【畢業(yè)論文】基于PLC的兩工位鉆孔攻絲組合機床控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

1、JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ基于PLC的兩工位鉆孔攻絲組合機床控制系統(tǒng)設(shè)計摘要 隨著機床行業(yè)和控制技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，根據(jù)生產(chǎn)的實際需要，機床的升級改造已成為一種新興的行業(yè)。通過對現(xiàn)有機床的全部或局部結(jié)構(gòu)進行改造，來提高機床的各項技術(shù)指標，對于實現(xiàn)資源的合理利用和促進經(jīng)濟增長起到重要的作用。 本課題主要研究的是采用PLC控制兩工位鉆孔攻絲組合機床的動作。兩工位鉆孔攻絲組合機床通電后能自動完成工件的鉆孔和攻絲加工。在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的設(shè)備中，通常采用的是繼電器控制，這種控制系統(tǒng)可靠性低，而采用PLC進行控制改造

2、后，系統(tǒng)可靠性明顯提高。 本次設(shè)計的重點在于控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計，根據(jù)工藝要求選擇了控制系統(tǒng)所需要的電氣元件，繪出電力拖動系統(tǒng)的主回路電路圖、PLC的外部接線圖。論文根據(jù)機床的加工要求設(shè)計了PLC控制的程序，以及對機床的調(diào)試進行了簡要的概括。關(guān)鍵詞： PLC控制 程序設(shè)計 調(diào)試 組合機床The Design Of The Control System Of two worktables drilling tapping combination machine Based On The PLCABSTRACT Along with the development of machine tool i

3、ndustry and technology continues to progress according to the actual needs of the production machine ,upgrading has become a new growth industry based on the existing machine tools in whole or in part the structure upgrades to improve machine tool technology index. To achieve rational use of resourc

4、es and promote economic growth plays an important role in. This topic main research is to use PLC to control two worktables drilling tapping modular machine tool operation. Two worktables drilling tapping modular machine tool by the system can automatically complete the workpiece. In the control sys

5、tem of the traditional is commonly used in the relay control, and this control system reliability is low, but when it is controlled by a PLC transformation, system reliability is obviously improved. The focus of this design is that the control system hardware design, according to the process require

6、ments of electrical components control system requires the choice, Drawing the external wiring diagram of main circuit diagram and the PLC electric drive system. This paper designs a PLC control program according to the machine processing requirements, and commissioning of the machine are summarized

7、.KEY WORDS: PLC control The program design debug Combination machine tools 前言 兩工位鉆孔攻絲組合機床主要用來給工件鉆孔和攻絲的，是人類經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要工具之一。目前，許多工廠的兩工位鉆孔攻絲組合機床都還是用接觸器的邏輯關(guān)系控制的。由于繼電器系統(tǒng)接線比較復雜，故障的診斷與排除較難，造成這些企業(yè)的生產(chǎn)率低下，效益差。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域的應用越來越廣，如果嘗試著將PLC應用在機床上，這樣不僅提高了系統(tǒng)的精度，而且還可以為國家節(jié)約大量的資源。 組合機床是以通用部件為基礎(chǔ)的，再配以按工件特定形狀和

8、加工工藝來設(shè)計的專用部件和夾具，組成半自動和自動的專用機床。一般多采用多軸、多工序、多刀、多工位或多面同時加工的方式，生產(chǎn)效率比通用機床高幾倍至幾十倍。而加入了PLC則使組合機床抗干擾能力增強，提高了可靠性，使得功能完善，控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試方便，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單化，通用性增強，應用更加靈活，編程更加方便。通過對原有資料的查閱和很多人不斷的實踐證實了用PLC進行兩工位鉆孔攻絲組合機床的控制系統(tǒng)改造是可行的。PLC是整個機床電氣控制系統(tǒng)的核心，也是重要途徑。結(jié)合我國現(xiàn)有機床建設(shè)的實際，掌握PLC的關(guān)鍵支持技術(shù)，這對于提高制造業(yè)重要意義。為了能將該系統(tǒng)成功的改造，首先應該明確PLC的特性?？?/p>

9、編程控制器是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設(shè)計的進行數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。當前，我國正處在全面建設(shè)小康社會和大力提高經(jīng)濟發(fā)展的重要時期，如果將這一改造技術(shù)在機床改造上進行推廣，這將對我國經(jīng)濟的發(fā)展做出重要的貢獻。 本次課題設(shè)計的主要功能是實現(xiàn)兩工位鉆孔攻絲組合機床在加工過程中的控制。我采用的是PLC程序控制方法。機床主要由鉆孔滑臺、攻絲滑臺、移動工作臺、夾具、鉆孔動力頭、攻絲動力頭、床身、滑臺移動控制凸輪和液壓系統(tǒng)組成。工作臺的

10、移動包括左移和右移以及夾具的動作包括夾緊和放松，鉆孔滑臺和攻絲滑臺的移動包括前移和后移，都由液壓系統(tǒng)控制與執(zhí)行的，其中鉆孔滑臺和攻絲滑臺的移動是通過控制凸輪來控制滑臺移動液壓系統(tǒng)的液壓閥實現(xiàn)的,電氣系統(tǒng)不參與，只需啟動控制凸輪電機即可，控制過程不在本次設(shè)計范圍之內(nèi)。論文簡要介紹了PLC的發(fā)展、特點與應用，重點介紹PLC的編程特點和方式。 第一章 緒論 1.1 課題的提出和控制系統(tǒng)要求1.1.1 課題的提出當前，許多工廠用的兩工位鉆孔攻絲組合機床都是以接觸器的邏輯關(guān)系來控制的。隨著制造行業(yè)的不斷進步與發(fā)展，用這種老式機床進行加工已經(jīng)達不到工藝精度要求。隨著科技的不斷創(chuàng)新，PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域的應

