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目錄 摘 要 1 關(guān)鍵詞 1 一 前 言 2 1 1 PLC 的 國內(nèi)外的狀況 2 1 2 PLC 的組 成及特點(diǎn) 4 1 3 PLC 的 用途 5 1 4 PLC 常用語言 6 1 5 本課題 的主要任務(wù) 6 二 整體方 案的選擇 7 2 1 整體 功能介紹 7 2 2 控制 要求 7 2 3 電器說明 8 2 4 保護(hù)裝置 8 2 5 電氣原理圖 電器接線圖 8 三 硬件 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 3 1 PLC 機(jī)型 的選擇步驟與原則 9 3 2 F1 系列 PLC 的指令系統(tǒng)簡介 10 3 3 YM3150E 型滾齒機(jī)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 四軟件系 統(tǒng)的設(shè)計(jì) 13 4 1 PLC 程序 設(shè)計(jì)的相關(guān)指令 13 4 2 根據(jù) 控制要求繪制梯形圖 15 五結(jié)束 語 16 小結(jié) 17 致謝 18 參考 文獻(xiàn) 19 附錄 1 程序 20 附錄 2 外文文獻(xiàn)翻譯 23 附錄 3 外文文獻(xiàn)原文 34 1 YM3150E 型精密滾齒機(jī)的 PLC 改造 摘要 近年來 作為機(jī)電一體化重要技術(shù)的可編程序控制器 PLC 產(chǎn)品的集成度越來越高 工作速度越 來越快 功能越來越強(qiáng) 使用越來越方便 特別是遠(yuǎn)程通信功能的實(shí)現(xiàn) 易于實(shí)現(xiàn)柔性加工和制造系統(tǒng) 使 得 PLC 如虎添翼 本文簡要的介紹了 YM3150E 型精密滾齒機(jī)的控制原理 并利用 PLC 對滾齒機(jī)進(jìn)行 改造 設(shè)計(jì) PLC 控制系統(tǒng) 使?jié)L齒機(jī)的控制更加方便 關(guān)鍵詞 滾齒機(jī) 控制系統(tǒng) 機(jī)電一體化 PLC Reconstruction of YM3150E Precision Gear Hobbing Machine by PLC Abstract In recent years as an important technology in Mechatronics Programmable Logic Controller PLC products are more integrated working faster and faster more powerful in function more and more convenient to use especially in telecommunications function implementation it is easy to implement flexible processing and manufacturing systems makes the PLC even more powerful This article briefly describes YM3150E Precision hobbing machine control principle and to use PLC to reform of the hobbing machine PLC control system designed to enable gear hobbing machine control more convenient Keyword Hobbing Machine Control System Mechatronics PLC 2 1 前言 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展 極大地推動了不同學(xué)科的交叉與滲透 導(dǎo)致了工程領(lǐng)域 的技術(shù)革命與改造 在機(jī)械工程領(lǐng)域 由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及其 向機(jī)械工業(yè)的滲透所形成的機(jī)電一體化 使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu) 產(chǎn)品機(jī)構(gòu) 功能與 構(gòu)成 生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化 使工業(yè)生產(chǎn)由 機(jī)械電氣化 邁入了 機(jī)電一體化 為特征的發(fā)展階段 PLC 作為機(jī)電一體化的一個(gè)重要的進(jìn)程 在機(jī)械電 氣化的過程中起著很大的作用 現(xiàn)在還是這樣 隨著 PLC 本身的發(fā)展 它的應(yīng)用范圍 越來越廣 功能越來越強(qiáng)的 可編程序控制器 programmable Logic Controller 是一種數(shù)字運(yùn)算操作電子系 統(tǒng) 專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì) 它采用了可編程序的存儲器 用來在其內(nèi)部存儲 執(zhí)行邏輯運(yùn)算 順序控制 定時(shí) 計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令 并通過數(shù)字的 模 擬的輸入和輸出 控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程 可編程序控制器及其有關(guān)的外圍 設(shè)備 都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體 易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì) 1 1 PLC 的國內(nèi)外的狀況 在工業(yè)生產(chǎn)過程中 大量的開關(guān)量順序控制 它按照邏輯條件進(jìn)行順序動作 并 按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動作的控制 及大量離散量的數(shù)據(jù)采集 傳統(tǒng)上 這些功 能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的 1968 年美國 GM 通用汽車 公司提出取代繼 電氣控制裝置的要求 第二年 美國數(shù)字設(shè)備公司 DEC 研制出了基于集成電路和電 子技術(shù)的控制裝置 首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制 這就是第一代可編程序 控制器 稱 Programmable 是世界上公認(rèn)的第一臺 PLC 限于當(dāng)時(shí)的元器件條件及計(jì)算機(jī)發(fā)展水平 早期的 PLC 主要由分立元件和中小規(guī) 模集成電路組成 可以完成簡單的邏輯控制及定時(shí) 計(jì)數(shù)功能 20 世紀(jì) 70 年代初出現(xiàn) 了微處理器 人們很快將其引入可編程控制器 使 PLC 增加了運(yùn)算 數(shù)據(jù)傳送及處理 等功能 完成了真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置 為了方便熟悉繼電器 接觸器 系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用 可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要 編程語言 并將參加運(yùn)算及處理的計(jì)算機(jī)存儲元件都以繼電器命名 此時(shí)的 PLC 為微 機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物 個(gè)人計(jì)算機(jī) 簡稱 PC 發(fā)展起來后 為 了方便 也為了反映可編程控制器的功能特點(diǎn) 可編程序控制器定名為 Programmable Logic Controller PLC 20 世紀(jì) 70 年代中末期 可編程控制器進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段 