畢業(yè)設(shè)計--切管機(jī)控制系統(tǒng)的研發(fā)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　半自動下管機(jī)屬于切管機(jī)的一種，主要用于加工汽車減震器鋼管部件下料工序。在此之前，汽車減震器部件加工切斷鋼管是利用普通車床切割，自動化水平低，體力勞動消耗大，切割精度與切口質(zhì)量低，切割效率低，已經(jīng)滿足不了生產(chǎn)要求。本文開發(fā)了一種高效，節(jié)能的半自動下管機(jī)。它是由舊式儀表車床改造而成。半自動下管機(jī)包含長度定位裝置，裝夾裝置，切削

2、裝置，利用PLC作為控制器，來夠?qū)崿F(xiàn)自動定位鋼管切削長度，自動夾緊，切削，停機(jī)。從而實現(xiàn)機(jī)電一體化，打破傳統(tǒng)人工切屑工藝，實現(xiàn)工業(yè)自動化。</p><p>　　可編程邏輯控制器（PLC）是一種數(shù)字操作運(yùn)算的控制系統(tǒng)，它專門為工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用而設(shè)計。它主要能夠為工業(yè)控制系統(tǒng)提供一個便捷可靠安全的方案。利用PLC來改造車床的例子在我國已經(jīng)是很常見，國外許多舊機(jī)床通過PLC改造，不僅提高機(jī)床使用年限，而且可以根據(jù)客戶要

3、求改造機(jī)床，提高生產(chǎn)效率。</p><p>　　關(guān)鍵詞：下管機(jī)；機(jī)電一體化；PLC控制器；高效 </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Semi-automatic pipe cutting machine is a kind of pipe cutting machine. It is mainly use

4、d for processing pipe in the shock absorbers for automobiles. Before that, it is used general machine tool to process pipe in the shock absorbers for automobiles. Lower level of automation, labor cost a lot, lower machin

5、e accuracy, lower cutting quality, lower cutting efficiency. It can’t satisfy requires of production. In this paper, the author developed a highly efficient, energy-saving semi-automatic pipe c</p><p>　　Prog

6、rammable logic controller, a digital computing operation of electronic system, designed for applications in the industrial environment. It can provide

7、 safe reliable and the quite perfect solution for the automated control application suit in the industrial. It is very common that reform the lathe by the PLC in our country. In the abroad, many old machine tool reform b

8、y PLC. It is not only improving the machine tool using lifetime, but also it can upon request to reform the machine tool, impr</p><p>　　Keywords:  pipe cutting machine；mechanical-electrical integration

9、；PLC controller ；efficient </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p>　　第1章概 述1</p><p>　　1.1選題的

10、背景1</p><p>　　1.2選題的意義1</p><p>　　1.3設(shè)計的框架2</p><p>　　第2章國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3</p><p>　　2.1國外研究進(jìn)展3</p><p>　　2.2國內(nèi)研究進(jìn)展3</p><p>　　第3章半自動下管機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計5&

11、lt;/p><p>　　3.1半自動下管機(jī)的基本要求5</p><p>　　3.2半自動下管機(jī)的工作原理6</p><p>　　3.3半自動下管機(jī)的控制要求7</p><p>　　3.4半自動下管機(jī)的控制流程圖8</p><p>　　3.5半自動下管機(jī)的電氣控制系統(tǒng)電路圖8</p><

12、;p>　　3.5.1主電路分析8</p><p>　　3.5.2控制電路分析9</p><p>　　3.6電機(jī)選型11</p><p>　　3.7冷卻液，冷卻泵選型13</p><p>　　第4章PLC硬件系統(tǒng)設(shè)計14</p><p>　　4.1PLC介紹14</p><

13、;p>　　4.2PLC特點(diǎn)14</p><p>　　4.3PLC選型15</p><p>　　4.4I/O地址分配15</p><p>　　4.5PLC外部電路圖設(shè)計16</p><p>　　第5章PLC軟件系統(tǒng)設(shè)計及仿真17</p><p>　　5.1編程軟件step7簡介17</

14、p><p>　　5.2順序功能圖17</p><p>　　5.3控制系統(tǒng)梯形圖程序19</p><p>　　5.4S7-PLCSIM仿真22</p><p>　　第6章總結(jié)與展望25</p><p><b>　　6.1總結(jié)25</b></p><p><

15、;b>　　6.2展望25</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)26</b></p><p><b>　　致 謝27</b></p><p><b>　　概 述</b></p><p><b>　　選題的背景</b>&

16、lt;/p><p>　　在當(dāng)今的工業(yè)中，小型，小批量的零件加工生產(chǎn)越來與多，其占產(chǎn)品數(shù)量的比例也越來越高，而且對生產(chǎn)的零件復(fù)雜性與精確性的要求也越來越高。制造業(yè)的相互競爭已經(jīng)從當(dāng)初降低產(chǎn)品的成本，提高生產(chǎn)效率和工人熟練度的競爭，發(fā)展到創(chuàng)新開發(fā)各種滿足客戶要求的，有競爭力的新產(chǎn)品。產(chǎn)學(xué)研的模式也得到越來越重視。對產(chǎn)品批量需求也越來越小，但是客戶對產(chǎn)品的質(zhì)量、性能的要求越來越高了。</p><p>

17、;　　本課題為企業(yè)委托課題，主要是汽車減震器部件加工切斷鋼管工序研發(fā)的半自動下管機(jī)。在此之前，汽車減震器部件加工切斷鋼管都是利用普通車床切割，自動化水平低，體力勞動消耗大，切割精度與切口質(zhì)量低，切割效率低，已經(jīng)滿足不了生產(chǎn)要求。為此本文開發(fā)了一種高效，節(jié)能的半自動下管機(jī)。下管機(jī)包含長度定位裝置，裝夾裝置，切削裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)自動定位鋼管切削長度，自動夾緊，切削，停機(jī)。實現(xiàn)機(jī)電一體化，打破傳統(tǒng)人工切屑工藝，實現(xiàn)工業(yè)自動化。半自動下管機(jī)由儀表