11、用已越來越廣泛，而我對PLC控制有一定的了解，就想如果試著將PLC應用在老式機床上，系統(tǒng)的可靠性應該可以明顯提高，所以就確定了這個題目。1.1.2 兩工位鉆孔攻絲組合機床的工藝流程對控制系統(tǒng)的要求 1. 兩工位鉆孔攻絲組合機床的概述機床主要由鉆孔滑臺、攻絲滑臺、移動工作臺、夾具、鉆孔動力頭、攻絲動力頭、床身、控制滑臺移動的凸輪和液壓系統(tǒng)等組成。如下圖1-1所示。 圖1-1為兩工位鉆孔攻絲組合機床的結(jié)構(gòu)示意圖，機床的左、右分別為鉆孔和攻絲的刀具，中間為工作臺，左側(cè)為I工位也就是鉆孔工位，右側(cè)為II工位即為攻絲工位，可以完成對工件鉆孔攻絲的工作。 2. 工藝流程 工件推入夾具按啟動按鈕夾緊工件左側(cè)

12、鉆孔工作臺右移右側(cè)攻絲工作臺左移放松工件，手動拉出工件完成一個工作循環(huán)。3. 刀架的控制工作臺的動作要與鉆孔滑臺和攻絲滑臺相互配合，只有鉆孔與攻絲滑臺在原位時，工作臺才可以運動。 4. 設(shè)置必要的連鎖為了保證機床的各部位能夠安全可靠的工作，并且動作互相協(xié)調(diào)，需要設(shè)置必要的保護裝置，來避免由于機床誤動作而引起的損壞甚至人身事故等。 圖1-1 兩工位鉆孔攻絲組合機床 5. 電氣控制部分的要求 系統(tǒng)通電后，自動啟動液壓電機。若機床各部分在原位（工作臺在鉆孔工位，鉆孔滑臺在SQ2位置、攻絲滑臺在SQ3位置），液壓系統(tǒng)的壓力符合要求，壓力繼電器動作，此時原位指示燈亮。 把要加工的零件放在工作臺上，按下啟

13、動按鈕，夾緊工件的電磁閥接通，夾具由液壓系統(tǒng)控制著將工件夾緊，當SQ4動作后，說明工件被夾具夾緊，與此同時控制凸輪的電動機開始動作。 鉆孔的動力頭電動機啟動運轉(zhuǎn)，且由于控制凸輪的電動機運轉(zhuǎn)，用凸輪控制使鉆孔滑臺前移的液壓閥，來進行工件的鉆孔加工。當鉆孔滑臺運動到SQ5時， 鉆孔滑臺自動退回原位，到SQ2時停止后退，同時鉆孔動力頭的電機停止。 等到鉆孔滑臺到達SQ2位置后，控制工作臺向右移動的電磁閥得電，液壓系統(tǒng)控制工作臺向右移動，當工作臺運動到攻絲工位SQ6的位置時，限位開關(guān)工作，停止工作臺向右運動。攻絲的動力頭電機開始正轉(zhuǎn)，與此同時凸輪與液壓系統(tǒng)控制攻絲滑臺向前移動，開始給零件進行攻絲，當攻

14、絲滑臺運動到SQ7的位置時，限位開關(guān)動作，制動電磁閥DL得電，攻絲的動力頭開始制動，0.3秒后控制攻絲動力頭的電機開始反轉(zhuǎn)，此時控制凸輪與液壓系統(tǒng)控制攻絲滑臺自動后退。 攻絲滑臺退回到原來的位置SQ3時，凸輪正好運動一個周，控制凸輪轉(zhuǎn)動的電機停轉(zhuǎn)，同時用來攻絲的動力頭電機停止，延時3秒后控制工作臺向左移動的電磁閥得電，工作臺開始向左運動，當運動到鉆孔工位SQ1的位置停止左移。同時放松使工件放松的電磁閥通電，夾具開始放松工件，當放松限位SQ8動作后，停止放松，系統(tǒng)回到原位，此時原位指示燈亮，取下工件，完成了整個加工的過程。在加工過程中要啟動冷卻泵電機，供給冷卻液。 1.1.3 論文的主要工作 （

15、1） 對兩工位鉆孔攻絲組合機床的電氣控制系統(tǒng)進行總體方 案設(shè)計; （2） 設(shè)計 PLC 的外部硬件接線圖； （3） 研究順序控制設(shè)計法在 PLC 程序設(shè)計中的應用； （4） 根據(jù)兩工位鉆孔攻絲組合機床的工藝流程，設(shè)計工作臺、刀具、滑臺運行和控制梯形圖； （5） 對該機床的調(diào)試進行簡要的概述。 第二章 PLC及組合機床控制系統(tǒng)介紹 在設(shè)計控制系統(tǒng)的總體方案時，要兼顧全局。既要使系統(tǒng)工作可靠穩(wěn)定，又要提高系統(tǒng)的性價比。本章的重點為兩工位鉆孔攻絲組合機床選取控制系統(tǒng)的方案，這要結(jié)合其控制歷程及其加工工藝綜合考慮。2.1 兩工位鉆孔攻絲組合機床控制系統(tǒng)的發(fā)展 由于科技的不斷發(fā)展與進步，兩工位鉆孔攻絲組

16、合機床的控制系統(tǒng)也在不斷變化。如果對其系統(tǒng)進行更新，就能提高它的制造性能，否則，它的控制系統(tǒng)將會逐漸被淘汰。2.1.1 機床以前的控制系統(tǒng) 兩工位鉆孔攻絲組合機床是一種廣泛使用的給機械零件鉆孔和攻絲的機床，是許多大型企業(yè)不可缺少的設(shè)備之一。該機床的電氣系統(tǒng)部分主要由控制系統(tǒng)和主拖動系統(tǒng)組成。主拖動系統(tǒng)的調(diào)速方式有以下四種：最原始的是利用人工變換皮帶調(diào)速法，這種調(diào)速屬于有級調(diào)速；其次是利用變極調(diào)速電機調(diào)速，這種調(diào)速也是有級調(diào)速；再者是利用電磁調(diào)速電機調(diào)速，這種屬于無級調(diào)速，最后一種是交流變頻調(diào)速，這種也屬于無級調(diào)速。無級調(diào)速是可以連續(xù)的調(diào)速，有檔位的調(diào)速方式稱為有級調(diào)速。控制系統(tǒng)有以下兩種方式：

