基于PLC的金属切削机械控制系统的设计

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1、PLC控制技术课程设计说明书题目:基于PLC的动力头控制系统设计系部：信息与控制工程学院专业：自动化班级：三学生姓名：夏阳学 号:09032130138指导教师：张海燕2012年6 月 2日PLC控制技术课程设计说明书目 录1 绪论 11.1控制系统在动力头机床中的作用与地位 11.2控制系统的类型、特点及应用场合 11.2.1 继电器控制系统 1计算机控制系统 2可编程序控制器控制系统 22控制系统方案论证与选择 42.1电动机拖动部分 52.2液压拖动部分 53控制系统硬件设计 63.1电动机电器控制线路的设计 63.1.1 电动机和电器元件的配置 6电动机型号的选择 7电器元件型号的选择

2、 8主电路和控制电路电源的确定 10主电路设计 10控制电路设计 11其他电路的设计 123.2攻丝电机及液压拖动部分的 PLC控制系统硬件设计 13系统输入元件和输出元件型号的确定。 133.2.2 PLC机型的选择 133.2.3 PLCI/O元件的分配 143.2.4 PLC的 I/O 接线图 174控制系统软件设计与调试 174.1 PLC程序的总体结构 174.2各部分程序的作用及设计过程 17公用程序 18422全机半自动程序 20423单机单步程序 294.2.4 全机自动回原点程序 335总结与展望 366参考文献 1PLC控制技术课程设计说明书1 绪论可编程控制器(Progr

3、ammable logic Control-ler,简称PLC)是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种 新型工业自动控制装置，其具有逻辑控制、计时、计数、数据处理、联网与通信等强大功能，用来替代传统的继电一接触控制系统。同时，由于PLC具有很高的可靠性和极大的应用灵活性，在各行各业的控制领域都得到了广泛的应用，并与 CAD/CAM和机器人技术一起被誉为现代工业自动化的三大支柱之一。大量采用传统继电一接触控制系统的设备通过改造更新，成为PLC控制的自动化系统，而且具有改造成本低、周期短和可靠性高等特点。本文介绍基于PLC的动力头控制系统的设计与应用

4、。1.1控制系统在动力头机床中的作用与地位控制系统是动力头机床的指挥控制中心。动力头机床对产品所有零件的加工只有在控制系统的指挥下才能进行。因此，控制系统性能的好坏、自动化水平的高低直接影响到机床的整体性能及加工质量。此外，控制系统性能的好坏对于提高劳动产品的产量和质量也有着极大地影响。当然也会影响到该企业的市场竞争力。所以对动力头机床控制系统的设计与 制作要引起足够的重视。要提高机床的性能，除了要提高该机床机械部分的性能 外，还要提高该机床的控制系统的性能。1.2控制系统的类型、特点及应用场合目前就控制系统来说，有三种可供选择：继电器控制系统；计算机控制系统； 可编程序控制器控制系统。PLC

5、程序控制器以其可靠性高、适应性强、设计调试方便等优点，在很多工业部门已经取代前两种控制系统。继电器控制系统继电器是一种用弱电信号控制强电信号的电磁开关3。继电器控制系统的控制功能是用硬件继电器(或称物理继电器)实现的。多年来，人们用电磁继电器控制顺序型的设备和生产过程。就单台继电器控制系统而言， 其工作可靠性是比较高的。而且继电器本身也不贵。所以对于小型的、要求不复杂的控制对象来说，采用继电器控制系统是可行 的。但是对于复杂的控制系统来说，所需的继电器很多。 任何一个继电器的故障都会影响到整个系统的正常运行，查找和排除故障往往是非常困难的；由于该控制 系统靠硬件接线，所以程序的更改比较困难，所

6、以它的适应性比较差，不适应经 常要求变更程序的产品的设计。当要求生产小批量、多品种的产品时，继电器控 制系统是不能够满足要求的。122计算机控制系统计算机控制系统的程序米用指令编程，程序可以替代一部分硬件，而且程序便于维修。与继电器控制系统相比较，其控制电路的故障点相应减少；其适应性、 通用性与灵活性都有提高；而且因为它是由电子器件组成，所以比继电器控制系 统体积小、重量轻而且耗能少。但是计算机控制系统对环境的要求比较高，其抗干扰能力不强；在制作中还需要印刷电路板，其外部I/O接线需要用插座从一双电路板上引出，既不方便也不可靠；在编程的时候用的是汇编语言或C语言，比较麻烦，不易被工厂的电气人员

7、掌握。因此计算机控制系统的应用范围还是很受限制。可编程序控制器控制系统可编程序控制器的特点：(1) 可靠性高，抗干扰能力强PLC是专为工业控制而设计的，在硬件方面采用了电磁屏蔽、光电隔离、模拟 量和数字量滤波、优化电源电路等措施，并对元件进行了严格的筛选；在软件方 面则采取了警戒时钟、故障诊断、自动恢复等措施，利用后备电池对程序和动态 数据进行保护。因此，PLC是有其他工业控制设备无可比拟的高可靠性。(2) 编程方法简单易学梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，梯形图语言形象直 观，易学易懂。梯形图语言实际上是一种面向用户的高级语言，可编程序控制器 在执行梯形图程序时，用结实程序将它“

