K700型票據(jù)自動沖孔機設計-針模及控制部分設計

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黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 I 頁K700 型票據(jù)自動沖孔機設計----針模及控制部分摘 要本次設計的任務是票據(jù)自動沖孔機的針模及控制部分。針模是機床的重要的加工部分，它的質(zhì)量的好壞影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。在設計時首先對模具的結(jié)構(gòu)類型進行了對比，其次，根據(jù)設計的要求確定設計方案并選擇單工序沖裁模，再次，對沖裁模的各個零件進行了設計計算和選擇，最終完成了滿足要求的針模?？刂撇糠质菍崿F(xiàn)機床自動化控制的重要保證，所以要選擇安全可靠的生產(chǎn)率高的PLC 系統(tǒng)。根據(jù)機床的輸入輸出要求和機床的工作環(huán)境選擇了西門子公司的 S7-200 系列 CPU 為 226 型的可編程控制器，此可編程控制器提供了 40 個 I/O 點，其中 24 個輸入 16 個輸出完全滿足了機床的控制要求。最后對機床的操作以及安全須知進行了敘述，以便工作人員學習操作和簡單的故障排查。關(guān)鍵詞:單工序沖裁模，可編程控制器，西門子黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 II 頁K700 stamp automatic punching machine design----Needle mold and control sectionAuthor : Chen LeiTutor :Xue DongbinAbstractThe task is to design stamp automatic puncher of needle mold and control section.Needle-mold is an important part of the machinery processing ,and its quality impacts on the quality of the products. First of all, the structure of mold types were compared,Secondly, By the designning requirements to decide the designning process and choose a single Die,Third, the Die various parts of a calculated design and selection ,Finally to complete the module meet the requirements of the needle-mold.Control section of the machine is an important guarantee to achieve automatic control, to choose high productivity of the PLC system which is safe and reliable .According to the input and output requirements of the machine and its work environment to select the SIEMENS S7-200-226 series CPU to the PLC.This programmable logic controller provides 40 I / O points, including 24 imported 16 output which are fully meet the requirements of the control of the machine.Finally, there was a insruction on operation and safety of the machine, so that staffs can learn how to operate and simplly investigate the failure.Keywords: Single processes die,PLC,SIEMENS黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 III 頁目 錄1 緒論 .11.1 機床介紹 11.2 任務書 31.3 方案論證及對比 32 針模的設計 .52.1 沖壓技術(shù)要求: 52 .2 零件的工藝性分析. 