基于PLC的組合機床控制系統(tǒng)設計

PLC基于的組合機床控制系統(tǒng)設計姓名：指導老師：摘要本文的研究對象是三面銑組合機床,通過對主要結構和運動形式的探究以及對機床的工作過程和控制要求的分析,給出了機床動作循環(huán)圖、液壓元件動作表;并采用PLC控制系統(tǒng)的設計方法,進行了軟硬件設計,列出了PLC的I/O地址分配表,繪制了PLC的I/O分配圖和單循環(huán)自動工作流程圖，編寫了PLC控制程序的梯形圖和指令表；再由組態(tài)王設計的人機界面顯示操作（HMI），使整個控制系統(tǒng)的操作變得簡單、方便，提高了系統(tǒng)的自動化程度和實用性。關鍵詞：PLC；編程技術；組合機床；組態(tài)王引言為了充分發(fā)揮設備效能，迅速提升加工技術與精度，越來越多的企業(yè)每年投入大量資金和技術對傳統(tǒng)老式組合機床進行技術改造，取得了良好的效果。用PLC模塊、操控監(jiān)控設備等組成電氣數(shù)字控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)編程輸入、人機交互、自動化加工的控制方式，擴大加工能力，減少故障，提高效率，已成為企業(yè)進行技術改造的有效途徑。根據(jù)我國當前的情況，傳統(tǒng)的控制方式采用物理電子器件和大量而又復雜的硬接線,使得系統(tǒng)的工作效率低,可靠性差,故障診斷和排除困難,嚴重影響了工廠的生產(chǎn)效率。隨著科學技術發(fā)展，可編程控制器的出現(xiàn)，采用可編程控制系統(tǒng)，無論在性能上或者效率上都得到很大提升。因此,采用PLC對機床電氣控制系統(tǒng)進行技術改造,很有必要。本文的研究對象是三面銑組合機床,介紹了一種全新的自動化控制理念，以三菱電機公司的FX2N系列PLC作為組合機床的主控制器，同時連接PC端通過工業(yè)組態(tài)技術實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能，實現(xiàn)一個全新的自動控制系統(tǒng)。三面銑組合機床是用來進行銑銷加工的一種自動加工設備，其作用對象是Z512W型臺式鉆床主軸箱的Ф80、Ф90孔端面及定位面。第一章三面銑組合機床概述1.1組合機床概述1.1.1組合機床發(fā)展史

二十世紀70年代以來，隨著可轉位刀具、密齒銑刀、鏜孔尺寸自動檢測和刀具自動補償技術的快速發(fā)展，組合機床的加工精度也有很大的提高。銑削平面的平面度可達0.05毫米／1000毫米，表面粗糙度可低達2.5～0.63微米；鏜孔精度可達IT7～6級，孔距精度可達O.03～O.02微米。最早的組合機床是1911年在美國制成的，用于加工汽車零件。初期，各機床制造廠都有各自的通用部件標準。為了便于用戶使用和維修，提高不同制造廠的通用部件的互換性，美國福特汽車公司和通用汽車公司與美國機床制造廠于1953年協(xié)商，嚴格規(guī)定各部件間的聯(lián)系尺寸，確定了組合機床通用部件標準化的原則，即但對部件結構未作規(guī)定。1.1.2組合機床部件分類

組合機床通用部件按功能可分為五類。

動力部件主要有動力箱、切削頭和動力滑臺，是為組合機床提供主運動和進給運動的部件。支承部件有側底座、中間底座、支架、可調支架、立柱和立柱底座等，是用以安裝動力滑臺、帶有進給機構的切削頭或夾具等的部件。輸送部件主要有分度回轉工作臺、環(huán)形分度回轉工作臺、分度鼓輪和往復移動工作臺等，是用以輸送工件或主軸箱至加工工位的部件?？刂撇考幸簤赫?、電氣柜和操縱臺等，是用以控制機床的自動工作循環(huán)的部件。

輔助部件主要就是有潤滑裝置、冷卻裝置和排屑裝置等。1.2組合機床的特點組合機床是用按一定規(guī)則和標準設計的通用部件以及按被加工零件的形狀和工藝要求設計的專用部件組成的專用機床。組合機車是由專用機床和萬能機床發(fā)展來的，它結構簡單，又能夠重新調整，適應新工件的加工。組合機床與萬能機床和專用機床相比，有以下幾個特點：1、組合機床結構穩(wěn)定、工作可靠，使用和維修方便。2、組合機床設計和制造的周期短，投資少，經(jīng)濟效果好。3、組合機床生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質量穩(wěn)定，勞動強度低。4、組合機床其通用部件和標準零件可以重復利用，不必另行設計和制造。5、組合機床由于采用專用夾具、刀具和導向裝置等，對操作工人水平要求不高，加工質量靠工藝裝備保證。6、組合機床易于聯(lián)成組合機床自動線，以適應大規(guī)模的生產(chǎn)需要。1.3機床主要結構部件