計(jì)算機(jī)技術(shù)已全面引 入可編程控制器中 使其功能發(fā)生了飛躍 更高的運(yùn)算速度 超小型體積 更可靠的 工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì) 模擬量運(yùn)算 PID 功能及極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位 20 世紀(jì) 80 年代初 可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用 這個(gè)時(shí)期可編程 3 控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模 高速度 高性能 產(chǎn)品系列化 這個(gè)階段的另一個(gè)特點(diǎn) 是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多 產(chǎn)量日益上升 這標(biāo)志著可編程控制器 已步入成熟階段 上世紀(jì) 80 年代至 90 年代中期 是 PLC 發(fā)展最快的時(shí)期 年增長率一直保持為 30 40 在這時(shí)期 PLC 在處理模擬量能力 數(shù)字運(yùn)算能力 人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能 力得到大幅度提高 PLC 逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域 在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域 處于統(tǒng)治地位的 DCS 系統(tǒng) 20 世紀(jì)末期 可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要 從控制規(guī) 模上來說 這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī) 從控制能力上來說 誕生了各種各樣 的特殊功能單元 用于壓力 溫度 轉(zhuǎn)速 位移等各式各樣的控制場合 從產(chǎn)品的配 套能力來說 生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元 通信單元 使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制 設(shè)備的配套更加容易 目前 可編程控制器在機(jī)械制造 石油化工 冶金鋼鐵 汽車 輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長足的發(fā)展 我國可編程控制器的引進(jìn) 應(yīng)用 研制 生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的 最初是 在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器 接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷 擴(kuò)大了 PLC 的應(yīng)用 目前 我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器 上海東屋電氣 有限公司生產(chǎn)的 CF 系列 杭州機(jī)床電器廠生產(chǎn)的 DKK 及 D 系列 大連組合機(jī)床研究所 生產(chǎn)的 S 系列 蘇州電子計(jì)算機(jī)廠生產(chǎn)的 YZ 系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在 工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應(yīng)用 此外 無錫華光公司 上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我 國比較著名的 PLC 生產(chǎn)廠家 可以預(yù)期 隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的深入 PLC 在我國將有 更廣闊的應(yīng)用天地 4 1 2 PLC 的組成及特點(diǎn) 從結(jié)構(gòu)上分 PLC 分為固定式和組合式 模塊式 兩種 固定式 PLC 包括 CPU 板 I O 板 顯示面板 內(nèi)存塊 電源等 這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體 模塊式 PLC 包括 CPU 模塊 I O 模塊 內(nèi)存 電源模塊 底板或機(jī)架 這些模塊可以按照一定 規(guī)則組合配置 這里主要介紹一下它的 CPU CPU 是 PLC 的核心 起神經(jīng)中樞的作用 每套 PLC 至 少有一個(gè) CPU 它按 PLC 的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù) 用掃描的 方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù) 并存入規(guī)定的寄存器中 同時(shí) 診斷電 源和 PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯(cuò)誤等 進(jìn)入運(yùn)行后 從用戶程序 存貯器中逐條讀取指令 經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號 去指揮 有關(guān)的控制電路 CPU 主要由運(yùn)算器 控制器 寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù) 控 制及狀態(tài)總線構(gòu)成 CPU 單元還包括外圍芯片 總線接口及有關(guān)電路 內(nèi)存主要用于存 儲程序及數(shù)據(jù) 是 PLC 不可缺少的組成單元 在使用者看來 不必要詳細(xì)分析 CPU 的 內(nèi)部電路 但對各部分的工作機(jī)制還是應(yīng)有足夠的理解 CPU 的控制器控制 CPU 工作 由它讀取指令 解釋指令及執(zhí)行指令 但工作節(jié)奏由震蕩信號控制 運(yùn)算器用于進(jìn)行 數(shù)字或邏輯運(yùn)算 在控制器指揮下工作 寄存器參與運(yùn)算 并存儲運(yùn)算的中間結(jié)果 它也是在控制器指揮下工作 CPU 速度和內(nèi)存容量是 PLC 的重要參數(shù) 它們決定著 PLC 的工作速度 IO 數(shù)量及軟件容量等 因此限制著控制規(guī)模 5 1 3 PLC 的用途 PLC 的初期由于其價(jià)格高于繼電器控制裝置 使其應(yīng)用受到限制 但近年來由于微 處理器芯片及有關(guān)元件價(jià)格大大下降 使 PLC 的成本下降 同時(shí)又由于 PLC 的功能大大 增強(qiáng) 使 PLC 的應(yīng)用越來越廣泛 廣泛應(yīng)用于鋼鐵 水泥 石油 化工 采礦 電力 機(jī)械制造 汽車 造紙 紡織 環(huán)保等行業(yè) PLC 的應(yīng)用通?？煞譃槲宸N類型 1 順序控制 這是 PLC 應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域 用以取代傳統(tǒng)的繼電器順序控制 PLC 可應(yīng)用于單機(jī)控制 多機(jī)群控 生產(chǎn)自動線控制等 如注塑機(jī) 印刷機(jī)械 訂書機(jī) 械 切紙機(jī)械 組合機(jī)床 磨床 裝配生產(chǎn)線 電鍍流水線及電梯控制等 2 運(yùn)動控制 PLC 制造商目前已提供了拖動步進(jìn)電動機(jī)或伺服電動機(jī)的單軸或 多軸位置控制模版 在多數(shù)情況下 PLC 把掃描目標(biāo)位置的數(shù)據(jù)送給模版塊 其輸出移 動一軸或數(shù)軸到目標(biāo)位置 每個(gè)軸移動時(shí) 位置控制模塊保持適當(dāng)?shù)乃俣群图铀俣?