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六工位机床课程设计

精品文档

《电气控制与PLC工程应用》
课程设计报告

课程设计题目：六工位组合机床
班 级：电气工程及其自动化1班
姓 名
学 号：
指 导 老 师:

2012 年 6 月28 日

《电器与可编程控制器》课程设计任务书
学年学期：2011/2012 第2学期
专业班级：09电气工程及其自动化
指导教师：
设计时间：2012年6月25日～30日
学时周数：1周
一、设计目的
本课程设计是电气工程专业教学计划中不可缺少的一个综合性教学环节，是实现理论与实践相结合的重要手段。它的主要目的是培养学生综合运用本课程所学知识和技能去分析和解决本课程范围内的一般工程技术问题，建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序和方法。通过课程设计使学生得到工程知识和工程技能的综合训练，获得应用本课程的知识和技术去解决工程实际问题的能力。
二、设计任务及要求
设计任务
机加工自动线的机械部分主要由铣端面、钻孔、检查、扩孔、镗孔、攻丝、转位、钻深孔和上、下料等十个工位和输送带、定位机构、夹紧机构组成，单面加工，随行夹具传送工件，其平面布置图如下图所示。各工位动力头主轴的旋转运动由电动机拖动，而输送带步进装置、定位机构、夹紧机构、各工位动力头滑台、检查机构、转位机构等的运动则由液压系统拖动。液压系统的液压泵由一台电动机拖动。此外，机加工自动线还配有一台冷却泵，用来在加工时对各动力头的刀具和工件的加工面进行冷却。冷却泵由一台电动机拖动。

机加工自动线平面布置示意图
机加工自动线各单机工作循环图

在自动线起动前，先起动液压泵电机和冷却泵电机，再接通PLC电源，PLC开始运行，其初始化辅助继电器发出初始化脉冲，使PLC用户程序进入初始步。在上述6个初始条件全部具备后，按下自动线起动按钮，控制系统即发出输送带向前主令，于是输送带向前，将工件送人各加工工位。当工件被送人加工工位后，控制系统发出定位主令，各工位定位机构对工件定位后，控制系统发出夹紧主令。夹紧机构对工件夹紧后，控制系统发出输送带向后，各动力头快进。检查机构向前，转位机构抬起主令。此后，各动力头、检查机构、转位机构按各自的程序运行。当各动力头加工完成，检查头检查完成，转位机构转位完成，并都返回各自的原位而进入等待步后，控制系统发出拔销、松开主令。各工位的定位、夹紧机构拔销松开后，自动线的一个工作循环即告结束。
1.根据控制对象的用途、基本结构、运动形式、工艺过程、工作环境和控制要求，确定控制方案。
2. 绘制主轴电动机的电气原理图、控制系统的PLC I/O接线图和梯形图，写出指令程序清单。
3.选择电器元件，列出电器元件明细表。
4.编写设计说明书。
设计要求
1、所选控制方案合理，所设计的控制系统能够满足控制对象的工艺要求，并且技术先进，安全可靠，操作方便。
2.所绘制的设计图纸符合国家标准局颁布的GB4728－84《电气图用图形符号》、GB6988－87《电气制图》、GB7159－87《电气技术中的文字符号制定通则》。
3.所编写的设计说明书应重点突出，层次清楚，条理分明，篇幅不少于7000字。
三、设计时间进度安排
1.2012年6月25日上午：课题内容介绍。
2.2012年6月25日下午：仔细阅读设计任务书，明确设计任务与要求，收集设计资料，准备设计工具。确定控制方案。绘制电气原理图、控制系统的PLC I/O接线图和梯形图，
3.2012年6月26日～2012年6月28日：写出指令程序清单。设计控制系统的工艺图纸。选择电器元件，列出电器元件明细表。
4. 2012年6月29日上午：编写设计说明书,准备答辩。
5. 2012年6月29日下午：答辩。
四、成绩考核
设计70％ 答辩与考勤30％

