基于PLC的双面铣床自动控制系统设计解读.docx

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基于PLC的双面铣床自动控制系统设计解读

自动化

毕业设计说明书

基于PLC的双面铣床

自动控制系统设计

专业学生姓名班级学号指导教师完成日期

基于PLC的双面铣床自动控制系统设计

摘要：

在现代生产中，部分中小型企业及高校仍广泛使用传统的继电器控制双面铣床，这些双面铣床的电控系统是以继电器、接触器的硬连接为基础的，技术上比较落后，特别是其触点的可靠性问题，直接影响了产品质量和生产效率。

而利用PLC对双面铣床进行自动控制，便能取得很好的效果，使其工业生产更为经济、可靠，适应现在社会生产力的要求。

设计了一个基于PLC的双面铣床自动控制系统，介绍了系统在硬件和软件方面的设计思想，以FX2N-48MRPLC为核心，构建一个自动控制的液压站台，使用四台电机满足课题基础的动作要求，合理利用限位开关的功能，对双面铣床进行单循环控制。

硬件方面，针对主电路、控制电路、辅助电路三部分分别进行一些设计，使其能够满足现代高效率生产的发展需求，针对滑台的三大主要动作，即快进、工进和快退，分别使用不同的电磁阀在得电情况下进行动作控制，而电磁阀的是否得电取决于开关动作，只有开关满足时候才使得PLC能够执行相应的程序；软件方面，使用SWOPC-FXGP/WIN-编C程软件设计梯形图，简单易学，操作方便，在系统上满足单循环与单步运动的要求。

关键词：

双面铣床；PLC；自动控制

DesignofAutomaticControlSystemforDouble-sidedMillingMachineBasedonPLC

Abstract:

Inthemodernproductionandthepartofthesmallandmedium-sizedenterprisesanduniversitiesstillwidelyusetraditionalrelaycontroldouble-sidedmillingmachine,thesedouble-sidedmillingmachineelectriccontrolsystembasedonrelays,contactdevicehardlinksbased,technologyisrelativelybackward,especiallyonthereliabilityofthecontactproblem,adirectimpactontheproductqualityandproductionefficiency.AndtheuseofPLCindouble-sidedmillingmachineforautomaticcontrol,canobtainverygoodeffect,makeitsindustrialproductionmoreeconomicalandreliableandadapttotherequirementsofsocialproductivitynow.

DesignbasedonPLCdouble-sidedmillingmachine,automaticcontrolsystemisintroducedintheaspectsofsystemhardwareandsoftwaredesignidea,toFX2N-48MRPLCasthecore,toconstructaautomaticcontrolhydraulicstation,usingfourmotorbasedactionrequiresmeetsubject,reasonableutilizationoflimitswitchfunction,singlecontrolofdouble-sidedmillingmachine.

Hardwareaspects,inviewofthemaincircuitandcontrolcircuit,auxiliarycircuitthreeparts,respectively,makeitsstudiestomeetthedevelopmentneedsofmodernefficientproduction,accordingtothethreemainactionslidingsets,namelyfastinto,workintoandretreatquickly,usingdifferentelectromagneticvalverespectivelyinelectricitysituationactioncontrol,andwhetherthesolenoidswitchmovement,haveelectricitydependsonwhenonlyswitchmeetthatmakesPLCcanexecutesprograms;Software,useFXGP/WIN-SWOPC-Cprogrammingsoftwaredesignladderdiagram,easytooperate,easytooperate,onthesystemmeetwithsingle-stepmovementsinglerequirements.

KeyWords:

Double-sidedmillingmachine;PLC;Automaticcontrol

1概述1

1.1课题概述1

1.2课题研究背景及发展现状1

1.3课题的研究意义3

2双面铣床动作及电气控制要求分析4

2.1双面铣床简介4

2.2双面铣床动作要求分析4

2.3双面铣床电气控制要求分析6

3双面铣床自动控制系统方案确定6

3.1双面铣床自动控制系统总体方案确定6

3.2主电路方案确定7

3.3软件方案确定7

4双面铣床自动控制系统的硬件设计8

4.1主电路设计8

4.2液压站PLC控制系统9

4.3系统分配电源10

4.4辅助电路设计11

4.5控制面板设计11

4.6PLC的介绍及选型12

4.7铣床元器件介绍及选型13

5双面铣床自动控制系统的软件设计17

5.1PLC软件编程17

5.2I/O地址分配表18

5.3梯形图注释19

5.4梯形图指令23

6安装调试27

7结束语30

参考文献31

致谢32

附录33

附录1：

主电路图33

附录2：

I/O接线图35

附录3：

控制面板图38

附录4：

梯形图40

基于PLC的双面铣床自动控制系统设计

1.1课题概述

铣床是一种在机械加工和机械修理中广泛使用的机床，它是通过操作操纵手柄实现电气与机械上的配合，来完成各种预定的进给运动，是机械与电气联动的典型控制，当它的电气控制系统采用继电接触器电路实现，由于采用继电接触器控制模式，电气控制线路触点多、线路复杂、故障率高，而且故障的查找与排除也非常困难。