17、一種是利用接觸器的邏輯關(guān)系來控制的，另一種是讓可編程序控制器和繼電器相結(jié)合來控制。當前，許多工廠用的兩工位鉆孔攻絲組合機床都是以接觸器的邏輯關(guān)系來控制的，而大多數(shù)的電氣系統(tǒng)存在下列問題： (1) 較高的故障率，可靠性很差，然而維護檢修的工作量又較大。 (2) 電氣控制系統(tǒng)接線復雜，判斷出現(xiàn)故障原因和查找故障都很困難，即消耗了精力又浪費了時間。 (3) 由于在不斷的加工，繼電器和接觸器的觸點頻繁的接通和斷開，容易造成觸點的損壞或著出現(xiàn)接觸不良等現(xiàn)象。 (4) 用機械方式來控制觸點動作反應速度比較慢。 (5) 繼電器邏輯控制部分的功能是固定在線路中的，這樣不但功能單一，而且靈活性極差。 (6) 調(diào)

18、節(jié)速度的部分不但噪音大、效率低、體積還非常大、消耗電能也比較多。(7) 慣性較大，調(diào)節(jié)速度的部分靜態(tài)性能及動態(tài)性能都不理想。2.2 PLC的介紹 2.2.1 PLC的出現(xiàn)及其特點PLC中文是可編程序控制器，它是一種具有微處理機的數(shù)字電子裝置，專為在工業(yè)環(huán)境下可以進行數(shù)字運算的操作而設(shè)計的。它的內(nèi)部有可編程序的存儲器，它是用來完成計數(shù)、定時、算術(shù)、順序和邏輯運算等操作指令的存儲與執(zhí)行，而且能夠通過模擬式、數(shù)字式的輸入與輸出，來控制各種機械的運轉(zhuǎn)或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骶哂性S多優(yōu)點，大致可以概括為以下幾個：1. 性價比高，功能較強大 一臺小型的PLC內(nèi)部就有幾百或幾千個用來編輯程序的元件供用戶使

19、用，這樣可以控制比較復雜的系統(tǒng)，與具有相同控制功能的繼電器相比，可編程序控制器具有較高的性價比。它還采用了模塊化結(jié)構(gòu)，這樣系統(tǒng)的規(guī)模和功能可以根據(jù)用戶的需求組合，即靈活又方便。2. 設(shè)計編輯程序簡單，有利于理解和學習 編輯PLC的程序使用最多的語言是梯形圖，它的表達方式和元件符號與接觸器邏輯控制的原理圖基本一致。梯形圖的編輯語言非常直觀，有利于理解和學習。熟練掌握繼電接觸器控制圖的工程技術(shù)人員只要用幾天就可以完全掌握梯形圖的編程語言，并能夠編輯用戶所需要的程序，這也是能夠迅速普及以及推廣的重要原因。PLC一般情況下采用設(shè)計法來編輯梯形圖程序，這種方法很簡單,容易理解和學習。電氣控制較復雜的系統(tǒng)

20、，用可編程序控制器的順序控制設(shè)計所需要的時間要比繼電接觸器邏輯系統(tǒng)設(shè)計少得多。PLC在運行編輯完成的梯形圖程序時，首先要用其它程序?qū)⑻菪螆D程序轉(zhuǎn)變成匯編語言后再去運行。 3. 體積較小，消耗的能量也比較少當系統(tǒng)的控制部分較復雜時，使用PLC后，可以減少許多時間繼電器、接觸器和中間繼電器。小型PLC的體積差不多與幾個繼電器加在一起一樣大，這樣的話控制柜的體積就可以減少原來的一半以上。由于可編程序控制器的接線要比接觸器控制系統(tǒng)的接線少得多，一般情況下只需要用接線的端子連接外部接線即可，許多部件和配線都用不到，故可以縮短大量的安裝與接線時間，使效率提高。再加上控制柜的體積減少不少，使總體的費用也大量

21、減少。目前，有較多可編程序控制器的生產(chǎn)廠家，但在實際的工業(yè)控制過程中使用較多的是德國的西門子、日本的三菱。4. 具有較齊全的硬件，通用性很強，方便用戶的使用 現(xiàn)在的可編程序控制器產(chǎn)品己系列化、標準化和模塊化了，并且還配有供用戶選用的各種硬件設(shè)施，方便用戶進行系統(tǒng)的配置，組成各種規(guī)模和功能的系統(tǒng)?？删幊绦蚩刂破魇褂媚K化設(shè)計了每個部件，包括輸入/輸出接口、CPU、輸入/輸出通道、電源等。PLC的帶負載能力也比較強，它可以直接驅(qū)動一般的接觸器與電磁閥的線圈。確定硬件部分后，可以通過修改程序，來適應工藝條件的各種變化。 5. 工作可靠，有很強的抗干擾能力傳統(tǒng)的繼電接觸器邏輯控制系統(tǒng)中應用了許多KT和

22、KA，由于繼電接觸器控制系統(tǒng)部分的觸點動作頻繁，容易出現(xiàn)接觸不良或燒壞。PLC利用軟件取代了大量的KA與KT，僅留下與I/O相關(guān)的少量硬件部分，使系統(tǒng)的接線可減少為原來繼電接觸器邏輯控制系統(tǒng)的十分之一到百分之一，大大降低了由觸點的接觸不良和損壞造成的故障。PLC采取了大量的軟件和硬件措施來提高抗干擾的能力，如：輸入/輸出采用RC濾波器和光電藕合器進行隔離，此外，PLC本身具有良好的自診斷功能，一般PLC的安全運行時間平均可達幾萬小時以上，若工業(yè)生產(chǎn)控制現(xiàn)場的干擾信號較強也可以直接使用可編程序控制器。目前，PLC是工業(yè)生產(chǎn)過程使用最多的設(shè)備之一。 6. 維修簡單而且工作量不大一般情況下PLC本身

