三工位鉆床控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u22945三工位鉆床控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計案例 1189961.1上位機設(shè)計 1228851.2PLC模塊設(shè)計 2312991.3電機模塊設(shè)計 863441.4液壓模塊設(shè)計 14134521.5電源模塊設(shè)計 18192531.6檢測模塊設(shè)計 1965361.7按鍵模塊設(shè)計 21181991.8報警模塊設(shè)計 221.1上位機設(shè)計1.1.1人機界面設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求，著眼實際，考慮設(shè)備安裝調(diào)試和后期維護，鉆床的動作由自動控制和手動控制兩部分組成，用檔位開關(guān)切換REF_Ref13621\r\h[3]。通過登錄界面進入主界面，上位機監(jiān)控界面框圖如圖3-1所示。圖3-1上位機監(jiān)控界面（1）自動控制畫面：主要應(yīng)用于工件自動鉆孔的開始、暫停、結(jié)束操作。（2）手動控制畫面：用來單獨控制上料器的進退，工件夾緊和放松，鉆頭升降，卸料器的進退，工作臺升降和旋轉(zhuǎn)。（3）參數(shù)設(shè)定畫面：參數(shù)設(shè)定畫面可以對鉆頭鉆孔深度、鉆頭進給量進行設(shè)置。（4）故障顯示畫面：當(dāng)工件上料未到達工作臺工位的準(zhǔn)確位置指示燈會發(fā)出報警信號，故障信息顯示在監(jiān)控界面上。1.1.2上位機通訊設(shè)計上位機與PLC之間的通信采用CAN總線方式?；贑AN總線的分布式控制系統(tǒng)屬于現(xiàn)場總線和串行通信網(wǎng)絡(luò)。它具有實時數(shù)據(jù)傳輸、開發(fā)周期短、應(yīng)用前景廣闊等優(yōu)點。上位機通過適配卡接口與CAN總線交換信息，PLC通過具有CAN接口的串行芯片與CAN總線相連。上位機負(fù)責(zé)整個CAN總線系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。具有系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、監(jiān)控狀態(tài)設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)請求、本地狀態(tài)請求、節(jié)點狀態(tài)查詢、數(shù)據(jù)管理中斷等功能模塊。上位機向下位機發(fā)送命令。PLC檢測并執(zhí)行相應(yīng)的寫入過程。1.2PLC模塊設(shè)計1.2.1PLC的選型離散運動控制是三菱的優(yōu)勢，三菱PLC具有豐富的指令，伺服和步進的控制容易在三菱PLC中實現(xiàn)，而西門子在復(fù)雜控制方面較弱，在實現(xiàn)伺服或步進的控制，需要比較復(fù)雜的程序，控制精度不高。通過三菱系列PLC與西門子系列PLC的對比，可知三菱系列PLC較西門子系列PLC具有以下優(yōu)點：1、系統(tǒng)配置即固定又靈活；2、編程簡單；3、備有可自由選擇，豐富的品種；4、使用于多種特殊用途；5、外部機器通訊簡單化；從輸入和輸出點的數(shù)量以及編程的難易程度的角度考慮，選用三菱系列PLC能夠滿足設(shè)計要求。PLC是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置REF_Ref18561\r\h[4]。