张翔毕业设计(稿)

1金属切削机械控制系统摘要:可编程序控制器(PLC)因其完善的功能、高可靠性、高性能价格比等特点已广泛应用于各行各业。本文介绍了PLC技术实现金属切削机床电气控制系统的研制，从硬件配置和软件设计两个方面介绍控制系统的应用特点。PLC极大地提高了系统的自动化水平。文章给出了软硬件结构的设计思路，包括电气控制要求、电气原理图设计分析、元件选型、程序设计方法等。金属切削机床具有控制功能强、可靠性高、性能稳定、自动化程度高等优点。在第一部分，简要介绍了机床的机械系统组成和相关的动作过程；从几个方面比较分析了继电器控制和PLC控制的优缺点。第二部分，依据所给的主要技术参数和电气控制要求，设计了硬件系统，并具体说明了系统工作原理和控制系统的实际实践；选择确定所用元件的型号和数量。第三部分，绘制顺序功能图、梯形图。软件设计包括公用程序、单步程序、全自动程序、故障报警程序,并加以适当的文字说明。运行结果表明该系统完全达到了设计规定的性能指标和要求，且运行可靠，具有实用价值。关键词：可编程序控制器硬件软件自动化水平运行可靠2第一章绪论1.1金属切削机械控制的前景金属切削机械控制系统是根据工件的加工需要，以大量通用部件为基础，配以少量专用部件组成的一种高效专用机床。目前，金属切削机械控制系统主要用于平面加工和孔加工两类工序。组合机床在汽车，拖拉机，柴油机，电机，仪器仪表，军工及缝纫机，自行车等轻加工行业的大批量生产中以获得广泛的应用。对一些中小批量生产的企业，如：机床，机车，工程机械等制造业中也已广泛应用。组合机床是按系列标准化，设计的通用部件和按被加工零件的形状及加工工艺要求设计的专用部件组成的专用机床。1.2金属切削机械控制系统的用途介绍及基本结构1.2.1金属切削机械控制系统的用途金属切削机械控制系统设计任务是对零件进行钻孔，扩孔，攻丝等工序的加工；采用回转工作台传送零件，按照工艺流程分为三个公位进行加工，并安排一个装卸工位来装卸工件。工作示意图如下：图1--11.3金属切削机械控制系统的工作情况及拖动方式1.3.1金属切削机械控制系统的基本工作情况当用人工将一个工件安装在夹具上，且三个加工工位的动力头3已加工完成，且退回到原位后，回转工作台自动微抬，抬起到位后，回转工作台自动转位；转位到位后，自动定位加紧；加紧后，即向各工位发出向前的主令；各工位动力头按自己的程序进行加工，与次同时回转机构自动复位，为下次转位准备。各工位加工完成，向系统汇报完成信号；同时各工位动力头自动退回原位，回到原位后，即向系统汇报原位信号；当所有工位动力头回到原位，装卸工人又装好了新的工件时，则系统又可开始进行下一个循环的加工，具体如图1-1所示下：1.3.2金属切削机械控制系统的拖动方式本设计的机床采用液压与电动机（采用三相鼠笼式交流电动机）相结合的动力方式。进给系统为液压传动系统，系统包括如下：工件夹紧液压系统，回转工作台液压驱动系统，钻孔进给驱动系统，扩孔进给驱动系统，攻丝进给驱动系统。工作系统采用电动机驱动（典型起保停电路控制），电动机包括如下：液压泵电动机，冷却泵电动机，钻孔头驱电动机，扩孔头驱电动机，攻丝头驱电动机。1.3.3机床的工作原理当用人工将一个工件安装在夹具上，且三个加工工位的动力头已加工完成，并退回到原位后，回转工作台自动微抬。抬起到位，回转工作台自动转位。转位到位后，自动定位夹紧。夹紧后，即向各工位发出向前主令，各工位动力头按自己的程序进行加工。与此同时回转机构自动复位，为下次转位作准备。各工位加工完成，向系统汇报完成信号。同时各工位动力头自动退回原位，回到原位后，即向系统汇报原位信号。当所有工位动力头都回到原位，装卸工位又装好了新的工件时，则系统又可开始进行下一个循环的加工。1.4电动机拖动部分设计要求液压电动机、冷却泵电动机、钻孔和扩孔动力头主轴电动机：由于这些电动机空转时所消耗的功率非常低，且频繁停止和启动电机会降低电机使用寿命，在机床运行的整个过程中，它们不停机也不会影响机床的正常工作，因此，只要工作人员在机床现场就可以让它们一直启动运行，直到操作人员离开机床时才将它们停止。