18、車床改造而成，通過利用PLC對儀表車床進(jìn)行電氣改造，使其成為專門切割汽車減震器連桿鋼管的機(jī)床。</p><p><b>　　選題的意義</b></p><p>　　自動化控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事力量和社會主義現(xiàn)代化建設(shè)領(lǐng)域中起著關(guān)鍵性的作用。自動化水平的高低也是當(dāng)今國際社會國家與國家之間綜合國力競爭的一個重要標(biāo)準(zhǔn)。隨著我國經(jīng)濟(jì)快速的發(fā)展,自動化技術(shù)在工業(yè)，農(nóng)

19、業(yè)，軍事力量等領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。特別是在工業(yè)生產(chǎn)中，自動控制技術(shù)的應(yīng)用尤為廣泛[3]。</p><p>　　建國以來，我國的下管機(jī)產(chǎn)業(yè)隨著改革開放的到來，取得了較好的成績，實現(xiàn)了從無到有。但是與歐洲，美國等工業(yè)先進(jìn)發(fā)達(dá)的國家相比較，工業(yè)實力的差距還是挺大的。目前，我國擁有大量的下管機(jī)，但是它們的技術(shù)水平落后，主要是以繼電器，接觸器為控制單元，自動化水準(zhǔn)低，生產(chǎn)效率低，需要花費(fèi)大量人工勞動?，F(xiàn)在我國眾多的數(shù)控

20、下管機(jī)均為進(jìn)口產(chǎn)品，與國產(chǎn)下管機(jī)相比較，它們的技術(shù)先進(jìn)，自動化水平高，生產(chǎn)效率高。</p><p>　　基礎(chǔ)零件的加工與制造是實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化的根本基礎(chǔ)，它們都需要技術(shù)水平較高的下管機(jī)，因此實現(xiàn)我國下管機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展是十分重要的任務(wù)。</p><p>　　因此，本文設(shè)計的半自動下管機(jī)，對我國切管機(jī)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新具有促進(jìn)作用。</p><p><b>　　設(shè)

21、計的框架</b></p><p>　　本設(shè)計主要章節(jié)安排如下：</p><p>　　第一章，主要介紹半自動下管機(jī)的背景意義，介紹半自動下管機(jī)的作用；</p><p>　　第二章，主要介紹半自動下管機(jī)在國內(nèi)外過去現(xiàn)在的研究進(jìn)展；</p><p>　　第三章，主要介紹半自動下管機(jī)的設(shè)計要求，工作原理，根據(jù)控制要求設(shè)計半自動下管機(jī)的電氣

22、控制系統(tǒng)電路圖，電機(jī)，冷卻液等主要部件選型介紹；</p><p>　　第四章，主要介紹以PLC為控制核心的半自動下管機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計；</p><p>　　第五章，PLC程序編程與仿真，驗證程序邏輯上的正確性；</p><p>　　第六章，對半自動下管機(jī)未來的總結(jié)與展；</p><p><b>　　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</b>

23、</p><p><b>　　國外研究進(jìn)展</b></p><p>　　半自動下管機(jī)也屬于下管機(jī)的一種，其是在傳統(tǒng)儀表車床基礎(chǔ)上改造而成。目前，各個國家的大型普通機(jī)床基本上是向著提高機(jī)床生產(chǎn)效率，加工精度以及功能多樣化的方向發(fā)展。儀表機(jī)床發(fā)展趨勢:（1）在穩(wěn)定現(xiàn)有精度基礎(chǔ)上提高自動化水平，a、裝設(shè)自動送料裝置，達(dá)到全自動循環(huán)；b、實現(xiàn)自動檢側(cè)；c、在一次裝夾過程中,自

24、動完成預(yù)定的加工程序。（2）擴(kuò)大工藝性，對于小型零件的加工，更希望一次裝夾后盡量完成更多的工序，使其成為聯(lián)合機(jī)床。（3）積極發(fā)展高效小型組合機(jī)床和組合機(jī)床自動線。（4）逐步走向高速化，提高切削速度是主要途徑，它隨著刀具材料的改進(jìn)(如硬質(zhì)合金刀具，陶瓷刀具及金剛石砂輪等)和新的傳動元件的出現(xiàn)使單軸縱切自動車床達(dá)到16000轉(zhuǎn)/分。國外各類機(jī)床發(fā)展趨勢歸納起來是三高三化，即從機(jī)械運(yùn)動而言是高效率，高精度，高度自動化，從結(jié)構(gòu)而言是標(biāo)準(zhǔn)化，通用

25、化，系列化。</p><p>　　自動化機(jī)床發(fā)展趨勢：包括車、銑、鍵、鉆、磨等各類自動機(jī)床和半自動機(jī)床，如單軸自動車床，多軸自動車床，自動磨末，自動齒輪加工機(jī)床等。國外程控機(jī)床發(fā)展趨勢是（1）研究發(fā)展程控機(jī)床時重視對用戶加工零件及批量的分析，根據(jù)不同的加工零件供應(yīng)不同的程序控制系統(tǒng)。如西德羅特一米勒公司的BVMAG系列銑床它有三種不同工作臺現(xiàn)格。四種不同自動化程度電氣柜供不同加工零件批量選用。（2）它已成為自動化