它具有體積小、功能強、可靠性高、靈活通用與維護方便等優(yōu)點，在機械制造、冶金、化工等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。由于系統(tǒng)的輸入和輸出信號較多，所以選用的PLC需要具備多個接口。已知系統(tǒng)需要輸入輸出信號分別為27和14個，總計41個。另外，PLC接口要有余量，所以可以考慮具有輸入輸出點各32個的FX2N系列PLC，其有高速、強大的基本性能，方便擴展，所占空間體積小，適用于一般邏輯控制以及其他廣泛用途，最終選定PLC型號為FX2N-64MR。其實物圖如圖3-2所示。圖3-2PLC的型號FX2N-64MR該型號的PLC主要參數(shù)與特點如表3-3所示：表3-3PLC參數(shù)表類型FX2N-64MRI/O口32個輸入，32個輸出CPU運算速度0.08μS所用電源交流電儲存器最大擴展16K1.2.2PLC的硬件結(jié)構(gòu)PLC的硬件系統(tǒng)主要由電源、中央處理器、輸入輸出接口、外設(shè)接口、I/O擴展接口與存儲器組成。在不同的使用條件下可以將其進行整體化和模塊化，以便適用與各大應(yīng)用場合。必要時，也可以對PLC的硬件及結(jié)構(gòu)進行替換，以達到所需要的功能。PLC結(jié)構(gòu)框圖如3-4所示。圖3-4PLC的硬件系統(tǒng)框圖1.2.3PLC工作流程圖3-5PLC的工作流程1.2.4PLC的I/O地址分配三工位旋轉(zhuǎn)鉆床所用PLC的I/O分配表如表3-6所示。表3-6PLC的I/O地址分配輸入信號名稱外部元件內(nèi)部地址輸出信號名稱外部元件內(nèi)部地址系統(tǒng)啟動SB0X000上料推進電磁閥1YAY000上料推進SQ1X001上料退回電磁閥2YAY001上料退回SQ2X002工件夾緊電磁閥3YAY002工件松開SQ3X003工件松開電磁閥4YAY003鉆頭下降SQ4X004鉆頭下降電磁閥5YAY004鉆頭上升SQ5X005鉆頭上升電磁閥6YAY005卸料推進SQ6X006卸料推進電磁閥7YAY006卸料退回SQ7X007卸料退回電磁閥8YAY007工作臺抬起SQ8X010工作臺抬起接觸器9YAY010工作臺落下SQ9X011工作臺落下接觸器10YAY011工作臺旋轉(zhuǎn)SQ10X012工作臺電動機轉(zhuǎn)動接觸器KM1Y012壓力繼電器觸點SP1X013鉆頭電動機轉(zhuǎn)動接觸器KM2Y013手動上料推進SB1X014液壓泵電機KM3Y014手動上料退回SB2X015報警KM4Y015手動工件夾緊SB3X016手動工件放松SB4X017手動鉆頭下降SB5X020手動鉆頭上升SB6X021手動卸料推進SB7X022手動卸料退回SB8X023手動工作臺抬起SB9X024手動工作臺落下SB10X025手動工作臺旋轉(zhuǎn)SB11X026手動鉆孔SB1X027系統(tǒng)停止SB13X030手動控制SA1X031自動控制SA2X032上料到位檢測X0331.2.5PLC端口接線圖該設(shè)計系統(tǒng)的PLC外部接線如圖3-7所示：圖3-7PLC接線圖1.3電機模塊設(shè)計由于電機的轉(zhuǎn)速相對較高且工作臺每次要求旋轉(zhuǎn)120°，因此工作臺電機需要外加減速器，要求運行平滑且相應(yīng)速度快，所以工作臺選用步進電機。對于主軸電機和液壓泵電機來說，由于其需要保持高速旋轉(zhuǎn)，對于電機轉(zhuǎn)速控制沒有要求，所以不必選用價格比較昂貴的額伺服電機，三相異步電動機便可滿足條件。