湖南生物机电职业技术学院毕业设计报告书
题目：四工位组合机床控制系统设计
专业机电一体化
班级一体化11510班
姓名梁巨江
指导教师王少华
年月日
目录
第1章绪论1
1.1 组合机床概述1
1.2 控制流程2
2.2 控制电路设计3
2.3 电控系统输入输出信号5
第3章 PLC概述与方案论证7
3.1 PLC概述7
3.2 方案论证8
第4章电气控制系统硬件设计10
4.1 选择PLC机型11
4.1.1 结构选择11
4.1.2 I/O点选取原则11
4.1.3 确定PLC机型及扩展模块11
4.2 设计输入输出信号地址表12
4.3 设计PLC控制系统电气原理图14
4.4 设计PLC控制系统操作面板15
第5章控制系统软件设计17
5.1 设计PLC控制系统工作循环流程图17
5.2 设计PLC控制系统初始化梯形图程序17
5.3 设计PLC控制系统手动及显示梯形图程序18
5.4 设计PLC控制系统状态转移图与梯形图程序18
5.5 实验室电气原理图仿真及程序调试23
结论23
参考文献24
第1章绪论
1.1 组合机床概述
组合机床是针对特定工件，进行特定加工而设计的一种高效率自动化专用加工设备，这类设备大多能多刀同时工作，并且具有自动循环的功能。
组合机床是随着机械工业的不断发展，由通用机床、专用机床发展起来的。通用机床一般用一把刀具进行加工，自动化程度低、辅助时间长、生产效率低，但通用机床能够重新调整，以适应加工对象的变化。专用机床可以实现的多刀切削，自动化程度较高，结构较简单，生产效率也较高。但是，专用机床的设计，制造周期长，造价高，工作可靠性也较差。专用机床是针对某工件的一定工序设计的，当产品进行改进，工件的结构，尺寸稍有变化时，它就不能继续使用。在综合了通用机床、专用机床优点的基础上产生了组合机床。
组合机床通常由标准通用部件和加工专用部件组合构成，动力部件采用电动机驱动或采用液压系统驱动，由电气系统进行工作自动循环的控制，是典型的机电或机电液一体化的自动加工设备。
常见的组合机床，标准通用部件有动力滑台各种加工动力头以及回转工作台等，可用电动机驱动，也可用液压驱动。各标准通用动力部件组合构成一台组合机床时，该机床的控制电路可由各动力部件的控制电路通过一定的连接电路组合构成。
多动力部件构成的组合机床，其控制通常有三方面的工作要求：第一方面是动力部件的点动和复位控制。第二方面是动力部件的半自动循环控制。第三方面是整批全自动工作循环控制。
组合机床具有生产率高、加工精度稳定的优点。因而，在汽车、柴油机、电机、机床等一些具有一定生产批量的企业中得到了广泛应用。目前，组合机床的研制正向高效、高精度、高自动化和柔和性化方向发展。
本文所用组合机床为四工位组合机床，该机床由四个滑台，各载一个加工动力头，组成四个加工工位，除了四个加工工位外，还有夹具，上下料机械手和进料器，四个辅助装置以及冷却和液压系统共14个部分。机床的四个加工动力头同时对一个零件的四个端面以及中心
孔进行加工，一次加工完成一个零件，由上料机械手自动上料，下料机械手自动取走加工完成的零件，零件每小时可加工80件。该机床的俯视示意图如下：
图1.1 四工位组合机床示意图
1.工作台
2.主轴
3.夹具
4.上料机械手
5.进料器 5.下料机械手
1.2 控制流程
当按下启动按钮后，上料机械手向前，将零件送到夹具上，夹具夹紧零件，进料装置进料，然后四个工作滑台向前，四个加工动力头同时加工，加工完成后，各工作滑台退回原位，接下来下料机械手向前抓住零件，夹具松开，下料机械手带料退回原位并松开，完成一个工作循环。
要求组合机床能以手动、半自动、全自动三种工作方式工作。全自动工作方式为一个工作循环结束后，自动进入下一个工作循环；半自动工作方式为一个工作循环结束后，机床将停车于初始状态；手动方式是用于手动调整的。
第2章电路设计
2.1 主电路设计
（一）设计要求
(1)主轴电动机单方向起动，要求有过载及短路保护。
(2)液压泵电动机单方向起动，过载及短路保护。
(3)冷却泵电动机单向工作，过载及短路保护。
（二）元件选用
根据上面要求，要选用三台电动机：
M1——控制主轴的电动机；
