PLC可编程逻辑控制器在组合机床控制系统中的应用.docx

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PLC可编程逻辑控制器在组合机床控制系统中的应用

PLC在组合机床控制系统中的应用

摘要

组合机床是集机电于一体的综合自动化程度较高的制造技术和成套工艺装备。

它的特征是高效、高质、经济实用，因而被广泛应用于工程机械、交通、能源、军工、轻工、家电等行业。

我国传统的组合机床主要采用机、电、气、液压控制，其精度低，可靠性不高，已不适合社会发展需要。

随着PLC控制技术的迅速发展，以PLC为核心的组合机床控制系统已凸显出其优势.

本文以两工位钻孔攻镙组合机床为研究对象,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分析，给出了机床动作循环图，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PLC控制程序的梯形图和指令表；由iFIX设计的人机界面（HMI），使整个控制系统的操作变得简单方便，大大提高了系统的自动化程度和实用性。

关键词组合机床可编程逻辑控制器控制系统程序设计

THEAPPLICATIONOFPLCINMODULARMACHINETOOLCONTROLSYSTEM

ABSTRACT

Modularmachinetoolisanintegratedmechanicalandelectricalequipmentwhichhasahigh degreeofautomation manufacturingtechnology andcompletesetsoftechnology.Itischaracterizedby highefficiency, high-quality,economicalandpractical,whichiswidelyusedinconstructionmachinery,transportation,energy,militaryindustry,lightindustry,householdappliancesandotherindustries.

OurtraditionalmodularmachinetooliscontrolledbyRelay-ContactorSystemwhichislowaccuracy,andthereliabilityisnothigh.Itcannotmeetstheneedsofsocialdevelopmentyet,withtherapiddevelopmentofPLCControlSystem,ithashighlightsitsadvantages.

TakingTwo-stationdrillingandtappingcombinationmachinetoolsforresearchobject,andthroughtheanalysisoftheworkprocess,controlrequirements,mainstructureandtheformofmovementofexercise,themachineoperatingcyclicgraphispresented.AccordingtothemethodsofPLCControlSystemdesign,wedesignedthesoftwareandhardware,listedthePLCI/Oaddressallocationworksheets,paintedPLCI/Oassignmentgraphandsingleautomaticworkflowchart,writePLCcontrolprogramladderdiagramandinstructionslist.ByiFixdesignhuman-machineinterface（HMI）,makethewholecontrolsystemoperationsimple,convenient,greatlyimprovedthesystemautomationdegreeandpracticability.

KEYWORDSModularmachinetoolPLCControlSystemProgramDesign

目录

中文摘要I

英文摘要II

1绪论1

2组合机床控制系统的系统分析3

2.1组合机床控制系统的特点3

2.2组合机床常见的几种控制方式3

2.3组合机床控制系统的选择4

3组合机床PLC控制系统的硬件设计7

3.1组合机床控制系统工作过程7

3.2PLC的硬件选型8

3.3I/O端子的地址分配9

3.4控制系统PLC的外围电气接线10

4组合机床PLC控制系统的软件设计12

4.1PLC程序设计思想12

4.2组合机床控制系统的功能流程图12

4.3组合机床控制系统的软件整体设计13

4.3.1原位指示程序14

4.3.2钻孔加工程序15

4.3.3攻螺纹程序15

4.3.4自动循环控制和手动控制的转换程序16

5监控系统设计18

5.1组态软件iFIX的简介18

5.2系统环境的选取18

5.3组态界面的设计19

5.4仿真运行情况19

致谢21

参考文献22

附录23

1绪论

1.1引言

组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。

由于通用部件已经标准化和系列化，可根据需要灵活配置，能缩短设计和制造周期。

因此，组合机床兼有低成本和高效率的优点，在大批、大量生产中得到广泛应用，并可用以组成自动生产线。

组合机床以系列化和标准化的通用部件为基础，配以少量专用部件对一种或多种工件按预先确定的工序进行切削加工的机床。

兼有万能机床和专用机床的优点。

通用零部件通常占整个机床零部件的70%～90%,只需要根据被加工零件的形状及工艺改变极少量的专用部件就可以部分或全部进行改装，从而组成适应新的加工要求的设备。

由于在组合机床上可以同时从几上方向采用多把刀具对一个或数个工件进行加工，所以可减少物料的搬运和占地面积，实现工序集中，改善劳动条件，提高生产效率和降低成本[]。

将多台组合机床联在一起，就成为自动生产线。

组合机床广泛应用于需大批量生产的零部件，如汽车等行业中的箱体等。

另外在中小批量生产中也可应用成组技术将结构和工艺相似的零件归并在一起，以便集中在组合机床上进行加工。

1.2国内外组合机床的研究现状及其实际意义

20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发展，组合机床的加工精度也有所提高。

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0.03～0.02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。