此外，在机床运行的整个过程中，也不需要这些电动机正、反转，因此，对这些电动机只要能实现启动、保持和停止控制即可。4攻丝电动机：由于攻丝动力头主轴有“正转攻丝”和“反转攻丝”的要求，而其主轴的正、反转需由其拖动电机来实现，因此应能对攻丝动力脱主轴电动机实现“正转”与“反转”的控制。1.5液压拖动部分的控制要求对于机床的各单机而言，要求具有手动和半自动两种工作方式。单机手动：即按下某个单机的某一步的手动按钮，该单机就进行该步的运行；松开该按钮，该步就停止运行。这种工作方式用来检查或调整各单机每一步的检测元件和运行状态。单机半自动：即按下某单机的启动按钮后，该单机即启动运行，在自动完成其一个循环，回到原位后自动停下来。这种工作方式主要用来对单机一个循环过程的检查与调试。（2）对于整个机床而言，要求具有全机半自动、全机全自动和全机自动回原点工作方式。全机半自动：即在按下启动按钮后，机床启动，其各部分协调一致地运行一个循环并回到原位后自动停下来。这种工作方式用来对整个机床一个循环过程的检查和调试。全机全自动：即按下启动按钮后，机床启动，其各部分协调一致地运行，运行完一个循环时不停机，而是一个循环接着一个循环地运行下去，直至按下停止按钮为止。这种工作方式用来对产品零件进行批量加工。全机自动回原点：即按下自动回原点的启动按钮后，机床的各单机即从它们当前所处的任意位置启动，向它们各自的原位有步骤地返回，回到原位后自动停止。这种工作方式用来提高全机回原点的操作效率，为单机半自动、全机自动/半自动启动运行做准备。（3）保护环节：在控制系统中应该采用各种保护措施，以确保人身设备安全。因此，保护环节是机床电气控制系统不可缺少的组成部分。控制系统的保护环节应包括短路保护、过载保护、失压保护和超节拍保护。短路保护：用来防止电动机及其主电路和控制电路免遭短路电流的损坏。过载保护：电动机长期超载运行，会使得电机绕组温升超过允许值，机内材料寿命减小，甚至烧坏。因此应对机床应设置过载保护。失压保护：如果由于某种原因，电网电压突然消失，正在运行的电动机就会停止运行。但是，在电源重新恢复供电时，电动机又会自行启动。这种情况容易造成生产设备的损坏，甚至人身事故。因此，必须采起失压保护5措施。超节拍保护：如果机床的刀具严重磨损，其加工零件的直径就会小于预定值，从而导致次品甚至废品的出现，为此需要超节拍保护。（4）信号显示与故障报警：为了准确地了解机床的工作状态、工作进程和迅速地找到故障点，需要设置信号显示，信号显示包括：工作方式显示、工作过程显示和故障显示。为了在出现故障后能使操作人员及时发现，需要设置故障报警。1.6设计任务和要求1.6.1为保证本次设计任务的完成，制定如下：绘制完整的电气控制原理图，选择电器元件，编制元件目录表。电气设备总安装接线图。电器板元件配置图，接线图，控制面板元件布置图，接线图。PLCI/O接线图，梯形图。各部分子程序梯形图及指令表程序。1.6.2本次设计的特殊要求机床有四种工作状态，即：连续自动循环，一次循环，单机点动调整，单机半自动，由万能转换开关进行选择。每个单机主轴在动力头由快退转快进时，自动启动时；加工完毕时，动返回原位时，自动停止。遇故状能自动快速返回停车，含自动及手动两种控制方式，并有报警环节。回转工作台夹紧时，应保证有一定的夹紧力；当失压时，应有保护环节。设置紧急停车环节，含手动与自动，并有报警显示。要有局部照明，且使用安全电压24V交流。有必要的灯光显示，电气保护环节与连锁环节。设置预停环节，由手动与自动两种控制方式。6第二章控制方案的论证2.1控制系统的类型、特点及应用场合目前，应用于工业生产的控制系统有继电器控制系统、计算机控制系统、可编程序控制器控制系统三种。它们都有各自的特点。下面分别进行介绍。2.2.1继电器控制系统继电器控制系统是传统的的控制系统，它采用硬件接线实现，利用继电器机械触点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，完成既定的开关量的逻辑控制。在小型或简单的控制对象中，由于继电器费用不高且性能较稳定，采用继电器控制系统是适合的。