毕业论文定稿-管道焊缝磨削机床控制系统设计

原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763重庆理工大学毕业论文 管接头焊缝磨削机床控制系统设计 目 录摘 要 IIIAbstract IV第一章 绪论 11.1 砂带磨削技术的国内外现状、发展趋势 .11.2 砂带磨削的关键技术 .21.3 不锈钢的砂带磨削 .21.4 课题研究内容 .3第二章 水槽焊缝磨削的数控砂带磨床 42.1 水槽焊缝磨削的加工工艺及运动分析 .42.2 水槽焊缝磨削数控砂带磨床的结构设计 .52.3 本章小结 6第三章 水槽焊缝磨削数控砂带磨床控制系统设计 83.1 控制系统的方案设计 .83.2 M64S 数控系统的特点 .83.3 磨削机床系统的控制过程 .113.4 PLC 输入输出点的分配 15第四章 电气元件的设计计算及选型 184.1 电机 .184.2 变频器 .244.3 空气开关 .254.4 变压器 .254.5 安全保护 .264.7 PLC 程序设计 274.8 本章小结 .28结 论 29致 谢 30参考文献 31重庆理工大学毕业论文 管接头焊缝磨削机床控制系统设计 摘 要通过对水槽焊缝磨削的加工工艺及运动的分析，对水槽焊缝磨削数控砂带磨床的结构的了解，进而对水槽焊缝磨削数控砂带磨床的控制系统进行设计。在此过程中，主要对水槽焊缝磨削数控砂带磨床的气动系统和控制系统进行了设计并对重要的元器件（如：主轴电机、进给电机、变频器、气缸等）进行了设计计算、选型。控制系统设计主要包括数控系统的选用、电气原理图及其相关图纸的绘制。关键词：水槽焊缝磨削； 数控 ；焊缝磨削；重庆理工大学毕业论文 管接头焊缝磨削机床控制系统设计 AbstractThrough the analysis of the process and the movement of tank weld grinding, for tank weld grinding CNC Abrasive belt grinding to understand the structure, design the control system and the groove weld grinding CNC Abrasive Belt Grinding machine. In this process, mainly on the groove weld grinding CNC Abrasive belt grinding machine pneumatic system and control system are designed and the key components (such as: spindle motor, feed motor, inverter, cylinder etc.) for the design and calculation, selection. Control system design includes drawing the selection, numerical control system electrical schematic diagram and related drawings.Keywords: groove weld grinding; CNC; weld grinding;重庆理工大学毕业论文 管接头焊缝磨削机床控制系统设计 1第一章 绪论砂带磨削几乎能加工所有的工程材料,从一般家庭生活到工业生产的各个领域无所不用。作为有着“万能磨削”和“冷态磨削”之称的新型涂附磨削工艺,砂带磨削技术已经被当作与砂轮磨削同等重要的不可缺少的加工方法。综观近几年来国内外各类机床及工具展览会情况，结合砂带磨削在国内外各行业的应用状况，可以看出砂带磨削技术在制造业中发挥着越来越重要的作用，更有着广泛的应用及发展前景。1.1 砂带磨削技术的国内外现状、发展趋势国外的砂带磨削发展非常迅速，自 20 世纪 60 年代以来，特别是静电植砂及涂附磨具技术的出现及发展，欧、美、日等工业发达国家在砂带制造技术和砂带磨床技术上都取得了巨大的成就。在砂带制造技术方面，随着许多特殊的涂附磨料及涂附形式的出现，产生了如金刚石、立方氯化硼（CBN） 、锆刚玉、陶瓷磨料、复合磨料、堆积磨料等各类砂带，使得砂带已经能用于干磨、高速，大吃刀量等的重磨削领域，及高精密零件的磨削加工领域。