本科毕业设计论文多工步组合机床的plc控制系统设计设计.docx

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本科毕业设计论文多工步组合机床的plc控制系统设计设计

多工步组合机床的PLC控制系统设计

摘要

本次课题设计的功能是实现对棉纺锭子锭脚加工过程的控制，加工棉纺锭子锭脚的是多工步机床，它对零件加工前的实习坯件利用七把刀具分为七步：

钻孔，车平面钻深孔，车外圆及钻孔，粗绞双节孔及倒角，精绞双节孔和绞锥角。

利用慢速电动机和快速电动机实现快慢速的进退，电子气阀实现快慢速电动机的转换。

还将可编程控制器应用于多工步组合机床的电气控制系统设计，并对设计思想作了详细介绍。

通过对多工步组合机床的控制系统的分析，设计好系统的主电路和控制电路，PLC的外部接线图，以及编写好控制程序的流程图和梯形图等，随着机床电气控制技术的不断发展和可编程控制器的广泛应用，可编程序控制技术以其灵活性好，可靠性高，通用性强，逐渐取代了传统继电器控制方式，PLC对组合机床的应用，无疑是当今工业控制的主要发展方向。

关键词：

多工步组合机床，PLC，步进顺序控制

DesignofCombinationMachineToolsControlSystemofPLC

ABSTRACT

Thecontrolofindustrialautomationcontrolinindustrialproductionoccupiesanimportantposition.Themachinetoolindustry,multi-stagemachineandworkbecauseofitsaction,controlismorecomplicated.Usingtraditionalrelaycontrol,needcomplex,therelay,faultthanwiring,maintenancedifficulties,Feigongtime-consuming.PLCcontrol,butnotonlygreatlysimplifiedwiring,installationisveryconvenient,andensurethereliability,reducethemaintenanceandincreasetheefficiency.Manufacturingisonecountryorregiondevelopmentoftheimportantpillars,itsdevelopmentlevelmarkthecountryorregion`seconomicstrengthandtechnologylevel,thelivingstandardsandnationaldefencecapabilities.Whilemanufacturingproductioncapacitydependsontheadvancedmanufacturingequipment,machinetool.Manyworkersstepforprocessingcottonspinningingotsmachineaprocessingmachineafeet,aspindlefeetprocessingtechnologyismorecomplex,partsprocessingforsolidblankpiecebefore,thewholemechanicalprocessingbyseventoolpointsrespectivelyaccordingtosevenworkerswerecuttingsteprequirements.Sevenworkstepisasfollows:

thedrilling,carplane,drilldeepholes,outside,roundanddrilling,coarsetwisteddoublefestivalholeandchamferingandfinetwisteddoublefestival,twistedtaperedboreholesworksteprequirements.

KEYWORDS:

Multi-stepcombinationmachine，PLC，Steppingsequencecontrol

目　录

前言

工业机床的控制在工业生产自动化控制中占有重要的位置。

多工步机床由于其工步及动作多，控制较复杂，采用传统的继电器控制时，需要的继电器多，接线复杂，因此，故障多，维修困难，费工费时，不仅加大了维修成本，而且影响了设备的工效。

采用PLC控制，可使线大为简化，不但安装十分方便，而且保证了可靠性，减少了维修费，提高了工效。

该多工步机床是采用采用PLC控制，液压机械传动的机床设备。

PLC系统设计任务分为硬件和软件设计两部分。

一般的PLC控制系统有信号输入组件，输出执行器件，显示器件和PLC构成。

因此，此PLC控制系统的硬件设计就是PLC和上述器件的选取和连可编程控制器不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电气维护人员的技能和习惯，摈弃了微机常用的计算机编程语言的表达方式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学、调试和查错都很容易。

用户买到所需要的PLC后，只需按说明书或提示，做少量的安装接线和用户程序的编制工作，就可以灵活而方便地将PLC应用于生产实践，而且用户程序的编制、修改和调试都不需要具有专门的计算机编程语言知识。

PLC现在已经成为现代工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，以其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、易与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备高速记数与位控等高性能模块等优异性能，日益取代有大量中间继电器、时间继电器、继数继电器等组成的继电-接触控制系统，在机械、化工、石油、冶金、轻工、电子、纺织、食品、交通等各行各业都得到广泛的应用。

接着，再通过软件的编制，最终实现除装卸工件以外的其余自动循环过程。

采用PLC技术改造的多工步机床和自动控制系统完全符合多工步机床自动的生产特点，能够满足多工步机床自动控制的各种要求，从而提高了面纺锭子锭脚的加工水平。

第1章多工步组合机床与PLC

1.1课题研究的背景

本文设计的多工步机床是用于加工棉纺锭子锭脚的一种加工机床,其锭脚加工工艺比较复杂,零件加工前为实心坯件,整个机械加工过程由七个工步要求依次进行切削七个工步依次为：