但它连线多而复杂，且体积大，功耗多，一旦系统设计完成后，再想改变或增加功能十分困难。其外，继电器触点数目有限，其灵活性和扩展性也很差，易受环境温度和湿度的影响。2.2.2计算机控制系统计算机控制系统是用单片处理器或工业微机、工业控制机组成的计算机控制系统。它除了用于控制领域外，去主要用于科学计算，数据处理，计算机通讯等方面。微机对环境的要求较高，一般在干扰小，有一定温度和湿度要求的机房内使用。它运算速度快，一般为微妙级，为适应大的系统软件和丰富的应用软件，其存储容量大，而切有丰富的程序设计语言。个人计算机有很强的数据处理功能和图形显示功能，有丰富的软件支持，是它们是为办公室自动化和家庭设计的。但单片机只是一片集成电路，不能直接将它与外部I/O相连。[2]要将它用于工业控制还要附加一些配套的集成电路和I/O接口电路，硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大，要求设计者具有较强的计算机领域的理论知识和实践经验。工业控制计算机也是为工业控制设计的。但是它的价格较高，其外部I/O接线一般都用多芯扁平电缆和插座，直接从印刷电路板上引出，不如可编程序控制器的接线端子那样方便可靠。2.2.3可编程序控制系统2.2.3.1可编程序控制器的特点7(1)编程方法简单易学考虑到企业中一般牵强技术人员和技术工人的传统读图习惯，可编程序控制器配备了他们易于接受和掌握的梯形图语言]。简易编程器的操作和使用也很简单。工厂的自控和电气人员根据被控设备的具体情况，用他们最容易掌握的梯形图语言编制用户程序，即使不熟悉电子线路、不动计算机原理和汇编语言的人，在在自动化领域也大有用武之地。(2)硬件配套齐全，用户使用方便可编程序控制器配备有品种弃权的各种硬件装置供用户选用，用户不必自己设计和制作硬件装置[3]。用户在硬件方面的设计工作，只是确定可编程序控制器的硬件配置和设计外部接线图而已。可编程序控制器的安装接线也很方便，各种外部接线都有相应的接线端子。(3)通用性强，适用性强由于可编程序控制器的系列化和模块化，硬件配置相当灵活，可以组成能满足各种控制要求的控制系统。硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。(4)可靠性高，抗干扰能力强.绝大多数用户都将可靠性作为选择控制装置的首要条件。可编程序控制器采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。可以说，可编程序控制器是可靠度最高的工业控制设备。(5)系统的设计、安装、调试工作量小，维修方便可编程序控制器使用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。可编程序控制器的梯形图一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，容易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图所花的时间比继电器系统花的时间要少得多。2.2.3.2可编程序控制器的应用领域及发展方向在发达的工业国家，可编程序控制器已经广泛应用在所有的工业部门，随着可编程序控制器性能价格比的不断提高，过去许多使用专用计算机的场合也可以使用可编程序控制器[4]。可编程序控制器的应用范围不断扩大，主要有以下几个方面：(1)开关控制和顺序控制可编程序控制器最广泛的应用场合是在开关控制和顺序控制领域。它的主8要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制。(2)模拟控制过程控制点数不多，开关量控制较多时，可编程序控制器也用与作为模拟控制的控制设备。采用输入输出、PID等卡件可实现PID等反馈控制运算或其他模拟量的控制运算。(3)信号报警和连锁系统信号报警和连锁系统是安全生产所需的。信号连锁系统中，采用高可靠性的可编程序控制器是安全生产的需要。对安全生产要求高的系统还可采用多重的检出元件和连锁系统，而对其中的逻辑运算，可采用可