日本已经开发出用软刚带作为基底的金刚石砂带，可有效加工一些特殊难加工的高硬度材料，如单晶硅片等。在国际上知名的砂带品牌有美国 3M、美国 NYrtYn、德国Hermes、德国 VSM、德国 KlXngspYr、韩国 DEER、日本牛头等。在砂带磨床方面，有大至磨削宽度 5 米以上的巨型平面磨床，小至牙医用的修齿机等结构形式各异种类，另外，随着自动化技术的发展，像六轴五联动数控砂带磨床、机器人砂带磨削中心、砂带磨削 FMS、并联机构的数控砂带磨床都已经得到应用。砂带磨削技术现已成为这些发达国家获得高额经济效益的一种重要手段,且砂带磨削量已占磨削总加工量一半以上。国内的砂带磨削技术是在 20 世纪 70 年代末才得以真正发展，随着国内的改革开放，砂带磨削技术日益引起了各行业、研究单位和企业的重视，加之砂带制造技术的提高及品种的增加，使得砂带磨削设备的研究和生产也得到了较大的发展。砂带磨削设备开发与生产的厂家有新乡机床厂、上海机床厂、北京二机等十来家企业；有包括郑州三磨所、湖南大学、东北大学、广东工业大学、重庆理工大学毕业论文 管接头焊缝磨削机床控制系统设计 2广西大学、重庆大学等在内的多家科研院所和高校。砂带磨削总的趋势正向着强力、高速、高效和精密方向发展。在磨床结构方面,从单一磨头向大型、组合（多磨头、多功能、多工位）形式发展。在加工工艺方面，与特种加工相结合的复合加工方法是砂带磨削很有前途的发展方向之一，如与超声振动结合可形成超声砂带精密磨削；与电化学加工结合可形成电解砂带磨削。另一方面自动化在砂带磨削中的应用，尤其是数控砂带磨床及自适应控制技术的应用，使得砂带磨削的加工效率和精度有了很大的提高，已经使得砂带磨削精度已经进入精密和超精密加工行列 1。砂带本身在不断的发展和完善中。在砂带结构方面，近年出现了堆积磨料砂带、金字塔型砂带、空心球型砂带、复层砂带、高弹性砂带、防跑偏砂带、不等厚砂带、粒度复合砂带等等。砂带在我国的制造从国产到从磨料、半成品、成品的进口，再到与国外砂带企业的合资等多种形式，这些都极大地丰富了我国的砂带品种，为国内用户提供了更大的选择空间。1.2 砂带磨削的关键技术根据国内外砂带磨削技术的现状和发展趋势的分析，结合我国在砂带磨削技术上与国外的差距，砂带磨削的关键技术主要体现在砂带上。砂带是砂带磨削技术发展的关键和重要标志，能否制造高品质的砂带已经作为衡量一个国家砂带磨削技术高低的标准。作为构成砂带三要素的基体、磨料、粘结剂以及由此导致影响磨削性能的十种要素，结合近年来像高分子新材料、新技术、新工艺在涂附磨具中的广泛应用，我国的广大砂带生产企业及相关研究机构应该在如下五个方面加大研究和开发力度，争取获得有自主知识产权的高品质砂带：新型基体的应用和开发； 合成浆料的应用和开发； 粘结剂的应用与开发； 磨料的应用与开发； 砂带表面涂层的应用与开发 1。1.3 不锈钢的砂带磨削不锈钢重要有两种，即奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢，当在钢材中增加一定数量的铬及镍以后，就造成了奥氏体不锈钢。马氏体不锈钢在淬火温度下是纯奥氏体组织，冷却后得到马氏体组织。各类不锈钢中会依据须要增加一定合金元素比方钼、钨、钛等，以改良其机械物感性能（高抗侵蚀性、比个别钢材高得多的延长率、端面压缩率、冲击值等） 。不锈钢的物感性能与普通钢材也不重庆理工大学毕业论文 管接头焊缝磨削机床控制系统设计 3同，其导热稳定性好、热强度高、耐腐蚀性及耐磨性好等特点，广泛应用于航空、航天、航海等领域，但其导热性差、弹性模量低等特点给磨削加工造成了困难，长期以来，国内外均致力于不锈钢材料磨削加工性能的改善在实际生产和应用中，对不锈钢产品表面加工质量要求越来越高，以往采用砂轮磨削，但存在砂轮易粘附堵塞，加工硬化现象严重，工件易变形、烧伤等问题；而砂带磨削是磨削和抛光 的新工艺，具有磨削效率高、表面加工质量好、能量消耗低等特点，对于各种材料及形状零件加工的适应性和灵活性远超过了常规砂轮磨削工艺，自 6Y 年代发展以来，受到机械、制造、材料等行业越来越广泛的关注，已成为国内外材料与机械交叉学科中引人注目的领域 2。1.4 课题研究内容针对水槽焊缝磨削数控砂带磨削工艺，在传统结构的磨床上，转轴带动磨头只能在某一个平面上工作，工件在工作台上的 Y 轴方向运动空间非常有限，磨头部分不能转动，从而在水槽矩形腔体倒边的粗精磨削和抛光时，存在一定的困难，加工不方便，生产效率低。针对这些问题，本文提出了一种新型的水槽焊缝磨削数控砂带磨床，并对此磨床进行了控制系统的设计。