PAGE109某某瓶蓋自動(dòng)沖壓機(jī)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u28676某某瓶蓋自動(dòng)沖壓機(jī)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)案例分析 186481.1瓶蓋沖壓機(jī)送料平臺(tái)電氣設(shè)計(jì) 1279981.1.1XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì) 1280051.1.2滾珠絲桿設(shè)計(jì) 2298651.1.3西門(mén)子V90伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3311751.1.4基于V90的瓶蓋沖壓機(jī)的送料平臺(tái)器件選型和參數(shù)計(jì)算 3181431.1.5電氣接線設(shè)計(jì) 46851.2瓶蓋自動(dòng)沖壓機(jī)的壓頭電氣設(shè)計(jì) 5319221.2.1伺服電動(dòng)缸 55841.2.2基于伺服電缸的沖壓頭電氣設(shè)計(jì) 6252871.3瓶蓋自動(dòng)沖壓機(jī)的控制中心電氣設(shè)計(jì) 7186821.1.1PLC選型 7115221.1.2基于S7-1200的瓶蓋自動(dòng)沖壓機(jī)控制中心電氣設(shè)計(jì) 7296861.4其他部分電氣設(shè)計(jì) 9248671.4.1系統(tǒng)總電源電氣設(shè)計(jì) 9168801.4.2交換機(jī)接線電路 101.1瓶蓋沖壓機(jī)送料平臺(tái)電氣設(shè)計(jì)1.1.1XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)，原理簡(jiǎn)單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)。目前廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、交通運(yùn)輸、數(shù)控機(jī)床、單臂機(jī)械手等領(lǐng)域。整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)目前現(xiàn)狀為以下方面：（1）電力電子器件，由半控型到全控型的轉(zhuǎn)變；（2）相位到脈寬的轉(zhuǎn)換；（3）運(yùn)動(dòng)控制的核心主要為計(jì)算機(jī)控制；（4）運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)交流逐漸取代直流部分；（5）運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及性能分析，多采用計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)、伺服電機(jī)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制器及對(duì)應(yīng)軟件一同構(gòu)成了整個(gè)傳統(tǒng)XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)。PC機(jī)總線擴(kuò)充槽內(nèi)置運(yùn)動(dòng)控制器。如圖1.1所示，兩個(gè)可以進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的單元，每個(gè)單元分別由工作臺(tái)面、導(dǎo)軌、滾珠絲桿、軸承座、基座構(gòu)成。通過(guò)運(yùn)動(dòng)單元，系統(tǒng)便可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度工作運(yùn)行（X、Y軸方向）。圖1.1XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)圖1.1.2滾珠絲桿設(shè)計(jì)當(dāng)滾珠絲杠開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，螺母會(huì)自動(dòng)跟隨絲杠旋轉(zhuǎn)的位置和角度去運(yùn)動(dòng)，而對(duì)于直線運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的導(dǎo)程來(lái)實(shí)現(xiàn)其相對(duì)的直線運(yùn)動(dòng)。螺母座與螺母連接的被動(dòng)工件，也遵循上述原理完成直線運(yùn)動(dòng)。為了能夠在各種各樣的應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)滿足需要，標(biāo)準(zhǔn)了滾珠絲杠軸承對(duì)器件、規(guī)格化的生產(chǎn)。涉獵領(lǐng)域眾多，機(jī)床使用占比比例權(quán)重高。滾珠以循環(huán)導(dǎo)管、循環(huán)器、端蓋方式循環(huán)。預(yù)壓方法包括定位和恒定預(yù)壓兩種。高精度研磨加工的精密滾珠絲杠和高精度冷軋加工成型的冷軋滾珠絲杠為絲杠主要的兩種分類(lèi)。滾珠絲杠軸承經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，經(jīng)驗(yàn)豐富，流程嚴(yán)謹(jǐn)，從熱處理到制造，從良品檢測(cè)到出貨發(fā)售有一套安全性非常高的流程。