基于PLC的两工位钻孔攻丝组合机床控制系统设计.docx
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基于PLC的两工位钻孔攻丝组合机床控制系统设计
基于PLC的两工位钻孔攻丝组合机床控制系统设计
摘要
随着机床行业和控制技术的不断发展与进步，根据生产的实际需要，机床的升级改造已成为一种新兴的行业。
通过对现有机床的全部或局部结构进行改造，来提高机床的各项技术指标，对于实现资源的合理利用和促进经济增长起到重要的作用。
本课题主要研究的是采用PLC控制两工位钻孔攻丝组合机床的动作。
两工位钻孔攻丝组合机床通电后能自动完成工件的钻孔和攻丝加工。
在传统的控制系统的设备中，通常采用的是继电器控制，这种控制系统可靠性低，而采用PLC进行控制改造后，系统可靠性明显提高。
本次设计的重点在于控制系统的硬件设计，根据工艺要求选择了控制系统所需要的电气元件，绘出电力拖动系统的主回路电路图、PLC的外部接线图。
论文根据机床的加工要求设计了PLC控制的程序，以及对机床的调试进行了简要的概括。
关键词：
PLC控制程序设计调试组合机床
TheDesignOfTheControlSystemOftwoworktablesdrillingtappingbinationmachineBasedOnThePLC
ABSTRACT
Alongwiththedevelopmentofmachinetoolindustryandtechnologycontinuestoprogressaccordingtotheactualneedsoftheproductionmachine,upgradinghasbeeanewgrowthindustrybasedontheexistingmachinetoolsinwholeorinpartthestructureupgradestoimprovemachinetooltechnologyindex.Toachieverationaluseofresourcesandpromoteeconomicgrowthplaysanimportantrolein.
ThistopicmainresearchistousePLCtocontroltwoworktablesdrillingtappingmodularmachinetooloperation.Twoworktablesdrillingtappingmodularmachinetoolbythesystemcanautomaticallypletetheworkpiece.Inthecontrolsystemofthetraditionalismonlyusedintherelaycontrol,andthiscontrolsystemreliabilityislow,butwhenitiscontrolledbyaPLCtransformation,systemreliabilityisobviouslyimproved.
Thefocusofthisdesignisthatthecontrolsystemhardwaredesign,accordingtotheprocessrequirementsofelectricalponentscontrolsystemrequiresthechoice,DrawingtheexternalwiringdiagramofmaincircuitdiagramandthePLCelectricdrivesystem.ThispaperdesignsaPLCcontrolprogramaccordingtothemachineprocessingrequirements,andmissioningofthemachinearesummarized.
KEYWORDS:
PLCcontrolTheprogramdesigndebugbinationmachinetools
前言
两工位钻孔攻丝组合机床主要用来给工件钻孔和攻丝的，是人类经济和社会发展的重要工具之一。
目前，许多工厂的两工位钻孔攻丝组合机床都还是用接触器的逻辑关系控制的。
由于继电器系统接线比较复杂，故障的诊断与排除较难，造成这些企业的生产率低下，效益差。
随着科学技术的不断发展，PLC在工业控制领域的应用越来越广，如果尝试着将PLC应用在机床上，这样不仅提高了系统的精度，而且还可以为国家节约大量的资源。
组合机床是以通用部件为基础的，再配以按工件特定形状和加工工艺来设计的专用部件和夹具，组成半自动和自动的专用机床。
一般多采用多轴、多工序、多刀、多工位或多面同时加工的方式，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。
而加入了PLC则使组合机床抗干扰能力增强，提高了可靠性，使得功能完善，控制系统的设计、安装、调试方便，控制系统结构简单化，通用性增强，应用更加灵活，编程更加方便。
通过对原有资料的查阅和很多人不断的实践证实了用PLC进行两工位钻孔攻丝组合机床的控制系统改造是可行的。
PLC是整个机床电气控制系统的核心，也是重要途径。
结合我国现有机床建设的实际，掌握PLC的关键支持技术，这对于提高制造业重要意义。
为了能将该系统成功的改造，首先应该明确PLC的特性。
可编程控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的进行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、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
当前，我国正处在全面建设小康社会和大力提高经济发展的重要时期，如果将这一改造技术在机床改造上进行推广，这将对我国经济的发展做出重要的贡献。
本次课题设计的主要功能是实现两工位钻孔攻丝组合机床在加工过程中的控制。
我采用的是PLC程序控制方法。
机床主要由钻孔滑台、攻丝滑台、移动工作台、夹具、钻孔动力头、攻丝动力头、床身、滑台移动控制凸轮和液压系统组成。
工作台的移动包括左移和右移以及夹具的动作包括夹紧和放松，钻孔滑台和攻丝滑台的移动包括前移和后移，都由液压系统控制与执行的，其中钻孔滑台和攻丝滑台的移动是通过控制凸轮来控制滑台移动液压系统的液压阀实现的,电气系统不参与，只需启动控制凸轮电机即可，控制过程不在本次设计X围之内。
论文简要介绍了PLC的发展、特点与应用，重点介绍PLC的编程特点和方式。
第一章绪论
1.1课题的提出和控制系统要求
1.1.1课题的提出
当前，许多工厂用的两工位钻孔攻丝组合机床都是以接触器的逻辑关系来控制的。
随着制造行业的不断进步与发展，用这种老式机床进行加工已经达不到工艺精度要求。
随着科技的不断创新，PLC在工业控制领域的应用已越来越广泛，而我对PLC控制有一定的了解，就想如果试着将PLC应用在老式机床上，系统的可靠性应该可以明显提高，所以就确定了这个题目。
1.1.2两工位钻孔攻丝组合机床的工艺流程对控制系统的要求
1.两工位钻孔攻丝组合机床的概述
机床主要由钻孔滑台、攻丝滑台、移动工作台、夹具、钻孔动力头、攻丝动力头、床身、控制滑台移动的凸轮和液压系统等组成。
如下图1-1所示。
图1-1为两工位钻孔攻丝组合机床的结构示意图，机床的左、右分别为钻孔和攻丝的刀具，中间为工作台，左侧为
工位也就是钻孔工位，右侧为
工位即为攻丝工位，可以完成对工件钻孔攻丝的工作。
2.工艺流程
工件推入夹具按启动按钮→夹紧工件→左侧钻孔→工作台右移→右侧攻丝→工作台左移→放松工件，手动拉出工件完成一个工作循环。
3.刀架的控制
