圆棒铝锭切割控制系统的设计综述Word文档下载推荐.docx
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装备制造业是为国民经济各行业以及国防建设提供装备的战略性产业，是国家综合实力的集中体现。
其中机床制造业在装备制造业占有重要地位，而数控机床又是机床制造业中高附加值的核心产品，机床的自动化程度，对机床的加工速度、加工效率、加工精度等性能影响比较大，也是机床划分档次的一个重要参数。
所以应该加快机床产品数控化发展步伐，数控系统作为数控机床的“心脏”，起到了全关重要的作用。
20世纪50年代末起至今是综合自动化时期，这一时期空间技术迅速发展，迫切需要解决多变量系统的最优控制问题。
于是诞生了现代控制理论。
“自动化（Automation）”是美国人D.S.Harder于1936年提出的他认为在一个生产过程中，机器之间的零件转移不用人去搬运就是“自动化”。
自动化的概念是一个动态发展过程。
过去，人们对自动化的理解或者说自动化的功能目标是以机械的动作代替人力操作，自动地完成特定的作业。
这实质上是自动化代替人的体力劳动的观点。
后来随着电子和信息技术的发展，特别是随着计算机的出现和广泛应用，自动化的概念已扩展为用机器（包括计算机）不仅代替人的体力劳动而且还代替或辅助脑力劳动，以自动地完成特定的作业。
自动化的广义内涵至少包括以下几点：
在形式方面，制造自动化有三个方面的含义：
代替人的体力劳动，代替或辅助人的脑力劳动，制造系统中人机及整个系统的协调、管理、控制和优化。
在功能方面，自动化代替人的体力劳动或脑力劳动仅仅是自动化功能目标体系的一部分。
自动化的功能目标是多方面的，已形成一个有机体系。
在范围方面，制造自动化不仅涉及到具体生产制造过程，而是涉及产品生命周期所有过程。
1.2设计任务、设计要求及设计参数
一、设计任务
1、熟悉题目要求，查阅相关科技文献
2、方案设计（包括方案论证与确定、技术经济分析等内容）
3、硬件和软件设计（其中还包括理论分析、设计计算、实验及数据处理、设备及元器件选择等）
4、撰写设计说明书（毕业论文），绘制图纸
5、指定内容的外文资料翻译
6、其它
二、毕业设计（论文）的主要内容、功能及技术指标
毕业设计（论文）的主要内容
查阅资料，按任务要求设计方案，确定PLC控制系统的配置，完成硬件设计，完成梯形图与软件流程的设计及仿真，设计控制系统的组态王，并撰写设计说明书。
设计实现的主要功能：
主要设计部分包括：
（1）上料装置设计；
（2）送料装置设计；
（3）专用夹具设计；
1、控制要求
接通电源后，圆棒铝锭切割机自动复位→上料装置上料→圆棒铝锭运动到锯片的位置→液压压紧装置将圆棒铝锭压紧→切割机动作→切割完成后切割机上升→料头料尾翻转机构动作→圆棒铝锭送至下料装置。
2、通过组态实现上位监控；
主要技术指标
（1）系统的电源为220V/50HZ的工频交流电。
（2）PLC的型号：
FX系列PLC
（3）切割机选用带锯；
（4）锯片往复一个周期的时间；
（5）铝锭经过每个工艺时会有限位开关，然后做出相应的动作。
1.3基于PLC圆棒铝锭切割系统的提出
日前锯切在很多行业都有应用，采用的数控系统多种多样，采用的技术也是多种多样。
通过阅读锯切的文献得到目前采用的技术主要是采用PLC作为核心处理器、采用单片机作为核心处理器、采用DSP作为核心处理器、采用PC为核心处理器等形式。
