M7163型平面磨床电气原理设计

精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除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【精品文档】第 31 页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(EMO)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 Electrical principle design of M7163 type plane grinderFeng Zhichao(College of mechanical and transport Yunnan Southwest Forestry University Kunming 650224)Abstract：Grinder is using abrasive grinding machine tool on the workpiece surface, with the science and technology of the continuous development and mechanical parts machining accuracy and surface degree increasing, the grinding technology as a kind of advanced manufacturing technology in life occupies an important position. According to the European Machine Tool Exhibition (e Mo) survey data show, grinder in enterprises accounted for machine tools proportion reaches as high as 42% is the manufacturing industry in the main processing technology of therefore, is essential in the research upgrades of manufacturing technology in NC grinding.This paper mainly discusses the upgrade of the electrical principle design of the M7163 type plane grinder. This machine adopts the grinding wheel peripheral grinding machine tool, also can use the end face of the grinding wheel to wear the vertical surface of the workpiece. In the original grinding action based on grinding process requirements and the principle of electrical transformation, the grinding machine workpiece in the overall performance of the machine more stable, humanization, a multi machine operation, multi mode conversion to maintain position precision.key word： Grinding machine; electric principle; processing technology目 录1 绪 论11.1概述11.2现有磨床工艺及类型11.2.1 现有磨床的工艺特点11.2.2 现有磨床的类型21.2.3磨床的发展趋势21.3 PLC、人机界面的现状及发展趋势31.3.1 PLC发展现状31.3.2 人机界面的简介31.3.3 