23、的故障率極低，它自身還具有非常強大的自診斷能力。當PLC本身或與它相連的輸入部分和執(zhí)行部分發(fā)生故障時，可以根據(jù)PLC上的發(fā)光二極管的顯示所提供的信息很快地查明故障發(fā)生的原因，若是可編程序控制器自身的原因，此時可更換模塊來一一排除所發(fā)生的故障，這樣極大地提高了維護的工作效率，使故障的影響降到最低。7. 控制系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試簡單，安裝方便在各種工業(yè)控制過程中PLC都可以運行。只需要在使用時將可編程序控制器得輸入/輸出端子與現(xiàn)場的各個設(shè)備相連，系統(tǒng)便可投入正常的運行。 用PLC所編的程序可以先用仿真軟件進行仿真，如果程序無誤再在實驗室進行模擬調(diào)試，用開關(guān)的通斷來代替信號的輸入，通過PLC控制板上的發(fā)

24、光二極管可以了解到輸出信號的狀態(tài)。如果控制系統(tǒng)的接線和安裝完成以后，在現(xiàn)場調(diào)試時發(fā)現(xiàn)問題可以通過修改所編寫的程序來解決，用可編程序控制器控制的系統(tǒng)調(diào)試所用的時間要比繼電接觸器邏輯控制系統(tǒng)少得多，也簡單的多。 2.2.2 PLC的工作原理 PLC采用“循環(huán)掃描”的工作方式： 1、每次掃描工作過程，輸入信號采樣，執(zhí)行程序，然后進行刷新輸出的信號； 2、在執(zhí)行程序過程中，要關(guān)閉輸入端口，此時若有新狀態(tài)要輸入，新狀態(tài)則不能被可編程序控制器讀入，只有等到進行下一次掃描程序時，新的狀態(tài)才允許被讀入PLC； 3、PLC內(nèi)部程序執(zhí)行的過程分為三步：輸入掃描（采樣），程序執(zhí)行，輸出刷新； 4、輸入映象寄存器的內(nèi)

25、容不是隨著程序的執(zhí)行變化而變化，而元件映象寄存器是的；5、 有以下三條原因來決定一次掃描所用的時間：第一，掃描指令自身所用的時間；第二，所編指令的長短；第三，中央微處理器執(zhí)行指令的快慢。6、 由于PLC以不斷循環(huán)掃描方式進行工作，存在輸入/輸出滯后的現(xiàn)象，即輸入/輸出響應延遲。2.3 PLC和變頻器在機床中的應用 從1996年前后，我國開始將可編程序控制器和全數(shù)字直流調(diào)速應用于兩工位鉆孔攻絲組合機床的主拖動和電氣控制系統(tǒng)部分。此系統(tǒng)的特點如下：(1) 用可編程序控制器控制系統(tǒng)取代的原有的控制系統(tǒng)，使控制系統(tǒng)的配線大大減少，也比較方便對系統(tǒng)進行維護，可靠性也大大提高。(2) 系統(tǒng)本身具有自適應功

26、能，保證了鉆孔和攻絲加工的要求。(3) 用可靠性高、編程簡單且使用方便的可編程序控制器代替原來繼電器控制系統(tǒng)中大量的KA和KT，能完全無誤地操作全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)，不但提高了加工質(zhì)量還加快了工作效率。但是，全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)并不是沒有缺點的，它的低速性能不是很好，而且所有的電氣參數(shù)顯示的都是用英文，這樣對電氣維護人員的英語水平要求較高，使維護和檢修的難度大大增加。在1996年左右，交流變頻器得到很大的發(fā)展，它性能也完善了許多，而且使用極為方便、可通過其外圍的少數(shù)幾個端子進行全范圍的控制，內(nèi)部還有完善的保護措施，不用在其外圍線路中設(shè)計各種保護電路，所以開始嘗試著將變頻器運用于拖動系統(tǒng)。許多企業(yè)和

27、大學研究院聯(lián)合試制，將PLC和變頻器成功地應用兩工位鉆孔攻絲組合機床上，使該機床的電氣性能和各項技術(shù)指標都得到了極大的改善。例如機床的調(diào)速范圍寬，一般的通用型變頻器都可實現(xiàn)0-400HZ范圍內(nèi)無級調(diào)速；機械特性好，節(jié)能效果顯著提高，能夠滿足各種工藝要求，該系統(tǒng)的另一大優(yōu)點是變頻器的故障代碼顯示為排除故障提供了大量的信息，大大縮短了故障排除時間。目前，變頻器應用在組合機床的發(fā)展趨勢表現(xiàn)為：一是高性能：基本上所有的變頻器都要求矢量掌握方式；二是易掌握性不斷提高：好多變頻器在結(jié)構(gòu)上考慮到現(xiàn)場安裝的要求，同時在軟件上加入起動設(shè)置工具，通過用戶操作從而簡化調(diào)試進程；三是功能模塊化以及智能化，方便了選型、

28、安裝、調(diào)試等。2.4 改造方案的選取改造方案的選取直接影響整個機床的工作情況。在選擇時，要綜合分析機床的總體結(jié)構(gòu),多查閱相關(guān)資料，并和有關(guān)的工作人員進行討論，最終確定方案。2.4.1系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 根據(jù)前面的分析，改造兩工位鉆孔攻絲組合機床的主拖動部份一般采交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，控制部份采用PLC。由于變頻調(diào)速系統(tǒng)的各種運行狀況和故障情況都可以通過顯示器顯示，因此得到電氣設(shè)計人員和維護人員的推崇和喜愛。所以在本設(shè)計中對電機的轉(zhuǎn)速控制用交流變頻調(diào)速技術(shù)。第三章 兩工位鉆孔攻絲組合機床電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1 電力拖動系統(tǒng)主回路設(shè)計 在該控制系統(tǒng)中，根據(jù)工藝的要求，共選擇電機五個，其中M1作為液壓

29、電機;M2為控制凸輪電機：M3為鉆孔動立頭電機；M4為攻絲動力頭電機；M5作為冷卻泵電機。QS空氣開關(guān)一個，KM交流接觸器六個，F(xiàn)U熔斷器二十一個，F(xiàn)R熱繼電器五個，變壓器一臺。根據(jù)控制要求繪制出主回路電路原理圖，如圖3-1所示。 在圖 3-1中，QS空氣開關(guān)一般處于閉合狀態(tài)，設(shè)備運行時合上空氣開關(guān) ，非工作時斷開。在該控制電路中旋轉(zhuǎn)閉合手動開關(guān)SA，HL3指示燈亮，之后可進行手動操作，KA1常閉觸點起保護作用；斷開手動開關(guān)SA之后才能閉合SB，KA1線圈得電，完成自鎖同時自動指示燈亮，系統(tǒng)自動對工件進行加工。3.2 變頻器及PLC的選型3.2.1變頻器的選型 目前，變頻器在我國的使用已經(jīng)越來

