基于PLC的卧式镗床控制系统设计说明.docx

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基于PLC的卧式镗床控制系统设计说明

石家庄铁道学院四方学院毕业设计

基于PLC的卧式镗床控制系统设计

DesignofElectricalControlSystemforTheT86BoringMachineBasedonPLC

完成日期2012年5月15日

毕业设计成绩单

学生姓名

学号

2

班级

专业

电气工程及其自动化

毕业设计题目

基于PLC的卧式镗床控制系统设计

指导教师姓名

吴秋瑞

指导教师职称

副教授

评定成绩

指导教师

得分

评阅人

得分

答辩小组组长

得分

成绩：

院长（主任）签字：

年月日

毕业设计任务书

题　目

基于PLC的卧式镗床控制系统设计

学生姓名

学号

2

班级

专业

电气工程及其自动化

承担指导任务单位

电气工程系

导师

姓名

吴秋瑞

导师

职称

副教授

一、主要内容

卧式镗床的电气控制部分用PLC实现。

二、基本要求

1、主轴电动机M1采用双速三相异步电动机、正，反转，X轴、Y轴、Z轴移动电动机M2、M3、M4正反转，液压泵电动机M5；

2、主运动与进给运动由一台双速电动机拖动，高低速可选择；

3、主电动机要求正反转以及点动控制；

4、主电动机应设有快速准确的停车环节；

5、主轴变速应有变速冲动环节；

6、快速移动电动机采用正反转点动控制方式；

7、进给运动和工作台不平移动两者只能取一，必须要有互锁；

8、M1，M5要有过载保护。

三、主要技术指标（或研究方法）

1、设计应贯彻最新国家标准；

2、根据控制选择PLC型号，分配I/O端口；

3、设计I/O电路，选择电器元件；

4、绘制电气控制系统图，梯形图，绘制用户程序短语表并模拟调试；

5、编制元件清单；

6、编写设计、使用说明书。

四、应收集的资料及参考文献

[1]《电气控制原理与设计》方承运宁夏人民出版社

[2]《工厂电气控制设备》赵明机械工业出版社

[3]《电气控制技术》韩顺杰中国林业出版社

[4]《可编程序控制器应用技术》张万忠化学工业出版社

[5]《小型可编程序控制实用技术》王兆义机械工业出版社

[6]《可编程序控制器应用技术》王也访机械工业出版社

五、进度计划

第1周—第2周：

收集资料，完成开题报告；

第3周—第4周：

分析、确定方案；

第5周—第7周：

系统软、硬件设计；

第8周：

中期检查；

第9周—第12周：

模拟调试；

第13周—第14周：

论文审核定稿；

第15周—第16周：

答辩。

教研室主任签字

时　间

　　年　月日

毕业设计开题报告

题目

基于PLC的卧式镗床控制系统设计

学生姓名

学号

班级

专业

电气工程及其自动化

一、本课题的研究背景

随着社会经济的迅速发展，随着机械工业的发展，作为工作母机的各类机床得到了广泛的应用，而这些机床的自动化和精密程度却有很大差异。

在欧美、日本等国家里，他们的机床数控化程度都相对比较高，但在我国国内的机床绝大部分还处于老式的继电器控制下。

由于继电器控制的机床有耗材、耗能、故障率高的缺陷，从而浪费了很多的人力、物力和财力。

如果说把这些机床全部都更新换代，那样会需要很大一笔资金，就目前情况上来说是不现实的，所以就有人开始尝试从控制部分的改造方面来下手，将它们的性能提升一个档次，更可以解决它的一些弊端。

二、国内外研究现状

众所周知，在现代化生产中机床母机是不易缺少的重要组成部分，我们国家现在在机床技术方面还是一直比较落后的，自动化程度也比较低。

主要表现在现在大部分工厂里面的机床还是老式传统的机床，接线复杂，排故障困难。

同时在设备的投资与维修上消耗过大。

可编程控制技术在工业和生活中有广泛的应用前景，除了具有明显的节约成本的修点外，还具有操作方便，容易，维护量小等特点，可编程控制的软启动功能也减少了对设备的冲击，使设备运行的方式更趋于合理，设备的自动化水平得到了提高。

