基于PLC的数控机床控制系统设计

1目录摘要……………………………………………………………………………………………1Abstract…………………………………………………………………………………………21绪论…………………………………………………………………………………………31.1数控机床的发展……………………………………………………………………………31.2数控机床原理和特点………………………………………………………………………41.3数控机床的结构……………………………………………………………………………62PLC的概述………………………………………………………………………………62.1PLC的基本特点…………………………………………………………………………72.2PLC的工作原理……………………………………………………………………………82.3数控机床采用PLC电气控制系统的优点…………………………………………………92.3.1PLC与继电器、接触器相比较……………………………………………………92.3.2PLC与单片机比较…………………………………………………………………103Z3040摇臂钻床的基本概述………………………………………………………………113.1Z3040摇臂钻床控制线路概述…………………………………………………123.1.1操纵机构液压系统……………………………………………………123.1.2夹紧机构液压系统………………………………………………………123.2Z3040摇臂钻床控制线路原理分析……………………………………………………123.3Z3040摇臂钻床控制线路主电路分析……………………………………………………143.4Z3040摇臂钻床控制线路控制电路分析………………………………………………143.4.1主电动机控制电路…………………………………………………………………143.4.2摇臂升降控制电路……………………………………………………………143.4.3立柱和主轴箱松开、夹紧控制电路…………………………………………153.4.4冷却泵控制电路……………………………………………………………………163.4.5照明、信号线路电路………………………………………………………………164Z3040摇臂钻床的PLC控制系统…………………………………………………164.1PLC的选型…………………………………………………………………………………174.1.1确定I/O点数………………………………………………………………174.1.2选配PLC的型号……………………………………………………………………174.2Z3040摇臂钻床的PLC控制I/0（输入、输出）地址分配表…………………………194.3PLC控制系统分析……………………………………………………………………194.3.1主轴电动机控制………………………………………………………………2024.3.2摇臂升降控制……………………………………………………………………204.3.3立柱与主轴松开、夹紧控制……………………………………………………204.4PLC梯形图程序设计…………………………………………………………………204.4.1系统预开程序…………………………………………………………………4.4.2主轴电动机控制程序………………………………………………………………4.4.3摇臂升降控制程序………………………………………………………………4.4.4立柱箱、立柱、摇臂松开、夹紧控制程序……………………………………4.4.5立柱箱、立柱松开、夹紧控制程序………………………………………4.4.6冷却泵控制………………………………………………………………4.4.7信号指示梯形图程序………………………………………………………………4.4.8完整的PLC控制梯形图………………………………………………………参考文献…………………………………………………………………………………25附录……………………………………………………………………………………26总结……………………………………………………………………………………31致谢…………………………………………………………………………32摘要可编程控制器（PLC）广泛应用于数控机床等工业控制中。数控机床的控制部分可分为3数字控制和顺序控制两部分。本文描述了数控机床的基本组成、工作原理、分类及各自的特点。并且对数控机床中的PLC作了详细的介绍，把PLC在数控机床上的控制做了设计。然后以摇臂钻床Z3040为例，描述了它的设计过程，包括控制系统电路的分析，Z3040摇臂钻床原理图，用PLC编写程序对机床进行控制。关键词：可编程控制器数控机床数字控制顺序控制ABSTRACTProgrammablecontroller(PLC)iswidelyusedinncmachinetoolsandotherindustrialcontrol.PartofCNCcontrolcanbedividedintodigitalcontroland4sequencecontroltwoparts.ThispaperdescribesthebasicCNCcomposition,workingprinciple,classificationandtheirrespectivecharacteristics.AndthePLCforncmachinetoolshavealsobeenintroducedindetail,thePLCinthecontrolncmachinedesign.ThenZ3040withradialdrillingmachineasanexample,describesitsdesignprocess,includingcontrolsystemcircuitanalysis,Z3040radialdrillingmachineprinciplediagram,usingPLCprogrammingcontrolofmachine.Keywords:programmablecontroller；ncmachinetools；digitalcontrol；sequencecontrol；1绪论随着科学技术的发展，机电产品日趋精密复杂。