而传统的机床控制系统都是采用继电器、接触器等元器件组构成硬件逻辑控制电路，不但接线复杂，而且经常出现故障，可靠性较差。

与传统的继电器、接触器电气控制系统相比，PLC控制具有可靠性高、柔性好、开发周期短以及故障自诊断等优点，特别适合应用于机床的控制和故障自诊断系统，可以大幅度减少继电器等硬件逻辑元件的数量，提高电气控制系统的稳定性和可靠性，从而提高产品的品质和生产效率。

用PLC控制系统替代体积大、投资大、耗能大的继电器、接触器控制系统是今后机床电气控制系统发展的趋势。

铣床作为机械加工的通用设备在汽车、内燃机等配件的生产加工中一直起着不可替代的作用。

特别是专用双面铣床，由于其能两面同时进行加工，所以其生产效率较高，且很适应于发动机的缸体、机油泵缸体、齿轮箱壳体等等的双端面加工。

可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC控制铣床是指铣床的操作命令以数值数字的形式描述工作过程按规定的程序自动进行的铣床。

随着微电子技术特别是计算机技术的发展，PLC控制铣床迅速

地发展起来。

铣床自动控制系统能够实现“夹紧一快进一工进一快退一原位停止一松开工件”的工作循环。

在PLC的控制下，能够减少元件数目，完成较为复杂的自动循环控制，提高加工效率，从而减轻工人的劳动强度。

1.2课题研究背景及发展现状

随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高，产品的更新换代也不断加快。

因此对铣床不仅要求具有较高的精度和生产率，而且应能迅速地适应产品零件的变换和产品的自动生产控制，这就促使了基于PLC的铣床自动控制理论的产生。

在现在生产过程中，可编程序控制器（PLC）日益广泛应用于机械加工设备等的电气控制系统中。

应用PLC对现有的机械加工设备的电气控制系统进行改造，可以把机械加工设备的功能、效率、柔性提高到一个新的水平，大大地改善产品的加工质量，降低设备故障率，提高生产效率，其经济效益是十分的可观。

铣床作为机械加工的通用设备在内燃机配件的生产中一直起着不可替代的作用。

自动铣床具有工作平稳可靠，操作维护方便，运转费用低的特点，已成为现代生产中的主要设备。

自动铣床控制系统的设计是一个很传统的课题，现在随着各种先进精确的诸多控制仪器的出现，铣床控制的设计方案也越来越先进，越来越趋于完美。

在我国70～80年代大多数铣床中，大多数的开关量控制系统都是采用继电器控制，也有相当一部分辅机系统是采用继电控制。

因此，继电器本身固有的缺陷，给铣床的安全和经济运行带来了不利影响，用PLC对铣床的继电器式控制系统进行改造已是大势所趋。

制造技术和自动化水平的高低己成为一个国家或地区经济发展水平的重要标志，而其中最具代表性的就是PLC控制铣床。

我国现正处于从以劳动密集型产业为主向以技术密集型产业为主的发展阶段，对自动化设备的需求会越来越大、越来越积极。

利用现有普通铣床，通过PLC控制化改造，使其成为一台高效、多功能的PLC控制铣床，是一种盘活资金的有效途径，也是低成本实现自动化的行之有效的方法。

因为一方面我国普通铣床保有量大，要将普通铣床淘汰掉是不经济、也不现实的做法；另一方面，从我国目前生产状况来看，仍然以生产普通铣床为主，普通铣床的PLC控制化改造将会长期存在，并会不断的发展。