随着工业生产的迅速发展，企业对机床的可靠性的要求也不断的提高；再加上目前产品生产成本较高，利用先进的PLC控制技术，设计改造现有的传动式机床应用成为必然的趋势。

目前许多国家对开放式数控系统进行研究，数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。

所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。

目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。

网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。

数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。

国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。

三、研究方案

主轴电机M1为△与YY接法的双速电动机，低速时可以直接启动，高速时先低速启动，然后转换成高速运行，以减小电流，M1通过改变定子绕组之间的变换完成变极调速，主轴电机M1的制动方式为电气制动中的反接制动。

X轴、Y轴、Z轴移动电动机M2、M3、M4由于是电动短时运行可以正反向点动，并且有准确的制动，所以采用了电磁带动的机械制动，直接启动。

液压泵电动机M5没有正反转、点动、变速等要求，所以可以直接启动，制动为电磁带动的机械制动。

电动机控制由接触器进行，KM1和KM2控制主电动机的正、反转、KM3控制限流电阻R是否串入主电机电路，KM4、KM5、KM8控制电动机的低、高速运行。

KM6和KM7控制快速移动电动机拖动工作台快速移动。

热继电器FR对主电动机进行过载保护，速度继电器KS实现主电动机的反接制动，熔断器FU1和FU2分别对M1和M2电动机主电路进行短路保护，QS为电路隔离开关。

控制主轴电机正反转的继电器中，为了防止控制正反转的两个接触器同时动作造成三相电源短路，设置了接线联锁电路，PLC在梯形图中也设置了相应的互锁电路，在PLC外部增设相应的连锁电路，进一步从硬件上提高系统的可靠性。

主轴电动机M1X轴、Y轴、Z轴移动电动机M2、M3、M4实现正反转，主电动机能实现正反转点动控制和快速准确的停车，对主轴变速设置变速冲动环节，由一台双速电动机拖动主运动与进给运动，两运动之间设置互锁，使进给运动和工作台不平移动两者只能取一。

用正反转点动控制方式控制快速移动电动机；主轴电动机和液压泵电动机设置过载保护。

指导教师签字

时间

年月日

摘要

电子与信息技术的不断发展，给我国机床加工设备的现代化提供了强有力的技术支持。

为了充分发挥设备效能，迅速提升加工技术与精度，越来越多的企业每年投入大量资金和技术对传统老式机床进行技术改造，取得了良好的效果。

镗床是冷加工中使用比较普遍的设备它主要用于加工精度、光洁度要求较高的孔以及各孔间的距离要求较为精确的零件（如一些箱体零件），属于精密机床。

镗床除能完成镗孔工序外，在万能镗床上还可以进行镗、钻、扩、车及铣等工序。

因此，镗床的加工范围很广。

论文对T68型卧式镗床的结构和工作原理进行了介绍，通过镗床继电器控制系统的分析，提出了基于PLC改造的总体方案和框架设计。

对系统的输入、输出点进行统计，根据PLC的选型相关规定和输入输出的总点数，选用日本三菱FX2N-32MR可编程序控制器。

分配了PLC的I／O地址，设计出PLC的外接线图。

介绍了PLC常见的编程方法，设计了T68镗床PLC控制系统的程序。

这种方法易学易用，成功率高，设计复杂的控制程序可以节约大量的设计时间。

在此基础上，进行了现场安装、调试。

针对系统调试、安装以及运行过程中出现的问题，进行了分析，提出了解决办法和注意的事项。

从硬件和软件两个方面采取措施，提高PLC控制系统的抗干扰能力。

关键词：

可编程控制器梯形图镗床改造调试

Abstract

Withthedevelopmentofelectronandinformationtechnology，thetechnologysustainhaveprovidedforourmachinetoolequipmentmodernization．Moreandmorefinancingandtechno-logyarepleughintothetraditionmachineforexertingefficiencyandpromptingprecisionrapidly，acquirewellimpression．