（1）采用16位单片机作为核心处理器，设计了基于单片机的定尺飞锯切割机控制系统，采用了增量式光电编码器来实现位置的检测，80C196KB单片机采用增量式位置PID控制算法，通过计算钢管定尺点与锯片的位置差来判断锯车的启动、加速。
（2）采用DSP芯片为控制器设计了采用DSP的定尺飞锯控制系统。
他在比较指数加减速、直线加减速、S曲线加减速等电机加减速控制策略的基础上提出了一种基于多项式逼近的三角函数加减速速度控制策略，采用矢量控制算实现变频器控制。
在基于T1公司TMS230F2407芯片为核心处理器设计了飞锯控制器采用液晶显示屏为上位机界面显示。
（3）采用PLC与E位机作为系统的核心，设计新型数控仿形锯切机的控制系统，首先利用工业计算机（PC）对要加的数据进行处理，当上位机处理完的运算结果与控制信息发送到PLC中，然后PLC给执行元件发出控制指令，控制变频器、伺服驱动器等执行元件工作，最后控制锯片进行锯切加工。
检测传感器实时检测状态，然后将信息反馈给上位机，上位机经过程序处理后，再发出相应指令，实时的控制执行机构运动。
同时上位机采用图形显示的形式显示状态，方便操作人员实时监控设备。
在分析往复锯切机的进给运动与传动运动的规律机床上，设计了以工控机、运动控制卡、步进电机为硬件基础的数控曲线往复锯机的专用数控系统，PC机根据锯切加工要求发出相应控制指令，然后根据锯切命令向各进给电机发出控制信号，控制驱动器控制电机运动与定位，同时上位机PC检测运动控制卡的各种状态信号，进行诊断和处理。
在分析锯切加工设备的市场与目前铝锭加工设备数控系统采用的技术，本文开发一种基于PLC的经济性数控系统，既能解决目前加工设备的数控程度低的问题，又能提高铝锭加工速度、加工精度等性能指标。
通过市场调研与分析开发这样的专用行业数控系统，具有较好的学术意义与社会意义。
通过前面调研与分析无论是国内的还是国外的锯切机床人机交互都比较差，针对这个问题可以设计上位监控系统，减轻工人的劳动强度。
增加系统操作方便性。
1.4论文主要工作
本文是在相关文献的查阅与深入到企业考察与调研的基础上，针对目前铝型材锯切机床的现状，综合比较相关技术后采用PLC作为控制核心开发的铝锭锯切数控系统。
该控制系统主要研究一下几个部分：
（1）铝锭切割控制系统的电气部分设计：
通过对铝锭切割控制系统的工艺的分析，圆棒铝锭的切割工艺过程如下：
首先上料机械手将生产好的铝锭送到给进单元即前辊道，前辊道检测到铝锭后开始向前运动，铝锭运动到锯片的位置时停止，夹紧装置动作，铝锭固定后，锯切机动作，完成切割动作，切割完成后，夹紧装置动作松开铝锭，继续由前辊道向后辊道输送，同时切下的料头料尾翻转机处理，后辊道检测到铝锭时，后辊道动作，并由定长装置控制铝锭的长度，运动到定长限位时，夹紧装置动作，固定好铝锭，锯切机动作将料尾切掉，切割完成后由下料机械手下料，这样就完成了铝锭的定长切割。
通过对铝锭切割工艺的分析，画出铝锭切割的电气主接线图。
（2）铝锭切割控制系统的软件部分设计：
在对铝锭切割工艺的了解之后，画出PLC的I/O分配表，并在三菱编程软件GX-DEVELOPER下编写程序，实现控制。
（3）铝锭切割控制系统的上位监控设计：
完成铝锭切割控制系统的硬件设计和软件设计之后，在组态王环境下实现上位监控。
1.5本章小结
本章主要介绍了课题的背景意义，对国内外铝锭加工设备的发展状况进行了概述，分析了未来铝型材切割加工设备的发展趋势，同时也根据相关研究综述了目前切割数控系统采用的技术与方法，在分析目前我们的铝锭加工设备的市场前景以及现在存在的问题，提出了一种基于PLC为控制核心的圆棒铝锭切割机控制系统。