随着科学技术的不断发展，生产工艺的不断发展改进，特别是计算机技术的应用，新型控制策略的出现，不断改变着电气控制技术的面貌。

在控制方法上，从手动控制发展到自动控制。

在控制功能上，从简单控制发展到智能化控制。

在操作上，从策重发展到信息化处理。

在控制原理上，从单一的有触头硬接线继电器逻辑控制系统发展到以微处理器或微型计算机为中心的网络化自动控制系统。

可编程序控制器产生以前，以各种继电器为主要元件的电气控制线路，承担着生产过程自动控制的艰巨任务，可能有成百上千只各种继电器构成复杂的控制系统，需要用成千上万根导线连接起来，安装这些继电器需要大量的继电器控制柜，且占据大量的空间。

当这些继电器运行时，又产生大量的噪声，消耗大量的电能。

为保证控制系统的正常运行，需要安排大量的电气技术人员进行维护，有时某个继电器损坏，甚至某个继电器触头接触不良，都会影响整个系统的正常运行。

如果系统出现故障，要进行检查排除故障又是非常困难的，全靠电气技术人员长期积累经验。

尤其是在生产工艺发生变化时，可能需要增加很多的继电器或继电器控制柜，重新接线或改线的工作量很大，甚至需要重新设定控制系统。

尽管如此，这种控制系统的功能仅仅局限在能实现具有粗略定时、计数功能的顺序逻辑控制。

因此，人们迫切需要一种新的工业控制装置来取代传统的继电器控制系统，是电气控制系统工作更可靠，更容易维修，更能适应经常变化的生产工艺要求。

铣床的广泛应用，给机械制造业的生产方式、产品机构和产业机构带来了深刻的变化，其技术水平高低和拥有量多少，是衡量一个国家和企业现代化水平的重要标志。

一种新型的控制装置，一项先进的应用技术，总是根据工业生产的实际需要而产生的。

自从1969年第一台可编程控制器在美国问世以来，在工业控制中得到广泛的应用。

近年来，我国在石油、化工、机械、轻工、发电、电子、橡胶、塑料加工等行业工艺设备的电气控制中，越来越多地采用PLC机控制，并取得了显著的效果，深受各行业的欢迎。

1988年开始将可编程序控制器应用在铣床控制上，至今使用情况一直良好。

国外生产PLC的厂家很多，最著名的有美国A-B公司和GE-FANUC公司，日本的欧姆龙公司和三菱公司，德国AEG公司和西门子公司，法国的TE公司。

它们号称PC领域的大雄，代表PC的最高水平。

它们在中国都有各自的代理商，很容易买到其产品。

国产PLC以小型为主，I/0点均在128点以下。

主要厂家有上海工业自动化仪表研究所，苏州电子计算机厂，北京机械工业自动化研究所，无锡华光电子工业公司，中科院自动化研究所，上海香岛机电制造公司，一般只处理开关量，进行逻辑运算，顺序运算。

从上世纪80年代起铣床制造业的发展虽有起伏但对自动控制技术和自动铣床床一直给予较大的关注。

经过九五自动车床和加工中心包括自动铣床的产业化生产基地的形成，所生产的中档普及型自动铣床的功能性能和可靠性方面已具有较强的市场竞争力。

但在中高档自动铣床方面与国外一些先进产品相比仍存在较大差距。

这是由于欧美日等先进工业国家于80年代先后完成了自动机床产业进程，其中一些著名机床公司致力于科技创新和新产品的研发引导着PLC控制机床技术发展，如美国英格索尔公司和德国惠勒喜乐公司对用于汽车工业和航空工业高速PLC控制铣床的发展日本牧野公司对高效精密加工中心所作的贡献，德国瓦德里希公司在重型龙门五面加工铣床方面的开发以及日本马扎克公司研发的车铣中心对高效复合加工的推进等等。

相比之下，我国大部分数近代机床产品在技术处于跟踪阶段。

我国是制造大国，但不是制造强国。

机械制造业水平与发达国家相比相对落后，设备陈旧，技术水平差距大，国际竞争力弱，影响了生产力的发展。

逐步提高PLC自控铣床的占有率已经成为我国制造技术发展的总趋势。

提高铣床自控率有两个途径：

一是增加新的可编程PLC控制铣床，价格昂贵，一次性投资大，目前各企业均有大量的普通铣床，完全用可编程PLC控制铣床替代是根本不可能的；二是对旧铣床进行PLC控制改造。

我国是一个机床拥有量极大的国家，但大部分铣床服役龄较长，采取对旧铣床进行改造来提高设备的先进性和自控化率，是一个极其有效和实用的途径，是企业必走之路。

1.3课题的研究意义

用PLC进行控制，大大简化了主回路，具有使用硬件少、系统简单、维修方便、可靠性高、速度平稳可调的特点，使产品的质量和生产效率得到很大的提高，对铣床的革命性变革具有重大的意义。

