基于PLC的组合机床控制系统设计.

PLC基于的组合机床控制系统设计姓名：指导老师：摘要本文的研究对象是三面铣组合机床,通过对主要结构和运动形式的探究以及对机床的工作过程和控制要求的分析,给出了机床动作循环图、液压元件动作表;并采用PLC控制系统的设计方法,进行了软硬件设计,列出了PLC的I/O地址分配表,绘制了PLC的I/O分配图和单循环自动工作流程图，编写了PLC控制程序的梯形图和指令表；再由组态王设计的人机界面显示操作（HMI），使整个控制系统的操作变得简单、方便，提高了系统的自动化程度和实用性。关键词：PLC；编程技术；组合机床；组态王引言为了充分发挥设备效能，迅速提升加工技术与精度，越来越多的企业每年投入大量资金和技术对传统老式组合机床进行技术改造，取得了良好的效果。用PLC模块、操控监控设备等组成电气数字控制系统，以实现编程输入、人机交互、自动化加工的控制方式，扩大加工能力，减少故障，提高效率，已成为企业进行技术改造的有效途径。根据我国当前的情况，传统的控制方式采用物理电子器件和大量而又复杂的硬接线,使得系统的工作效率低,可靠性差,故障诊断和排除困难,严重影响了工厂的生产效率。随着科学技术发展，可编程控制器的出现，采用可编程控制系统，无论在性能上或者效率上都得到很大提升。因此,采用PLC对机床电气控制系统进行技术改造,很有必要。本文的研究对象是三面铣组合机床,介绍了一种全新的自动化控制理念，以三菱电机公司的FX2N系列PLC作为组合机床的主控制器，同时连接PC端通过工业组态技术实现远程监控功能，实现一个全新的自动控制系统。三面铣组合机床是用来进行铣销加工的一种自动加工设备，其作用对象是Z512W型台式钻床主轴箱的Ф80、Ф90孔端面及定位面。第一章三面铣组合机床概述1.1组合机床概述1.1.1组合机床发展史二十世纪70年代以来，随着可转位刀具、密齿铣刀、镗孔尺寸自动检测和刀具自动补偿技术的快速发展，组合机床的加工精度也有很大的提高。铣削平面的平面度可达0.05毫米／1000毫米，表面粗糙度可低达2.5～0.63微米；镗孔精度可达IT7～6级，孔距精度可达O.03～O.02微米。最早的组合机床是1911年在美国制成的，用于加工汽车零件。初期，各机床制造厂都有各自的通用部件标准。为了便于用户使用和维修，提高不同制造厂的通用部件的互换性，美国福特汽车公司和通用汽车公司与美国机床制造厂于1953年协商，严格规定各部件间的联系尺寸，确定了组合机床通用部件标准化的原则，即但对部件结构未作规定。1.1.2组合机床部件分类组合机床通用部件按功能可分为五类。动力部件主要有动力箱、切削头和动力滑台，是为组合机床提供主运动和进给运动的部件。支承部件有侧底座、中间底座、支架、可调支架、立柱和立柱底座等，是用以安装动力滑台、带有进给机构的切削头或夹具等的部件。输送部件主要有分度回转工作台、环形分度回转工作台、分度鼓轮和往复移动工作台等，是用以输送工件或主轴箱至加工工位的部件。控制部件有液压站、电气柜和操纵台等，是用以控制机床的自动工作循环的部件。辅助部件主要就是有润滑装置、冷却装置和排屑装置等。1.2组合机床的特点组合机床是用按一定规则和标准设计的通用部件以及按被加工零件的形状和工艺要求设计的专用部件组成的专用机床。组合机车是由专用机床和万能机床发展来的，它结构简单，又能够重新调整，适应新工件的加工。组合机床与万能机床和专用机床相比，有以下几个特点：1、组合机床结构稳定、工作可靠，使用和维修方便。2、组合机床设计和制造的周期短，投资少，经济效果好。3、组合机床生产效率高，产品质量稳定，劳动强度低。4、组合机床其通用部件和标准零件可以重复利用，不必另行设计和制造。5、组合机床由于采用专用夹具、刀具和导向装置等，对操作工人水平要求不高，加工质量靠工艺装备保证。6、组合机床易于联成组合机床自动线，以适应大规模的生产需要。1.3机床主要结构部件机床主要部件包括床身、工作台、底座、铣削动力头、液压动力滑台、工件松紧油缸、液压站等组成。