PLC在数控机床上的应用毕业论文.doc

安徽农业大学毕业论文
PLC在数控机床上的应用

专业：
班级：
姓名： 江宗萍
学号：
指导老师： 何严明
日期：2014年4月15日
11
摘 要
数控机床的控制部分可分为数字控制和顺序控制两部分。数字控制部分包括对各坐标轴位置的连续控制。而顺序控制包括对主轴正/反转和启动/停止、换刀、卡盘夹紧和松开、冷却、尾架、排屑等辅助动作的控制。现代数控机床采用可编程控制器（PLC）代替继电器控制来完成逻辑控制。使数控机床结构更紧凑。功能更丰富。响应速度和可靠性大大提高！
目前， PLC广泛应用于数控机床等工业控制中。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。
组合机床是针对特定工件，进行特定加工而设计的一种高效率自动化专用加工设备，这类设备大多能多刀同时工作，并且具有自动循环的功能。组合机床通常由标准通用部件和加工专用部件组合构成，动力部件采用电动机驱动或采用液压系统驱动，由电气系统进行工作自动循环的控制，是典型的机电或机电液一体化的自动加工设备。
本文介绍了PLC在组合机床控制中的应用，在制作组合机床PLC控制系统工作循环流程图的基础上，设计了PLC控制系统初始化梯形图程序，并通过实验室电气原理图仿真对程序进行了成功调试。
关键词：PLC 组合机床 工作循环流程图 梯形图程序 电气原理图仿真 调试
目 录
第1章 绪论 1
1.1 组合机床概述 1
第2章PLC在数控机床中的应用 2
2.1 PLC在数控机床中的应用形式 2
2.2 PLC与数控系统及数控机床间的信息交换 2
2.3 PLC在数控机床中的工作流程 3
2.4 PLC在数控机床中的控制功能 3
第3章 PLC与数控机床外围电路的关系 4
3.1 PLC对外围电路的控制 4
3.2 PLC对外围设备的控制 4
第4章 控制系统软件设计 5
4.1 设计PLC控制系统工作循环流程图 5
4.2 设计PLC控制系统初始化梯形图程序 6
4.3 实验室电气原理图仿真及程序调试 6
结 论 9
参考文献 9

第1章 绪论
1.1 组合机床概述
专用机床是为一定的加工对象设计和制造的,用来专门完成一种工件的一道或几道工序。这种机床通常是用很多刀具同时进行切削，且实现了辅助动作的自动化，故生产效率高。能稳定地保证加工质量。同时还可减轻劳动强度。但专用机床是针对某种特定零件的特定工序设计的，当产品更新或加工对象稍有改变时。它很难重新改装,往往需要另行设计制造。
组合机床是专用机床的一种重要类型。它是一种自动化或半自动化的机床，是由通用部件及少量专用部件组合起来的高效率专用机床，无论是机械电气控制或液压电气控制的，都能实现自动循环。组合机床通用部件按功能可分为动力部件、支承部件、输送部件、控制部件和辅助部件五类。动力部件是为组合机床提供主运动和进给运动的部件，主要有动力箱、切削头和动力滑台。支承部件是用以安装动力滑台、带有迸给机构的切削头或夹具等的部件。底座有侧底座、中间底座、支架、可调支架、立柱和立柱底座等。输送部件是用以输送工件或主轴箱至加工工位的部件，主要有分度回转工作台、环形分度回转工作台、分度鼓轮和往复移动工作台等。控制部件是用以控制机床的自动工作循环的部件。有液压站、电气柜和操纵台等。辅助部件有润滑装置、冷却装置和排屑装置等。
组合机床克服了一般专用机床的缺点。它概括分析了各种专用机床的构造,将其划为若干具有一定功能的独立部件。一些独立的部件在配置各种不同结构型式的专用机床时可以互相通用。