PLC、人机界面的发展趋势41.4课题研究的意义及任务51.4.1M7163磨床课题的研究意义51.4.2M7163磨床课题的任务52 磨床改造的整体设计62.1 原有磨床整体结构62.1.1 原有磨床的机械结构62.1.2原有磨床面板操作72.1.3原有磨床缺陷82.2 升级磨床的整体结构82.1.1 升级磨床的优点82.1.2升级磨床操作面板93 PLC、人机界面选型113.1 PLC选型113.1.1 PLC的选型原则113.1.2 I/O分配表113.1.3 CPU单元选型153.1.4 CP1H的优点163.2 HMI选型163.2.1 人机界面产品的基本功能及选型指标163.2.2 HMI的选型174 原有磨床控制系统的电气原理184.1 原有磨床工艺184.2原有磨床的部分电气原理图说明185 磨床控制系统的电气原理设计215.1 M7163磨床改造后工艺特点215.2 主回路215.3控制电源235.4 Y轴与Z轴伺服电气原理图245.4.1 伺服概论245.4.2 Y轴伺服接线图245.5 PLC电源265.6. PLC输入、相应输入按钮对应的面板275.6.1 PLC模块A1输入1275.6.1 相应输入按钮对应面板说明295.7. PLC输出326 总结与展望346.1 论文设计总结346.2 展望34参考文献35指导老师简介36致谢37附录381 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。1.3 PLC、人机界面的现状及发展趋势1.3.1 PLC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。1.3.3 PLC、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1600 mm，高600 mm。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 2-1 M7163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3 PLC、人机界面选型3.1 PLC选型3.1.1 PLC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。3.1.2 I/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_SV1YZXBOOL0.00Y轴Z相X1_SV2ZZXBOOL0.01Z轴Z相X1_SV1RdyBOOL0.02Y轴准备好X1_SV1ALMBOOL0.03Y轴伺服报警X1_SV2RdyBOOL0.04Z轴准备好X1_SV2ALMBOOL0.05Z轴伺服报警X1_SQY+BOOL0.06Y轴+正限X1_SQY-BOOL0.07Y轴-负限X1_HW_HABOOL0.08手脉A相信号X1_HW_HBBOOL0.09手脉B相信号X1_SQY0BOOL0.10Y轴0限位X1_SQZ+BOOL0.11Z轴+限位X1_SQZ-BOOL1.00Z轴-限位X1_SQZ0BOOL1.01Z轴0限位X1_SB10BOOL1.02液压启动X1_SB11BOOL1.03液压停止X1_SB12BOOL1.04充磁X1_SB13BOOL1.05机床照明X1_SB14BOOL1.06磁盘关X1_SB15BOOL1.07磁盘开X1_SB16BOOL1.08冷却启动X1_SB17BOOL1.09冷却停止X1_SB18BOOL1.10退磁X1_SB20BOOL1.11Z轴-X1_SB21BOOL2.00Y轴+X1_SB22BOOL2.01快速X1_SB23BOOL2.02Y轴-X1_SB24BOOL2.03Z轴+X1_SB30BOOL2.04磨头启动X1_SB31BOOL2.05磨头停止X1_SB32BOOL2.06坐标清零X1_ST0BOOL2.07急停X1_SB1BOOL2.08报警复位X1_SA1ABOOL2.09模式选择X1_SA1BBOOL2.10模式选择X1_SA1CBOOL2.11模式选择X1_SB2BOOL3.00循环启动X1_SB3BOOL3.01循环暂停X1_QMALM