四工位组合机床的PLC控制系统设计毕设.doc

毕 业 设 计

题目： 四工位组合机床的PLC控制系统设计

专 业 机电一体化技术
班 级
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指导教师

目 录
第一部分 设计任务与调研……………………………………………………………1
第二部分 设计说明……………………………………………………………………4
第三部分 设计成果…………………………………………………………………10
第四部分 结束语……………………………………………………………………25
第五部分 致谢………………………………………………………………………26
第六部分 参考文献…………………………………………………………………27

第一部分 设计任务与调研
1.毕业设计的主要任务
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。
组合机床是随着机械工业的不断发展，由通用机床、专用机床发展起来的。通用机床一般用一把刀具进行加工，自动化程度低、辅助时间长、生产效率低，但通用机床能够重新调整，以适应加工对象的变化。专用机床可以实现的多刀切削，自动化程度较高，结构较简单，生产效率也较高。但是，专用机床的设计，制造周期长，造价高，工作可靠性也较差。专用机床是针对某工件的一定工序设计的，当产品进行改进，工件的结构，尺寸稍有变化时，它就不能继续使用。在综合了通用机床、专用机床优点的基础上产生了组合机床。
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。
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。
组合机床具有生产率高、加工精度稳定的优点。因而，在汽车、柴油机、电机、机床等一些具有一定生产批量的企业中得到了广泛应用。目前，组合机床的研制正向高效、高精度、高自动化和柔和性化方向发展。
本文所用组合机床为四工位组合机床，该机床由四个滑台，各载一个加工动力头，组成四个加工工位，除了四个加工工位外，还有夹具，上下料机械手和进料器，四个辅助装置以及冷却和液压系统共14个部分。机床的四个加工动力头同时对一个零件的四个端面以及中心孔进行加工，一次加工完成一个零件，由上料机械手自动上料，下料机械手自动取走加工完成的零件，零件每小时可加工80件。该机床的俯视示意图如下：

图1.1 四工位组合机床示意图
1.工作台 2.主轴 3.夹具 4.上料机械手 5.进料器 5.下料机械手

2.设计的思路、方法
当按下启动按钮后，上料机械手向前，将零件送到夹具上，夹具夹紧零件，进料装置进料，然后四个工作滑台向前，四个加工动力头同时加工，加工完成后，各工作滑台退回原位，接下来下料机械手向前抓住零件，夹具松开，下料机械手带料退回原位并松开，完成一个工作循环。
要求组合机床能以手动、半自动、全自动三种工作方式工作。全自动工作方式为一个工作循环结束后，自动进入下一个工作循环；半自动工作方式为一个工作循环结束后，机床将停车于初始状态；手动方式是用于手动调整的。

第二部分 设计说明
1. 理论分析
(1)主轴电动机单方向起动，要求有过载及短路保护。
(2)液压泵电动机单方向起动，过载及短路保护。(3)冷却泵电动机单向工作，过载及短路保护。
(3)元件选用
根据上面要求，要选用三台电动机：
M1——控制主轴的电动机；M2——控制液压泵的电动机；M3——控制冷却泵的电动机。再根据电动机的控制要求选择元件：QF——控制总电源的断路器，实现短路和过载保护；FU1～FU3——控制各电动机短路保护；KM1——控制主轴电动机单向工作；KM2——控制液压泵电动机工作；KM3——控制冷却泵电动机工作；FR1～FR3——用与各电动机的过载保护控制。
(4)主电路图设计

图2.1 主电路图

2.设计方案
(1)设计要求
主轴电动机M1和液压泵电动机M2可以同时起停，也可以单独要求在动力头工作进给时，冷却泵电动机M3才接通，但也可以随时调整。
(2)元件选用 KM1～KM3——控制M1～M3单向起动动作接触器； SB1——总停按钮；SB2、SB3——M1与M2起动按钮； SB4、SB5——M1与M2停止按钮； SB6——冷却泵电动机（M3）调整按钮； SB7——冷却泵电动机单独停止按钮； SA1——控制M1与M2的同时与单独起停开关； SA2—实现动力头工进时自动起动与手动调整的开关；FR1～FR3——M1～M3过载保护热继电器； SA3——照明开关； HL1——电源指示灯 EL——照明灯。
(3)控制电路草图根据所选元件与工作要求画出控制电路图，如下图：