第2章 PLC在数控机床中的应用
2.1 PLC在数控机床中的应用形式
PLC在数控机床中应用，通常有两种形式：一种称为内装式；一种称为独立式。
内装式PLC也称集成式PLC，采用这种方式的数控系统，在设计之初就将NC和PLC结合起来考虑，NC和PLC之间的信号传递是在内部总线的基础上进行的，因而有较高的较高交换速度和较宽的信息通道。它们可以共用一个CPU也可以是单独的CPU这种结构从软硬件整体上考虑。 PLC 和NC 之间没有多余的导线连接。增加了系统的可靠性。而且NC 和PLC之间易实现许多高级功能。PLC 中的信息也能通过CNC 的显示器显示。这种方式对于系统的使用具有较大的优势。高档次的数控系统一般都采用这种形式的PLC。
独立式PLC也称外装式PLC，它独立于NC装置，具有独立完成控制功能的PLC。在采用这种应用方式式，可根据用户自己的的特点，选用不同专业PLC厂商的产品，并且可以更为方便的对控制规模进行调整。
2.2 PLC与数控系统及数控机床间的信息交换
相对于PLC，机床和NC就是外部。PLC与机床以及NC之间的信息交换，对于PLC的功能发挥，是非常重要的。PLC与外部的信息交换，通常有四个部分：
一、机床侧至PLC：机床侧的开关量信号通过I/O单元接口输入到PLC中，除极少数信号外，绝大多数信号的含义及所配置的输入地址，均可由PLC程序编制者或者是程序使用者自行定义。数控机床生产厂家可以方便的根据机床的功能和配置，对PLC程序和地址分配进行修改。
二、PLC至机床：PLC的控制信号通过PLC的输出接口送到机床侧，所有输出信号的含义和输出地址也是由PLC程序编制者或者是使用者自行定义。
三、NC至PLC：CNC至PLC:CNC送至PLC的信息可由CNC 直接送入PLC的寄存器中,所有CNC送至PLC的信号含义和地址(开关量地址或寄存器地址) 均由CNC 厂家确定,PLC编程者只可使用不可改变和增删。如数控指令的M、S、T 功能,通过CNC译码后直接送入PLC相应的寄存器中。
四、 PLC至CNC：PLC 送至CNC 的信息也由开关量信号或寄存器完成,所有PLC送至CNC的信号地址与含义由CNC 厂家确定,PLC 编程者只可使用,不可改变和增删。
2.3 PLC在数控机床中的工作流程
PLC在数控机床中的工作流程，和通常的PLC工作流程基本上是一致的，分为以下几个步骤：
一、输入采样：输入采样，就是PLC以顺序扫描的方式读入所有输入端口的信号状态，并将此状态，读入到输入映象寄存器中。当然，在程序运行周期中这些信号状态是不会变化的，除非一个新的扫描周期的到来，并且原来端口信号状态已经改变，读到输入映象寄存器的信号状态才会发生变化。
二、程序执行：程序执行阶段系统会对程序进行特定顺序的扫描，并且同时读入输入映像寄存区、输出映像寄存区的读取相关数据，在进行相关运算后，将运算结果存入输出映像寄存区供输出和下次运行使用。
三、出刷新阶段：在所指令执行完成后，输出映像寄存区的所有输出继电器的状态（接通/断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过特定方式输出，驱动外部负载。
2.4 PLC在数控机床中的控制功能
一、操作面板的控制。操作面板分为系统操作面板和机床操作面板。系统操作面板的控制信号先是进入NC，然后由NC送到PLC，控制数控机床的运行。机床操作面板控制信号，直接进入PLC，控制机床的运行。
二、机床外部开关输入信号。将机床侧的开关信号输入到送入PLC，进行逻辑运算。这些开关信号，包括很多检测元件信号(如：行程开关、接近开关、模式选择开关等等)
三、输出信号控制：PLC输出信号经外围控制电路中的继电器、接触器、电磁阀等输出给控制对象。
四、功能实现。系统送出T指令给PLC，经过译码，在数据表内检索，找到T代码指定的刀号，并与主轴刀号进行比较。如果不符，发出换刀指令，刀具换刀，换刀完成后，系统发出完成信号。
五、M功能实现。系统送出M指令给PLC，经过译码，输出控制信号，控制主轴正反转和启动停止等等。M指令完成，系统发出完成信号。

