M7163型平面磨床电气原理设计.docx

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M7163型平面磨床电气原理设计

西南林业大学

本科毕业（设计）论文

（2016届）

题目：

M7163型平面磨床电气原理设计

教学院系机械与交通学院

专业机械设计制造及其自动化

学生姓名冯志超

指导教师李玮（教授）

评阅人

2016年3月24日

M7163型平面磨床电气原理设计

冯志超

（西南林业大学机械与交通学院云南昆明650224）

摘要；磨床是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床，随着科学技术的不断发展和机械零件加工精度及其表面粗糙度的要求日益提高, 磨削加工技术作为一种先进的制造技术在生活中占有重要地位。

据欧洲机床展览会（E MO）的调查数据表明，磨床在企业中占机床的比例高达42%是制造工业中最主要的加工技术之一：

因此，在对制造技术中数控磨削的研究升级等是必不可少的。

本论文主要讨论了M7163型平面磨床电气原理设计的升级，本机床采用砂轮周边磨削工件平面的机床，亦可用砂轮的端面适当的带磨工件的垂直面。

在磨床原有的动作基础上对磨床工艺要求和电气原理的改造，使磨床的磨削工件时机床的整体性能更加稳定、人性化、一人多机操作、多模式转换下保持位置精度等。

关键词：

磨床；电气原理；加工工艺

ElectricalprincipledesignofM7163typeplanegrinder

FengZhichao

（CollegeofmechanicalandtransportYunnanSouthwestForestryUniversityKunming650224）

Abstract：

Grinderisusingabrasivegrindingmachinetoolontheworkpiecesurface,withthescienceandtechnologyofthecontinuousdevelopmentandmechanicalpartsmachiningaccuracyandsurfacedegreeincreasing,thegrindingtechnologyasakindofadvancedmanufacturingtechnologyinlifeoccupiesanimportantposition.AccordingtotheEuropeanMachineToolExhibition（eMo）surveydatashow,grinderinenterprisesaccountedformachinetoolsproportionreachesashighas42%isthemanufacturingindustryinthemainprocessingtechnologyoftherefore,isessentialintheresearchupgradesofmanufacturingtechnologyinNCgrinding.

ThispapermainlydiscussestheupgradeoftheelectricalprincipledesignoftheM7163typeplanegrinder.Thismachineadoptsthegrindingwheelperipheralgrindingmachinetool,alsocanusetheendfaceofthegrindingwheeltoweartheverticalsurfaceoftheworkpiece.Intheoriginalgrindingactionbasedongrindingprocessrequirementsandtheprincipleofelectricaltransformation,thegrindingmachineworkpieceintheoverallperformanceofthemachinemorestable,humanization,amultimachineoperation,multimodeconversiontomaintainpositionprecision.

keyword：

Grindingmachine;electricprinciple;processingtechnology

1绪论

1.1概述

磨床是利用磨具或磨料对工件表面进行磨削加工的机床。

磨具旋转为主运动，即磨床启动时磨具的旋转方向，工件或磨具的移动为进给运动；磨床具有加工精度高、加工零件的表面粗糙度小等优点，因此，磨床在制造业中被广泛用于对工件的初加工和精加工。

现代制造业正从降低劳动力成本、提高产品质量、增强企业整体生产效率的竞争中出发，在发展到全面满足顾客需求、积极开发新产品、造自动化技术的紧密结合。

但是随着知识、技术、产品的升级周期越来越短，产品批量越来越小，顾客对质量、性能的要求更高；同时社会对环境保护、绿色制造、能源的节约加强等；磨床的各项创新和研发在先进的制造技术将会成为企业赢得竞争的重要途径。

