千斤顶液压缸加工机床电气控制系统设计文献综述DOC.docx

千斤顶液压缸加工机床电气控制系统设计文献综述DOC.docx

《千斤顶液压缸加工机床电气控制系统设计文献综述DOC.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《千斤顶液压缸加工机床电气控制系统设计文献综述DOC.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

千斤顶液压缸加工机床电气控制系统设计文献综述DOC

贵州理工学院

本科毕业设计（论文）

文献综述

设计（论文）题目：

学院：

＿＿＿＿＿＿＿＿

专业：

＿＿＿＿＿＿＿＿

班级：

＿＿＿＿＿＿＿＿

学号：

＿＿＿＿＿＿＿＿

学生姓名：

＿＿＿＿＿＿＿＿

指导教师：

＿＿＿＿＿＿＿＿

年月日

摘要

在千斤顶液压缸加工机床电气控制系统设计中，设计了PLC控制系统总体方案，概括了PLC的简介，对千斤顶液压缸加工机床进行了设计分析，给出了硬件、软件设计与实现方案。

在设计分析千斤顶液压缸加工机床中，对机床的结构及工作原理做出来了阐述，并绘制了机床结构图，还阐述了机床液压系统工作原理以及机床工作流程。

在硬件设计部分，阐述了电动机主电路及其电气控制电路的设计过程，画出了注电流图，给出了工作示意图，给出了这两个电路的电器元件的选择结果以及硬件配置接线图。

在控制电路的设计部分，阐述了I/O接线图的设计过程，给出PLC及其输入／输出元件的选择结果。

在软件设计部份详细地阐述了PLC用户程序的设计过程，其中包括对公用程序、手动程序、自动程序与故障报警程序的设计过程的阐述，并给出了上述所有程序的梯形图、语句表以及仿真。

关键词：

机床系统分析，硬件设计，软件设计

Abstract

Inthedesignofelectricalcontrolsystemofhydrauliccylinderofhoistingjackmachine,designedtheoverallschemeofPLCcontrolsystem,summarizestheintroductionofPLC,thecuttingmachineforjackhydrauliccylinderisdesignedandanalyzed,giventhehardwareandsoftwaredesignandimplementation.Inthedesignofmachinetoolhydrauliccylinderofhoistingjack,thestructureandworkingprincipleofthemachinetodoitdescribed,anddrawthestructureofmachinetool,alsodescribestheworkingprincipleandworkingprocessofhydraulicsystemofmachinetool.Inthehardwaredesignpart,expoundsthedesignprocessofthemaincircuitandcontrolcircuitoftheelectricmotor,drawthecurrentmapdiagramisgiven,theelectricalcomponentsofthetwocircuitaregivenandthehardwareconfigurationofthewiringdiagram.Inthedesignpartofthecontrolcircuit,thedesignprocessoftheI/Owiringdiagramisdescribed,andtheselectionresultsofthePLCanditsinput/outputcomponentsaregiven.InthesoftwaredesignpartdescribesindetailthedesignprocessofPLCuserprograms,includingthedesignprocessofalarmprogramutility,manualprocedures,automaticprogramandfaultdescription,andgivesalloftheaboveprogramladderdiagram,statementtableandsimulation。

Keywords：

Machinetoolsystemanalysis,hardwaredesign,softwaredesign

第一章概述

1.1千斤顶液压缸加工机床电气控制系统发展现状

目前，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，PLC已由最初一位机发展到现在的以16位和32位微处理器构成的微机化PC，而且实现了多处理器的多通道处理。

如今，PLC技术已非常成熟，不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程I/O和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使PLC向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱。

现在，世界上有200多家PLC生产厂家，400多品种的PLC产品，按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品，各流派PLC产品都各具特色。

其中，美国是PLC生产大国，有100多家PLC厂商，著名的有A-B公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司。

欧洲PLC产品主要制造商有德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG公司、法国的TE公司。

日本有许多PLC制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士等，韩国的三星（SAMSUNG）、LG等，这些生产厂家的产品占有80%以上的PLC市场份额。

经过多年的发展，国内PLC生产厂家约有三十家，国内PLC应用市场仍然以国外产品为主。

国内公司在开展PLC业务时有较大的竞争优势，如：

需求优势、产品定制优势、成本优势、服务优势、响应速度优势。

PLC的发展趋势随着PLC应用领域日益扩大，PLC技术及其产品结构都在不断改进，功能日益强大，性价比越来越高。

可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）是专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统，是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点。