BOOL3.02空开报警X1_SB11BOOL3.03欠磁保护X1_SL1BOOL3.04润滑低位X1_SL2BOOL3.05润滑高位X1_HM_YBOOL3.06手脉Y轴X1_HM_ZBOOL3.07手脉Z轴X1_HM_X10BOOL3.08手脉X10X1_HM_X100BOOL3.09手脉X100X1_SQABOOL3.10换向检测X1_SQBBOOL3.11X轴运动检测名称类型DO地址注释Y1_SV1_DirBOOL100.00伺服1方向脉冲0Y1_SV1_PulsBOOL100.01伺服1脉冲脉冲0Y1_SV2_DirBOOL100.02伺服2方向脉冲1Y1_SV2_PulsBOOL100.03伺服2脉冲脉冲1Y1_SV_RstBOOL100.04Y/Z轴复位Y1_SV1_EnBOOL100.05Y轴使能Y1_SV2_EnBOOL100.06Z轴使能Y1_HL10BOOL100.07液压启动HL10Y1_HL12BOOL101.00充磁指示HL12Y1_HL13BOOL101.01机床照明HL13Y1_HL15BOOL101.02磁盘开指示HL15Y1_HL16BOOL101.03冷却启动HL16Y1_HL18BOOL101.04退磁指示HL18Y1_HL22BOOL101.05快速指示HL22Y1_HL30BOOL101.06磨头启动指示HL30Y1_HL1BOOL101.07报警指示HL1Y1_HL2BOOL102.00循环启动HL2Y1_KA1BOOL102.01照明中继Y1_KMX_8BOOL102.02充磁Y1_KMX_7BOOL102.03退磁Y1_HL4BOOL102.04三色灯-红Y1_HL5BOOL102.05三色灯-黄Y1_HL6BOOL102.06三色灯-绿BOOL102.07备用Y1_KM1ABOOL103.1磨头启动Y1_KM1BBOOL103.2磨头星形Y1_KM1CBOOL103.3磨头三角型Y1_KM2BOOL103.4油泵电机Y1_KM3BOOL103.5润滑电机Y1_KM4BOOL103.6润滑抽油电机Y1_KM5BOOL103.7冷却液电机表3-1 I/O表3.1.3 CPU单元选型由表3-1 I/O分配表可知，M7163磨床系统有31个输入，48个输出，2路脉冲，选择CP1H并扩充一个CP1W的IO单元冲，下图3-1所示。图 3-1 PLC型号表3.1.4 CP1H的优点CP1H的优点：（1） 脉冲输出功能，标配4轴，高精度定位控制威力尽显（2） 高速计数器功能，标配相位差4轴，一台即可轻松实现多轴控制（3） 中断输入功能，最多内置8点，凭借指令的高速处理，有助于整个装置的高速化（4） 串行通信功能，可根据选项板任意选择2个端口、RS-232C、RS-485（5） Ethernet通信功能(利用选项板实现)通过Ethernet与上位计算机进行通信（6） 内置4点输入、2点输出的模拟输入输出功能(仅限CP1H-XA型)（7） 标配USB外设端口（8） 也可利用结构化文本(ST)语言简单运行运算功能（9） 可使用CP1W系列、CJ系列的单元，扩展性超群（10） 可利用LCD显示设定功能轻松维护和调试(利用选项板实现 )3.2 HMI选型3.2.1 人机界面产品的基本功能及选型指标（1）基本功能：设备工作状态显示，如指示灯、按钮、文字、图形、曲线等；数据、文字输入操作，打印输出；生产配方存储，设备生产数据记录；简单的逻辑和值运算；可连接多种工业控制设备组网。（2）选型指标：显示屏尺寸及色彩，分辨率；HMI的处理器速度性能；输入方式：触摸屏或薄膜键盘；画面存贮容量，注意厂商标注的容量单位是字节（byte）、还是位（bit）；通讯口种类及数量，是否支持打印功能。3.2.2 HMI的选型市场上有很多厂商很多系列的人机界面，首先要考虑的是要能实现对机床的控制，另外性价比要高，功能足够，还有组态的时候简单易学，制作界面要便于人工操作。我选择的是威伦通KT6070IP的触摸屏。组态软件是威伦通EB80004 原有磨床控制系统的电气原理4.1 原有磨床工艺原有磨床M7163装置3轴，分别为纵向X轴、垂直Y轴、横向Z轴，X轴为液压往复运动，纵向运动的工作台配置了独立液压站，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，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。Y轴和Z轴为普通电机，Z轴还采用变频来实现磨头在横向可以快速移动。