外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)作為兩種常見(jiàn)的流通形式。兩種流通方式主要區(qū)別于螺桿的接觸。圖1.2滾珠絲桿1.1.3西門(mén)子V90伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)西門(mén)子變頻器V90伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。多種型號(hào)的伺服驅(qū)動(dòng)器，能夠處理復(fù)雜多變的工作任務(wù)。這種伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，伺服驅(qū)動(dòng)器有8種尺寸，伺服電機(jī)有7種軸高，功率范圍包含0.05kW-7.0kW多種等級(jí)，能處理多種驅(qū)動(dòng)任務(wù)，例如：定位系統(tǒng)，運(yùn)輸系統(tǒng)等。這種驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)能配合西門(mén)子PLCS7-1200系列和PLCS7-1500系列使用，并通過(guò)博途軟件進(jìn)行組態(tài)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的多種控制任務(wù)。本文對(duì)西門(mén)子變頻器V90伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)做原理介紹。V90伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn):（1）集成PROFINET接口，V90伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)集成有PROFINET接口，方便用戶實(shí)現(xiàn)和PLC之間的PROFINET通訊。這種方法簡(jiǎn)單易用，我們可以通過(guò)PROFINET電纜實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸；（2）集成的控制模式，驅(qū)動(dòng)控制的整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部增加了用于位置控制的外部脈沖，還有內(nèi)部位置控制，以及最后的速度控制和轉(zhuǎn)矩控制。方便用戶根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行控制方式的選擇；（3）集成定位功能，通過(guò)該功能，調(diào)試過(guò)程中位置變量和轉(zhuǎn)速變量予以保存并修改；（4）簡(jiǎn)單的優(yōu)化功能，該功能與機(jī)器共振自動(dòng)抑制協(xié)作，將系統(tǒng)優(yōu)化；（5）簡(jiǎn)單的連接方式，V90伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)與PLC之間的連接簡(jiǎn)單方便，包含PROFINET接口實(shí)現(xiàn)的PROFIdrive通訊方式，通過(guò)RS485接口實(shí)現(xiàn)通過(guò)通訊，以及雙通道脈沖序列來(lái)確定位置設(shè)定值；（6）V90伺服驅(qū)動(dòng)器具有標(biāo)準(zhǔn)SD卡插槽，通過(guò)SD卡，我們可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器之間的參數(shù)設(shè)置。綜上所述，西門(mén)子變頻器V90伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單易用，應(yīng)用廣泛，具有多種優(yōu)點(diǎn)，我們可以通過(guò)多種方式通過(guò)PLC與V90之間實(shí)現(xiàn)通訊任務(wù)。1.1.4基于V90的瓶蓋沖壓機(jī)的送料平臺(tái)器件選型和參數(shù)計(jì)算本次設(shè)計(jì)的沖壓機(jī)的送料臺(tái)采用由滾珠絲桿和V90伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)等組成，工作原理就是使用V90伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)絲桿運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的移動(dòng)。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在X軸方向和Y軸方向均有一套伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)PLC對(duì)伺服的控制實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的XY方向的運(yùn)動(dòng)。本次設(shè)計(jì)采用的滾珠絲桿是高精度滾珠絲桿，絲杠長(zhǎng)度為1200mm，直徑為φ16，絲桿導(dǎo)程為4mm，絲桿最大移動(dòng)速度為209mm/s。伺服電機(jī)系統(tǒng)選擇的是西門(mén)子V90PN系列的產(chǎn)品，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為3000r/min，功率為0.75KW。