8、翻译”成汇编语言再去执行。由于可编 程序控制器运算速度的不断提高，对于一般的控制设备来说，执行速度完全满足 要求。PLC使用简单，一般情况下，不需要考虑接口问题，只需要用螺丝刀就可以完 成全部接线工作。PLC可以采用一种面向控制过程的梯形图语言，它与继电器原理 图非常接近，电气工人可以在短时间内学会。因此，世界上许多国家的可编程序 控制器生产公司都将梯形图语言作为第一用户语言。(3) 功能完善，应用灵活PLC的基本功能包括数字和模拟量输入/输出、算术和逻辑运算、定时、计数、移位、比较、代码转换等，其扩展功能有批数据传送、排序查表、中断控制、函 数运算、通信联网、PID闭环控制、监控报警等，可以

9、组成功能完善的控制系统。(4) 系统的设计、安装、调试工作量少可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器等器 件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。可编程序控制器的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图所花的时间比设计继电器系 统电路花的时间要少得多。可编程序控制器的用户程序可以在实验室模拟实验，调试好后再将可编程序控制器安装在现场调试。调试过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决。(5) 环境要求低，适应性强可编程序控制器采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，使之具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万

10、小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业现场。 可编程序控制器已被广大用户人为最可靠的工业控制设备之一。(6) 维修工作量小，维修方便可编程序控制器的故障率很低，并且有完善的自诊断和显示功能。可编程序控制器或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据可编程序控制器上的发 光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅 速地排除故障。正因为它的这些优点，几乎所有自动化领域内的控制系统的设计，可编程序控制器都能够做到。继电器控制系统与计算机控制系统不能做到的，它也可以做到。可编程序控制器的应用领域：(1 )开关量逻辑控制可编程序控制器具有“与”、“或”、“非|等逻辑指令，可

11、以实现触点和电路的 串、并联，代替继电器进行组合逻辑、定时控制与顺序逻辑控制。开关量逻辑控 制可以用于单台设备，也可以自动生产线。（2 ）运动控制可编程序控制器使用专用的运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，使运动控制与顺序控制功能有机地结合在一起。可编程序控制器的运动控制功能广泛用于各种机械。（3）闭环过程控制可编程序控制器通过模拟量I/O模块，实现模拟量与数字量之间的AD转换和DA转换，并且对模拟量实行闭环PID控制。现代的大中型可编程序控制器一般都有PID闭环控制功能。可编程序控制器的模拟量PID控制功能已经广泛应用于塑料挤压成形机等设备，以及轻工、化工等行业。

12、4）数据处理现代的可编程序控制器具有数学运算、数据传诵、转换、排序和查表、位操作 等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。数据处理一般用于大型控制系统， 也可以用于过程控制系统。（5 ）通信联网可编程序控制器的通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台可编程序控制器之间的通信、可编程序控制器和其他智能控制设备之间的通信。可编程序控制器 与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。2 控制系统方案论证与选择伴随着加工件的日益复杂化、精度等级以及加工效率的提高，多轴向、高转速成为工具机必备的条件，除了加工中心机走向机能复合化外，车床方面已由早期 的卧式车床开发出许多新的加

13、工形态，例如双刀塔、立式车床、倒立车床、以及 车铣复合机种，以顺应新时代加工方式的需求。其中车铣新概念复合机无疑是一 项新技术结合的工具机杰作，最大的优点在于可轻易地在同一机台上做复杂零件 的加工，可同时进行车削、钻孔、攻牙、端面切槽、侧面切槽、侧面铣削、角度 钻孔、曲线铣削等等。藉由一台工具机即可完成一个零件的所有加工流程， 大大降低上下料换机台加工的时间，以及减少人为公差的机会，达到“ Do In On6的加工概念。在新世代车铣复合机中，不论是具分度的 C轴头部、副主轴、丫轴等，都必须搭配动力刀塔才能具备车铣复合的功能，因此一款功能性佳、精度高的C轴动力刀塔，将使新世代车铣复合机更臻完善。

14、2.1电动机拖动部分液压电机、冷却电机、扩孔电机、钻孔电机根据它们的设计要求，可以采用“起保停”电路设计。因为这种控制电路无须任何中间继电器，接线方便，设计安装 量也不大。因此宜采用继电器控制方案来控制。其最大的优点就是能节省开支。若用单片机控制方案，会增大接口电路的设计；若用PLC控制方案，会占用输入点，引起投资的增大。因此不宜用这两种控制方案。攻丝电机因为有“正转”与“反转”之分，需要根据机械设备的工作进程来决 定其“正、反转” 15。若采用继电器控制方案，则需一定数量的中间继电器， 这会使设计、安装、接线工作量增大，程序更改不方便。而且容易出故障；若采 用单片机控制方案，对环境的要求高，