26、機(jī)床發(fā)展的一個方面，故均有完整的系列；（3）發(fā)展程控機(jī)床同時對不同復(fù)雜程度的零件所需程序步數(shù)進(jìn)行較多的工藝試驗與經(jīng)濟(jì)分析供用戶選用；（4）國外對程序控制系統(tǒng)在技術(shù)上不斷進(jìn)行研究和發(fā)展。如日本在4N型六角車床上研究如何使程序控制和數(shù)字控制結(jié)合起來使用。</p><p><b>　　國內(nèi)研究進(jìn)展</b></p><p>　　目前，我國下管機(jī)行業(yè)面臨著嚴(yán)峻的考驗，主要是自主

27、創(chuàng)新研究能力低，依靠傳統(tǒng)下管機(jī)發(fā)展，無法打破思想束縛，創(chuàng)新發(fā)展新型下管機(jī)，在產(chǎn)品的自動化控制系統(tǒng)水平之后，無法滿足高效生產(chǎn)，高精度需求。建國以來，我國的機(jī)床行業(yè)得到了高速發(fā)展，模仿到自行研究設(shè)計。60年初在哈爾濱機(jī)聯(lián)廠，哈工大師生就設(shè)計制造了一套積木式機(jī)床，它是由九個部件積木成車、銑、刨等10種類型的機(jī)床。</p><p>　　建國以來，我國的下管機(jī)產(chǎn)業(yè)隨著改革開放的到來，取得了較好的成績，實現(xiàn)了從無到有。但是與

28、歐洲，美國等工業(yè)先進(jìn)發(fā)達(dá)的國家相比較，工業(yè)實力的差距還是挺大的。目前，我國擁有大量的下管機(jī)，但是它們的技術(shù)水平落后，主要是以繼電器，接觸器為控制單元，自動化水準(zhǔn)低，生產(chǎn)效率低，需要花費(fèi)大量人工勞動?，F(xiàn)在我國眾多的數(shù)控下管機(jī)均為進(jìn)口產(chǎn)品，與國產(chǎn)下管機(jī)相比較，它們的技術(shù)先進(jìn)，自動化水平高，生產(chǎn)效率高。我國下管機(jī)行業(yè)急需尋找機(jī)遇，實現(xiàn)從根本上升級，實現(xiàn)從中國制造到中國創(chuàng)造的跨越。在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006～2020年)》中

29、，就提到了“高檔切管機(jī)與基礎(chǔ)制造裝備”作為發(fā)展任務(wù)。在2006年發(fā)布的《國務(wù)院關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見》提到大力振興制造業(yè)是我們黨的重要任務(wù)，其中把發(fā)展切管機(jī)和基礎(chǔ)制造裝備作為重要任務(wù)之一。因此，在我國政策的影響下，下管機(jī)的技術(shù)將會得到高速發(fā)展，同時也是任重道遠(yuǎn)的[4]。</p><p>　　半自動下管機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　半自動下管機(jī)的基本要求</p>

30、<p>　　在工業(yè)中鋼管的切割主要是利用人力切割、車床切割、激光切割等。這些切割方法都需要大量的人力勞動，效率低下，精度低等缺點(diǎn)。本課題為企業(yè)委托課題，主要是汽車減震器部件加工切斷鋼管工序研發(fā)的半自動下管機(jī)。半自動下管機(jī)包含長度定位裝置，裝夾裝置，切削裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)自動定位鋼管切削長度，自動夾緊，切削，停機(jī)。實現(xiàn)機(jī)電一體化，打破傳統(tǒng)人工切屑工藝，實現(xiàn)工業(yè)自動化。其技術(shù)目標(biāo)為：</p><p>　　（1

31、）開發(fā)汽車活塞桿半自動下料機(jī)，生產(chǎn)效率每分鐘下料20-30根，長度誤差為±0.5mm。 </p><p>　?。?）按照雙方技術(shù)合作內(nèi)容，乙方幫助甲方培訓(xùn)技術(shù)人員及操作人員。 </p><p><b>　　其主要技術(shù)內(nèi)容為：</b></p><p>　?。?）切屑呈卷裝，不易玷污在管道表面。</p><p>

32、　?。?）工件夾緊通過氣缸控制，采用儀表車床夾頭，裝夾穩(wěn)固。</p><p>　?。?）采用腳踏開關(guān)控制電機(jī)從而控制夾頭轉(zhuǎn)動，進(jìn)刀量可以通過拖板調(diào)整，操作簡便。</p><p>　?。?）設(shè)計切管長度定位裝置、自動夾緊裝置、切割裝置，下料長度誤差為±0.5mm。</p><p>　?。?）設(shè)計氣動清潔裝置。</p><p>　?。?

33、）研發(fā)專用電氣控制系統(tǒng)，每分鐘下料20-30根。有過載和安全保護(hù)裝置。</p><p>　　半自動下管機(jī)的工作原理</p><p>　　圖3-1 半自動下管機(jī)結(jié)構(gòu)主視圖</p><p>　　圖3-2 半自動下管機(jī)結(jié)構(gòu)俯視圖</p><p>　　表3-1 半自動下管機(jī)部件名稱表</p><p>　　半自動下管機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

34、如圖3-1，圖3-2所示。</p><p>　　半自動下管機(jī)包括裝夾裝置，長度定位裝置，切割裝置和腳踏開關(guān)。長度定位裝置包括立柱和螺紋桿，立柱中含有一螺紋孔，螺紋桿安裝在螺紋孔上，在螺紋桿上有位于立柱兩側(cè)的螺栓，用于擰緊螺紋桿，在螺紋桿的另一端設(shè)置擋板。裝夾裝置包括儀表車床的夾頭，驅(qū)動夾頭轉(zhuǎn)動的主軸電機(jī)，氣缸用于夾頭夾緊與松開管料。切割裝置包括割刀和滑軌，滑軌垂直于管料，割刀由電機(jī)驅(qū)動并沿滑軌運(yùn)動。在機(jī)架下設(shè)有一