BoringMachineisthecommoncoldintheuseoftheequipmentitmainlyforprocessingprecision，requireahigherfinishtheholeandthedistancebetweeneachholedemandsamoreprecisecomponents（suchassomecabinetparts），aprecisionmachinetools．Mainlyusedforprecisionmachiningpartsonthecylindricalhole．Theseholesoftheaxislineoftenrequiresstrictadherencetotheparallelorvertical，thedistancebetweeneachotheralsorequiresveryaccurate．Itsoriginalcontrolcircuitfortherelaycontrol，contactcontacts，linescomplicated，failures，operatorsoflargemaintenancetasks，inordertoovercometheseshortcomingsreducingtheequipmentfailurerateandimproveefficiencyintheuseoftheequipment，thelightofthissituation，weWithPLCcontrolofitsrelaycontrolcircuit．

ThispaperintroducesthestructureandworkingprincipleoftheT68horizontalboringmachine。

ThroughtheanalysisoftheT68horizontalboringmachine’Scontrollingsystem，designasystemofthePLCcontrolcircuit，thesysteminputandoutput，statistics．SelectionofJapanMitsubishiFX2N-32MRPLC，thedistributionofthePLCI／Oaddress，theexternalcircuitdesignPLC．Itintroducesfamiliarprogrammermethods．Accordingtotheboringmachinecontrolrequirementsandcharacteristicssetoutthelogicofalgebrashow，usinglogicdesignmethodsladderdesign.Thismethodissimplertolearnandtouse，hashigherSUCCESSratio,andcansavetimeindesigningcomplexcontrollingprogrammer．totransformthesystemrequirementsandeffectiveoperation．Byusinghardwareandsoftwaremethods，itimprovesanti-disturbanceperformanceofPLCcontrollingsystem．

Keywords：

PLCLadderBoringmachineTransformingDebugging

第1章绪论

1.1课题研究的目的意义

随着社会经济的迅速发展，随着机械工业的发展，作为工作母机的各类机床得到了广泛的应用，而这些机床的自动化和精密程度却有很大差异。

在欧美、日本等国家里，他们的机床数控化程度都相对比较高，目前我国的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是传统的机床，而且半数以上是年龄在10年以上的旧机床。

这些旧机床能耗高、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。

从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。

随着我国加入WTO后，越来越明显的迹象表明，大陆正在成为为“世界工厂”，我国的制造业面临着极大的机遇与挑战，不具有先进加工手段的企业是不可能在今后的激烈市场竞争中生存下来的。

如果说把这些机床全部都更新换代，那样会需要很大一笔资金，就目前情况上来说是不现实的，所以就有人开始尝试从控制部分的改造方面来下手，将它们的性能提升一个档次，更可以解决它的一些弊端。

基于这个原因本设计对应用最为广泛的T68型卧式镗床进行研究，其控制电路为继电器控制，接触触点多、线路复杂、故障多、操作人员维修任务较大。

针对这种情况，用PLC实现机床的智能化改造，重新设计电气控制系统，提高机床系统的稳定性和加工精度。

1.2国内外研究现状

众所周知，在现代化生产中机床母机是不易缺少的重要组成部分，我们国家现在在机床技术方面还是一直比较落后的，自动化程度也比较低。

主要表现在现在大部分工厂里面的机床还是老式传统的机床，接线复杂，排故障困难。

同时在设备的投资与维修上消耗过大。

可编程控制技术在工业和生活中有广泛的应用前景，除了具有明显的节约成本的修点外，还具有操作方便，容易，维护量小等特点，可编程控制的软启动功能也减少了对设备的冲击，使设备运行的方式更趋于合理，设备的自动化水平得到了提高。