1.2现有磨床工艺及类型

1.2.1现有磨床的工艺特点

现有磨床具有的工艺特点有以下几点：

（1）磨头的切削工具是由无数细小、坚硬、锋利的金属磨粒结合而成的多刃工具，并且做高速旋转的主运动。

（2）万能型强，适应性广，它能加工其他普通机床不能加工的材料和零件，尤其适用于加工硬度很高的淬火钢件或其他高硬度材料。

（3）磨床范围广，由于高速磨削和强力磨削的发展，磨床已经扩展到零件的粗加工领域和精密毛坯制造领域，很多零件可以不必经过其他加工而直接由磨床加工成品。

（4）磨削加工余量小，生产效率较高，更容易实现自动化和半自动化，可广泛用于流水线和自动线加工。

（5）磨削精度高，表面质量好，可进行一般普通精度磨削，也可以进行精密磨削和高精度磨削加工。

1.2.2现有磨床的类型

磨床的的种类很多，按用途和工艺方法的不同可以分为以下几类：

（1）内圆磨床，有内圆磨床、无心内圆磨床及行星内圆磨床。

（2）外圆磨床，主要磨削回转表面，有万能外圆磨床、外圆磨床及无心外圆磨床分为普通外圆磨床等。

（3）平面磨床，用于磨削各种平面，有卧轴矩台平面磨床、立轴矩台平面磨床、卧轴圆台平面磨床等。

（4）刀具磨床，用于磨削各种工具，如样板或卡板等。

有工具曲线磨床、钻头沟槽磨床、卡板磨床等

（5）刀具、刀刃磨床，用于磨削各种切削刀具，有拉刀刃磨床及滚刀刃磨床等。

（6）专门磨床，专门用于磨削一类零件，有曲轴磨床、凸轮轴磨床等。

（7）研磨机，以研磨剂为切割工具，用于对工件进行光整加工，以获得很高的精度和很小的表面粗糙度。

（8）其他磨床，有抛光机、超精加工机床及砂轮机等。

本论文课题研究的磨床M7163属于卧轴矩台平面磨床。

1.2.3磨床的发展趋势

制造业是一个传统的行业，古代的马车和各种工具等都是机械制造的范围，随着社会的发展逐渐进步，制造业的自动化、智能化的成度也越来越高。

近代制造业兴起于十八世纪30年代，为了适应钟表、自行车、缝纫机和枪械等零件淬硬后的精度加工，德国和美国分别研制出使用天然磨料砂轮的磨床，这些磨床是利用当时现成的机床如车床、刨床等上面加装磨头改制而成的。

由于这些磨床磨削时易产生振动而无法磨削出精度高的工件表面，后来研发出了液压传动磨床，这对磨床的发展起到很大的推动作用。

随着近代工业特别是汽车工业的发展，各种不同类型的磨床相继问世，如凸轮轴磨床和带电磁吸盘的活塞环磨床、镜面磨削的高精度外圆磨等的出现。

平面磨床相对于车床，铣床等采用数控系统较晚，是因为它对数控系统的特殊要求。

平面磨床的许多问题还没有得到更好的解决，如砂轮的连续修整、自动补偿、自动交换砂轮等些都是攻克难点；随着近些年的不断努力，这下难点度在一一的得到解决，在多工作台、自动传送和装夹工件等操作功能得以实现，数控技术在平面磨床上的逐步普及。

数控磨床个制造也中已占大多数，全功能的数控平面磨床已经成为主流。

1.3PLC、人机界面的现状及发展趋势

1.3.1PLC发展现状

经过30多年的发展PLC已十分成熟与完善，在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，应用情况大致可归纳为如下几类：

（1）开关量的逻辑控制，这是可编程序控制器最基本和最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。

（2）模拟量控制，在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。

（3）运动控制，可编程序控制器可以用于圆周运动或直线运动的控制。

能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

（4）过程控制，过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。

1.3.2人机界面的简介

人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存储单元等，其中处理器的性能决定了HMI产品性能的高低，是人机界面的核心单元，根据HMI的产品等级不同，处理器可分别选用8位、16位、32位的处理系统。

人机界面软件一般分为两部分，即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC机操作系统下的画面组态软件。

使用着都必须先使用HMI的画面组态软件制作“工程文件”，在通过PC机和HMI产品的串口通讯，把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。

人机界面是指人和机器在信息交换和功能上接触或互相影响的领域或称界面所说人机结合面，信息交换，功能接触或互相影响，指人和机器的硬接触和软触，此结合面不仅包括点线面的直接接触，还包括远距离的信息传递与控制的作用空间。

人机结合面是人机系统中的中心环节，主要由安全工程学的分支学科安全人机工程学去研究和提出解决的依据，并过安全工程设备工程学，安全管理工程学以及安全系统工程学去研究具体的解决方法手段措施安全人机学。