通过查阅大量的文献资料，对砂带磨削有了一定的了解。在此基础上，对水槽焊缝磨削数控砂带磨削磨床了解并加以改进，最终实现对其控制系统的设计。本文主要内容如下：第一部分，介绍课题研究的背景及基础；第二部分，介绍水槽焊缝磨削数控砂带磨床；第三、四部分，控制系统的设计，其中包括重要元器件的选型，控制系统的设计包括控制方案的设计、控制电路的设计、PLC 点位分配、控制器及元器件的选型。重庆理工大学毕业论文 管接头焊缝磨削机床控制系统设计 4第二章 水槽焊缝磨削的数控砂带磨床2.1 水槽焊缝磨削的加工工艺及运动分析1 加工工艺水槽采用电阻焊接的方法将金属管道组装在一起，然后打磨焊缝并倒角，最后对水槽进行抛光、清洗并安装附件。传统的焊缝打磨方式为人工手砂轮打磨，劳动条件差、工作效率低。水槽具有冲压成型后存在回弹变形，焊缝的几何尺寸精度不高，对打磨后的边缘的表面要求光滑、平顺、一致的特点。针对水槽的特点，如果按照理论尺寸磨削，势必造成表面质量达不到设计要求。在水槽焊缝误差不均匀的情况下，为了使磨削后的焊缝均匀、一致，采用磨头浮动的方法来跟随水槽焊缝误差。加工过程中必须在磨头上施加一定的浮动压力才能保证磨削的顺利进行。磨头的浮动压力由比例阀给定，通过调整气缸内的气压来控制磨削压力。随着砂带的使用砂带上的磨粒逐步钝化，磨削效率和所磨削产品的质 量也逐渐降低。为了保持产品的一致性需要不断增加磨削压力,每磨削一个水槽增加一定磨削浮动压力。当砂带的使用寿命达到使用极限,机床自动回到方便操作者更换砂带的位 置,并提醒操作者更换砂带。砂带的使用寿命通常设定为每根砂带能磨削的工件个数。每根砂带能磨削的工件个数通过使用不同粒度的砂带实现粗加工及精加工，粗磨采用40号砂带，精磨采用100号砂带 34。2 运动分析根据水槽焊缝磨削的加工工艺及运动分析，为提高加工效率，水槽焊缝磨削磨边机需要设计两套磨头机构。每套磨头机构都分别由砂带张紧机构、磨头浮动及进刀机构、吸尘系统组成。在进行水槽焊缝磨削的加工时，首先进行粗磨，此时精磨进刀机构抬起，粗磨进刀机构进刀接触轮落下，压下粗磨吸尘管，然后精磨。精磨时，粗磨进刀机构接触轮抬起，精磨进刀机构接触轮落下，压下精磨吸尘管。以此避免更换砂带，提高磨削效率。此外，根据水槽的结构，在磨削过程中除了需要磨头主轴转动外，还需要重庆理工大学毕业论文 管接头焊缝磨削机床控制系统设计 5在 XY 平面内做平面运动。当磨削边改变的时候，主轴还需要做旋转运动。因此，水槽焊缝磨削的数控砂带磨床的进给运动需要三轴联动。2.2 水槽焊缝磨削数控砂带磨床的结构设计 在传统结构的磨床上，转轴带动磨头只能在某一个平面上工作，工件在工作台上的 Y 轴方向运动空间非常有限，磨头部分不能转动，从而在加工某些复杂工件或带曲面工件(如水槽矩形腔体倒边的粗精磨削和抛光)时，存在一定的困难，加工不方便，生产效率低。根据水槽焊缝磨削数控砂带磨削的工艺要求及运动分析，设计一种龙门式数控磨边机床，以解决现有砂带磨床在加工复杂和曲面工件时加工不方便，生产效率低的问题。为解决上述技术问题，本龙门式数控磨边机床，具有磨头机构和工作台，磨头机构通过联接座安装在旋转滑座上，旋转滑座上端与旋转轴相联，旋转轴通过轴承安装在滑座上，滑座通过直线导轨副支撑在龙门架床身的横梁上，旋转轴上端安装有集电环和回转接头，工作台通过直线导轨副支撑在床身上，磨头机构上安装有吸尘系统。由于将磨头机构通过旋转轴安装在龙门架床身的横梁上，并且旋转轴的安装座与横梁之间还有直线导轨副，即旋转轴不仅可实现 C 轴旋转运动，还具有Y 轴直线运动，工作台带动工件在床身上作 X 轴直线运动，在数控系统的控制下，整个磨床能实现三轴联动，旋转轴及工件的可移动范围大，为磨削加工水槽焊缝磨削创造了条件。更进一步考虑，上述磨头机构由粗磨头和精磨头两套机构组成，它们分别安装在左、右固定板上且均由驱动轮、过渡轮、张紧轮、接触轮、砂带、进刀机构、抬刀气缸和张紧气缸构成。闭式砂带包络在接触轮上并绕经驱动轮、过渡轮和张紧轮，接触轮安装在进刀机构上。该进刀机构为四连杆结构，进刀机构的一端联接在抬刀气缸的活塞杆上，张紧轮通过力臂与张紧气缸活塞杆相联。该进刀机构通过比例阀调节气缸活塞杆的位置，又扮演磨头浮动机构的角色。粗磨头与精磨头在各自对应抬刀气缸的作用下可分别实现进刀，从而在同一磨床上不用更换砂带便完成粗磨和精磨工艺。磨头浮动机构和张紧气缸分别实现对接触轮位置和砂带松紧程度的调节 5。