机床床身安放在底座上，床身上安装有液压动力滑台，工件及夹紧装置放于滑台上。床身的两边各安装有一台铣销头，上方有立铣头，液压站在机床附近。1.4三面铣组合机床的电气控制要求三面铣组合机床有左铣削头、右铣1号削头、右铣2号削头、立铣削头和液压泵五台三相交流笼型异步电机,设计要求如下:(1)机床有单动力头自动循环工作、点动、单循环自动工作三种工作方式。(2)五台电机均为单向旋转。(3)要求有电源、油泵工作、工件夹紧与放松和加工等信号指示。(4)油泵电机在自动加工一个循环后不停机。(5)必要的联锁与保护环节。第二章PLC控制系统硬件设计本章主要从系统设计结构和硬件设计角度，介绍该项目的PLC控制系统设计步骤、系统的硬件配置、主电路设计等。2.1PLC的简介PLC（ProgrammablelogicController）可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统。可编程控制器是计算机家族中的一员，它使用了可编程序的记忆以存储指令，用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数和演算等功能，并通过数字或模拟的输入和输出，以控制各种机械或生产过程。PLC的特点如下：（1）可靠性高，抗干扰能力强（2）编程简单，易学易用（3）配套齐全，功能完善，适用性强（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造（5）体积小，容量大，重量轻，能耗低，成本低PLC的领域大致可归纳为如下几类。（1）开关量的逻辑控制（2）模拟量控制（3）运动控制（4）过程控制（5）数据处理（6）通信及联网2.2PLC控制系统设计的基本原则和步骤2.2.1PLC控制系统设计的基本原则在实际设计过程中，设计原则会涉及很多方面，其中最基本的设计原则可以归纳为以下4点。(1)可靠性原则—确保控制系统的可靠性。(2)完整性原则—最大限度的满足工业生产要求或机械设备的控制要求。(3)经济型原则—力求控制系统简单、实用、合理。(4)发展性原则—适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在I/O接口、通信能力等方面留有余地。2.2.2PLC控制系统设计的一般步骤PLC控制系统设计包括硬件设计和软件设计。所谓硬件设计，是指PLC外部设备的设计，而软件设计即PLC应用程序的设计。整个系统的设计分以下6步进行。1、熟悉被控对象2、评估控制任务3、硬件选择4、编写应用程序5、程序调试6、编写技术文件2.3PLC的选型本机床控制系统采用的是日本三菱公司的FX2N系编程控制器，根据设计的机床控制系统对输入输出的要求，本机床控制系统设计选择了日本三菱公司生产的FX2N系列可编程控制器中的FX2N–80MR-001。该型号的输入点数40个，输出点数40个，输出形式是R-继电器输出（有接点，交流、直流负载两用）。不但满足本设计中的输入输出点数的基本要求，而且为日后本机床控制系统的升级改造保留有一定的系统扩展空间。2.4PLC的I/O分配表本控制系统的PLC的输入、输出点数的确定是根据控制系统设计要求和所需控制的现场设备数量加以确定。（1）PLC的输入端口包括自动循环工作按钮、点动按钮、油泵启动、总停按钮、SA1等，还包括电动机的热保护继电器输入，输入形式是热继电器的常开触点。（2）PLC的输出端口包括运行指示灯、交流接触器、继电器等。PLC的I/O分配表如下所示：2.5PLC的I/O分配图2.6变频调速器2.6.1变频器的概述变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。变频器的分类——按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器等。2.6.2变频器原理变频器有交-直-交和交-交两种形式。