凡尔座圈专用机床PLC控制系统设计Word文档下载推荐.docx

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3.2.1控制系统的I/O分配表及外部接线图10

3.2.2电磁阀动作顺序表8

4控制系统的软件设计10

4.1PLC软件设计要求11

4.2控制系统的整体工作循环图11

4.3系统系统的软件编程12

4.3.1凡尔座圈专用机床各部件的梯形图及PLC控制程序12

调试…………………………………………………………………………………………..18

结论…………………………………………………………………………………………..20

致谢22

参考文献22

附录…………………………………………………………………………………………..23

机电一体化技术谢飞

指导老师宋国庆

摘要：

可编程控制器（PLC）是目前工业上最常用的自动控制装置，基于当代控制技术的数字化、网络化的发展方向，利用可编程控制器（PLC）实现对专用机床的控制，可以大大提高生产的效率。

本课题在研究专用机床加工工艺和各部件动作特点的基础上，提出了PLC控制的硬件电路设计方案，采用顺序功能图法设计控制梯形图，经调试实现了控制系统的工艺流程。

关键词：

凡尔座圈、专用机床、可编程控制器（PLC）

1引言

PLC，英文全称是ProgrammableLogicController,也是我们耳熟能详的可编程控制器[1]。

1969年，美国数字设备公司（DEC公司）研制出了第一台可编程控制器PDP-14,在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，并取得了满意的效果，可编程控制器由此诞生。

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，实现了从逻辑控制到数字控制的进步；

其应用领域从小到大，实现了从单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制和集散控制等各种任务的跨越[2]。

大规模及超大规模集成电路的发展，以及微机化可编程控制器的惊人发展，使PLC在概念、设计、性价比等方面有了重大的突破。

可编程控制器具有了高速计数、中断技术、PID控制等功能，同时联网通信功能也得到了加强。

所有这些技术层面的更新为PLC在更大范围和领域的利用奠定了扎实的基础。

在现在大规模的加工制造行业中，PLC已不再局限于传统的制造领域，而是被广泛的应用到所有可能的行业中，包括油田、船舶、冶金、污水处理、轧钢行业、造纸行业等等[3-4]。

如今国内许多厂家的自动控制系统及加工机床都采用PLC控制。

汽车行业的一汽、二汽，早在八十年代中后期就大力着手用可编程控制系统代替继电器控制系统。

而我国大多数制造行业和企业的生产、加工装备也都是用机床加工完成[5]。

但是，大量的机床加工仍采用传统的继电接触控制，不仅工作可靠性差，而且对环境适应能力低。

同时这种旧的机床耗能高、效率低，用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高等问题，在国内外市场缺乏竞争力，直接影响到了一个企业的产品、市场、效益[6-7]。

由于PLC具有功能强、通用灵活、可靠性高、环境适应性强、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点。