重庆理工大学毕业论文 管接头焊缝磨削机床控制系统设计 6本结构有益效果是：可实现三轴联动磨削加工，磨头机构的调整方便、快捷，磨头机构工作可靠，可完成复杂和曲面工件的粗精磨和抛光，生产效率高。特别是能满足水槽焊缝磨削数控砂带磨削的工艺要求。本磨床的机械结构大致如图 2.2： 图 2.2 磨床的机械结构其中：1磨头机构；2工作台；5C 轴；7Y 轴；8床身横梁；12X 轴；13床身；27吸尘系统；38水槽专用工装2.3 本章小结本章主要介绍了水槽焊缝磨削数控砂带磨削的工艺及运动分析，对比传统的加工工艺及现代各种加工方法，水槽焊缝磨削采用数控砂带磨削是最合适的。针对水槽焊缝磨削数控砂带磨削的特点及要求提出了一种龙门式的数控磨边机，重庆理工大学毕业论文 管接头焊缝磨削机床控制系统设计 7并对此磨边机的特点及结构进行了设计说明。重庆理工大学毕业论文 管接头焊缝磨削机床控制系统设计 8第三章 水槽焊缝磨削数控砂带磨床控制系统设计3.1 控制系统的方案设计根据前面对水槽焊缝磨削的加工工艺及运动的分析以及对水槽焊缝磨削数控砂带磨床的结构及气动系统的设计，确立该磨床的控制系统的方案如下：在现在自动化程度已经较高的形势下，水槽焊缝磨削的磨削加工采用数控砂带磨削。因水槽焊缝磨削的加工工艺要求，该数控系统需要三轴联动。综合考虑采用三菱 M64S 数控系统3.2 M64S 数控系统的特点三菱 M64S 数控系统具有一般通用数控系统的结构,分别由控制单元/显示单元、基本 I/O 单元、伺服驱动单元、伺服电机、远程 I/O 单元、RS-232 等设备组成，如图所示：重庆理工大学毕业论文 管接头焊缝磨削机床控制系统设计 9图 3.1(a) 三 菱 M64S 数 控 系 统 结 构三菱 M64S 数控数控系统的功能强大，故当其用于加工中心时的各功能组件也很多，有些组件在本次设计中并未遇到，所以在此次设计中可将系统结构稍作简化，如图 3.1（b）所示。重庆理工大学毕业论文 管接头焊缝磨削机床控制系统设计 10图 3.1（b） 三菱 M64S 数控系统结构重庆理工大学毕业论文 管接头焊缝磨削机床控制系统设计 11三菱 M64S 数控系统的特点（1）所有 M64S 系列控制器都标准配备了 RISC 64 位 CPU，具备目前世界上最高水准的硬件性能。（2）高速高精度即能对应，尤为适合模具加工。（3）SSS（Super Smooth Surface）超高平滑表面控制，大幅改善模具加工精度及时间要求。（4）标准内藏对应全世界主要通用的 12 种多国语言操作界面。（5）可对应内含以太网络和 IC 卡界面，即使在程序运转中，所有内藏资料都可以传输对立。（6）坐标显示转换可自由切换（程序值显示或手动插入量显示切换）（7）标准内藏波形显示功能，工件位置坐标及中心点测量功能。（8）缓冲区修正机能扩展，可对应 HPS/计算机链接 B/DNC/记忆/MDI 等模式。（9）图形显示机能改进；可含有刀具路径资料，以充分显示工件坐标及刀具补偿的实际位置。（10）简易式对话程序软件。（11）可对应 Windows 操作环境的 PLC 开发软件 GX Developer。（12）特殊 G 代码和固定循环程序，如 G12/13，G34/35/36，G37.1 等。（13）新机能扩展追加，根据市场，满足客户请求，详细给营业单位。3.3 磨削机床系统的控制过程根据水槽焊缝磨削的加工工艺及运动分析，设计该磨床控制系统的整个控制过程如下（其中“X”表示 PLC 的输入， “Y”表示 PLC 的输出）：（1）程序开始（2）判断人是否处于安全位置-用安全光栅检测，并将信号输 入PLC（X*1） ；（3）检测接触轮和吸尘管是否收回-利用气缸附带的磁性开关检测（X *3*2 个） ；重庆理工大学毕业论文 管接头焊缝磨削机床控制系统设计 12（4）检测砂带是否张紧-用手感知；（5）移动工作台至磨削起点-启动 X、Y 轴伺服电机，PLC 程序控制（Y*2） ；（6）检测是否移动到位、是否超越极限位置-利用行程开关检测 X、Y 的位置（X*4） ；（7）开启磨头电机-粗磨/精磨(X*1 个)，主轴起/停(X*1 个)，变频器（Y*2 个） ；（8）压下吸尘管-启动吸尘系统电机（程序控制或者吸尘器进/退，X*1个） ，电磁阀动作（Y*1*2 个） ，控制气缸进气；（9）压下接触轮-电磁阀动作（Y*1*2 个） ，进刀气缸无杆腔进气，进刀机构进刀，磨削开始，X、Y、C 三轴联动，C 轴电机（Y*1） ；（10）反馈磨削压力并调整压力（磨头浮动机构）-电磁阀动作；（11）计数，磨削水槽的个数-利用数控系统的计数功能；（12）磨削是否完成-程序判断；（13）抬起接触轮和吸尘管-两电磁阀动作，进而气缸执行动作；（14）检测接触轮和吸尘管是否收回； （15）移动工作台至取件位置；（16）停止磨头电机-停止按钮（X*1 个） ；（17）程序结束。