確保運(yùn)動平滑 相對來說 位置控制模塊比計(jì)算機(jī)數(shù)值控制 CNC 裝置體積更小 價(jià) 格更低 速度更快 操作方便 3 閉環(huán)過程控制 PLC 能控制大量的物理參數(shù) 如溫度 壓力 速度和流量等 PID Proportional Intergral Derivative 模塊的提供使 PLC 具有閉環(huán)控制功能 即 一個(gè)具有 PID 控制能力的 PLC 可用于過程控制 當(dāng)過程控制中某一個(gè)變量出現(xiàn)偏差時(shí) PID 控制算法會計(jì)算出正確的輸出 把變量保持在設(shè)定值上 4 數(shù)據(jù)處理 在機(jī)械加工中 出現(xiàn)了把支持順序控制的 PLC 和計(jì)算機(jī)數(shù)值控制 CNC 設(shè)備緊密結(jié)合的趨向 著名的日本 FANUC 公司推出的 Systen10 11 12 系列 已將 CNC 控制功能作為 PLC 的一部分 為了實(shí)現(xiàn) PLC 和 CNC 設(shè)備之間內(nèi)部數(shù)據(jù)自由傳 遞 該公司采用了窗口軟件 通過窗口軟件 用戶可以獨(dú)自編程 由 PLC 送至 CNC 設(shè) 備使用 美國 GE 公司的 CNC 設(shè)備新機(jī)種也同樣使用了具有數(shù)據(jù)處理的 PLC 預(yù)計(jì)今后 幾年 CNC 系統(tǒng)將變成以 PLC 為主體的控制和管理系統(tǒng) 5 通信和聯(lián)網(wǎng) 為了適應(yīng)國外近幾年來興起的工廠自動化 FA 系統(tǒng) 柔性制 造系統(tǒng) FMS 及集散控制系統(tǒng) DCS 等發(fā)展的需要 必須發(fā)展 PLC 之間 PLC 和上級 計(jì)算機(jī)之間的通信功能 作為實(shí)時(shí)控制系統(tǒng) 不僅 PLC 數(shù)據(jù)通信速率要求高 而且要 考慮出現(xiàn)停電故障時(shí)的對策 6 1 4 PLC 常用語言 可編程控制器中有多種程序設(shè)計(jì)語言 它們是梯形圖語言 布爾助記符語言 功能 表圖語言 功能模塊圖語言及結(jié)構(gòu)化語句描述語言等 梯形圖語言和布爾助記符語言 是基本程序設(shè)計(jì)語言 它通常由一系列指令組成 用這些指令可以完成大多數(shù)簡單控 制功能 例如 代替繼電器 計(jì)數(shù)器 計(jì)時(shí)器完成順序控制和邏輯控制等 擴(kuò)展或增 強(qiáng)指令集 它們也能執(zhí)行其它基本操作 功能表圖語言和語句描述語言是高級程序設(shè) 計(jì)語言 它可需要去執(zhí)行更有效操作 例如 模擬量控制 數(shù)據(jù)操縱 報(bào)表報(bào)印和其 他基本程序設(shè)計(jì)語言無法完成功能 功能模塊圖語言采用功能模塊圖形式 軟連接方 式完成所要求控制功能 它可編程序控制器中到了廣泛應(yīng)用 集散控制系統(tǒng)編程和組 態(tài)時(shí)也常常被采用 它具有連接方便 操作簡單 易于掌握等特點(diǎn) 為廣大工程設(shè)計(jì) 和應(yīng)用人員所喜愛 可編程器應(yīng)用范圍 程序設(shè)計(jì)語言可以組合使用 常用程序設(shè)計(jì)語言是 梯形圖程序設(shè)計(jì)語言 布爾助記符程序設(shè)計(jì)語言 語句表 功能表圖程序設(shè)計(jì)語言 功能模塊圖程序設(shè)計(jì)語言 結(jié)構(gòu)化語句描述程序設(shè)計(jì)語言 梯形圖與結(jié)構(gòu)化語句描述程序設(shè)計(jì)語言 布爾助記符與功能表圖程序設(shè)計(jì)語言 布爾助記符與結(jié)構(gòu)化語句描述程序設(shè)計(jì)語言 1 5 本課題的主要任務(wù) 本文主要是對 YM3150E 滾齒機(jī)進(jìn)行電氣化改造 利用 PLC 進(jìn)行控制設(shè)計(jì) 要求邏輯 控制的正確性 機(jī)械能在新的控制系統(tǒng)下能夠正常的平穩(wěn)的運(yùn)行 可靠性好 可操作 性好 操作更加安全 方便 7 2 整體方案的選擇 2 1 整體功能介紹 重慶機(jī)床廠生產(chǎn)的 YM3150E 型精密滾齒機(jī)采用了傳統(tǒng)的接觸器 繼電器控制系 統(tǒng) 繼電接觸器控制系統(tǒng)是使用按鈕 開關(guān) 行程開關(guān) 繼電器 接觸器等組成的控 制系統(tǒng) 它通過電氣觸點(diǎn)的閉合和分?jǐn)鄟砜刂齐娐返慕油ㄅc斷開 實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)拖動 系統(tǒng)的起動 停止 調(diào)速 自動循環(huán)與保護(hù)等自動控制 它具備控制器件結(jié)構(gòu)簡單 價(jià)格低廉 控制方式直觀 容易掌握 工作可靠易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn) 但是體積較大 控制 速度慢 改變控制功能必須通過改變接線來完成 比較麻煩和困難 在現(xiàn)在工廠的實(shí) 際操作中 越來越不適應(yīng)現(xiàn)場控制 本文就針對新的方案解決 YM3150E 型精密滾齒機(jī) 難控制的問題 使用 PLC 對它進(jìn)行改造 該機(jī)床由液壓泵電機(jī) 主電機(jī) 冷卻電機(jī)和快速移動電機(jī)組成 液壓泵電機(jī)主要 是提供液壓閥的壓力來潤滑機(jī)械等功能 冷卻電機(jī)提供機(jī)械的冷卻循環(huán)系統(tǒng) 使得機(jī) 械的溫度不至于過高 控制在一定的范圍里 快速移動電機(jī)用于裝置的快速移動 提 高非工作時(shí)段的效率 以提高整體的效率 2 2 控制要求 在這些電機(jī)中有一定的啟動順序 只有滿足一定的啟動要求后才能確保機(jī)械的安 全使用 保證它的穩(wěn)定性 所以必須在液壓泵電機(jī)起動并使水銀繼電器觸點(diǎn)閉合以后 主電機(jī)才能起動 在主電機(jī)起動以后冷卻電機(jī)才能起動 當(dāng)液壓泵電機(jī)停止以后整個(gè) 機(jī)床處于停止工作狀態(tài) 當(dāng)電箱門打開時(shí)電箱門壓動行程開關(guān)斷開 整個(gè)機(jī)床處于斷 電狀態(tài) 以防止觸電 當(dāng)傳動箱門打開時(shí)傳動箱門壓動式行程開關(guān)處于斷開狀態(tài) 機(jī) 床不能起動 必須把門關(guān)上以后主電機(jī)才能起動 一旦機(jī)床起動以后主電機(jī)控制系統(tǒng) 自鎖則可以打開傳動箱門觀察齒輪潤滑情況 并且軸向運(yùn)動有超行程保護(hù)開關(guān)為軸向 超行程保護(hù)開關(guān) 切向運(yùn)動有超行程保護(hù)開關(guān)為切向超行程保護(hù)開關(guān)對機(jī)床進(jìn)行軸向 和徑向運(yùn)動的保護(hù) 8 2 3 電氣說明 1 首先啟動液壓電動機(jī) 1D 當(dāng)供油潤滑達(dá)到正常后 FJ 浮子繼電器接通 潤滑 信號燈亮 才能啟動其余電動機(jī) 2 只有主電動機(jī) 2D 啟動后 冷卻電動機(jī) 3D 才能啟動 主電動機(jī)停止工作 冷卻電動機(jī)也停止工作 3 在刀架快速向下時(shí) 電磁閥 2DT 接通 4 只有當(dāng)手柄 1 3XK 處于快速位置時(shí) 軸 切 向快速電動機(jī)才能起動 5 電氣操作站工作臺快速按鈕 4K 處于 退后 時(shí) 電磁閥 1DT 無電 工作臺向 后快速 處于 向前 時(shí) 電磁閥 1DT 有電 工作臺向前快速 2 4 保護(hù)裝置 1 短路保護(hù) 本機(jī)床采用自動空氣斷路器 作為電源開關(guān) 并作為主電動機(jī) 2D 的保 護(hù)電路 液壓電動機(jī) 1D 和軸 切 向快速電動機(jī) 4D 用 1RD 做短路保護(hù) 冷卻電動機(jī) 3D 用 2RD 作短路保護(hù) 交流控制線路變壓器用 3RD 作短路保護(hù) 照明線路用 4RD 做短路保護(hù) 指示燈線 路用 5RD 作短路保護(hù) 2 過載保護(hù) 液壓電動機(jī) 1D 主電動機(jī) 2D 及冷卻電動機(jī) 3D 分別采用熱繼電器 1RJ 2RJ 及 3RJ 作過載保護(hù) 3 行程保護(hù) 1XK 為軸向行程開關(guān) 7XK 為切向行程開關(guān) 2XK 4XK 是軸向超行程開 關(guān) 8XK 9XK 是切向超行程開關(guān) 4 其他保護(hù) 當(dāng)傳動箱打開時(shí) 5XK 6XK 斷開 不能啟動機(jī)床 所以必須把門關(guān)閉 才行 一旦機(jī)床起動后則可打開齒輪箱門 以觀察潤滑情況 主軸沖動時(shí)例外 電箱 