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种机械和生产过程。

可编程控制器及其有关设备都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

1.2未来发展趋势

（1）、在产品规模方面，向两极发展。

一方面，大力发展速度更快、性价比更高的小型和超小型PLC。

以适应单机及小型自动控制的需要。

另一方面，向高速度、大容量、技术完善的大型PLC方向发展。

随着复杂系统控制的要求越来越高和微处理器与计算机技术的不断发展，人们对PLC的信息处理速度要求也越来越高，要求用户存储器容量也越来越大。

（2）、向通信网络化发展

PLC网络控制是当前控制系统和PLC技术发展的潮流。

PLC与PLC之间的联网通信、PLC与上位计算机的联网通信已得到广泛应用。

目前，PLC制造商都在发展自己专用的通信模块和通信软件以加强PLC的联网能力。

各PLC制造商之间也在协商指定通用的通信标准，以构成更大的网络系统。

PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的组成部分。

（3）、向模块化、智能化发展

 为满足工业自动化各种控制系统的需要，近年来，PLC厂家先后开发了不少新器件和模块，如智能I/O模块、温度控制模块和专门用于检测PLC外部故障的专用智能模块等，这些模块的开发和应用不仅增强了功能，扩展了PLC的应用范围，还提高了系统的可靠性。

（4）、编程语言和编程工具的多样化和标准化

多种编程语言的并存、互补与发展是PLC软件进步的一种趋势。

PLC厂家在使硬件及编程工具换代频繁、丰富多样、功能提高的同时，日益向MAP（制造自动化协议）靠拢，使PLC的基本部件，包括输入输出模块、通信协议、编程语言和编程工具等方面的技术规范化和标准化。

第二章机床控制方法与控制系统的确定

机床控制系统在现代机床生产业中有很重要的的作用，机床的控制系统相当于机床的大脑和心脏。

一台机床要想很好的运行其控制系统一定要做好，一个好的机床控制系统要能够很好的控制机床的运行，能使机床的每一步都能够准确运行到位，并且还要有好的安全保护系统，还要有好的调试系统等。

机床控制系统有继电器控制、单片机控制、PLC控制等。

现将几种控制系统作出分析比较选取最优的控制系统来实现其功能。

 2.1PLC控制与继电器控制比较

（1）控制逻辑：

继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑，其连线多而复杂，体积大，功耗大，一旦系统构成后，想再改变或增加功能都很困难。

另外继电器触点数目有限，每只一般只有4～8对触点，因此灵活性和扩展性都很差。

而PLC采用存储逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序，故称为“软接线”，其连线少，体积小，加之PLC中每只软继电器的触点数理论上无限制，因此灵活性和扩展性都很好。

PLC由中大规模集成电路组成，功耗小。

（2）工作方式：

当电流接通时，继电控制线路中各继电器都处于受约状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的都因受某种条件限制不能吸合。

而PLC的控制逻辑中，各继电器都处于周期性循环扫描接通之中，从宏观上看，每个继电器受制约接通的时间是短暂的。

（3）控制速度：

继电控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低。

触点的开闭动作一般在几十毫秒数量级。

另外机械触点还会出现抖动问题。

而PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度极快，一般一条用户指令的执行时间在微秒数量级。

PLC内部还有严格的同步，不会出现抖动问题。

（4）限时控制：

继电控制逻辑利用时间继电器的滞后动作进行限时控制。

时间继电器一般分为空气阻尼式、电磁式、半导体式等，其定时精度不高，定时时间易受环境湿度和温度变化的影响，调整时间困难。

有些特殊的时间继电器结构复杂，不便维护。

PLC使用半导体集成电路作定时器，时基脉冲由晶体振荡器产生，精度相当高，定时范围一般从0.1s到若干分钟甚至更长，用户可根据需要在程序中设定定时值，然后由软件和硬件计数器来控制定时时间，定时精度小于10ms且定时时间不受环境的影响。

（5）计数控制：

PLC能实现计数功能，而继电控制逻辑一般不具备计数控制功能。

（6）设计与施工：

使用继电控制逻辑完成一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行，周期长，而且修改困难。

工程越大，这一点就越突出。

而用PLC完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计（包括梯形图和程序设计）。

基于PLC的静态切割机控制系统设计可以同时进行，周期短，且调试和修改都很方便。

（7）可靠性和可维护性：

继电控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多。

触点开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和可维护性差。

而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，它体积小、寿命长、可靠性高。

PLC还配备有自检和监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员，还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。

（8）价格：

继电控制逻辑使用机械开关、继电器和接触器，价格比较便宜。

而PLC使用中大规模集成电路，价格比较昂贵。

2.2PLC的特点

高可靠性：

所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。

各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10～20ms各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。