它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。

凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。

1.3.3PLC、人机界面的发展趋势

（1）PLC发展趋势

PLC发展至今已有近40年的历史，随着半导体技术、计算机技术和通信技术的发展，工业控制领域已有翻天覆地的变化，PLC亦一样，随着PLC应用领域日益扩大，PLC技术及其产品结构都在不断改进，功能日益强大，性价比越来越高。

及其产品结构都在不断改进，功能日益强大，性价比越来越高。

目前PLC推广的难度之一就是复杂的编程使得用户望而却步，而且不同厂商PLC所有编程的语言也不尽相同，用户往往需要掌握更多种编程语言，难度较大。

PID控制、网络通信、高速计数器、位置控制、数据记录、配方和文本显示器等编程和应用也是PLC程序设计中的难点，用普通的方法对它们编程时，需要熟悉有关的特殊存储器的意义，在编程时对它们赋值，运行时通过访问它们来实现对应的功能。

这些程序往往还与中断有关，编程的过程既繁琐又容易出错，阻碍了PLC的进一步推广应用。

PLC的发展必然朝着操作简化对复杂任务的编程，在这一点上西门子就充当了先行者，西门子S7-200的编程软件设计了大量的编程向导，只需要在对话框中输入一些参数，就可以自动生成包括中断程序在内的用户程序，大大方便了用户的使用。

（2）人机界面发展趋势

目前国内的自动化产业，一些原本不用人机界面的行业，现在也开始使用人机界面了，这说明人机界面已经成为客户体验的不可缺少的一部分，人机界面的用户界面能更好地反映出设备和流程的状态，并通过视觉和触摸的效果，带给客户更直观的感受。

有些机械行业，比如说机床、纺织机械等行业，在国内已经发展有几十年的历史了，相对来说属于比较成熟的行业，从长远看，这些行业还存在着设备升级换代的需求。

在这个升级换代的过程中，确实会有一些小的、一直使用比较低端产品的厂家被淘汰掉，但也有很多企业在设备更新过程中，将需求重新定位，去寻找那些能够符合他们发展计划，帮助他们提高自身生产力的设备供应商。

1.4课题研究的意义及任务

1.4.1M7163磨床课题的研究意义

M7163平面磨床的研究意义在于把原有的磨床的全手动式操作、模式选择的单一性、一名工人只能操作一台机床、磨削工件时的不稳定、企业的生产效率得不到提升，劳动力得不到合理的利用等的原因下对M7163进行工艺要求及电气原理设计的改造。

例如原有磨床的Z轴、Y轴原有的普通三相电机改为伺服电机，并可以使Y轴、Z轴快速移动的功能，保留原有的X轴的液压往复运动，速度调节适用床身工作台下方。

为磨床增加全自动的数控模式，达到一人操控多台机床的，有效保满足当前社会及工业要求的合理使用劳动力；磨床还保留原有平面磨床的手动操作，使M7163磨床可以对一些要求特殊磨削的工件进行加工。

同时，磨床的电气原理采用了PLC、PLC模拟量的输入输出、伺服等达到更加精确的控制。

1.4.2M7163磨床课题的任务

（1）原有磨床的磨削加工动作及电气原理的认识

（2）原有磨床的存在的优缺点及加工工艺

（3）怎样改进磨床的缺点

（4）设计改进后的磨床电气原理图

2磨床改造的整体设计

2.1原有磨床整体结构

2.1.1原有磨床的机械结构

M7163磨床采用砂轮周边磨削工件平面的机床，亦可用砂轮的端面适当的带磨工件的垂直面。

机床加工范围宽800mm，长1600mm，高600mm。

磨削工件时，按工件的不同可将其吸牢在电磁吸盘上，或直接固定在工作台上，亦可用其它夹具夹持磨削。

图2-1M7163磨床整体图

磨床装置3轴，分别为纵向X轴、垂直Y轴、横向Z轴；工作台纵向（X轴）运动为液压驱动，工作台纵向运动配置了独立液压站，独立液压站消除了机床由于液压油的温升引起的机床变形，控制夹持工件加工平面的左右移动。