30、越多，通常所應用的變頻器是指能適用于工業(yè)中通常所用得電機和一般的變頻電機、一般情況下供電的電壓是：單相220v、三相380v，頻率是50hz，用來作為調(diào)速控制的變頻器。由于這種變頻器廣泛應用在工業(yè)控制領(lǐng)域，所以成為變頻器的主流。調(diào)速的基本原理來源于以下公式: 式中:n1同步轉(zhuǎn)速(r/min); f1定子供電電源頻率(HZ);  p磁極對數(shù)。 在選擇變頻器的時候，一定要注意變頻器輸出電流和功率一定要等于或大于被驅(qū)動的異步電動機的電流和功率。由于變頻器的超負荷能力趕不上異步電動機的過載能力，如果異步電動機出現(xiàn)過載現(xiàn)象，首先變頻器就會被損壞。應用變頻器前就要明白變頻器的調(diào)速原理和過程與機械

31、調(diào)速之間存在很大的區(qū)別，絕對不可以將異步電動機的機械調(diào)速部分變?yōu)榫哂邢嗟裙β实淖冾l器，主要是因為功率是由轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積得到的。 采用機械變速時(如皮帶變速、齒轉(zhuǎn)變速)，若它們的變比為k，在不改變電動機功率情況下，電機轉(zhuǎn)速就會降底k倍，同時轉(zhuǎn)矩就升高了k倍，這種屬于恒定功率的負載。然而變頻器的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系是：當頻率不高于它的額定頻率時，運行過程轉(zhuǎn)矩不變，電動機輸出轉(zhuǎn)矩也不能被提高；當頻率高于它的額定頻率時，隨著轉(zhuǎn)速的升高轉(zhuǎn)矩就會下降。當電動機在運行過程中低于它的額定頻率時，沒有增加負載力矩，所以，當電機運行在額定頻率以下時，可以根據(jù)電動機的功率大小來配置變頻器的功率。一些功率不變的負載

32、，轉(zhuǎn)速較低時力矩會有所增加，然而電動機和變頻器在低于額定頻率時它們的電流都會被限制，也不能增加力矩，所以當用變頻器將電機轉(zhuǎn)速調(diào)低時可能會造成電動機帶不動負載。選擇時一定要根據(jù)減速時增加力矩的比例，選擇的電機和變頻器要比原來的電機功率大。例如原來1.5kw電機，負載轉(zhuǎn)矩1kgm,轉(zhuǎn)速1460r/min，機械變速后轉(zhuǎn)速降到720r/min，轉(zhuǎn)矩就可達2kgm，但原來的電機和變頻器不可能輸出2kgm的轉(zhuǎn)矩。因此，要改變電機和變頻器都是1.5×2=3kw，選用標準功率3.7或4kw的電機和變頻器才行。 變頻器的選用型號還應根據(jù)使用要求而仔細考慮下列因素：   (1) 考慮內(nèi)容是使用

33、是電網(wǎng)電壓、所處環(huán)境條件、負載的大小以及性質(zhì)。 (2) 電網(wǎng)電壓處于不正常時，變頻器可能會受害。電壓過高，如對380v的線電壓如上升到450v就會造成損壞，因此電網(wǎng)電壓超過使用手冊規(guī)定范圍的場合，要使用變壓器調(diào)整，以確保變頻器的安全(3) 為使變頻器正常的工作，不但要配置標準的冷卻通風系統(tǒng)，而且在選擇上要有所增大，這樣做是為了應對在額定運行時的溫升下降。同時也考慮了，使用時溫度一直較高，如果安裝在不能通風冷卻良好的機柜內(nèi)時，那么變頻器壽命一定會縮短。更壞的情況是，那些電子精密器件、最典型是電容電解等器件、在大于一定的標準溫度后，壽命會隨著每升高10而下降一半。 (4) 使用于不同用途時，選擇變

34、頻器的系列型號應作分析，對于一般用途的變頻器而采用v/f常數(shù)得控制模式已可滿足，但是對那些數(shù)控機床等精密傳動等所對應的變頻器，顯然就不能滿足了，要采用閉環(huán)控制方式，當然也要包含對應的接口?？傮w來說這些變頻器變化范圍大，而且要求比較高運轉(zhuǎn)精度的時候，典型的是低速并且要求保持一定的速度和負載得能力，那就要選擇矢量控制的方式的變頻器?？傮w來說就要綜合考慮。(5) 當變頻器為降低電動機噪聲而將調(diào)制頻率重新設(shè)置得較高并高過出廠時設(shè)置的頻率時,那么會使變頻器的損耗加大。設(shè)置頻率越高，損耗越大，因此要 適當減載，不同公司、不同系列會有差別，但趨勢是相似的。如果一味增加調(diào)制頻率，則會造成變頻器的過熱損壞，或者

35、變頻器輸不出額定功率。 (6)電動機容量之和一定要小于變頻器的容量，所對應的情況是一臺變頻器來驅(qū)動好幾臺電動機時候，并且只能選擇v/f控制模式，矢量控制模式不予采用。(7) 能夠比較正確地運用矢量控制的方式，那么驅(qū)動前，對應的變頻器對這些電機的一些參數(shù)進行自動輸入或者自動識別還是有必要的。 矢量控制方式卻只能對應一臺變頻器而驅(qū)動一臺電機，電動機的額定電流一定不能太大于在實際運用的電流(不低于變頻器額定電流的1/8)。 通過對各主要生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品的性能價格比分析，選用無錫富士電機公司的變頻器。富士的變頻器有以下4種控制方式： (1) 無PG（脈沖編碼器）矢量控制。 (2) 帶PG 矢量控制。 (