为了提高不同制造厂的通用部件的互换性，便于用户使用和维修，1953年美国福特汽车公司和通用汽车公司与美国机床制造厂协商，确定了组合机床通用部件标准化的原则，即严格规定各部件间的联系尺寸，但对部件结构未作规定。

在我国，组合机床发展已有28年的历史，其科研和生产都具有相当的基础，应用也已深入到很多行业。

是当前机械制造业实现产品更新，进行技术改造，提高生产效率和高速发展必不可少的设备之一。

从2002年年底第21届日本国际机床博览会上获悉，在来自世界10多个国家和地区的500多家机床制造商和团体展示的最先进机床设备中，超高速和超高精度加工技术装备与复合、多功能、多轴化控制设备等深受欢迎。

该届博览会上展出的加工中心，主轴转速10000～20000r/min，最高进给速度可达20～60m/min；复合、多功能、多轴化控制装备的前景亦被看好。

在零部件一体化程度不断提高、数量减少的同时，加工的形状却日益复杂。

根据我国当前的情况，继电器-接触器控制系统依然是机械设备最常用的电气控制方式，许多企业和高校实习工厂的机床和设备仍采用传统的继电器-接触器控制系统,由于采用物理电子器件和大量而又复杂的硬接线,使得系统的可靠性差,工作效率低,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，许多以继电器-接触器控制系统的机床组合电路通过改进，采用可编程控制系统，无论在性能上或者效率上都能得到很大提升。

可编程逻辑控制器（PLC）是以微处理器为核心的通用工业控制装置,它将传统的继电器接触器控制系统与计算机控制技术紧密结合,集计算机、控制、通讯于一体,具有可靠性高、通用性强、应用灵活、易于使用维修方便、价格便宜等优点,为工业自动化提供了近乎完美的自动控制装置。

因此,采用PLC对机床电气控制系统进行技术改造,很有益处[]。

1.3本课题研究的主要内容

组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定形状和加工工艺设计的专用部件和夹具，组成的半自动或自动专用机床。

组合机床的控制早期以电气继电控制为主，通过继电器实现控制的逻辑关系。

本课题是采用PLC取代传统继电控制回路来实现组合机床的控制完成常用的钻孔、攻螺纹等操作，系统软件设计应科学合理，运行稳定。

同时需利用触摸屏组态软件对组合机床进行实时监控。

2组合机床控制系统的系统分析

2.1组合机床控制系统的特点

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[]。

为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。

组合机床的控制系统必须具备以下4个原则[]：

（1）完整性原则——最大限度的满足工业生产过程或机械设备的控制要求。

（2）可靠性原则——确保组合机床控制系统的可靠性。

（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。

2.2组合机床常见的几种控制方式

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。

1.继电器-接触器控制系统

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。

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电串联、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。

继电器接触式控制系统的控制逻辑是依靠触电的动作来实现的，触点的开闭动作一般是几十毫秒数量级。

其定时控制利用时间继电器的延时动作来进行[]。

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。

2.单片机控制系统

随着材料科学、工艺技术、计算机技术的发展与进步，电路系统向着集成度极高的方向发展。

CPU的生产制造技术，也朝着综合性、技术性、实用性发展。

单片机控制系统是以单片机（CPU）为核心部件，扩展一些外部接口和设备，组成单片机工业控制机，单片机具有结构简单，使用方便，价格比较便宜等优点，因此在数据采集和工业控制中得到了广泛的应用。

3.PLC控制系统

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）。

这种器件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[]。

PLC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，只要修改程序便可，而输入输出的连接线改动不多，并且也容易改动[]。

PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度很快。

通常，一条用户指令的执行时间在微秒数量级。

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，为现场调试和维护了方便。

2.3组合机床控制系统的选择

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，采用PLC控制系统较适合组合机床的电气控制。

PLC控制系统与单片机控制系统、继电器-接触器控制系统相比具有以下优点[]：

1.PLC控制系统与继电器-接触器控制系统相比较

（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，继电器-接触器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-接触器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：

继电器-接触器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。

继电器-接触器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器-接触器控制系统，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控制系统与单片机控制系统比较