15、抗扰能力差，也不适宜采用。所以采用PLC来控制。2.2液压拖动部分在液压拖动部分，各工位动力头滑台、转位机构的向前与向后、夹紧与松开等 运动都是由液压系统拖动。这些动作都是根据条件一步步进行的。因为液压拖动部分的每一步都需要根据一定的条件来转换，所以如果采用继电器控制方案，则需要用到大量的中间继电器，那样安装、接线工作量会很大，而 且更改程序也极不方便，当出现故障时也不易查找和排除。若采用单片机控制方案，则需要为其设计制作印刷电路板和接口电路等，还要焊接，设计安装工作量大，而且对工作环境要求比较高。就动力头机床所在的工 业现场而言，采用该方案时，其可靠性不能得到保证。因此，对液压拖动部分也 不

16、宜采用单片机控制方案来控制。根据设计的实际要求，需要的是能适应经常变动、可靠性强、易于维修的控制 系统。因此选择采用可编程序控制器方案来控制最合适。这是因为该控制方案的 可靠性高，抗干扰能力强，无需担心工业现场的恶劣环境会对PLC设备产生影响；编程方法简单易学，采用形象直观，易学易懂的梯形图语言；系统的设计、安装、 调试工作量少，用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器，使控制 柜的设计、安装、接线工作量大大减少；环境要求低，适应性强可编程序控制器 采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，使之具有很强的抗干扰能力，平均无故障 时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业现场；维修工作量

17、小， 维修方便可编程序控制器的故障率很低，并且有完善的自诊断和显示功能。3控制系统硬件设计3.1电动机电器控制线路的设计动力头机床电器控制线路包括液压泵电机、冷却泵电机、钻孔、扩孔、攻丝 动力头主轴电机的主电路、控制电路和辅助电路三个部分。主电路、控制电路和辅助电路的设计内容包括这些电路电器元件的配置、型 号的选择以及线路中的主电路、控制电路、辅助电路原理图的设计。电动机和电器元件的配置在电器控制线路中，应配置以下元件：三相鼠笼式异步电动机、刀开关、万能 转换开关、二位置旋钮、按钮、接触器、热继电器、熔断器、控制变压器等。这 些元件的作用如下：1刀开关：在机床上，主要用作电源开关，起隔离电源、

18、安全检修的作用。2万能转换开关：(1) 工作方式选择开关：用于各种工作方式的选择。“回原点”、“手动”、“单机”、“自动”、“半自动”的相互转换。(2) 单机选择开关：用于各单机的选择。“钻孔”、“扩孔”、“攻丝”电机的选择。3. 二位置旋钮：SA3、SA4、SA5、SA6分别对回转工作台钻孔电机、扩孔电机、攻丝电机作在 /离线选择；SA7、SA8分别控制 HL、EL ； SA9控制PLC电 源的通断。4按钮：用来接通或断开电路中的电流。5.接触器：用来接通或断开电动机或其他负载主回路的自动切换电器。KM1、KM2 KM3 KM4 KM5 KM6分别对液压泵电机、冷却泵电机、钻孔、扩孔、攻丝动

19、 力头主轴电机起控制作用。&热继电器：根据对象的温度变化来控制电流流通的继电器，即是利用电流的热效应而动作的电器，它主要用来保护电动机的过载。8、 熔断器：主要用于短路保护。FU1对电源板、整个线路起短路保护作用；FU2用于控制电路的短路保护；FU3用于控制变压器的短路保护；FU4用于照明回路的短路保护；FU5用于信号灯供电电路的短路保护。9、 控制变压器：根据负载电压的要求调节电压。TC的副边为电源指示灯 HL提供6.3V电压，为机床照明指示灯EL提供36V电压。电动机型号的选择1. 电动机的选择：电动机是机床电力拖动系统的拖动元件，在电动机的选择 内容中，功率的选择是首要的，同时，电机的转

20、速、型式、电压等的选择也是必 要的。液压泵电机与冷却泵电机都是按经验选择。液压泵电机选择额定容量为 3KW，冷却泵电机选择额定容量为90W。另三个电机的选择如下：(n = 0.8)(1) 钻孔动力头主轴拖动电动机M3的选择钻孔动力头主轴拖动电动机功率的计算公式1 19 P=0.0646D9式中P主拖动电动机功率 ，KW ；D 最大钻孔直径，m。该机床钻孔动力头加工的孔的最大直径为45mm，需要的拖动功率为 1.95KW,因此选择额定功率为 3KW的电动机。(2) 扩孔动力头主轴拖动电动机M4的选择扩孔动力头主轴拖动电动机功率的计算公式P=0.035D 1.225式中P主拖动电动机功率 ，KW

