车镗专机PLC控制系统设计.docx
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车镗专机PLC控制系统设计
摘要
镗床是冷加工中使用比较普遍的设备它主要用于加工精度、光洁度要求较高的孔以及各孔间的距离要求较为精确的零件（如一些箱体零件），属于精密机床。
镗床除能完成镗孔工序外，在万能镗床上还可以进行镗、钻、扩、车及铣等工序。
因此，镗床的加工范围很广。
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
本次设计的目的:
能够利用PLC进行车镗专机控制系统设计。
通过PLC的硬件电路（输入/输出设备和PLC的确定、I/O点的分配、主电路的设计、外控电路设计、控制面板设计）和软件电路设计（PLC功能表图和梯形图设计），通过在PLC上调试，训练我们的动手能力和可编程序控制器实际应用能力；同时提高我们的独立分析、解决问题的能力；为进一步系统的学习打下基础。
车镗专机床是用来对台式钻床的立柱进行镗孔加工，同时对孔的右端面进行车削加工的一种自动加工设备。
本次课程设计基于三菱FX系列的PLC编写程序实现车镗专机床的电气控制。
机床由左右动力头、液压工作台、控制柜和液压站组成，其中液压站由一台电动机拖动，左、右机械动力头各有一台主轴电动机。
本机床拥有自动和手动两种工作方式，自动工作方式是全自动循环。
手动工作方式分为：
左右主轴的手动对刀、左右主轴的的快进与快退手动。
本机床控制速度快，维护性较好，提高了工作效率且具备良好的经济性。
【关键字】：
车镗专机、PLC、液压
摘要…………………………………………………………………………………………………………4
1、方案确定…………………………………………………………………………………………5
1.1车镗专机组合机床简介………………………………………………………………5
1.1.1车镗专机概述…………………………………………………………………5
1.1.2车镗专机的基本组成…………………………………………………………5
1.1.3工件加工过程…………………………………………………………………6
1.1.4车镗专机机床液压系统说明……………………………………………………7
1.2车镗专机组合机床控制要求…………………………………………………………7
1.3方案确定………………………………………………………………………………………7
2、PLC控制系统硬件电路设计……………………………………………………………8
2.1主电路…………………………………………………………………………………8
2.2步进PLC的控制电路和信号电路……………………………………………………8
2.3I/O接线图……………………………………………………………………………9
2.3.1I/O接线图……………………………………………………………………9
2.3.2I/O接线图说明………………………………………………………………………9
3、PLC控制系统程序设计……………………………………………………………………10
3.1自动控制程序………………………………………………………………………10
3.1.1全自动循环控制程序………………………………………………………10
3.1.2原位判断……………………………………………………………………11
3.2手动控制程序…………………………………………………………………………11
3.3联锁、保护程序………………………………………………………………………………11
第四章器件选择…………………………………………………………………………………12
4.1接触器选择……………………………………………………………………………12
4.2热继电器选择…………………………………………………………………………13
4.3熔断器选择……………………………………………………………………………………13
4.4按钮的选择……………………………………………………………………………………14
第五章设计小结…………………………………………………………………………………15
附录：
……………………………………………………………………………………………………16
主控制图……………………………………………………………………………………16
控制电路………………………………………………………………………………………17
I/O接线………………………………………………………………………………………18