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。

3

组合机床PLC控制系统的硬件设计

两工位钻孔、攻螺纹组合机床，能自动完成工件的钻孔和攻螺纹加工，自动化程度高，生产效率高。

两工位钻孔、攻螺纹组合机床如图3-1所示。

图3-1两工位钻孔、攻螺纹组合机床示意图

机床主要有床身、移动工作台、夹具、钻孔滑台、钻孔动力头、攻螺纹滑台、攻螺纹动力头、滑台移动控制凸轮和液压系统等组成。

移动工作台和夹具用以完成工件的移动和夹紧，实现自动加工。

钻孔滑台和钻孔动力头，用以实现钻孔加工量的调整和钻孔加工。

攻螺纹滑台和攻螺纹动力头，用以实现攻螺纹加工量的调整和攻螺纹加工。

工作台的移动（左移、右移），夹具的夹紧、放松，钻孔滑台和攻螺纹滑台的移动（前移、后移），均有液压控制系统控制。

其中两个滑台移动的液压系统由滑台移动控制凸轮来控制，工作台的移动和夹具的夹紧与放松由电磁阀控制。

根据设计要求，工作台的移动和滑台的移动应严格按照规定的时序同步进行，两种运动密切配合，以提高生产效率。

3.1组合机床控制系统工作过程

系统通电之后，自动起动液压泵电动机M1。

若机床各部分在原位（工作台在钻孔工位SQ1动作，钻孔滑台在原位SQ2动作，攻螺纹滑台在SQ3动作），并且液压系统压力正常，压力继电器PV动作，原位指示灯HL1亮。

将工件放在工作台上，按下启动按钮SB，夹紧电磁阀YV1得电，液压系统控制夹具将工件夹紧，与此同时控制凸轮电动机M2得电运转。

当夹紧限位SQ4动作后，表明工件已被夹紧。

起动钻孔动力头电动机M3，且由于凸轮电动机M2运转，控制凸轮控制相应的液压阀使钻孔滑台前移，进行钻孔加工。

当钻孔滑台到达终点时，钻孔滑台自动后退，到原位时停，M3同时停止。

等到钻孔滑台回到原位后，工作台右移电磁阀YV2得电，液压系统使工作台右移，当工作台移到攻螺纹工位时，限位开关SQ6动作，工作台停止。

起动攻螺纹动力头电动机M4正转，攻螺纹滑台开始前移，进行攻螺纹加工，当攻螺纹滑台到达终点时（终点限位SQ7动作），制动电磁铁DL得电，攻螺纹动力头制动，0.3秒后攻螺纹动力头电机M4反转，同时攻螺纹滑台由控制凸轮控制使其自动后退。

当攻螺纹滑台后退到原位时，攻螺纹动力头电机M4停，凸轮正好运转一个周期，凸轮电机M2停，延时3秒后，左移电磁阀YV3得电，工作台左移，到钻孔工位时停。

放松电磁阀YV4得电，放松工件，放松限位SQ8动作后，停止放松。

原位指示灯亮，取下工件，加工过曾完成。

两个滑台的移动，是通过控制凸轮来控制滑台移动液压系统的液压阀实现的，电气系统不参与，只需起动控制凸轮电机M2即可。

加工过程中，应起动冷却泵电机M5，供给冷却液。

3.2PLC的硬件选型

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。

（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。

（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[]。

（3）确定PLC机型及扩展模块。

根据

（1）

（2）及实际PLC机型点数，本系统采用西门子公司的S7—200系列的主控模块CPU226和数字量输入扩展模块EM221，8点DC输入（8×24V/DC）。

CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。

可连接7个扩展模块，最大扩展至248个数字量I/O点或35路模拟量I/O点[]。

26K字节程序和数据存储空间。

用于较高要求的控制系统，具有更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。

可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。

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。

3.3I/O端子的地址分配

该组合机床控制系统共用了10个输入量，15个输出量。

其I/O具体分配如表3-1所列。

表3-1输入/输出地址分配表

输入点

输出点

端子编号

作用

端子编号

作用

I0.0

压力检测PV

Q1.4

原点指示HL1

I0.1

钻孔工位限位SQ1

Q0.1

液压泵电机M1（KM1）

I0.2

钻孔滑台原位SQ2

Q0.2

凸轮电机M2（KM2）

I0.3

攻螺纹滑台原位SQ3

Q0.3

钻孔动力头电机M3（KM3）

I0.4

夹紧限位SQ4

Q0.4

冷却泵电机M5（KM6）

I0.6

攻螺纹工位SQ6

Q0.5

攻螺纹动力头电机M4正转（KM4）

I0.7

攻螺纹滑台终点SQ7

Q0.6

制动DL

I1.0

放松限位

Q1.0

夹紧电磁阀YV1

I1.1

启动按钮SB

Q1.1

工作台右移电磁阀YV2

I1.2

自动、手动选择SA

Q1.2

工作台左移电磁阀YV3

液压泵手动SB1

Q1.3

放松电磁阀YV4

凸轮电机手动SB2

Q1.4

原位指示灯HL1

钻孔手动SB3

Q1.5

自动指示HL2

手动攻镙纹正转SB4

Q1.6

手动指示HL3

手动攻镙纹反转SB5

Q1.7

手动电源

冷却泵手动SB6

手动夹紧SB7

手动右移SB8

手动左移SB9

手动放松SB10

3.4控制系统PLC的外围电气接线

由加工工艺要求可知，其为顺序控制。

所以可以运用状态编程思想，采用步进顺序控制指令对其进行控制。

虽然该控制为自动循环