磨床的走刀量过大，会带动磨削工件，从而使磨削的精度降低。原有磨床的工艺特点：（1） 主轴电机采用的是直接启动（2） 磨床采用全手动控制（3） 一人只能操作一台磨床，因为磨床为手动磨削，在磨削零件时必须有操作人员进行操作。（4） 操作方式单一，可以直接从面板按钮对磨床进行操作。（5） 磨头的切削工具由坚硬、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。（6） 适应性广，磨床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。（7） 磨床加工范围广，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。（8） 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。4.2原有磨床的部分电气原理图说明如图4-1动力主回路所示，图上从左到右电源供电供给的分别是：电源及保护电路、主轴电机、油泵电机、主轴快速上升、主轴快速下降。电气主回路中总开关QS0为保护空开，当机床通电后机床线路发生过载、短路、欠压的情况下进行可靠的保护。QM1QM5空开选用电动机专用保护空开，分别对各电机进行相应保护。原有平面磨床的主轴电机选用2.2KW的电机，主轴电机的启动采用直接启动，主轴电机的Y轴选用0.55KW的电机，通过触点KM4A、KM4B使电机实现正反转来达到主轴电机在Y轴的上下运动。 图4-1 动力主电路图4-2CPU模块输入回路中是主回路上升到位、砂轮向前进/向后退限位的限位开关输入到CPU单元的各个输入点，输入点01是对磁盘电流是否正常的一个检测输入。SB11、SB12对应面板上的“水泵启动”、“水泵停止”按钮，当按下水泵启动按钮时开关SB11闭合，这是有一个水泵启动的信号输入到CPU单元中，经过CPU单元处理将输出水泵启动的指令给电机。输入点11表示的是砂轮断点进刀接近开关。图4-2 CPU模块输入回路在图4-3砂轮变频器中，线号为L11、L21、L31为变频器提供电源，同时也是通过变频器提供给砂轮快速进给电机的电源。S1、S2、S7是与PLC连接，当PLC输出电机的正转、反转、点动指令时变频器做出相应的动作指令。图4-3 砂轮变频器5 磨床控制系统的电气原理设计5.1 M7163磨床改造后工艺特点M7163磨床改造后工艺特点（1）主轴电机的在直接启动的基础上添加“星三角启动”，使主轴电机的启动更加的平稳、降低启动电流、减少耗损、磨头磨损等。（2）使用伺服驱动器，使磨头在磨削过程中减少磨损并提高磨削过程中的稳定性和加工精度。（3）选用的PLC为CPU单元CP1H, 具有脉冲输出、高精度定位控制等功能。（4）多模式转换下保持位置精度和不易丢失。（5）自动化加工和手动操作相结合，为方便磨床的磨削不同工件时进行适当选择磨削操作或者大批量磨削工件。（6）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。（7）一人多机操作操作。5.2 主回路如图5-1主回路所示，图上从左到右电源供电供给的分别是：总空开、主轴电机、油泵电机、润滑电机、抽油电机、冷却电机。电气主回路中总开关QF保护空开，当机床通电后机床线路发生过载、短路、欠压的情况下进行可靠的保护；QM1QM5空开选用电动机专用保护空开,分别对各电机进行相应保护。平面磨床的主轴电机选用11KW转速1750r/min并且用“星三角”启动 ，采用“星三角启动”降低电机的启动电流，减小电机启动对电网的冲击电流，减小电机启动所造成的能耗损失和发热量。在机械方面主电机启动时有异响，采用“星三角启动”后可以有效地改善该缺点；同时，也可以减少主轴头的磨损，保证机械性能。图5-1 主回路在主回路中的电机的主触点的控制线圈由图5-2 IO模块A2输出控制， KM1A接触器主触点由图5-2 IO模块A2输出控制，当103.00输出信号时线圈KMIA得电接触器KM1A吸合，主轴电机电源接通电机就直接启动；主轴电机的“三角型启动”的主触点KM1B，图5-2 IO模块A2输出的103.01输出信号，线圈KM1B得电接触器KM1B吸合，主轴电机为三角形启动；主轴电机的“星型启动”的主触点KM1C，图5-2 IO模块A2输出的103.02输出信号，线圈KM1C得电接触器KM1C吸合，主轴电机为星形启动。