磨头在拖板上的横向（Z轴）运动为滚珠丝杆驱动，亦可手动，并有自动互锁装置。

拖板（连同磨头）安装在立柱矩形导轨上，上、下垂直（Y轴）运动具有手动进给和机动（快速升降）功能，并有互锁装置，并配置平衡重锤。

2.1.2原有磨床面板操作

图2-2操作面板图

（1）磨削工件放在磨削工作台时，打开平面磨床电源总开关，当面板的电源指示等亮时表示面板电源接通。

（2）把电磁吸盘开关拨到“开”时吸盘充磁电源接通。

（3）把吸盘充磁三挡开光打到“吸盘充磁”挡时开始给工件充磁，当充磁指示灯亮时表示充磁完成。

如果充磁指示灯不亮，则表示没有完成充磁，垂直方向的磨头则不能上、下移动。

（4）按下面板上的“油泵启动”按钮时可以通过手轮来调节工作台的进给。

（5）把面板上的照明灯开关打到“开”，用于加工工件时的照明。

（6）按下“砂轮启动”按钮砂轮开始旋转，则可以根据加工工件的位置形状来等选择“磨头移动速度调节”、“连续”、“断续”来选择磨头移动速度。

（7）通过“磨头向前”、“磨头向后”、“磨头快速上升”、“魔头快速下降”即可完成对魔头位置的移动。

（8）调整磨头到适合工件磨削位置时按下“冷却泵启动”，当冷却液浇在砂轮上时，磨削加工的前期准备已经就绪，可以进行工件的磨削。

2.1.3原有磨床缺陷

原有平面磨床M7163随着制造业和计算机的快速发展，工业上很多控制系统融入了可编程控制技术和人机界面技术，原有磨床已经不能满足现在的需求，不能更好的提高企业的工作效率。

原有的M7163磨床是一台传统的磨削机床，磨床的操作模式单一、加工操作要求高、加工精度低等；而却一名工人只能操作一台机床，这就使的工作效率得不到提升，不能达到“一人多机操作”的理念。

原有磨床M7163的缺陷有：

（1）磨头走刀量大、速度快，使磨头在磨削对刀时容易损坏磨头或者工件。

（2）操作模式单一，即只能工人手动操作，加工时得有工人一直在手磨床动操作，这就使得生产效率降低。

（3）磨床的Y轴、Z轴为普通三相电机，不能提高对工件的加工精度。

（4）磨床为传统机床，磨床的操作面板复杂却不易操作，不能满足现代工业中的人性化与智能化等。

（5）磨床程序对应的工件加工相对单一，不能更好的解决一些加工中的实际问题。

2.2升级磨床的整体结构

2.1.1升级磨床的优点

升级后的M7163磨床基于原有机床的动作基础上，升级改进的是磨床的程序控制的升级。

升级后的磨床更加的适应于现代化制造业的生产环境，使企业的生产效率得到很大的提升，对于磨床的加工精也得到提高，升级后的M7163的特点有：

（1）保留原有X轴的液压往复运动，速度调节适用床身工作台下方，手动保留，独立液压站消除了机床由于液压油的温升引起的机床变形，床身内部油池中仅为润滑回油，与导轨摩擦升温平衡，有效的减小了机床的热变形。