M2——控制液压泵的电动机；
M3——控制冷却泵的电动机。
再根据电动机的控制要求选择元件：
QF——控制总电源的断路器，实现短路和过载保护；
FU1～FU3——控制各电动机短路保护；
KM1——控制主轴电动机单向工作；
KM2——控制液压泵电动机工作；
KM3——控制冷却泵电动机工作；
FR1～FR3——用与各电动机的过载保护控制。
（三）作出草图如下
图1.2主电路图
2.2 控制电路设计
1）设计要求
主轴电动机M1和液压泵电动机M2可以同时起停，也可以单独起停。
要求在动力头工作进给时，冷却泵电动机M3才接通，但也可以随时调整。
2）元件选用
KM1～KM3——控制M1～M3单向起动动作接触器；
SB1——总停按钮；
SB2、SB3——M1与M2起动按钮；
SB4、SB5——M1与M2停止按钮；
SB6——冷却泵电动机（M3）调整按钮；
SB7——冷却泵电动机单独停止按钮；
SA1——控制M1与M2的同时与单独起停开关；
SA2—实现动力头工进时自动起动与手动调整的开关；
FR1～FR3——M1～M3过载保护热继电器；
SA3——照明开关；
HL1——电源指示灯；
EL——照明灯。
3）控制电路草图
根据所选元件与工作要求画出控制电路图，
如下图：
图1.3 控制电路图
2.2.4 工作原理
(1)主轴起动
首先合QF→HL1灯亮，表示电源供电正常
按下SB2→KM1（+）→KM1主闭→M1起动运转，拖动主轴旋转，KM1辅闭自锁。
(2)主轴停止
按SB4（或SB1）→KM1（–）→KM1主复位→M1停止。
(3)液压泵起动
按SB3→KM2（+）KM2主闭→M2起动，提供高压油，为液压系统工作准备，KM2辅闭自锁。
(4)液压泵停止
按SB5→KM2（–）→RM2主复位→M2停止。
(5)主轴与液压泵同时工作
首先将SA1打开向左位置
按SB2→KM1（+）→KM1主闭→M1起动工作，同时KM2（+）→KM2主闭→M2同时起动工作。
(6)冷却泵手动控制
首先将SA2打在M位置，然后按SB6→KM3（+）→M3起动，提供冷却液，KM3辅闭自锁。停止冷却泵按SB7即可。
(7)冷却泵自动控制
首先将SA2打在A位置，当动力头工作进给时KA2（+）→KA2常开闭合→KM3（+）→KM3主闭→M3自行起动工作，提供冷却液。
2.3 电控系统输入输出信号
1、输入信号（共42个）。其中：SQ、YJ为位置检测传感器开关；SA为选择开关；SB为按钮。
2 输出信号（共27个）。其中：YV为电磁阀；KM为接触器；HL 为指示灯
随着科学技术的发展，生产工艺不断提出新的要求，机床电气控制装置也不断更新。在控制方法上主要从手动控制到自动控制；在控制功能上，是从简单到复杂；在操作上由笨重到轻松，从控制原理上，由单一的有触点硬接线继电器控制系统转为以微处理器为中心的软件控制系统。
在上世纪的20年代到30年代，借助继电器、接触器、按钮和行程开关等组成继电器-接触器控制系统，实现对机床的启动、停车、有级调速等控制。继电器-接触器控制的优点是：结构简单、价格低廉、
维护方便、抗干扰性能力强。因此广泛应用于各类机床和机械设备。目前，在我国继电器接触器控制仍然是机床和其它机械设备最基本的电气控制形式之一。继电器-接触器控制系统的缺点是：由于固定接线形成，故在进行程序控制时，改变控制程序不方便，灵活性差。故在实际生产中，由于大量存在一些开关量控制的简单程序控制过程，而实际生产工艺和流程，又是经常变化的。因而传统的继电器-接触器控制系统常常不能满足这种需求。电子计算机控制系统的出现提高了电气控制的灵活性和通用性，其控制功能和控制精度都得到很大的提升。然而在其初期，存在着系统复杂、使用不方便、抗干扰能力差、成本较高等缺陷，尤其对上述简单的过程控制有“大材小用”和不经济等问题。因而60年代出现了一种能够根据需要，方便的改变控制系统，而又要比计算机系统结构简单，价格低廉的自动化装置——顺序控制器。它能通过组合逻辑元件插接或变成来实现继电器-接触器控制线路功能的装置，它能满足成组经常改变的控制要求，使控制系统具有较大的灵活性和通用性，但它还是使用硬件手段，装置体积大，功能也受到了一定的限制。