第二章圆棒铝锭切割控制系统的总体方案设计
2.1圆棒铝锭切割控制系统的结构
圆棒铝锭锯切机床主要是由机械本体与数控系统构成，其中机械部分结构示意图如图2-1所示。
机械部分主要是锯床，锯床主要部件有底坐、床身、立柱；
锯梁和传动机构；
导向装置；
工件夹紧；
张紧装置；
送料架；
液压传动系统；
电气控制系统；
润滑及冷却系统；
机床切割锯头、机床床身、丝杠导轨等组成。
铝型材锯切机床的运动主要是分为主运动与进给运动，主运动是电机带动锯片转动，实现切割功能。
锯切机床的切割机头可以随着工作台一起运动。
铝型材锯切机床上电后进行系统初始化，第二步机床工作时操作人员控制数控系统读取加工程序，第三步数控系统根据程序要求发送驱动命令给伺服单元，伺服单元控制电机运动带动锯切机头运动到程序控制的位置，第四步数控系统再发送命令控制锯片切割型材，实现一个锯切流程。
在进给运动中电机驱动辊道运行。
2.2圆棒铝锭锯切数控系统技术要求
传统意义上的金属锯切常被认为是简单的切断下料工序，随着现代制造工业朝着高效、高精度和经济性的方向发展，锯切作为金切加工的起点，已成为零件加工过程中重要的组成环节。
锯切可以节约材料，减少二次加工量和提高生产效率，因此锯床特别是自动化锯床已广泛地应用于钢铁。
机械、汽车、造船、石油、矿山和航天等国民经济各个领域。
金属带锯床作为机械加工制造的第一道工序所需设备，其加工精度和自动化程度直接关系到后续工序的效率和质量。
本文设计的液压金属带锯床在工作过程中，锯头的上升、下降、锯切材料的夹紧、松开，及送料过程全部通过液压系统驱动和PLC自动控制实现。
本课题通过让学生对液压带锯床机械传动系统的学习，对液压传动系统及控制系统的综合设计，使其进一步巩固所学专业知识，理解PLC的设计思路，培养对PLC的分析解读能力，培养初步的数控机床的设计能力，为以后工作打下一定的基础。
综合考虑各方面要求，提出铝锭数控锯切系统技术要求：
本设计是针对卧式带锯机床设计的，最大切割尺寸410mm，采用变频电机控制切割速度。
设计的基本参数如表1-1所示：
表1-1本设计中锯床的基本参数
序号
基本参数
单位
规格
1
最大切割规格（最大直径）
mm
ø
410
2
带锯条规格（宽度×
厚度×
长度）
34×
1.06×
4585
3
锯轮直径
530
4
锯条速度
m/min
20/35/50/70
5
主电机功率
KW
4.0
6
液压电机功率
1.5
7
冷却电机功率
0.09
数控锯切系统技术要求:
（1）系统的电源为220V/50HZ的工频交流电。
（2）PLC的型号：
（3）切割机选用管排锯；
（4）锯片往复一个周期的时间；
（5）铝锭经过每个工艺时会有限位开关，然后做出相应的动作。
2.3圆棒铝锭切割控制系统方案设计
方案一：
基于单片机的定尺飞锯切割机控制系统，采用了增量式光电编码器来实现位置的检测，80C196KB单片机采用增量式位置PID控制算法，通过计算钢管定尺点与锯片的位置差来判断锯车的启动、加速。
方案二：
采用DSP芯片为控制器设计了采用DSP的定尺飞锯控制系统。
在比较指数加减速、直线加减速、S曲线加减速等电机加减速控制策略的基础上提出了一种基于多项式逼近的三角函数加减速速度控制策略，采用矢量控制算实现变频器控制。
方案三：
采用PLC为控制核心实现数控系统的方案
该方案是采用PLC来实现所有的数控功能，主要完成技术要求的功能要求，限位开关还有传感器检测信息通过PLC实现圆棒铝锭的定长切割。