門打開時(shí)不能啟動機(jī)床 因?yàn)?10XK 已打開 以防觸電 2 5 電氣原理圖 電氣接線圖見附圖紙 9 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 1 PLC 機(jī)型的選擇步驟與原則 隨著 PLC 技術(shù)的發(fā)展 PLC 產(chǎn)品的種類也越來越多 不同型號的 PLC 其結(jié)構(gòu)形式 性能 容量 指令系統(tǒng) 編程方式 價(jià)格等也各有不同 適用的場合也各有側(cè)重 因 此 合理選用 PLC 對于提高 PLC 控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有著重要意義 PLC 的選擇主要應(yīng)從 PLC 的機(jī)型 容量 I O 模塊 電源模塊 特殊功能模塊 通 信聯(lián)網(wǎng)能力等方面加以綜合考慮 PLC 機(jī)型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠 維護(hù)方便的前提下 力爭 最佳的性能價(jià)格比 選擇時(shí)主要考慮以下幾點(diǎn) 1 合理的結(jié)構(gòu)型式 PLC 主要有整體式和模塊式兩種結(jié)構(gòu)型式 整體式 PLC 的每一個(gè) I O 點(diǎn)的平均價(jià)格比模塊式的便宜 且體積相對較小 一般用 于系統(tǒng)工藝過程較為固定的小型控制系統(tǒng)中 而模塊式 PLC 的功能擴(kuò)展靈活方便 在 I O 點(diǎn)數(shù) 輸入點(diǎn)數(shù)與輸出點(diǎn)數(shù)的比例 I O 模塊的種類等方面選擇余地大 且維修方 便 一般于較復(fù)雜的控制系統(tǒng) 2 安裝方式的選擇 PLC 系統(tǒng)的安裝方式分為集中式 遠(yuǎn)程 I O 式以及多臺 PLC 聯(lián)網(wǎng)的分布式 集中式不需要設(shè)置驅(qū)動遠(yuǎn)程 I O 硬件 系統(tǒng)反應(yīng)快 成本低 遠(yuǎn)程 I O 式適用于 大型系統(tǒng) 系統(tǒng)的裝置分布范圍很廣 遠(yuǎn)程 I O 可以分散安裝在現(xiàn)場裝置附近 連線 短 但需要增設(shè)驅(qū)動器和遠(yuǎn)程 I O 電源 多臺 PLC 聯(lián)網(wǎng)的分布式適用于多臺設(shè)備分別 獨(dú)立控制 又要相互聯(lián)系的場合 可以選用小型 PLC 但必須要附加通訊模塊 3 相應(yīng)的功能要求 一般小型 低檔 PLC 具有邏輯運(yùn)算 定時(shí) 計(jì)數(shù)等功能 對于只需要開關(guān)量控制的 設(shè)備都可滿足 對于以開關(guān)量控制為主 帶少量模擬量控制的系統(tǒng) 可選用能帶 A D 和 D A 轉(zhuǎn)換單元 具有加減算術(shù)運(yùn)算 數(shù)據(jù)傳送功能的增強(qiáng)型低檔 PLC 對于控制較復(fù) 雜 要求實(shí)現(xiàn) PID 運(yùn)算 閉環(huán)控制 通信聯(lián)網(wǎng)等功能 可視控制規(guī)模大小及復(fù)雜程度 選用中檔或高檔 PLC 但是中 高檔 PLC 價(jià)格較貴 一般用于大規(guī)模過程控制和集散控 制系統(tǒng)等場合 4 響應(yīng)速度要 PLC 是為工業(yè)自動化設(shè)計(jì)的通用控制器 不同檔次 PLC 的響應(yīng)速度一般都能滿足其 應(yīng)用范圍內(nèi)的需要 如果要跨范圍使用 PLC 或者某些功能或信號有特殊的速度要求時(shí) 則應(yīng)該慎重考慮 PLC 的響應(yīng)速度 可選用具有高速 I O 處理功能的 PLC 或選用具有快 速響應(yīng)模塊和中斷輸入模塊的 PLC 等 5 系統(tǒng)可靠性的要求 10 對于一般系統(tǒng) PLC 的可靠性均能滿足 對可靠性要求很高的系統(tǒng) 應(yīng)考慮是否采 用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng) 6 機(jī)型盡量統(tǒng)一 根據(jù)上面的選擇原則和根據(jù) YM3150E 型滾齒機(jī)控制系統(tǒng)輸人輸出點(diǎn)數(shù)的需要這次 對 YM3150E 滾齒機(jī)的改造采用三菱公司生產(chǎn) F1 40MR 日本三菱公司生產(chǎn)的 PLC 以其 體積小 控制靈活 具有良好的性價(jià)比等特點(diǎn)而在我國機(jī)械設(shè)備和工業(yè)控制中應(yīng)用廣 泛 3 2 F1 系列 PLC 的指令系統(tǒng)簡介 1 F1 系列 PLC 的指令可分為兩大類 基本邏輯指令 又稱為通用邏輯指令 是 PLC 中最基本的編程語言 用于開關(guān)量 I O 的控制系統(tǒng)的梯形圖程序設(shè)計(jì) 共二十條 掌握了它們也就初步掌握了 PLC 的使用 方法 基本上就滿足開關(guān)量邏輯控制系統(tǒng)的編程了 特殊功能指令 共 87 條 可用于編程特殊程序 如高速 I O 處理 數(shù)據(jù)傳輸 計(jì) 數(shù)器的特殊用法 算術(shù)運(yùn)算和模擬量控制等 2 F1 系列 PLC 的基本邏輯指令又分為四大類 作用于觸點(diǎn)的指令 LD LDI AND ANI OR ORI 等 作用于線圈的指令 OUT 數(shù)據(jù)處理指令 如 S R RST SFT MC MCR PLS SFT CJP EJP 等 獨(dú)立使用的指令 如 ANB ORB END 等 3 F1 40MR 的編程元件 F1 40MR 的編程元件的名字有字母和數(shù)字表示 它們分別表示元件的類型和元件 號 元件號用八進(jìn)制表示 各種編程元件的編號的取值范圍有嚴(yán)格的規(guī)定 不同的元 件編號不相同 互不重疊 具體安排如下 輸入繼電器 X 400 413 500 513 輸出繼電器 Y 430 437 530 537 定時(shí)器 T 50 57 450 457 550 557 650 657 計(jì)數(shù)器 C 60 67 460 467 560 567 660 667 輔助繼電器 M 100 377 其中 300 377 斷電保持 狀態(tài)寄存器 S 600 647 特殊輔助繼電器 M 70 71 72 73 76 77 等 16 個(gè) 11 3 3 YM3150E 型滾齒機(jī)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 通過對 YM3150E 型滾齒機(jī)功能實(shí)現(xiàn)分析后 可以得到要它的外部需要的控制圖 需 要的開關(guān)和繼電器 并對這些開關(guān)和繼電器進(jìn)行必要的編號 以有效的表示它們 增 強(qiáng)可讀性 下面是對相關(guān)的硬件的編號 J 及相關(guān)的硬件接線圖如圖 1 X0 SB1 主電機(jī)起動按鈕 X1 SB2 主電機(jī)停止按鈕 X2 SB3 軸向快速反轉(zhuǎn)點(diǎn)動按鈕 X3 SB4 軸向快速電機(jī)正轉(zhuǎn)點(diǎn)動按鈕 X4 SQ0 電箱門壓動行程開關(guān) X5 SQ1 軸向行程開關(guān) X6 X 10 SQ2 SQ4 軸向超行程保護(hù)開關(guān) X7 SQ3 軸向快速移動手柄壓動式行程開關(guān) X11 X12 SQ5 SQ6 傳動箱門壓動式行程開關(guān) X13 SQ7 切向行程開關(guān) X14 X15 SQ8 SQ9 切向超行程保護(hù)開關(guān) X 16 SA1 液壓泵電機(jī)起動操作開關(guān) X17 SA6 主電機(jī)起動與點(diǎn)動切換開關(guān) X20 SA3 主電機(jī)正反轉(zhuǎn)切換開關(guān) X21 SA5 冷卻液電機(jī)起動開關(guān) X22 SA4 徑向快速移動刀開關(guān) X23 SA2 照明電源開關(guān) X24 K1 水銀繼電器觸點(diǎn) Y0 KM1 液壓泵電機(jī)接觸器線圈 Y1 KM2 主電機(jī)正轉(zhuǎn)接觸器線圈 Y2 KM3 主電機(jī)反轉(zhuǎn)接觸器線圈 Y3 KM4 冷卻電機(jī)接觸器線圈 Y4 KM5 軸向快速移動電機(jī)正轉(zhuǎn)接觸器線圈 Y5 KM6 軸向快速移動電機(jī)反轉(zhuǎn)接觸器線圈 Y6 YA1 徑向移動油缸電磁換向閥電磁鐵線圈 Y7 YA2 平衡油缸電磁換向閥電磁鐵線圈 Y10 照明電源輸出端 12 圖 1 在這些開關(guān) SB1 SB4 屬于按鈕開關(guān) SQ0 SQ9 屬于限位 行程 開關(guān) SA1 SA6 是表示控制開關(guān) 在這些開關(guān)當(dāng)中限位開關(guān)是起保護(hù)作用的 如 SQ8 SQ9 切向超行程 保護(hù)開關(guān) SQ2 SQ4 軸向超行程保護(hù)開關(guān) 如由上圖可以看出來 PLC 的外部接線圖 當(dāng) PLC 的控制邏輯程序?qū)懭牒?