目录
《电器与可编程控制器》课程设计任务书 2
第1章 绪论 6
1.1组合机床概述 6
1.2 PLC概述 8
第2章电气原理图设计（硬件设计） 10
2.1选择PLC机型 10
2.2元件明细表 10
2.3设计输入输出信号地址表 11
2.4设计PLC控制系统电气原理图 12
第3章PLC程序设计 13
3.1程序状态转移图 12
3.2总体程序和公用程序图 13
3.3梯形图和指令表 13
第四章 操作与调试 15
第五章课程设计总结 15
附件
参考文献

第1章 绪论
1.1组合机床概述
　组合机床是机械制造业中的主要加工工具, 因为绝大多数机械零件都是由机床加工而成的。组合机床水平的高低, 对提高生产率, 提高产品质量, 减轻工人的体力劳动等方面起着重要的作用。传统的控制方式是利用继电器接触器设计的控制系统, 由于组合机床要实现多种操作方式, 传统的控制系统已不能满足目前技术发展的需要。本文提出采用PLC控制技术, 它能对零件进行铣端面、钻孔、检查、扩孔、镗孔、攻丝、转位、钻深孔等工序的加工设备。它具有全自动、半自动、手动三种工作方式。整个过程具有预开、启动、预停、紧急停止、紧急后退和记数等功能, 具有各动力头在线/离线选择、超节拍保护、短路保护、过载保护、失压保护、液压过大保护、夹紧力不足保护等功能, 具有故障报警和故障显示功能, 具有工作方式显示、工作状态显示等功能。对六工位组合机床运行状态进行监控, 能够实时看到机床现场的运行状况, 不仅节省了人力, 更重要的是改善了工人的工作环境, 提高了工作效率和经济效益。PLC控制的专用组合机床和从前的杠杆加工设备相比, 大大提高了生产效率, 缩短了加工时间, 提高了加工质量和精度, 提高了设备的可靠性, 减轻了劳动强度, 降低了生产成本。
常见的组合机床，标准通用部件有动力滑台各种加工动力头以及回转工作台等，可用电动机驱动，也可用液压驱动。各标准通用动力部件组合构成一台组合机床时，该机床的控制电路可由各动力部件的控制电路通过一定的连接电路组合构成。多动力部件构成的组合机床，其控制通常有三方面的工作要求：第一方面是动力部件的点动和复位控制。第二方面是动力部件的半自动循环控制。第三方面是整批全自动工作循环控制。
本机床对零件进行铣端面、打中心孔、攻丝等工序的加工, 采用上料\ 下料机械手传送工件, 按照工位要求进行加工, 并安排下料机械手取走加工完的工件。整个的工作过程是这样的: 在自动线起动前，先起动液压泵电机和冷却泵电机，再接通PLC电源，PLC开始运行，其初始化辅助继电器发出初始化脉冲，使PLC用户程序进入初始步。在上述6个初始条件全部具备后，按下自动线起动按钮，控制系统即发出输送带向前主令，于是输送带向前，将工件送人各加工工位。当工件被送人加工工位后，控制系统发出定位主令，各工位定位机构对工件定位后，控制系统发出夹紧主令。夹紧机构对工件夹紧后，控制系统发出输送带向后，各动力头快进。检查机构向前，转位机构抬起主令。此后，各动力头、检查机构、转位机构按各自的程序运行。当各动力头加工完成，检查头检查完成，转位机构转位完成，并都返回各自的原位而进入等待步后，控制系统发出拔销、松开主令。各工位的定位、夹紧机构拔销松开后，自动线的一个工作循环即告结束。
该机床的俯视示意图如下：