36、3) 無PG V/f控制。 (4) 帶PG V/f控制。V/f 是壓頻比的縮寫，變頻器一般用 PG 作為速度反饋裝置，來實現(xiàn)速度閉環(huán)控制，其效果比測速發(fā)電機好得多，并且價格適中，安裝方便，測量精度完全能滿足要求。矢量控制分別獨立控制磁場電流和力矩電流，可以像直流電動機調(diào)速一樣，對電磁力矩進行控制。對調(diào)速范圍要求不高的主拖動系統(tǒng)，可以選擇無 PG 的開環(huán)控制。調(diào)速范圍要求寬的系統(tǒng)，應選擇速度閉環(huán)控制。帶 PG 矢量控制方式的調(diào)速范圍寬廣，速度控制精度高，可以用于各種伺服驅(qū)動、高精度速度控制和力矩控制。但是帶有 PG 矢量控制功能的變頻器的價格相當高，其價格是沒有這一功能的系列的價格的1.5倍。為

37、減少成本，并且鉆孔攻絲機床對于速度的要求不是太高，所以可以用開環(huán)控制方式?；谝簧细鞣N因素，本次設(shè)計決定選取變頻器的型號為FRENIC-MEGA系列無PG V/f控制方式。3.2.2變頻器參數(shù)的設(shè)置 本次選取的變頻裝置是用于控制三相異步電動機的變速運轉(zhuǎn)裝置。變頻器在控制時只要對其參數(shù)進行設(shè)定即可，鉆孔攻絲組合機床所用的參數(shù)設(shè)置如下：（1） F00設(shè)置為3。功能為有數(shù)據(jù)保護，有數(shù)字設(shè)定保護。（2） F01頻率設(shè)定為1。功能為模擬電壓輸入（DC0±10v）。（3） F02設(shè)置為1。外部信號時，運轉(zhuǎn)，操作。3.2.2 PLC 的選型PLC的電源應選擇220VAC電源，與國內(nèi)電源電壓一致。根

38、據(jù)所需的 PLC 的輸入/輸出點數(shù)，并留有一定的余地。選擇PLC時，應該考慮性能價格比，輸入輸出點數(shù)對價格有直接的影響，每增加一塊輸入輸出卡件就需要增加一定的費用，所以在估計和選擇時應充分考慮這一點。本次設(shè)計的機床所用的輸入為10點，輸出為13點，選擇 PLC 的基本單元的型號為 FX2N-32MR-001，輸入輸出點數(shù)總和為32，其中16點輸入，16點輸出，M是基本單元，R表示繼電器輸出，001表示適用于中國，選用該型號的PLC已足夠。3.3 控制柜及控制面板的設(shè)計3.3.1控制柜的設(shè)計 根據(jù)控制部分的電路原理圖和所需要的的電氣元件來組裝電氣控制柜。在組裝過程中元件的排列順序一定要合理，否則

39、會使控制系統(tǒng)雜亂無序，操作和檢修都很困難。 由于可編程序控制器是整個控制系統(tǒng)的核心部分，且在運行過程中會產(chǎn)生熱量，所以將可編程序控制器放在控制柜的左上角，裝在這個位置除了有利于程序的讀寫之外，散熱效果還非常好，降低了PLC工作時產(chǎn)生的熱量。在電氣控制原理圖中，電氣元件的連接是有一定順序的，通常是按照下列順序排列的：保險、空氣開關(guān)、接觸器、中間繼電器、所以只需將上述原件按次序排列。由于變壓器和變頻器的體積和重量都較大，所以在安裝時將其安放在控制柜的中間位置。與外界相連接的輸入輸出端子要放在柜子的下側(cè)，這樣有利于這些端子與外界的導線相連。另外輸入、輸出的端子的數(shù)量要多些，以便為公共端留下位置。 在

40、選線時，為了易于區(qū)分，主電路的配線全部選用黑色。并且線的型號要根據(jù)所帶電動機的功率選取，而且還要留有一定的余量，防止當有較大電流流過導線時，導線承受不了而燒壞。在控制回路中，火線采用紅色的；零線采用藍色的；可編程序控制器上的輸入、輸出為信號線，一般選用細藍線就可以；地線用黃色的。 在接主電路的線路時，一定要將線頭壓緊，因為主電路產(chǎn)生的電流很大，如果線頭壓的不緊，當通電時可能會因為產(chǎn)生的電火花而使該點燒壞。在接PLC的輸入/輸出線時一定要小心，因為這部分的線很多，如果因粗心而將線接錯會給調(diào)試帶來很大的困難。在接PLC的輸出線時一定要注意下列因素： 輸如部分的+24V電源端子不能與外界電源相連，否

41、則會造成PLC的燒壞。 (1) 輸出部分的黑點端子代表內(nèi)部公共端子，一定不能與外部相連，否則可能損壞PLC。 (2) 在配接觸器和中間繼電器的線時一定要分清常開、常閉、線圈端子的位置，如果不清楚一定要查詢說明書，切不可憑感覺而接線。根據(jù)電氣原理圖和以上的接線要求，將配電柜即可安裝好。3.3.2控制面板的設(shè)計 本控制面板是根據(jù)加工工藝的過程以及機械生產(chǎn)過程對機床性能的指標要求，利用可編程序控制器設(shè)計開發(fā)的，整個控制過程的設(shè)計用的是梯形圖程序的順序控制設(shè)計法來完成的?？刂泼姘逶O(shè)置了電源的啟動和停止自動手動選擇開關(guān)及對應的指示燈，各種控制按鈕等輸入輸出信號。這個控制面板有利于操作者靈活方便地控制機床

42、的各種動作，實現(xiàn)了機床的手動操作，該控制面板還可以顯示機床的各個工作狀態(tài)。在配置控制面板時，首先根據(jù)機床的功能確定所用按鈕的型號及數(shù)量。其次，要根據(jù)PLC的地址表及控制柜上的接線，將相應的線引到控制面板上的控制按鈕上。在接線時要嚴格按照地址表進行，否則會造成控制按鈕所示功能與機床的實際功能不符。另外，在配線時，還要留出備用的線，因為操作面板上的信號線是最容易壞的，以便在更換導線時可以方便的進行。為了屏蔽外界信號的干擾，在連接控制面板和控制柜的接線時，要選用電纜線，并且要給相應的導線用導線管標出線號，以方便檢修?？刂泼姘宀糠中盘柟δ芙榻B: 總停：該按鈕控制著整個操作過程的電源的接通和斷開，當控制