图2.2 控制电路图

3 作品特点
组合机床的电气控制,理论上讲,可以采用继电器接触器电气控制系统，单片机控制系统和PLC控制系统来实现。但是在实际工程中往往选择一种经济、有效、性能优越的控制方案，考虑到上述几点，PLC较适合组合机床的电气控制。PLC与继电器-接触器控制系统相比具有以下优点：
(1) 控制逻辑
继电接触式控制系统采用硬接线逻辑，它利用继电器等的触点串联、并联、串并联，利用时间继电器的延时动作等组合或控制逻辑，连线复杂、体积大、功耗也大。当一个电气控制系统研制完后，要想再做修改都要随着现场接线的 改动而改动。这都是硬接线的缘故。所以，继电接触式控制系统的灵活性和扩展性较差。
可编程控制器采用存储逻辑。它除了输入端和输出端要与现场连线以外，而控制逻辑是以程序的方式存储在PLC的内存当中，PLC的灵活性和扩展性强。而且PLC是由中大规模集成电路组装成的，因此，功耗小，体积小。
(2) 控制速度
继电器接触式控制系统的控制逻辑是依靠触点的动作来实现的，工作频率低。触点的开闭动作一般是几十毫秒数量级。而且使用的继电器越多，反映的速度越慢，还是容易出现触点抖动和触点拉弧问题。
可编程控制器是由程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度相当快。通常，一条用户指令的执行时间在微秒数量级。由于PLC内部有严格的同步，不会出现抖动问题，更不会出现触点拉弧问题。
(3) 定时控制和计数控制：
继电接触式控制系统利用时间继电器的延时动作来进行定时控制。用时间继电器实现定时控制会出现定时的精度不高，定时时间易受环境的湿度和温度变化而影响，有些特殊的时间继电器结构复杂，维护不方便。
(4) 可靠性和维护性。
继电接触式控制系统使用了大量的机械触点，连线也多。触点在开闭时会受到电弧的损坏，寿命短。因而可靠性和维护性差。
PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，可靠性高。PLC还配备了自检和监控功能，能自诊断出自身的故障，并随时显示给操作人员，还能动态的监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。

第三部分 设计成果

1.设计成果
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)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。
(4)设计输入输出信号地址表
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：
输入元件数量：
行程开关 12个
按钮24个
选择开关1个
检测元件5个
输出元件数量：
电磁阀16个
接触器6个
指示灯5个
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：

表3-1 输入输出信号地址表
输入信号
输出信号
名称
功 能
编号
名称
功能
编号
1SQ
滑台Ⅰ原位
X0
1YV
夹紧
Y0
2SQ
滑台Ⅰ终点
X1
2YV
松开
Y1
3SQ
滑台Ⅱ原位
X2
3YV
滑台Ⅰ进
Y2
4SQ
滑台Ⅱ终点
X3
4YV
滑台Ⅰ退
Y3
5SQ
滑台Ⅲ原位
X4
5YV
滑台Ⅲ进
Y4
6SQ
滑台Ⅲ终点
X5
6YV
滑台Ⅲ退
Y5
7SQ
滑台Ⅳ原位
X6
7YV
上料进
Y6
8SQ
滑台Ⅳ终点
X7
8YV
上料退
Y7
9SQ
上料器原位
X10
9YV
下料进
Y10
10SQ
上料器终点
X11
10YV
下料退
Y12
11SQ
下料器原位
X12
11YV
滑台Ⅱ进
Y13
12SQ
下料器终点
X13
12YV
滑台Ⅱ退
Y14
1YJ
夹紧
X14
13YV
滑台Ⅳ进
Y15
2YJ
进料
X15
14YV
滑台Ⅳ退
Y16
3YJ
放料
X16
15YV
放料
Y17
4YJ
润滑压力
X17
16YV
进料
Y20
5YJ
润滑液面开关
X20
1KM
Ⅰ主轴
Y21
1SB
总停
X21
2KM
Ⅱ主轴
Y22
2SB
启动
X22
3KM
Ⅲ主轴
Y23
3SB
预停
X23
4KM
Ⅳ主轴
Y24
4SB
润滑故障撤除
X24
5KM
冷却电动机
Y25
1SA
选择开关
X25
6KM
润滑电动机
Y26
5SB
滑台Ⅰ进
X26
1HL
润滑显示
Y27
6SB
滑台Ⅰ退
X27
2HL
Ⅰ、Ⅲ工位滑台原位
Y30
7SB
主轴Ⅰ点动
X30
3HL
Ⅱ、Ⅵ工位滑台原位
Y31
8SB
滑台Ⅱ进
X31
4HL
上料原位
Y32
9SB
滑台Ⅱ退
X32
5HL
下料原料
Y33
10SB
主轴Ⅱ点动
X33