21、；D 最大扩孔直径，m该机床扩孔动力头最大扩孔的直径是25mm需要的拖动功率为2.11KW，因此选择额定功率为3KW勺电动机。(3) 攻丝动力头主轴拖动电动机M5的选择攻丝动力头主轴拖动电动机功率的计算公式1 7P=0.004D .式中P主拖动电动机功率 ，KW ；D 最大攻丝深度，m。该机床攻丝动力头攻丝的最大深度为35mm ,需要的拖动功率为 1.98KW,因此选择额定功率为3KW的电动机。电器元件型号的选择1刀开关QS:不带融断器式刀开关主要有HD型及HS型，带融断器式刀开关有HR3系列10。2. 熔断器：熔断体额定电流是个主要的技术参数。熔断体的额定电流IR 可按下列关系选择IR=（

22、1.5-2.5）IN。式中IN-异步电动机的额定电流。3. 接触器：机床用的是交流接触器。常用的有CJ10、CJ12、CJ20等系列交流接触器。交流接触器主触点电流可根据下面经验公式进行选择：IN=PN X 1000/KUN4、热继电器：热继电器的额定电压和额定电流应大于或等于被保护电动机的 额定电压和额定电流。从一个产品系列中选择热继电器的具体规格时，主要是依 据额定电流值。5、中间继电器：选用中间继电器的主要依据，一是继电器触点的额定电流应 满足被控电路的要求；二是继电器触点的品种和数量必须满足控制电路的要求。6控制变压器：在选用控制变压器时，首先应满足副边线圈的个数和电压值 以及原边电源

23、电压的数值。该机床所用到的电动机和电器元件型号的选择见表3.111。表3.1 电器元件明细表序号电器元件名称电器元件代号型号数量技术数据1刀开关QSHR3-100/341220V，100A2工作方式转换开关SA1LAY3-X/21220V，10A3单机选择开关SA2LAY3-X/21220V，10A4在/离线选择开关SA3-SA6LAY3-X/24220V，10A5工作开关SA7、SA8、SA9KN3-2-13220V，5A6功能按钮SB1-3;LA19-1122220V， 5ASB5-237急停按钮SB4LA19-01JZ1220V，10A8限位开关SQ1-SQ5SQ11-SQ13SQ21-

24、SQ23SQ31-SQ34LX5-1115220V，15A9液压电机M1Y132M-413KW，6A10冷却电机M2AOB-25190W，0.5A11钻孔电机M3Y100L-213KW，5A12扩孔电机M4Y100L-213KW，5A13攻丝电机M5Y100L-213KW，5A14液压电机接触器KM1CJ20-631f=1200,380V63A,电寿 命120万次15冷却电机接触器KM2CZ0-40/021f=600,380V,40A,电寿命30万次16钻孔电机接触器KM3CZ0-40/201f=1200,380V,40A,电寿命50万次17扩孔电机接触器KM4CZ0-40/201f=1200

25、,380V,40A,电寿命50万次18攻丝电机接触器KM5CZ0-40/201f=1200,380V,40A,电寿命50万次19攻丝电机接触器KM6CZ0-40/201f=1200,380V,40A,电寿命50万次20热继电器FR1JR16B-1502380V，150A21热继电器FR2-FR5JR16-20/303380V，60A22熔断器FU1、 FU2、FU3BZ0023熔体10A23熔断器FU4、 FU5BZ0012熔体5A24变压器TCYH-60B1220V, 35W25信号灯HLA57-4367V, 1W26照明灯ELDH3132136V , 1W27蜂鸣器BU701-2 型124

26、, 0.15A29电铃BEVC41-75 型124V主电路和控制电路电源的确定机床主电路采用 380/ 220V三相交流电源。是鉴于以下两个原因：(1) 该机床选择的电动机是额定电压为380V的三相鼠笼式异步电动机(2) 380/220V三相交流电源易获取。(3) 220V向控制电路和降压变压器供电。主电路设计液压泵电动机的作用是：拖动液压泵；为液压系统提供动力。冷却泵电动机的作用是：对工具和加工面进行冷却，起保护作用，同时确保 了加工的精度。钻孔、扩孔、攻丝电动机的作用是：为钻孔、扩孔、攻丝动力头主轴的旋转 提供动力。其原理图如图3.1所示KM6图3.1主电路原理图机床主电路为 380V三相

27、交流电源， 接地类型是 TN-S型。总电源由刀开关 QS 引入。交流接触器 KM1是液压电动机 M1接通和断开的接触器，FU1对电源板、整个线路起短路保护作用，FR1、FR2、FR3、FR4、FR5是其对应的电机 M1、M2、M3、M4、M5过载保护用热继电器。攻丝要求电动机能正反转，所以M5电动机要有两个接触器 KM5、KM6。控制电路设计控制电路对主电路各电动机的启动、停止进行控制，其原理图见图3.2。控制原理如下：四个电机都采用“起、保、停”电路进行控制。液压电动机的控制：按下按钮SB14，接触器 KM1得电，液压电机转动，同时其常开触点闭合，在电路中“自锁”。按下停止按钮 SB15，接

