加工中心课程设计

PLC课程设计

姓名：刘祥成

班级：电气四班

学号：04031302034

指导老师：董纯

2015年12月14日—18日

3.4过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

3.5数据处理

现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

3.6通信及联网

PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

4. PLC的国内外状况

在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable ,是世界上公认的第一台PLC.

5. PLC未来展望

21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。

2.课题介绍

加工中心，简称cnc，是由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状工件的高效率自动化机床。加工中心又叫电脑锣。加工中心备有刀库，具有自动换刀功能，是对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。加工中心是高度机电一体化的产品，工件装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具、自动对刀、自动改变主轴转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序，因而大大减少了工件装夹时间、测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效果。

加工中心最初是从数控铣床发展而来的。20世纪40年代末，美国开始研究数控机床，1952年，美国麻省理工学院(mit)伺服机构实验室成功研制出第一台数控铣床，并于1957年投入使用。第一台加工中心是1958年由美国卡尼-特雷克公司首先研制成功的。它在数控卧式镗铣床的基础上增加了自动换刀装置，从而实现了工件一次装夹后即可进行铣削、钻削、镗削、铰削和攻丝等多种工序的集中加工。这是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代的开始。数控加工是现代制造技术的基础，这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。世界上主要工业发达国家都十分重视数控加工技术的研究和发展。二十世纪70年代以来，加工中心得到迅速发展，出现了可换主轴箱加工中心，它备有多个可以自动更换的装有刀具的多轴主轴箱，能对工件同时进行多孔加工。我国于1958年开始研制数控机床，成功试制出配有子管数控系统的数控床，1965年开始批量生产配有晶体管数控系统的三坐标数控铣床。经过几十年的发展，目前的数控机床已实现了计算机控制并在工业界得到广泛应用，在模具制造行业的应用尤为普及。

工件在加工中心上经一次装夹后，数字控制系统能控制机床按不同加工工序，自动选择及更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给速度和刀具相对工件的运动轨迹及其它辅助功能，依次完成工件多个面上多工序的加工。并且有多种换刀或选刀功能，从而使生产效率大大提高。加工中心由于工序的集中和自动换刀，减少了工件的装夹、测量和机床调整等时间，使机床的切削时间达到机床开动时间的80%左右(普通机床仅为15～20%)；同时也减少了工序之间的工件周转、搬运和存放时间，缩短了生产周期，具有明显的经济效果。加工中心适用于零件形状比较复杂、精度要求较高、产品更换频繁的中小批量生产。与立式加工中心相比较，卧式加工中心结构复杂，占地面积大，价格也较高，而且卧式加工中心在加工时不便观察，零件装夹和测量时不方便，但加工时排屑容易，对加工有利。

3.设计内容及要求

3.1控制要求

设计一个加工中心模拟系统,要求可自动循环演示及手动操作演示,其中T1、T2、T3为钻头，用其实现钻功能;T4、T5、T6为铣刀，用其实现铣刀功能。X轴、Y轴、Z轴实现加工中心三坐标的6个方向上的运动。围绕T1-T6刀具，分别运用X的左右运动、Y轴的前后运动、Z轴的上下运动实现整个加工过程。用DECX、DECY、DECZ按钮模拟伺服电机的反馈控制。用X左、X右拨动开关模拟X轴的左、右方向限位；用Y前、Y后模拟Y轴的前、后限位；用Z上、Z下模拟刀具的退刀和进刀过程中的限位现象。

3.2设计要求

本课题运用FX-2N系列可编程控制器通过编写程序来实现用户所要求的功能。

3.3 控制原理介绍及图示

现场模拟工作过程分析

（1）拨动“运行控制”开关，启动系统。“X轴运行指示灯”亮，模拟工件正沿X轴向左运行。

（2）触动“DECX”按钮三次，模拟工件沿X轴向左运行三步，拨动“X左”限位开关，模拟工件已到指定位置。此时T3钻头沿Z轴向下运动（Z灯、T3灯亮）。

（3）触动“DECZ”按钮三次，模拟T3转头向下运行三步，对工件进行钻孔。拨动“Z下”限位开关置ON，模拟钻头已对工件加工完毕；继续触动“DECZ”按钮三次，模拟T3钻头返回刀库，复位“Z下”限位开关后，使“Z上”限位开关置ON，系统将自动取铣刀T5，准备对工件进行铣加工。 （4）同上，触动“DECZ”按钮三次，复位“Z上”限位开关后，置“Z下”限位开关为ON，“Y轴运行指示灯”亮，模拟对工件的铣加工。

（5）触动“DECY”按钮4次后，拨动“Y前”限位开关置ON，模拟铣刀已对工件加工完毕，系统进入退刀状态（Z轴运行指示灯亮）。

（6）再次触动“DECZ”按钮三次，复位“Z下”限位开关后，置位“Z上”限位开关，模拟铣刀T5已回刀库，“X灯”亮，将“X左”、“Y前”和“Z上”复位，进入下一轮加工循环。

3.4 控制方案

本课题采用三菱FX-2N系列可编程控制器来控制伺服电机的运动，通过钻头和铣刀对物体进行加工，从而完成预定任务控制要求。

4.硬件设计

4.1元器件选择

本课题采用三个交流伺服电机，分别控制X轴、Y轴、Z轴方向的运动。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降

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交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子.空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。

交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。 有三个显著特点： 1、起动转矩大 2、运行范围较广 3、无自转现象 。

4.2元器件清单

序号 名称 型号规格 数量

1 PLC实验模块 FX-2N 1

2 三菱下载线 SC-09 一根

3 电脑 一台

4 加工中心刀库 6个

5 导线 若干

6 限位开关 6个

4.3 硬件控制原理图

5软件设计

5.1 设计思想及程序框图

启动X轴运动Z轴T1钻头钻孔Z轴运动退钻头Y轴运动X轴Y轴运动Z轴运动退钻头Z轴和T2钻头钻孔Z轴运动退钻头Z轴和T3钻头钻孔Z轴运动退刀T6和X、Y轴铣运动Z轴和T6刀头运动Z轴运动退刀T5和Y轴铣运动Z轴和T4铣刀运动T5刀头运动Z轴和T5刀头运动Z轴运动退刀T4与X轴铣运动结束

5.2 I/O地址表

（1）自动演示过程的接线

运行控制 运行指示 X灯 Y灯 Z灯 T1 T2 T3 T4 T5 T6

X0 Y7 Y0 Y3 Y1 Y2 Y4 Y5 Y6 Y10 Y11

（2）现场工作过程的接线

输入接线 运行控制 DECX DECY DECZ X左 X右 Y前 Y后 Z上 Z下

X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X10 X11

输出接线 运行指示 T1 T2 T3 T4 T5 T6 X灯 Y灯 Z灯