四工位组合机床的plc控制系统设计解读.docx

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四工位组合机床的plc控制系统设计解读

湖南生物机电职业技术学院

毕业设计报告书

题目：

四工位组合机床控制系统设计

专业机电一体化

班级一体化11510班

姓名梁巨江

指导教师王少华

年月日

目录

第1章绪论1

1.1组合机床概述1

1.2控制流程2

2.2控制电路设计3

2.3电控系统输入输出信号5

第3章PLC概述与方案论证8

3.1PLC概述8

3.2方案论证8

第4章电气控制系统硬件设计11

4.1选择PLC机型11

4.1.1结构选择11

4.1.2I/O点选取原则11

4.1.3确定PLC机型及扩展模块12

4.2设计输入输出信号地址表12

4.3设计PLC控制系统电气原理图14

4.4设计PLC控制系统操作面板15

第5章控制系统软件设计16

5.1设计PLC控制系统工作循环流程图16

5.2设计PLC控制系统初始化梯形图程序17

5.3设计PLC控制系统手动及显示梯形图程序17

5.4设计PLC控制系统状态转移图与梯形图程序17

5.5实验室电气原理图仿真及程序调试22

结论23

参考文献24

第1章绪论

1.1组合机床概述

组合机床是针对特定工件，进行特定加工而设计的一种高效率自动化专用加工设备，这类设备大多能多刀同时工作，并且具有自动循环的功能。

组合机床是随着机械工业的不断发展，由通用机床、专用机床发展起来的。

通用机床一般用一把刀具进行加工，自动化程度低、辅助时间长、生产效率低，但通用机床能够重新调整，以适应加工对象的变化。

专用机床可以实现的多刀切削，自动化程度较高，结构较简单，生产效率也较高。

但是，专用机床的设计，制造周期长，造价高，工作可靠性也较差。

专用机床是针对某工件的一定工序设计的，当产品进行改进，工件的结构，尺寸稍有变化时，它就不能继续使用。

在综合了通用机床、专用机床优点的基础上产生了组合机床。

组合机床通常由标准通用部件和加工专用部件组合构成，动力部件采用电动机驱动或采用液压系统驱动，由电气系统进行工作自动循环的控制，是典型的机电或机电液一体化的自动加工设备。

常见的组合机床，标准通用部件有动力滑台各种加工动力头以及回转工作台等，可用电动机驱动，也可用液压驱动。

各标准通用动力部件组合构成一台组合机床时，该机床的控制电路可由各动力部件的控制电路通过一定的连接电路组合构成。

多动力部件构成的组合机床，其控制通常有三方面的工作要求：

第一方面是动力部件的点动和复位控制。

第二方面是动力部件的半自动循环控制。

第三方面是整批全自动工作循环控制。

组合机床具有生产率高、加工精度稳定的优点。

因而，在汽车、柴油机、电机、机床等一些具有一定生产批量的企业中得到了广泛应用。

目前，组合机床的研制正向高效、高精度、高自动化和柔和性化方向发展。

本文所用组合机床为四工位组合机床，该机床由四个滑台，各载一个加工动力头，组成四个加工工位，除了四个加工工位外，还有夹具，上下料机械手和进料器，四个辅助装置以及冷却和液压系统共14个部分。

机床的四个加工动力头同时对一个零件的四个端面以及中心孔进行加工，一次加工完成一个零件，由上料机械手自动上料，下料机械手自动取走加工完成的零件，零件每小时可加工80件。

该机床的俯视示意图如下：

图1.1四工位组合机床示意图

1.工作台2.主轴3.夹具4.上料机械手

5.进料器5.下料机械手

1.2控制流程

当按下启动按钮后，上料机械手向前，将零件送到夹具上，夹具夹紧零件，进料装置进料，然后四个工作滑台向前，四个加工动力头同时加工，加工完成后，各工作滑台退回原位，接下来下料机械手向前抓住零件，夹具松开，下料机械手带料退回原位并松开，完成一个工作循环。