在主回路中的油泵电机、润滑电机、抽油电机、冷却电机都是由图5-2IO模块A2输出中输出信号，使线圈得电来控制电机的启动。图5-2 IO模块A2输出在图5-2 PLC模块A2输出中，IO单元CP1W输出点102.02、102.03分别输入到吸盘控制电路的7和8处，当按下面板操作的“充磁”、“退磁”按钮就可以实现对工件的充磁与退磁。102.01输出信号时线圈KA1得电，在图4-2控制电源中机床照明灯的触点KA1吸合机床照明灯亮。5.3控制电源在M7163磨床电源供电设计中，系统进线电压为380VAC，由于在后面的元件PLC、伺服等中应用到多种不同电压，中间设计了多个变压器以供工艺需求，例如电源供电为24V直流电源，380V的交流电源等。在图4-3控制电源中380v的电压经过变压后降为220v为Z轴、Y轴的伺服提供输入电压，QF1则为伺服电源的总开关。在图中采用两个单独的变压为24v直流电源是不让机床照明灯出现故障时是PLC输错信号而产生不必要的报警，变压的两个24v直流电源分别为机床照明和PLC及其扩展模块提供电源输入。图5-3 控制电源5.4 Y轴与Z轴伺服电气原理图5.4.1 伺服概论伺服系统用来控制被控对象的转角(或位移)，使其能自动地、连续地、精确地输入指令的变化规律。它通常是具有负反馈的闭环控制系统，有的场合也可以用开环控制来实现其功能。在实际应用中一般以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。使用在伺服系统中的驱动电机要求具有响应速度快、定位准确、转动惯量较大等特点，这类专用的电机称为伺服电机。其工作原理是在开环控制的交直流电机的基础上将速度和位置信号通过旋转编码器、旋转变压器等反馈给驱动器做闭环负反馈的PID调节控制。再加上驱动器内部的电流闭环，通过这3个闭环调节，使电机的输出对设定值追随的准确性和时间响应特性都提高很多。伺服系统是个动态的随动系统，达到的稳态平衡也是动态的平衡。5.4.2 Y轴伺服接线图M7163平面磨床的Z轴、Y轴把原来的普通电机改换为了伺服电机，因为在原来的磨床上Y轴为普通电机并且为全手动操作，当对工件磨削时在向下对刀时可能因为速度过快把工件打飞，大力的碰撞也会使砂轮磨损并飞溅，采用伺服系统后就能有效地改善磨头在对刀时速度过快的缺陷，达到速度更加稳定及磨床在磨削工件时响应速度快、定位准确等优点。因为Y轴、Z轴采用的伺服接线原理相同，所以在论文中就不在一一介绍，只给出Y轴、Z轴的接线原理图，下面是对Y轴伺服的部分介绍。在图5-4 Y轴伺服中可以看出伺服的电源是由图5-3提供给伺服本身并且通过伺服提供给Y轴主轴电机，在图中的3000与4000的线号是24v直流电源给伺服公共端提供的电源。在标有线号为3101表示的是伺服输出一个准备好的信号给PLC；3100线号表示的是伺服对本身的一个报警检测，当伺服内部出现故障时输出给PLC；线号4106与4104是PLC给伺服的指令输入，如对Y轴的复位等。线号4100与4101分别表示伺服的正向脉冲和负向脉冲。图5-4 Y轴伺服图5-5 Z轴伺服5.5 PLC电源在图PLC电源中PLC选用欧姆龙CPU单元CP1H-XA40DT-D型号，其有24个输入点15个输出；根据I/O表增加IO单元CPIW，CP1W有24个输入16个输出，同时CP1H达到脉冲输出功能，高精度定位控制威力尽显，高速计数器功能，可轻松实现多轴控制。同时，利用欧姆龙CPU单元自带模拟量输入来控制砂轮的进给速度。图5-6 PLC电源5.6. PLC输入、相应输入按钮对应的面板5.6.1 PLC模块A1输入1PLC的输入主要是采集外部的开关量信号，以及外部的报警信号实现对磨床磨削动作及故障的更好控制。外部信号采集进来以后经过PLC运算后输出来控制外围的一切动作。如图5-7所示，主要采集伺服驱动器的使能信号和报警信号，0.08和0.09配置了两路高速计数器采集电子首轮的脉冲；“SQ-Y+”与“SQ-Y-”为限位开关，检测磨头在垂直方向距离磨头初始中心位置的移动距离，“SQ-Y0”为Y轴机械回零的检测开关。图5-8主要采集操作面板的开关量信号以及开关感应信号输入到PLC，“SQ-Z+”与“SQ-Z-”限位开关，检测磨头在纵向距离磨头初始中心位置的移动距离，“SQ-Z0” 为Z轴机械回零的检测开关。