43、柜上電后，往上拉下該按鈕，控制面板控制操作過程上電;當遇到緊急情況時，按下該按鈕，操作過程會立即停止運動。 電源指示：當打開操作面板上的總停開關(guān)時，電源指示燈亮。表示系統(tǒng)已經(jīng)上電，可以進行加工操作。 手動-自動：該按鈕在手動時，可以單獨的對機床的單個動作進行操作；在自動時，按下SB系統(tǒng)啟動，即可完成所有的機床動作。圖3-1 兩工位鉆孔攻絲組合機床主電路圖3.3 I/O 分配I/O的分配有助于我們更好的理解工作過程，使編程簡單易懂。表3-1: I/O分配表輸入元件輸入點編號輸出元件輸出點編號壓力檢測PVX000原點指示HL1Y000系統(tǒng)啟動鈕SBX001液壓泵電機M1(KM1)Y001夾緊限位S

44、Q4X002凸輪電機M2(KM2)Y002鉆孔滑臺終點SQ5X003夾緊電磁閥YV1Y003鉆孔滑臺原位SQ2X004鉆孔動力頭M3(KM3)Y004攻絲工位SQ6X005工作臺右移電磁閥YV2Y005攻絲滑臺終點SQ7X006攻絲動力頭電機M4正轉(zhuǎn)(KM4)Y006攻絲滑臺原位SQ3X007制動DLY007鉆孔工位SQ1X010攻絲動力頭電機M4反轉(zhuǎn)(KM5)Y010放松限位SQ8X011工作臺左移電磁閥YV3Y011液壓泵啟動SB1手動控制放松電磁閥YV4Y012凸輪電機啟動SB2冷卻泵電機M5(KM6)Y013鉆孔SB3手動控制電源Y014攻絲正轉(zhuǎn)SB4攻絲反轉(zhuǎn)SB5冷卻泵啟動SB6夾緊

45、SB7工作臺右移SB8工作臺左移SB9放松SB103.4硬件接線圖的設(shè)計由兩工位鉆孔攻絲組合機床的加工工藝的要求可知，其加工過程為一順序控制過程，所以可運用狀態(tài)編程的思想，采用步進控制法對其進行控制。雖然該控制為自動循環(huán)順序控制，考慮到具體情況，還需要設(shè)置手動控制環(huán)節(jié)，為了減少輸出點，簡化程序，將按鈕或轉(zhuǎn)換開關(guān)接在驅(qū)動回路上，可實現(xiàn)各工步的手動操作。在PLC外部輸出電路的電源供電線路上裝設(shè)電源接觸器，用按鈕SB21/SB20控制接通/斷開，當外部負載需要緊急斷開時，只需按下按鈕SB20就可將電源斷開，與PLC無關(guān)。另外，電源在停電后回復，PLC不能馬上啟動，只有在按下啟動按鈕SB21才會啟動。

46、當輸出端的負載短路時，PLC的輸出元件和印刷電路板將被燒壞，因此應該在輸出線路中加裝熔斷器，熔絲電流應該選擇適當大于負載電流。當輸出端接的是感性元件時，要加裝保護，直流輸出時，元件兩端并接續(xù)流二極管；交流輸出時，元件兩端并接阻容吸收電路，這樣可以抑制由于輸出觸點斷開時電感線圈感應出的尖峰電壓對輸出觸點的危害及對PLC的干擾，電路可選0.5W、100-120的電阻和0.1pF的電容。圖3-1:PLC的外部接線圖第四章 PLC 控制程序設(shè)計4.1PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計流程圖圖4-1：PLC系統(tǒng)設(shè)計步驟4.2 PLC 程序設(shè)計方法4.2.1 PLC 程序設(shè)計方法概述 當今，PLC程序的設(shè)計有3種方法：

47、經(jīng)驗設(shè)計法、順序控制設(shè)計法和邏輯設(shè)計法。 經(jīng)驗設(shè)計法是在已有的一些典型圖形圖的基礎(chǔ)上，根據(jù)被控對象對控制系統(tǒng)的具體要求，進行不斷的修改和完善，還有反復調(diào)試梯形圖，最后得到一個比較滿意的結(jié)果。這種設(shè)計方法實際上是沒有規(guī)律可以遵循的，設(shè)計者的能力和經(jīng)驗關(guān)系到整個設(shè)計的質(zhì)量和所用的時間，因此這種方法一般只用于一些簡單的梯形圖設(shè)計。 根據(jù)繼電器的電路圖設(shè)計梯形圖的程序是用于將繼電接觸器邏輯控制系統(tǒng)改造為可編程序控制器控制系統(tǒng)。在編輯程序之前要了解被控對象的加工工藝過程以及電氣元件的動作情況，然后再分析繼電接觸器控制系統(tǒng)的電路圖，熟練掌握這種控制系統(tǒng)的工作原理。將這種控制系統(tǒng)直接改寫成梯形圖，即用可編程

48、序控制器的梯形圖程序和它的外部硬件接線圖實現(xiàn)繼電接觸器邏輯控制系統(tǒng)的功能. 順序控制設(shè)計法也稱為是步進控制設(shè)計法，這種設(shè)計方法比較先進，不僅設(shè)計速度快，有利于程序的修改與調(diào)試，而且簡單易學易懂。對于那些被控對象的控制系統(tǒng)比較復雜的，使用這種設(shè)計方法可以節(jié)約大量的時間，設(shè)計效果相當不錯。4.2.2 順序功能圖的介紹 SFC為順序功能圖簡稱，它是采用順序控制設(shè)計法的思想來描述控制系統(tǒng)的整個控制過程、特性和功能的一種圖形，也是一種經(jīng)常使用的技術(shù)語言，是設(shè)計可編程序控制器的順序控制程序的工具之一，可以供不同專業(yè)的人員之間進行編程方面的技術(shù)交流之用。SFC主要由步、動作、有向連線、轉(zhuǎn)換條件、轉(zhuǎn)換5個基本