钻孔、车平面、钻深孔、车外圆及钻孔、粗绞双节孔及倒角、精绞双节孔、绞锥孔，各个工频的动作分解如图1-1所示。

图1-1各个工步的动作分解图

1.1.1我国工业电气控制技术的发展状况

工业电气控制技术是一种运用控制理论，食品仪表、计算机和其它信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、高度、管理和决策，达到增加产量，提高质量，降低消耗，确保安全等目的综合性技术，主要包括工业电气化软件，硬件和系统三大部分。

我国工业电气控制的发展道路，大多是引进成套设备的同时进行消化吸收，然后进行二次开发和应用。

目前我国工业控制电气化技术，产业和应用都有了很大的发展，我国工业计算机系统行业已经形成。

目前，工业电气控制技术正在向智能化，网络化和集成化方向发展。

从20世纪60年代开始，西方国家就依照技术（及新设备，新工艺以及计算机应用）开始对传统工业进行改造，使工业的得到飞速发展。

20世纪末世界上最大的变化就是全球市场的形成。

全球市场导致竞争空前激烈，促使企业必须加快及完善服务体系体系、就是企业T.Q.C.S，是企业实现“在正确的时间，将正确的信息以正确的方式传给正确的人，以便做出正确的决策”。

即“五个正确”。

然而这种自动化需要投入大量的资金，是一种高投资、高效率同时是高风险的发展模式，很难为大多数中小企业所采用。

1.2可编程控制器的简介

作为通用工业控制计算机，30年来，可编程控制器从无到有，实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备控制到胜任运动控制、过程控制、及集散控制等各种任务的跨越。

今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用。

1.2.1可编程控制的定义

可编程控制器（简称PLC），是指为计算机技术为基础的新型工业控制装置。

在1987年国际电工委员会办法的PLC做了如下定义：

“PLC是一种专业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、并能通过数字式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程”。

1.2.2PLC的特点

1.可靠性高，抗干扰能力强

高可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC由于采用现代规模继承电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

例如三菱公司身材的F系统PLC平均无故障时间高达30万小时。

一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。

从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电器系统相比，电气线接及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。

此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息，在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断。

这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。

2.配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今天，已经形成了大，中，小各种规模的系列化产品。

可以用于各种规模的工业控制场合。

除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于和种数字控制领域。

近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制，温度控制，CNC等各种工业控制中。

加上PLC通信能力的增加及人机罗布技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

3.易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。

它接口容易，编程语言易于为工程技术人员。

梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。

4.系统的设计，建造工作量小，维护方便，容易改造

PLC用破储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建行的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。

更重要的是使同一设备经过改变生产程序改变生产过程成为可能。

5.体积小，重量轻，能耗低

以越小型PLC为倒，新近出道的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g,功耗仅数瓦。

由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

1.3课题的提出

在机床行业中，多工步机床由于其工步及动作多，控制较复杂，采用传统的继电器控制时，需要的继电器多，接线复杂，因此，故障多，维修困难。

费工费时，不仅加大了维修成本，而且影响了设备的工效。

PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活，方便的优点而设计制造和发展的，这就使得PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点：

可靠性高，搞干扰能力强；通用性强，使用方便；采用模块化结构，使系统组合灵活方便；编程语言简单，易学，便于掌握；系统设计周期短；对生产工艺改变适应性强；安装简单，调试方便，维护工作量小。

1.4课题研究的意义，价值和技术可行性

原来用于加工棉纺锭脚的机床用于大量的继电器控制，可靠性低容易产生误动作，故障不易检查，维修频繁，噪声大且耗能，越来越满足不了生产需要。

同时可编程控制器作为一种新型的工业自动化装置已在工业控制名个领域广泛应用，具有体积小，功耗低，寿命长，可靠性高，灵活通用，易于编程，纪念版及使用方便等特点。

多工步机床是一种进行物定加工的高效率，自动化专用设备。

它通常采用继电器逻辑控制方式，存在着控制柜体积大，改变控制方式困难，柔性差，设备的电控系统故障率高，检修周期长等缺点。

随着技术的进步，这类控制系统已显示出越来越多的弊端。

1.4.1PLC控制与继电器控制的比较

1.功能强，性价比高

一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。

与相同功能的继电器相比，具有很高的性价比。

可编程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

2.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装备供用户选用。

3.可靠性高，抗干扰能力强

传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器，时间继电器。

由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10--1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