要求组合机床能以手动、半自动、全自动三种工作方式工作。

全自动工作方式为一个工作循环结束后，自动进入下一个工作循环；半自动工作方式为一个工作循环结束后，机床将停车于初始状态；手动方式是用于手动调整的。

第2章电路设计

2.1主电路设计

（一）设计要求

（1）主轴电动机单方向起动，要求有过载及短路保护。

（2）液压泵电动机单方向起动，过载及短路保护。

（3）冷却泵电动机单向工作，过载及短路保护。

（二）元件选用

根据上面要求，要选用三台电动机：

M1——控制主轴的电动机；

M2——控制液压泵的电动机；

M3——控制冷却泵的电动机。

再根据电动机的控制要求选择元件：

QF——控制总电源的断路器，实现短路和过载保护；

FU1～FU3——控制各电动机短路保护；

KM1——控制主轴电动机单向工作；

KM2——控制液压泵电动机工作；

KM3——控制冷却泵电动机工作；

FR1～FR3——用与各电动机的过载保护控制。

（三）作出草图如下

图1.2主电路图

2.2控制电路设计

1）设计要求

主轴电动机M1和液压泵电动机M2可以同时起停，也可以单独起停。

要求在动力头工作进给时，冷却泵电动机M3才接通，但也可以随时调整。

2）元件选用

KM1～KM3——控制M1～M3单向起动动作接触器；

SB1——总停按钮；

SB2、SB3——M1与M2起动按钮；

SB4、SB5——M1与M2停止按钮；

SB6——冷却泵电动机（M3）调整按钮；

SB7——冷却泵电动机单独停止按钮；

SA1——控制M1与M2的同时与单独起停开关；

SA2—实现动力头工进时自动起动与手动调整的开关；

FR1～FR3——M1～M3过载保护热继电器；

SA3——照明开关；

HL1——电源指示灯；

EL——照明灯。

3）控制电路草图

根据所选元件与工作要求画出控制电路图，

如下图：

图1.3控制电路图

2.2.4工作原理

（1）主轴起动

首先合QF→HL1灯亮，表示电源供电正常

按下SB2→KM1（+）→KM1主闭→M1起动运转，拖动主轴旋转，KM1辅闭自锁。

（2）主轴停止

按SB4（或SB1）→KM1（–）→KM1主复位→M1停止。

（3）液压泵起动

按SB3→KM2（+）KM2主闭→M2起动，提供高压油，为液压系统工作准备，KM2辅闭自锁。

（4）液压泵停止

按SB5→KM2（–）→RM2主复位→M2停止。

（5）主轴与液压泵同时工作

首先将SA1打开向左位置

按SB2→KM1（+）→KM1主闭→M1起动工作，同时KM2（+）→KM2主闭→M2同时起动工作。

（6）冷却泵手动控制

首先将SA2打在M位置，然后按SB6→KM3（+）→M3起动，提供冷却液，KM3辅闭自锁。

停止冷却泵按SB7即可。

（7）冷却泵自动控制

首先将SA2打在A位置，当动力头工作进给时KA2（+）→KA2常开闭合→KM3（+）→KM3主闭→M3自行起动工作，提供冷却液。

2.3电控系统输入输出信号

1、输入信号（共42个）。

其中：

SQ、YJ为位置检测传感器开关；SA为选择开关；SB为按钮。

功能

器件

功能

器件

功能

器件

功能

器件

滑台1原位

1SQ

下料器终点

12SQ

滑台1进

5SB

主轴4点动

16SB

滑台1终点

2SQ

夹紧

1YJ

滑台1退

6SB

夹紧

17SB

滑台2原位

3SQ

进料

2YJ

主轴1点动

7SB

松开

18SB

滑台2终点

4SQ

放料

3YJ

滑台2进

8SB

上料器进

19SB

滑台3原位

5SQ

润滑压力

4YJ

滑台2退

9SB

上料器退

20SB

滑台3终点

6SQ

润滑液面开关

5YJ

主轴2点动

10SB

进料

21SB

滑台4原位

7SQ

总停

1SB

滑台3进

11SB

放料

22SB

滑台4终点

8SQ

启动

2SB

滑台3退

12SB

冷却开

23SB

上料器原位

9SQ

预停

3SB

主轴3点动

13SB

冷却停

24SB

上料器终点

10SQ

润滑故障撤除

4SB

滑能4进

14SB

下料器原位

11SQ

选择开关

1SA

滑台4退

15SB

2输出信号（共27个）。

其中：

YV为电磁阀；KM为接触器；HL为指示灯

功能

器件

功能

器件

功能

器件

功能

器件

夹紧

1YV

上料退

8YV

放料

15YV

润滑电动机

6KM

松开

2YV

下料进

9YV

进料

16YV

润滑显示灯

1HL

滑台1进

3YV

下料退

10YV

1主轴

1KM

1、3工位原位指示

2HL

滑台1退

4YV

滑台2进

11YV

2主轴

2KM

2、4工位原位指示

3HL

滑台3进

5YV

滑台2退

12YV

3主轴

3KM

上料原位指示

4HL

滑台3退

6YV

滑台4进

13YV

4主轴

4KM

下料原料指示

5HL

上料进

7YV

滑台4退

14YV

冷却电动机

5KM

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。

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。

继电器-接触器控制系统的缺点是：

由于固定接线形成，故在进行程序控制时，改变控制程序不方便，灵活性差。

故在实际生产中，由于大量存在一些开关量控制的简单程序控制过程，而实际生产工艺和流程，又是经常变化的。

因而传统的继电器-接触器控制系统常常不能满足这种需求。

电子计算机控制系统的出现提高了电气控制的灵活性和通用性，其控制功能和控制精度都得到很大的提升。

然而在其初期，存在着系统复杂、使用不方便、抗干扰能力差、成本较高等缺陷，尤其对上述简单的过程控制有“大材小用”和不经济等问题。

因而60年代出现了一种能够根据需要，方便的改变控制系统，而又要比计算机系统结构简单，价格低廉的自动化装置——顺序控制器。

它能通过组合逻辑元件插接或变成来实现继电器-接触器控制线路功能的装置，它能满足成组经常改变的控制要求，使控制系统具有较大的灵活性和通用性，但它还是使用硬件手段，装置体积大，功能也受到了一定的限制。

随着大规模集成电路和微处理机技术的发展和应用。

上述控制技术也发生了根本变化。

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）。

这种期间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。

第3章PLC概述与方案论证

3.1PLC概述

可编程控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统，它采用一种可编程程序的存储器，在其内部存储执行逻辑算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式、模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备和生产过程。

可编程控制器及其有关设备的设计原则是它应该易