基于PLC的组合机床控制系统设计毕业设计论文

1 基于PLC的组合机床控制系统设计

第1章 三面铣组合机床概述

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。

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[1]。

随着汽车工业的兴起，专用机床也逐渐发展起来。在专用机床中某些部件因重复使用，逐步发展成为通用部件，因而产生了组合机床。

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。

2 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 机床加工工件示意图

如图1.1所示

图 1.1 Ф80、Ф90孔端面及定位面

1.5 机床工作过程

用工作台上的夹具固定要加工的零件，其他工作准备就绪后，发出加工指令。工件夹紧后压力继电器动作，液压动力滑台（即工作台）开始快进，到位转工进，然后同时起动左铣头、右1号铣头开始加工，加工到某一位置，立铣头开始加工，加工又走一定位置后右1号铣头停止，右2号铣头开始加工，加工到终点三台电机同时停止。待电机完全停止后，滑台退回原位，工件松开，一个自动工作循环结束。

1.6 组合机床装配模型

零部件间参数关系可以反映在零部件相互约束关系和零部件间可配套约束关系

3 两个方面[2]。

这种描述首先需要确定一个与其它部件发生关系最多的一个零件或部件为基准件。以此基准件为核心，再分别描述其它基准件的位置关系，就能构建该产品各零部件的位置约束关系模型。对于组合机床整机而言，各个加工单元都是相对于中间底座或工作台布置的，所以可以将中间底座或工作台作为基准件来描述；而对于各个加工单元来说，则可以侧底座为基准件来描述该单元内部各零部件之间的位置约束关系。

1.7 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2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。

2.1 PLC的简介

PLC实体图

PLC（Programmable logic Controller）可编程逻辑控制器，一种数字运算操作

4 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。1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台PLC，并在美国通用汽车公司的生产自动装配在线首次应用成功，之后得到迅速发展[3]。

美国从1971年开始输出这种技术，1973年以后，西德、日本、英国、法国相继开发了各自的PLC，并广泛应用。二十余年来，PLC的发展迅猛异常，它的应用领域可谓是各行各业。需要特别指出的是，PLC在机械行业的应用有十分重要的意义，已成为当今世界的新潮流，据国外有关资料统计，用于机械行业的PLC销售额占60％，PLC是实现机电一体化的重要手段，它既能改造传统的机械产品成为机电一体化新一代的产品，又适应于生产过程控制[4]。

PLC的特点如下：

（1）可靠性高，抗干扰能力强

电气控制设备的一个关键性能就是高可靠性。PLC的I/O采用了隔离措施，并应用大规模集成电路，故能适应各种恶劣的环境，能直接安装在机器设备上运行。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间可以达到30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长[5]。

（2）编程简单，易学易用

PLC作为通用工业控制计算机的一种，是面向工矿企业的工控设备。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，具有一定的电工和工艺知识的人员可在短时间学会并应用自如,只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。

（3）配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。不同的控制对象，可以采用相同的硬件，只需编制不同的软件，就可实现不同的控制。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多可用于各种数字控制领域，具有完善的数据运算能力，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。

（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短。PLC一般采用模块结构，又具有自诊断功能，判断故障迅速方便，维修时只需更换插入式模块，因而维修十分方便。更重要的是使同一设备经过改变程序来改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。

（5）体积小，容量大，重量轻，能耗低 ，成本低

5 目前新出产的超小型PLC品种底部尺寸小于100MM，重量小于150g，功耗仅数瓦。它可以完成相当于200～500个继电器组成的系统的控制功能，而其成本仅相当于相同功能继电器系统的（10～30）％，由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业[6]。

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

2.2 PLC控制系统设计的基本原则和步骤

无论是用PLC组成集散控制系统，还是独立控制系统，PLC控制部分的设计都可以参考图2.1所示的步骤。

2.2.1 PLC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。 图2.1

6 (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。

2.2.2 PLC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[2]。

1、熟悉被控对象

这一阶段必须对被控对象所有功能全面的了解，对对象的各种动作及动作时序、动作条件、必要的互锁与保护;电气系统与机械、液压、气动及各仪表等系统间的关系;PLC与其他设备的关系，PLC之间是否通信联网;系统的工作方式及人机界面，需要显示的物理量及显示方式等[7]。

2、评估控制任务

根据系统所需完成的控制任务，对被控对象的生产工艺及特点进行详细分析，特别是从以下几个方面给以考虑。

(1)可靠性要求：当I/O点数在20甚至更少时，就趋向于选择PLC控制了。

(2)数据处理速度：若数据处理程度较低，而主要以工业过程控制为主时，采用PLC控制则非常适宜。

(3)工艺复杂程度：若工艺要求比较复杂时,PLC控制具有更大的优越性.

(4)控制规模：一个控制系统的控制规模可用该系统的I/O设备总数来衡量。当控制规模较大时,特别是开关量控制的I/O设备较多时，最适合采用PLC控制。

3、硬件选择[8]

(1) 系统I/O设备的选择。输入设备包括按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等。输出设备包括继电器、接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等。

(2) 选择PLC。PLC选择包括对PLC的机型、I/O模块、容量、电源等的选择。

(3) 计数器、定时器及内部辅助继电器的地址分配。

(4) 绘制PLC外围硬件线路图。画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。

4、编写应用程序

根据控制系统的要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。程序通常应包括以下内容[9]：

(1)初始化程序。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。