图5-7 PLC模块A1输入1图5-8 PLC模块A1输入25.6.1 相应输入按钮对应面板说明在图5-8 PLC 模块A1输入2中可以看出，SB10、SB11对应面板的“液压启动”、“液压停止”按钮，对应的PLC输入点分别是1.02、1.03；当按下相应按钮时通过PLC处理后由IO单元CP1W输出油泵电机的输出点103.03，使油泵电机的线圈通电或断电来控制油泵电机的启动与停止。在CPU单元CP1H的PLC输入中的SB12、SB18对应面板按钮的“充磁”、“退磁”，对应的PLC输入点分别是1.04、1.10；当按下相应按钮时通过PLC处理后由IO单元CP1W输出相对应的点102.02、102.03，把相应的“充磁”、“退磁”动作指令输入给元件就能完成动作。SB14、SB15应面板按钮的“磁盘关”、“磁盘开”，对应的PLC输入点分别是1.06、1.07；通过PLC处理后把命令输入到冲退磁器。图5-9 PLC模块A2输入1SB16、SB17对应面板按钮的“冷却启动”、“冷却停止”，对应的PLC输入点分别是1.08、1.09；当按下相应面板按钮时通过PLC处理后由IO单元CP1W输出给冷却液电机的输出点103.06，使冷却液电机的线圈通电或断电来控制冷却液电机的启动与停止。SB20、SB24 对应面板操作按钮的“Z轴-”、“Z轴+”，为磨床的纵向的正负方向的移动，对应的PLC输入点分别是1.11、2.03，对应的PLC输入点分别是2.00、2.02，通过PLC处理后由CP1W输出点100.02、100.03把指令输入给伺服驱动，当按下相应面板按钮时通过PLC的处理后使磨床的Z轴电机实现移动。在图5-9 PLC 模块A2输入中，SB21、SB23对应面板操作的“Y轴+”、“Y轴-”，为磨床垂直方向的移动，对应的PLC输入点分别是2.00、2.02，通过PLC处理后由CP1W输出点100.01、100.00把指令输入给伺服驱动，当按下相应面板按钮时通过PLC的处理后使磨床的Y轴电机实现移动。SB22为面板操的“快速”按钮，PLC的输入点是2.01，对磨床的Y轴、Z轴的快速移动的作用。SB30、SB31对应面板的“磨头启动”、“磨头停止”按钮，对应的PLC输入点分别是2.04、2.05；当按下相应按钮时通过PLC处理后由IO单元CP1W输出磨电机的输出点103.00，使磨头电机的线圈通电或断电来控制磨头电机的启动与停止。PLC的输入点为2.09、2.10、2.11是面板操作“模式选择”按钮的输入点，三个点实现8种模式的选择，当选择“回零”、“手动”等模式时，PLC处理后输出不同的指令。SB2、SB3对应面板的“循环启动”、“循环停止”按钮，对应的PLC输入点分别是4.00、4.01；当按下相应面板按钮时通过PLC处理后由IO单元CP1W输出循环动作指令。ST0、SB32分别对应面板的“急停”、 “坐标清零”按钮，对应的PLC输入点分别是2.07、2.06，通过对按钮的功能来实现在磨床磨削工件时可以直接按下急停来停止磨床的工作；坐标清零是可以把上一次磨削的坐标直接通过坐标清楚，这样就能提高磨床的工作效率。图5-10 PLC模块A2输入2在图5-10 PLC模块A2输入2中，QM1QM5表示的是空开报警由4.02输入到PLC中实现对空开的故障检测。PLC的输入点4.03是欠礠保护，当磨床磨削工件时没有对工件充磁则输出一个信号给PLC，使PLC输出相应的指令。PLC输入点4.04、4.05分别为润滑低位和润滑高位的输入，当润滑液过低或过高都会给PLC一个信号，PLC会输出一个给人机界面的指令来提示润滑液的高低。输出点4.06、4.07、4.08、4.09为手操器的PLC输入点。SQ-A、SQ-B分别是换向检测和X轴的运动检测的检测开关，对应的PLC输入点为4.08、4.09，这是PLC对外部一些动作的收集为磨削做准备工作。换向检测是磨头在磨削的时候对磨削工件的起点与终点的检测；运动检测是检测该装置是否在运动，X轴运动检测是对磨削工作台横向是否在运动的检测。图5-11 操作面板5.7. PLC输出PLC输出主要控制外围的一切动作，在本章中的图5-2与图2-12均为PLC的输出相对应的电气原理图。PLC输出到接触器或者中间继电器来控制外围的电机和指示灯。如图4-8所示，100.00100.03是脉冲加方向的两路高速脉冲输出来控制磨床的Y轴和Z轴，实现更高精度的控制。