控铣床电气控制系统的设计

控铣床电气控制系统的设计a第1章绪论本绪论主要是从本课题的来源、目的、意义、应解决的主要问题及应达到的技术要求来介绍机电一体化教学实验系统（数控铣床型），并且叙述了国内外发展概况以及存在的问题。最后简述了本设计的指导思想。1.1课题的来源随着各种学科的交叉发展，原来的纯机械加工已经发展为机电一体化的加工机床，现在随着各种控制技术的日趋完善，机电一体化的加工系统——数控机床已经毫无疑问成为了工业生产的主力装备。一方面，调查表明，我国要成为“世界工厂”，需要培训和造就数十万数控技术应用领域的操作人员、编程人员和维修人员，另一方面，来自机电一体化专业在实践方面对于专门的教学用的仪器设备的需求，是本课题产生的主要的原因。1.2目的和意义本产品立足于设计一台能够满足各大高等院校对教学用机电一体化实验系统的需求，用于学生实验所需的数控铣床。主要用于装备高等院校，中等技术专业学校及各类技术学校的机电一体化实验室设备，可用于数控机床，数控编程，数控原理等专业课程的教学实验与培训。本课题是要求在指导老师的指导下通过查阅相关的内容的资料并进行总体方案的设计（包括机械总体结构，电气控制系统总体结构和控制软件总体结构设计）进而最终完成适合教学实验使用的数控铣床。该机床能实现单轴定位及两轴联动联动，从而可以完成对塑料制品的铣、铰等基本的切削运动，并能加工形状简单的零件。1.3机电一体化系统的简介机电一体化技术的基本概念是指将机械学、电子学、信息处理和控制及专用软件等当代各种新技术进行综合集成的一种群体技术。机电一体化系统主要有五个组成部分:动力、机构、执行器、计算机和传感器,组成一个功能完善的柔性自动化系统,其中计算机、传感器和计算机软件是机电一体化技术的重要组成要素。机电一体化系统具有结构简单、功能多、效率高、精度高、能耗低的特点,与传统的机械产品比较,机电一体化产品至少有以下三个优点。(1)原有的机构产品中增加信息处理装置及相应软件,来替代原有产品的部分机械控制机构,不仅提高了自动化程度,而且能大大提高产品质量,同时也降低了生产成本,提高经济效益。(2)以机电一体化技术为主的新型产品,与原机械产品相比,不仅结构简单,而且功能更加丰富,精度也得到提高。(3)将电子技术、传感器技术、控制技术与机械技术各自的优势结合起来,形成综合性优势,可开发出具有多种功能、智能化的高新技术产品。1.3.1机电传动概述机电传动就是指以电动机为原动机驱动生产机械的系统之总称。它的目的就是电能转变为机械能，实现生产机械的启动，停止以及速度控制，完成各种生产工艺过程的要求，保证生产过程的正常进行。机电传动控制系统发展愈来愈高。现在机电传动机控制系统由微型操纵杆，敏感元件，计算机，伺服机构和执行机构等部分组成。当操纵它时，电传系统立刻将机械动作转变为电信号，经计算机计算放大后，通过电机使执行机构动作。电传操纵系统的优点是结构比较简单，体积和重量小，易于安装和维修、操纵灵敏度高，无滞后现象。由于可以敷设多条电缆，“生存力”大大增强。但就机电传动而言，它的发展大体上经历了成组拖动，单电机拖动和多电机拖动三阶段。控制期间经过了四阶段：1.接触器与继电器2.电机放大机控制3.磁放大器，大功率可控水银整流器4.计算机数字控制CNC。就本次设计而言，系统的驱动部分采用了步进电机驱动，控制部分采用比较先进的微机与PLC控制。1.3.2数控加工的概述数控加工，是指在数控机床上进行零件加工的一种工艺方法，数控机床加工与传统机床加工的工艺规程从总体上说是一致的，但也发生了明显的变化。以下是数控加工的特殊之处：1．工序集中：数控机床一般带有可以自动换刀的刀架、刀库，换刀过程由程序控制自动进行，因此，工序比较集中。工序集中带来巨大的经济效益：1．减少机床占地面积，节约厂房。2．减少或没有中间环节（如半成品的中间检测、暂存搬运等），既省时间又省人力。2．加工自动化：数控机床加工时，不需人工控制刀具，自动化程度高。带来的好处很明显。