基于当代控制技术的数字化、网络化的发展方向，如果将可编程程序控制应用在现在的机床加工流程上就可以大大提高生产效率[8-9]。

本课题就是要用PLC控制替代继电器控制，实现凡尔座圈专用机床的PLC控制系统设计。

机床生产的整个流程是顺序控制，动作部件主要是尾架、前刀架、后刀架、卡盘，由PLC实现系统的控制，分为硬件和软件两部分，主要设计方法是顺序流程图设计法。

PLC控制系统不仅可以实现专用机床自动工艺流程并能方便的改变工艺流程。

将PLC控制系统运用于专用机床控制意义在于，在生产加工工艺变化时，不会造成机床的长期停机。

特别是在产品更新换代，生产工艺改造时，不需要改动现有的生产设备及外部接线，只要在软件上修改相应的程序就能实现控制。

2PLC及凡尔座圈专用机床概述

2.1可编程控制器（PLC）简介

2.1.1PLC的工作原理及特点

可编程控制器（PLC）是一种以计算机（微处理器）为核心的通用工业控制装置。

它主要运用于恶劣工业环境中的机械或生产过程的自动化控制。

目前它已经大量取代了传统的继电器控制方式，被广泛应用于工业生产的各个领域，成为实现工业自动化的一种强有力工具。

它的工作原理是建立在计算机工作原理上的，即是通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。

PLC是以循环扫描控制数字化的信息，实施逻辑性很强的通信控制。

在系统硬件的支持和软件的控制下，PLC按固定的周期进行循环扫描，按用户程序中指令的顺序，一条一条地执行。

在每个扫描周期内，PLC顺序地执行自诊断，初始化，执行用户程序，通信服务等任务。

如图2.1所示，当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样，用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

图2.1PLC工作过程

以上是一般的PLC的工作原理，但在现代比较先进的PLC中，输入映像刷新阶段，程序执行阶段和输出映像刷新阶段已经各自独立的工作，提高了PLC的执行效率。

PLC的诞生给工业控制带来了一次革命性的飞跃，与继电器、微机控制相比，PLC有它独特的优点：

（1）可靠性高，抗干扰能力强。

这也是PLC性能的一个重要体现。

这个突出的优点使得PLC应用领域更加广泛。

目前各生产厂商生产的PLC，其平均无故障时间都大大超过了IEC规定的10万小时。

（2）灵活，通用，I/O接口丰富。

由于PLC产品均成系列化生产，多数采用模块式的硬件结构，使得组合和扩展更加方便。

（3）编程简单，使用方便。

PLC的编程可采用与继电器电路极为相似的梯形图语言，使得复杂的控制变得一目了然，使程序控制简易化，尤其是程序流程图的广泛使用，更能体现PLC方便使用的优点。

（4）设计施工周期短，接线简单，维护工作量小。

PLC有完善的自诊断、履历情报存储及监视功能。

同时PLC对于其内部工作状态、通信状态、异常状态和I/O点的状态均有显示。

（5）控制系统设计、安装、调试方便。

PLC中含有大量相当于中间继电器、时间继电器、计数等的“软元件”。

又用程序代替硬接线，安装接线工作量大大减少。

（6）联网方便，便于系统集成。

PLC除了基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能模块还可以实现点位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能。

根据机床的控制要求，本设计采用以OMRONCPM1A-40CDR-A-V1为控制核心的可编程控制器。

CPM1是OMRON的小型可编程控制器，它主要的功能主要包括以下几个方面：

丰富的指令系统、模拟量的设定功能、输入时间常数设定功能、高速计数器功能、外部输入中断功能、间隔定时器中断功能、高速计数器功能、外部输入中断功能、间隔定时器中断功能、快速响应输入功能、脉冲输出功能、高性能的快闪内存、较强的通信功能。