图1.1 六工位组合机床示意图
1.2 PLC概述
可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统，它采用一种可编程程序的存储器，在其内部存储执行逻辑算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式、模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备和生产过程。可编程控制器及其有关设备的设计原则是它应该易与工业控制联成一个整体且具有扩充功能。PLC产品能直接在工业环境中应用，对环境的适应能力强。PLC体积小、功能强、速度快，可靠性高，又具有较大的灵活性和扩展性。PLC还有一个重要特性是它具有在线修改功能。它借助于软件来实现重复的控制，软件本身具有修改性，所以PLC具有灵活性。从而使PLC具有广泛的工业通用性，同时简化了硬件电路，也提高了PLC系统的可靠性。据不完全统计，FX系列PLC平均故障间隔大于20000~50000h，而平均修复时间则小于10min；PLC机能处理工业现场的强电信号，如交流220V、直流24V，并可直接驱动功率部件，可长期工作在严酷的工业环境能够中。编程采用传统的继电器符号语言，便于工程技术人员掌握，PLC是在按钮开关，限位开关和其它传感器等发出的监控输入信号作用下进行工作。根据信号，控制器就会作出反映，通过用户编程的内部逻辑便产生输出信号，而且这些输出信号可直接控制外部的控制系统负载，如电机，接触器，指示灯，电磁阀等。PLC的控制系统省去了传统的继电器控制接线和拆线的麻烦。用PLC的编程逻辑提供了能随要求而改变的“间接网络”，这样生产线的自动化过程就能随意去改变，这种性能使PLC具有较高的经济效益。
plc硬件结构包括：1、电源2、中央处理单元（cpu）；3、存储器4、输入输出接口电路；5、功能模块6、通信模块。
plc工作原理：当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段， 即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

第2章电气原理图设计（硬件设计）
2.1选择PLC机型
合理选择PLC的型号，对于提高PLC控制系统的技术经济指标起着重要作用。选择机型的基本原则是在功能满足要求的前提下，保证可靠，维护使用方便以及最佳功能价格比。
（1） 结构选择
PLC主要有整体式和模块式。
整体式PLC：整体式PLC的每一个点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对小，一般用于系统工艺过程较为固定，环境条件较好，维修量较小的小型控制系统中。
模块式PLC：模块式PLC功能扩展灵活方便。在点数上，输入点数，输出点数的比例，模块的种类方面选择余地大，且维修方便，一般用于较复杂的控制系统。
对于组合机床，选用整体式PLC较好。
（2） I/O点选取原则
PLC平均的I/O点价格比较高，因此应该合理选用PLC的I/O点数量，在满足控制要求的前提下力争使用的I/O点最少，但必须留有一定余量。通常I/O点数是根据被控制对象的输入输出信号的实际需要，再加上10%-20%的余量来确定。
由PLC组成的四工位组合机床控制系统有输入信号42个，均为开关量。其中检测元件17个，按钮开关24个，选择开关1个。
电控制系统有输出信号27个，其中电磁阀16个，六台电动机的接触器和5个指示灯。根据I/O点数的选取原则考虑10%-20%的I/O点数余量输入点数可选取46-50个输出点数可选取29-33个。
（3） 确定PLC机型及扩展模块。
根据（1）（2）及实际PLC机型点数，选用FX2N-64MR主机和一个16点的输入扩展模块（FX-16EX）这样共有输入点（32+16）。输出点就是主机的32。足够可以满足42个输入，27个输出的要求，而且留有一定余量。
2.2元件明细表
输入输出信号地址表是将输入输出列成表，给出相应的地址和名称，以备软件编程和系统调试时使用的一种表。由本设计可知控制电路中的按钮，行程开关，检测元件等触点都属于PLC的输入设备，PLC的输出控制对象主要是控制电路中的执行元件，本设计主要是接触器，电磁阀，指示灯。根据电控系统的输入输出信号表知：
名称
元件符号
型号与规格
数量
备注
刀开关
QF
DZ5-20/330
1