a)对操作工人的要求降低：一个普通机床的高级工，不是短时间内可以培养的，而一个不需编程的数控加工操作工人培养时间极短（如数控车工需要一周即可，还会编写简单的加工程序）。并且，数控工在数控机床上加工出的零件比普通工在传统机床上加工的零件精度要高，时间要省。b)降低了工人的劳动强度：数控工人在加工过程中，大部分时间被排斥在加工过程之外，非常省力。c)产品质量稳定：数控机床的加工自动化，免除了普通机床上工人操作时所产生的疲劳、粗心、估计等人为误差，提高了产品的一致性。d)加工效率高：数控机床的自动换刀等使加工过程紧凑，提高了劳动生产率。3．柔性化程度高：传统的通用机床，虽然柔性好，但效率低下；而传统的专机，虽然效率很高，但对零件的适应性很差，刚性大，柔性差，很难适应市场经济下的激烈竞争带来的产品频繁改型。只要改变程序，就可以在数控机床上加工新的零件，且又能自动化操作，柔性好，效率高，因此数控机床能很好适应市场竞争。4.加工能力强：数控机床能精确加工各种轮廓，而有些轮廓在普通机床上无法加工。数控机床特别适合以下场合：a)不许报废的零件。b)新产品研制。c)急需件的加工。1.3.3数控加工的设备数控加工所使用的主要设备---数控机床是信息技术与机械制造技术相结合的产物，代表了现代基础机械的技术水平与发展趋势。数控机床具有以下明显特点：1）适合于复杂异形零件的加工。2）实现计算机控制，排除人为误差。3）通过计算机软件可以实现精度补偿和优化控制。4）加工中心、车削中心、磨削中心、电加工中心等带有刀具库并具有换刀功能，从而减少了人工装夹的次数，提高了加工精度。5）数控机床使机械加工设备增加了柔性化的特点。柔性加工不仅适合于多品种、中小批量生产也适合于大批量生产，且能交替完成两种或更多种不同零件的加工，增加了自动变换工件的功能，可实现夜间无人看管的操作。由几台数控机床（加工中心）组成的柔性制造系统（FMS）具有更高柔性的自动化制造系统，包括加工、装配和检验等环节。数控机床可划分为三个层次：1）高档型数控机床：是指可以进行复杂形状的加工，具有多轴控制或工序集中、自动化程度高、高度柔性的数控机床。2）普及型数控机床：具有人机对话功能，应用较广，价格适中，通常称之为全功能数控机床。3）经济型数控机床：结构简单，精度中等，但价格便宜，仅能满足一般精度要求的加工，能加工形状较简单的直线、斜线、圆弧及带螺纹类的零件。选用数控机床需遵循的原则是：1）实用性：是指明确数控机床来解决生产中的哪一个或哪几个问题。2）经济性：是指所选用的数控机床在满足加工要求的条件下，所支付的代价是最经济的或者是较为合理的。3）可操作性：用户选用的数控机床要与本企业的操作和维修水平相适应。4）稳定可靠性：是指机床本身的质量，选择名牌产品能保证数控机床工作时的稳定和可靠。PLC（可编程逻辑控制器）发展的现状及发展的趋势PLC发展到现在共经历了四代。现在的PLC采用16位以上的微处理器作为CPU外，内存容量更大，还可以将堕胎PLC连接起来，实现资源共享;还可以直接用于一些规模较大的复杂控制系统；变成语言除了可使用传统的梯形图、流程图等还可以使用高级语言；外设多样化，可以配置CRT和打印机等。目前国内外用于这方面控制系统的PLC主要是由几大主要生产商提供的。即：Siemens(GER),GE(U.S),Rockwell(U.S),Mitsubishi(Jap),Omron(Jap)这几家主要的PLC供应商占据了PLC市场的75%~80%。现在的主要的PLC的厂商都集中在日本和美国等发达国家，国内生产和制造PLC的工艺技术都还落后于这些国家。其发展的趋势是：1、人机界面更加友好PLC制造商纷纷通过收购或联合软件企业、或发展软件产业，大大提高了其软件水平，多数PLC品牌拥有与之相应的开发平台和组态软件，软件和硬件的结合，提高了系统的性能，同时，为用户的开发和维护降低了成本，使更易形成人机友好的控制系统，目前，PLC＋网络＋IPC＋CRT的模式被广泛应用。