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旋压机是什么-主轴装置设计
2018-10-23 21:51
随着科学的发展,机床已经从过去的手动机床发展成自动机床,现在数控机床应用非常广泛。数控立式车床是主要的数控产品,国内外需求量也非常大。其高精度的关键部分就体现在主轴的控制上。本设计是用德国SIEMENS公司的可编程控制器(PLC)S7-200,作为主控制器;德国SIEMENS公司的6RA7075直流调速器、 Z4直流电机组成的直流调速装置,采用直流调速实现高效、准确的机床主轴控制,并给出了电气原理图 以及操作说明。本设计控制简单,实现功能强大,调速范围宽,力矩大,过载能力强。可以应用于重型立式车床,提高重型旋压机主轴的控制精度,进而保证其加工精度。

关键词: 数控旋压机;直流调速装置;可编程控制器

Abstract

With the development of science, machine tools, manual machine tools have been developed from the past into the automatic machine tools, CNC machine tools are now widely used. CNC vertical lathe CNC products are the major domestic and foreign demand is also very large. A key part of its precision is reflected in the control of the spindle.This design is the German company SIEMENS PLC  S7-200, as the main controller; German company SIEMENS 6RA7075 DC converter, Z4 DC motor comprising DC converter, DC speed control for efficient and accurate machine tools of various spindle control, and gives the electrical diagrams and instructions. The design of simple control, to achieve powerful, wide speed range, torque, strong overload capacity. Can be applied to heavy-duty vertical lathes, heavy duty vertical lathe spindle to improve the control precision, and thus guarantee its accuracy.

Keywords: CNC Vertical Lathe; DC converter; Programmable Controller

绪论

1 课题背景

主轴控制是数控旋压机构成中一个重要的部分,对于提高加工效率,扩大加工材料范围,提升加工质量有着重要的作用。机床主轴控制从手动控制发展到自动控制,从简单的控制设备发展到复杂的控制系统,从有触点的继电-接触器控制系统发展到以计算机为核心的软件控制系统,机床主轴控制技术是随着元器件的不断更新和计算机技术的发展,并且综合应用了计算机、自动控制、电子技术、精密测量等先进科技成果而迅速发展起来的。
2数控旋压机主轴控制装置的发展现状

随着计算机技术的高速发展,传统的制造业开始了本质性的变革,所有工业发达国家都投入巨资,对现代制造技术进行研究、开发,并提出了新的制造模式。在现代制造系统中,关键技术是数控技术,它将计算机、微电子、自动检测、信息处理、自动控制等高新技术集成于一体,具有高效率、高精度、柔性自动化等特点。对制造业实现柔性自动化、智能化、集成化起着举足轻重的作用。目前,数控技术正在发生重大性变革,由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上,数控系统实现了超小型化、超薄型;在智能化基础上,综合了计算机、多媒体、神经网络、:?刂频榷嘌Э萍际,数控系统实现了高精、高效、高速控制,加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数,实现了在线诊断和智能化故障处理。

由于直流调速具有优越性的可控性能,及高性能调速特性,因此其广泛地应用于机床主轴,尤其在大型、重型机床主轴的拖动。直流调速具有调速平滑,方便,易于在大范围内平滑调速,过载能力大,能受频繁的冲击负载,可实现频繁无级快速起制动和反转。能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求。所以,直流调速系统至今仍被广泛用于自动控制要求较高的各种生产部门,是调速系统的主要形式。
3 课题研究的主要内容

本课题要求设计数控旋压机主轴控制装置,来实现主轴速度的精确控制。主轴控制设有手动和自动(程序实现)两种控制方式。手动操作设有主轴正反转的启动、停止、点动、长动。并设有急停按钮。主轴的转速控制,采用直流调速装置与PLC相配合。在600—3000r/min范围内连续可调。绘出了控制电源原理图,调速装置连接原理图,可编程控制器接口原理图,操作面板接线图等。

第二章 数控旋压机主轴控制装置硬件设计

数控旋压机的主轴控制中,主要是主轴电机速度的控制方式,由于直流调速具有优越性的可控性能,及高性能调速特性,因此其广泛地应用于机床主轴作为本次设计的调速方案。
2.1直流调速

随着计算机技术快速发展,数字控制系统在逐渐地取代过去的模拟控制系统。带有微型计算机的全数字直流调速装置中,在不改变硬件,或者改动很少的情况下,依靠软件支持,就可以方便地实现各种调节和控制功能,所以,通用全数字直流调速装置的应用灵活性和可靠性就明显优于模拟控制系统。目前,以德国SIEMENS公司的6RA70系列通用全数字直流调速装置在中国的应用最为广泛。直流电机的调速不需要其它设备的配合,可通过改变输入的电压/电流,或者励磁电压/电流来调速。

直流调速装置采用德国SIEMENS的6RA70直流调速装置来控制直流电机调速,而调速方式又分为改变电枢端电压调速和改变磁通调速。直流电动机采用他励励磁方式。

他励直流电动机电路原理图如图2-2所示,图中电枢回路串接附加电阻,电枢内阻Ra,此时电枢回路总电阻.