62.2.1 零件的工藝性分析 62.2.2 沖裁件的精度與粗糙度 62.2.3 沖裁件的材料 62.2.4 確定工藝方案. .62.3 沖壓模具總體結(jié)構(gòu)設計 62.3.1 模具類型 62.3.2 操作與定位方式 72.3.3 卸料與出件方式 72.3.4 模架類型及精度 72.4 沖壓模具工藝與設計計算 72.4.1 排樣設計與計算 72.4.2 設計沖壓力與壓力中心 82.5 模具的設計 92.5.1 沖裁模具的裝配圖 92.5.2 沖壓模具的零件設計 103 電氣控制部分設計 .143.1 PLC 機型的選擇 .143.2 PLC 的硬件電路設計 .16黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 IV 頁3.2.1 中央處理器 CPU.163.2.2 存儲器 173.2.3 電源 173.2.4 通信接口 173.2.5 輸入接口 173.2.6 輸出接口 183.3 PLC 軟件任務合理分配 .213.4 系統(tǒng)綜合性能的提高 213.5 PLC 軟件設計 .224 機床操作附加說明 .234.1 開機及手工操作 234.2 自動工作方式 234.3 模具安裝 234.4 機床的潤滑 234.5 一般故障處理 244.6 技術(shù)安全須知 25結(jié) 論 .26致 謝 .27參考文獻 .28附錄 .29黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 1 頁1 緒論1.1 機床介紹PLC 控制票據(jù)打孔機是一種先進的打孔設備，它采用計算機程序控制，由交流伺服電機通過同步帶拖動滾珠絲杠螺母副驅(qū)動夾緊鉗實現(xiàn)進給，它的傳動精度較高，同時通過摩擦離合器的開啟與閉合來進行上下料的操作。該設備的控制系統(tǒng)及驅(qū)動系統(tǒng)分別選用德國西門子公司的近期產(chǎn)品，主電機驅(qū)動設置了變頻調(diào)速器，整機具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，剛性好，定位精度高，以及操作簡便，運行可靠，維護方便等優(yōu)點，是較理想的票據(jù)打孔設備。由于本機用于票據(jù)打孔，工作環(huán)境要求機床本身干凈、整潔，占地面積小。故該機設計時盡量簡化結(jié)構(gòu)，減少修配、調(diào)整工作量。票據(jù)生產(chǎn)時效性強，整機工作頻繁，要便于人工操作，還必須保證各個構(gòu)件的剛性和可靠性機床基本工作原理：圖1.1機床基本工作原理該 PLC 控制票據(jù)打孔機具有以下特點：主傳動部分中曲柄兩端各有一與軸中心線偏心量為 4.5 毫米的圓柱，可保證滑塊的黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 2 頁行程為 9 毫米。皮帶輪兼做飛輪，離合器與皮帶輪一起套在曲柄的一端。帶式制動器與凸輪狀信號盤固定在曲柄另端。曲柄轉(zhuǎn)動可使拉杠帶動滑塊沿導柱(共有四根)上下移動。與其它沖壓設備相比主傳動部分結(jié)構(gòu)緊湊，便于制造，體積小及可靠性好 [1]。整體的鑄鐵滑塊由四套直線導軌作為導向，使滑塊定位非常可靠。同時也避免了滑塊導向部分的鏟刮和修配。該機床身采用鋼板組合的框架焊接結(jié)構(gòu)，焊后進行了定性處理。具有剛性好，制造工藝簡單，工期短，成本低的優(yōu)點。特殊加工的組臺模具中固定排列有數(shù)百根針，由上針板，導針板，凹板(下模板)三層組成，它們由兩根導桿聯(lián)成一體。剛性好，精度高，便于安裝，一次到位后基本不需要調(diào)整。紙張的移動部分采用了大導程滾珠絲杠與滾動導軌的組合，有效地保證了齒孔的連接精度。置于曲柄端部的凸輪狀信號盤結(jié)構(gòu)簡便直觀，安裝調(diào)整方便。控制步進電機的信號通過接近開關(guān)傳遞到 PLC 主機中，靈敏度高。下圖為機床進給拖動系統(tǒng)原理圖： 圖 1-2 機 床 進 給 系 統(tǒng) 原 理 圖交流伺服電機接受程序控制器發(fā)來的脈沖，進行同步工作，然后通過同步帶及帶輪拖動滾珠絲杠螺母副驅(qū)動夾紙鉗完成進給運動 [2]。 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 3 頁1.2 任務書本次設計的任務是票據(jù)沖孔機的針模部分及控制部分。其基本的參數(shù)如下：為了方便使用者，一些票據(jù)（如郵票、小型張、紀念張等）周邊打有均勻分布的小孔，這些小孔都是在沖孔機上用針模加工出來的。