双工位钻孔攻丝组合机床的PLC改造设计.docx

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双工位钻孔攻丝组合机床的PLC改造设计

专业综合设计与实践报告书

2013/2014第2学期

专业电气工程及其自动化

班级10电Y1

学号10120731

姓名叶翔

专业综合设计与实践任务书

二级学院（直属学部）:

电子信息与电气工程学院专业:

电气工程及其自动化

班级:

10电Y1

所属组号

指导老师

史建平

职称

副教授

课题名称

双工位钻孔攻丝组合机床的PLC改造设计

课题工作内容

1、查阅资料，获得改造机械设备的总电气图，包括主电路和控制电路的电气图。

2、熟悉机械设备的工作原理和工作流程。

3、确定改造方案，包括PLC的选择、电气元器件的选择等。

4、根据控制要求进行PLC接线设计

5、确定PLC输入输出分配表

6、编制的PLC梯形图（由组长分配，每个组成员各自负责一个模块的设计）

7、将设计好的梯形图进行软件逻辑仿真

8、撰写报告（15页左右）

指标（目标）要求

1、报告书文档的组织应符合系统化、层次化和结构化的要求，语句应简洁、明了、条理分明；文挡所用单位、符号以及设计文挡的图纸均应符合国家标准；

2、报告书文档的具体内容包括：

改造原因；

系统工作原理；

系统原电气图（含主电路和控制电路电气图）；

改造方案（含PLC的选择、元器件选择等）⑤PLC输入/输出分配表；⑥梯形图程序设计（含流程图）；⑦调试方法（仿真）；⑧存在问题和改进意见；⑨参考资料目录。

进程安排

1、第一周周一：

指导教师下达任务，

2、第一周周二：

分组查阅资料，确定最终课题，写好任务书

3、第一周周三：

分组将任务书交给指导老师，由指导老师确定课题可行性

4、第一周周四：

熟悉机械设备的工作原理和工作流程，确定改造方案

5、第一周周五~第二周周一：

进行改造设计

6、第二周周二：

进行仿真调试

7、第二周周三~周四：

整理资料，撰写报告

8、第二周周五：

分组答辩，上交报告和电子档

主要参考文献

[1]廖常初.PLC基础及应用.北京：

机械工业出版社，2005.4

[2]何衍庆.可编程序控制器原理及应用技巧.北京：

化学工业出版社.2000

[3]高安邦等编.新编机床电气与PLC控制技术.北京：

机械工业出版社，2008

[4]钟肇新.可编程序控制器原理及应用.北京：

华南理工大学出版社2001

[5]贺家李.电力系统继电保护原理.北京：

中国电力出版社，2010.6

[6]陶权.PLC控制系统设计、安装与调试.北京：

北京理工大学出版社，2011.7

[7]黄晓红.工厂电气控制与可编程序控制器.北京：

中国科学出版社，2003.10

[8]Troys,Dougalas.DevelopmentEnvironmentforBatchProcessControlComputersinIndustry,1996,31

（1）:

61-84

[9]谢云敏，郭贵中，党保华主编.电气与可编程控制技术.上海：

上海交通大学出版社，2012

[10]曾令宜主编.AutoCAD2008工程绘图技能训练教程.北京：

高等教育出版社，2009.2

地点

秋白楼A522

起止日期

2014.3.1-2014.3.14

第一章机床的改造目的以及原因

两工位钻孔攻丝组合机床是一种广泛使用的给机械零件钻孔攻丝机床，是许多大型企业不可缺少的设备之一。

该机床的电气系统由主拖动和控制系统两部份组成。

主拖动系统可以概括为以下四类：

晶闸管-直流电动机（SCR-D）模拟直流调速系统、JF-D调速系统、全数字直流调速系统和交流变频调速系统。

控制系统有继电器逻辑控制系统和继电器与PLC结合的控制系统。

JF-D调速系统是上世纪60年代在机床上广泛使用的调速系统，目前该系统在国有大中型企业仍然占有相当大的比重。

JF-D主要由直流发电机、直流电动机和交磁放大机组成。

其工作原理为：

通过交磁放大机控制直流发电机的励磁电压，后者控制直流发电机的输出电压，从而控制直流电动机的电枢电压，最终控制直流电动机的转速。

另外还有二台交流电动机和一台直流发电机为该系统服务，大的交流电动机是直流发电机的原动机，小的交流电动机是交磁放大机的原动机，直流发电机为直流电动机的励磁绕组提供励磁电压。