随着大规模集成电路和微处理机技术的发展和应用。上述控制技术也发生了根本变化。在70年代出现了用软件手段来实现各种控制功能，以微处理器为核心的新兴工业控制器——可编程程序控制器（PLC）。这种期间完全能够适应恶劣的工业环境，由于它兼备了计算机控制和继电器-接触器控制两方面的优点，故目前世界各国将其作为一种标准化通用设备普遍应用于工业控制。
第3章 PLC概述与方案论证
3.1 PLC概述
可编程控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统，它采用一种可编程程序的存储器，在其内部存储执行逻辑算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式、模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备和生产过程。可编
程控制器及其有关设备的设计原则是它应该易与工业控制联成一个整体且具有扩充功能。PLC产品能直接在工业环境中应用，对环境的适应能力强。PLC体积小、功能强、速度快，可靠性高，又具有较大的灵活性和扩展性。PLC还有一个重要特性是它具有在线修改功能。它借助于软件来实现重复的控制，软件本身具有修改性，所以PLC具有灵活性。从而使PLC具有广泛的工业通用性，同时简化了硬件电路，也提高了PLC系统的可靠性。据不完全统计，FX系列PLC平均故障间隔大于20000~50000h，而平均修复时间则小于10min；PLC机能处理工业现场的强电信号，如交流220V、直流24V，并可直接驱动功率部件，可长期工作在严酷的工业环境能够中。编程采用传统的继电器符号语言，便于工程技术人员掌握，PLC是在按钮开关，限位开关和其它传感器等发出的监控输入信号作用下进行工作。根据信号，控制器就会作出反映，通过用户编程的内部逻辑便产生输出信号，而且这些输出信号可直接控制外部的控制系统负载，如电机，接触器，指示灯，电磁阀等。PLC的控制系统省去了传统的继电器控制接线和拆线的麻烦。用PLC的编程逻辑提供了能随要求而改变的“间接网络”，这样生产线的自动化过程就能随意去改变，这种性能使PLC具有较高的经济效益。
3.2 方案论证
组合机床的电气控制,理论上讲,可以采用继电器接触器电气控制系统，单片机控制系统和PLC控制系统来实现。但是在实际工程中往往选择一种经济、有效、性能优越的控制方案，考虑到上述几点，PLC 较适合组合机床的电气控制。PLC与单片机、继电器-接触器控制系统相比具有以下优点：
1．PLC与继电器-接触器相比较：
继电器-接触器控制系统自上世纪二十年代问世以来，一直是机电控制的主流。由于它的结构简单、使用方便、价格低廉，所以使用广泛。它的缺点是动作速度慢，可靠性差，采用微电脑技术的可编程顺序控制器的出现，使得继电接触式控制系统更加逊色。PLC等取代继电接触式控制逻辑。具体如下：
(1) 控制逻辑
继电接触式控制系统采用硬接线逻辑，它利用继电器等的触点串
联、并联、串并联，利用时间继电器的延时动作等组合或控制逻辑，连线复杂、体积大、功耗也大。当一个电气控制系统研制完后，要想再做修改都要随着现场接线的改动而改动。特别是想要能够增加一些逻辑时就更加困难了，这都是硬接线的缘故。所以，继电接触式控制系统的灵活性和扩展性较差。
可编程控制器采用存储逻辑。它除了输入端和输出端要与现场连线以外，而控制逻辑是以程序的方式存储在PLC的内存当中。若控制逻辑复杂时，则程序会长一些，输入输出的连线并不多。若需要对控制逻辑进行修改时，只要修改程序就行了，而输入输出的连接线改动不多，并且也容易改动，因此，PLC的灵活性和扩展性强。而且PLC 是由中大规模集成电路组装成的，因此，功耗小，体积小。
(2) 控制速度
继电器接触式控制系统的控制逻辑是依靠触点的动作来实现的，工作频率低。触点的开闭动作一般是几十毫秒数量级。而且使用的继电器越多，反映的速度越慢，还是容易出现触点抖动和触点拉弧问题。
而可编程控制器是由程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度相当快。通常，一条用户指令的执行时间在微秒数量级。由于PLC 内部有严格的同步，不会出现抖动问题，更不会出现触点拉弧问题。