就可以進(jìn)行測試的 下面我們就開始進(jìn)行軟件系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 它是實(shí)現(xiàn)外部硬件的邏輯 所以是非常重要的 只有設(shè)計(jì)的合理 才能保證機(jī) 器的正常運(yùn)行 13 4 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 1 PLC 程序設(shè)計(jì)的相關(guān)指令 1 微分指令 PLS PLF 1 PLS 上升沿微分指令 在輸入信號上升沿產(chǎn)生一個(gè)掃描周期的脈沖輸出 2 PLF 下降沿微分指令 在輸入信號下降沿產(chǎn)生一個(gè)掃描周期的脈沖輸出 PLS PLF 指令的使用說明 1 PLS PLF 指令的目標(biāo)元件為 Y 和 M 2 使用 PLS 時(shí) 僅在驅(qū)動輸入為 ON 后的一個(gè)掃描周期內(nèi)目標(biāo)元件 ON 使用 PLF 指令 時(shí)只是利用輸入信號的下降沿驅(qū)動 其它與 PLS 相同 2 主控指令 MC MCR 1 MC 主控指令 用于公共串聯(lián)觸點(diǎn)的連接 執(zhí)行 MC 后 左母線 MC 觸點(diǎn)的后面 2 MCR 主控復(fù)位指令 它是 MC 指令的復(fù)位指令 即利用 MCR 指令恢復(fù)原左 母線的位置 在編程時(shí)常會出現(xiàn)這樣的情況 多個(gè)線圈同時(shí)受一個(gè)或一組觸點(diǎn)控制 如果在每 個(gè)線圈的控制電路中都串入同樣的觸點(diǎn) 將占用很多存儲單元 使用主控指令就可以 解決這一問題 利用 MC N0 M100 實(shí)現(xiàn)左母線右移 使 Y0 Y1 都在 X0 的控制之下 其 中 N0 表示嵌套等級 在無嵌套結(jié)構(gòu)中 N0 的使用次數(shù)無限制 利用 MCR N0 恢復(fù)到原左 母線狀態(tài) 如果 X0 斷開則會跳過 MC MCR 之間的指令向下執(zhí)行 MC MCR 指令的使用說明 1 MC MCR 指令的目標(biāo)元件為 Y 和 M 但不能用特殊輔助繼電器 MC 占 3 個(gè)程 序步 MCR 占 2 個(gè)程序步 2 主控觸點(diǎn)在梯形圖中與一般觸點(diǎn)垂直 主控觸點(diǎn)是與左母線相連的常開觸點(diǎn) 是控制一組電路的總開關(guān) 與主控觸點(diǎn)相連的觸點(diǎn)必須用 LD 或 LDI 指令 3 MC 指令的輸入觸點(diǎn)斷開時(shí) 在 MC 和 MCR 之內(nèi)的積算定時(shí)器 計(jì)數(shù)器 用復(fù) 位 置位指令驅(qū)動的元件保持其之前的狀態(tài)不變 非積算定時(shí)器和計(jì)數(shù)器 用 OUT 指令 驅(qū)動的元件將復(fù)位 4 在一個(gè) MC 指令區(qū)內(nèi)若再使用 MC 指令稱為嵌套 嵌套級數(shù)最多為 8 級 編號 按 N0 N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 順序增大 每級的返回用對應(yīng)的 MCR 指令 從編 號大的嵌套級開始復(fù)位 14 3 堆棧指令 MPS MRD MPP 堆棧指令是 FX 系列中新增的基本指令 用于多重輸出電路 為編程帶來便利 在 FX 系列 PLC 中有 11 個(gè)存儲單元 它們專門用來存儲程序運(yùn)算的中間結(jié)果 被稱為棧存 儲器 1 MPS 進(jìn)棧指令 將運(yùn)算結(jié)果送入棧存儲器的第一段 同時(shí)將先前送入的數(shù) 據(jù)依次移到棧的下一段 2 MRD 讀棧指令 將棧存儲器的第一段數(shù)據(jù) 最后進(jìn)棧的數(shù)據(jù) 讀出且該數(shù) 據(jù)繼續(xù)保存在棧存儲器的第一段 棧內(nèi)的數(shù)據(jù)不發(fā)生移動 3 MPP 出棧指令 將棧存儲器的第一段數(shù)據(jù) 最后進(jìn)棧的數(shù)據(jù) 讀出且該數(shù) 據(jù)從棧中消失 同時(shí)將棧中其它數(shù)據(jù)依次上移 堆棧指令的使用說明 1 堆棧指令沒有目標(biāo)元件 2 MPS 和 MPP 必須配對使用 3 由于棧存儲單元只有 11 個(gè) 所以棧的層次最多 11 層 4 邏輯反 空操作與結(jié)束指令 INV NOP END 1 INV 反指令 執(zhí)行該指令后將原來的運(yùn)算結(jié)果取反 使用時(shí)應(yīng)注意 INV 不 能象指令表的 LD LDI LDP LDF 那樣與母線連接 也不能象指令表中的 OR ORI ORP ORF 指令那樣單獨(dú)使用 2 NOP 空操作指令 不執(zhí)行操作 但占一個(gè)程序步 執(zhí)行 NOP 時(shí)并不做任何 事 有時(shí)可用 NOP 指令短接某些觸點(diǎn)或用 NOP 指令將不要的指令覆蓋 當(dāng) PLC 執(zhí)行了 清除用戶存儲器操作后 用戶存儲器的內(nèi)容全部變?yōu)榭詹僮髦噶?3 END 結(jié)束指令 表示程序結(jié)束 若程序的最后不寫 END 指令 則 PLC 不管 實(shí)際用戶程序多長 都從用戶程序存儲器的第一步執(zhí)行到最后一步 若有 END 指令 當(dāng)掃描到 END 時(shí) 則結(jié)束執(zhí)行程序 這樣可以縮短掃描周期 在程序調(diào)試時(shí) 可在程 序中插入若干 END 指令 將程序劃分若干段 在確定前面程序段無誤后 依次刪除 END 指令 直至調(diào)試結(jié)束 15 4 2 根據(jù)控制要求繪制梯形圖 該控制系統(tǒng)分別控制著四臺電機(jī) 主電機(jī) 冷卻電機(jī) 液壓泵電機(jī) 軸向快速移動 電機(jī) 和兩個(gè)油缸 徑向移動油缸 平衡油缸 的動作過程 當(dāng)電箱門關(guān)閉之后 SQ0 被壓動即 X4 閉合 此時(shí)機(jī)床才能起動 以確保安全 合上操作開關(guān) SA1 即 X16 閉合則 液壓泵電機(jī)起動 當(dāng)達(dá)到一定油壓之后水銀繼電器觸點(diǎn)動作即 X24 閉合 機(jī)床充分潤 滑 當(dāng)確定傳動箱門閉合即 SQ5 SQ6 閉合后 按動 SB1 即 X0 閉合主電機(jī)起動 這是 才能順利啟動主電機(jī) 此時(shí)的主電機(jī)是正傳的 主電機(jī)正反轉(zhuǎn)由操作開關(guān) SA3 即 X20 進(jìn)行轉(zhuǎn)換 當(dāng) SA3 斷開時(shí)常閉觸點(diǎn)閉合 常開觸點(diǎn)打開 這時(shí)接通正轉(zhuǎn)控制線路 當(dāng) SA3 閉合時(shí)即 X20 常開觸點(diǎn)閉合 常閉觸點(diǎn)斷開 接通反轉(zhuǎn)控制線路 當(dāng)操作開關(guān) SA6 閉合時(shí)即 X17 常閉觸點(diǎn)斷開 按動 SB1 可實(shí)現(xiàn)主電機(jī)的點(diǎn)動控制 在主電機(jī)起動以后 合上 SA5 即 X2l 閉合使冷卻電機(jī)起動 當(dāng)機(jī)床操作手柄轉(zhuǎn)到刀架快速移動位置時(shí) SQ3 被壓動即 X7 閉合 為軸向快速電機(jī)起動做準(zhǔn)備 按下 SB3 即 X2 閉合 使 KM6 得電 刀架快速向上移動 按下 SB4 即 X3 閉合 使 KM5 和 YA2 得電 刀架向下快速移動 當(dāng) 操作開關(guān) SA4 即 X22 合上時(shí) YA1 得電 工作臺徑向快速進(jìn)給 按下 SA2 照明燈開關(guān)就 可以打開照明燈 這個(gè)必須是在機(jī)器啟動后才行 根據(jù)上面的功能描述 可以畫出如圖 2 所示的梯形圖來 