機床主要部件包括床身、工作臺、底座、銑削動力頭、液壓動力滑臺、工件松緊油缸、液壓站等組成。機床床身安放在底座上，床身上安裝有液壓動力滑臺，工件及夾緊裝置放于滑臺上。床身的兩邊各安裝有一臺銑銷頭，上方有立銑頭，液壓站在機床附近。1.4三面銑組合機床的電氣控制要求三面銑組合機床有左銑削頭、右銑1號削頭、右銑2號削頭、立銑削頭和液壓泵五臺三相交流籠型異步電機,設計要求如下:(1)機床有單動力頭自動循環(huán)工作、點動、單循環(huán)自動工作三種工作方式。(2)五臺電機均為單向旋轉。(3)要求有電源、油泵工作、工件夾緊與放松和加工等信號指示。(4)油泵電機在自動加工一個循環(huán)后不停機。(5)必要的聯(lián)鎖與保護環(huán)節(jié)。第二章PLC控制系統(tǒng)硬件設計

本章主要從系統(tǒng)設計結構和硬件設計角度，介紹該項目的PLC控制系統(tǒng)設計步驟、系統(tǒng)的硬件配置、主電路設計等。2.1PLC的簡介

PLC（ProgrammablelogicController）可編程邏輯控制器，一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)?？删幊炭刂破魇怯嬎銠C家族中的一員，它使用了可編程序的記憶以存儲指令，用來執(zhí)行諸如邏輯、順序、計時、計數(shù)和演算等功能，并通過數(shù)字或模擬的輸入和輸出，以控制各種機械或生產(chǎn)過程。PLC的特點如下：（1）可靠性高，抗干擾能力強（2）編程簡單，易學易用（3）配套齊全，功能完善，適用性強（4）系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造（5）體積小，容量大，重量輕，能耗低，成本低PLC的領域大致可歸納為如下幾類。（1）開關量的邏輯控制（2）模擬量控制（3）運動控制（4）過程控制（5）數(shù)據(jù)處理（6）通信及聯(lián)網(wǎng)2.2PLC控制系統(tǒng)設計的基本原則和步驟2.2.1PLC控制系統(tǒng)設計的基本原則在實際設計過程中，設計原則會涉及很多方面，其中最基本的設計原則可以歸納為以下4點。(1)可靠性原則—確?？刂葡到y(tǒng)的可靠性。(2)完整性原則—最大限度的滿足工業(yè)生產(chǎn)要求或機械設備的控制要求。(3)經(jīng)濟型原則—力求控制系統(tǒng)簡單、實用、合理。(4)發(fā)展性原則—適當考慮生產(chǎn)發(fā)展和工藝改進的需要，在I/O接口、通信能力等方面留有余地。2.2.2PLC控制系統(tǒng)設計的一般步驟PLC控制系統(tǒng)設計包括硬件設計和軟件設計。所謂硬件設計，是指PLC外部設備的設計，而軟件設計即PLC應用程序的設計。整個系統(tǒng)的設計分以下6步進行。1、熟悉被控對象2、評估控制任務3、硬件選擇4、編寫應用程序5、程序調試6、編寫技術文件2.3PLC的選型本機床控制系統(tǒng)采用的是日本三菱公司的FX2N系編程控制器，根據(jù)設計的機床控制系統(tǒng)對輸入輸出的要求，本機床控制系統(tǒng)設計選擇了日本三菱公司生產(chǎn)的FX2N系列可編程控制器中的FX2N–80MR-001。該型號的輸入點數(shù)40個，輸出點數(shù)40個，輸出形式是R-繼電器輸出（有接點，交流、直流負載兩用）。不但滿足本設計中的輸入輸出點數(shù)的基本要求，而且為日后本機床控制系統(tǒng)的升級改造保留有一定的系統(tǒng)擴展空間。2.4PLC的I/O分配表本控制系統(tǒng)的PLC的輸入、輸出點數(shù)的確定是根據(jù)控制系統(tǒng)設計要求和所需控制的現(xiàn)場設備數(shù)量加以確定。（1）PLC的輸入端口包括自動循環(huán)工作按鈕、點動按鈕、油泵啟動、總停按鈕、SA1等，還包括電動機的熱保護繼電器輸入，輸入形式是熱繼電器的常開觸點。（2）PLC的輸出端口包括運行指示燈、交流接觸器、繼電器等。PLC的I/O分配表如下所示：2.5PLC的I/O分配圖2.6變頻調速器2.6.1變頻器的概述變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行的設備，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。變頻器的分類——按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、轉差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器；按照開關方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器等。2.6.2變頻器原理變頻器有交-直-交和交-交兩種形式。交-交變頻器可將工頻交流直接轉換成頻率、電壓均可控制的交流；交-直-交變頻器則是先把工頻交流通過整流器轉換成直流，然后再把直流轉換成頻率、電壓均可控制的交流，其基本構成如圖6所示。主要由主電路（包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器）和控制電路組成。整流器主要是將電網(wǎng)的交流整流成直流；逆變器是通過三相橋式逆變電路將直流逆變成任意頻率的三相交流；中間環(huán)節(jié)又叫中間儲能環(huán)節(jié)；由于變頻器的負載一般為電動機，屬于感性負載，運行中中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率交換，這種無功功率將由中間環(huán)節(jié)的儲能元件（電容器或電抗器）來緩沖；控制電路主要是完成對整流器的電壓控制，對逆變器的開關控制以及完成各種保護功能。2.7變頻器的選型根據(jù)設計的機床控制系統(tǒng)對電機的功率、性能等等的要求，本機床控制系統(tǒng)設計選擇了日本三菱公司生產(chǎn)的FR-F700系列通用變頻器中的FR-F740-22K-CHT1。變頻器的參數(shù)——變頻器用于單純可變速運行時，可按出廠設定的參數(shù)運行即可，若考慮負荷、運行方式時，必須設定必要的參數(shù)。對于三菱FR-FR740-22K-CHT1變頻器的性能參數(shù)，可以根據(jù)實際需要來設定，文中僅介紹一些常用的參數(shù)，有關其他參數(shù)，請參考附錄或有關設備使用手冊。參數(shù)表簡單參數(shù)一覽表如下：2.8主電路設計圖第三章PLC控制系統(tǒng)軟件設計3.1PLC的編程語言與編程方法3.1.1PLC的編程語言

