基于PLC的金属切削机械控制系统的设计.doc
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PLC控制技术课程设计说明书
题目：
基于PLC的动力头控制系统设计
系部：
信息与控制工程学院
专业：
自动化
班级：
三
学生姓名:
夏阳学号:
09032130138
指导教师:
张海燕
2012年6月2日
PLC控制技术课程设计说明书
目录
1 绪论 1
1.1控制系统在动力头机床中的作用与地位 1
1.2控制系统的类型、特点及应用场合 1
1.2.1继电器控制系统 1
1.2.2计算机控制系统 2
1.2.3可编程序控制器控制系统 2
2控制系统方案论证与选择 4
2.1电动机拖动部分 5
2.2液压拖动部分 5
3控制系统硬件设计 6
3.1电动机电器控制线路的设计 6
3.1.1电动机和电器元件的配置 6
3.1.2电动机型号的选择 7
3.1.3电器元件型号的选择 8
3.1.4主电路和控制电路电源的确定 10
3.1.5主电路设计 10
3.1.6控制电路设计 11
3.1.7其他电路的设计 12
3.2攻丝电机及液压拖动部分的PLC控制系统硬件设计 13
3.2.1系统输入元件和输出元件型号的确定。
13
3.2.2PLC机型的选择 13
3.2.3PLCI/O元件的分配 14
3.2.4PLC的I/O接线图 17
4控制系统软件设计与调试 17
4.1PLC程序的总体结构 17
4.2各部分程序的作用及设计过程 18
4.2.1公用程序 18
4.2.2全机半自动程序 20
4.2.3单机单步程序 29
4.2.4全机自动回原点程序 33
5总结与展望 36
6参考文献 37
1绪论
可编程控制器（ProgrammablelogicControl-ler,简称PLC）是以微处理机为基础,综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置,其具有逻辑控制、计时、计数、数据处理、联网与通信等强大功能,用来替代传统的继电—接触控制系统。
同时,由于PLC具有很高的可靠性和极大的应用灵活性,在各行各业的控制领域都得到了广泛的应用,并与CAD/CAM和机器人技术一起被誉为现代工业自动化的三大支柱之一。
大量采用传统继电—接触控制系统的设备通过改造更新,成为PLC控制的自动化系统,而且具有改造成本低、周期短和可靠性高等特点。
本文介绍基于PLC的动力头控制系统的设计与应用。
1.1控制系统在动力头机床中的作用与地位
控制系统是动力头机床的指挥控制中心。
动力头机床对产品所有零件的加工只有在控制系统的指挥下才能进行。
因此,控制系统性能的好坏、自动化水平的高低直接影响到机床的整体性能及加工质量。
此外，控制系统性能的好坏对于提高劳动产品的产量和质量也有着极大地影响。
当然也会影响到该企业的市场竞争力。
所以对动力头机床控制系统的设计与制作要引起足够的重视。
要提高机床的性能，除了要提高该机床机械部分的性能外，还要提高该机床的控制系统的性能。
1.2控制系统的类型、特点及应用场合
目前就控制系统来说,有三种可供选择：
继电器控制系统；计算机控制系统；可编程序控制器控制系统。
PLC程序控制器以其可靠性高、适应性强、设计调试方便等优点，在很多工业部门已经取代前两种控制系统。
1.2.1继电器控制系统
继电器是一种用弱电信号控制强电信号的电磁开关[3]。
继电器控制系统的控制功能是用硬件继电器（或称物理继电器）实现的。
多年来，人们用电磁继电器控制顺序型的设备和生产过程。
就单台继电器控制系统而言，其工作可靠性是比较高的。
而且继电器本身也不贵。
所以对于小型的、要求不复杂的控制对象来说，采用继电器控制系统是可行的。
但是对于复杂的控制系统来说，所需的继电器很多。
任何一个继电器的故障都会影响到整个系统的正常运行，查找和排除故障往往是非常困难的；由于该控制系统靠硬件接线，所以程序的更改比较困难，所以它的适应性比较差，不适应经常要求变更程序的产品的设计。
当要求生产小批量、多品种的产品时，继电器控制系统是不能够满足要求的。
1.2.2计算机控制系统
计算机控制系统的程序采用指令编程，程序可以替代一部分硬件，而且程序便于维修。
与继电器控制系统相比较，其控制电路的故障点相应减少；其适应性、通用性与灵活性都有提高；而且因为它是由电子器件组成，所以比继电器控制系统体积小、重量轻而且耗能少。
但是计算机控制系统对环境的要求比较高，其抗干扰能力不强；在制作中还需要印刷电路板，其外部I/O接线需要用插座从一双电路板上引出，既不方便也不可靠；在编程的时候用的是汇编语言或C语言，比较麻烦，不易被工厂的电气人员掌握。
因此计算机控制系统的应用范围还是很受限制。
1.2.3可编程序控制器控制系统
可编程序控制器的特点：
（1）可靠性高，抗干扰能力强
PLC是专为工业控制而设计的，在硬件方面采用了电磁屏蔽、光电隔离、模拟量和数字量滤波、优化电源电路等措施，并对元件进行了严格的筛选；在软件方面则采取了警戒时钟、故障诊断、自动恢复等措施，利用后备电池对程序和动态数据进行保护。
因此，PLC是有其他工业控制设备无可比拟的高可靠性。
（2）编程方法简单易学
梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，梯形图语言形象直观，易学易懂。
梯形图语言实际上是一种面向用户的高级语言，可编程序控制器在执行梯形图程序时，用结实程序将它“翻译”成汇编语言再去执行。
由于可编程序控制器运算速度的不断提高，对于一般的控制设备来说，执行速度完全满足要求。
PLC使用简单，一般情况下，不需要考虑接口问题，只需要用螺丝刀就可以完成全部接线工作。
PLC可以采用一种面向控制过程的梯形图语言，它与继电器原理图非常接近，电气工人可以在短时间内学会。
因此，世界上许多国家的可编程序控制器生产公司都将梯形图语言作为第一用户语言。
（3）功能完善，应用灵活
PLC的基本功能包括数字和模拟量输入/输出、算术和逻辑运算、定时、计数、移位、比较、代码转换等，其扩展功能有批数据传送、排序查表、中断控制、函数运算、通信联网、PID闭环控制、监控报警等，可以组成功能完善的控制系统。