35、腳踏開關(guān)用于點(diǎn)動控制電機(jī)啟停，氣缸夾緊與松開動作。本文主要研究實現(xiàn)上述所有裝置一體化自動運(yùn)作，使得長度定位，切割，停機(jī)，退刀工藝流程一體化運(yùn)作。</p><p>　　半自動下管機(jī)的控制要求</p><p>　　工作時，先調(diào)節(jié)長度定位裝置來設(shè)定合適的切斷長度，先擰松螺紋桿上的螺栓，接著旋轉(zhuǎn)螺紋桿到合適的位置，再擰緊螺紋桿。將管料置于裝夾裝置中，點(diǎn)動腳踏開關(guān)，氣缸工作，夾緊管料，延時2S后控制

36、電機(jī)A運(yùn)行，電機(jī)A轉(zhuǎn)動從而帶動夾頭轉(zhuǎn)動，3S后管料旋轉(zhuǎn)速度到達(dá)一定值后，啟動電機(jī)B，帶動割刀沿著滑軌朝向管料移動進(jìn)行切割，切割完成后，到達(dá)限位開關(guān)B，電機(jī)A停止，電機(jī)B反轉(zhuǎn)退刀，割刀退至起始位置，撞到限位開關(guān)A，電機(jī)B停止工作，氣缸停止工作，松開管料，取料，鋼管給進(jìn)，氣缸自動工作，夾頭重新夾緊鋼管，以此形成一個循環(huán)過程。全過程都采用電控線路自動完成整個周期。</p><p>　　其中鋼管給進(jìn)過程中，本文采用了兩個

37、U型槽輪上下夾住鋼管，上面的輪子逆時針旋轉(zhuǎn)，下面的輪子順時針旋轉(zhuǎn)，利用一個電機(jī)控制該兩個U型槽輪，使其轉(zhuǎn)速相同。該電機(jī)運(yùn)行時間T是根據(jù)切割鋼管的長度L與U型槽輪轉(zhuǎn)速V相關(guān)，即T=L/V；</p><p>　　半自動下管機(jī)的控制流程圖</p><p>　　半自動下管機(jī)的控制流程圖如圖3所示。</p><p>　　圖3-3 半自動下管機(jī)控制流程圖</p>

38、<p>　　半自動下管機(jī)的電氣控制系統(tǒng)電路圖</p><p><b>　　主電路分析</b></p><p>　　半自動下管機(jī)主電路圖如圖4所示。</p><p>　　圖3-4 半自動下管機(jī)主電路圖</p><p>　　半自動下管機(jī)的電源采用三相380V交流電源，并且由隔離開關(guān)QS引入，主電路包括四臺電機(jī)的驅(qū)動

39、電路，分為主軸電機(jī)驅(qū)動部分，進(jìn)刀退刀電機(jī)驅(qū)動部分，冷卻泵電機(jī)驅(qū)動部分，進(jìn)料電機(jī)驅(qū)動部分，照明電路。主軸轉(zhuǎn)動電機(jī)M1由交流接觸器KM1，KM2控制正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。進(jìn)刀退刀電機(jī)M2由交流接觸器KM3，KM4控制正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)刀具進(jìn)刀運(yùn)動和退刀運(yùn)動。冷卻泵電機(jī)M3由交流接觸器KM5控制其運(yùn)行。進(jìn)料電機(jī)M4由交流接觸器KM6控制其運(yùn)行。照明電路則直接通過開關(guān)按鈕來控制照明燈的運(yùn)行。速度繼電器KS中的速度檢測功能部分與主軸轉(zhuǎn)動電機(jī)的輸出軸相連，從而

40、實現(xiàn)正轉(zhuǎn)時的反接制動，以及判斷是否能讓氣缸松開被切割的鋼管。</p><p>　　為保證電機(jī)正常運(yùn)行，分別由FU1，F(xiàn)U2，F(xiàn)U3，F(xiàn)U4，F(xiàn)U5對電機(jī)M1，M2，M3，M4和照明燈進(jìn)行短路保護(hù)。FR1，F(xiàn)R2，F(xiàn)R3，F(xiàn)R4均為熱繼電器，防止電機(jī)過載運(yùn)行。</p><p><b>　　控制電路分析</b></p><p>　　半自動下管機(jī)控制

41、電路如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5 半自動下管機(jī)控制電路</p><p>　　圖3-5所示為傳統(tǒng)下管機(jī)電氣控制電路部分，表3-1為下管機(jī)電氣元件表。主要分為控制氣缸部分，控制主軸電機(jī)正轉(zhuǎn)與反接制動部分，控制刀具給進(jìn)與后退部分，冷卻泵控制部分，進(jìn)料電機(jī)控制部分。首先是控制氣缸部分，由接觸器KM0控制氣缸，當(dāng)按下常開按鈕SB2時，接觸器KM0通電并自鎖，當(dāng)按下常閉按鈕SB3時，

42、接觸器KM0斷電，氣缸停止工作，松開鋼管。主軸電機(jī)轉(zhuǎn)動控制部分中，按下常開按鈕SB4，接觸器KM7，KA，KM1通電，主軸電機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行。當(dāng)按下常閉開關(guān)SB1時，接觸器KM1，KM7，KA斷電，由于此時電機(jī)由于慣性作用仍然在正轉(zhuǎn)，故速度繼電器KS閉合，接觸器KM2通電，主軸電機(jī)進(jìn)入反接制動狀態(tài)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到0時，速度繼電器KS斷開，此時接觸器KM2斷電，停止反接制動狀態(tài)。從而實現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)動電機(jī)快速停止轉(zhuǎn)動，加快工作效率。</p&g