4.系统的设计，安装，调试工作量少

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器，时间继电器，计算机等器件，使控制柜的设计，安装，接线工作量大大减少。

PLC的梯形图程序一般采用顺序设计方法。

这种编程方法很有规律，很容易掌握。

对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。

5.编程方法简单

梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电器符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂。

熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。

梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。

6.维修工作量少，维修方便

PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。

PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的故障，迅速的查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。

7.体积小，能耗低

对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2--1/10。

PLC的配线比继电器控制系统的配线要小得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。

学得轻松，做得舒服。

1.4.2PLC控制与单片机控制的比较

PLC是建立在单片机之上的产品，单片机是一种集成电器，两者不具有可比性。

单片机可以构成各种各样的应用系统，从微型，小型到中型，大型都可，PLC是单片机应用系统的一个特例。

对于量大的配套项目，采用单片机系统具有成本低，效益高的优点，但这要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定，可靠地运行。

最好的方法是单片机系统嵌入PLC的功能，这样可大大简化单片机系统的研制时间，性能得到保障，效益也就有保证。

1.5小结

棉纺行业的现代化，要求机械产业不断的提供各种先进的设备为制造和维修这些设备，就必须具备制造各种金属零件的设备。

机械零件的形状精度，尺寸精度和表面粗糙要求高的零件，主要靠机床切削加工来达到，特别是形状复杂和精度要求高的零件，往往需要几道切削加工工步才能完成。

开发研制的此项多工步机床的电气控制系统的方案采用千里技术，工作可靠性高，简单易懂，容易掌握，维护方便，性能优良，反应灵活，自动化程度高，适合我国现在的国情，对我国经济的发展，以及机床利用自动控制系统的进步有着重要的现实意义和实用价值。

第2章硬件设计

2.1PLC选型设计

PLC技术是工业自动化的重要手段，它可以实现逻辑控制、顺序控制、定时、计数、算数运算、数据运算、数据通信等功能，并且具有处分支、中断、自诊断能力。

PLC技术的逻辑控制功能通过软件编程来实现，柔性强，控制功能多，控制线路大大简化。

PLC的输入输出回路均带有光电隔离等抗干扰和过载保护措施。

程序运行为周期性顺序扫描和集中批处理的工作方式，具有故障检测及诊断程序，可靠性极高。

PLC控制系统为模块结构，维护更换方便，并可显示故障类型。

因此本文决定采用PLC进行，并且保持原有的操作方式、按钮、开关的作用不变，以方便用户，缩短适应期。

根据PLC的技术特点又可增加一些新的功能。

S7-200系列西门子PLC家族中的成员之一，在西门子工控领域中占有重要的地位。

S7-200系列PLC体积小，价格低廉，软硬件功能强大，系统配置方便，它一推向市场就在各行各业得到了广泛的应用。

而S7-200系列的产品可以满足设计要求，因此设计以西门子公司的S7-200系列入手。

S7-200主机单元发展至今，经历了两代产品。

第一代产品为CPU21X型，包括CPU212、CPU214、CPU215和CPU216，其中每种主机单元可以进行扩展。

第二代产品为CPU22X型，包括CPU221、CPU222、CPU224、CPU224X、CPU226和CPU226XM，他们已经得到广泛的应用。

1.CPU221型主机单元具有6输入/4输出共计10数字I/O点，无I/O扩展能力。

2.CPU222型主机单元具有8输入/6输出共计14个数字I/O点，可以连接2个I/O扩展单元，最大扩展至78个数字量I/O点或10路模拟量I/O。

3.CPU224型主机单元具有14输入/10输出共计24个数字量I/O点，可以连接7个扩展单元，最大扩展至168个数字量I/O点或35路模拟量I/O。

4.CPU224XP型主机单元具有与CPU224相比增加了2路输入/1路输出功3路模拟量I/O。

5.CPU226型主机单元具有24个输入/16个输出共计40个熟悉I/O点，可以连接的I/O扩展单元，最大扩展至248个数字量I/O点或35路模拟量I/O。

CPU226系列具有多种功能模块和人机界面可供选择，具有功能齐全的编程软胶囊，控制系统硬件电路需要6输入/5输出共计10个数字量I/O点，所以选择CPU226作为主机单元，它具有24点开关量输入16点开关量输出。