28、触器KM1线圈断电而释放。当电机过载时，通过FR1使KM1失电，使电机停下来。冷却电机、钻孔电机、扩孔电机的控制与液压机的控制相同。20这一电路有失压保护功能，当电源电压过低或消失时，接触器KM1、KM2、KM3、KM4因电磁力不足释放，在电压恢复正常时，启动按钮SB2没有被按下,接触器不会得电动作。若使电动机重新启动，必须重新按启动按钮SB2。FU2SB15M 乂 31 SB14 32KM1K30-33 . FR1M控制/KM134 SB16芝 36崗FR2KM2小/RM2或%7 SB18SB17SB214KM3/KM340 SB2041TTTM2控制39 卜 f FR342KM4FR4M3

29、$制M4$制/KM4图3.2控制电路原理图其他电路的设计1.照明电路变压器副边为机床照明指示灯EL提供36V电压，EL由开关SA8控制。2 提供信号灯电源的电路变压器副边为电源指示灯HL提供6.3V电压，HL由开关SA7控制。3. PLC及其负载的电源电路PLC供电线路的设计直接影响控制系统的可靠性，需要保证当其他系统供电中断时，不会影响PLC的供电。该部分电路原理图见图3.3。图3.3辅助电路原理图3.2攻丝电机及液压拖动部分的PLC控制系统硬件设计攻丝电机及液压拖动部分的PLC控制系统硬件设计的内容包括：PLC输入、输出元件型号的确定、PLC机型的选择、PLCI/O元件的分配、PLC的I/

30、O接线图。系统输入元件和输出元件型号的确定。在PLC控制系统中，所需要的输入元件有：按钮、指令开关、限位开关；输出元件有：接触器、电磁阀、指示灯、蜂鸣器。这些元件的选择见表3.1机型的选择8PLC机型选择应考虑以下因素 :（1 ）物理结构根据物理结构，可编程序控制器分为整体式和模块式两种。对于该机床这种 小型控制系统而言，选择整体式PLC有优势。采用整体式PLC，I/O点数够用，设计好后，功能不需要再扩充。其价格便宜，安装也非常方便。（2）指令功能的选择FX系列可编程序控制器提供了具有不同档次功能的几个子系列，可以根据系统的具体情况选用满足要求的子系列。不需要联网通信的小型开关量控制系统， 可

31、以选用价格便宜的FXOS系列；I/O点数多、控制功能复杂、要求联网通信的系统可以选择FX2N系列。（3）I/O点数的确定确定I/O点数时，应准确地统计出被控设备对可编程序控制器输入/输出点数的总需求，在次基础上，应留有10%-20%的裕量，以备今后对系统改进和扩充时使用。整体式可编程序控制器的基本单元、扩展单元的输入点数和输出点数的比 例是固定的。（4）存储器容量的选择在初步估算时，对于仅需开关量控制的系统，将I/O点数乘以8，就是所需的存储器的字数。鉴于以上几个原因，本设计选用的PLC是FX2N-128MR-001 系列。元件的分配为了便于施工接线和阅读的方便，根据以上PLC及其I/O元件选

32、择的结果,可将输入/输出元件分别列入 PLC输入/输出元件的分配表中。各输入/输出元件在PLC输入/输出点上的分配应该遵循以下原则：（1）按元件的操作顺序来安放输入/输出点。先操作的元件放在编号小的输入/输出点上；后操作的元件放在编号大的输入输出点上。（2 ）同一类元件集中分配在连续编号的一组输入/输出点上。（3）尽可能以单机为单位进行分配。（4）不同电压等级的输入 /输出元件不能放在同一组。12PLC输入元件分配表如表3.2所示,PLC输出元件分配表如表3.3所示 。表3.2 PLC输入元件分配表输入元件输入点编号输入元件输入点编号工作方式选择开关SA1回原点X0单步按钮SB12X30工作方

33、式选择开关单步SA1X1单步按钮SB13X31工作方式选择开关单机SA1X2单步按钮SB14X32工作方式选择开关半自动X3行程开关SQ1X33SA1工作方式选择开关自动SA1X4行程开关SQ2X34单机选择开关回转台SA2X5行程开关SQ3X35单机选择开关钻孔SA2X6行程开关SQ4X36单机选择开关扩孔SA2X7行程开关SQ5X37单机选择开关攻丝SA2X10行程开关SQ11X40在/离线选择开关回转台SA3X11行程开关SQ12X41在/离线选择开关钻孔SA4X12行程开关SQ13X42在/离线选择开关扩孔SA5X13行程开关SQ21X43在/离线选择开关攻丝SA6X14行程开关SQ2