這個(gè)圖表示了電機(jī)啟動順 序及工作的內(nèi)在邏輯和條件 我主要講講延時(shí)繼電器和 MCR 指令在這個(gè)梯形圖的重要 作用 啟動主電機(jī)前 先要關(guān)閉電箱門 啟動液壓泵電機(jī) 當(dāng)液壓達(dá)到一定的壓力值 后 水銀繼電器觸點(diǎn)動作即 X24 閉合 但閉合后不能立即可以啟動主電機(jī) 延時(shí)一段 時(shí)間后 等液壓保持穩(wěn)定后 才允許主電機(jī)啟動 這就是延時(shí)繼電器在這里起到的作 用 而關(guān)于 MCR 指令是在多個(gè)線圈同時(shí)受一個(gè)或一組觸點(diǎn)控制 如果在每個(gè)線圈的控 制電路中都串入同樣的觸點(diǎn) 將占用很多存儲單元 使用主控指令就可以解決這一問 題 當(dāng) M1 中間繼電器閉合以后 就可以啟動 MC 和 MCR 中間的這塊程序的 MC 指令是 讓主母線右移 而 MCR 是讓主母線左移 M1 繼電器作為快程序運(yùn)行的先覺條件 16 圖 2 5 結(jié)束語 本文利用 PLC 對 YM3150E 精密型滾齒機(jī)進(jìn)行改造 使得機(jī)器的的操作更簡單 靈 活 更是方便維修 發(fā)揮出了 PLC 控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠 控制靈活的優(yōu)點(diǎn) 在改進(jìn)的 過程中 需要對機(jī)器進(jìn)行整體的了解 特別是它的工作原理和流程 考慮得到操作的 安全性和可靠性 設(shè)計(jì) PLC 控制系統(tǒng)就必須謹(jǐn)慎 17 小結(jié) 在指導(dǎo)老師張高峰副教授的精心輔導(dǎo)下 經(jīng)過近一個(gè)學(xué)期的努力 基本完成了此 次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù) 通過這個(gè)過程 對大學(xué)四年所學(xué)的專業(yè)知識和各項(xiàng)技能都有了一個(gè)重新的認(rèn)識 是一個(gè)階段性提高自我的過程 從中 也不斷發(fā)現(xiàn)自己在專業(yè)知識和創(chuàng)新思維方面的 不足 達(dá)到改進(jìn)的目的 在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中 經(jīng)常性的查閱各種資料和文獻(xiàn) 經(jīng)常碰到一些以前未 遇到的問題 都促使我反復(fù)思考探究 或者向人請教 學(xué)到了不少的知識 特別是對 本課題的相關(guān)知識 有了更深層次的理解和消化 在電氣控制技術(shù)方面有了顯著的提 升 在此感謝我的指導(dǎo)老師和幫助我的老師們 18 致 謝 經(jīng)過幾個(gè)月的努力 畢業(yè)設(shè)計(jì)接近了尾聲 也意味著我大學(xué)四年的生活接近了尾 聲 回顧這幾年的學(xué)習(xí) 感慨頗深 收獲頗多 在此我首先要衷心的感謝我的指導(dǎo)老師張高峰副教授 正是他的諄諄教誨使我完 成了我的畢業(yè)設(shè)計(jì) 從課題的選題 開展到論文的撰寫 結(jié)稿 自始至終都得到了張 高峰老師的悉心指導(dǎo)與熱情幫助 他淵博的學(xué)識 嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng) 勤勉的工作態(tài)度 誨 人不倦的高尚品格給我留下的深刻的印象 我相信這段經(jīng)歷必將對我日后的工作生活 起到良好的促進(jìn)作用 同時(shí) 感謝學(xué)校給予我的培養(yǎng) 使我在走入社會前有了一個(gè)立身的平臺 再次 我要感謝我的父母 沒有他們的支持 我便沒有今天的成就 是他們辛勤 的勞動使我有了在湘潭大學(xué)深造的機(jī)會 最后 我還要謝謝我的大學(xué)同窗們 大學(xué)能認(rèn)識你們 是我人生的一筆寶貴的財(cái) 富 你們平時(shí)和我一起討論關(guān)于學(xué)習(xí)的點(diǎn)點(diǎn)滴滴 使我有了更大的進(jìn)步 興湘學(xué)院 06 級機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化一班 李增 19 參考文獻(xiàn) 1 熊葵容 電器邏輯控制技術(shù) M 科學(xué)技術(shù)出版社 1999 2 廖常初 可編程控制器應(yīng)用技術(shù) M 重啟大學(xué)出版社 1996 3 黃義源 機(jī)械設(shè)備電器與數(shù)字控制 M 中央廣播電視大學(xué)出版社 1993 4 鄭鳳翼 鄭丹丹 趙春江 梯形圖和語句表 人民郵電出版社 2006 5 5 王阿根 電氣可編程控制原理與應(yīng)用 清華大學(xué)出版社 2007 4 6 張高峰 陳資濱 YM3150E 精密滾齒機(jī)的 PLC 的改造 計(jì)算機(jī) PLC 應(yīng)用機(jī)床電器 2002 NO 3 7 王少江 侯力 匡紅 滾齒機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)控化研究 機(jī)床與液壓 2009 37 7 8 張鳳友 滾齒機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)位論文 1998 9 趙曉運(yùn) 鄭勝利 YM3150E 型滾齒機(jī)的控制系統(tǒng)的 PC 改造 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào) 2006 14 5 10 任延明 侯力 趙學(xué)玲 舒暢 基于 PLC 的滾齒機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究 機(jī)械 2008 35 4 20 附錄一 PLC 的程序 LD X4 OUT M0 LD M0 AND X16 OUT Y0 LD X24 MC M0 M1 OUT M1 OUT T1 K50 LD M1 MPS LD X0 AND X11 AND X12 LD Y1 OR Y2 ANI X17 ORB ANB AND T1 ANI X1 ANI X5 ANI X6 ANI X10 ANI X13 ANI M3 OUT M2 MRD AND M2 ANI X20 ANI Y2 OUT Y1 21 MRD AND M2 ANI Y1 OUT Y2 MRD AND M2 AND X21 OUT Y3 MRD LD X14 OR X15 ANB OUT M3 AND X7 ANI X15 ANI X6 ANI X2 ANI X3 ANI Y4 OUT Y5 MRD AND X7 ANI X14 ANI X10 ANI X2 ANI X3 ANI Y5 OUT Y4 MRD AND X22 OUT Y6 MRD AND Y4 OUT Y7 22 MPP AND X23 OUT Y10 MCR M0 END 23 附錄二外文文獻(xiàn)翻譯 硬質(zhì)合金刀加工合金 718 時(shí)刀具磨損建模 J Lorentzon N Ja rvstra t 關(guān)鍵詞 刀具磨損 有限元 鉻鎳鐵合金 718 摩擦 建模 概述 刀具磨損是在鎳基高溫合金車削時(shí)的問題 因此它是理解和定量預(yù)測刀具磨損和 刀具壽命的重要的依據(jù) 本文的實(shí)驗(yàn)證明工具磨損模型并已用商業(yè)有限元 FE 的代 碼來預(yù)測刀具磨損 該工具幾何是逐步形成的有限元模擬芯片的更新 以捕捉到穿概 況 壓力 溫度和相對速度的不斷演進(jìn) 以適應(yīng)幾何中的變化 對不同的摩擦和磨損 模型進(jìn)行了分析 以及它們對預(yù)測磨損配置的影響進(jìn)行評估 分析表明 一個(gè)更先進(jìn) 的摩擦模型比庫侖摩擦是更重要的 以便獲得準(zhǔn)確的預(yù)測磨損 大大提高了速度的預(yù) 測精度 從而對模擬磨損產(chǎn)生重大影響 實(shí)驗(yàn)取得了一致的硬質(zhì)合金刀具加工鋁合金 718 磨損模擬 1 介紹 鎳基高溫合金 在航空航天工業(yè)中使用的最多的材料 機(jī)器 這些合金是在高溫 高強(qiáng)度下進(jìn)行機(jī)械加工的 從而涉及部隊(duì)使用 大大超出了鋼鐵加工發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)度 此 外 接觸長度較短 這就會在工具芯片接口引起變形 加工硬化 