11SB
滑台Ⅲ进
X34

12SB
滑台Ⅲ退
X35

13SB
主轴Ⅲ点动
X36

14SB
滑能Ⅳ进
X37

15SB
滑台Ⅳ退
X40

16SB
主轴Ⅳ点动
X41

17SB
夹紧
X42

18SB
松开
X43

19SB
上料器进
X44

20SB
上料器退
X45

21SB
进料
X46

22SB
放料
X47

23SB
冷却开
X50

24SB
冷却停
X51

(5) 设计PLC控制系统电气原理图
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电气接口图如下图

表3-2 I/O电气接口图

(6) 设计PLC控制系统操作面板
控制系统的操作面板是向PLC控制系统发布控制命令的主令元件组合而成的。本设计中，输入元件共42个其中按钮SB 24个、检测元件YJ 5个、行程开关SQ 12个，选择开关1个，基于对机床工作方式的控制要求，面板上应设有选择开关1SA、预停按钮；鉴于手动调整方式下，相应按钮发出控制命令，驱动组合机床相应部件运动，因此面板上应设相应按钮5SB-24SB，鉴于对组合机床的启动，停止及润滑故障的处理控制，应在操作制面板上设有启动按钮2SB、总停按钮1SB、润滑故障切除按钮4SB、其他输入元件均为检测元件，不在操作面板中设置，由上面综述，可得控制系统操作面板如下图所示

表3-3 控制系统操作面板
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2.作品的特点
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:

表3-4 PLC控制系统工作循环流程图
(1) 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，初始化程序见下图。
(2)设计PLC控制系统手动及显示梯形图程序
本设计的手动程序与显示程序均为用经验法设计的梯形图。
手动程序：主要在调整和检修时使用。
为了对滑台的进退、上料器的进退、夹具的加紧松开等进行调整与控制，设计了相应的手动程序，设计手动程序时应注意互锁的设计。
显示程序：根据机床的工作状态，驱动相应指示灯显示。如手动及显示梯形序图。
3.佐证材料
状态转移图，它是完整地描述控制系统的工作过程，功能和特性的一种图形，是分析和设计电路系统控制程序的重要工具。本设计的状态转移图按下列几步进行的
(1)按组合机床的控制要求与加工工艺画出状态转移图。
(2)在画出的状态转移图上以PLC输入点或其他元件定义状态转换条件。
(3)按照电控系统提供的电气执行元件功能表，在状态流程图上对每个状态和动作命令配画上实现该状态或动作命令的控制功能的电 执行元件，并以对应的PLC输出点的编号定义这些电气执行元件。
由状态转移图易的相应的梯形图程序，它们二者是一一对应关系，梯形图程序请见图

表3-5 设计PLC控制系统初始化梯形图程序

表3-6 PLC控制系统手动及显示梯形图程序

图5.4 PLC控制系统梯形图

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
(1) 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。然后传入PLC内。
(2)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。
(3)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。

第四部分 结束语
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。

第五部分 致谢
这次毕业设计得到了很多老师、同学和同事的帮助，其中我的导师 对我的关心和支持尤为重要，每次遇到难题，我最先做的就是向 寻求帮助，而老师每次不管忙或闲，总会抽空来找我面谈，然后一起商量解决的办法。
另外，感谢校方给予我这样一次机会，能够独立地完成一个课题，并在这个过程当中，给予我们各种方便，使我们在即将离校的最后一段时间里，能够更多学习一些实践应用知识，增强了我们实践操作和动手应用能力，提高了独立思考的能力。再一次对我的母校表示感谢。
感谢在整个毕业设计期间和我密切合作的同学，和曾经在各个方面给予过我帮助的伙伴们，在大学生活即将结束的最后的日子里，把一个庞大的，从来没有上手的课题，圆满地完成了。正是因为有了你们的帮助，才让我不仅学到了本次课题所涉及的新知识，更让我感觉到了知识以外的东西，那就是团结的力量。
最后，感谢所有在这次毕业设计中给予过我帮助的人。
对上述朋友，再一次真诚地表示感谢!

第六部分 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] 郭健 日本三菱FXON系列PLC运行调试及故障诊断 职台职业技术学院学报 2002
[4] 张筱琪 机电设备控制基础 北京：中国人大出版社 2000
[5] 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
[6] 三菱公司编1FX系列可编程序控制器使用说明及编程手册 1998
[7] 宋德玉主编. 可编程序控制器原理及应用系统设计技术. 北京：冶金工业出版社，2001