43、t;<p>　　進(jìn)刀退刀運(yùn)動控制，按下常開按鈕SB5，接觸器KM3通電并自鎖，啟動電機(jī)正轉(zhuǎn)驅(qū)動刀具進(jìn)刀運(yùn)動，進(jìn)行切割鋼管，當(dāng)?shù)毒哌\(yùn)動至行程開關(guān)SQ2處時，接觸器KM3斷電，接觸器KM4通電并自鎖，實現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)退刀運(yùn)動，當(dāng)?shù)毒咄酥疗瘘c(diǎn)時撞到行程開關(guān)SQ1，接觸器KM4斷電，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。為保證電機(jī)安全運(yùn)行，在正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)電路中加入電氣互鎖，提高系統(tǒng)安全性。在冷卻泵控制電路中，當(dāng)電機(jī)M2處于進(jìn)刀運(yùn)動時，冷卻泵自動啟動，當(dāng)電機(jī)M2處

44、于退刀運(yùn)動時，冷卻泵停止工作。在進(jìn)料電機(jī)運(yùn)動控制中，當(dāng)按下常開按鈕SB6時，接觸器KM6通電，時間繼電器KT2通電，進(jìn)料電機(jī)進(jìn)行輸送管料運(yùn)動，當(dāng)過了時間T后，延時動斷觸點(diǎn)KT2斷開，進(jìn)料電機(jī)停止運(yùn)動。</p><p>　　表3-1 下管機(jī)電氣元件表</p><p><b>　　電機(jī)選型</b></p><p>　　M1為主軸轉(zhuǎn)動電機(jī)，用于驅(qū)動鋼

45、管高速轉(zhuǎn)動，主軸轉(zhuǎn)動電動機(jī)通常是用三相異步電動機(jī)，而且使用的十分廣泛。三相異步電動機(jī)的原理是利用三相交流電，在定子上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1，轉(zhuǎn)子與磁場之間產(chǎn)生相對運(yùn)動，切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，在磁場的作用下產(chǎn)生力矩發(fā)生旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n是低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1，故稱之為三相異步電機(jī)[12]。實現(xiàn)由電能轉(zhuǎn)換為動能。三相異步電機(jī)與單相異步電機(jī)相比，三相異步電機(jī)運(yùn)行更加穩(wěn)定，運(yùn)行性能更好，無需外接交流電容。單相異步

46、電機(jī)需要外接交流電容才能有啟動力矩，故三相異步電機(jī)可以節(jié)約材料。根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，三相異步電動機(jī)可分為鼠籠式電機(jī)和繞線式電機(jī)。其中鼠籠式三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)更加簡單、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、價格低廉，得到廣大客戶的大量使用和青睞。但是三相異步電機(jī)在調(diào)速方面比較困難，不適合使用在調(diào)速頻率較高的系統(tǒng)中。在切割鋼管的時候，切削力平穩(wěn)，并且是單向轉(zhuǎn)動，故選擇使用Y系列三相異步電動機(jī)。選擇電機(jī)型號為Y112M-4,其中Y表示三相異步電機(jī)，112表示機(jī)座中心

47、高度（單位毫米），M表示中機(jī)座，4表示其為4極電機(jī)。其額定功率為4KW，轉(zhuǎn)速1440r/m</p><p>　　圖3-6 Y112M-4電機(jī)</p><p>　　M2，M4分別為進(jìn)刀退刀電機(jī)，進(jìn)料電機(jī)，故所需功率無需太大，否則浪費(fèi)電量，增加成本。故本文選擇型號為Y801-4三相異步電機(jī)，其額定功率為0.55KW，額定轉(zhuǎn)速為1400，性能完全符合本文需求。</p><p&

48、gt;<b>　　冷卻液，冷卻泵選型</b></p><p>　　在機(jī)床切割金屬器件時，刀具與被切割金屬器件之間劇烈摩擦產(chǎn)生了大量的熱量，使得刀具與被切割的金屬器件表面溫度升高，長期處于高溫狀態(tài)的刀具，使得刀具的耐用度降低，故需要在切割的時候澆注冷卻液。</p><p>　　冷卻液起的主要作用如下。</p><p><b>　?。?）

49、冷卻作用</b></p><p>　　冷卻液能夠降低切削鋼管時切削面和刀具的溫度，從而提高刀具使用耐久度，切削表面的平整度，切削面的化學(xué)穩(wěn)定性。</p><p><b>　?。?）潤滑作用</b></p><p>　　在切削過程中，刀具的前刀面與被切鋼管相互接觸摩擦，產(chǎn)生大量的熱，使得接觸面的溫度超過500度，這時冷卻液得不到完全的

50、流體運(yùn)動潤滑，而且還會導(dǎo)致金屬之間直接相互接觸，故金屬冷卻液的潤滑作用為邊界潤滑。</p><p><b>　　（3）清洗作用</b></p><p>　　當(dāng)?shù)毒咔懈钿摴軙r會產(chǎn)生部分碎屑，需要利用冷卻液來進(jìn)行清洗，冷卻液的滲透性好壞，流動性好壞與最終的清洗效果息息相關(guān)。通常會在冷卻液中加入大量的活性劑和礦物油來增強(qiáng)冷卻液的滲透性和流動性，使用時需要進(jìn)行稀釋比制成乳化液

51、或者水溶液，才能更大幅度的提高清潔效果。使用時還需要冷卻泵來為冷卻液提供足夠的壓力和流量來沖刷碎屑。</p><p><b>　　（4）防銹作用</b></p><p>　　為了減少刀具和鋼管切割面被空氣腐蝕，需要在冷卻液中加入一定量的防銹劑，提高刀具和切削面的防銹能力。在我們氣候潮濕的南方地區(qū)，對防銹作用的要求顯得更為重要。</p><p>