目前，JF-D型的两工位攻丝床的电气系统存在下列问题：

（1）故障率高，可靠性差，维护检修工作量大。

（2）电气系统的连线多，判明故障性质和查找故障困难，查找故障的时间较长。

（3）工作台频繁地来回运动，继电器和接触器的触点容易损坏或接触不良。

（4）机械方式实现的触点控制反应速度慢。

（5）继电器的控制功能被固定在线路中，功能单一，灵活性差等。

（6）调速系统占地面积大，噪音大，耗电量大，效率低。

（7）惯性大，调速系统动态及静态性能均不理想。

根据前面的分析，改造两工位钻孔攻丝组合机床的主拖动部份一般采交流变频调速系统，控制部份采用PLC。

由于变频调速系统的各种运行状况和故障情况都可以通过显示器显示，因此得到电气设计人员和维护人员的推崇和喜爱。

所以在本设计中对电机的转速控制用交流变频调速技术。

第二章工作原理

2.1原理：

系统通电后，初始步S0激活,辅助继电器M01变为ON状态；进入S20步，自动启动液压泵电机M1并保持，当工作台在钻孔工位,钻孔滑台在原位,攻丝滑台在原位，（即SQ1、SQ2、SQ3动作），并且液压系统压力正常，压力继电器PV动作时，进入S21步，原点指示灯HL1亮，将要加工的工件放到工作台上，同时按下启动按钮SB，进入S22步，夹紧电磁阀得电并保持，液压系统控制夹具将待加工工件夹紧在夹紧限位SQ4开始动作时即表明工件已经被夹紧，紧接着进入S23步，凸轮电机M2得电运转并保持，钻孔动力头电机M3启动并保持，冷却泵电机M5得电运转并保持，且由于凸轮电机M2运转使钻孔滑台前移，进行钻孔加工。

当SQ5动作时即表明钻孔滑台已达到终点，此时进入S24步，钻孔滑台将自动后退，到原位时停，M3同时复位停止。

等到钻孔滑台回到原位后，SQ2动作，进入S25步，电磁阀YV2得电，液压系统使工作台右移，当限位开关SQ6动作时表明工作台到攻丝工位，此时工作台应停止运动。

接着进入S26步，启动电机M4正转，攻丝滑台开始前移，进行攻丝加工，当攻终点限位SQ7动作时，进入S27步，制动电磁阀DL得电，攻丝动力头制动，同时计时器T1开始工作，0.3S后进入S28步，攻丝动力头电机M4反转，同时攻丝滑台将自动后退。

攻丝滑台后退到原位SQ3动作，进入S29步，凸轮电机M2复位停止，冷却泵电机复位停止，同时计时器T2开始工作，3S后进入S30步，左移电磁阀YV3得电，工件台左移，同时加紧电磁阀复位，钻孔工位SQ1动作时左移停止，放松电磁阀得电后放松工件，放松限位动作后，停止放松。

原位指示灯亮时即可取下工件，整个加工过程到此完成。

2.2机床加工顺序功能图

顺序功能图是一种易于构思，易于理解的程序设计工具，它既有流程图的直观，又有利于复杂的逻辑控制关系的分解与综合。

以下便是该设计的顺序功能图，见图4-2：

第三章设计分析

3.1PLC的选型

PLC的电源应选择220VAC电源，与国内电源电压一致。

根据所需的PLC的输入/输出点数，并留有一定的余地。

选择PLC时，应该考虑性能价格比，输入输出点数对价格有直接的影响，每增加一块输入输出卡件就需要增加一定的费用，所以在估计和选择时应充分考虑这一点。

本次设计的机床所用的输入为10点，输出为13点，选择PLC的基本单元的型号为FX2N-32MR-001，输入输出点数总和为32，其中16点输入，16点输出，M是基本单元，R表示继电器输出，001表示适用于中国，选用该型号的PLC已足够。