工作特點如下表3-8所示：表3-8三種電機特點步進電機伺服電機三相異步電動機過載特性過載時會失步可3~10倍過載（短時）過載時電流很大響應(yīng)速度一般快一般耐振動好一般（旋轉(zhuǎn)變壓器型可耐振動)較好溫升運行溫度高一般一般維護性基本可以免維護較好較好價格低高低1.1.1電機選型電機根據(jù)設(shè)定的系統(tǒng)參數(shù)選型，工作臺系統(tǒng)各項參數(shù)如表3-9所示。表3-9系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定機械結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定數(shù)值工作臺直徑D工作臺厚度L工作臺材質(zhì)密度ρ工件材質(zhì)密度ρ工件直徑D工件厚度L工件數(shù)量n=3工作臺中心至工件幾何中心的距離r=0.16m定位角度θ=120°定位時間t=2s工作臺電機轉(zhuǎn)速n減速機減速比i=6工作物轉(zhuǎn)動慣量J工作臺電機選型工作臺質(zhì)量mT

三個工作物質(zhì)量mm工作臺和工件總質(zhì)量m工作臺和工件所受重力G工作臺轉(zhuǎn)動慣量J工件轉(zhuǎn)動慣量J總負(fù)載慣性J負(fù)載轉(zhuǎn)矩T工作臺轉(zhuǎn)速n工作臺角速度ω工作臺線速度V工作臺切向加速度ε工作臺總轉(zhuǎn)矩M工作臺旋轉(zhuǎn)阻力f綜上選擇鉆頭電機選型鉆頭切削力矩M=0.21D——鉆頭直徑(mm)f——每轉(zhuǎn)進給量(mm)KP鉆頭切削阻力F=鉆頭電機功率P=FV=F考慮到鉆頭電機效率和帶傳動效率，取P=11KW,選用YE2-160L-6三相異步電機.液壓泵電機選型初選液壓泵電機功率P取液壓泵和液壓缸的效率依次為0.93和0.93P考慮其他負(fù)載因素，最終取液壓缸功率為P則液壓泵電機型號為YS6324-250V。表3-11三臺電機參數(shù)總表型號電壓（V）功率（KW）轉(zhuǎn)速（RPM）工作臺電機2200.110鉆頭電機YE2-160L-6380111200液壓泵電機YS63243800.251200（4）減速器選型由于工作臺電機的轉(zhuǎn)速較高，如果其電機主軸直接連接工作臺，就會導(dǎo)致工作臺在很短的時間內(nèi)擁有很大的角速度，而工作臺要求在一定時間內(nèi)每次旋轉(zhuǎn)120°，要求的角速度要比工作臺電機轉(zhuǎn)子角速度小得多，這是就有必要在連接處安裝減速器。通過減速器使得傳遞到工作臺轉(zhuǎn)軸上的角速度降低，從而滿足要求。以下是兩種常見減速器。方案一：RV減速器。在傳遞相同扭矩和功率時，RV減速器體積較小。其中擺線針輪傳動為硬面多齒嚙合，這決定了擺線針輪傳動本身的性能，而且在傳動機構(gòu)的構(gòu)造過程中，擺線針輪傳動置于行星齒輪架的主庫中，大大減少了傳動的總體積。但RV減速器由于承受較大的扭矩，所以其內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，生產(chǎn)制造成本相對較高，且在高速運轉(zhuǎn)時容易引起軸承疲勞磨損，大大縮短了RV減速器的使用壽命，因此不適宜本次設(shè)計。方案二：諧波減速器。用于負(fù)載小的工作軸上，諧波減速器由剛性輪、柔性輪、軸承和軸發(fā)電機組成。由于多齒嚙合同時存在多個齒，即多齒嚙合對誤差有相互補償，動態(tài)精度高。以齒輪為例，齒輪徑向運動均勻，即使輸入轉(zhuǎn)速高，齒輪的相對滑動速度仍然很低，傳動功率也很高。由于其精度相對較高，可以保證一定的減速比，使得工作臺的固定旋轉(zhuǎn)角度容易實現(xiàn)。本設(shè)計要求三工位鉆床的工作臺轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，輸出速度較低，且出于成本考慮，故選用諧波減速器。如圖3-10所示。