功能表图……………………………………………………………………………………19
PLC程序………………………………………………………………………………………20
1、方案确定
1.1车镗专机组合机床简介
1.1.1车镗专机概述
车镗专机是用来对台式钻床的立柱进行镗孔加工，同时对孔的右端面进行车削加工的一种自动加工设备。
工件示意图：
1-1工件示意图
1.1.2车镗专机的基本组成
车镗专机的基本组成如图1-2、1-3、1-4所示。
左、右机械动力头各有三台电动机（快速电动机、工速电动机、主轴电动机），液压站由一台电动机拖动。
图1-2车镗专机的基本组成示意图
图1-3车镗专机床床身结构示意图
图1-4机械动力滑台转动示意图
图1-4机械动力滑台转动示意图
1.1.3工件加工过程
加工过程如图所示，操作者将要加工的工件放在工作台上的夹具中，在其他准备工作就绪后，发出加工指令（按下启动按钮X0）。
工件自动夹紧，压力继电器动作，左、右协力头同时开始镗销加工。
左动力头快进至左共进点X2，转换成工进至左终点X3后，快退回原位至X1；而右动力头快进至右共进点X5，转换成工进至右终点X6后还应进行右端面的车削加工（车刀横进至X10、横退）后才快退至右原点X4。
当两动力头都退回原位，松开工件，一个自动工作循环就结束了。
1.1.4车镗专机床液压系统说明
车镗专机床中对工件的夹紧与松开、车刀的横进与横退都是由液压系统实现的，其系统元件如表1所示：
表1车镗专机床液压系统系统元件表
注：
表中“＋”表示得电，“－”表示失电。
1.2车镗专机组合机床控制要求
1）本系统有三台电机：
油泵电机、右主轴电机、左主轴电机；
2）具有自动返回原位功能，当在自动循环过程中突然停电，若重新得电启动油泵电机，都能进行回原位；
3）由液压系统实现加工工件的夹紧与松开；
4）有自动和点动两种工作方式，自动包括全自动循环、断左机、断右机，手动工作方式包括左、右主动轴的点动对刀，左、右动力头的快进与快退点动，手动松开工件、手动移位等；
5）油泵起动后，液压系统要有一定的压力缓冲，才允许开始工作；
6）具有电源、油泵工作、原位、工作指令等信号的指示；
7）具有照明和必要的联锁环节和保护环节。
1.3方案确定
根据老师的要求和设计所要实现的目的，采用PLC控制。
确立了如下的设计方案：
1）首先各个电机需要有过流、过载保护。
一组熔断器可以保护多台容量相近的电动机，所以必须对这些元器件进行选择分析，避免使用多余的护器件，达到节约的目的。
其中主要用到的是熔断器和热继电器。
2）手动与自动互不干扰，互不影响。
手动工作方式采用经验设计法实现，自动工作方式采用顺序控制法步进指令实现。
3）对于急停功能我们采用的是让油泵电机停止运行，达到急停的效果，因此对于急停功能的处理就不进PLC。
还有照明电路、油泵控制电路和一些指示电路是为了工作的方便而设计的电路，也不进入PLC。
这样减少了PLC设计时候的输入点。
4）自动加工开始前进行原位判断，点动功能应具有限位保护功能。
2、PLC控制系统硬件电路设计
2.1主控制电路
主控制电路（如图2-1）由3台电机控制。
M1为油泵电机，M2控制左主轴的转动，M3控制右主轴的转动。
分别由接触器KM1~KM3的主触点控制，其中KM1触点闭合，油泵电机工作；KM2触点闭合，左主轴电机转动；KM3触点闭合，右主轴电机转动。
熔断器在电路中起短路保护作用，其中FU1对三台电机起保护作用，FU2保护M1油泵电机，热继电器FR1~FR3分别对三台电动机负载的过载保护。
主电路图见附图—主电路图
各车镗专机电机、电磁阀参数如下：
设备名称
参数
左、右主轴电机
5.5KW、1440转/分、～380V、12.5A
油泵电机
2.2KW、1440转/分、～380V、4.9A
电磁阀
-24V、0.6A、14.4W
2.2不进PLC的辅助控制电路和信号电路
对于一些电路是不用进PLC的，例如，指示灯和照明电路，统一采用安全电压直流24V电压供电。
直流24V由三相电源相电压交流220V通过交流变压器降压得到一个稳定的24V直流电源。
由于工件夹紧、松开均是由液压控制，所以油泵电机是否正常工作十分重要，如果油泵电机不在正常工作状态，应该将所有的工作都停止。
也就是油泵电机的停止按钮可以等效与急停按钮。
系统开始运行的条件就是油压到达一定压力后，系统才能开始进行正常的工作。
所以油泵电机的启动按钮，可以等效成整个车床的开始按钮。
控制电路图见附图—控制电路图
2.3I/O接线图
2.3.1I/O接线图（如附录所示）
2.3.2I/O接线图说明：