工作台的动作要与钻孔滑台和攻丝滑台相互配合，只有钻孔与攻丝滑台在原位时，工作台才可以运动。
4.设置必要的连锁
为了保证机床的各部位能够安全可靠的工作，并且动作互相协调，需要设置必要的保护装置，来避免由于机床误动作而引起的损坏甚至人身事故等。
图1-1两工位钻孔攻丝组合机床
5.电气控制部分的要求
系统通电后，自动启动液压电机。
若机床各部分在原位（工作台在钻孔工位，钻孔滑台在SQ2位置、攻丝滑台在SQ3位置），液压系统的压力符合要求，压力继电器动作，此时原位指示灯亮。
把要加工的零件放在工作台上，按下启动按钮，夹紧工件的电磁阀接通，夹具由液压系统控制着将工件夹紧，当SQ4动作后，说明工件被夹具夹紧，与此同时控制凸轮的电动机开始动作。
钻孔的动力头电动机启动运转，且由于控制凸轮的电动机运转，用凸轮控制使钻孔滑台前移的液压阀，来进行工件的钻孔加工。
当钻孔滑台运动到SQ5时，钻孔滑台自动退回原位，到SQ2时停止后退，同时钻孔动力头的电机停止。
等到钻孔滑台到达SQ2位置后，控制工作台向右移动的电磁阀得电，液压系统控制工作台向右移动，当工作台运动到攻丝工位SQ6的位置时，限位开关工作，停止工作台向右运动。
攻丝的动力头电机开始正转，与此同时凸轮与液压系统控制攻丝滑台向前移动，开始给零件进行攻丝，当攻丝滑台运动到SQ7的位置时，限位开关动作，制动电磁阀DL得电，攻丝的动力头开始制动，0.3秒后控制攻丝动力头的电机开始反转，此时控制凸轮与液压系统控制攻丝滑台自动后退。
攻丝滑台退回到原来的位置SQ3时，凸轮正好运动一个周，控制凸轮转动的电机停转，同时用来攻丝的动力头电机停止，延时3秒后控制工作台向左移动的电磁阀得电，工作台开始向左运动，当运动到钻孔工位SQ1的位置停止左移。
同时放松使工件放松的电磁阀通电，夹具开始放松工件，当放松限位SQ8动作后，停止放松，系统回到原位，此时原位指示灯亮，取下工件，完成了整个加工的过程。
在加工过程中要启动冷却泵电机，供给冷却液。
1.1.3论文的主要工作
（1）对两工位钻孔攻丝组合机床的电气控制系统进行总体方案设计;
（2）设计PLC的外部硬件接线图；
（3）研究顺序控制设计法在PLC程序设计中的应用；
（4）根据两工位钻孔攻丝组合机床的工艺流程，设计工作台、刀具、滑台运行和控制梯形图；
（5）对该机床的调试进行简要的概述。
第二章PLC及组合机床控制系统介绍
在设计控制系统的总体方案时，要兼顾全局。
既要使系统工作可靠稳定，又要提高系统的性价比。
本章的重点为两工位钻孔攻丝组合机床选取控制系统的方案，这要结合其控制历程及其加工工艺综合考虑。
2.1两工位钻孔攻丝组合机床控制系统的发展
由于科技的不断发展与进步，两工位钻孔攻丝组合机床的控制系统也在不断变化。
如果对其系统进行更新，就能提高它的制造性能，否则，它的控制系统将会逐渐被淘汰。
2.1.1机床以前的控制系统
两工位钻孔攻丝组合机床是一种广泛使用的给机械零件钻孔和攻丝的机床，是许多大型企业不可缺少的设备之一。
该机床的电气系统部分主要由控制系统和主拖动系统组成。
主拖动系统的调速方式有以下四种：
最原始的是利用人工变换皮带调速法，这种调速属于有级调速；其次是利用变极调速电机调速，这种调速也是有级调速；再者是利用电磁调速电机调速，这种属于无级调速，最后一种是交流变频调速，这种也属于无级调速。
无级调速是可以连续的调速，有档位的调速方式称为有级调速。
控制系统有以下两种方式：
一种是利用接触器的逻辑关系来控制的，另一种是让可编程序控制器和继电器相结合来控制。
当前，许多工厂用的两工位钻孔攻丝组合机床都是以接触器的逻辑关系来控制的，而大多数的电气系统存在下列问题：
（1）较高的故障率，可靠性很差，然而维护检修的工作量又较大。
（2）电气控制系统接线复杂，判断出现故障原因和查找故障都很困难，即消耗了精力又浪费了时间。
（3）由于在不断的加工，继电器和接触器的触点频繁的接通和断开，容易造成触点的损坏或着出现接触不良等现象。
