供的基速点并且电流为最大值。
因为转矩直接与磁通成正比，所以当速度由弱磁开始增加时最大转矩减少。
总的来说，直流调速是控制电枢的端电压从而控制送入电机的电流。
如要求速度超过基速，则驱动器必须有控制磁场的能力。
工作在基速以下的系统，采用独立励磁方式，可扩展速度和转矩的控制功能，以满足更复杂的电机应用场合。
如果配有适合的反馈，实现位置控制也是可能的。
2.2MENTORⅡ的安装及工作原理
1.直流调速原理
单项电源给一个可控硅全桥供电，在电阻负载上所产生的电流是断续的。
当可控硅被触发是有电流，当电源电压在每半个周期过零时电流消失。
当触发角完全推前时整流桥得到最大电压输出，即图1的f变为0.触发角后移时电流输出减少。
当负载是感性时，如电机，或者触发角充分推前时电流变为连续，见图1。
电流基波滞后于电压，一部分原因是负载的电感特性，另一部分原因是触发角延迟。
图3直流调速原理图
2.反向
有两种方法是电机反向，这依赖于驱动器整流桥的配置。
最简单的三相全控桥没有输出极性反向的能力。
此种类型叫单象限或单向，若要反向必须在外部切换电机端子。
对某些应用来说，这种简单实用的方法是足够的。
然而，对于那些要求能在两个方向完全控制电机，能快速频繁的改变转矩方向的应用来说，必须采用双桥反并联系统。
此配置不需要倒向接触器，能完成控制电机的正反转及正反方向制动，称为4象限或可逆驱动器。
若单向驱动器要求制动，必须外加电路。
制动时，减速既不可控也不线性。
3.控制
不管驱动器是单象限还是四象限的，电机响应都基本上是输出电压的函数，输出电压又由可控硅桥的触发角决定，而触发角可以精确控制。
电机响应的质量依赖于驱动逻辑接收、解释和处理与电机当前状态及其要求状态相关的全部数据的能力。
这些数据有来自外部源，如速度给定、转矩给定、速度反馈等，有些来自驱动逻辑本身，如输出电压和电流，以及不同阶段逻辑系统要求的条件。
逻辑系统需要一系列指令使得它能够完成访问、处理及触发控制信号产生的全过程。
指令以数据形式提供，根据电机应用的特定操作要求，数据又分解为各个数值即参数。
在给定的工业应用中，驱动器的特性由用户设定参数及内部监视参数决定。
由于上诉原因，MENTORⅡ驱动器由微处理器和用户设定参数来配置的软件组成。
参数包含了所有与电机性能相关的重要因素，因而用户通过设定驱动器能准确的满足具体应用的要求。
参数还可以进一步提供通讯、保密和其他功能。
4.菜单
参数的数量很多，但它们按特定逻辑和功能分成多个菜单以后，理解和存取这些参数变得容易多了。
5.串行通讯
串行通讯是MENTORⅡ系列驱动器在工业应用中的一个显著特点。
例如，外部可编程控制器（PLC）可以访问全部或部分驱动器逻辑，使得驱动器参数能及时改变，以满足控制过程中不同阶段的特殊要求。
串行通讯也可被用于对驱动器工作状态的监控及分析。
2.3MENTORⅡ的参数设定
1.MENTORⅡ的规格与型号
类型及型号
典型额定功率
最大额定连续电流
400V（电枢电压）
500V（AC）
输入
输出
KW
HP
A
MR25
10
9
21
25
MR45
20
19
38
45
MR75
30
50
75
MR105
37.5
47
63
88
105
MR155
56
70
94
130
155
MR210
100
126
175
210
MR350
125
168
156
209
292
350
MR420
150
201
188
252
420
MR550
200
268
335
460
550
MR700
313
700
MR825
402
375
503
690
825
MR900
340
456
425
570
750
900
MR1200
450
603
563
755
1000
1200
MR1825
1105
938
1258
1540
1850
表2MENTORⅡ的规格与型号
在MENTORⅡ软件系统中，参数分为两个基本类型：
数值参数如速度和加速度；
数字量或位参数。
数质量相当于模拟系统的可调电位计，但设定值更准确并且没有漂移，为参数相当于模拟系统的开关，具有非此即彼的特性。
所有这些参数都是只读型（RO）或是可读写型（R/W）。
MENTORⅡ根据参数的用途，可将其分成17个菜单，设置是一目了然，非常方便，参数采用与功能相关的多菜单结构，以便快速和有规律的访问任何参数
序号
说明
00
用户菜单，快速存取常用参数
09
状态输出
01
速度给定，选择给定电源和限制
状态逻辑和故障信息
02
加速和减速斜波函数
辅助功能
03
速度反馈选择和速度环
可编程阙值
04
电流选择各级限制
13
数字锁定
05
电流环
14
MD29系统设置
升级会员 