PLC专为工业环境应用而设计，其显著的特点之一就是可靠性高，抗干扰能力强。

基于PLC的铣床自动控制系统设计采用可编程控制器控制，能够使主传动控制系统硬件电路大为简化，提高整个电气控制系统的工作性能，降低了控制电路的复杂程度和维护难度，大大提高了控制系统的可靠性和自动控制程度，为企业提供了更可靠的生产保证。

2双面铣床动作及电气控制要求分析

2.1双面铣床简介用铣刀对工件进行铣削加工的机床。

铣床除能铣削平面、沟槽、轮齿、螺纹和花键轴外，还能加工比较复杂的型面，效率较刨床高，在机械制造和修理部门得到广泛应用。

最早的铣床是美国人E.惠特尼于1818年创制的卧式铣床。

为了铣削麻花钻头的螺旋槽，美国人布朗，J.R.于1862年创制了第一台万能铣床，是为升降台铣床的雏形。

1884年前后出现了龙门铣床。

20世纪20年代出现了半自动铣床，工作台利用挡块可完成“进给-快速”或“快速-进给”的自动转换。

1950年以后，铣床在控制系统方面发展很快，数字控制的应用大大提高了铣床的自动化程度。

尤其是70年代以后，微处理机的数字控制系统和自动换刀系统在铣床上得到应用，扩大了铣床的加工范围，提高了加工精度与效率。

铣床种类很多，一般按布局形式和适用范围加以区分，主要有下面形式：

a.升降台铣床：

有万能式、卧式和立式等，主要用于加工中小型零件，应用最广。

b.龙门铣床：

包括龙门铣镗床、龙门铣刨床和双柱铣床，均用于加工大型零件。

c.单柱铣床和单臂铣床：

前者的水平铣头可沿立柱导轨移动，工作台作纵向进给；后者的立铣头可沿悬臂导轨水平移动，悬臂也可沿立柱导轨调整高度。

两者均用于加工大型零件。

d.工作台不升降铣床：

有榘形工作台式和圆工作台式两种，是介于升降台铣床和龙门铣床之间的一种中等规格的铣床。

其垂直方向的运动由铣头在立柱上升降来完成。

e.仪表铣床：

一种小型的升降台铣床，用于加工仪器仪表和其他小型零件。

f.工具铣床：

用于模具和工具制造，配有立铣头、万能角度工作台和插头等多种附件，还可进行钻削、镗削和插削等加工。

g.其他铣床：

如键槽铣床、凸轮铣床、曲轴铣床、轧辊轴颈铣床和方钢锭铣床等，是为加工相应的工件而制造的专用铣床。

按控制方式，铣床又分为仿形铣床、程序控制铣床和数字控制铣床。

双面铣床是两个铣刀同时工作，在单面铣床的基础上，为进一步提高工作效率而更进一步的设计，其特点如下：

a.能完成很多普通机床难以加工或者根本不能加工的复杂型面的加工。

b.采用双面铣床可以提高零件的加工精度，稳定产品的质量。

c.提高了生产效率，扩大了铣床的加工范围，大大的减轻了工人的劳动强度。

2.2双面铣床动作要求分析

双面铣床动作要求：

双面铣床全部运动部件原位停→→人工装料→→按循环启动按钮→→压紧油

缸压紧工件（压力信号）→→左、右侧铣头启动→→液压滑台快进转工进加工到位→→液压滑台快退至原位停→→压紧油缸松开→→人工卸料→→重复上述循环。

根据双面铣床动作，需要有手动和自动两部分设计。

手动部分中，通过手动按钮或开关启动或停止铣头电机、液压电机、冷却泵电机，执行滑台快进、滑台快退、滑台工进及快进转工进的操作。

自动部分中，在电机启动后能够根据程序设计，自

图2-1双面铣床加工工序过程

d.单步过程：

启动循环调整按钮，双面铣床进入单步工作状态，完成一次加工任务机床部件退回原位，等待下一个命令。

在上一个操作未执行完时，应禁止执行下一个操作。

2.3双面铣床电气控制要求分析

设计要求使用PLC控制双面铣床解决传统继电接触器控制模式中电气控制线路触点多、线路复杂、故障率高的困难，但是使用PLC控制也要注意一些电气控制要求，下面是此次设计中PLC控制电气要求：