（4）用机械方式来控制触点动作反应速度比较慢。
（5）继电器逻辑控制部分的功能是固定在线路中的，这样不但功能单一，而且灵活性极差。
（6）调节速度的部分不但噪音大、效率低、体积还非常大、消耗电能也比较多。
（7）惯性较大，调节速度的部分静态性能及动态性能都不理想。
2.2PLC的介绍
2.2.1PLC的出现及其特点
PLC中文是可编程序控制器，它是一种具有微处理机的数字电子装置，专为在工业环境下可以进行数字运算的操作而设计的。
它的内部有可编程序的存储器，它是用来完成计数、定时、算术、顺序和逻辑运算等操作指令的存储与执行，而且能够通过模拟式、数字式的输入与输出，来控制各种机械的运转或生产过程。
可编程序控制器具有许多优点，大致可以概括为以下几个：
1.性价比高，功能较强大
一台小型的PLC内部就有几百或几千个用来编辑程序的元件供用户使用，这样可以控制比较复杂的系统，与具有相同控制功能的继电器相比，可编程序控制器具有较高的性价比。
它还采用了模块化结构，这样系统的规模和功能可以根据用户的需求组合，即灵活又方便。
2.设计编辑程序简单，有利于理解和学习
编辑PLC的程序使用最多的语言是梯形图，它的表达方式和元件符号与接触器逻辑控制的原理图基本一致。
梯形图的编辑语言非常直观，有利于理解和学习。
熟练掌握继电接触器控制图的工程技术人员只要用几天就可以完全掌握梯形图的编程语言，并能够编辑用户所需要的程序，这也是能够迅速普及以及推广的重要原因。
PLC一般情况下采用设计法来编辑梯形图程序，这种方法很简单,容易理解和学习。
电气控制较复杂的系统，用可编程序控制器的顺序控制设计所需要的时间要比继电接触器逻辑系统设计少得多。
PLC在运行编辑完成的梯形图程序时，首先要用其它程序将梯形图程序转变成汇编语言后再去运行。
3.体积较小，消耗的能量也比较少
当系统的控制部分较复杂时，使用PLC后，可以减少许多时间继电器、接触器和中间继电器。
小型PLC的体积差不多与几个继电器加在一起一样大，这样的话控制柜的体积就可以减少原来的一半以上。
由于可编程序控制器的接线要比接触器控制系统的接线少得多，一般情况下只需要用接线的端子连接外部接线即可，许多部件和配线都用不到，故可以缩短大量的安装与接线时间，使效率提高。
再加上控制柜的体积减少不少，使总体的费用也大量减少。
目前，有较多可编程序控制器的生产厂家，但在实际的工业控制过程中使用较多的是德国的西门子、日本的三菱。
4.具有较齐全的硬件，通用性很强，方便用户的使用
现在的可编程序控制器产品己系列化、标准化和模块化了，并且还配有供用户选用的各种硬件设施，方便用户进行系统的配置，组成各种规模和功能的系统。
可编程序控制器使用模块化设计了每个部件，包括输入/输出接口、CPU、输入/输出通道、电源等。
PLC的带负载能力也比较强，它可以直接驱动一般的接触器与电磁阀的线圈。
确定硬件部分后，可以通过修改程序，来适应工艺条件的各种变化。
5.工作可靠，有很强的抗干扰能力
传统的继电接触器逻辑控制系统中应用了许多KT和KA，由于继电接触器控制系统部分的触点动作频繁，容易出现接触不良或烧坏。
PLC利用软件取代了大量的KA与KT，仅留下与I/O相关的少量硬件部分，使系统的接线可减少为原来继电接触器逻辑控制系统的十分之一到百分之一，大大降低了由触点的接触不良和损坏造成的故障。
PLC采取了大量的软件和硬件措施来提高抗干扰的能力，如：
输入/输出采用RC滤波器和光电藕合器进行隔离，此外，PLC本身具有良好的自诊断功能，一般PLC的安全运行时间平均可达几万小时以上，若工业生产控制现场的干扰信号较强也可以直接使用可编程序控制器。
目前，PLC是工业生产过程使用最多的设备之一。
6.维修简单而且工作量不大
一般情况下PLC本身的故障率极低，它自身还具有非常强大的自诊断能力。