因此采用1个基板即可。

PLC的具体硬件配置如表2-1所示。

表2-1PLC的具体配置

序号

名称

类型

数量

1

主机单元模板

CPU226

1

2

基板

DIN

1

2.2PLC的I/O编址

2.2.1PLC的I/O具体分配表

PLC的输入/输出具体分配如表2-2所示。

表2-2PLC的输入/输出编址

2.3PLC的I/O电路设计

PLC的主电路图如图2-1所示。

主电动机慢速电动机快速电动机

图2-1主电路

PLC电路主机单元I/O接线图如图2-2所示。

图2-2PLC电路主机单元I/O接线图

2.4元件明细表

由于工步机床电气控制系统I/O点及元件的数量和类型可知，该系统有一个电磁阀，四个接触式接触器KM1、KM2、KM3和KM4，两个按钮开关SB1、SB2，四个限位开关SQ1、SQ2、SQ3和SQ4，两个熔断器FU1和FU2，还有三台三相异步交流电动机M1、M2和M3。

统计得出需要接触器四个，按钮开关两个，限位开关四个，电磁阀一个，熔断器两个，三相异步交流电动机三台。

按照通常是用来短时接通或断开小电流的控制电路的开关。

目前按钮在结构上是多种形式的：

旋钮式用手安东旋转进行操作；指示灯式按钮内可装入信号显示信号；紧急式装有蘑菇形按帽，以表示紧急操作。

机床常用的按钮开关有LA10、LA18、LA19、LA20和LA25等系列产品，其中LA18系列采用积木式结构。

按钮开关选择额定电压是DC4，额定电流5A，电气寿命为通断次数大于20万次。

主要根据使用场合所需要的触电数、触电式及颜色选用。

限位开关，用于控制机械设备的行程及保护。

在实际生产中，将限位开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动不见的模块撞击限位开关时，限位开关的触点动作，实现电路的切换。

因此，限位开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。

限位开关有LX19、LXW5、LXK3、LX32和LX33等系列。

LXW5系列微动开关是适用于交流50HZ或60HZ，电压至600V，额定控制电流至15A和直流220V，额定控制电流20A的控制电路中，限位开关广泛用于各种机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。

在电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关的限位，轿厢的上下限位保护。

LX19系列行程开关适用于交流50HZ，交流电压至380V或直流电压值220V的控制电路中，将机械信号转换为电信号，作控制运动机构的行程和变换其运动方向或速度之用。

接触器的选择，选择接触器主要考虑一下技术资料：

1.电源种类：

交流或直流。

2.主触点额定电压、额定电流。

3.辅助触点种类、数量级触点额定电流。

4.电磁线圈的电源种类，频率和额定电压。

5.额定操作频率，即允许的每小时接通的最多次数。

额定电压：

铭牌额定电压是指主触点上的额定电压。

通常用的电压等级为交流接触器：

220V，380V，500V。

如某负载是380V的三相感应电动机，则应选用380V的交流接触器。

额定电流：

铭牌额定电流是指主触点的额定电流。

通常用的电流等级为：

直流接触器：

25，40，60，100，150，250，400，600A

交流接触器：

5，10，20，40，60，100，150，250，400，600A

上述电流是指接触器安装在敞开式控制屏上，接触工作不超过额定温升，负载为间断——长期工作制时的电流值。

若超过8小时，必须空载开闭三次以上，以消除表面氧化膜。

如果上诉条件改变，就要做相应修正起电流值，具体如下：

当接触器安装在想规内，由于冷却条件差，电流要降低10~20%使用

当接触器工作于长期工作制，而且通电持续率步超过40%；敞开安装，电流允许提高10~25%；箱柜安装，允许提高5~10%。

线圈的额定电压：

通常的电压等级为

直流线圈：

24，48，220，440V

交流线圈：

36，127，220，380V

（选择时一般交流对交流，直流对直流，但交流负载频繁动作时可采用直流吸引线圈的接触器；直流接触器断开时产生的过电压高达10~20倍，故不宜采用高电压等级，电压太低，接通线圈用的继电器或接触器的联锁触点不可靠。

）

操作频率：

至每小时接通的次数，交流接触器最高为600次/h，直流接触器可达1200次/h。

接触器用于带有负载主电路的自动接通或断开。

分直流、交流两类，适用于交流电动机的频繁启动、制动、正转、反转控制。

交流接触器的结构原理与直流接触器相似，主要由点此系统、触点系统、灭弧装置、复位弹簧和支架底座等部分组成。

本设计使用MZJ型交流接触器供远距离接通和断开。

额定电压至480V，额定电流至600A的交流电力线路之用，适宜于控制交流电动机的频繁启动、停止、换向及反接制动。

电磁阀用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；并不限于液压，气动。

电磁阀用于控制液压流动方向，该设计的机械装置有气压钢控制，所以就会用到电磁阀。

ARE系列的电磁阀主要用于气压流控制，根据介质流向要求及管道连接方式克制ARE-050可满足设计全部要求，因此选择ARE-050作为控制纵向运动的开关。

电磁阀选择额定电压是AC220V，额定电流5A，电气