圖3-10諧波減速器結(jié)構(gòu)示意圖1.1.2電動機主電路圖3-11驅(qū)動控制電路在該電路中，主軸電機控制鉆頭高速旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)鉆孔過程。L1、L2、L3為三相電源線，QF為斷路開關(guān)，主要作為控制系統(tǒng)中的主開關(guān)，具有低壓保護功能。KM是接觸器，主要用來開啟和關(guān)閉發(fā)動機控制系統(tǒng)。KM閉合時，電機運行。FR是一種熱繼電器，用于保護電機不過載。KM1、KM2和KM3為三臺電機開關(guān)。開關(guān)閉合，則相應(yīng)的電機馬達開始工作。1.1.2控制回路步進電機控制器采用ma860h型號，接觸器采用正泰CJX2-1210的380V接觸器其控制回路如圖3-12所示。圖3-12控制回路1.4液壓模塊設(shè)計1.4.1液壓驅(qū)動原理工作臺正常工作時，首先上料器將工件推入工位一，當(dāng)其接觸行程開關(guān)，則回油閥打開，活塞桿返回，再次接觸行程開關(guān)時回油閥關(guān)閉，液壓閥處于中位，進入等待狀態(tài)。隨后工作臺轉(zhuǎn)動120°，工件到達工位二，活塞桿夾緊工件后保壓，工位二中的夾緊動作，除了采用液壓閥之外，還要使用壓力繼電器REF_Ref25461\r\h[2]。上述動作完成之后，主軸電動機鉆頭開始向下進給，進行鉆孔工作。當(dāng)鉆孔深度達到預(yù)設(shè)定的尺寸時，鉆頭觸發(fā)行程開關(guān)，上升繼電器得電使得主軸電機退回，而后再次觸發(fā)行程開關(guān)，上升繼電器失電且主軸電機停止運轉(zhuǎn)。之后夾緊裝置電磁閥失電，其活塞桿退回，碰到行程開關(guān)時停止并進入等待狀態(tài)。最后，工作臺轉(zhuǎn)動120°，當(dāng)工件到達工位二時。卸料器活塞桿伸出，卸料后活塞桿退回，碰到行程開關(guān)后進入等待狀態(tài)。如此循環(huán)，使得流水作業(yè)持續(xù)進行。液壓原理圖如圖3-13示。圖3-13液壓系統(tǒng)動動作原理圖上料卸料、工件夾緊放松、工作臺升降、鉆頭的升降液壓驅(qū)動特點如下表3-16所示：表3-14液壓驅(qū)動特點內(nèi)容液壓驅(qū)動輸出力壓力大，輸出力大控制性能控制精度較高響應(yīng)速度很高安全性能防爆性能好結(jié)構(gòu)性能及體積結(jié)構(gòu)適當(dāng)，體積小對環(huán)境影響易漏油，環(huán)境污染應(yīng)用范圍重載、低速成本高1.4.2升降液壓缸參數(shù)計算（1）載荷的確定支架反力為壓力的2倍，鉆頭壓力為500N，則液壓缸理論推力F=1000N。（2）工作壓力計算負(fù)荷小于50kg時，液壓缸筒體直徑按1MPa計算。根據(jù)數(shù)據(jù)，如果工作壓力為1000N，最小氣缸直徑必須為40mm。（3）液壓缸的排量要求鉆孔深度80mm，為了確?？咨钸_標(biāo)，初選液壓缸的行程為100mm。（4）檢查液壓缸的穩(wěn)定性1）檢查液壓缸的直徑已知P工作＝1MPa，F(xiàn)D取D=60mm2)液壓缸及活塞桿計算由公式：F帶入數(shù)值得F液壓缸=1826N＞1000N，符合要求。由于P工作＝1MPa，查閱資料，初取d=12mm，由公式：4F對d開始驗證，查表知F許用=則1.46mm＜d＜12mm，符合要求。3）確定活塞桿長度L活塞桿行程大于等于2L，活塞桿受力小于等于所能最大壓力Fcr，考慮到n≥nst，查閱公式nst=FCR/F工作，nst=4。查閱資料得FI為截面慣性矩：I=π鉸鏈摩擦系數(shù)：μ彈性模量：E查閱資料知，活塞桿桿彈性模量為210將F工作F則：Fl=得2×100mm≤L≤215mm，取L=215mm，符合要求。