当PLC本身或与它相连的输入部分和执行部分发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管的显示所提供的信息很快地查明故障发生的原因，若是可编程序控制器自身的原因，此时可更换模块来一一排除所发生的故障，这样极大地提高了维护的工作效率，使故障的影响降到最低。
7.控制系统的设计、调试简单，安装方便
在各种工业控制过程中PLC都可以运行。
只需要在使用时将可编程序控制器得输入/输出端子与现场的各个设备相连，系统便可投入正常的运行。
用PLC所编的程序可以先用仿真软件进行仿真，如果程序无误再在实验室进行模拟调试，用开关的通断来代替信号的输入，通过PLC控制板上的发光二极管可以了解到输出信号的状态。
如果控制系统的接线和安装完成以后，在现场调试时发现问题可以通过修改所编写的程序来解决，用可编程序控制器控制的系统调试所用的时间要比继电接触器逻辑控制系统少得多，也简单的多。
2.2.2PLC的工作原理
PLC采用“循环扫描”的工作方式：
1、每次扫描工作过程，输入信号采样，执行程序，然后进行刷新输出的信号；
2、在执行程序过程中，要关闭输入端口，此时若有新状态要输入，新状态则不能被可编程序控制器读入，只有等到进行下一次扫描程序时，新的状态才允许被读入PLC；
3、PLC内部程序执行的过程分为三步：
输入扫描（采样），程序执行，输出刷新；
4、输入映象寄存器的内容不是随着程序的执行变化而变化，而元件映象寄存器是的；
5、有以下三条原因来决定一次扫描所用的时间：
第一，扫描指令自身所用的时间；第二，所编指令的长短；第三，中央微处理器执行指令的快慢。
6、由于PLC以不断循环扫描方式进行工作，存在输入/输出滞后的现
象，即输入/输出响应延迟。
2.3PLC和变频器在机床中的应用
从1996年前后，我国开始将可编程序控制器和全数字直流调速应用于两工位钻孔攻丝组合机床的主拖动和电气控制系统部分。
此系统的特点如下：
（1）用可编程序控制器控制系统取代的原有的控制系统，使控制系统的配线大大减少，也比较方便对系统进行维护，可靠性也大大提高。
（2）系统本身具有自适应功能，保证了钻孔和攻丝加工的要求。
（3）用可靠性高、编程简单且使用方便的可编程序控制器代替原来继电器控制系统中大量的KA和KT，能完全无误地操作全数字直流调速系统，不但提高了加工质量还加快了工作效率。
但是，全数字直流调速系统并不是没有缺点的，它的低速性能不是很好，而且所有的电气参数显示的都是用英文，这样对电气维护人员的英语水平要求较高，使维护和检修的难度大大增加。
在1996年左右，交流变频器得到很大的发展，它性能也完善了许多，而且使用极为方便、可通过其外围的少数几个端子进行全X围的控制，内部还有完善的保护措施，不用在其外围线路中设计各种保护电路，所以开始尝试着将变频器运用于拖动系统。
许多企业和大学研究院联合试制，将PLC和变频器成功地应用两工位钻孔攻丝组合机床上，使该机床的电气性能和各项技术指标都得到了极大的改善。
例如机床的调速X围宽，一般的通用型变频器都可实现0-400HZX围内无级调速；机械特性好，节能效果显著提高，能够满足各种工艺要求，该系统的另一大优点是变频器的故障代码显示为排除故障提供了大量的信息，大大缩短了故障排除时间。
目前，变频器应用在组合机床的发展趋势表现为：
一是高性能：
基本上所有的变频器都要求矢量掌握方式；二是易掌握性不断提高：
好多变频器在结构上考虑到现场安装的要求，同时在软件上加入起动设置工具，通过用户操作从而简化调试进程；三是功能模块化以及智能化，方便了选型、安装、调试等。
2.4改造方案的选取
改造方案的选取直接影响整个机床的工作情况。
在选择时，要综合分析机床的总体结构,多查阅相关资料，并和有关的工作人员进行讨论，最终确定方案。
2.4.1系统的总体结构