PLC的編程語言與一般計算機語言相比，具有明顯的特點，它既滿足易于編寫，又滿足易于調試的要求。不管什么型號的PLC，其編程語言都具有以下特點：1、圖形式指令結構

2、簡化的程序結構 3、簡化應用軟件生成過程

4、明確的變量常數(shù)5、強化調試手段

總之，PLC的編程語言是面向用戶的，對使用者不要求具備高深的知識、不需要長時間的專門訓練。

IEC（國際電工委員會）中的PLC編程語言標準中有五種編程語言：梯形圖編程語言、順序功能圖編程語言、指令語句表編程語言、功能塊圖編程語言、結構文本編程語言。其中最常用的就是梯形圖編程語言和指令語句表編程語言。3.1.2PLC的編程方法在設計PLC程序時，可以根據(jù)自己的實際情況，采用下列不同的方法。1、解析法2、經(jīng)驗法3、技巧法4、圖解法圖解法是靠畫圖進行設計。常用的方法有梯形圖法、流程圖法及時序圖（波形圖）法。3.2PLC編程軟件概述三菱PLC編程軟件GX-Developer是三菱通用性較強的編程軟件，它能夠完成Q系列、QnA系列、A系列（包括運動控制CPU）、FX系列PLC梯形圖、指令表、SFC等的編輯。該編程軟件能夠將編輯的程序轉換成GPPQ、GPPA格式的文檔，當選擇FX系列時，還能將程序存儲為FXGP（DOS）、FXGP（WIN）格式的文檔，以實現(xiàn)與FX-GP/WIN-C軟件的文件互換。該編程軟件能夠將Excel、Word等軟件編輯的說明性文字、數(shù)據(jù)，通過復制、粘貼等簡單操作導入程序中，使軟件的使用、程序的編輯更加便捷。此外，GX-Developer編程軟件還具有以下特點。（1）操作簡便（2）豐富的調試功能（3）能夠用各種方法和可編程控制器CPU連接3.3PLC控制系統(tǒng)程序設計三面銑組合機床有單循環(huán)自動工作、單動力頭自動循環(huán)工作、點動三種工作方式,下面以一個自動工作循環(huán)為例分析單循環(huán)自動工作過程控