按照设计的要求，本课题设计中采用三菱FX0N系列PLC。
本系统有自动和手动两种工作状态。
然后列出I/O的分配图如表2。
X0
SB1启动按钮
X1
SQ1左行程开关
X2
SQ2左工位行程开关
X3
KP3左终点行程开关
X4
SQ3右原点行程开关
X5
SQ4右工位行程开关
X6
KP4右终点行程开关
X7
SQ5横进原点行程开关
X10
SQ6横进终点行程开关
X11
KP1压力继电器（油压）
X12
KP2压力继电器（夹紧）
X13
手动/自动转换开关
X14
SB2左快进按钮
X15
SB3左快退按钮
X16
SB4右快进按钮
X17
SB5右快退按钮
X20
手动夹紧/松开
X21
SA2断左机
X22
SA3断右机
X23
SB6左对刀按钮
X24
SB7右对刀按钮
Y0
KA1线圈（工件夹紧）
Y1
KA2线圈（工件松开）
Y2
YV8线圈（左快进）
Y3
YV9线圈（左快退）
Y4
YV10线圈（左工进）
Y5
YV11线圈（右快进）
Y6
YV12线圈（右快退）
Y7
YV13线圈（右工进）
Y10
YV6线圈（车刀横进）
Y11
YV7线圈（车刀横退）
Y12
工作指示灯
Y13
原位指示灯
Y14
KM2线圈（控制左主轴电机）
Y15
KM3线圈（控制右主轴电机）
表2I/O资源分配图
3、PLC控制系统程序设计
3.1自动控制程序
3.1.1全自动循环控制程序
全循环过程：
当检测到油压信号（X11）到时，工件夹紧，将手/自动切换按钮（X13）切到自动档，这时候判断左动力头，右动力头，横刀是否都在原位，若原位指示灯（Y13得电）有亮，则判断四个此时都在原位，若原位指示灯不亮（Y13失电），则判断四个当中至少有一个不在原位，需进行原位复位。
如果在原位，则执行工件松开（Y1得电），当按下启动开关（X0），工件夹紧，工件夹紧信号（X12到位），接下来选择断左机工作、断右机工作或两边同时工作。
断左机：
Y5得电先右快进至共进点（X5），Y7得电进行右共进至右终点（X6），Y10得电进行横进至横进终点（X10），Y6和Y11得电进行右快退和横退至右原点（X4）；断右机：
Y2得电先左快进至共进点（X2），Y4得电进行左共进至左终点（X3），Y3得电进行左快退至左原点（X1）；当两边同时工作时，就执行上述的所有过程。
当左右动力头到达原点时，工作指示灯熄灭（Y12失电），至此工件完成了一次全循环的加工过程。
3.1.2原位判断
首先上电，当油压信号到之后，判断手自动开关是接到自动还是手动，然后决定是进入手动还是自动。
进入自动之后，首先进行判断左、右动力头以及横刀是否处于原位，采用经验设计方法直接进行左快退、右快退、横退，避免出现原本就已经在原位的情况，串联其原位触点的常闭开关。
3.2手动控制程序
手动/点动工作也是用PLC程序来控制的，点动分为2台主轴电机均能手动对刀、手动快进、手动快退和工件的手动松开等。
用相应的按钮来控制其点动。
以下程序为程序控制的右主轴点动，左快进点动和手动松开。
其中有快进和快退的互锁保护和左、右动力头的限位保护。
3.3联锁、保护程序
如上图3-6，联锁、保护程序是为了避免在程序运行中，出现误动作时不会引起硬件的误动作，避免不必要的损失。
在本程序中要联锁和保护的是在左右快速电机快进和快退及原位判断时左快退、右快退、横退。
如下图程序所示进行联锁
图3-6右快进、右快退程及原位判断程序中联锁
保护程序设计：
由于工件夹紧、工位移动都是依靠液压来实现，所以对于油压信号是否达到十分重要。
如果油压未达到预期值，则工件无法实现夹紧，工件加工会出现事故。
所以当油压降低时，应停止所有操作，等待油压信号。
因为油压降低后，工件出现松动，再次夹紧会影响工件加工的精度，所以每次油压降低后，应会原位，重新摆放工件位置，或者换个工件进行加工。
4、器件选择
4.1接触器选择
1、接触器分直流和交流接触器两大类，以接触器的主触点所能通断的负载类型为依据进行选择。
本次液压车镗专机使用电机主电路采用Y型联结，即额定电压为220V交流电压驱动，因此选用交流接触器。
2、交流接触器按负荷种类一般分为一类、二类、三类和四类，分别记为AC1、AC2、AC3和AC4。
其中，AC3类的典型用途是笼型感应电动机的运转和运行中分断，适用于本次液压车镗专机的使用。
3、按实际情况选择接触器额定参数。
1）选择左、右电动机接触器。
电动机的规格是品名：
5.5KW、1440转/分、～380V、12.5A
接触器主触点额定电流等于或稍大于电动机的额定电压和额定电流即可。
即大于等于12.5A。
考虑接触器的容量等级，应使它与被控制电动机的容量相当，即约7.5kw。