52、　　本文選擇英飛特水溶性切削油B801，稀釋比為1：20，具有極佳的冷卻，潤滑，防銹，清潔功能，適合金屬器件切割，具有環(huán)保功能。</p><p>　　此外在冷卻泵選擇上，本文選擇AB-25-90W的三相電泵，其額定功率為90W，額定電壓為380V。</p><p><b>　　PLC硬件系統(tǒng)設(shè)計</b></p><p><b>　　P

53、LC介紹</b></p><p>　　可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它是一種以微處理器為核心的工控設(shè)備，同時它也是一種在工業(yè)環(huán)境中孕育而生的數(shù)字電子系統(tǒng)。它可以利用可編程的存儲器完成各種控制功能，如定時，計數(shù)，模擬量控制，數(shù)字邏輯量控制，通信等各種功能。通過數(shù)字量模擬量進(jìn)行輸入輸出到各種設(shè)備中去，使得設(shè)備能夠按照程序指令來運(yùn)行。它是當(dāng)今工業(yè)領(lǐng)域

54、非常重要的一種控制裝置。當(dāng)今社會隨著計算機(jī)的飛速發(fā)展，在工業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣泛，其中PLC就是計算機(jī)與工業(yè)領(lǐng)域之間的樞紐，它使得計算機(jī)能夠在工業(yè)中應(yīng)用，從而孕育出工控機(jī)，專門用于工業(yè)環(huán)境中的計算機(jī)。</p><p>　　PLC通過不斷地創(chuàng)新開發(fā)，使得控制系統(tǒng)的開放性實用性越來越強(qiáng)。它將自動化，計算機(jī)，通信合成三位一體模式，使得整個控制系統(tǒng)更加靈活，安全可靠，便于維護(hù)，便于開發(fā)等。</p><

55、p><b>　　PLC特點(diǎn)</b></p><p>　?。?）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中主要是以各種中間繼電器，時間繼電器，交流接觸器為控制單元，容易發(fā)生接觸不良，故障發(fā)生時難以尋到故障點(diǎn)，因此傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的可靠性非常低的。當(dāng)使用PLC來代替?zhèn)鹘y(tǒng)控制系統(tǒng)中的接觸器，繼電器時，就只剩下與輸入輸出有關(guān)的硬件。而且PLC還使用了許多硬件和軟件措施來提高抗干擾性，具有很強(qiáng)的抗干

56、擾能力。如今，PLC已經(jīng)是被廣大客戶成為最可靠的工控設(shè)備。</p><p>　?。?）硬件配套齊全，系統(tǒng)功逐漸能完善，適用性更強(qiáng)。1995年，我國推出GB/T15969.4-1995國家標(biāo)準(zhǔn)，從此PLC在我國進(jìn)入了標(biāo)準(zhǔn)化時代，在2007年，我國又推出GB/T15969.4-2007，PLC產(chǎn)品又一次得到了標(biāo)準(zhǔn)化。在使用PLC時，還配置了各種硬件設(shè)備供客戶使用，使客戶能夠根據(jù)自己的需求來配置系統(tǒng)。PLC輸出具有較強(qiáng)

57、的負(fù)載能力，能夠直接驅(qū)動各種接觸器和電磁閥。此外，PLC還能適用于各種規(guī)模的工業(yè)控制環(huán)境。</p><p>　?。?）容易學(xué)習(xí)和使用PLC。通常許多開發(fā)人員均是使用梯形圖為PLC的編程語言，程序直觀易懂，而且程序與電氣圖可以進(jìn)行對應(yīng)編程，兩者相似度高。開發(fā)人員只需稍微學(xué)習(xí)幾天梯形圖程序，就能進(jìn)行設(shè)計，使用PLC程序中的邏輯控制指令就可以容易地實現(xiàn)電氣圖中的功能。</p><p>　　（4）

58、易于系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試，維護(hù)。PLC的軟件功能代替接觸器、繼電器，使得電控柜的體積與線路大大減少。在梯形圖編程時，可以利用順序功能圖的方法進(jìn)行有條理的編程。最終還能使用PLCSIM進(jìn)行仿真調(diào)試程序，檢查程序是否符合要求。</p><p>　?。?）PLC體積小，重量輕，攜帶方便，能耗低。當(dāng)一個復(fù)雜的自動控制系統(tǒng)進(jìn)行PLC改造以后，可以大量的減少繼電器，接觸器的數(shù)量。一個小型的PLC只有將近手掌的大小，相當(dāng)于幾

59、個接觸器的大小，而且它的功耗非常低。</p><p><b>　　PLC選型</b></p><p>　　本文由于是利用PLC對半自動下管機(jī)的工藝控制，需要有7個DI口，7個DO口，無需AI/AO口，根據(jù)需求采用西門子緊湊型CPU313C-2DP，集成工作存儲器RAM為64K，最大裝載存儲器為8MB，位操作指令執(zhí)行時間為0.1us，浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算指令執(zhí)行時間為3us，集成

60、數(shù)字量DI/DO為16/16,無集成模擬量AI/AO。該型號CPU剛好符合半自動下管機(jī)的需求。電源模塊選擇PS307，它是西門子公司為S7-300系列專配的DC24V電源。它可以輸出額定電流2A,5A,10A。</p><p><b>　　I/O地址分配</b></p><p>　　表4-1 PLC端口分配表</p><p>　　PLC外部電

61、路圖設(shè)計</p><p>　　PLC外部電路圖如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 PLC連接電路</p><p>　　圖4-1為西門子PLC的CUP 313C-2DP外部電路圖，該型號的CPU為緊湊型CPU，其自帶16個DI口，16個DO口。供電電壓為24VDC，圖中左邊為DI輸入，右邊為DO輸出，輸入包括SB1所有電機(jī)總停常閉按鈕，SB2啟動常開按鈕