100.05、100.06是PLC给Y轴Z轴伺服驱动器的使能信号。100.07101.07是PLC的CPU单元CP1H输出到面板指示灯，只要相应的动作产生对应的指示灯就会亮。这里选取液压启动来说明过程就不在一一介绍，当按下面板操作的“液压启动”按钮，PLC输入点1.02接收到一个来自外部的信号，经过PLC处理后分别由CPU单元CP1H与IO单元CP1W输出两个指令，CPU单元CP1H由100.07输出一个指令给面板灯。IO单元的CPIW由103.03输出一个指令后油泵电机的线圈KM2通电，这时油泵电机的主触点KM2吸合油泵电机启动。图5-12 PLC模块A1输出6 总结与展望6.1 论文设计总结通过这次对M7163平面磨床电气原理设计PLC、人机界面的选型过程中，让我对电气原理控制的设计有了一条明确的思路。无论要一个做什么样的控制系统，首先要进行根据设备的电器原理图和工作原理进行，只有明确了动作原理和工艺要求等才能得出思路。画电气原理图也是一个需要耐心和工作量很大的过程，在大量块的插入中需要我们熟练的掌握一些技巧外还需要细心，因为在每一个块的标注都是不同的表示说明。选型的过程虽然看似简单但很重要，如果不仔细考虑的画话，有可能就达不到控制要求，例如：要选择一个PLC，要先根据电器原理图和设备的控制要求罗列出I/O点数，然后在根据PLC的选型样本，确定PLC的型号。触摸屏的选型也是一样。在这次的毕业论文中让我学到很多知识，所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。随着制造业的发展，磨床设备将更加的发达，我国的工业化发展水平还比较的低。因此，研究磨床的自动化与智能化既是市场的需求，也是时代前进的必要，这也具有广阔的市场空间和现实意义，所以，对电气原理的学习对我还有重要的意义和价值，需要我不断的学习。6.2 展望磨床会越来越多的应用于制造业的各领域，随着PLC、人机界面以及电子信息的不断发展，磨床的应用在制造业会越来越广泛，以后的自动化生产线方向发展，这也是工业发展的必然趋势。目前市场上有各种各样的磨床正处于一个发展阶段，在未来将会有更加智能、加工精度、稳定性更强的磨床产生，同时这就需要我们不断的学习和努力，探索和设计最实用的控制系统及电气原理，这样有利于提高生产效率，将现有资源最大化的利用。参考文献 1 高安邦.机电一体化系统设计实例精解.北京：机械工业出版社，2008,1102 赵东福.自动化制造系统. 北京：机械工业出版社，2004,1081183 廖常初.S7-200 PLC基础教程. 北京：机械工业出版社，2009,61204 李玮，沈勇.基于PLC的镍阴极板生产线控制系统的设计和应用A.制造业自动化，2009,31,8，1381415 郑凤翼，郑丹丹.图解机械设备电气控制电路.北京：人民邮电出版社，2006,1156 巫付专，王晓雷.控制电机及其应用.北京：电子工业出版社，2008,1121467 张广明，李果,朱烨.机电系统PLC控制技术.北京：国防工业出版社，2007，52798 秦曾煌.电工学简明教程.北京：高等教育出版社，2001，1181679 冯辛安.机械制造装备设计.北京：机械工业出版社，2005,37640910 鲁远栋.PLC机电控制系统应用设计技术.北京：电子工业出版社，2006，293298指导老师简介李玮，女，教授，湖北省松滋县人。1988年7月毕业于哈尔滨工业大学控制工程系自动控制专业，获得学士学位。2005年获得昆明理工大学信息与自动化学院电气工程硕士学位，2006年至今，在读昆明理工大学机电学院机械设计与理论专业，攻读博士学位。自1988年以来，先后发表论文40余篇，翻译说明书10余本，共计100多万字。参编教材二部。已发表的有关论文主要有：“表干炉计算机控制系统的设计与应用” 铸造技术2006.7；EI检索，“中间工艺语言在自动化设备中的应用” EI检索2008中国控制大会2008；“PID神经网络的信号流图在线学习算法” EI检索仪器仪表学报20087。“东德导轨磨的电气改造”，中文核心2008机械设计与制造2008.8。“精密绕线机计算机控制系统的设计与应用”，中文核心2008机械设计与制造2007.11。“20T链排锅炉控制系统设计与应用”，中文核心，电气传动，2008.5。“Temperature Control of Constant-t