接触器线圈额定电压应为2200V，由控制回路的电压决定。
综上，可以选择CJ20-25接触器。
2）选择油泵电动机接触器。
电动机的规格是品名：
2.2KW、1440转/分、～380V、4.9A
接触器主触点额定电流等于或稍大于电动机的额定电压和额定电流即可。
即大于等于4.9A。
考虑接触器的容量等级，应使它与被控制电动机的容量相当，即约3.0kw。
接触器线圈额定电压应为220V，由控制回路的电压决定。
综上，可以选择CJ20-6.3接触器。
4.2、热继电器选择
4.2热继电器选择
热继电器主要用作电动机的过载保护，所以应按电动机的工作环境、起动情况、负载性质等因素来考虑。
液压车镗专机三种电动机均选用带断相保护装置的三相结构热继电器。
在三相异步电动机电路中，对Y联结的点动机可选择两相或三相感应电动机的热继电器，一般采用两相结构的热继电器，即在两相主电路中串联热元件。
1、选择左、右镗刀电动机热继电器。
整定电流：
一般可按下式选取IN=（0.95~1.05）INM，取系数为1。
即热继电器整定电流值为约12.5*1=12.5A。
确定热继电器整定电流后，可依此电流去选择热元件的整定电流为10~12~14A，即确定热元件的代号为4S。
选择JR20-16热继电器。
2、选择油泵电动机热继电器。
整定电流：
一般可按下式选取IN=（0.95~1.05）INM，取系数为1。
即热继电器整定电流值为约4.9*1=4.9A。
确定热继电器整定电流后，可依此电流去选择热元件的整定电流为4~5~6A，即确定热元件的代号为11R。
选择JR20-10热继电器。
4.3、熔断器选择
熔断器的主要技术参数有额定电压、额定电流（熔断器的额定电流、熔体的额定电流）、极限分断能力等。
所以应根据负载的保护特性和短路电流大小来选择熔断器的类型。
选择要求：
熔体额定电流与负载大小、负载性质有关。
A、对于一般照明电路、电热电路等负载：
可按负载电流大小来确定熔体的额定电流；
B、对于电动机负载:
单台:
IRN=（1.5~2.5）IN
多台:
IRN=（1.5~2.5）INM+∑IN
（1）熔断器额定电压
主电路的熔断器（FU1、FU2）额定电压为220V
（2）熔断器额定电流
油泵电机熔断器FU2:
IN=2*4.9=9.8A
左、右电动机熔断器FU1:
IN=2*12.5+12.5+4.9=42.4A
（3）是否带指示等功能
由于本设计带有电源指示灯等，故无需带指示功能
（4）综上所述选择熔断器：
FU1选用RT28-63/16A
FU2选用RT28-63/50A
4.4、按钮的选则
1）按钮的使用场合：
2）左右主电机和油泵电机额定工作电压为220V的交流电。
工作地没有显著的摇动，冲击振动和风雪侵袭。
所以选择按钮的额定工作电压为：
220V。
3按钮的颜色
启动按钮选择绿色，其他点开关选择黄色
综上所述，选择安装尺寸为D22的平钮。
启动按钮：
NP2-BW136
其他点动开关：
NP2-BW1561
5、设计小结
短短一周的课程设计经过老师们的精心指导，我们对车镗专机PLC控制系统设计有了更近一步的了解。
在老师讲解了车镗专机机床大致工作情况和工作要求后（不包括电源指示灯和油泵工作），我们就开始就开始按照要求画主电路图同时注意要怎么实现要求。
在画I/O接线图上我们在经过不断的讨论，最后确定哪些控制输入继电器，哪些输出继电器输出信号。
在画功能表图上画功能表图时就按顺序的思路用步进指令列出车镗专机组合机床的运行情况去做但常常遇到困难例如：
怎么判断是否左右动力头和横刀是否在原位，怎么设计才能实现此功能和做到最简，和断左机断右机怎么实现，在讨论过程中遇到不能解决的问题，就及时地向老师们请教。
最后在经过经过不断的理解和老师的指导下，完成I/O接线图和功能表图的设计。
之后，我们就开始写程序，按功能表图写程序后，进行程序检查，出现一些问题，比如双线圈，指令错误。
改完之后进行调试，会出现很多的问题，尤其是在误操作的情况下，会出现很多的问题，我都是通过不断调试不断完善程序。
以上都是我们此次课程设计中的体会和收获，在这次的课程设计中。
我们不但对PLC有了更深一步的认识和了解，而且对怎么设计plc的控制系统有了更清晰的逻辑思路只带设计时应该注意什么细节，最容易的问题会出现在哪应该如何解决，如何提高团队的协作能力。
这些都是我们在以后的学习生活或工作中最宝贵的经验财富，毫无疑问，这一定会成为我们知识中不可或缺的一部分。
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