K700 型票據(jù)自動沖孔機采用 PLC 控制伺服系統(tǒng)進行票據(jù)自動定位、離合器自動控制，加工票據(jù)上的小孔。設備的主要技術(shù)參數(shù)：（1）整張票據(jù)最大尺寸：700㎜(長)×620㎜（寬） ；（2）沖速：2～100 次/分，連續(xù)可調(diào)；（3）孔距：10～350㎜，自由設置；（4）孔距精度：0.04㎜；（5）主電動機功率：2.2kw；本課題要求：1、設計 K700 型票據(jù)自動沖孔機的針模部分，包括上下模架、凸凹模、凸模固定板等。2、設計沖孔機的控制部分，包括原理設計和程序設計。1.3 方案論證及對比本次設計的任務是針模部分和整個專機的控制部分。針模部分的設計方案有三種：簡單沖壓模 在沖壓的一次行程中僅完成一個沖壓工序的模具;連續(xù)沖壓模 在沖壓的一次行程中在不同的工位上同時完兩道工序或兩道以上沖壓工序的模具；復合沖壓模 在沖壓的一次行程中在同一工位上完成兩道或兩道以上沖壓工序的模具 [3]。本次設計的機械部分針模只是在票據(jù)周邊打孔工序簡單，而且精度要求不高，所以根據(jù)要求選擇簡單沖壓模?？刂撇糠值脑O計方案有兩種：選用 PLC 控制 PLC 是以微處理器為主的一種工業(yè)控制裝置，PLC 系統(tǒng)能很好地完成工業(yè)實時順序控制 、條件控制、計數(shù)控制、步進控制等功能；能夠完成模／數(shù)(A／D)、數(shù)／模 (D／A) 轉(zhuǎn)換 、數(shù)據(jù)處理、通訊聯(lián)網(wǎng)、實時監(jiān)控等功能?？煽啃愿?、黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 4 頁運行速度快；功能強大、組合控制靈活；兼容性良好；程序編制及生成簡單、豐富，操作維護簡單。選用單片機控制 單片機具有性能高、速度快、體積小、價格低、穩(wěn)定可靠、應用廣泛、通用性強等突出優(yōu)點。根據(jù)設計要求，機床工作在的環(huán)境選擇 PLC 控制，因為 PLC 更加的穩(wěn)定可靠方便技術(shù)人員應用。黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 5 頁2 針模的設計沖模是冷沖壓加工方法中的基礎工序，應用極為廣泛，它即可以直接沖壓出所需的成型零件，又可以為其它冷沖壓工序制備毛坯 [3]。普通沖裁是常見的沖裁工藝，材料在分離時由于受到?jīng)_裁力的作用，在凸.凹模刃口之間的材料，被撕裂最終實現(xiàn)分離。因此，普通沖裁工件斷面較粗糙，而且有一定的錐度，其精度較低。精密沖裁是采用特殊結(jié)構(gòu)的沖模，使凸凹模刃口處的材料受三向壓應力的作用，形成很大的靜水壓效應，抑制材料的斷裂，以塑性剪切變形狀態(tài)使材料分離。精密沖裁的斷面光潔且與板面垂直，精度較高 [4]。本次設計的針模部分精度要求不高，而且是在一沖程過程中完成沖壓工序，所以選擇普通沖裁的簡單沖壓模。設計要求:設計該零件的沖裁模 沖裁件是票據(jù)紙張規(guī)格是 50×30mm2.1 沖壓技術(shù)要求:(1) 材料:票據(jù)紙張(2) 材料厚度:0.1mm(3) 生產(chǎn)批量:中批量黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 6 頁(4) 未注公差:按 IT14 級確定.2 .2 零件的工藝性分析.2.2.1 零件的工藝性分析 該零件材料為紙，結(jié)構(gòu)簡單,形狀對稱,在紙張周邊打孔，孔徑為 1mm,孔間距為1mm，沖裁件孔與孔之間:孔與邊緣之間的距離受模具的強度和沖裁件質(zhì)量的制約,其值不應過小,一般要 b1≥(1～ 1.5)t,b2(1.5～2)t 硬質(zhì)紙的最小孔徑 d0.5t 所以根據(jù)已知的裝配圖得出該零件的零件的工藝性滿足要求。2.2.2 沖裁件的精度與粗糙度沖裁件的經(jīng)濟公差等級不高于 IT14 級,一般落料公差等級最好低于 IT10 級,沖孔件公差等級最好低于 IT9 級,所以孔中心與孔邊緣尺寸公差是±0.5，孔中心距公差 ±0.10 而沖件孔中心距最高精度公差為± 0.03,因此可用于一般精度的沖裁 ,普通沖裁可以達到要求.由于沖裁件沒有斷面粗糙度的要求,我們不必考慮.2.2.3 沖裁件的材料沖裁件材料為幅面 700×620 的票據(jù)紙張，此材料較薄且強度不高，可以進行沖裁加工。2.2.4 確定工藝方案.該沖裁件只有沖孔一個基本工序,可采用的沖裁方案有單工序沖裁,復合沖裁和級進沖裁三種.零件屬于中批量生產(chǎn),且制件形狀多變，精度要求也不高，復合沖裁模，通用性差，適合中批大量生產(chǎn)，級進模沖裁適合中小零件大批生產(chǎn)，所以選擇價格低廉的單工序模沖裁，通過合理設計可以達到較好的零件質(zhì)量和避免模具強度不夠的問題,根據(jù)以上分析,該零件采用單工序模沖裁工藝方案.2.3 沖壓模具總體結(jié)構(gòu)設計2.3.1 模具類型根據(jù)零件的沖裁工藝方案,采用單工序沖裁模.黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 7 頁2.3.2 操作與定位方式零件中批量生產(chǎn),機床是自動化程度較高的設備，所以采用自動送料方式達到批量生產(chǎn),且能降低模具成本,保證孔的精度及較好的定位。2.3.3 卸料與出件方式考慮沖裁件幅面較大，防止沖裁頻率較高，使紙張卡在針模上，采用卸料板卸料方式，為了便于操作，提高生產(chǎn)率，沖件和廢料采用凸模直接從凹模洞口推下的下出件方式。2.3.4 模架類型及精度由于尺寸較大，沖裁間隙較小，因此采用導向平穩(wěn)的中間導柱模架，考慮零件精度要求不是很高，沖裁間隙較小，因此采用Ⅰ級模架精度。2.4 沖壓模具工藝與設計計算2.4.1 排樣設計與計算該沖裁件材料厚度較薄，尺寸大，因此可采用豎排比較合理,如圖所示。零件圖在 CAD 用計算機算得零件的面積為 26400mm一個進距內(nèi)的坯料面積:BXS=620X50=31000mm ,因此材料利用率為:η=(A/BS)X100%=(26400/31000)X100%=85%由利用率可知,圖示的排樣合理。黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 8 頁2.4.2 設計沖壓力與壓力中心(1)沖裁力 根據(jù)零件圖計算出沖一次零件內(nèi)外周邊之和 L=1274.84mm(首次沖裁除外),但因為是紙張沖裁而且紙張厚度較小，所以 τ 較小,沖裁力、卸料力較小，一般的機械力即可滿足。(2)計算凸凹模刃口尺寸及公差沖裁間隙值確定:沖孔時間隙取在凹模兩側(cè)，合理的單邊間隙為板料的 5%～10%，沖制孔件時選擇凸模刃口尺寸等于所要求的孔的尺寸，而凹模尺寸則是孔的尺寸加上兩倍的間隙值 [9]。凸模刃口尺寸確定：沖制沖孔件時，先按沖孔件確定凸模刃口尺寸，取凸模 作為基準件，考慮到?jīng)_孔件會隨凸模的磨損而減小，其對應去接近或等于孔的最大極限尺寸，以保證凸模磨損在一定范圍內(nèi)仍可使用。根據(jù)最小合理的間隙確定凹模尺寸，即將間隙取在凹模上，用擴大凹模刃口尺寸配制凹模。dp=(d+ X△)﹣Tpdd=(d+ X△+Zmin)﹢TdTp+Td≤2(Zmax-Zmin)dp------凸模公稱尺寸dd------凹模公稱尺寸Tp------凸模公差黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 9 頁Td------凹模公差X△------磨損預留量，當沖裁件精度在 IT11～IT13 時，X=0.75Zmin------凸凹模最小雙面間隙。Zmin=10%×0.01=0.001dp=(1+0.75×0.1)=1.075 dd=(1.075+0.001)=1.0762.5 模具的設計2.5.1 沖裁模具的裝配圖如圖 2.5.1 所示：1-螺釘；2-定位銷； 3-凹模；4-凹模固定板；5- 下模座；6-導柱；7-導套；8-上模座；9- 卸料板；10-卸料螺釘； 11-橡膠；12-凸模固定板；13- 針模；14-墊板；15-定位銷；16- 螺釘.圖 2.5.1 單 工 序 模 總 裝 圖黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 10 頁2.5.2 沖壓模具的零件設計(1)凹模設計凹模的刃口形式：圓柱形型孔凹模、臺階過渡凹模、可調(diào)間隙凹模、錐形孔凹模 [5]。其中圓柱形型孔凹模刃口強度高，制造容易刃磨后型孔尺寸不變對沖裁間隙沒有明顯影響，但型孔內(nèi)容易積存工件廢料因而推力和摩擦力增大，致使每次刃磨量大，降低了凹模的壽命，這種凹模適用于沖裁形狀復雜、精度要求較高的工件；臺階過渡形凹模，刃壁與卸料孔用臺階過渡，不易積存沖件和廢料，孔口磨損量少，但此凹模工作部分強度較差，適用于形狀簡單的薄板件；可調(diào)間隙凹模，這種凹模適用于沖裁板厚小于 0.5mm 的軟金屬或非金屬，但是不適合一次沖裁多孔的沖件；錐形型孔凹模刃口銳利，孔內(nèi)不易積存沖件或廢料，孔口磨損脹裂力及每次修磨量均小，使用壽命相對較長，但刃口強度較低，易隨修磨量而略有增大，適用于形狀簡單精度要求不高的較薄的板材的工件。根據(jù)上述分析對比綜合考慮選擇錐形型孔凹模。凹模采用矩形板狀結(jié)構(gòu)和直接通過螺釘,銷針與下模座固定的固定方式。凹模輪廓尺寸計算如下:凹模輪廓尺寸的確定 凹模輪廓輪廓尺寸包括凹模板的平面尺寸 LXB(長 X 寬)及厚度尺寸 H。