第3章 PLC与数控机床外围电路的关系
3.1 PLC对外围电路的控制
数控机床通过PLC对机床的辅助设备进行控制，PLC对对外围电路的控制来实现对辅助设备的控制的。PLC接受NC的控制信号以及外部反馈信号，经过逻辑运算、处理将结果以信号的形式输出。输出信号从PLC的输出模块输出，有些信号经过中间继电器控制接触器然后控制具体的执行机构动作，从而实现对外围辅助机构的控制。有些信号不需要通过中间环节的处理直接用于控制外部设施，比如说，有些直接用低压电源驱动的设备（如：面板上的指示灯）。也就是说每一个外部设备（使用PLC控制的）都是由PLC的一路控制信号来控制的，也就是说每一个外部设备（使用PLC控制的）都在PLC中和一个PLC输出地址相对应。
3.2 PLC对外围设备的控制
PLC对外围设备的控制，不仅仅是要输出信号控制设备、设施的动作，还要接受外部反馈信号，以监控这些设备设施的状态。在数控机床中用于检测机床状态的设备或元件主要有，温度传感器、震动传感器、行程开关、接近开关等等。这些检测信号有些是可以直接输入到PLC的端口，有些必须要经过一些中间环节才能够输入到PLC的输入端口。
无论是输入还是输出，PLC都必须要通过外围电路才能够控制机床的辅助设施的动作。在PLC和外围电路的关系中，最重要的一点就是外部信号和PLC内部信号处理的对应。这种对应关系就是前面所说的地址分配，就是将每一个PLC中地址和外围电路每一路信号相对应。这个工作是在机床生产过程中，编制和该机床相对应的PLC程序时，由PLC程序编制工程师定义。当然做这样的定义必须遵循必要的规则，以使PLC程序符合系统的要求。

第4章 控制系统软件设计
4.1 设计PLC控制系统工作循环流程图
根据本设计的控制与工艺要求，按机床的动作顺序及每步所完成的任务，可得工作循环流程图如图1-1：

图1-1 PLC控制系统工作循环流程图
4.2 设计PLC控制系统初始化梯形图程序
初始化程序主要用来处理组合机床的各种号，如启动，预停，总停以及各种的原始信号，机床启动前应具备的各种初始信号，工作方式选择信号，各种复位信号，并将处理结果作为机床启动，停止，程序转换的依据，初始化程序一般用经验法设计。根据控制要求，采用STL指令，来定义相应的工作方式，手动，自动，利用预停按钮来控制全自动与半自动工作状态的切换，并利用定时器设定了润滑电动机间歇时间，初始化程序见图1-2。
4.3 实验室电气原理图仿真及程序调试
本次设计的电气原理仿真及程序调试是在工业技术中心PLC实验室完成的，并按下列步骤依次进行
一、检验程序
将编好的应用程序输入到微机内，利用软件进行程序检验，起初有几处编程语法错误，经过几次认真修改后，程序无误后传入PLC内。
二、信号模拟
用实验台上的模拟开关模拟输入信号，接入相对应的输入端点。输入程序后，扳动开关，接通或断开模拟开关，用来模拟相应按钮动作及机械动作使检测元件状态发生的变化，并通过输入输出指示灯来观查输入输出端点的状态变化，经观察模拟开关与PLC连接正确。
三、按程序进行模拟运行
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，电气原理图仿真及程序调试成功。

图1-2 设计PLC控制系统初始化梯形图程序

结 论
PLC作为新一代的工业控制装置，具有开发柔性好，接线简单，安装方便，抗干扰性强等特点，用它来控制四工位组合机床这样复杂的生产设备，是理想的选择。PLC 的采用,降低了机床的故障率,节省了大量的维修费用,提高了整机的可靠性，保证了工件的精度要求。
通过此次毕业设计使我加深了对PLC的理解，了解了其型号规格并能正确使用。掌握了PLC的基本原理及编程方法，能够根据工艺过程和控制要求进行系统设计和编制应用程序。熟悉了典型设备电气控制系统，具有了从事电气设备安装调试、维修管理等方面的能力。提高了设计和改进一般机械设备电气控制的基本能力。
参考文献
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[2] 段苏振 提高PLC控制系统可靠性的设计因素 电气传动 2003
[3] 张筱琪 机电设备控制基础 北京：中国人大出版社 2000
[4] 王兆义 小型可编程控制器实用技术 北京：机械工业出版社 1997

1. 基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究
2. 基于单片机的嵌入式Web服务器的研究
3. MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究
4. 基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制
5. 基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究
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