采用性能优良的开关电源。

对采用的器件进行严格的筛选。

良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。

大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。

 丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：

交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。

有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：

按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。

另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。

采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。

PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

 编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。

 安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。

使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。

各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。

由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。

 PLC的功能：

（1）逻辑控制

（2）定时控制（3）计数控制（4）步进（顺序）控制（5）PID控制（6）数据控制：

PLC具有数据处理能力（7）通信和联网（8）其它：

PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：

定位控制模块，CRT模块。

基于PLC的静态切割机控制系统设计

第三章机床系统分析

3.1机床结构及工作原理

数控机床一般由输入、输出装置、数控装置、可编程控制器、伺服系统、检测反馈装置和机床主机等组成。

输入输出装置其作用是将零件加工程序、参数、命令送入数控装置。

数控装置是一种专用计算机，一般由中央处理器、存储器、总线、输入/输出接口组成，是数控系统的核心，其作用是对数控加工程序进行译码、数据转换、插补计算，最后将加工程序信息转换为输出到伺服驱动系统的脉冲、电流或电压等控制信号。

机床本体包括机床的主运动部件、进给运动部件、执行部件和底座、立柱、刀架、工作台等基础部件。

机床本体要具有较高的精度和刚度，良好的精度保持性，主运动、进给运动部件要有高运动精度和高灵敏度。

本机床用于千斤顶液压缸两个端面的加工，采用装在动力滑台上的左、右两个动力头同时进行切削。

动力头的快进、工进及快退由液压缸驱动。

液压系统采用两位四通电磁阀控制，并用调整死挡铁的方法实现位置控制。

千斤顶液压缸两端面加工的工作循环如图所示，加工时，将工件放在工作台上并加紧，当工件夹紧后发出加工命令，左、右滑台开始快进，当接近加工位置时，左、右滑台变为工进进给，直到加工完成后再快退返回。

至原来左、右滑台分别停止，并将工件放松取下，工作循环结束。

既工作循环如下：

工件定位—工件夹紧—滑台入位—加工零件—滑台复位—夹具松开。

3.2机床液压系统工作原理

机床液压系统如图所示，由于左右液压滑台工作油路相同，图中只画出一个液压滑台油路。

千斤顶液压缸两端面加工机床采用了两位四通电磁阀控制，液压缸4主要驱动工件的定位，液压缸7主要驱动工件的夹紧和放松，液压缸12主要驱动动力头的快进、工进以及快退。

当我们把零件装入夹具后，打开主开关，运行机床，此时只有电磁换向阀YV1得电，电磁换向阀右位接通，液压泵流出的液压油驱动液压缸左行，插入定位销，此时工件定位：

工件定位后，经过一段时间，点此换向阀YV2得电，液压油经过压力油经阀5，驱动液压缸7动作，将零件固定在夹具内，压力继电器检测到油路到一定压力，零件夹紧后，电磁换向阀YV3、YV4、YV5同时得电，此时，为了保证滑台入位，YV1失电，使定位油缸退出，YV4得电，使液压缸左行快进，快速进入加工位置，回油经单向阀14流入油缸；当液压缸12驱动动力头到达加工位置时，YV5失电，回油经调速阀17，单向阀15流入油缸，机床进入工进状态，左右动力台进行两端面切削加工；当动力头到达加工终点时，停止工进，延长一段时间后，YV4失电，液压油经过单向阀13快速退回原位；左右动力头退到原位后，YV3失电，使滑台复位；滑台复后，电磁阀YV2失电，夹具松开，可以取出工件。

3.3机床工作流程

1.工件定位人工将零件装入夹具后，定位液压缸动作，工件定位。

2.工件夹紧零件定位后，延时15s，夹紧液压缸动作使零件固定在夹具内，同时定位液压缸退出以保证滑台入位。

3.滑台入位滑台带动动力头一起快速进入加工位置。

4.加工零件左右动力头进行两端面切削加工，动力头到达加工终点位置即停止工进，延时30s后停转，快速退回原位。

5.滑台复位左右动力头退回原位后，滑台复位。

6.夹具松开当滑台复位后夹具松开，取出零件。

第四章硬件设计

4.1控制要求

（1）左右动力头旋转切削由电动机M1集中传动，切削时冷却泵电动机同时运转。

（2）只有在液压泵电动机M3工作，油压达到一定压力（压力继电器检测）后，才能进行其他的控制。

（3）机床即能半自动循环工作，又能对各个动作单独进行调整。

（4）要求有必要的电气连锁与保护，还有显示与安全照明。

4.2加工过程的设计

1.工件的定位和加紧是靠电动机、液压系统和电磁阀来完成的。

通过三者的配合将工件定位和加紧。

2.滑台的入位和复位是靠电动机的拖动和电磁阀来完成的，在滑台入位的过程中，电动机要能够根据滑台的实际位置来实现加速、减速、正转，电磁阀也要能够相应的得电和断电，从而实现滑台的准确入位和精确加工。