49、要素和組成。1. 步把控制系統(tǒng)的一個工作周期分成若干個按順序相連的部分，每一個部分稱為步。它是根據(jù)輸出量的狀態(tài)劃分的，一般表示某一個執(zhí)行元件的狀態(tài)變化，可以用編程元件(例如狀態(tài)寄存器S和輔助繼電器M )代表各步。在任何一步工作時，步內(nèi)的輸出量ON/OFF狀態(tài)保持不變，但是工作步與相鄰兩步的輸出量狀態(tài)總是相反的。采用這種方式使編程元件運行狀態(tài)與輸出量運行狀態(tài)之間的邏輯關(guān)系變得極為簡單。在SFC中用一個方框表示一步，一般情況下用表示該步的編程元件的元件號作為這一步的代號。 2. 初始步 初始步就是與控制系統(tǒng)的初始狀態(tài)相對應的步，是整個控制系統(tǒng)運行的起點。初始步用兩個方框表示，每一個控制系統(tǒng)至少要有

50、一個初始步。 3. 工作步 根據(jù)系統(tǒng)是否正在執(zhí)行，每一個工作步都是有兩種狀態(tài)的：活動步和靜止步?；顒硬骄褪窍到y(tǒng)正在運行的階段，如果步處于活動狀態(tài)下，那么與步相應的動作都被執(zhí)行；靜止步就是指當前沒有運行的步，處于靜止步時，與步相對應的不具有存儲功能的動作會被停止執(zhí)行。 4. 有向連線 在繪制順序功能圖時，按控制順序把表示各步的方框排列起來，并用帶有方向的線段將它們連接起來?？刂葡到y(tǒng)的工作過程在順序功能圖中的進展方向一般都是從上到下或從左至右，按照這兩個順序的有向連線上的箭頭可以不畫。 5. 轉(zhuǎn)換 用一個有向連線來表示轉(zhuǎn)換的方向，用有向連線中間的一段橫線表示轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換實際上是將相鄰的兩步分開的?？?/p>

51、制系統(tǒng)運行的進展是由轉(zhuǎn)換來完成的。 6. 轉(zhuǎn)換條件 在順序功能圖中，由當前運動步進入下一步的條件稱為轉(zhuǎn)換條件，它可能是可編程序控制器內(nèi)部產(chǎn)生的信號，也可能是外部的輸入信號；如控制按鈕、定時器、限位開關(guān)的常開觸點的接通等，另外轉(zhuǎn)換條件還有可能是許多個信號的邏輯控制組合。 利用轉(zhuǎn)換條件來控制表示每一步的編程元件，使它們的運行狀態(tài)按設(shè)計好的順序變化，之后用表示各步的編程元件來控制可編程序控制器的各種輸出量，這是順序功能控制的重點之一。4.2.3在 SFC中實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的基本規(guī)則 1. 實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的條件 在SFC中，控制系統(tǒng)運行狀態(tài)的進展是由實現(xiàn)轉(zhuǎn)換來完成的。完成轉(zhuǎn)換必須同時要滿足以下兩個條件：第一是此轉(zhuǎn)換

52、所有的前級步是活動步；第二是滿足活動步與下一步之間的轉(zhuǎn)換條件。 2. 實現(xiàn)轉(zhuǎn)換完成的部分 有向連線上端或左端由活動步變?yōu)殪o止步，有向連線下端或右端由靜止步變成活動步。實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的基本規(guī)則是根據(jù)利用SFC設(shè)計梯形圖，在該梯形圖中，使用表示每一步的編程元件來代表每一步，當某一步為活動步時，與這一步相對應的編程元件的狀態(tài)置1。4.2.4 程序設(shè)計方法的選擇用順序控制設(shè)計法設(shè)計出的程序很容易調(diào)試、修改和閱讀，而且設(shè)計簡單，對于控制要求很復雜的系統(tǒng)，使用該方法可以節(jié)約大量的時間，獲得滿意的設(shè)計效果。順序控制系統(tǒng)的程序設(shè)計常用方法有四種：邏輯方程法、步進控制法、位移控制閥和以轉(zhuǎn)換為中心法，本次設(shè)計采用的是步

53、進控制法。步進梯形指令簡稱為STL指令，在可編程序控制器中RET指令是使STL指令復位的。利用STL與RET這兩條指令，可以很容易地編制出順序控制的梯形圖程序。SFC中的每一步都一段程序與之相對應，每一步都是獨立的，與其他各步都不相連。在運行過程中，活動狀態(tài)轉(zhuǎn)移到下一步，上一步就會自動復位。4.3 機床加工工步順序表在整個加工過程中，組合機床按照一定的順序進行加工，組合機床的加工工步順序如表4-1所示：表4-1：機床加工工步順序表工步1234567891011通電啟動液壓泵各部分在原位進行夾緊后啟動機床凸輪電機鉆孔加工鉆孔滑臺退原位工作臺右移到攻絲工位攻絲加工攻絲滑臺到終端制動延時0.3s攻絲

54、工作頭反轉(zhuǎn)后退攻絲滑臺到原位延時3s工作臺左移工作臺到鉆孔工位放松放松完成原位指示燈亮輸入及檢測元件液壓壓力檢測PV1鉆孔工位SQ111111鉆孔滑臺原位SQ211111111鉆孔滑臺終點SQ51攻絲滑臺原位SQ31111111啟動按鈕SB1夾緊限位SQ41111111攻絲工位SQ61111攻絲滑臺終點SQ71放松限位SQ811驅(qū)動元件液壓泵電機M11111111111凸輪電機M21111111夾緊電磁閥YV11111111鉆孔動力頭M31冷卻泵電機M511111工作臺右移電磁閥YV21攻絲動力頭電機M4正轉(zhuǎn)1攻絲動力頭制動DL1攻絲動力頭電機M4反轉(zhuǎn)1工作臺左移電磁閥YV31放松電磁閥YV41原位指示HL1114.4順序功能圖的設(shè)計 順序功能圖是一種容易理