(3) 定时控制和计数控制：
继电接触式控制系统利用时间继电器的延时动作来进行定时控制。用时间继电器实现定时控制会出现定时的精度不高，定时时间易受环境的湿度和温度变化而影响。有些特殊的时间继电器结构复杂，维护不方便。而可编程程序控制器使用半导体集成电路作为定时器，时基脉冲由晶体震荡器产生，精度相当高并且定时时间长，定时范围广。
(4) 可靠性和维护性。
继电接触式控制系统使用了大量的机械触点，连线也多。触点在开闭时会受到电弧的损坏，寿命短。因而可靠性和维护性差。
PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，可靠性高。PLC还配备了自检和监控功能，能自诊断出自身的故障，并随时显示给操作人员，还能动态的监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。
总之，PLC在性能上均优越于继电接触式控制系统，特别是控制速度快，可靠性高，设计施工周期短，调试方便，控制逻辑修改方便，
而且体积小，功耗低。
2．PLC与单片机比较
单片机具有结构简单，使用方便，价格比较便宜等优点，一般用于数据采集和工业控制。但是，单片机不是专门针对工业现场的自动化控制而设计的，所以它与PLC比较起来有以下缺点：
(1) 单片机不如PLC容易掌握
使用单片机来实现自动控制，一般要使用微处理器的汇编语言编程。这就要求设计人员要有一定的计算机硬件和软件知识。对于那些只熟悉机电控制的技术人员来说，需要进行相当长一段时间系统地学习单片机的知识才能掌握。
而PLC采用了面向操作者的语言编程，如梯形图、状态转移图等，对于使用者来说，无需了解复杂的计算机知识，而只要用较短时间去熟悉PLC的简单指令系统及操作方法，就可以使用和编程。
(2) 单片机不如PLC使用简单
使用单片机来实现自动控制，一般要在输入输出接口上做大量的工作。例如，要考虑工程现场与单片机的连接，输出带负载能力、接口的扩展，接口的工作方式等。除了要进行控制程序的设计，还要在单片机的外围进行很多硬件和软件工作，才能与控制现场连接起来，调试也较繁琐。
而PLC的输入/输出接口已经做好，输入接口可以与无外接电源的开关直接连接，非常方便。输出接口具有一定的驱动负载能力，能适应一般的控制要求。而且，在输入接口、输出接口，由光电耦合器件，使现场的干扰信号不容易进入PLC。
(3) 单片机不如PLC可靠
使用单片机进行工业控制，突出的问题就是抗干扰性能较差。
而PLC是专门用于工程现场环境中的自动控制，在设计和制造过程中采取了抗干扰性措施，稳定性和可靠性较高。
通过上面的比较，针对组合机床的电气控制系统，虽然PLC的价格高一些，但良好的稳定性和高度的可靠性可确保机床在加工零件时的精度，所以决定采用PLC控制系统来实现。
第4章电气控制系统硬件设计
4.1 选择PLC机型
合理选择PLC的型号，对于提高PLC控制系统的技术经济指标起着重要作用。选择机型的基本原则是在功能满足要求的前提下，保证可靠，维护使用方便以及最佳功能价格比。
4.1.1 结构选择
PLC主要有整体式和模块式。
整体式PLC：整体式PLC的每一个点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对小，一般用于系统工艺过程较为固定，环境条件较好，维修量较小的小型控制系统中。
模块式PLC：模块式PLC功能扩展灵活方便。在点数上，输入点数，输出点数的比例，模块的种类方面选择余地大，且维修方便，一般用于较复杂的控制系统。
对于组合机床，选用整体式PLC较好。
4.1.2 I/O点选取原则
PLC平均的I/O点价格比较高，因此应该合理选用PLC的I/O点数量，在满足控制要求的前提下力争使用的I/O点最少，但必须留有一定余量。通常I/O点数是根据被控制对象的输入输出信号的实际需要，再加上10%-20%的余量来确定。
由PLC组成的四工位组合机床控制系统有输入信号42个，均为开关量。其中检测元件17个，按钮开关24个，选择开关1个。