3.在加工过程中，根据具体的控制要求使电动机的工作过程、电磁阀的通断电符合控制要求。

避免加工过程中的错误。

如在工件定位的过程中，电磁阀YV1得电，其它的电磁阀都不能得电，并且只有在工件定位结束后夹紧液压缸才允许动作。

4.在整个工作过程中，能够根据所给出的辅助电路，判断出现在的工作环节。

当电路产生故障时可以通过辅助电路判断出故障可能发生在哪个环节。

如HL1是动力头M1、冷却泵M2的运行指示.

4.3主电路的设计

其中M1带动动力头，M2带动冷却泵，M3带动液压泵。

KM1为M1、M2的接触器。

KM2为M3的接触器。

左右动力头旋转切削由电动机M1集中传动，切削时冷却泵电机M2同时运转。

M3带动液压泵，只有在液压泵电动机M3工作，油压达到一定压（压力继电器检测）后，才能进行其他的控制。

主电路图如下

4.4I/O点数的确定

根据上述控制要求可知系统采用自动工作方式，控制系统所需的输入端有启动开关SB1、停止开关SB2、压力继电器输入开关SB3、左动力头原位限位开关SB4、右动力头原位限位开关SB5、左动力头工进限位开关SB6、右动力头限位开关SB7、左动力头快进限位开关SB8、右动力头快进限位开关SB9，一共九个输入端；而输出端包括电磁换向阀YV1、YV2、YV3、YV4、YV5和动力头M1、冷却泵M2接触器以及故障指示HL1，一共8个输出端，考虑充裕量要求，因此估算用户程序存储容量：

存储器字数≥开关量I/O总数X10=170.所以选用输入点个数≥9、输出点个数≥8、用户程序存储器容量≥170的PLC。

4.5主电路的电机选择

电动机是主要的动力机械，它的应用是非常广泛的，所以就其全国电动机的总耗电量来说，它是极为可观的。

因此，合理选择电动机是相当重要的，它直接关系到生产机械的运行安全和投资效益。

电动机的选择内容包括电动机种类、外壳型式、额定电压、额定转速、额定功率、各项性能等电力拖动系统中拖动生产机械运行的原动机即驱动电机，包括直流电动机和交流电动机两大种，交流电动机又有异步电动机和同步电动机两种。

本次的电机主要选择是异步电动机。

第五章软件设计

（1）将零件装入夹具中，按下液压泵M3的启动按钮，启动电机M3，接触器KM2得电，KM2常开开关闭合，电路自锁。

（2）KM2常开开关闭合，电磁阀Y2得电，工件开始定位。

（3）零件定位之后，开始延时，延时15S后，加紧液压缸动作使零件固定在夹具里，同时停止按钮SB2启动，定位液压缸退出以保证滑台入位。

（4）当压力达到一定时，压力继电器开关SP闭合，左动力头原位限位开关SQ1、右动力头原位限位开关SQ2、左动力头工进限位开关SQ3得电，内部辅助继电器得电闭合，此时工件进行左快进动作。

（5）入位之后，电磁阀YV4得电，左右动力头开始进行两端面切削加工。

（6）当动力头到达加工终点位置即停止工进，延时30S后复位，工件进行快退动作。

（7）退位后电磁阀YV2、YV3得电动作，动力头开始退回原位。

（8）左右动力头退回原位后，滑台复位，夹具松开，取出零件。

参考文献

[1]薛东斌，刘有余，于雷.数控加工工艺与编程[M].武汉：

华中科技大学出版社，2013.2

[2]王振臣，齐占兴.机床电气控制技术[M].第五版.北京：

机械工业出版社,2012.5

[3]宫淑贞，王东青，徐世许.可编程控制器原理及应用[M].北京：

人民邮电出版社，2002

[4]张进秋，陈永利.可编程控制原理及应用实例[M].北京：

机械工业出版社，2003

[5]王宗才.机电传动与控制[M].北京：

电子工业出版社,2011

[6]于庆广.可编程控制器原理及系统设计[M].北京：

清华大学出版社，2004

[7]罗伟，邓木生.PLC与电气控制[M].北京：

中国电力出版社，2005

[8]姚永刚.电机与控制技术[M].北京：

中国铁道出版社，2010

[9]朱献清，郑静.电气制图[M].北京：

机械工业出版社，2010

[10]霍罡，樊晓兵.欧姆龙应用基础与编程实践[M].北京：

机械工业出版社，2013