通过以上分析，画出程序流程图如图 3.2 所示。 重庆理工大学毕业论文 管接头焊缝磨削机床控制系统设计 13图 3.2 程序流程图根据整个系统的控制过程及流程图，设计了机床控制面板如图 3.3。程序开始移动工作台至磨削起点检测工作是否完成N加以调整Y开启磨头电机压下吸尘管和接触轮逐段磨削焊缝磨削趟数已达到Y抬起接触轮和吸尘管磨头电机停止程序结束N重庆理工大学毕业论文 管接头焊缝磨削机床控制系统设计 14图 3.3 机床控制面板其中机床面板按键/指示灯功能设计如下：（1）换砂带指示灯（黄色）：该指示灯灯亮表示需要更换砂带。（2）运行指示灯（绿色）：系统处于自动运行状态。（3）故障指示灯（红色）：系统处于故障状态。（4）数控开（SA1）：启动数控系统。（5）数控关（SA2）：关闭数控系统。（6）启动（SB1）：运行数控程序（数控系统处于自动运行模式时有效） 。（7）停止（SB2）：暂停数控程序的运行，可以按“启动”键继续运行程序。（8）紧急停止（SB4）：按下此键系统各轴停止，磨头和吸尘器抬起，主轴停止旋转。解除停止时，顺时针旋转“紧急停止”旋钮，并按下“复位”按钮使系统复位。（9）粗磨/精磨（SB5）：当其至于“粗磨”状态，手动操作“抬刀进刀”、“吸尘器进/退”、“主轴起停”、“换砂带”针对的是粗磨磨头；当其至于“精磨”状态，手动操作“抬刀进刀”、“吸尘器进/退”、“主轴起停”、“换砂带”针对的是精磨磨头。（10）主轴启/停（SB6）：启动或者停止主轴粗磨/精磨电机。 重庆理工大学毕业论文 管接头焊缝磨削机床控制系统设计 15（11）抬刀/进刀（SB7）：推进与抬起磨头。（12）吸尘器抬/进（SB8）：推进与抬起吸尘器。（13）换砂带（SB9）：更换砂带。（14）复位（SB3）：系统功能复位。按下“复位”键以后正在运行的程序将立即结束。（15）主轴倍率开关：用于主轴速度修调。（16）进给倍率开关：用于进给轴速度修调。（17）X-（SB10）：使磨头沿 X 轴负向移动。（18）X+（SB11）：使磨头沿 X 轴正向移动。（19）Y-（SB12）：使工作台沿 Y 轴负向移动。（20）Y+（SB13）：使工作台沿 Y 轴正向移动。（21）C-（SB14）：使磨头沿 C 轴负向转动。（22）C+（SB15）：使磨头沿 C 轴正向转动。3.4 PLC 输入输出点的分配根据整个系统的控制分析，绘制出了 PLC 的输入输出信号见附图 8-14，列得 PLC 点位分配输入如表 3.1、输出如表 3.2 所示。PLC 点位分配表信号类型 模块号 端子号 地址值 信号1 0V (DXCYM) 0V2 24VDC 输出* 24V3 X0 安全光栅（绿）4 X1 安全光栅（蓝）5 X2 磁性开关 16 X3 磁性开关 27 X4 磁性开关 38 X5 磁性开关 4输入PP72/48 模块一接口：X3339 X6 磁性开关 5重庆理工大学毕业论文 管接头焊缝磨削机床控制系统设计 1610 X7 磁性开关 611 X10 参考点 X 轴 12 X11 参考点 Y 轴13 X12 参考点 Z 轴14 X13 急停15 X14 限位开关 X+ 16 X15 限位开关 X-17 X16 限位开关 Y+ 18 X17 限位开关 Y-19 X20 电源模块就绪信号20 X21 电源模块超温度信号21 X22 数控开22 X23 数控关23 X24 启动24 X25 停止25 X26 复位26 X27 粗/ 精磨1 0V (DXCYM) 0V2 24VDC 输出* 24V3 X30 主轴启/停4 X31 抬/进刀5 X32 吸尘器进/退6 X33 换砂带7 X34 X+8 X35 X-9 X36 Y+PP72/48 模块二接口：X11110 X37 Y-重庆理工大学毕业论文 管接头焊缝磨削机床控制系统设计 17表 4.1 PLC 点位分配输入表信号类型 模块号 端子号 地址值 信号31 Y0 电磁阀 1YA32 Y1 电磁阀 2YA33 Y2 电磁阀 3YA34 Y3 电磁阀 4YA35 Y4 电磁阀 5YA36 Y5 电磁阀 6YA37 Y6 粗磨电机38 Y7 精磨电机39 Y10 三色指示灯（黄） 40 Y11 三色指示灯（红）41 Y12 三色指示灯（绿）42 Y13 PCU 的控制43 Y14 电源模块脉冲使能44 Y15 电源模块控制使能输出 PP72/48 模块一接口：X33345 Y16 电源模块内部继电器控制表 4.2 PLC 点位分配输出表11 X40 C+ 12 X41 C-重庆理工大学毕业论文 管接头焊缝磨削机床控制系统设计 18第四章 电气元件的设计计算及选型4.1 电机（1）磨头主轴电机磨头电机采用6FPVF 系列变频调速三相异步电动机。