整體式凹模板的厚度根據(jù)經(jīng)驗取 20mm,凹模板的平面尺寸是 620×74。查有關(guān)國家標準,并無厚度合適,所以是定制的尺寸。凹材料的選用:根據(jù)表得選用 T10A。(2)凸模設計凸模結(jié)構(gòu)形式有普通沖裁凸模、無導向沖裁凸模、有導向沖裁凸模和帶臺肩凸模。但是這次的凸模有別于以上幾種，是一種特殊的凸模，但是結(jié)構(gòu)形式基本上一致，只在沖裁刃口上有一些不同。黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 11 頁表 2.5.2 沖裁刃口選擇注 ： ?為 材 料 之 抗 剪 強 度 。黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 12 頁表 2.5.3 斜刃凸模和凹模的主要參數(shù)材料厚度t/mm斜刃高度h/mm 斜刃傾角 φ平均沖裁力為平刃的百分比33~102tt5o8o30~4060~65由于沖裁件的材料是紙張所以采用單邊斜刃沖裁模，便于沖裁。材料厚度為t=0.1mm,斜刃高度 h=2t=0.1×2=0.2。凸模長度確定：涂抹長度應根據(jù)沖模的整體結(jié)構(gòu)來確定，一般情況下在滿足使用要求的前提下，凸模越短越好，強度越高材料越省。L=h1+h2+h3+(5～7)=12+8+0+5.1=25.1式中 h1------凸模固定板厚度h2------卸料板厚度h3------導尺厚度式中的 5～7 是凸模進入凹模的深度、凸模修磨量、沖模正在閉和狀態(tài)下卸料板到凸模固定板間的距離。凸模材料：參照沖壓模具設計與制造選用 T8A?？紤]沖孔凸模的直徑很小，而且凸模前端采用的是斜刃，沖裁的材料是非金屬材料票據(jù)，所以凸模強度是足夠的，不需再進行校核。螺釘規(guī)格的選用:由凹模板的厚度可選用 M6 在根據(jù)實際要求,查標準選用 GB70-85 M6,這里要 2 個。銷釘規(guī)格的選用: 銷釘?shù)墓Q直徑可取與螺釘大徑相同或小一個規(guī)格,因此根據(jù)標準選用 GB 119-86 A6×20,選取材料為 45 鋼。根據(jù)定位方式及坯料的形狀與尺寸,選用合適的標準定位零件。(3)設計和選用卸料與出件零件卸料以固定板卸料,出件是以凸模往下沖即可,因此不用設計出件零件。固定卸料板的平面外形尺寸一般與凹模板相同,其厚度可取凹模厚度的 0.8～1 倍 [9],所以卸料板的LXBXH=620X74X8=620X74X8 卸料板在此僅起卸料作用,凸模與卸料板間的雙邊間隙一般取 0.2～0.5mm,這里取 0.5mm,材料為 Q235。(4)選擇模架及其它模具零件黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 13 頁選擇模架:由凹模周界 620X75,及安裝要求,選取凹模周界:LXB=620X75,閉合高度:H=90.22,上模座:720X128X20，下模座: 720X128X20。導柱導套:為便于安裝和定位，采用的兩套導柱導套尺寸不一樣，分別為導柱76×20，76×24；導套 42×30，45×32。墊板: 墊板的作用是承受并擴散凸模傳遞的壓力,以防止模座被擠壓損傷,因此在與模座接觸面之間加上一塊淬硬磨平的墊板.墊板的外形尺寸與凸模固定板相同,厚度可取 3～10mm,這里設計時,由于壓力較大,選取規(guī)格為 LXBXH=620X75X8。凸模固定板: 模固定板的外形尺寸與凹模的外形尺寸一致,厚度為凹模的0.6～0.8h,h 為凹模的厚度,這里取 0.6h,即 0.6X20=12mm,根據(jù)核準選取板的規(guī)格為LXBXH=620X75X12；凸模與凸模固定板的配合為 H7/n6,裝配可通過 2 銷釘定位,4 個螺釘與上模座連接固定,各形孔的位置尺寸與凹模的保持一致。橡膠：橡膠的自由高度是工作行程的（3.4～4）倍，裝配高度是自由高度的（0.85～0.9）倍，自由高度是 4mm,裝配高度是 3.6mm。黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 14 頁3 電氣控制部分設計可編程序控制器（簡稱 PLC）是綜合計算機技術(shù)、自動化控制技術(shù)和通訊技術(shù)迅速發(fā)展起來的新一代工業(yè)自動化控制裝置，目前，已成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動化三大支柱（PLC、機器人、計算機輔助設計與制造）之一，引領了科技發(fā)展的方向 [9]。任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實現(xiàn)被控對象的要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。