式中U为电源电压,单位V;R是电枢回路总电阻,单位。

由电压平衡方程式和感应电动势公式,就可以得到直流电动机的转速特性

有电磁转矩方程式带入转速特性方程,即得到机械特性方程式

由电压平衡方程式(2-1)可知

             ()=(U-)-

式中Ua= U-为电枢的端电压。当=0或=0时,Ua=U

由式(2-3)和电动势公式,可得转速公式

根据转速公式(2-4),改变电枢端电压调速是保持磁通不变,改变电动机的电枢电压U,则理想空载转速n随电枢电压而变化,而机械特性斜率保持不变;改变磁通调速就是保持电枢电压U不变,减弱磁通则理想空载转速n随着磁通的减弱而增加,同时机械特性的斜率也增加。                                                    
2.2 可编程序控制器接口设计
1 可编程控制器的选择

现在的数控机床是用数控系统(是一个集成所有数控系统元件—数字控制器、可编程控制器、人机操作界面,于一体的操作面板安装形式的控制系统)来控制整个机床的运行的。数控系统中使用较普遍的有德国的SIEMENS,日本的FANUC,还有中国的华中科技。其中德国SIEMENS的数控系统性价比较高,并且其数控核心的可编程控制器应用也很普遍。数控系统SIEMENS 802D是其早期研制出的数控系统,应用于各种型号机床,操作简单,功能容易实现。SIEMENS 802D内部可编程控制器为SIEMENS生产的S7-200,由于本设计只是数控旋压机电气总设计的一部分所以不选用数控系统,而只选用其内部可编程控制器—S7-200。

S7-200 PLC属于S7-200/300/400家族中功能最精简、I/O点数最少、扩展性能最低的PLC产品,可以称为微型PLC系列产品。产品可以用于输入/输出点数较少的小型机械与设备的单机控制。而本设计所需输入输出点数并不是很多,不需要扩展,所以选用S7-200.能够满足本设计。新系列S7-200的性能有如下提高:

1 CPU的运算速度提高了40%;

2 增加了CPU诊断状态指示;

3 增加了存储器卡扩展功能;

4 增加了在线编程功能;

5 脉冲输出指令增加了线性(斜坡)给定功能;

6 提高了PID调节、参数自动整定功能;

7 增加了数据记录功能,可以实时记录PLC的运行状态信息(此功能需要存储卡的支持);

S7-200.PLC包括了CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226五种规格,其中CPU221为整体式固定I/O型结构,PLC的I/O点数固定为6/4点,处理器、存储器、电源、输入输出接口、通信接口都安在模块上,I/O点数不能改变,且无I/O扩展模块接口。其余四种型号均可加扩展结构。

表1. S7-200PLC各种型号的电源与集成I/O规格

项目
   

AC、DC电源型

CPU221
   

CPU222
   

CPU224
   

CPU224XP
   

CPU226

CPU集成输入点
   

6
   

8
   

14
   

14
   

24

输入信号电压
   

DC24V,允许范围DC15V—30V

输入信号电流
   

4mA/DC24V

CPU集成输出点
   

4
   

6
   

10
   

10
   

16

输出类型
   

继电器输出

输出电压
   

AC:5—250V;DC:5—30V

最大输出电流
   

2A/点 ;公共端10A

用户程序存储器容量
   

4KB
   

4KB
   

8KB
   

12KB
   

16KB

数据存储器容量
   

2KB
   

2KB
   

8KB
   

10KB
   

10KB

本设计所需输入点8个,输出点8个,所编程序不是很多,8KB足够,所以根据表格里的数据选择CPU224.输入电源采用DC24V,输出电源采用AC220V。
2 可编程控制器接口电路的设计及其功能

PLC S7-200 CPU224是14入、10出。本设计输入用9个,输出用9个。输入用按钮开关作为控制信号的给定;输出用继电器作为控制使能,继电器是一种电子控制器件,它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路),通常应用于自动控制电路中,它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。当PLC输出口闭合时,继电器线圈两端加上一定的电压或电流,线圈产生的磁通通过铁心、衔铁、轭铁、磁路工作气隙组成的磁路,在磁场的作用下,衔铁吸向铁心极面,从而推动触点常闭触点断开,常开触点闭合;当PLC输出口断开时,刚好相反动作,用这种方式控制另一个电路的关闭。