6FPVF 系列变频调速三相异步电动机，是以变频器为供电电源的变频调速三相异步电动机，通过改变电源频率实现平滑地调节电动机的转速，达到节能和控制自动化的目的。6FPVF 系列电动机效率高，调速范围广，精度高，运行平稳，操作和维修方便，其安装尺寸符合国际电工委员会（XEC）标准，外壳防护等级为XP54；电动机有外扇冷风机；电动机的定额是以连续工作制（S1）为基准的连续定额；电动机的额定电压为380V；F 级绝缘；额定频率为50Hz；电动机可以在3100 Hz 范围内连续调速，350 Hz 为恒转矩运行；50100 Hz 为恒功率运行。6FPVF 系列电动机适用于驱动轧钢起重运输机床印染造纸化工纺织包装等要求连续和频繁正反转的各种机械设备上，可与国内外各种变频电源配套使用。1 粗磨电机切入式砂带磨削的切向力 FtY6BpasvwSU71.0840t其中：Us比磨削能，kg/mm2,不锈钢取1300kg/mm2，1300kg/mm 2=12740N/mm2；vW工件速度，mm/s，取 100mm/s；Vs砂带速度，m/s，取 25m/s=25000mm/s；ap实际（有效）磨削深度，mm，取 0.05mm；B砂带宽度，mm，取 10mm。所以：重庆理工大学毕业论文 管接头焊缝磨削机床控制系统设计 19N074.291*05.2174.084v0tF 784BpaswSU考虑砂带磨损因素，则 )(F01ttZst式中 t磨削时间，s，取 1s；Zs不同磨粒和磨削参数，取 0.02（1/s）所以：6N65.291*0.74.29)1(F0t ）（tZst则磨削功率 ）（）（）（ kw7465kwv*t Pm主轴电机的功率 ）（ k78.09.1主轴电机选用 6FPVF 系列变频调速三相异步电动。2 精磨电机切入式砂带磨削的切向力 FtY6BpasvwSU71.0840t其中：Us比磨削能，kg/mm2,不锈钢取1300kg/mm2，1300kg/mm 2=12740N/mm2；vW工件速度，mm/s，取 150mm/s；Vs砂带速度，m/s，取 30m/s=30000mm/s；ap实际（有效）磨削深度，mm，取 0.02mm；B砂带宽度，mm，取 10mm。所以： N704.1*02.315274.084v0tF 7.84BpaswSU考虑砂带磨损因素，则 )(F01ttZst重庆理工大学毕业论文 管接头焊缝磨削机床控制系统设计 20式中 t磨削时间，s，取 1s；Zs不同磨粒和磨削参数，取 0.02（1/s）所以：6N1258.*0.174.)1(F0t ）（tZst则磨削功率 ）（）（）（ kw4k3258kwv*t Pm主轴电机的功率 ）（7.09.1因此，由上表选用 6FPVF 50-0.75- 4，不需外扇冷风机。（2） 进给电机进给电机采用 1FK7 伺服电机。 1FK7 伺服电机是一种特别紧凑型永磁同步电机，具有大功率高性能，内有旋转变压器（ResYlver）用于速度和位置的监测。1FK7 伺服电机没有外部冷却，通过点击表面散热。具有很高的负载特性。由控制系统的方案设计可知，进给轴采用全闭环控制系统，传动机构由减速机构和滚珠丝杠副。进给轴的控制原理框图示意如图 4.4：磨削参数输入8 0 2 D 数控系统 控制电路 伺服电机 1 F K 7工作台行程开关位置反馈图 4.4 进给轴的控制原理图1 X 轴主要技术参数选择：传动机构的效率 为 0.95，传动比 X 为 6，丝杠螺距 p 为 5mm、直径 30mm、质量 50kg，小齿轮直径 60mm（0.06m） 、质量 m1 为5kg，大齿轮直径 360mm(0.36m)、质量 m2 为 30kg，水槽工装的质量 m 为重庆理工大学毕业论文 管接头焊缝磨削机床控制系统设计 21100kg，电机的加速时间 0.2s，系统外力折算到电机上的力矩 Tl 为 2Nm.伺服电机的最大速度 4000rpm。