电控制系统有输出信号27个，其中电磁阀16个，六台电动机的接触器和5个指示灯。根据I/O点数的选取原则考虑10%-20%的I/O 点数余量输入点数可选取46-50个输出点数可选取29-33个。
4.1.3 确定PLC机型及扩展模块
根据（1）（2）及实际PLC机型点数，选用FX2N-64MR主机和一个16点的输入扩展模块（FX-16EX）这样共有输入点（32+16）。输出
点就是主机的32。足够可以满足42个输入，27个输出的要求，而且留有一定余量。
4.2 设计输入输出信号地址表
输入输出信号地址表是将输入输出列成表，给出相应的地址和名称，以备软件编程和系统调试时使用的一种表。由本设计可知控制电路中的按钮，行程开关，检测元件等触点都属于PLC的输入设备，PLC 的输出控制对象主要是控制电路中的执行元件，本设计主要是接触器，电磁阀，指示灯。根据电控系统的输入输出信号表知：
1 输入元件数量
行程开关 12个
按钮24个
选择开关1个
检测元件5个
2 输出元件数量
电磁阀16个
接触器6个
指示灯5个
根据本设计选用的PLC机型，将输入输出元件分配到PLC的输入输出接口。根据本文所给的输入输出元件可列下表2-1
表2-1 输入输出信号地址表
4.3 设计PLC控制系统电气原理图
I/O接口图它反映的是PLC输入输出模块与现场设备的连接。PLC 的输入点大部分是共点式，即所有输入点具有一个公共端COM。
I/O电气接口图如下图2-1
图3.1 I/O电气接口图
4.4 设计PLC控制系统操作面板
控制系统的操作面板是向PLC控制系统发布控制命令的主令元件组合而成的。本设计中，输入元件共42个其中按钮SB 24个、检测元件YJ 5个、行程开关SQ 12个，选择开关1个，基于对机床工作方式的控制要求，面板上应设有选择开关1SA、预停按钮；鉴于手动调整
方式下，相应按钮发出控制命令，驱动组合机床相应部件运动，因此面板上应设相应按钮5SB-24SB，鉴于对组合机床的启动，停止及润滑故障的处理控制，应在操作制面板上设有启动按钮2SB、总停按钮1SB、润滑故障切除按钮4SB、其他输入元件均为检测元件，不在操作面板中设置，由上面综述，可得控制系统操作面板如下图4.1所示
图4.1 控制系统操作面板图
第5章控制系统软件设计
5.1 设计PLC控制系统工作循环流程图
根据本设计的控制与工艺要求，按机床的动作顺序及每步所完成的任务，可得工作循环流程图如图5.1
图5.1 PLC控制系统工作循环流程图
5.2 设计PLC控制系统初始化梯形图程序
初始化程序主要用来处理组合机床的各种号，如启动，预停，总
停以及各种的原始信号，机床启动前应具备的各种初始信号，工作方式选择信号，各种复位信号，并将处理结果作为机床启动，停止，程序转换的依据，初始化程序一般用经验法设计。根据控制要求，采用STL指令，来定义相应的工作方式，手动，自动，利用预停按钮来控制全自动与半自动工作状态的切换，并利用定时器设定了润滑电动机间歇时间，初始化程序见下图5.2。
5.3 设计PLC控制系统手动及显示梯形图程序
本设计的手动程序与显示程序均为用经验法设计的梯形图。
手动程序：主要在调整和检修时使用。
为了对滑台的进退、上料器的进退、夹具的加紧松开等进行调整与控制，设计了相应的手动程序，设计手动程序时应注意互锁的设计。
显示程序：根据机床的工作状态，驱动相应指示灯显示。如手动及显示梯形图程序图5.3。
5.4 设计PLC控制系统状态转移图与梯形图程序
状态转移图，它是完整地描述控制系统的工作过程，功能和特性的一种图形，是分析和设计电路系统控制程序的重要工具。本设计的状态转移图按下列几步进行的
1 按组合机床的控制要求与加工工艺画出状态转移图。
2在画出的状态转移图上以PLC输入点或其他元件定义状态转换条件。
3按照电控系统提供的电气执行元件功能表，在状态流程图上对每个状态和动作命令配画上实现该状态或动作命令的控制功能的电气执行元件，并以对应的PLC输出点的编号定义这些电气执行元件。
由状态转移图易的相应的梯形图程序，它们二者是一一对应关系，梯形图程序请见图5.4