产品的精度要求越来越高、更新换代的周期也越来越短，从而促进了现代制造业的发展。尤其是宇航、军工、造船、汽车和模具加工等行业，用普通机床进行加工（精度低、效率低、劳动度大）已无法满足生产要求，从而5一种新型的用数字程序控制的机床应运而生。这种机床是一种综合运用了计算机技术、自动控制、精密测量和机械设计等新技术的机电一体化典型产品。数控机床是一种装有程序控制系统（数控系统）的自动化机床。该系统能够逻辑地处理具有使用号码，或其他符号编码指令（刀具移动轨迹信息）规定的程序。具体地讲，把数字化了的刀具移动轨迹的信息输入到数控装置，经过译码、运算，从而实现控制刀具与工件相对运动，加工出所需要的零件的机床，即为数控机床。1.1数控机床的发展⑴高速度高精度化数控系统的高速度高精度化要求数控系统在读入加工指令数据后，能高速度计算出伺服电动机的位移量，并能控制伺服电动机高速度准确地运动。此外，要实现生产系统的高速度化，还必须要求主轴转速、进给率、刀具交换、托板交换等实现高速度化。提高微处理器的位数和速度是提高CNC速度的最有效的手段。⑵智能化数控系统应用高级速的重要目标是智能化。智能化技术主要体现在以下方面。自适应控制技术，自适应控制系统（AC,adaptivecontrol）可对机床主轴转矩、功率、切削力、切削温度、刀具磨损等参数值进行自动测量，并由CPU进行比较运算后，发出修改主轴转速和进给量大小的信号，确保AC系统处于最佳切削状态，从而在保证加工质量条件下，使加工成本最低或生产率最高。附加人机会话自动变成功能建立切削用量专家系统和示教系统，从而提高变成效率和降低对变成操作人员的技术水平的要求。具有设备故障自诊断功能数控系统出了故障，控制系统能够进行自诊断，并自动采取排除故障的措施，以适应长时间无人操作环境的要求。3.计算机群控计算机群控也叫做计算机直线数控系统（DNC）。它是用一台大型通用计算机为数台数控机床进行编程，并直接控制一群数控机床的系统。⑸机床的发展趋势数控机床总的发展趋势是工序集中、高速、高效、高精度以及方便使用、提高可靠性等。工序集中20世纪50年代末期，在一般数控机床的基础上开发了数控加工中心，即自备刀具库的自动换刀数控机床。在加工中心机床上，工件一次装夹后，机床的机械手可以自动更换刀具，连续的对工件进行多种工序加工。目前，加工中心机床的刀具库容量达到100多把刀具，自动换刀装置的换刀时间仅需0.5~2秒。加工中心机床使工序集中在一台机床上完成，减少了由于工序分散，工件多次安装引起的定位误差，提高了加工精度，同时也减少了机床的台数与占地面积，压缩了半成品的库存量，减少了工序间的辅助时间，有效的提高了数控机床的生产效率和数控加工的经济效益。高速、高效、高精度是机械加工的目标，数控机床因其价格昂贵，在上述三方面的发展也更为突出。数控机床制造厂把建立友好的人机界面、提高数控机床的可靠性作为提高竞争能力的主要方面。手工编程和自动编程已经使用了几十年，有了长足的发展，在手工编程方面，开发多种加工循环、参数编程和除直线、圆弧以外的各种插补功能，CAD/CAM的研究发展，从技术上来讲可以替代手工编程。但是一套适用的CAD/CAM软件加上计算机硬件，投资较大，学习、掌握时间较长，对大多数的简单工件很不经济。近年来，发展起来的图形交互式编程系统（WOP,6又称面向车间编程），很受用户欢迎。这种编程方式不使用G/M代码，而是借助图形菜单，输入整个图形块以及相应参数作为加工指令，形成加工程序，与传统加工时的思维方式类似。图形交互编程方法在制定标准后，有可能成为各种型号的数控机床统一的编程方法。数控机床普遍采用彩色CRT进行人机对话、图形显示和图形模拟的。有的数控机床将采用说明书、编程指南、润滑指南等存入系统供使用者调阅。1.2数控机床原理和特点在对零件进行数控加工之前，首先要根据被加工零件的图样和工艺方案，用规定的代码和程序格式编写加工程序，并用适当的方法将程序指令输入到机床的数控装置中。数控系统对输入的加工程序进行译码、运算之后，想机床输出各种信息和指令，控制其各部分按规定有序地动作（包括机床主运动的变速、启停，进给运动的速度、方向和位移大小，以及其他诸如刀具选择交换、工件夹紧松开和冷却润滑液的启、停等）。伺服系统的作用就是将进给速度、位移量等信息转换成机床的进给运动，数控系统要求伺服系统能准确、快速地跟随控制信息，执行机械运动，同时，检测犯规系统将机械运动的实际位置、速度等信息反馈至数控系统中，并与指令数值进行比较后发出相应指令，修正所产生的偏差，提高数控机床的位置控制精度。总之，数控机床的运行在数控系统的严密监控下，处在不断地计算、输入、输出、反馈等控制过程中，从而保证数控机床能严格按照输入程序的要求来执行动作。从数控机床最终要完成的任务看，主要有以下三个方面的内容：⑴主轴运动和普通机床一样，主轴运动主要完成切削任务，其动力约占机床动力的70%~80%。基本控制功能是主轴的正、反转和停止，可自动换挡及无极调速；对加工中心和有些数控车床，还要求主轴进行高精确度准停和分度功能、⑵进给运动进给运动是数控机床区别于普通机床最主要的地方，即用电气驱动代替了机械驱动，数控机床的进给运动是由进给伺服系统完成的。进给伺服系统由进给伺服驱动装置、伺服电动机、进给传动链及位置检测反馈装置等组成。一般说来，数控机床功能的强弱主要取决于计算机数控系统（CNC）装置，而数控机床性能的优势，如运动速度与精度等，主要取决于进给伺服驱动系统。为了保证进给运动的位置精度，人们采取了一些有效的措施。如对机械传动链进行预紧和反向间隙调整；采用高精度的位置检测