PLC输入电源用的是DC24V,而一般工业用电为三相交流电AC380V,所以用SIEMENS的SITOP电源整流变压后供应。其输出电压24V ,电流280mA。SITOP的供电电源为三相380V交流电,输出端24为输出,另一端接到直流地01上,PE则接到地线上。

 

图2-3 SIEMENS的SITOP电源接线图

24V电源作为PLC的输入电源,与PLC输入端L+相连接。PLC输出端口供电电源为AC220V,也也才用了隔离。

按钮SB1为起动按钮,通过直流调速装置电枢电压和励磁电压给电,来控制直流电机的启动;按钮SB2,为停止按钮,控制主轴停止运行;按钮SB3、4作为主轴正反转按钮,通过改变励磁电流的方向,控制直流电机的正转反转;按钮SB 5是点动运行,点动时按照固定速度运行,此速度不可改变;按钮SB6为手、自动切换开关,将旋钮旋道自动操作,运行动作、速度由程序给定,将旋钮旋到手动操作,可以进行主轴正反转、点动、调速等等;按钮SB 7、8为升速、降速按钮,当处于自动时,可以根据需要调节主轴速度,按下升速按钮,主轴速度上升,按下降速按钮,主轴速度下降。

 

图2-4 PLC S7-200 接口图

 

 

 

 

 

 

 

 

第三章数控旋压机主轴控制软件设计

软件是一个系统的灵魂,整个系统的功能是由硬件电路配合软件来实现的,当硬件基本定型后,软件的功能也就基本定下来。本次软件设计本着简便、可靠的原则设计的

程序流程图


2 程序

LD I0.0 //启动

AI I0.1

=  Q0.1

TON T37, 30  //延时三秒

LD T37 

= Q0.0    

LD I0.5 //手动

A Q0.1

A Q0.0

= Q1.0

LD I0.6 //自动

A Q0.1

A Q0.0

= Q0.7

LD I0.7 //升速

 A Q0.7

 = Q0.4

LD I1.0 //降速

 A Q0.7

 = Q0.5

LD I0.2 //正转

A Q0.1

A Q0.0

= Q0.2

LD I0.3 //反转

 A Q0.1

 A Q0.0

= Q0.3

LD I0.4 //点动

A Q0.1

= Q0.6

第四章主轴操作说明

 
1 主轴启动前准备工作

首先,先合上控制电柜上的主空气开关QF100,接通主电源,控制柜上白色指示灯HL01亮,红色指示灯HL02熄灭,动力电源1L1、1L2、1L3得电,电源准备完毕;将分电源开关QF103合上,控制变压器TVC1、TVC2、TC01、TC02得电。

将开关QF105、QF107闭合, PLC得电,PLC开始工作;将开关QF106闭合,给急停上电,启动/停止指示灯上电;在合上主空开之前,电柜照明开关QF101、分励扣脱器开关QF103、QF104已经上电。将电柜空调开关QF01合上,因为电柜内部是变压器、直流调速装置、继电器、空开等,会产生很大的温度,温度上升容易导致器件的损坏,以及使开关导通、关闭不灵敏,所以加空调散热。如果工作的时候有昏暗情况,可以合上开关QF108,将机床照明灯打开。

此时直流调速装置所在分路端有电,但是直流调速装置电枢电源端没电,电子版电源端没电,励磁电源进线端有电,因为一般的情况下直流机都是先给励磁,后给电枢电压,采用控制电枢电压的大小来控制速度。所以只需加上起保护作用的熔断器和抑制浪涌的电抗器。

将QF92合上后,接触器KM90闭合,作为电枢电源开关的接触器KM闭合,使其通电。合上开关QF91电子版电源接通。此时主轴工作前的准备工作完成。

 
2 主轴操作说明

将Q105闭合后,PLC上电,控制面板就可以工作了。按下面板上的启动按钮(SB1),此时按钮变亮,调速装置内部励磁给电。

主轴控制设有手动(MDI)和自动(OUTO)两种工作方式,即通过控制面板上的转换开关SA1进行选择。当转换开关SA1打到手动挡(OUTO)上时,按下启动按钮(SB1),主轴按照已经编好的程序中给定速度运行(速度运行到给定速度需要一段时间,此时间在参数中已设置且可以改变)。按下升速按钮(SB7)时,主轴速度开始上升,速度上升的多少与按下时间有关,按下降速按钮(SB8)时,主轴速度开始下降,速度下降的多少与按下时间有关。按下停止按钮(SB2)主轴停止运转,工作台自由停车。