根据前面的分析，改造两工位钻孔攻丝组合机床的主拖动部份一般采交流变频调速系统，控制部份采用PLC。
由于变频调速系统的各种运行状况和故障情况都可以通过显示器显示，因此得到电气设计人员和维护人员的推崇和喜爱。
所以在本设计中对电机的转速控制用交流变频调速技术。
第三章两工位钻孔攻丝组合机床电气控制
系统的硬件设计
3.1电力拖动系统主回路设计
在该控制系统中，根据工艺的要求，共选择电机五个，其中M1作为液压电机;M2为控制凸轮电机：
M3为钻孔动立头电机；M4为攻丝动力头电机；M5作为冷却泵电机。
QS空气开关一个，KM交流接触器六个，FU熔断器二十一个，FR热继电器五个，变压器一台。
根据控制要求绘制出主回路电路原理图，如图3-1所示。
在图3-1中，QS空气开关一般处于闭合状态，设备运行时合上空气开关，非工作时断开。
在该控制电路中旋转闭合手动开关SA，HL3指示灯亮，之后可进行手动操作，KA1常闭触点起保护作用；断开手动开关SA之后才能闭合SB，KA1线圈得电，完成自锁同时自动指示灯亮，系统自动对工件进行加工。
3.2变频器及PLC的选型
3.2.1变频器的选型
目前，变频器在我国的使用已经越来越多，通常所应用的变频器是指能适用于工业中通常所用得电机和一般的变频电机、一般情况下供电的电压是：
单相220v、三相380v，频率是50hz，用来作为调速控制的变频器。
由于这种变频器广泛应用在工业控制领域，所以成为变频器的主流。
调速的基本原理来源于以下公式:
式中:
n1—同步转速（r/min）;f1—定子供电电源频率（HZ）; p—磁极对数。
在选择变频器的时候，一定要注意变频器输出电流和功率一定要等于或大于被驱动的异步电动机的电流和功率。
由于变频器的超负荷能力赶不上异步电动机的过载能力，如果异步电动机出现过载现象，首先变频器就会被损坏。
应用变频器前就要明白变频器的调速原理和过程与机械调速之间存在很大的区别，绝对不可以将异步电动机的机械调速部分变为具有相等功率的变频器，主要是因为功率是由转矩与转速的乘积得到的。
采用机械变速时（如皮带变速、齿转变速），若它们的变比为k，在不改变电动机功率情况下，电机转速就会降底k倍，同时转矩就升高了k倍，这种属于恒定功率的负载。
然而变频器的转速与转矩之间的关系是：
当频率不高于它的额定频率时，运行过程转矩不变，电动机输出转矩也不能被提高；当频率高于它的额定频率时，随着转速的升高转矩就会下降。
当电动机在运行过程中低于它的额定频率时，没有增加负载力矩，所以，当电机运行在额定频率以下时，可以根据电动机的功率大小来配置变频器的功率。
一些功率不变的负载，转速较低时力矩会有所增加，然而电动机和变频器在低于额定频率时它们的电流都会被限制，也不能增加力矩，所以当用变频器将电机转速调低时可能会造成电动机带不动负载。
选择时一定要根据减速时增加力矩的比例，选择的电机和变频器要比原来的电机功率大。
例如原来1.5kw电机，负载转矩1kgm,转速1460r/min，机械变速后转速降到720r/min，转矩就可达2kgm，但原来的电机和变频器不可能输出2kgm的转矩。
因此，要改变电机和变频器都是1.5×2=3kw，选用标准功率3.7或4kw的电机和变频器才行。
变频器的选用型号还应根据使用要求而仔细考虑下列因素：
（1）考虑内容是使用是电网电压、所处环境条件、负载的大小以及性质。
（2）电网电压处于不正常时，变频器可能会受害。
电压过高，如对380v的线电压如上升到450v就会造成损坏，因此电网电压超过使用手册规定X围的场合，要使用变压器调整，以确保变频器的安全
（3）为使变频器正常的工作，不但要配置标准的冷却通风系统，而且在选择上要有所增大，这样做是为了应对在额定运行时的温升下降。
同时也考虑了，使用时温度一直较高，如果安装在不能通风冷却良好的
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