2、网络通讯能力大大加强PLC厂家在原来CPU模板上提供物理层RS232/422/485接口的基础上，逐渐增加了各种通讯接口，而且提供完整的通讯网络。由于近来数据通讯技术发展很快，用户对开放性要求很强烈，现场总线技术及以太网技术也同步发展。3、开放性和互操作性大大发展PLC在发展过程中，各PLC制造商为了垄断和扩大各自市场，处于群雄割据的局面，各自发展自己的标准，兼容性很差，这给用户使用带来不便，并增加了维护成本。开放是发展的趋势，这已被各厂商所认识。4、PLC的功能进一步增强，应用范围越来越广泛PLC的网络能力、模拟量处理能力、运算速度、内存、复杂运算能力均大大增强，不再局限于逻辑控制的应用，而越来越应用于过程控制方面，有人统计，除石化过程等个别领域，PLC均有成功能应用，PLC在相当多的应用取代了昂贵的DCS，从而使原来PLC（顺序控制）＋DCS（过程控制）的模式变成PLC＋IPC模式。5、工业以太网的发展对PLC有重要影响以太网应用非常广泛，与工业网络相比，其成本非常低，为此，人们致力于将以太网引进控制领域。目前的挑战在于1）硬件上如合适应工业恶劣环境；2）通讯机制如何提高其可靠。以太网能否顺利进入工控领域，还存在争论。但以太网在工控系统的应用却日益增多，适应这一过程，各PLC厂商纷纷推出适应以太网的产品或中间产品。从PLC的发展趋势来看，PLC控制技术将成为今后工业自动化的主要手段。在未来的工业生产中，PLC技术、机器人技术、核CAD/CAM技术将成为实现工业生产自动化的三大支柱。1.4国内外动态1.4.1国内研究的状况近十几年来，我国各级政府在工业控制计算机及其系统，可编程序逻辑控制器（PLC）、数控系统、工业机器人等技术和产业都曾列入重点发展规划，各项都有上千万元的投资，但真正能形成规模性产品生产的产业却寥寥无几，在国内市场的占有率不足10％。跟踪研究国外先进技术的发展、加大市场调研力度是高新技术产业开发中的一个严肃的课题，不能不引起各层次决策者重视和积极支持。外资企业进入我国市场时，在市场调研方面的资金投入是惊人的重视。相比之下，我国各级政府、各企事业特别是国营企业在跟踪研究和市场调研方面的投入却重视得不够。同时机电一体化技术涉及的领域广泛，不可能全面发展。就可编程序逻辑控制器（PLC）而论，80年代末90年代初我国有三十多家企事业单位小批量生产中低档产品系列。面对年需求量十几万台整机产品的庞大市场需求，大多数国内的企事业单位都未能越过国外大型企业的竞争壁垒，没有一家企业能达到规模性产业，纷纷退出竞争，国外企业几乎独霸了市场。数控机床是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业。在整个机床行业不景气的时期，数控机床的发展一枝独秀，最近几年，我国数控机床无论在产量、品种还是在高档机床的生产方面发展很快。自1999年以来，机床行业出现了止滑回升的好势头，尤其是随着数控机床产品的开发，质量和品质可靠性的提高所取得的显著成效，增长较快。2003年数控机床出口额同比增长了15.87%。数控机床已经成为了当代机械行业的主流装备。如国内的北京第一机床厂就与大连理工大学等高校合作生产出XK4860五坐标数控螺旋桨铣床等国内领先的数控机床。但随着我国经济的快速发展，数控机床生产远满足不了市场需求，国产数控机床仅占我国总消费额的50%左右。台湾、日本成为我国大陆数控机床进口的主要来源地。1.4.2国外研究的状况目前国际先进制造业不断改善自动控制系统、提高传统制造业的技术水平和市场竞争力；机电一体化产业结构不断调整，各行业不断融合，数控技术趋于模块化、网络化、多媒体和智能化。现场总线是当前自动化控制与仪器仪表领域技术发展的第一热点。电力电子技术成为改造传统产业的基础，它拓宽了微电子技术的应用领域，为机电一体化、新能源技术、核技术、航天技术、超导应用、激光装置、生物工程、新材料技术提供了高性能、高精度、高效率和高质量小型的电控设备和电源设备，成为发展高新技术的基础。工业发