可高達(dá)百分之 30 遇到的另一個(gè)問題是這些合金加工時(shí) 因?yàn)檫@可能導(dǎo)致在側(cè)翼面對嚴(yán)重的刀具磨損 低鎳引起高溫合金的熱導(dǎo)率是另一個(gè)問題 通過溫度的測量 表明溫度比鋼高 在該芯片接口的高應(yīng)力 加工硬化和高溫加工的鎳合金所有參與有助于提高刀具 磨損 因此 必須要了解的磨損過程 以預(yù)測磨損率 提高刀具壽命 在過去 試驗(yàn) 方法一直是主要方式 現(xiàn)在 數(shù)值方法的不斷發(fā)展 如有限元法 FEM 以及更強(qiáng)大的 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) 如切削過程仿真的復(fù)雜的接觸問題 有限元法已被證明是一個(gè)芯片的形成過程分析和預(yù)測過程變量 如溫度的有效方 法 力量 強(qiáng)度等等 因此 其模擬的使用大大增加 在過去十年中 熱力耦合仿真 切屑形成過程一直被許多學(xué)者關(guān)注 如麥金利和莫納漢等等 近來 對刀具磨損的演 變進(jìn)行了模擬 也通過實(shí)施磨損率方程 在有限元軟件上應(yīng)用 該方法已使用于鋼鐵 計(jì)算磨損率預(yù)測 從切割變量 和更新的工具移動節(jié)點(diǎn)的幾何形狀 取得了相當(dāng)好的 準(zhǔn)確性 該方法可以作為最先進(jìn)的造型加工看待 不過 這種刀具磨損模擬加工鎳基高溫合金的做法表明 特別是在周圍的工具提 示區(qū)域模擬和測量幾何之間的差距相當(dāng)大 因此 需要更多的工作 使精確的刀具磨 損模擬 要做到這一點(diǎn)不好做 要同時(shí)與建模工具磨損 并在芯片界面摩擦 因?yàn)檫@ 些現(xiàn)象是密切相關(guān) 摩擦應(yīng)力正應(yīng)力成正比 然而 摩擦壓力是有限的 當(dāng)正應(yīng)力比 24 剪應(yīng)力較大的流動狀態(tài) 這是在周圍的工具提示 其中實(shí)際接觸面積接近名義接觸面 積區(qū)域的情況并變量摩擦模型使用 以獲取有限元模擬更準(zhǔn)確的結(jié)果 這在以前沒有 考慮刀具磨損模擬 那里的摩擦系數(shù)在模型的剪切工具界面摩擦片或由庫侖摩擦力一 直不斷形成 1 1 目標(biāo) 這項(xiàng)工作的總體目標(biāo)是建立一個(gè)有限元工具磨損模型 可以預(yù)測在硬質(zhì)合金刀具 加工鎳基合金的磨損幾何定量 為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo) 不同的磨損和摩擦模型的影響磨 損過程參數(shù) 如溫度和相對速度 一直在調(diào)查和預(yù)測工具的磨損幾何使用 具體來說 在這里分為摩擦和磨損 2 1 4 節(jié)中更詳細(xì)地描述和 2 2 1 1 1 磨損 W1 Usui 的經(jīng)驗(yàn)?zāi)p率模型 14 16 這是一個(gè)接觸壓力 相對速度和絕對溫度的 函數(shù) W2 對于 Usui 的模型 第二組的參數(shù)給予不同的溫度進(jìn)行了研究 W3 磨損率包括絕對溫度功能的依賴 W4 Usui 磨損率修正模型 包括相對速度指數(shù) W5 振動調(diào)整 Usui 模型 其中一個(gè)常數(shù)項(xiàng)被添加到相對速度的振動 這是芯片中 不存在形成的模型而造成的 1 1 2 摩擦 F1 庫侖摩擦力模型 其中指出 摩擦力與接觸壓力是成正比的 F2 剪切摩擦模型 其中指出 摩擦力是一小部分的等效壓力 F3 兩種不同的庫侖摩擦系數(shù) 是尖端減少對前刀面摩擦形成的 2 刀具磨損模型 該工具磨損模型由一個(gè)有限元模型和切屑形成磨損模型計(jì)算接觸點(diǎn)的磨損率 進(jìn) 而相應(yīng)地修改工具的幾何形狀 2 1 芯片形成模式 切屑形成的有限元模型是使用商業(yè)軟件 MSC 使用更新的拉格朗日表述 這意味著 該材料是附加到網(wǎng)格與定期重構(gòu) 以避免內(nèi)容失真 在切割過程需要熱力耦合分析 因?yàn)闄C(jī)械的工作轉(zhuǎn)化為熱能 造成熱壓力影響材料的特性 兩種類型的熱 假設(shè)通常 用于機(jī)械切削模擬 即完全耦合絕熱加熱和熱機(jī)械計(jì)算 在這項(xiàng)工作中的耦合 交錯(cuò) 模型已被使用 這意味著 首先是遞增傳熱 其次是應(yīng)力分析 增量的時(shí)間設(shè)置為 1 5 毫秒 準(zhǔn)靜態(tài)分析的使用 這意味著 theheat 分析是短暫的 而忽略了力學(xué)分析與慣 性力靜 2 1 1 尺寸 在仿真模型中使用的工件的尺寸為 5mm 長度 0 5mm 的高度 并在仿真模型所使用 25 的工具是 2 毫米長 2 毫米高 其尖端半徑設(shè)置為 16 毫米測量后角和前角 61 01 切 割速度為 0 75 米 秒 2 1 2 網(wǎng)格 工件的網(wǎng)狀圖中可以看出該網(wǎng)格調(diào)整技術(shù) 他使用了前四推進(jìn) 網(wǎng)格創(chuàng)造 沿給定 的輪廓邊界和邊界單元網(wǎng)格創(chuàng)作開始繼續(xù)向內(nèi) 直到整個(gè)地區(qū)都有網(wǎng)狀 所用的元素 的數(shù)量約為 6000 元 最低為 2 毫米集大小 圖中可見 用細(xì)網(wǎng)在周圍的物質(zhì)分離的工 具提示 該工具中網(wǎng)狀分子大約有 5000 個(gè) 最小的元素是 2 毫米大小 2 1 3 材料特性 一般來說 應(yīng)變程度 應(yīng)變速率 溫度各有一對材料流動應(yīng)力強(qiáng)的影響力 因此 有必要在材料中使用捕獲模型 以便正確地預(yù)測芯片的形成 在這里 忽略了在 1 s 的 104 s 時(shí) 室溫為 18 和 102 之間幾乎為零 s 和 105 300 集成電路 s 時(shí) 應(yīng) 變率的依賴性 一率略有 約 10 獨(dú)立分段線性塑性模型使用 相反 流動應(yīng)力曲線 后 18 高應(yīng)變率 104 s 的使用 見圖 2 該流動應(yīng)力溫度趨勢摘自 20 其他工 件材料性能使用可以在圖 3 看到 對未涂層硬質(zhì)合金刀具的材料特性被認(rèn)為是不受溫度 并在表 1 中列出 2 1 4 在工具摩擦片接口 在這項(xiàng)工作中 使用三個(gè)不同的摩擦 在每一種情況下 摩擦系數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定 以 5 以內(nèi)的相關(guān)模擬和測量力量 該進(jìn)給力是摩擦力力量之和 但是 在我們遇到的 尖端半徑相比很小 影響進(jìn)給速度限制 因此摩擦提供了相當(dāng)大的一部分進(jìn)給力 使 用的模型是 F1 在庫侖摩擦力模型指出 摩擦力是成正比的接觸壓力 通過摩擦系數(shù) 摩擦系數(shù) 設(shè)置為 1 0 1 F2 剪切摩擦模型 其中指出 摩擦力是一個(gè)等效壓力 2 摩擦系數(shù) m 設(shè) 置為 1 1 2 26 F3 作為新一代的庫侖摩擦力模型 但這里有兩個(gè)不同的摩擦系數(shù) 芯片接口 在前刀面 那里的接觸壓力是非常高的高于 1000MPa 摩擦系數(shù)設(shè)置為 0 75 在其他 地方的摩擦系數(shù)設(shè)置為 1 1 這方面的一個(gè)原則是在圖 4 該模型是物理學(xué)家佐列夫在 高正應(yīng)力摩擦下等到的 2 1 5 產(chǎn)生的熱量 在加工過程中產(chǎn)生的摩擦熱和塑性變形 具體的體積通量由于塑性功率給予 在這里 Wp 是塑料的工作速度 r 是密度和 f 是工作的一小部分塑料轉(zhuǎn)化為熱量 這時(shí)設(shè)置為 1 轉(zhuǎn)換 嚴(yán)格來說 這是不正確的 因?yàn)橛行┕ぷ魇谴嬖谒苣z材料儲存 但儲存的相對比例是未知的 因?yàn)檫@么大變形的塑料儲存工作的一小部分被忽略 產(chǎn) 生的熱率因摩擦是由下式給予 在這里 Ffr 是摩擦力和 VR 是相對滑動速度 在因摩擦產(chǎn)生的熱量是同樣的兩個(gè)接觸到分發(fā)機(jī)構(gòu) 這些熱量是從工件轉(zhuǎn)移 由 于對流和傳導(dǎo)對環(huán)境輻射的忽視 在傳熱之間的工具和工件接觸系數(shù)設(shè)置為 1000kW m2k 而根據(jù)菲利斯等允許數(shù)值之間的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)證據(jù)可以獲得令人滿意的結(jié) 