2.1.2PLC运用领域

（1）开关量的逻辑控制：

它是PLC最基本的功能。

所控制的逻辑可以是各种各样的，

如时序的、组合的、计数的、不计数的等等，控制的输入/输出点数可以不受限制，少则10点，几十点，多则成千上万点，并可以通过互联网来实现控制。

（2）模拟量的闭环控制：

PLC具有A/D、D/A转换及算术运算功能，因此可以实现模拟量控制，有的PLC还具有PID控制或模糊控制的功能。

可以用于闭环位置控制、速度控制和过程控制。

（3）数字量的智能控制：

利用PLC能接收和输出高速脉冲的功能，再配备相应的传感器（如旋转编码器）或脉冲伺服装置（如环型分配器、功放、步进电机），就能实现数字量的智能控制。

较高级的PLC还专门开发了位控单元模块、运动单元模块等，可实现曲线插补。

新开发的运动单元还能识别数控技术的编程语言，为PLC进行数字量的智能控制提供了方便。

（4）数字采集与监控：

PLC实现控制时，可把现场的数据实时显示或采集保存下来，

供进一步分析研究。

较普遍使用的是PLC加上触摸屏，可随时观察采集来的数据及统计分析结果。

（5）通信、联网及集散控制：

PLC的通信联网能力很强，除了PLC和PLC之前的通信联网之外，PLC还可以与计算机进行通信和联网，由计算机实现对其编程和管理。

PLC也能与智能仪表、智能执行装置（如变频器）进行通信和联网，互相交换数据并对其实施控制。

2.2凡尔座圈专用机床控制系统概述

2.2.1凡尔座专用机床简介

油田开采是当今备受关注的一个话题，也是一个功在当代，利在千秋的长期工程。

石油大多数都埋藏在沉积盆地内，进入油田开采后，面对各种类型的油气田，如何进行开发及对油田开采设备的选择都是直接影响生产和效率的一个关键步骤。

凡尔是开采设备中不可或缺的零件，开采时，凡尔与钻井泵相结合，可以完成循环钻井、冲洗井底，冷却钻头和隐固井壁，在喷射钻井时还有破碎岩屑的作用。

凡尔座及钻井泵的好坏，直接影响了钻井生产和进度。

凡尔主要有三个部分组成：

凡尔体、凡尔座、凡尔座圈。

凡尔体、凡尔座的坯料一般都是成段钢，而凡尔座圈材料一般是合成橡胶。

凡尔座圈主要是配合凡尔座使用，套在凡尔座的一个卡槽上以达到密封的效果。

而凡尔体及凡尔座主要固定在相关开采设备上，起着排水、吸水的功能。

凡尔座圈专用机床是一种专门用来生产凡尔座圈的加工机床。

本课题就是要设计一个控制系统，让机床自动实现将原料加工成凡尔座成品的加工过程。

2.2.2机床加工工艺

机床的主要运动部件由床身主轴箱、转塔尾架、前刀架、后刀架和料斗等部件组成，如图2.2所示。

图2.2机床主要部件布置图

机床主轴箱前端的液压卡盘夹紧凡尔座圈的坯料作旋转运动，尾架上装有镗孔刀和平面车刀，工作进给后，完成镗内孔和沉孔加工；

前刀架上装有精车力，工作进给后完成端面精车；

后刀架上装有切刀，工进后割断加工完成的工件。

尾架，前、后刀架的工作进给和快速进、退由液压缸驱动。

机床的转塔尾架具有四个位置，两个位置上安装相同的镗孔刀和平面车刀，另两个位置上安装有相同的定位挡料块，它们呈90°

交叉排列（如图2.2所示），转塔尾架按顺时针方向单向转位，毎加工一个工件它都要转位两次，以便完成挡料和镗内孔、沉孔加工两个工序（转塔尾架后退时通过机械联动机构自动转过90°

）。

凡尔座圈的坯料是成段钢管，每段坯料的长度可加工6个座圈，段料整齐的放在料斗中，当加工完第6个座圈后，段料能自动进入主轴箱后端，由推料液压缸推至主轴箱前端，然后再继续加工。

在6个工件的加工循环过程中，推料液压缸始终推住坯料。

当一个座圈被割刀割断后，卡盘松开，段料在液压缸的推力作用下，被推向前端，并由挡料块挡住定位，然后卡盘夹紧，再进行加工。

图2.3刀架布置图

只有当6个座圈都加工完毕，料头（即一段专供加工6个座圈时夹紧用的坯料）推出后，推料液压缸才快退让新的段料落下，经延时后又前进推料，也即每隔6个工作循环，推料液压缸快速返回一次。

刀架布置图如图2.3所示。

2.2.3机床加工工作循环

凡尔座圈专用机床主要动作部件分为尾架、卡盘、前刀架、后刀架、推料缸五大块。

各部件快进、快退、工进等动作都根据工件的加工的要求对输出端的电磁阀的通断电来实现。

加工一个零件的工作循环如图2.4所示，它由14个工步组成。

图2.4所示工作循环总图中应该注意两点:

1）前刀架未设原位行程开关。

这