丝杠传动时传动系统折算到马达轴上的总转动惯量： 10*m)(6221PsiJJ其中：J1齿轮 Z1及其轴的转动惯量， kgm 2；J2齿轮 Z2的转动惯量，kgm 2；P丝杠螺距，mm；M工件及工作台质量，kg；圆柱体转动惯量（齿轮、联轴节、丝杠、轴）的转动惯量： )(1025.026-mkgDJ=）（ ）（2 2262-1. )(1.0kg10*51.0mkg )(794.3.)(105 226226-2kgJ ）（ )(0563.kg10*3512.0)(1025. 22626-s mkgmkgDJ ）（所以： ）（ 2 622621kg06. 10*)5(063.794.(610.1*)(mJJPsi 加速度计算 2ax3.15.0*64vrpst电机力矩计算 T= m95.2.0/).*6(/)( NTJl 因此，由上表可知选取 1FK7060-5AF71-1。2 Y 轴重庆理工大学毕业论文 管接头焊缝磨削机床控制系统设计 22主要技术参数选择：传动机构的效率 为 0.95，传动比 X 为 6，丝杠螺距 p 为 5mm、直径 30mm、质量 50kg，小齿轮直径 60mm（0.06m） 、质量 m1为 5kg，大齿轮直径 360mm(0.36m)、质量 m2 为 30kg，磨头头机构及旋转滑座的总质量 m 为 500kg，电机的加速时间 0.2s，系统外力折算到电机上的力矩 Tl为 2Nm.伺服电机的最大速度 4000rpm。丝杠传动时传动系统折算到马达轴上的总转动惯量： 10*m)(6221PsiJJ其中：J1齿轮 Z1及其轴的转动惯量， kgm 2；J2齿轮 Z2的转动惯量，kgm 2；P丝杠螺距，mm；M工件及工作台质量，kg；圆柱体转动惯量（齿轮、联轴节、丝杠、轴）的转动惯量： )(1025.026-mkgDJ=）（ ）（2 2262-1. )(1.0kg10*51.0mkg )(794.3.)(105 226226-2kgJ ）（)(0563.kg10*51.0)(.0226226-2s mkgmD ）（所以： ）（ 2 622621kg0598. 10*5)(0563.794.(610.1*)(2mJJPsi 加速度计算 2ax3.5.0*64vrpst电机力矩计算 T= m945.2.0/).1*98(/)( NTJl 因此，选取 1FK7060-5AF71-1。3 C 轴重庆理工大学毕业论文 管接头焊缝磨削机床控制系统设计 23主要技术参数选择：传动机构的效率 为 0.95，传动比 X 为 6，丝杠螺距 p 为 5mm、直径 30mm、质量 50kg，小齿轮直径 60mm（0.06m） 、质量 m1 为5kg，大齿轮直径 360mm(0.36m)、质量 m2 为 30kg，磨头质量 m 为 300kg，电机的加速时间 0.2s，系统外力折算到电机上的力矩 Tl 为 2Nm.伺服电机的最大速度 4000rpm。丝杠传动时传动系统折算到马达轴上的总转动惯量： 10*)(6221PsiJJ其中：J1齿轮 Z1及其轴的转动惯量， kgm 2；J2齿轮 Z2的转动惯量，kgm 2；P丝杠螺距，mm；M工件及工作台质量，kg；圆柱体转动惯量（齿轮、联轴节、丝杠、轴）的转动惯量： )(1025.026-mkgDJ=）（ ）（2 2262-1. )(1.0kg10*51.0mkg )(794.3.)(105 226226-2kgJ ）（)(0563.kg10*51.0)(.0226226-2s mkgmD ）（所以： ）（ 2 622621kg034. 10*3)5(06.794.(610.1*)(2mJJPsi 加速度计算 2ax3.5.0*64vrpst电机力矩计算 T= m7.395.0/).1*4(/)( NTJl 因此，由上表可知选取 1FK7060-5AF71-1。综上所述，电机选型如下：重庆理工大学毕业论文 管接头焊缝磨削机床控制系统设计 24粗磨电机：6FPVF 50-1.1-4，不需外扇冷风机；精磨电机：6FPVF 50-0.75-4，不需外扇冷风机；X、Y、C 轴进给电机：都采用 1FK7060-5AF71-1。此外，由于 X、Y、C 轴进给电机都采用 1FK7060-5AF71-1，故我选用两块双轴功率模块带动。由上表可以看出，1FK7060-5AF71-1 电机所对应变频器的额定电流为 5A，故我选用功率模块 6SN11 23-1AB00-0AA1（额定电流 5A，峰值电流10A） 。