3.2系统主回路设计

在该控制系统中，根据工艺的要求，共选择电机五个，其中M1作为液压电机;M2为控制凸轮电机：

M3为钻孔动立头电机；M4为攻丝动力头电机；M5作为冷却泵电机。

QS空气开关一个，KM交流接触器六个，FU熔断器二十一个，FR热继电器五个，变压器一台。

根据控制要求绘制出主回路电路原理图，如图3-1所示。

在图3-1中，QS空气开关一般处于闭合状态，设备运行时合上空气开关，非工作时断开。

在该控制电路中旋转闭合手动开关SA，HL3指示灯亮，之后可进行手动操作，KA1常闭触点起保护作用；断开手动开关SA之后才能闭合SB，KA1线圈得电，完成自锁同时自动指示灯亮，系统自动对工件进行加工。

主电路图如下：

3.3I/O分配

I/O的分配有助于我们更好的理解题意，使编程过程不再复杂难懂。

I/O分配如表3.1所示:

表3.2I/O分配表

输入元件

输入点编号

输出元件

输出点编号

压力检测PV

X000

原点指示HL1

Y014

钻孔工位SQ1

X001

液压泵电机M1（KM1）

Y001

钻孔滑台原位SQ2

X002

凸轮电机M2（KM2）

Y002

攻丝滑台原位SQ3

X003

夹紧电磁阀YV1

Y010

夹紧限位SQ4

X004

钻孔动力头电机M3（KM3）

Y003

钻孔滑台终点SQ5

X005

冷却泵电机M5（KM6）

Y004

攻丝工位SQ6

X006

工作台右移电磁阀YV2

Y011

攻丝滑台终点SQ7

X007

攻丝动力头电机M4正转（KM4）

Y005

放松限位SQ8

X010

制动DL

Y000

系统启动按钮SB

X011

攻丝动力头电机M4反转（KM5）

Y006

自动、手动选择SA

X012

工作台左移电磁阀YV3

Y012

液压泵启动SB1

手动控制

放松电磁阀YV4

Y013

凸轮电机启动SB2

自动指示HL2

Y015

钻孔SB3

手动指示HL3

Y016

攻丝正转SB4

故障代码输出HL7（高位）

Y020

攻丝反转SB5

故障代码输出HL6

Y021

冷却泵启动SB6

故障代码输出HL5

Y022

夹紧SB7

故障代码输出HL4（低位）

Y023

工作台右移SB8

报警

Y007

工作台左移SB9

手动控制电源

Y017

放松SB10

3.4硬件接线图设计

由组合机床加工工艺要求可知，其工艺过程为一顺序控制过程，所以可运用状态编程的思想，采用步进顺控指令对其进行控制。

虽然该控制为自动循环顺序控制，考虑到具体情况，需设置手动控制环节。

为减少输入点，简化程序，将按钮或转换开关接在驱动回路，可实现上述各工步的手动操作。

系统配置及I/O接线如图3.3所示。

图3.3系统配置及I/O接线图

3.4梯形图设计

梯形图的设计整体反映了编者的思想，使我们更清楚的理解程序的作用及用途，它是由状态图进一步转化而来，结合PLC控制将会使程序浅显易懂，以下便是该设计的梯形图，见图3.4

图3.4梯形图设计

第四章系统调试

PLC程序的调试可以分为模拟调试和现场调试两个调试过程，在此之前首先对PLC外部接线作仔细检查，这一个环节很重要。

外部接线一定要准确无误。

也可以用事先编写好的试验程序对外部接线做扫描通电检查来查找接线故障。

不过，为了安全考虑，最好将主电路断开。

当确认接线无误后再连接主电路，将模拟调试好的程序送入用户存储器进行调试，直到各部分的功能都正常，并能协调一致地完成整体的控制功能为止。

（1）程序的模拟调试

将设计好的程序写入PLC后，首先逐条仔细检查，并改正写入时出现的错误。

用户程序一般先在实验室模拟调试，实际的输入信号可以用钮子开关和按钮来模拟，各输出量的通／断状态用PLC上有关的发光二极管来显示，一般不用接PLC实际的负载（如接触器、电磁阀等）。