该方案采用流水线工作模式，理解简单，并且可以方便的在现场进行程序的更改，丰富的诊断功能，迅速的排除故障，多种监控及调试功能，并可通过网络完成。
综合分析课题技术要求与上述三种方案，以及目前锯切机床的技术开发平台，我们采用第三种方案。
利用PLC为控制核心的数控机床的方法，开发经济性铝锭锯切数控系统，开发的这种数控系统采用流水线的设计思想，便于后续功能的扩展及满足开放性要求。
方案中数控系统具有人际交互界面显示功能，能够清晰的显示加工信息与加工状态，方便操作
2.4本章小结
本章主要是对铝锭锯切机床的工作原理进行详细介绍，然后根据目前圆棒铝锭锯切机床的技术水平与发展趋势提出了铝锭锯切数控系统的技术要求，根据这一要求提出了系统的整体设计方案，适合铝锭锯切机床的功能要求与技术创新。
第三章圆棒铝锭切割控制系统的组成及硬件设计
硬件是数控系统实现其功能的基础，硬件设计的好坏关系到系统的稳定性与可靠性，以及系统的抗干扰能力。
在硬件设计之前，首先要按照系统设计方案的要求，选择实现该模块功能的元件。
本章主要是按照系统方案对系统的各个模块进行分析与设计。
3.1圆棒铝锭切割控制系统的组成
圆棒铝锭切割控制系统的组成单元包括：
上料装置、前辊道送料装置、锯切系统、冷却系统、液压系统、后辊道送料装置、下料机械手。
机械部分：
主要部件有：
底坐、床身、立柱、锯梁和传动机构、导向装置、工件夹紧、张紧装置、送料架、床身是焊接结构用以支撑机床的各个部件，并将机床紧固在地基上。
工作台紧固于床身上面,位于工作台面上的虎钳,在其夹紧油缸的作用下,沿水平方向运动以夹紧或松开工件。
液压、冷却系统：
液压系统由泵、阀、油缸、油箱、管路等元辅件组成的液压回路，电气控制系统；
液压装置设在机床的左侧面,液压泵、液压阀、集成块均安装在床身上。
冷却:
本设计中的冷却液冷却系统由冷却池、冷却电泵和管路组成。
将冷却液倒入床身冷却液箱内,直至冷却液油标3/4高度为止。
注意:
冷却箱内没有冷却液时,不允许启动冷却泵,并要定期检查冷却液油标高度、清洁度。
电气控制系统：
电气箱、控制箱、接线盒、行程开关、电磁铁等组成的控制回路，用来控制锯条的回转、锯梁的升降、工件的夹紧等，使之按一定的工作程序来实现正常切削循环。
机床所用电源为3~50hz380v。
机床设置的SQ6为带锯条下降位行程开关,SQ8为锯条上升位行程开关。
锯架：
锯架为一个“凹“形焊接结构,整个锯架与垂直进刀方向成35°
倾斜,右端背面与蜗轮箱相连接。
主动锯轮安装在蜗轮减速机的输出轴上,从动锯轮位于锯架的左端。
在两锯轮中间两导向臂,右导向臂固定,左导向臂可以沿其导轨面横向滑动,随工仵大小而调整。
锯条导向座起到将锯条垂直于工作台面,扭转的同时,给锯条以适当的压力。
扭转是以左右两对（共计四个）“导轮”进行预约束,再用两对“移动、固定导向块”夹住,保持垂直度。
另外,在导向座内,有浮动“支撑滚轮”,支撑锯条的背部。
立柱安装在床身上,锯架滑套紧固在锯架凹处右端,锯架沿立柱外圆做升降运动。
为保证机床上下运动的稳定性,在另—端装有辅助支撑导柱,锯架的升降可以实现锯切工作的进给和退刀。
托料架:
该装置位于工作台后方,送料时托料辊在油缸作用下向上升起的同时,将被切材料托起,起辅助送料作用,当被切材料需要微动时,可通过该装置上的手轮调整。
锯床以圆锯片、锯带或锯条等为刀具，锯切金属圆料、方料、管料和型材等的机床。
锯床的加工精度一般都不很高，多用于备料车间切断各种棒料、管料等型材。
由主动轮和从动轮带动锯条运转，锯条断料方向由导轨控制架控制。