伺服電機(jī)與滾珠絲杠的鏈接采用聯(lián)軸器直連，通過(guò)上述參數(shù)計(jì)算出運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的單向最大運(yùn)動(dòng)速度為：（1）公式中的Vx為x軸方向的運(yùn)動(dòng)速度，Vm為伺服電機(jī)的最大速度，代入數(shù)據(jù)得到平臺(tái)x軸移動(dòng)的最大速度為為200mm/s，Y軸同理。1.1.5電氣接線設(shè)計(jì)送料臺(tái)的運(yùn)動(dòng)受PLC控制，通過(guò)PLC給出位置和速度指令，既可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)設(shè)備的設(shè)計(jì)要求，本部分主要設(shè)計(jì)的伺服系統(tǒng)的電氣接線。圖1.3伺服系統(tǒng)接線圖本次使用的伺服系統(tǒng)是使用的380V的電源，380電源通過(guò)空開(kāi)，在經(jīng)過(guò)交流接觸器接至伺服驅(qū)動(dòng)器中。通過(guò)控制交流接觸器的觸點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)伺服的上電和斷電。驅(qū)動(dòng)器需要外接24V的直流電源；本次使用的驅(qū)動(dòng)器是小型驅(qū)動(dòng)器，剎車(chē)電阻可以使用內(nèi)置的剎車(chē)電阻；其它接線如上圖所示，不過(guò)多闡述。EPLN電氣圖如下圖所示。圖1.4伺服系統(tǒng)動(dòng)力電源EPLAN圖1.2瓶蓋自動(dòng)沖壓機(jī)的壓頭電氣設(shè)計(jì)1.2.1伺服電動(dòng)缸伺服電缸，將伺服電機(jī)和螺桿進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的模塊化器件。伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)圓周運(yùn)動(dòng)通過(guò)其便可實(shí)現(xiàn)直線方向上的運(yùn)動(dòng)。該裝置有機(jī)地將速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)化成為速度、位置、推力控制。伺服電機(jī)的高精度直線運(yùn)動(dòng)基于此項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。其本體通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、軸承裝置、導(dǎo)向裝置、極限位感應(yīng)裝置組成。其特點(diǎn)如下：閉環(huán)伺服控制，精度0.01mm；推力控制和壓力傳感器精度1%；與PLC等控制系統(tǒng)連接簡(jiǎn)易方便；低噪音、清潔、剛性高、壽命長(zhǎng)。伺服電缸防護(hù)等級(jí)IP66。這樣的防護(hù)等級(jí)可以保證伺服電缸長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，更好地發(fā)揮了高強(qiáng)度、高速度、高精度定位的優(yōu)勢(shì)。維修成本低，由于所處工作環(huán)境復(fù)雜多變，而伺服缸只需定期潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，無(wú)易損件，維修成本大大降低。伺服電動(dòng)缸配置靈活，并實(shí)現(xiàn)模塊化。安裝全套的安裝組件都能靈活配置。前、后、側(cè)法蘭、尾鉸鏈、導(dǎo)向模塊、耳軸等部件安裝在和伺服電機(jī)之間的安裝更加靈活。除此之外，額外配置增加多種靈活附件。整個(gè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式有多種，優(yōu)勢(shì)靈活多變，根據(jù)實(shí)際需求和使用精度選用合適的驅(qū)動(dòng)方式，其中常用的驅(qū)動(dòng)方式主要為交流制動(dòng)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)。隨著伺服電缸的出現(xiàn)，液壓缸和油缸逐漸被替代，伺服電缸發(fā)揮本身特有的環(huán)保優(yōu)勢(shì)；除此以外，由于在進(jìn)行實(shí)際的工作安裝前，設(shè)備與設(shè)備之間，設(shè)備與控制系統(tǒng)之間需要進(jìn)行連接，此時(shí)伺服電缸與PLC控制系統(tǒng)對(duì)接的方便性便尤為重要。如圖3-5所示伺服電缸圖片。圖1.5伺服缸圖片1.2.2基于伺服電缸的沖壓頭電氣設(shè)計(jì)通過(guò)設(shè)計(jì)選型，本次設(shè)計(jì)的瓶蓋自動(dòng)沖壓機(jī)的壓頭使用是的是電缸驅(qū)動(dòng)方式。伺服電缸的行程為200mm，設(shè)定負(fù)載為2T，額定運(yùn)行速度為234mm/s，電缸的類(lèi)型為滾珠絲桿型，導(dǎo)程為20mm，安裝方式為法蘭安裝，齒輪比為10。伺服電缸參數(shù)確定以后，還需要對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行選型，選擇合適的電機(jī)，主要確定電機(jī)系統(tǒng)的功率。計(jì)算公式如下：（2）是電缸輸出的負(fù)載推力，代入計(jì)算得出扭矩為7.5N*M，所以選擇1.75KW的伺服電機(jī)。為了使用方便，本次選擇的伺服電機(jī)系統(tǒng)同樣是V90系統(tǒng)。