62、，SB3為光電開關(guān)，用于檢測是否有需要切割的鋼管，SQ1，SQ2均為常開行程開關(guān)，用于檢測驅(qū)動刀具電機(jī)的位置，KS為速度繼電器常開按鈕，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時是處于閉合狀態(tài)，SB4為常開按鈕，用于啟動系統(tǒng)處于待命狀態(tài)。輸出有7個接觸器，用于控制主電路中的電機(jī)運(yùn)行狀況。</p><p>　　PLC軟件系統(tǒng)設(shè)計及仿真</p><p>　　編程軟件step7簡介</p><p>　

63、　Step7編程軟件是由西門子公司開發(fā)一種編程軟件，它適用于SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WinAC的編程。而且Step7的功能不僅僅局限于編程這方面，它還能夠設(shè)計自動控制系統(tǒng)，例如PLC,遠(yuǎn)程I/O,HMI,驅(qū)動裝置和通信網(wǎng)絡(luò)等，可以對它們進(jìn)行組態(tài)，編程和監(jiān)控。S7的主要功能如下所示：</p><p>　?。?）可以為機(jī)架各個模塊進(jìn)行分配地址和參數(shù)設(shè)定。</p><p>　

64、　（2）組態(tài)通信連接，自定義通信伙伴和連接特性。</p><p>　?。?）可以使用編程語言編寫用戶程序，它有三種編程方式，分別是梯形圖，語句表，功能塊語言。</p><p>　　（4）下載和調(diào)試客戶程序，系統(tǒng)維護(hù)，故障維修等。</p><p><b>　　順序功能圖</b></p><p>　　半自動下管機(jī)PLC控制順

65、序功能圖如圖5-1所示。該順序功能圖一共分為7步，當(dāng)按下常開按鈕I0.6時，系統(tǒng)進(jìn)入步M0.0。當(dāng)按下腳踏開關(guān)I0.1，并且所有電機(jī)總停按鈕I0.0未按下時，系統(tǒng)進(jìn)入步M0.1，執(zhí)行Q0.0夾緊鋼管，定時器T1開始定時。當(dāng)T1定時器到達(dá)設(shè)定時間時，系統(tǒng)進(jìn)入步M0.2，將Q0.0，Q0.1，Q0.2，Q0.4置1。主軸電機(jī)開始正轉(zhuǎn)，刀具電機(jī)正轉(zhuǎn)，冷卻泵啟動冷卻，繼續(xù)夾緊鋼管。當(dāng)?shù)毒叩竭_(dá)設(shè)定位置，限位開關(guān)I0.4置1時，系統(tǒng)進(jìn)入步M0.3，

66、將Q0.0，Q0.3置1，刀具反轉(zhuǎn)退刀，繼續(xù)夾緊鋼管。當(dāng)?shù)竭_(dá)限位開關(guān)I0.3時，系統(tǒng)進(jìn)入步M0.4，繼續(xù)保持夾緊。當(dāng)速度繼電器I0.5置0時，系統(tǒng)進(jìn)入步M0.5，將Q.5置1，定時器T2啟動，送料電機(jī)開始送料。當(dāng)T2時間到時，送料完畢，系統(tǒng)進(jìn)入步M0.6，此時檢測是否存在鋼管，若有鋼管系統(tǒng)進(jìn)入步M0.1，若無鋼管，系統(tǒng)進(jìn)入步M0.0，處于待命狀態(tài)。</p><p>　　圖5-1 半自動下管機(jī)的順序功能圖</

67、p><p><b>　　控制系統(tǒng)梯形圖程序</b></p><p>　　半自動下管機(jī)梯形圖程序圖如圖5-2所示，整個程序是根據(jù)圖5-1所示的順序功能圖所編寫，一共包括15個程序段，每個程序段均已進(jìn)行相應(yīng)功能的介紹，完成控制目標(biāo)。</p><p><b>　　a)</b></p><p><b>

68、;　　b)</b></p><p><b>　　c)</b></p><p><b>　　d)</b></p><p><b>　　e)</b></p><p><b>　　f)</b></p><p><b>

69、;　　g)</b></p><p><b>　　h)</b></p><p>　　圖5-2 半自動下管機(jī)梯形圖程序</p><p>　　S7-PLCSIM仿真</p><p>　　S7-PLCSIM是由西門子公司開發(fā)的一種PLC仿真軟件，它可以在沒有PLC狀況下進(jìn)行程序模擬，檢驗程序的正確性。它也可以和Win

70、CC一起模擬上位機(jī)監(jiān)控狀況。本文利用S7-PLCSIM軟件來檢驗程序邏輯程序是否符合工藝要求。</p><p>　　首先將運(yùn)行模式調(diào)到RUN-P模式，如圖5-3所示。</p><p>　　圖5-3 S7-PLCSIM模擬仿真界面（1）</p><p>　　然后按下I0.6,使系統(tǒng)處于待命狀態(tài)，M0.0置1，系統(tǒng)進(jìn)入狀態(tài)0。如圖5-4所示。</p>&

71、lt;p>　　圖5-4 S7-PLCSIM模擬仿真界面（2）</p><p>　　當(dāng)按下啟動按鈕I0.1，Q0.0置1，氣缸開始夾緊鋼管，M0.1置1，定時器1進(jìn)入倒計時，系統(tǒng)進(jìn)入狀態(tài)1，如圖5-5所示。</p><p>　　圖5-5 S7-PLCSIM模擬仿真界面（3）</p><p>　　當(dāng)T1時間到時，I0.1置1，主軸電機(jī)開始正轉(zhuǎn)，I0.2置1，刀