通过调整自转轴承将带锯条调正调直经过扫削器将锯削扫掉。
由液压油缸活塞杆支撑导轨控制架下落进锯断料，带锯床上装有手动或液压油缸夹料锁紧机构，以及液压操作阀开关等。
1、几种常用锯床的介绍
（1）圆锯床：
圆锯片作旋转的切削运动，同时随锯刀箱作进给运动，圆锯床按锯片进给方向又分为卧式（水平进给）、立式（垂直进给）和摆式（绕一支点摆动进给）3种。
此外还有各种专用圆锯床，如用于切割大型铸件浇冒口的摇头锯床；
用于钢轨锯切和钻孔的锯钻联合机床。
（2）带锯床
：
环形锯带张紧在两个锯轮上，并由锯轮驱动锯带进行切割。
带锯床主要有立式和卧式两种。
立式带锯床的锯架垂直设置，切割时工件移动，用以切割板料和成形零件的曲线轮廓，还可把锯带换成锉链或砂带，进行修锉或打磨。
卧式带锯床的锯架水平或倾斜布置，沿垂直方向或绕一支点摆动的方向进给，锯带一般扭转40°
，以保持锯齿与工件垂直。
卧式又分为剪刀式、双立柱、单立柱式带锯床；
根据使用情况分为手动型（经济型手动送料手动切割物料）、自动型；
根据使用控制器的自动化程序可分为手动型（半自动手动送料）全自动型（自动送料自动切割）；
根据切割角度要求分为角度锯床（能锯切角度90度45度）无角度即90度垂直切割。
（3）弓锯床
装有锯条的锯弓作往复运动，以锯架绕一支点摆动的方式进给，机床结构简单，体积小，但效率较低。
弓锯床锯条的运动轨迹有直线和弧线两种。
弧线运动时锯弓绕一支点摆动一小角度，每个锯齿的切入量较大，排屑容易，效率较高，新式弓锯床大多采用这种方式。
2、锯床的机械结构
锯床主要部件有底坐；
床身、立柱；
底座
底座为钢板焊接而成的箱形结构,床身、立柱固定其上，圆锯床底座内腔有较大空间，前左侧为电气按钮控制箱，右侧为电气配电板箱，中间由钢板焊成的液压油箱，腔内装有液压泵站，液压管路，右侧为冷却切削液箱及水泵，底四角有地脚螺栓孔。
床身：
床身为铸铁件，固定在底座上，立柱由一大小圆柱组成，大圆立柱作为锯架动的导轨，是用以支撑锯梁上下升降运动，并保证精确的导向，小圆柱起辅助作用，从而保证锯条的正常切削。
中间为夹料虎钳和手动送料机构，虎钳前方连接有承接成品件的工作台，左侧的夹紧装置为夹紧丝杆穿过液压夹紧油缸杆内孔，转动手轮或按动按钮，使左钳口左右运动。
锯梁和传动机构
由厚钢板切割成形焊接而成，具有较强的刚性，其右后侧固定有蜗轮箱，箱内的蜗轮与锯梁上面的主动轮固接，二者同步旋转，左侧为被动轮和锯条张紧位置。
锯条的回转运动由主电机、皮带轮、蜗轮付经两级变速将驱动为传递到主动轮，再由主动轮、锯条驱动被动轮来实现的，锯条运转速度共三档。
锯条导向装置
安装在锯梁支板的导向装置由左、右导向臂与导向头组成，左、右导向臂都可沿燕尾榫移动（或右导向臂固定在立柱套上），调整两导向臂间距离比工件尺寸宽40mm左右。
导向装置用于改变锯条的安装角，使锯条与工作台垂直，为保证锯条的切削精度，减少振动，在左右导向臂各装有一组导向轮（滚动轴承）和耐磨的导向块，锯条背部也有耐磨合金的导向块。
夹紧机构
右虎钳固定在床身上，夹紧丝杆穿过液压夹紧油缸内孔，液压锯床由丝杆连接左虎钳沿导轨左右移动，当左虎钳距离工件10-30MM时连接。
手按控制面板的钳紧或钳松按钳，使工件夹紧或松开。
张紧装置：
张紧装置是由滑板座、滑板、丝杆等组成，当要将锯条张紧时，用扭力扳手按顺时针方向旋转可张紧锯条，处于工作状态。
如锯床处于长时间停机
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