在 PLC 系統(tǒng)設計時也應該把這個問題放到首位。PLC 系統(tǒng)設計應當遵循以下原則：(1)滿足要求；(2)安全可靠；(3)經(jīng)濟實用；(4)適應發(fā)展?？偟脑O計方案如圖 3-1 所示： 是投 入 使 用 程 序 備 份 否 模 擬 運 行是 否 滿 足 要 求控 制 柜 設 計 程 序 設 計 、 調(diào) 試模 擬 運 行安 裝 控 制 柜 設 計 控 制 流 程 設 計機 型 的 選 擇評 估 控 制 任 務圖 3.1PLC 系統(tǒng)設計方案3.1 PLC 機型的選擇這次選擇的是德國西門子公司生產(chǎn)的 S7-200 系列，本機集成 24 輸入/16 輸出共40 個數(shù)字量 I/O 點?？蛇B接 7 個擴展模塊，最大擴展至 248 路數(shù)字量 I/O 點或 35 路模擬量 I/O 點。26K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6 個獨立的 30kHz 高速計數(shù)器，2 路獨立的 20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。2 個 RS485 通訊/編程口，具有 PPI 通訊協(xié)議、MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力 [10]。I/O 端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 15 頁和功能更強的內(nèi)部集成特殊功能。可完全適應于一些復雜的中小型控制系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)參見圖 3-2 所示：圖 3.2 S7-200 系 列 PLC 結(jié) 構(gòu)其技術(shù)數(shù)據(jù)參見圖 3.3 所示：黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 16 頁圖 3.3 CPU226 技 術(shù) 數(shù) 據(jù)3.2 PLC 的硬件電路設計數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成：任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎，其性能的好壞，直接影響整個系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運行，而軟件是硬件的靈魂，只有配置了軟件的硬件才是可工作的控制系統(tǒng)。PLC 主要由 CPU、存儲器、I/O 接口、通信接口和電源等幾部分組成，如圖 3.4 所示。圖 3.4 PLC 的 硬 件 結(jié) 構(gòu)黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 17 頁3.2.1 中央處理器 CPUCPU 是 PLC 的邏輯運算和控制指揮中心，控制整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。3.2.2 存儲器PLC 的 ROM 存儲器中固化著系統(tǒng)程序，不可以修改。RAM 存儲器中存放用戶程序和工作數(shù)據(jù)，在 PLC 斷電時由后備電池供電（或采用 Flash 存儲器，不需要后備電池） ，使斷電后 RAM 中的數(shù)據(jù)不會丟失。 3.2.3 電源將外部電源轉(zhuǎn)換為 PLC 內(nèi)部器件使用的各種電壓。備用電源采用鋰電池，當鋰電池電壓降低時，在 PLC 通電情況下，面板上備用電源（BATTY）燈亮，提醒及時更換鋰電池。3.2.4 通信接口 它是 PLC 與外界進行交換信息和寫入程序的通道。3.2.5 輸入接口輸入接口用來完成輸入信號的引入、濾波及電平轉(zhuǎn)換。輸入接口電路如圖 3.5 所示。輸入接口電路的主要器件是光電耦合器 [13]。光電耦合器可以提高 PLC 的抗干擾能力和安全性能，進行高低電平（24V/5V）轉(zhuǎn)換。輸入接口電路的工作原理如下：當輸入端開關(guān) SB 未閉合時，光電耦合器中發(fā)光二極管不導通，光敏三極管截止，放大器輸出高電平信號到內(nèi)部數(shù)據(jù)處理電路，輸入端口 LED 指示燈滅；當輸入端開關(guān) SB 閉合時，光電耦合器中發(fā)光二極管導通，光敏三極管導通，放大器輸出低電平信號到內(nèi)部數(shù)據(jù)處理電路，輸入端口 LED 指示燈亮。黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 18 頁圖 3.5 PLC 輸入接口電路3.2.6 輸出接口PLC 的輸出接口有三種形式：繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出，如圖 3.6 所示。(a)繼電器輸出 (b)晶體管輸出 (c)晶閘管輸出圖 3.6 PLC 輸出接口（1）繼電器輸出 繼電器輸出可以接交直流負載，但受繼電器觸點開關(guān)速度低的限制，只能滿足一般的低速控制需要。（2）晶體管輸出 晶體管輸出只能接直流負載，開關(guān)速度高，適合高速控制的場合，如數(shù)碼顯示、輸出脈沖信號控制步進電動機和模數(shù)轉(zhuǎn)換等。（3）晶閘管輸出 晶閘管輸出只能接交流負載，開關(guān)速度較高，適合高速控制的場合。輸出接口電路的規(guī)格如表 3.1 所示：表 3.1 輸出接口電路的規(guī)格表黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 19 頁項目 繼電器輸出 晶體管輸出 晶閘管輸出負載電源 AC250V 以下DC30V 以下 DC 5～30V AC 85～242V電路絕緣 機械絕緣 光電耦合絕緣 光電耦合絕緣負載電流 2A/1 點8A/4 點公用 0.5A/1 點0.8A/4 點 0.3A/1 點0.8A/4 點斷→通 約 10ms 0.2ms 以下 1ms 以下響應時間 通→斷 約 10ms 0.2ms 以下 10ms 以下硬件圖如下：黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 20 頁I/O 接 口 地 址 分 配 如 下 所 示 ：黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 21 頁序號 地址號 信號名稱1 I0.0 S1-1：手動控制工作方式2 I0.1 SI-2：自動控制工作方式3 I0.2 SB1：主電動機啟動4 I0.3 SB2：主電動機停止5 I0.4 SB3：夾紙鉗夾緊6 I0.5 SB4：曲軸離合器結(jié)合7 I0.6 SB5：步進電動機正向點動 8 I0.7 SB6：步進電動機反向點動9 I1.0 SB7：半自動控制啟動10 I1.1 SB8：半自動控制停止11 I1.2 SQ1：夾紙鉗左運動極限12 I1.3 SQ2：夾紙鉗右運動極限13 I1.4 SQ3：缺紙檢測14 I1.5 SQ4：上針模上位極限15 I1.6 SQ5：夾紙鉗夾緊到位16 Q0.0 步進電動機驅(qū)動脈沖輸出17 Q0.1 步進電動機轉(zhuǎn)向控制輸出18 Q0.2 步進電動機轉(zhuǎn)向控制輸出19 Q0.3 離合器結(jié)合20 Q0.4 制動器結(jié)合21 Q0.5 夾紙鉗夾緊22 Q0.6 主電動機啟動23 Q0.7 就緒指示燈24 Q1.0 缺紙報警25 Q1.1 超時報警黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 22 頁3.3 PLC 軟件任務合理分配硬件設計完后，就進行軟件編程，先開啟電源，PLC 自檢通過后程序啟動，然后紙夾放在指定位置后，進行檢測，紙夾夾緊后進行離合器閉合，開始沖孔。設定進給速度距離。達到設定的取紙位置后確定紙鉗的穩(wěn)定性，完成后返回原點。系統(tǒng)軟件流程圖如下：3.4 系統(tǒng)綜合性能的提高（1）從驅(qū)動電路入手 盡量選擇更理想的驅(qū)動電路實現(xiàn)電動機的控制。例如采用細分驅(qū)動電路后相當于減小了步進電動機的步距角，顯然對提高系統(tǒng)精度大有好處；還黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 23 頁有采用高頻調(diào)壓驅(qū)動電路可減弱低頻振蕩現(xiàn)象，并且還可以減小其動態(tài)誤差。（2）從軟件入手 根據(jù)齒隙誤差的特點，當工作臺運動方向改變時可利用軟件對齒隙進行補償。另外，對滾珠絲杠的螺距累積誤差也可利用軟件進行校正。（3）從控制原理方面入手 對于精度要求較高的大型數(shù)控設備，針對開環(huán)系統(tǒng)的不足，可在其基礎之上增設一套工作臺位移檢測裝置，如直光柵或感應同步器等，有么監(jiān)視并補償前向通道的誤差。例如，當系統(tǒng)中沒有傳動誤差時，反饋電路部分相當于不工作，只有開環(huán)部分工作；當出現(xiàn)傳動誤差時，由反饋電路發(fā)出一定數(shù)目的附加脈沖，用以補償步進電動機多走或少走的步數(shù)?？梢姡谠撓到y(tǒng)中機床本身并不含在定位伺服系統(tǒng)中，而是處在補償回路中，使系統(tǒng)易于調(diào)試，類似于開環(huán)，但系統(tǒng)精度又接近于閉環(huán)。