随着工业生产的迅速发展，企业对机床的可靠性的要求也不断的提高；再加上目前产品生产成本较高，利用先进的PLC控制技术，设计改造现有的传动式机床应用成为必然的趋势。

目前许多国家对开放式数控系统进行研究，数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。

所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。

目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。

网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。

数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。

国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势[1]。

1.3论文研究内容

通过对T68镗床电气所有硬件部分接线方式的了解与认识，从实际连线出发掌握镗床的工作原理以及各机械部件的动作方式。

然后按照其接线画出相应原理图，并对其进行注释。

对原理图作进一步的分析，将所有的机械动作原件（接触器、继电器、按钮等）转换成以PLC的软件控制（即软触点换成硬触点）。

设计PLC的梯形图，达到以下几点：

（1）原镗床的工艺加工方法不变；

（2）在保留主电路的原有元件的基础上，不改变原控制系统电气操作方法；

（3）电气控制系统控制元件（包括按钮、行程开关、热继电瑞、接触器），作用与原电气线路相同；

（4）主轴和进给起动、制动、低速、高速和变速冲动的操作方法不变；

（5）改造原继电器控制中的硬件接线，改为PLC编程实现。

为提高镗床控制电路的稳定性和自动化程度，延长镗床的使用寿命，降低机床的故障。

分析了T68镗床的机械、电气控制原理，保留镗床主电路由PLC取代复杂的电气连线控制，设计出由PLC为镗床的控制电路。

该系统开发周期仅为一周，期间完成了将镗床的控制电路用PLC梯形图实现，大大的简化了电路，从而降低机床的故障、更加便于控制、也降低了维修的难度。

第2章简述PLC及其发展前景

2.1可编程控制器的由来特点性能等情况

随着国家经济的发展，企业实力的加强，国内很多企业为了加强自身的经济效益和市场竞争力，相继进行了适合本企业特点的改造和结构升级，在众多的升级改造中使用最多的就是可编程控制器。

可编程控制器是一种为工业机械控制所设专用计算机，在各种自动控制系统中有着广泛的应用，它是在继电器控制和计算机控制基础上开发的产品，逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术，通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。

早期的可编程控制器在功能上只能进行逻辑控制，因而称为可编程程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC。

随着技术的发展，其控制功能不断增强，可编程程序控制器还可以进行算术运算，模拟量控制、顺序控制、定时、计数等，并通过数字，模拟的输入、输出控制各种类型的机械生产过程。

目前，我国机械制造业存在大量的通用设备，在发展现代机械自动化技术时，可以应用微电子技术改造这些已有通用设备，比如用数显、数控装置改造通用设备，提高单机自动化程度，用可编程序控制器改造通用机床、专用机床、组合机床自动设备与半自动设备组成的生产线，这样可以把计算机功能完备、编程灵活、适应性强的优点和继电器控制简单、抗干扰能力强、价格便宜等优点结合起来这是一条低成本、高效益，符合我国国情的机械自动化技术发展应用新途径。

随着可编程控制器技术的发展，传统机械设备的控制柜逐渐被新一代的智能化仪表所代替，对于日益复杂的控制功能，传统控制柜显得无能为力，而可编程控制器具有可编程序的特点，运行时可以根据要求，选择控制算法、适应性强、可编程控制器采用软件代替硬件的方法，可以简化线路，使控制设备的性能价格比不断提高[2]。

从广义上来说，可编程控制器也是一种计算机控制系统，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适用于控制要求的编程语言。