系統(tǒng)接線以在上一節(jié)闡述。1.3瓶蓋自動(dòng)沖壓機(jī)的控制中心電氣設(shè)計(jì)1.1.1PLC選型西門(mén)子S7-1200是可以編程邏輯控制器（PLC，ProgrammableLogicController），對(duì)大多數(shù)自動(dòng)化應(yīng)用都能進(jìn)行精準(zhǔn)的控制。S7-1200具有一個(gè)高集成、功能強(qiáng)大、低成本的指令集，在應(yīng)多不同場(chǎng)合下的控制問(wèn)題時(shí)，提供了完美解決方案。S7-1200和目前的PC環(huán)境組成了有機(jī)的整體，在提供解決復(fù)雜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)問(wèn)題時(shí)的反感時(shí)更靈活多變。SIMATICS7-1200是一種結(jié)構(gòu)緊湊的編程邏輯控制器，通過(guò)它，完成邏輯控制、人機(jī)界面（HMI）和網(wǎng)絡(luò)通信之間的橋梁連接，在解決問(wèn)題時(shí)，可讀性、可用性更強(qiáng)，操作上更方便。同時(shí)在解決單機(jī)小型自動(dòng)化系統(tǒng)問(wèn)題時(shí)，網(wǎng)絡(luò)通訊功能和單屏或多屏人機(jī)界面的自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)也使得上手性要求不高。SIMATICS7-1200的應(yīng)用兼容性強(qiáng)，解決問(wèn)題的方式多樣，并能提供多種應(yīng)用功能，在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。SIMATICS7-1200中的硬件都有其獨(dú)特性，使控制面板空間能夠更好的利用起來(lái)。通信模塊和信號(hào)模塊占用的空間十分微小，大大的節(jié)約了模塊化緊湊型系統(tǒng)的安裝空間，其主要特點(diǎn)就是高效性和靈活性?；诒驹O(shè)備的功能與該P(yáng)LC的性能、價(jià)格、先進(jìn)性等優(yōu)點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)采用S7-1200系列PLC。1.1.2基于S7-1200的瓶蓋自動(dòng)沖壓機(jī)控制中心電氣設(shè)計(jì)本次選用的PLC型號(hào)是1414CAC/DC/DC，這款PLC擁有豐富的資源和接口，完全可以滿足設(shè)備性能的要求。PLC的電氣設(shè)計(jì)主要包含了IO接口的電路設(shè)計(jì)、通信接口接線、電源系統(tǒng)接線等。輸入輸出IO接口電路包含了輸入電路和輸出電路兩部。輸入是包含了按鈕開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)等控制器件，輸出則主要是控制繼電器和輸出光電信號(hào)燈信息。通信接口接線比較簡(jiǎn)單，本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要使用了Profinet通信，將伺服、PLC、HMI接至同一個(gè)交換機(jī)上即可。電源系統(tǒng)使用的220V電源，使用三相電中的一相與N線構(gòu)成一個(gè)電源即可。電路圖如下：圖1.6PLC輸入電路圖PLC的輸入端口大部分接入了按和光電開(kāi)關(guān)，按鈕包含了電機(jī)的啟停按鈕、開(kāi)始測(cè)試、急停和報(bào)警清除按鈕，光電開(kāi)關(guān)是檢測(cè)工件是否到位。表1.1輸入IO分配表編號(hào)IO號(hào)功能10.0壓頭電機(jī)啟停20.1X電機(jī)啟停30.2Y電機(jī)啟停40.3開(kāi)始50.4急停60.5報(bào)警清除70.6保留80.7工件到位圖1.7PLC輸出電路圖PLC的輸出點(diǎn)主要是實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的上電、和相關(guān)警示燈的作用。PLC的輸出IO控制伺服上電，其具體流程為控制繼電器線圈觸點(diǎn)動(dòng)作。本體輸出是日用交流源（有效值220V），次與交流接觸器線圈相連接，設(shè)置完畢，伺服系統(tǒng)主電源接通，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服系統(tǒng)動(dòng)力電源的控制。表1.1輸出IO分配表編號(hào)IO號(hào)功能1q0.0壓頭電機(jī)上電（燈）2q0.1X電機(jī)上電（燈）3q0.2Y電機(jī)上電（燈）4q0.3保留5q0.4急停報(bào)警燈6q0.5壓裝完成指示燈1.4其他部分電氣設(shè)計(jì)1.4.1系統(tǒng)總電源電氣設(shè)計(jì)本文闡述瓶蓋自動(dòng)沖壓機(jī)的電源采用的是三相五線制的電源，設(shè)備電源通過(guò)使用單位的電源系統(tǒng)接到設(shè)備電控箱內(nèi)點(diǎn)接線端子上即可。伺服系統(tǒng)的動(dòng)力電源通過(guò)空開(kāi)和交流接觸器接入系統(tǒng)；PLC的供電是220V，通過(guò)，一個(gè)空開(kāi)接入PLC系統(tǒng)；同理，交換機(jī)的電源如PLC一致。設(shè)備還需要一個(gè)24V的電源，系統(tǒng)中使用了開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)24V電源的建立。圖1.8總電源電路圖1.