綜上因素，這次課程設計數(shù)控部分選用 S7-200 作為控制器，運用于有簡單邏輯控制的位控場合，位置控制中的運動速度，位置地址都可以在程序中設定，可反復以不同的速度運動定位，位置數(shù)目不受限制，除位置控制專用指令外，還有若干 PLC 通用邏輯指令，程序容量為 26K，可分為 100 個程序塊，固化于 EEPROM 卡盒之中。其控制操作面板如下圖所示：圖 3.7 PLC 控制操作面板3.5 PLC 軟件設計根據(jù)該設備的控制要求軟件設計采用 S7-200 PLC 的順控制指令 [15],這樣可以使編程和調(diào)試更加快捷。采用順序控制指令可以保證在系統(tǒng)運行過程中運行狀態(tài)的一性,這樣 PLC 的每個循環(huán)周期只運行某個狀態(tài)的指令從而高系統(tǒng)的響應速度。軟件程序見附錄。黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 24 頁4 機床操作附加說明4.1 開機及手工操作初次開機時，首先檢查外部電源 3×380V 及地線是否已經(jīng)接好無誤，打開控制柜門，合上 Q1、Q2、Q3，在操作面板上，打開電源鑰匙開關(guān)，啟動電源，將自動/手工鑰匙開關(guān)置于手動位置(看指示燈)，啟動沖壓電動機 [15]，電動機應順時針方向轉(zhuǎn)動，電動機啟動無誤后，可接著試各手動按鈕的功能，拖板(即夾紙鉗)前進，后退，回參考點，離合器。剎車，紙鉗夾緊，松開等。4.2 自動工作方式啟動電源，將自動/手動鑰匙開關(guān)置于自動位置，將離合/制動開關(guān)置于中間位置，啟動沖壓電動機，調(diào)好紙張位置，選擇所使用程序，按下程序啟動/暫停中的啟動按鈕，機床便按照設定好的程序自動循環(huán)工作，在放紙位置還裝有一套啟動，暫停，急停按鈕，操作功能與面板上的一樣。4.3 模具安裝(1)模具從上下滑道二端插入上下滑道的 T 形槽內(nèi)，二端用固定板擋緊模具。(2)模具安裝時注意下針板孔與下針板支撐位置，一定要防止下針板支撐堵死下針板孔，影響紙屑的漏出。(3)沖針進入下模深度 1.2～1.8㎜。(4)模具安裝后，要先用手動離合器吸合，用手盤大皮帶輪試沖，試沖無誤后才能采用自動沖。模具安裝完成后，要先調(diào)整好封閉高度，有一偏心蝸輪，它套在滑塊的耳軸上，用扳手轉(zhuǎn)動蝸桿，偏心蝸輪隨之轉(zhuǎn)動，從而使滑塊得到上下調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時應注意保持滑塊處于水平狀態(tài)，即滑塊兩端開口尺寸一致，調(diào)節(jié)完成后用螺栓鎖緊拉桿即可。黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 25 頁4.4 機床的潤滑圖 4.1 機床潤滑系統(tǒng)圖機床集中潤滑系統(tǒng)如圖 3-8 所示：1)每班開機前各油標處應加注 HJ—10 號機油潤滑；2)每班手動油泵加油一次，手動油泵用 ZG—2 號鈣基潤滑脂。4.5 一般故障處理一般最容易出現(xiàn)故障的地方主要在各種信號開關(guān)，氣閥，離合器等處。(1)若程序停留在 4～7 句(或 15～18、37～40 句)，不再往下執(zhí)行，這是因為夾紙鉗的夾緊或松開的動作未完成，或是信號沒有傳遞到程序控制器 PLC，可檢查供氣是否正常，夾紙鉗動作是否到位，檢測開關(guān) XK4、XK5 動作是否良好。如下圖所示：黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 26 頁圖 4-2 機床故障處理圖進給不到位，或是程序停留在 20～22 句(或 23～25、30～32、47～49、53～55 句)處循環(huán)，首先檢查進給距離的設置是否太大，在額定沖速 120 沖/分時，進給距離設定不應超過 80㎜，否則要通過變頻器降低沖速，檢查接近開關(guān) XK6 動作是否有故障。(2)電磁離合器、制動器動作不正常，不落沖，依次檢查電磁離合器，制動器是否上電，電刷是否磨損，有關(guān)聯(lián)接機構(gòu)是否完好，有否松動等。4.6 技術(shù)安全須知(1)機床電器設備必須接地良好。(機床上備有接地螺釘)(2)修理或檢查機床時，最好先切斷機床電源后始可進行。(3)調(diào)整各保險熔斷絲時，其電流值應與原來的相同，不許任意加大。(4)電源電壓不可超過機床電器設備電壓的 10%，以免電器的絕緣老化破壞。(5)機床所裝防護罩，在機床工作時均應完整無損，不準任意拆掉。(6)防止隨意觸及電器按鈕，以免發(fā)生事故。