可以根据功能表图，在适当的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号，如限位开关触点的接通和断开。

对于顺序控制程序，调试程序的主要任务是检查程序的运行是否符合功能表图的规定，即在某一转换条件实现时，是否发生步的活动状态的正确变化，即该转换所有的前级步是否变为不活动步，所有的后续步是否变为活动步，以及各步被驱动的负载是否发生相应的变化。

调试时应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、有选择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。

发现问题后应及时修改梯形图和PLC中的程序，直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。

（2）程序的现场调试

完成上述的工作后，将PLC安装在控制现场进行联机总调试，在调试过程中将暴露出系统中可能存在的传感器、执行器和硬接线等方面的问题，以及PLC的外部接线图和梯形图程序设计中的问题，应对出现的问题及时加以解决。

如果调试达不到指标要求，则对相应硬件和软件部分作适当调整，通常只需要修改程序就可能达到调整的目的。

全部调试通过后，系统就可以投入实际的运行了。

小结

基于PLC的两工位钻孔攻丝组合机床控制系统的设计是在设备更新理论及基本原则的指导下，提出了用可编程控制器和变频调速技术对老式机床电气控制系统进行改造的思路，并重点研究了两项技术基本原理及其应用在机床电气系统改造中的大致过程及注意事项。

本文的主要工作和结论如下：

（1）对可编程控制器技术和变频调速技术进行了分析研究，并总结出两项技术的应用要点。

（2）在上述研究的基础上，结合该机床的电气控制特性重点研究了可编程控制器技术及变频调速技术在电气改造中的应用方案及步骤，主要包括装置选型、主电路的设计、程序设计、调试等。

（3）两项技术对两工位钻孔攻丝组合机床电气系统改造效果进行了对比分析。

分析表明两项技术的成功应用使电气故障率降低了很多，改造后机床运行稳定性大大提高，为企业创造了较好的经济效益。

（4）用可编程控制技术和变频调速技术来对重型机床电气系统改造达到了理想的投入产出，并且具有对故障的自诊断能力，维修方便，值得在普通机床和一些电气控制中进行电气控制系统改造推广。

（5）配线时要纵观全局，当接某一个点的线时要看下原理的其它地方有没有与该点相连的地方，如果有把它们一次性接在一起；否则，要拆掉重接，会造成很多麻烦和重复性的工作。

（6）机床的调试是一项复杂的工作，一定要有耐心，且要根据机床的实际动作与设计要求进行对比。

对比后要分析是硬件的原因还是PLC程序的原因，得出结论后进行相应的更改。

不足之处：

由于所掌握的知识有限，许多问题没有解决，以至于机床的加工范围受限；PLC的扩展部分也没有考虑等，不足之处有待今后进一步研究解决。

参考文献

[1]廖常初.PLC基础及应用.北京：

机械工业出版社，2005.4

[2]何衍庆.可编程序控制器原理及应用技巧.北京：

化学工业出版社.2000

[3]高安邦等编.新编机床电气与PLC控制技术.北京：

机械工业出版社，2008

[4]钟肇新.可编程序控制器原理及应用.北京：

华南理工大学出版社2001

[5]贺家李.电力系统继电保护原理.北京：

中国电力出版社，2010.6

[6]陶权.PLC控制系统设计、安装与调试.北京：

北京理工大学出版社，2011.7

[7]黄晓红.工厂电气控制与可编程序控制器.北京：

中国科学出版社，2003.10

[8]Troys,Dougalas.DevelopmentEnvironmentforBatchProcessControlComputersinIndustry,1996,31

（1）:

61-84

[9]谢云敏，郭贵中，党保华主编.电气与可编程控制技术.上海：

上海交通大学出版社，2012

[10]曾令宜主编.AutoCAD2008工程绘图技能训练教程.北京：

高等教育出版社，2009.2

附录

1.主电路

2．PLC接线图

3．原图

4.梯形图