4）液壓缸筒壁計算查閱資料可知，其可用薄壁桶壁厚公式計算δ=DP式中：δ—壁厚D—缸內(nèi)徑Pp—實驗壓力，取Pp=2P工作=2×10許用應(yīng)力σ=2.4MPa帶入得出壁厚為2.5mm算出缸外徑D=60+2×2.5=65mm5）確定液壓缸參數(shù)由計算確定D缸=60mm，D桿1.5電源模塊設(shè)計本設(shè)計中三臺電機由220V和380V電壓進行驅(qū)動，而PLC和傳感器則需要24V電壓驅(qū)動工作。220V家用電和380V三相電，生活中常用到，可滿足電動機的使用要求，不需要進行整改。但24V電源的獲得需要對220V電源進行整改轉(zhuǎn)換，根據(jù)資料，可選用超薄型LRS25W～350W系列中的LRS-100-24開關(guān)電源，其主要參數(shù)如表3-15所示。表3-15開關(guān)電源參數(shù)表參數(shù)數(shù)值輸入范圍AC85~264V輸入電壓DC24V輸出電流4.5A額定功率100W尺寸129×97×30LRS-100-24型開關(guān)電源電路圖如圖3-16所示：3-16開關(guān)電源電路圖1.6檢測模塊設(shè)計三工位鉆床的檢測系統(tǒng)主要用來檢測工作臺上料狀態(tài)，其主要由傳感器進行檢測，將其始終固定在工作臺外圓的工位一和工位二附近，對工件所處位置進行檢測，從而來確保工作臺處于正常工作狀態(tài)。若工件所處位置不符合預(yù)定位置，則傳感器動作，將檢測結(jié)果轉(zhuǎn)化為電信號傳達給PLC，PLC發(fā)出相應(yīng)指令使得系統(tǒng)停機或者暫停，以便工作人員排查錯誤，起到安全保護作用。1.6.1傳感器的選擇由于需要對系統(tǒng)自動工作時工件的所處位置狀態(tài)進行檢測，由于工件本身不透光且為實體，所以可以考慮兩種傳感器，即位移傳感器和光電傳感器。方案一：位移傳感器。位移傳感器的原理是磁致伸縮位移傳感器通過非接觸式測控技術(shù)檢測主動磁環(huán)的位置，測量被測產(chǎn)品的實際位移值。該運動傳感器的主要特點是：一是具有廣泛的應(yīng)用和測量范圍，能夠適應(yīng)不同的環(huán)境和不同的機械運動測量；其次，測量精度和可靠性高，誤差小于0.01%，性能穩(wěn)定，使用壽命長，在成千上萬的實際應(yīng)用中得到了普遍的應(yīng)用。方案二：對射式光電傳感器將光源發(fā)射器和光源接收器固定在被測物體的兩側(cè)，對物體的實時位置狀態(tài)進行檢測。正常情況下光源發(fā)射器發(fā)出的光會被接收器接收，物體未進入傳感器的檢測范圍，此時光電開關(guān)不動作。當(dāng)物體進入對射式光電傳感器的檢測范圍，即當(dāng)工件上料未到位時，發(fā)射光被不透明工件阻擋，接收器接收不到發(fā)射光，傳感器輸出異常信號傳送給PLC，觸發(fā)報警系統(tǒng)。方案三：接觸式限位傳感器在系統(tǒng)固定的某一位置安裝接觸式限位傳感器，當(dāng)物體到達一定位置后與限位開關(guān)接觸，限位傳感器動作，使得控制電路發(fā)生切換或者切斷控制電路。接觸式限位傳感器是一種根據(jù)所移動的部件行程所動作的元件，在工業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用。因為本設(shè)計只需要對工件上料是否到位進行檢測，而無需檢測工件的相對位移量，因此對射式光電傳感器適用工件位置的實時檢測，并將其置于工作臺工位一和工位二外圓邊沿中。本次設(shè)計選用PNP型E3F-20C1直流三線NPN常開的對射式光電傳感器。其在沒有阻擋物的時候正常工作，當(dāng)有工件上料未到