34、2X44预开按钮SB1X15行程开关SQ23X45启动按钮SB2X16行程开关SQ31X46预停按钮SB3X17行程开关SQ32X47急停按钮SB4X20行程开关SQ33X50紧急后退按钮 SB5X21行程开关SQ34X51预留按钮SB6X22行程开关SQ35X52单步/停止SB7X23热继电器FR1X53单步按钮SB8X24热继电器FR2X54单步按钮SB9X25热继电器FR3X55单步按钮SB10X26热继电器FR4X56单步按钮SB11X27热继电器FR5X57单步按钮SB12X30压力继电器KPX60表3.3 PLC 输出元件分配表输出元件输出点编号输出元件输出点编号M5接触线圈Y0M

35、5滑台原位显示Y34M6接触线圈Y1回转台微台显示Y35电磁阀YV01Y2回转台回转显示Y36电磁阀YV02Y3回转台低回显示Y37电磁阀YV03Y4回转台反靠显示Y40电磁阀YV04Y5回转台夹紧显示Y41电磁阀YV05Y6回转台脱离显示Y42电磁阀YV06Y7回转台活返显示Y43电磁阀YV11Y10M3快讲显示Y44电磁阀YV12Y11M3工讲显示Y45电磁阀YV13Y12M3快退显示Y46电磁阀YV21Y13M4快讲显示Y47电磁阀YV22Y14M4工讲显示Y50电磁阀YV23Y15M4快退显示Y51电磁阀YV31Y16M5快讲显示Y52电磁阀YV32Y17M5工讲显示Y52电磁阀YV3

36、3Y20M5正转攻丝显示Y54预开预停提示 BEY21M5反转退丝显示Y55故障报警Y22M5快退显示Y56全机全自动显示Y23M1过载显示Y57全机半自动显示Y24M2过载显示Y60单机半自动显示Y25M3过载显示Y61单机单步显示Y26M4过载显示Y62全机自动回原点显示Y27M5过载显示Y63全机原位显示Y30超节拍预停显示Y64回转台原位显示Y31夹紧力不足显示Y65M3滑台原位显示Y32工作周期到显示Y66M4滑台原位显示Y33324 PLC 的 I/O 接B根据PLC输入/输出元公用程序X3 X4_ J P P0X2CJ P14控制系统软件设计与调试X1单机半自动程序P1 4.1

37、PLC程序的总体结构CJ P2单机单步程序I/ 半 动回原点程序、信号显显示和3故p草报警程本切削机床控制系统的软件由公用程序、全机自动 序、单机半自动程序、全机自 分组成。图4.1是本控制系统的|全机C自动回图程序程序体结构图。任务书要求本人 设计的程序部分是： 点程序。自动程序、单机手动程呈序等六个部机自动回原牛的分配表绘自动/半自LCC动程序Q|接线图,如附图6所示。图4.1 PLC程序的总体结构图4.2各部分程序的作用及设计过程421公用程序421.1 公用程序的作用公用程序主要用来对各种信号进行处理，并将处理结果作为自动线启动、止、程序转换或故障报警等的一个依据。这些信号包括：自动线

38、的预开、预停、紧急停止和紧急后退等操作信号、各单 机的原位信号、自动线启动前应具备的各种初始信号、由全机半自动工作方式转 换为单机单步或全机自动回原点工作方式时，使全机半自动程序复位的信号。421.2 公用程序的设计4.2公用程序采用经验法设计，根据其所起的作用，公用程序的设计结果如图 所示。m 加】图4.2公用程序图4.2中，第一逻辑行中M100的线圈控制回路用来向动力头机床发出“预开”信号。在机床处于初始状态、且各主轴电动机未发生过载故障、未按预停按 钮的情况下，在辅助继电器M100的线圈回路中，除预开按钮X15（SB1）和M100的触点外，其余所有触点均处于闭合状态。此时，按下预开按钮X

39、15，可使继电器M100和丫21通电动作，其中，M100动作可为自动线启动做好准备，丫21动作可接通电铃BE的电源，向机床周围的人员发出机床将要开车的音响预告信号。在按下 启动按钮 X16（ SB2）以前，若想取消预开命令，只要按下预停按钮X17（ SB3），即可使M100断电。第三逻辑行 M8034是禁止输出继电器，在任何工作方式下，只要按下紧急停 止按钮X20 （ SB4），即可使M8034通电动作，通过系统程序使PLC的全部输出继电器复位，从而使机床紧急停车。此后，若按下启动按钮X16（ SB2）或急退/回原点按钮X21（ SB15），可使机床继续工作（在全机半自动工作方式下），或使机床