果 但應(yīng)該指出 這是對另一種材料組合使用的 在該工具的外部邊界的溫度定為室 溫 2 2 磨損模型 可切割磨損率模型進(jìn)一步修改后的測試 W1 經(jīng)驗(yàn)式的磨損率模型公式 5 模型作為接觸壓力 相對速度 vrel 和絕 對溫度 T 功能的磨損率 W2 一種不同的測試參數(shù)設(shè)置也是為了調(diào)查的溫度依賴性的影響 W3 磨損率模型公式 6 能夠占主導(dǎo)擴(kuò)散磨損在較高的溫度 模型是在絕對溫度 T 以及常數(shù)分別為 D 這是一個(gè)材料常數(shù) 活化能和 R 8 314 千焦耳 摩爾 K 的玻 爾茲曼常數(shù) W4 通過添加改變性能相對速度的指數(shù)式的磨損率模型公式 4 27 W5 振動調(diào)整 Usui 的磨損率式 4 一常數(shù)項(xiàng)被添加到相對速度的振動其中不 包含芯片的形成模型 2 2 1 磨損模型常數(shù) 第一測定模型常數(shù) 對工具磨損選定的材料進(jìn)行加工試驗(yàn) 然后根據(jù)有限元模擬 同樣的條件 最后的磨損率計(jì)算模型的常數(shù) 通過回歸分析 給 這次 B 參數(shù)值也用在這里 雖然在芯片的摩擦系 數(shù)不同 形成的模式 會因?yàn)樗F(xiàn)在就校準(zhǔn)而補(bǔ)償 基于這個(gè)原因 一個(gè)參數(shù)進(jìn)行了 調(diào)整 以使在相同的實(shí)驗(yàn)中 用同樣的方法來校準(zhǔn)的 A D A0 和型號為 W1 的磨損 W2 W3 W4 和 W5 號 A00 校準(zhǔn)參數(shù)列于表 2 和 3 在 W3 的方程式 6 E 被設(shè)定為 75 35 千焦耳 摩爾 3 分析步驟 車削操作 相對于溫度和力量靜止?fàn)顟B(tài) 一般將會在滲入工件和隨后的芯片形 成初期短暫進(jìn)入高溫 這時(shí)對該工具的磨損進(jìn)度預(yù)測會被忽視 相反 刀具磨損的 預(yù)測 是基于固定切屑形成條件 并通過刀具磨損預(yù)測的 第一步是固定的 因此 是計(jì)算芯片的條件 最后 通過對磨損模型中被激活的芯片形成過程分析和計(jì)算刀 具磨損的進(jìn)展 3 1 切屑形成 為了達(dá)到在有限元模擬芯片形成固定的條件下使用拉格朗日方法 整個(gè)對象在 形成模擬芯片上要執(zhí)行 必須存在并且從模擬網(wǎng)狀開始 因而為達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下將計(jì) 算進(jìn)行 26 瞬態(tài)分析 幸運(yùn)的是 通過降低熱容量的工具 它可以更快地達(dá)到平衡 在我們的例子中 這是 1500 年后獲得約遞增 見圖 5 28 此時(shí) 降低熱容量的原因是參加了較長時(shí)間的作用 計(jì)算熱增量相同比例的效果 比機(jī)械的增加 這可以看式 5 請注意 左邊在穩(wěn)態(tài)消失 而增加了變化的速度 達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件 在這里 T 是溫度 k 是熱導(dǎo)率 r 是密度和 CP 是散熱能力 3 2 刀具磨損 該工具磨損模型由一個(gè)有限元模型和切屑形成磨損模型作為子程序計(jì)算接觸點(diǎn) 的磨損率 相應(yīng)地修改工具幾何實(shí)施 磨損率的計(jì)算使用的每一個(gè)與母材接觸工具節(jié) 點(diǎn) Usui 的經(jīng)驗(yàn)?zāi)p模型 為了做到這一點(diǎn) 溫度 相對速度 并在接觸應(yīng)力的有限元 芯片在與工件接觸工具的所有節(jié)點(diǎn)形成的模擬計(jì)算獲得計(jì)算值 然后受聘于用戶子程 序來計(jì)算磨損率 見圖 6 通過計(jì)算磨損率 分析該工具的幾何形狀 然后更新移動 芯片中的有限元仿真工具形成特定節(jié)點(diǎn) 請參閱 5 一個(gè)節(jié)點(diǎn)的移動方向是基于在 該節(jié)點(diǎn)接觸壓力的方向 移動節(jié)點(diǎn)后 所有的結(jié)合點(diǎn)的數(shù)據(jù)映射到新的融合點(diǎn)位置和 切屑形成繼續(xù)模擬 通過工作物質(zhì)滲透工具 更新工具的幾何扭曲組成部分 為了避 免這種情況 該工具會自動網(wǎng)格 使用四方面推進(jìn)再劃分技術(shù) 再規(guī)定頻率 磨損計(jì)算是 1800 年開始增加 見圖 5 在穩(wěn)態(tài)方面都包括力和溫度 磨損計(jì)算分為 1200 增量 每個(gè)幾何工具更新 使用較少的增量將導(dǎo)致收斂問題和數(shù)值錯(cuò)誤 但是使 用更多的增量 會增加不必要地計(jì)算時(shí)間 磨損計(jì)算大約相當(dāng)于 15 秒的無潤滑加工 造成約 65 毫米的后刀面磨損和約 5 3 毫米刀面深的痕跡 因此 加速磨損過程是通 過大約 1 萬次的模擬模型 4 實(shí)驗(yàn) 通過實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)了摩擦磨損參數(shù)的模擬與實(shí)測曲線的比較磨損 4 1 實(shí)驗(yàn)條件 車削試驗(yàn)在數(shù)控車床上進(jìn)行了干切削 一個(gè)切割速度 45 米 分 一進(jìn)給速度 0 1mm rev 進(jìn)行了評估 在每個(gè)轉(zhuǎn)彎長度為 12mm 的加工實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行 3 次 工 件是鉻鎳鐵合金 718 這是擺設(shè)在其端面幾何管道 以實(shí)現(xiàn)在附近作業(yè)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)正交切 削條件 工件有 35 6 毫米外徑和內(nèi)徑 29 毫米 該實(shí)驗(yàn)中使用的是切割寬度為 16mm 的 同一個(gè)三角形 無涂層的硬質(zhì)合金車削刀具 硬質(zhì)合金分類與 ISO 標(biāo)準(zhǔn) N10 N30 的規(guī) 定相同 4 2 測量 切削力 芯片形狀 尖端半徑和刀具磨損都是在這些實(shí)驗(yàn)中測量得的 切割包括 切削力 進(jìn)給力量 FT 和被施加的力 FP 的測定對 所有使用三分量測力計(jì) 29 9121 類型 樣本 多通道電荷放大器 5017B 型 和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 使用光學(xué)顯微 鏡對芯片的形狀樣本進(jìn)行了研究 該芯片生產(chǎn)的每個(gè)過程中 收集 安裝 接地和拋 光 在此之后 厚度形狀是從獲得的圖像中測量的 對于校準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 以及尖端 半徑 被切割為兩個(gè)插入測量 這些測量是 Toponova 公司完成的 www toponova se 使用白光干涉 例如 27 的說明 作者給出一橫截面的磨損情況 和初步的幾何測量 如示意圖 7 在本節(jié)中 對磨損和摩擦磨損模型模擬配置的影響提出剖面測量磨損和模擬溫度 相對速度和接觸壓力 以強(qiáng)調(diào)和澄清之間的摩擦模型的差異 最后 模擬切削力和芯 片厚度比的測量 5 1 磨損模型簡介 在本節(jié)中 庫侖摩擦力模型 F1 的使用和磨損模擬與實(shí)測剖面使用不同的磨損 方程概況比較 5 1 1 克雷特磨損 模擬刀口磨損配置使用 Usui 方程 W1 具有在對前刀面接觸區(qū)上地最大的深度 在 約 200 毫米的前刀面的開始處 這是相對于實(shí)測剖 面有約 70 毫米從開始前刀面最大 深度接近的工具 見圖 8 此外 刀尖磨損大大低估 減少磨損方程 W2 參數(shù) B 更 改輕微磨損配置模擬 由一個(gè)磨耗量更大在工具提示和移動的最大深度位置遠(yuǎn)離切向 模擬磨損配置使用振動調(diào)整 Usui 模型 W3 顯示了更好地與該處的測量磨損略高于比原 來的 Usui 剖面模型工具 然而 最大的深度位置顯示相較于原來的 Usui 模型只有輕微的 變化 仍然位遠(yuǎn)離切向方向 模擬磨損配置使用一個(gè)依賴于速度指數(shù)修正系統(tǒng) W4 顯示了同樣的傾向 振動調(diào)整 Usui 模型 W3 更好地在這一處的原始 Usui 剖面測量磨 損工具提示 在這種情況下 與測量差