（2）把磨床原有的Y轴、Z轴使用伺服电机，这样就可以使磨削对刀等的速度稳定、定位精确。

。

（3）多模式转换下保持位置精度和不易丢失。

（4）模式选择，升级后的M7163把数控和手动操作相结合，为方便磨床的磨削不同工件时进行适当选择磨削操作。

（5）在操作面板上增加人机界面，这使得面板的操作更加的人性化和智能化。

（6）面板上增加“模式选择”多档开关，其中新增“回零”、“手动”、“手轮”、“补刀”，保留原来的“连续”、“断续”。

2.1.2升级磨床操作面板

升级后后的面板如图2-3所示，操作面板改成数控系统磨床的面板，比起原来的操作面板除了基本操作外，加了模式选择控制，多了回零、手动、手轮、修刀等模式。

还加了一个7寸的触摸屏，可柔性编程，参数可设，时时监控目标位置，操作更方便，更人性化。

图2-3升级操作面板

3PLC、人机界面选型

3.1PLC选型

3.1.1PLC的选型原则

在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。

工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。

PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配臵及功能应与装臵规模和控制要求相适应。

熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。

3.1.2I/O分配表

根据具体控制要求PLC的I/O分配表如表3-1所示

名称

类型

IO地址

注释

X1_SV1YZX

BOOL

0.00

Y轴Z相

X1_SV2ZZX

BOOL

0.01

Z轴Z相

X1_SV1Rdy

BOOL

0.02

Y轴准备好

X1_SV1ALM

BOOL

0.03

Y轴伺服报警

X1_SV2Rdy

BOOL

0.04

Z轴准备好

X1_SV2ALM

BOOL

0.05

Z轴伺服报警

X1_SQY+

BOOL

0.06

Y轴+正限

X1_SQY-

BOOL

0.07

Y轴-负限

X1_HW_HA

BOOL

0.08

手脉A相信号

X1_HW_HB

BOOL

0.09

手脉B相信号

X1_SQY0

BOOL

0.10

Y轴0限位

X1_SQZ+

BOOL

0.11

Z轴+限位

X1_SQZ-

BOOL

1.00

Z轴-限位

X1_SQZ0

BOOL

1.01

Z轴0限位

X1_SB10

BOOL

1.02

液压启动

X1_SB11

BOOL

1.03

液压停止

X1_SB12

BOOL

1.04

充磁

X1_SB13

BOOL

1.05

机床照明

X1_SB14

BOOL

1.06

磁盘关

X1_SB15

BOOL

1.07

磁盘开

X1_SB16

BOOL

1.08

冷却启动

X1_SB17

BOOL

1.09

冷却停止

X1_SB18

BOOL

1.10

退磁

X1_SB20

BOOL

1.11

Z轴-

X1_SB21

BOOL

2.00

Y轴+

X1_SB22

BOOL

2.01

快速

X1_SB23

BOOL

2.02

Y轴-

X1_SB24

BOOL

2.03

Z轴+

X1_SB30

BOOL

2.04

磨头启动

X1_SB31

BOOL

2.05

磨头停止

X1_SB32

BOOL

2.06

坐标清零

X1_ST0

BOOL

2.07

急停

X1_SB1

BOOL

2.08

报警复位

X1_SA1A

BOOL

2.09

模式选择

X1_SA1B

BOOL

2.10

模式选择

X1_SA1C

BOOL

2.11

模式选择

X1_SB2

BOOL

3.00

循环启动

X1_SB3

BOOL

3.01

循环暂停

X1_QMALM

BOOL

3.02

空开报警

X1_SB11

BOOL

3.03

欠磁保护

X1_SL1

BOOL

3.04

润滑低位

X1_SL2

BOOL

3.05

润滑高位

X1_HM_Y

BOOL

3.06

手脉Y轴

X1_HM_Z

BOOL

3.07

手脉Z轴

X1_HM_X10

BOOL

3.08

手脉X10

X1_HM_X100

BOOL

3.09

手脉X100

X1_SQA

BOOL

3.10

换向检测

X1_SQB

BOOL

3.11

X轴运动检测

名称

类型

DO地址

注释

Y1_SV1_Dir

BOOL

100.00

伺服1方向

脉冲0

Y1_SV1_Puls

BOOL

100.01

伺服1脉冲

脉冲0

Y1_SV2_Dir

BOOL

100.02

伺服2方向

脉冲1

Y1_SV2_Puls

BOOL

100.03

伺服2脉冲

脉冲1

Y1_SV_Rst

BOOL

100.04

Y/Z轴复位

Y1_SV1_En

BOOL

100.05

Y轴使能

Y1_SV2_En

BOOL

100.06

Z轴使能

Y1_HL10

BOOL

100.07

液压启动

HL10

Y1_HL12

BOOL

101.00

充磁指示

HL12

Y1_HL13

BOOL

101.01

机床照明

HL13

Y1_HL15

BOOL

101.02

磁盘开指示

HL15

Y1_HL16

BOOL

101.03

冷却启动

HL16

Y1_HL18

BOOL

101.04

退磁指示

HL18

Y1_HL22

BOOL

101.05

快速指示

HL22

Y1_HL30

BOOL

101.06

磨头启动指示

HL30

Y1_HL1

BOOL

101.07

报警指示

HL1

Y1_HL2

BOOL

102.00

循环启动

HL2

Y1_KA1

BOOL

102.01

照明中继

Y1_KMX_8

BOOL