72、具電機(jī)正轉(zhuǎn)，刀具進(jìn)刀運(yùn)動，I0.4置1，冷卻泵啟動冷卻。M0.2置1，系統(tǒng)進(jìn)入狀態(tài)2，如圖5-6所示。</p><p>　　圖5-6 S7-PLCSIM模擬仿真界面（4）</p><p>　　此時主軸電機(jī)有轉(zhuǎn)速，I0.5需置1，當(dāng)?shù)毒哌\(yùn)動到限位開關(guān)I0.4置1，I0.6置1，主軸電機(jī)開始反接制動，I0.3置1，刀具處于退刀運(yùn)動，M0.3置1，系統(tǒng)進(jìn)入狀態(tài)3，當(dāng)I0.5為0時，即主軸電機(jī)轉(zhuǎn)

73、速為0，I0.6將清零，去除反接制動。如圖5-7所示。</p><p>　　圖5-7 S7-PLCSIM模擬仿真界面（5）</p><p>　　當(dāng)退刀運(yùn)動到限位開關(guān)I0.3置1，檢測到存在鋼管，I0.2置1，氣缸松開，進(jìn)料電機(jī)I0.5置1，繼續(xù)輸送鋼管，定時器T2進(jìn)入倒計時，M0.5置1，系統(tǒng)進(jìn)入狀態(tài)5，如圖5-8所示。 </p><p>　　圖5-8 S7-P

74、LCSIM模擬仿真界面（6）</p><p>　　當(dāng)定時器T2時間到時，鋼管輸送完畢，氣缸自動夾緊鋼管，Q0.0置1，定時器T1自動進(jìn)入倒計時狀態(tài)，此時系統(tǒng)處于狀態(tài)1，如圖5-9所示。并按照上文所述如此循環(huán)下去，直到系統(tǒng)中無鋼管，或者按下I0.0，系統(tǒng)才會停止運(yùn)動。</p><p>　　圖5-9 S7-PLCSIM模擬仿真界面（7）</p><p><b&g

75、t;　　總結(jié)與展望</b></p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　本文所介紹的半自動下管機(jī)控制系統(tǒng)是以PLC為控制核心而設(shè)計，使用時安全可靠，故障率低，即使系統(tǒng)故障，尋找故障點(diǎn)也比較方便，工作效率高，由于PLC的IO口充足，故易于擴(kuò)展系統(tǒng)功能，在線路布置上整齊簡潔。傳統(tǒng)機(jī)床主要是使用接觸器，繼電器為控制單位，系統(tǒng)可靠性低，容易出故障

76、，出故障后難以查找故障點(diǎn)，而且由于接觸器過多，導(dǎo)致控制柜中電線過多，復(fù)雜。</p><p>　　該半自動下管機(jī)能夠切割直徑在250mm以內(nèi)的鋼管，切割長度也能夠通過調(diào)整擋板的位置來設(shè)定，故其功能也不僅限于汽車減震器鋼管部件的加工。</p><p><b>　　展望</b></p><p>　　在未來，半自動下管機(jī)將會全面升級，不僅可以在生產(chǎn)上實

77、現(xiàn)全面自動化數(shù)字控制，而且在外形上，不再是由儀表車床改裝而來，其龐大的機(jī)械身軀將會發(fā)生翻天覆地的變化，將會逐漸變小，發(fā)展成便于攜帶，組裝的設(shè)備。在動力功能上，將擺脫傳統(tǒng)三相交流電，利用新能源為其提供動力，如在美國“紐約時報雜志”中提到：激光電池將會是人類將來的主要能源，這纖細(xì)的光束會為大量運(yùn)輸，工業(yè)及家庭提供電源。其他新能源還有類似于真空二極管的熱電子，氫能，太陽能等等。隨著科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展半自動下管機(jī)的鋼鐵結(jié)構(gòu)將被高強(qiáng)度，高耐磨和質(zhì)

78、輕的塑料結(jié)構(gòu)代替，鉚釘和螺釘將被非常牢固的粘合劑和去粘劑代替，機(jī)床的刀具也將被非常鋒利的削鐵如泥的陶瓷金屬或陶瓷塑料代替。甚至可以用激光來代替刀具，變成激光切割，切割速度和精度將大大提高，切口也將會更加平整。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　范國偉. 電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù) [M]. 北京：人民郵電出版社，2013.</p&g

79、t;<p>　　現(xiàn)代實用機(jī)床設(shè)計手冊編委會. 現(xiàn)代實用機(jī)床設(shè)計手冊 [M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.</p><p>　　吳鳳和，劉成勛. 從專利角度看數(shù)控車床的發(fā)展趨勢[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床, 2012,10：52-29.</p><p>　　黃忠琴. 普通車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的硬件闡述[J]. 機(jī)床電器, 2003,6：16-19.</p>

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83、京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010</p><p>　　孫恒 陳作模 葛文杰. 機(jī)械原理 [M]. 北京：高等教育出版社，2006</p><p>　　湯天浩. 電機(jī)與拖動基礎(chǔ) [M]，2版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011</p><p>　　范國偉. 電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù) [M]. 北京：人民郵電出版社，2013</p><p>　　張亮

84、峰. 機(jī)械加工工藝基礎(chǔ)與實習(xí) [M]. 北京：高等教育出版社，1999</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　經(jīng)過將近半年的努力，我的《一種半自動下管機(jī)控制系統(tǒng)的研發(fā)》這篇論文也即將完成。在此，我要感謝所有曾經(jīng)教導(dǎo)過我、幫助過我的老師、同學(xué)和朋友，感謝他們在我的寫作過程中給予了我極大的幫助和支持。</p><p>