熔断器
FU1-5
RL1-15
13

FU6
BLX-1
2

按钮
SB
LA2型,
24
开起式,550V,5A
转换开关
SA
LW6-2/B
7

行程开关
SQ
LXJ-1A
12

接触器
KM
CJX1-12
6

压力继电器
KP
DP-63B
1

电动机
M
JO2-31-4
3

电磁阀
YV
MFZ1-0.7
9

中间继电器
KA
HH54
9

指示灯
HL
XD-1-6.3,6.3V,1W,0.18A
9

变压器
TC
BK-100型,380/220-110
变压器

时间继电器
KT
ST3PC
1

二极管
VD
ZPZ17A-X
4

电容
C
选耐压50V,470
1

2.3设计输入输出信号地址表
根据本设计选用的PLC机型，将输入输出元件分配到PLC的输入输出接口。根据本文所给的输入输出元件可列下表2-1

I/O接口图它反映的是PLC输入输出模块与现场设备的连接。PLC的输入点大部分是共点式，即所有输入点具有一个公共端COM。
I/O电气接口图见附件
2.4设计PLC控制系统电气原理图
见附件

第三章PLC程序设计
六工位组合机床PLC软件设计工作流程图主要描述控制的具体过程,从流程图中可以看出,按下启动按钮SB3,系统启动,即从输入端口X000读入开始信息;再按下SA(对应输入端口X005)选择自动或是手动操作;再到状态继电器S600,并输出端口Y437;再到输入端口X401(回转工作台转位命令),如此进行下去,一个操作对应着一个输入端口,并由相应的输出端口输出命令。梯形图是一种图形语言,它沿用继电器的触点、线圈、串并联等术语和图形符号,并增加了一些继电接触控制中没有的符号,本次设计的梯形图在主控线路中布有各电机的常闭触电,可以对电机起到保护作用;程序设计中运用了步进指令,步进指令的运用可以使多工步的控制按照一定的顺序分步动作,其不仅可以简单、直观地的表示顺序操作的流程图,而且可以非常容易地设计多流程顺序控制,并减少了程序条数。
3.1程序状态图：

3.2总体程序和公用程序图

3.3梯形图和指令表（见附件）

第四章 操作与调试
4.1
将电动机、控制系统按要求连线，导入PLC程序送PLC机调式，先对照输入信号表，设置好原始状态下所有输入信号的状态，再使PLC运行，按下相应按钮，按梯形图程序，观察输出情况，经观察符合程序设定的输出；按工步状态在一个工作循环里逐步转换的顺序依次发出状态转移指令信号，系统将结束一个工步状态转入下一个工步状态，将转换情况和已编的程序相比较，知转换情况与程序设定的输出情况相同，在调试过程中注意各部分是否满足要求，有无失步现象，依次调试各个步骤，看是否满足要求。
系统调试时将手动与自动控制操作独立开来,在单机程序调试成功后,再将系统转入自动连续控制,最后进行整个系统的试运行。经过一段时间运行表明,该系统性能可靠,自动化程度高,完全能满足生产工艺的要求,不仅提高了生产效率,而且大大减轻了劳动强度,改善了工作环境。
第五章课程设计总结
一周的课程设计让我受益匪浅，发现了很多问题，明白了书本上的知识是很有限的，在这次课程设计中，第一次用CAD来画图，刚开始的时候非常的不熟悉，导致在话I/O接线图时，布局不够完美，同时也发现了CAD软件的强大之处，无论是三维还是二维都能够很好的画出来，我想这是我在这次课程设计中学到的一个非常重要的内容，此外，对PLC有了深刻的理解和对PLC在机床的控制作用有了进一步的掌握，并且对如何编写PLC程序和状态转移图、梯形图、有了深刻的体会。
在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。
　　课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程.”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义.我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础.
　　在这次设计过程中，体现出自己单独设计模具的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。
　　在此感谢我们的刘老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样;老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪;这次模具设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。
　　同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持。
附件
I/O接线图：

电气原理图：（主电路）

控制电路：

梯形图：

指令表图：

[参考文献]
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