40、继续回原点（在全机自动回原点工作方式下）。第四逻辑行中 M102的线圈控制回路用来向机床发出“急退”命令。第五逻辑行中的定时器T0用来对机床进行超节拍监视。第六逻辑行是机床半自动工作方式的控制程序的复位控制回路。在工作方式选择开关置于“回原点（X0）”或“单步（X1）”工作方式的操作位置，或同时按下“急停按钮（X20）”和按下“急退按钮（X21）”后，除半自动程序的初始步外，可使半自动工作方式的控制程序中的其余所有各步的编程元件全部复位。第七逻辑行是对初始步M0的置位控制回路14。在PLC由STOP状态转为RUNPLC控制技术课程设计说明书状态，或者机床处于原点状态时，初始化脉冲M8002或机

41、床所有单机的原位信号都能将初始步 M0置位，为在半自动工作方式下转换的实现作好准备。全机半自动程序全机半自动程序的作用全机半自动程序主要用于机床控制系统安装接线或检修完成后，以及工人交 接班时对产品进行单件检查，以检查整个机床能否正常地运行一个完整的循环。422.2 全机半自动程序的设计在全机半自动工作方式下，机床对控制系统的要求是，在机床具备了所有初始条件后，按下预开按钮X15（ SB1），电铃 丫21（ BE）应响（见公用程序），以发出机床将要开车的预告信号。之后，按下启动按钮X16（ SB2）,机床即应按下述工艺过程运行：回转工作台自动微抬一回转工作台自动转位一定位夹紧一各工位动力头按自

42、 己的程序进行加工，加工完成后自动回到各自的初始位置，为下次循环做准备。据此，再结合毕业设计任务书中所给的动力头机床液压拖动系统原理图和图3.3所示的PLC I/O接线图，即可绘出机床的全机半自动程序的顺序功能表图，女口 图4.3所示。PLC控制技术课程设计说明书图4.3 动力头机床全机半自动工作方式的顺序功能图根据图4.3所示的顺序功能图设计全机半自动工作方式的梯形图时，对图中代表步的编程元件的控制回路可采用多种编程方式编写，本课题采用的是“起,保，停”电路的编程方式5 o采用这种编程方式编程时，代表步的编程元件的控制回路的编程规则是：1.起动环节：由该步的前级步的编程元件的常开触点“M/

43、”和代表转换条件的常开触点Xi串联构成。2保持环节：由本步编程元件的的常开触点“Mi”构成。3停止环节：由该步的后级步的编程元件的常闭触点“Mi+i ”构成。根据这一编程规则，代表步的编程元件的控制回路与顺序功能图的关系如图4.4所示。Mi-1Mi-1 Xi Mi+1-XiMiMi+1一-Xi+l22PLC控制技术课程设计说明书图4.4代表步的编程元件的控制回路与顺序功能图根据图4.3和图4.4可以绘出全机半自动程序的梯形图，见图 4.530rdrJr JrJ-4竽LMS 7 Y002U（Y砸）N7M8 Y005 Y910 Y112 Y11S Y016图4.5全机半自动程序的梯形图在全机半自动

44、工作方式的PLC程序中，对机床的各单机编写了具有“在线 /离线”选择功能以及“紧急后退”的操作功能的程序段。这两种功能的具体含义是：1.“在线/离线”选择：当把钻孔动力头的“在线/离线”选择开关 X12（ SA4）旋至“在线”位置时，X12为“ 1 ”态。这样在机床工作过程中，可使钻孔动力头执行“快进-工进-快退”程序，也即使钻孔动力头在线工作；反之，当把选 择开关X12（ SA4）旋至“离线”位置时，X12为“0”态，此时在机床工作过程中，可使钻孔动力头跳过“快进-工进-快退”步而直接进入等待步（即 M9步），从机械运动方面看，此时钻孔动力头并未随机床一起工作，而是一直停在原位不 动。2.紧

45、急后退：控制系统的这一功能可使机床各工位的单机在向前运行的任何 时刻，在按下紧急后退按钮X21（ SB15）时立即后退，退回到原位后自动停止。例如，在扩孔动力头快进或工进过程中，当按下X21（ SB15）时，可使其跳过工进步或立即中止工进步而进入快退步。由于按下X21（ SB15）时M102为“1”态，因此，当钻孔动力头、扩孔动力头、攻丝动力头都进入等待步时，机床将进展到急 退完成后的等待步M27步。此后，若按下启动按钮X16（ SB2），又可使自动线从M27步进展到M6步（即对回转工作台夹紧的步），从而使机床继续工作。单机单步程序单机单步程序的作用单机单步程序主要用来检查或调整各单机每一单步

46、的运行状态（如行程的长 短、夹紧力的大小等）。423.2 单机单步程序的设计图4.6是本控制系统的单机单步程序的总体结构图。P0P1P2P3PLC控制技术课程设计说明书图4.6单机单步程序的总体结构图在单机单步工作方式下，为了使每一个单机都能按单步方式运行，应给每一个单机设计一个单机单步程序段。在对单机进行单步检查或调试时，因为人的注 意力有限，只能将注意力集中到一个单机上来，所以在技术上必须保证在同一时 间只允许一个单机运行。为达此目的，本机床的单机单步程序采用指导老师开发 的设计方法：跳步设计法。该程序的结构特点是：各单机的单步程序都由条件跳 步指令CJ隔开，并由单机选择开关SA2所接的P