（4）系统的设计、安装、调试工作量少
可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
可编程序控制器的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。
这种编程方法很有规律，很容易掌握。
对于复杂的控制系统，设计梯形图所花的时间比设计继电器系统电路花的时间要少得多。
可编程序控制器的用户程序可以在实验室模拟实验，调试好后再将可编程序控制器安装在现场调试。
调试过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决。
（5）环境要求低，适应性强
可编程序控制器采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，使之具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业现场。
可编程序控制器已被广大用户人为最可靠的工业控制设备之一。
（6）维修工作量小，维修方便
可编程序控制器的故障率很低，并且有完善的自诊断和显示功能。
可编程序控制器或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据可编程序控制器上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。
正因为它的这些优点，几乎所有自动化领域内的控制系统的设计，可编程序控制器都能够做到。
继电器控制系统与计算机控制系统不能做到的，它也可以做到。
可编程序控制器的应用领域：
（1）开关量逻辑控制
可编程序控制器具有“与”、“或”、“非|等逻辑指令，可以实现触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑、定时控制与顺序逻辑控制。
开关量逻辑控制可以用于单台设备，也可以自动生产线。
（2）运动控制
可编程序控制器使用专用的运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，使运动控制与顺序控制功能有机地结合在一起。
可编程序控制器的运动控制功能广泛用于各种机械。
（3）闭环过程控制
可编程序控制器通过模拟量I/O模块，实现模拟量与数字量之间的AD转换和DA转换，并且对模拟量实行闭环PID控制。
现代的大中型可编程序控制器一般都有PID闭环控制功能。
可编程序控制器的模拟量PID控制功能已经广泛应用于塑料挤压成形机等设备，以及轻工、化工等行业。
（4）数据处理
现代的可编程序控制器具有数学运算、数据传诵、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。
数据处理一般用于大型控制系统，也可以用于过程控制系统。
（5）通信联网
可编程序控制器的通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台可编程序控制器之间的通信、可编程序控制器和其他智能控制设备之间的通信。
可编程序控制器与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。
2控制系统方案论证与选择
伴随着加工件的日益复杂化、精度等级以及加工效率的提高，多轴向、高转速成为工具机必备的条件，除了加工中心机走向机能复合化外，车床方面已由早期的卧式车床开发出许多新的加工形态，例如双刀塔、立式车床、倒立车床、以及车铣复合机种，以顺应新时代加工方式的需求。
其中车铣新概念复合机无疑是一项新技术结合的工具机杰作，最大的优点在于可轻易地在同一机台上做复杂零件的加工，可同时进行车削、钻孔、攻牙、端面切槽、侧面切槽、侧面铣削、角度钻孔、曲线铣削……等等。
藉由一台工具机即可完成一个零件的所有加工流程，大大降低上下料换机台加工的时间，以及减少人为公差的机会，达到“DoInOne”的加工概念。
在新世代车铣复合机中，不论是具分度的C轴头部、副主轴、Y轴等，都必须搭配动力刀塔才能具备车铣复合的功能，因此一款功能性佳、精度高的C轴动力刀塔，将使新世代车铣复合机更臻完善。
2.1电动机拖动部分
液压电机、冷却电机、扩孔电机、钻孔电机根据它们的设计要求,可以采用“起保停”电路设计。
因为这种控制电路无须任何中间继电器，接线方便，设计安装量也不大。
因此宜采用继电器控制方案来控制。
其最大的优点就是能节省开支。
若用单片机控制方案，会增大接口电路的设计；若用PLC控制方案，会占用输入点，引起投资的增大。
因此不宜用这两种控制方案。
攻丝电机因为有“正转”与“反转”之分，需要根据机械设备的工作进程来决定其“正、反转”[15]。
若采用继电器控制方案，则需一定数量的中间继电器，这会使设计、安装、接线工作量增大，程序更改不方便。
而且容易出故障；若采用单片机控制方案，对环境的要求高，抗扰能力差，也不适宜采用。
所以采用PLC来控制。
2.2液压拖动部分
在液压拖动部分，各工位动力头滑台、转位机构的向前与向后、夹紧与松开等运动都是由液压系统拖动。
这些动作都是根据条件一步步进行的。
因为液压拖动部分的每一步都需要根据一定的条件来转换，所以如果采用继电器控制方案，则需要用到大量的中间继电器，那样安装、接线工作量会很大，而且更改程序也极不方便，当出现故障时也不易查找和排除。
若采用单片机控制方案，则需要为其设计制作印刷电路板和接口电路等，还要焊接，设计安装工作量大，而且对工作环境要求比较高。
就动力头机床所在的工业现场而言，采用该方案时，其可靠性不能得到保证。
因此，对液压拖动部分也不宜采用单片机控制方案来控制。
根据设计的实际要求，需要的是能适应经常变动、可靠性强、易于维修的控制系统。
因此选择采用可编程序控制器方案来控制最合适。
这是因为
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