交-交变频器可将工频交流直接转换成频率、电压均可控制的交流；交-直-交变频器则是先把工频交流通过整流器转换成直流，然后再把直流转换成频率、电压均可控制的交流，其基本构成如图6所示。主要由主电路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制电路组成。整流器主要是将电网的交流整流成直流；逆变器是通过三相桥式逆变电路将直流逆变成任意频率的三相交流；中间环节又叫中间储能环节；由于变频器的负载一般为电动机，属于感性负载，运行中中间直流环节和电动机之间总会有无功功率交换，这种无功功率将由中间环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲；控制电路主要是完成对整流器的电压控制，对逆变器的开关控制以及完成各种保护功能。2.7变频器的选型根据设计的机床控制系统对电机的功率、性能等等的要求，本机床控制系统设计选择了日本三菱公司生产的FR-F700系列通用变频器中的FR-F740-22K-CHT1。变频器的参数——变频器用于单纯可变速运行时，可按出厂设定的参数运行即可，若考虑负荷、运行方式时，必须设定必要的参数。对于三菱FR-FR740-22K-CHT1变频器的性能参数，可以根据实际需要来设定，文中仅介绍一些常用的参数，有关其他参数，请参考附录或有关设备使用手册。参数表简单参数一览表如下：2.8主电路设计图第三章PLC控制系统软件设计3.1PLC的编程语言与编程方法3.1.1PLC的编程语言PLC的编程语言与一般计算机语言相比，具有明显的特点，它既满足易于编写，又满足易于调试的要求。不管什么型号的PLC，其编程语言都具有以下特点：1、图形式指令结构2、简化的程序结构3、简化应用软件生成过程4、明确的变量常数5、强化调试手段总之，PLC的编程语言是面向用户的，对使用者不要求具备高深的知识、不需要长时间的专门训练。IEC（国际电工委员会）中的PLC编程语言标准中有五种编程语言：梯形图编程语言、顺序功能图编程语言、指令语句表编程语言、功能块图编程语言、结构文本编程语言。其中最常用的就是梯形图编程语言和指令语句表编程语言。3.1.2PLC的编程方法在设计PLC程序时，可以根据自己的实际情况，采用下列不同的方法。1、解析法2、经验法3、技巧法4、图解法图解法是靠画图进行设计。常用的方法有梯形图法、流程图法及时序图（波形图）法。3.2PLC编程软件概述三菱PLC编程软件GX-Developer是三菱通用性较强的编程软件，它能够完成Q系列、QnA系列、A系列（包括运动控制CPU）、FX系列PLC梯形图、指令表、SFC等的编辑。该编程软件能够将编辑的程序转换成GPPQ、GPPA格式的文档，当选择FX系列时，还能将程序存储为FXGP（DOS）、FXGP（WIN）格式的文档，以实现与FX-GP/WIN-C软件的文件互换。该编程软件能够将Excel、Word等软件编辑的说明性文字、数据，通过复制、粘贴等简单操作导入程序中，使软件的使用、程序的编辑更加便捷。此外，GX-Developer编程软件还具有以下特点。（1）操作简便（2）丰富的调试功能（3）能够用各种方法和可编程控制器CPU连接3.3PLC控制系统程序设计三面铣组合机床有单循环自动工作、单动力头自动循环工作、点动三种工作方式,下面以一个自动工作循环为例分析单循环自动工作过程控制。首先将转换开关SA1扳至“单循环自动工作SA1-1”位置,当操作者将要加工的零件放在液压滑台的夹具中后(其他准备工作就绪),按加工指令按钮,工件开始夹紧,夹紧后工件压力继电器触点动作,滑台开始快进,原位开关SQ1复位;当滑台压下滑台快进转工进位置开关SQ2后转工进,同时起动左铣头和右1铣头开始加工;当加工到指定位置SQ3,立铣头开始加工;又过一定SQ4位置时,右1铣头停止,右2铣头开始加工,直到终点三台电动机同时停止。此时,当死挡铁停留压力继电器BP1触点动作后滑台自动快速退回原位,SQ1受压,工件松开,一个自动工作循环结束。程序流