a.以PLC为控制中心，对双面铣床上述动作要求实现全自动控制；

b.双面铣床除上下工件外，其余各动作均为按钮操纵，面板上的按钮不仅要满足机床所有动作的单循环启动功能，而且还能满足机床各动作的单动调整功能；

c.双面铣床上述各动作具有互锁功能，即机床的上一个动作未执行到位，则机床的下一个动作不执行；

d.双面铣床各动作回路具有短路、过载、过流等保护。

对于a点要求可用三菱PLC满足设计要求，利用开关量变化引起的线圈通断变化达到控制的目的。

在双面铣床上安装控制面板，面板包括各个电机的启动以及滑台动作的按钮，可在面板上设置循环调整按钮，分手动和自动调整，手动过程实现单动调整，可以在双面铣床出现故障时查找故障原因及更换铣头，自动过程提高加工效率，方便操作。

通过开关与线圈的配合使用在电路及程序中互锁，实现电机的顺序启动，机床动作顺序进行。

添加断路器、熔断器等电器元件，使各回路具有短路、过载、过流等保护。

3双面铣床自动控制系统方案确定

3.1双面铣床自动控制系统总体方案确定

根据动作要求、电气控制要求，确定双面铣床控制系统总体方案。

a.主轴电动机的控制为了操作方便，两台主轴电动机分别控制双面铣床的两个铣刀，控制操作由操作面板完成。

主轴电动机接启动接触器，兼作失压和欠压保护。

b.冷却泵电动机的控制由热继电器作过载保护，熔断器作短路保护，接触器实现直接启动运行兼作失压与欠压保护，主轴电路启动后，冷却泵才能启动。

当主轴停车时，冷却泵电动机也跟着停转。

c.液压站的控制为了提高劳动生产率，减少生产辅助时间，要求工作台快速移动，可通过操作面板控制液压站，实现工作台的快进和工进。

通过对相应电磁阀的得电情况的控制，进而控制夹紧油缸夹紧、松开动作。

d.辅助电路设计考虑到夜间工作的情况，设计一条照明控制支路，在照明不良的情况下提供灯光要求。

并设计一条控制变压器支路，满足各工作部分不同的电压要求。

3.2主电路方案确定

铣床有三种运动形式，即主运动、进给运动和辅助运动。

主运动是主轴带动铣刀的旋转运动；进给运动是工作台或进给箱带动工件的移动；工作台带动工件在三个方向的快速移动，及以工作台的旋转运动为辅助运动。

根据其动作要求需求，确定双面铣床共用4台异步电动机拖动，它们分别是主轴电动机两台、液压电动机和冷却泵电动机。

系统线路分为主电路、控制电路和照明电路三部分。

主轴电动机拖动主轴带动铣刀进行铣削加工，通过组合开关来实现正反转；液压电动机通过控制面板开关电源来实现，在液压电机启动后，液压站能够开始正常控制铣床滑台的运动，即通过电磁阀的控制转而控制滑台动作；冷却泵电动机供应切削液，且当液压电机启动后，用控制面板上冷却泵开/停按钮进行控制；4台电动机共用熔断器作短路保护，4台电动机分别用热继电器作过载保护。

控制电路的电源由变压器TC输出110V电压供电。

主轴电动机启动前，应首先选择好主轴的转速，然后合上电源开关，再把主轴换向开关扳到所需要的转向。

按下启动按钮，主触头和自锁触头闭合，主轴电动机启动运转。

主轴换铣刀时将转换开关扳向换刀位置，这时断开按钮，制动主轴电机，切断了控制电路，保证了人身安全。

工作台的进给运动在主轴启动后方可进行。

工作台的进给是由液压系统来控制，在进给运动中存在动作先后顺序，工件只有在夹紧开关动作后，才能够进行下一步快进动作，否则电路故障。

同样，其他的所有动作都是建立在工件夹紧的基础上，另外就是松开油缸一直不运作的前提。

根据加工工艺的要求，该铣床应具有以下的电气联锁措施：

为了防止刀具和铣床的损坏，只有主轴旋转后才允许有进给运动和进给方向的快速运动。

为了减小加工表面的粗糙度，只有进给停止后主轴才能停止或同时停止。

当主轴电动机或冷却泵过载时，进给运动必须立即停止，以免损坏刀具和铣床。

要求有冷却系统、照明设备及各种保护措施。

3.3软件方案确定

通过对铣床控制系统进行详细的分析可知选用FX2N-48MRPLC来