47、LC输入继电器 X5X10的常闭触点分别作为这些跳步指令的执行条件，而每个单机的每一步程序则依次由接入PLC13输入点X24X32的七个手动按钮 SB8SB14来控制。当欲对机床回转工作台进行单步检查或调整时，可先将工作方式选择开关SA1旋至“手动”位置，使X1为“ 1 ”态，以使 PLC能够执行跳步区 CJ P0内的单机单步程序。再将单机选择开关SA2旋至“回转台”位置，此时，X5X10中，只有X5为“ 1”态，其余为“ 0”态。因此，PLC只执行跳步区 CJ P4内回转台的单步 程序，而不执行其余跳步区内其它单机的单步程序。因而，按下单步按钮X24X32 ( SB8SB14)中的任意一个时

48、，即可实现对回转台的某一单步运行过程的控制，同时又不会引起其它单机相应单步的运行。同理，在选择开关 SA1、SA2的配合下，通过单步按钮X24X32 ( SB8SB14)还可实现对其他单机的任一单步运行过程的控制。各单机的单步程序的梯形图分别见图4.7图4.10。K53PLC控制技术课程设计说明书36图4.7回转工作台的单机单步程序图4.8钻孔动力头的单机单步程序:匸3m)yau)m ms wj T_Vritu图4.9扩孔动力头的单机单步程序mT1X025X0514?(Y010 X027Y0104F V091伽)(YO20 )图4.10攻丝动力头的单机单步程序全机自动回原点程序4.2.4.1

49、全机自动回原点程序的作用全机自动回原点程序用来快速而方便地将机床中处于任意位置或状态的所有 单机自动地调整到各自的初始位置或初始状态，为全机在半自动或自动方式下运 行做好准备。4.2.4.2 全机自动回原点程序的设计全机自动回原点程序的设计要求是，在工作方式选择开关置于回原点（X0）位置，并按下启动按钮X16（ SB2）后，回转台、各单机都要回到初始位置。在返回的过程中要不得发生运动部件相撞、刀具损坏和电路短路等事故。图4.11是该部分程序的顺序功能图。在这部分中，没有考虑使回转台自动回原点的情况。这是因为在进行回原点操作前，回转台有四种可能的工作位置，而对于这四种可能 的工作位置又没有相应的

50、行程开关进行检测，因此无法确定回转工作台自动回原 点的起始步究竟为哪一步，因而无法设计出使其自动回原点的控制程序，其自动 回原点的调试过程只能通过手动工作方式来实现。根据图4.11可以绘出全机自动回原点程序的梯形图，见图 4.12 o图4.11全机自动回原点工作方式的功能表图IEMl110 I 110 _1112览 m 皿-IIT M(rou Y015 N4MOT( MS J图4.12 全机自动回原点程序5 总结与展望本切削机床的 PLC控制系统具备的功能比较多，就本人设计部分的程序而言 ,它有以下功能和特点：1. 工作方式：具有全机半自动、单机单步、全机自动回原点三种工作方式。2. 具有预开

51、、启动、紧急停止、紧急后退等操作功能。3. 具有在线/离线选择：对回转工作台和各工位的单机都设置了 “在线/离线”选择。4. 采用的指导老师开发的用条件跳步指令将各单机的单步程序相互隔开的设计方案，大大节省了用于各单机的单步控制的操作按钮和PLC的输入点。PLC控制技术课程设计说明书6 参考文献1 许廖山工厂电气控制设备M 北京：机械工业出版社，2002 , 10-14 , 65-752 李铁尧动力头机床 M 北京：机械工业出版社，1991 , 14-153 廖常初可编程序控制器应用技术M 重庆：重庆大学出版社,2002 , 1-3 ,130-1354 戴自祥可编程序控制器原理及应用技巧M 北

52、京：化学工业出版社,2003 ,110-112齐容可编程计算机控制器原理及应用M 西安：西北工业大学出版社,2002 ,25-266袁任光可编程序控制器应用技术与实例M 广州：华南理工大学出版社,1997 , 32-337 刘金祺机床电气自动控制M 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999 , 48-52 ,99-1028 何衍庆可编程序控制器原理及应用技巧M 北京：化学工业出版社,2003 ,15-199 大连组合机床研究所组合机床设计第三册M 北京：机械工业出版社，1976 ,69-72 , 89-9010 GB4728-85 电气图用图形符号M 北京：中国标准出版社 ，1986 , 33-36 , 66-681PLC控制技术课程设计说明书指导教师评语:成绩：指导教师签字：年 月 日