配套带全屏蔽的电源电缆 6FX6002-5 A01-01 0。由于 X、Y、C 轴进给电机都采用 1FK7060-5AF71-1，电机相电流 4.5A,相电压 220V。故所需电源模块输出总功率：P220*4.5*3=2970W.因此，根据选型资料，选择电源模块 6SN11 45-1BA01-0BA1，用于安装控制柜的安装架 6SN11 62-YBA04-YBA1.4.2 变频器变频器采用 MXCRYMASTER420 基本型标准变频器MlCRYMASTER 420 变频器适合用于各种变速驱动装置，尤其适合用丁水泵，风机和传送带系统的驱动装置。它的特点是设备性能面向用户的需求，并且使用方便。它的电源电压规格很多，因而可在世界范围内应用。MXcrYMaster420基本型标准变频器，该型变频器采用模块化设计，采用全新的 XGBT 技术。通讯功能强，控制精确，可靠性高，电源三相交流（380480）V（10%，0.37kW11kW） 。控制功能：线性 V/f 控制；平方 V/f 控制；可编程多点设定 V/f 控制磁通电流控制，可以改善动态响应特性在电源消失或故障时，具有自动再起动功能保护功能：变频器过热保护；过电压保护；欠电压保护；闭锁电动机保护；防止失速保护。容量的选择：轻载起动或连续性时变频器容量的计算1.1feIeI其中： 为变频器的额定输出电流； 为电动机额定电流f eI重庆理工大学毕业论文 管接头焊缝磨削机床控制系统设计 25因为粗磨电机的额定电流较精磨电机的额定电流大， 为 22.3A，所以所eI选变频器的额定输出电流 应大于 1.1 ，即 应大于 24.53A。feIeIfe综合以上：选用变频器：6SE6420-2AD31-1CA1（带有内置 A 级滤波器）两个；进线电抗器：6SE6400-3CR03-5CD3，两个。PC 至变频器的连接组合件：PC 6SE6400-1PC00-0AA0，两套。4.3 空气开关空气开关选用：DZ47-63 高分断微型断路器(空气开关)适用范围：适用于保护线路的短路和过载，适用于照明配电系统或电动机的配电系统，外型美观小巧、重量轻、性能优良可靠分断能力较高，脱扣迅速，导轨安装，壳体和部件采用高阻燃及耐冲击塑料，使用寿命长，主要用于交流50Hz，额定电压至 400V，额定电流至 63A 线路的过载、短路保护，同时也可以在正常情况下不频繁地通断电器装置和照明线路。型号及含义：选型分析由于磨头电机分别采用了6FPVF 50-1.1-4和6FPVF 50-0.75-4，它们的额定电流分别为2.89A 和2.03A，故 YF2、YF3都选用 DZ47-63/3p-C3；由于警示灯选用，段，闪光带响， DC 24，额定电流为 0.625A，机床照明灯选用了 JL40A-1，额定电流约 1.67A，故 YF4 选用 DZ47-63/1p-C3；综合以上，并考虑到伺服供电，YF1 选用 DZ47-63/1p-C50.其中，YF1、YF2、YF3、YF4 的位置请参看附图 1-主回路分析、2-电源电路分析。重庆理工大学毕业论文 管接头焊缝磨削机床控制系统设计 264.4 变压器变压器的功率（容量）是决定于负载的,即：P2=U2XX2X+U2XXX2XX+U2nX2Xn(VA)P1=P2/(VA)式中:P2变压器次级功率计算值P1变压器的初级功率计算值U2X 和 U2XX变压器次级各绕组电压(V),其值由负载决定，U2X 为24V。X2X 和 X2XX变压器次级各绕组电流(A),其值由负载决定，又 YF4的额定电流为3A，故 X2X 取3A。效率，变压器容量1KVA 以下的变压器容量小,效率较低,一般可取=0.8到0.9,对于变压器容量在100VA 以下的, 选小值;变压器容量在100VA到1000VA 者选大值，在此选择 为0.8。所以： ）（ W723*4IUP212）（908./1考虑单相感性负荷的功率因数，则此变压器选用正泰 NBK-100，其中 B 表示两相，100表示容量为100W。初级380V，次级24V。4.5 安全保护根据所设计的水槽焊缝磨削数控砂带磨床的结构，采用安全光栅代替安全门对操作人员进行保护。综合考虑安全光栅的分辨率、检测高度等因素，选用用施莱格 SCA 系列安全光栅 25SCA0150-N08 ，它接线说明如下，即安全光栅的发射单元和接收单元都需要用 24VDC 电源对其供电，另外接收单元的信号线绿 YSSD1 和信号线蓝 YSSD2 作为 PLC 的输入信号，以此来实现对操作人员的自动安全保护。