所以PLC与计算机控制系统的组成十分相似，也具有中央处理单元（CPU）、存储器、输入／输出（I／O）接口、电源等。

可编程控制器的发展分为三个阶段：

第一阶段（七十年代中期）为实用化发展阶段；第二阶段（七十年代末期）为成熟阶段；第三阶段（九十年代）为加速发展阶段。

在这一时期，各大公司进一步完善原有产品，不断开发出新的产品系列，并加强联网功能以构成分布式控制系统。

在软件方面，可编程控制器不断向上端发展意与计算机兼容。

因此，凭借其优异的控制性能和快捷的柔性系统构成，使PLC成为当今增长速度最快的工业自动化控制设备。

其主要特点如下：

（1）可靠性高、抗干扰能力强。

高可靠性是PLC最突出的特点之一，其平均无故障时间可达几十万小时。

（2）编程简单易学。

PLC编程大多采用类似与继电器控制电路的梯形图。

（3）设计、安装容易、调试周期短，维护简单。

PLC已实现了产品的系列化、标准化、通用化。

设计者可在规格繁多、品种齐全的PLC中选用性能价格比高的产品。

（4）模块品种丰富、通用性好、功能强大。

除了单元式小型PLC外，多数采用模块式结构，并形成大、中、小系列产品。

（5）体积小、能耗低。

2.2可编程控制器控制与传统的继电器控制的比较

（1）控制方式。

继电器控制是采用硬件接线实现的，即利用继电器机械触点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑。

它只能完成既定的逻辑控制，连线多而复杂，且体积大，功耗大，一旦设计制造完成后，再想更改十分困难。

此外继电器触点数目有限，其灵活性和扩展性也很差。

而PLC采用存储逻辑，通过改变程序很容易改变控制逻辑。

（2）控制速度。

继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作来实现控制，其动作频率低，一般在几十毫秒，此外机械触点还会出现抖动现象。

而PLC动作则在微秒级，内部还有严格的同步，不会出现抖动。

（3）延时控制。

继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作来实现延时。

但是，时间继电器定时精度不高，易受环境温度和湿度的影响，而PLC用半导体集成电路作定时器，精度高，且受环境影响小。

（4）其它控制方式。

继电器控制系统一般只能进行开关量的逻辑控制，且没有记数功能。

PLC除了能进行开关量的逻辑控制外，还能对模拟量进行控制，而且便于实现多种复杂控制。

（5）设计与施工。

用继电器实现一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行周期长，且修改困难工程大。

而PLC则可同时进行，十分方便。

（6）可靠性与可维护性。

继电器控制系统使用了大量的机械触点，连线多。

触点的开闭会受到电弧的损坏，还有机械的磨损，寿命短，可靠性和可维护性都差。

而PLC则极其容易。

2.3可编程控制器发展的趋势

可编程控制器发展的趋势如下：

（1）大型网络化：

即今后的PLC具有DCS系统功能。

（2）模块种类多样化：

为了适应各种特殊功能要求，各种功能模块将层出不穷。

（3）高可靠性：

一些特定的环境和条件要求自动化系统有很高的可靠性，因此自诊断技术、冗余技术、容错技术在PLC中得到广泛的应用。

（4）良好的兼容性：

由于世界经济、技术的一体化，因此PLC也朝满足国际标准化的程度和水平发展。

（5）小型化、低成本：

小型PLC的基本特点是价格低，便于机电一体化。

（6）编程语言的高级化：

除了梯形图、语句表、流程图外，一些PLC还增加了BASIC，C等编程语言[3]。

第3章T68卧式镗床的硬件设计

3.1卧式镗床的概述及加工范围

镗床是一种精密加工机床。

它主要用于加工工件上的精密圆柱孔。

按用途的不同，镗床可分为卧式镗床、坐标镗床、金刚镗床等。

其中卧式镗床的用途很广，除了对各种复杂的大型工件，如箱体零件、机体等的镗孔以外，还可以完成钻、扩、铰孔、车削内外螺纹，用丝锥攻丝，车外圆柱面和端面，用端铣刀与圆柱铣刀铣削平面等多种工序。

因此在这种镗床上，工件一次安装后，即能完成大部分表面的加工，有时甚至可以完成全部的加工，特别是在加工大型及笨重的工件时具有优势。

3.2T68卧式镗床的基本结构及工作原理

T68镗床的工作原理大致可分为主轴的移动运动、工作台的回转运动、上滑座、下滑座的移动运动、主轴箱的升降运动、正反向机动进给运动、快速移动运动。

如上所