将手/自动挡摆到手动挡(MDI),按下启动按钮(SB1),按下正转按钮(SB1),此时正转按初始设定速度运转,可以用RP1调节其速度,反转也一样;主轴启动后,按下点动按钮(SB5),PLC会发出信号到直流调速系统,主轴电机会按照直流调速装置里设定的速度转动,转动时间为按下按钮的时间,速度当前不可调(其速度可以在控制面板PUM或OP1S里改动),并且点动只能在手动下进行,当松开按钮,工作台自由停车。

如果在操作时发生什么故障,并且停止键不起作用,按下急停旋钮。当故障解除后,将急停按钮旋回。

操作注意事项:

1, 当主轴运行时,不论处于什么状态,不要按下不相关的按钮,会导致事故或其他意外情况。

2, 调直流调速装置的参数时,主轴必须处于停止状态,QF92处于关闭状态。

3 元器件目录

 

名称                  单元型号                件数            图上代号

可编程控制器           S7-200 CPU224                1

小型交流               MP-3P-6H523                  1               M01

直流控制装置              6RA7075                   1

整流电源                SITOP                       1               TVC1

整流电源                SITOP                       1               TVC2

直流电动机         Z4-250-21-75KW                   1               M90

 600-2000r/min;400V;50Hz                          BR90

励磁电压310V 带测速机;

风机3KW;

       按钮                  LAY3-11 绿色 带白灯           1               SB1

按钮                  LAY3-11 红  色                1               SB2

按钮                  LAY3-11 乳白色                1               SB3

按钮                  LAY3-11 乳白色                1               SB4

按钮                  LAY3-11 乳白色                1               SB5

按钮                  LAY3-11 乳白色                1               SB6

按钮                  LAY3-11 乳白色                1               SB7

按钮                  LAY3-11 乳白色                1               SB8

急停按钮              XB2BS8445C;                   1               SB0-1

                      红色;转动复位         

电位器                1.5KΩ                        1               RP1

分离脱扣器            DW45                          1               M1

直流电机              MP-3P-6H523                   1               M-01

数显表                DB3-DV-1                      1               D1

                             

结论

 

本设计完成数控旋压机主轴控制装置大部分设计要求:完成了控制电源原理图的设计;完成了可编程控制器接口电路的设计;完成了直流调速装置连接原理图的设计;完成了操作面板接线图的设计。

本设计实现的主轴控制功能,操作简单,功能强大。可以实现手、自动转换,在自动方式工作时实现升速、降速调节;在手动时实现主轴正、反转,点动,升、降速,急停等功能。这些功能的实现都是通过直流调速装置6RA7075来完成,不需要接触器等辅助器件,不仅减少了复杂的连线,复杂的操作,也不会像交流调速产生逆变磁场对外围发出干扰。

但是本设计中还是有一些不足的地方,比如自动运行的自动运行程序,没有编出来;升速、降速时速度的调节的精度没有并不是很高。这些问题都需要在今后的工作中加以改进,使系统更完善。

                          参考文献

[1] 张海舟.数控技术发展趋势浅谈[J].科技信息(科学与教研),2007,25(8):63-64.

[2] 孟建文.三电机同轴直流传动负荷平衡控制原理及优化[J].冶金自动化,2009,5(43):22-24.

[3] 白芹.现代交直流调速系统的发展与展望[J].科学时代(上半月),2010,11(2):31-32.

[4] 崔丽敬.连续式冷轧卷取张力控制系统的研究[D].天津:河北工业大学学位论文,2008:11-13.

[5] 苏文涛.基于:?≡衿魉穆肿?蚨嗄J娇刂品椒ㄑ芯縖D].重庆:重庆交通大学学位论文,2009:45-48.

[6] 苏旭辉.6RA70全数字直流调速装置在机械压力机上的设计与应用[J].锻压装备与制造技术,2009,23(5):25-29.

[7] 龚仲华.S7-200/300/400PLC应用技术—通用篇[M].北京:人民邮电出版社,2007:58-59.

[8] P soucek.Servo mechanisms or machaine tools[J].CVUT.2009,22(5):578-581.

[9] 李德苍. 6RA70 SIMOREG DC MASTER 系列整流器正常运行和维护的探讨[J].青海冶金,2006,18(6):22-25.

[10] G,W,Younkin.Industrial sevro control systrems[J].Fundamsetalsand Application.2006,5(12):211-213.

[11] 殷思龙.浅谈西门子6RA70系列直流调速装置及应用[J].南方金属,2009,7(13):62-63.

[12] 王烨.型钢连轧厂直流调速控制分析[J].吉林冶金,2010,12(3):33-34.

 
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