《可编程序控制器应用技术》课程设计实习.docx
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《可编程序控制器应用技术》课程设计实习
PLC课程设计
课题：
三面铣组合机床PLC控制系统设计
系别：
电子信息与电气工程系
专业：
电气工程及其自动化
班级：
电气0604
指导老师：
马莹李天健陈炜
学生：
1
1
1
图1-1加工对象
1方案的确定
图1-2三面铣组合机床的组成
1.1设计简介
三面铣组合机床是用来对Z512W型台式钻床主轴箱的Ф80、Ф90孔端面及定位面进行铣销加工的一种自动加工设备。
机床主要结构部件：
底座、床身、铣削动力头、液压动力滑台、液压站、工作台、工件松紧油缸等组成。
机床底座上安放有床身，床身上一头安装有液压动力滑台，工件及夹紧装置放于滑台上。
床身的两边各安装有一台铣销头，上方有立铣头，液压站在机床附近。
①操作者将要加工的零件放在工作台的夹具中，在其他准备工作就绪后，发出加工指令。
②工件夹紧后压力继电器动作，液压动力滑台（工作台）开始快进，到位转工进，同时起动左和右1铣头开始加工，加工到某一位置，立铣头开始加工，加工又过一定位置右1铣头停止，右2铣头开始加工，加工到终点三台电机同时停止。
③待电机完全停止后，滑台快退回原位，工件松开，一个自动工作循环结束。
④操作者取下加工好的工件，再放上未加工的零件，重新发出加工指令重复上述工作过程。
1.2机床对电气控制要求
①五台电机均为单向旋转。
②机床要求有单循环自动工作、单动力头自动循环工作、点动三种工作方式，油泵电机在自动加工一个循环后不停机。
③单循环自动工作过程见机床动作循环图。
④单动力头自动循环工作包括：
左铣头单循环工作、右1铣头单循环工作、右2铣头单循环工作、立头单循环工作。
要求考虑各铣头单循环工作的加工区间。
⑤点动工作包括：
四台主轴电机均能点动对刀、滑台快速（快进、快退）点动调整、松紧油缸的调整（手动松开与手动夹紧）。
⑥电源、油泵工作、工件夹紧、加工等信号指示。
⑦照明电路
⑧必要的联锁环节与保护环节。
1.3设计要求
①根据设备加工工艺要求，确定控制方案，设计合理的硬件原理图；
②以顺序控制设计法为主设计PLC程序，并进行模拟调试；
③利用组态王软件进行上位机监控软件的设计；
④正确计算选用电器（含PLC），列电器一览表；
⑤编写设计说明书（方案的确定、设计环节的考虑及必要说明等）及设备的使用说明；
⑥绘制有关图纸
1.4设计方案的确定
主电路上由四台电机、液压系统的电磁阀、机床加工指示灯与工件夹紧指示灯、照明系统组成，其中四台电机、液压系统的电磁阀、机床加工指示灯与工件夹紧指示灯是由plc控制的。
四台电机控制机床上的三个方向的四把铣刀分别是左铣刀、右1铣刀、右2铣刀、立面铣刀。
电磁阀用于控制工件的夹紧、松开与工件的快进/工进和快退。
2电气原理图设计
2.1电气主电路
主电路包括液压泵电机、四台工作电机及照明电路，加紧、工作两个指示灯。
主电路部分有熔断器，用于短路保护。
继电器KM1、KM2等，具有欠电压，零电压，过电压保护。
各台电机上装有一个电流热继电器具有过载、断相保护。
机床的电机、滑台、电磁阀参数
（1）左、右2铣削头电动机
JO2-41-44.0kw1440转/分380V8.4A
（2）右1，立铣削头电动机
JO2-32-43.0kw1430转/分380V6.5A
（3）液压泵电动机
JO2–22-41.5kw1410转/分380V3.49A
图2-1三面铣组合机床电气主电路接线图
2.2电气控制电路
图2-2三面铣组合机床电气控制电路接线图
控制电气部分主要采用三菱的FX3U的PLC进行控制，油泵电机就靠SA按钮直接对电机进行控制，不受PLC控制。
PLC的供电电压为220V交流电，通过电压互感器把电压降成24V的交流电，然后经过开关电源得到一个稳定的直流电源，开关电源的稳定性比其他三端稳压电源抗干扰力强很多，通过开关电源可以得到一个24V的稳压电源,做PLC的输入端口的电压。
PLC上有指示灯。
2.3PLC的I/O接线图：
PLC的输入端接9个按钮开关，4个转换开关，4个转换开关，以及4个行程开关，3个压力继电器。
输出端接5个直流24V接触器，2盏24V指示灯。
PLC的I/O接线图详见附录一
三、程序设计
3.1PLC程序设计
本程序为三面铣组合机床PLC控制，程序较为复杂，且应用的步骤较多，故放弃使用经验设计法，通过顺序控制设计法实现
本程序分为自动多动力循环，自动单动力循环，手动控制，点动控制等，以下分为几个单元分别进行阐述。
其具体过程图如下图所示：
图3-1三面铣组合机床动作循环图
程序中用5个继电器表示液压系统的工作模式，其具体得失电所代表的工作方式如下图所示：
表3-1机床液压原件动作表
3.1.1自动程序
1）多动力自动控制
图3-2初始化程序
首先利用M8002进行初始化操作，只有将程序激活，之后的程序才能实现。
图3-3判断执行自动还是手动程序
X13为原位行程开关。
当物件还没在原位时，原位行程开关未被按下，电机自动启动快退程序，工件送往原位。
当物件到达原位时，行程开关被按下。
图3-4判断工件是否在原位
判断工件是否在原位，否，将执行快退程序，将工件快退至原位物件处于原位，继电器Y6得电，液压阀松开，可放置将需加工的物件放置加工槽中
图3-5夹紧程序
当按下启动开关X5后，加紧继电器Y5得电，工件被加紧，准备进行加工。
此时继电器Y13Y7得电，物件快进。
图3-6左铣头、右1铣头启动程序
物件快进到一定距离后，碰到工进行程开关X7，左铣头和右铣头1Y7启动，对物件进行第一次加工。
图3-7立铣头启动程序
随着进程的深入，物件碰到立铣行程开关X10，工件进行第二次加工
图3-8右铣头2启动程序
当工件碰到右铣2的行程开关X11后，右2铣头启动，对物件进行第三次加工。
右1铣头停止工作，立铣头和左铣头继续工作。
图3-9碰死挡板程序
工件云运行到最后会碰到死挡板X12，停止同时启动延时继电器。
30S后，快退继电器Y5，Y10得电，工件快退，同时左、右1、右2、立铣头同时停止工作。
当工件快退回到原位并按下原位行程开关X13后，继电器Y6得电，液压阀松开，可取加工好的工件，此时，全循环自动控制结束，可准备下一轮的加工。
2）单动力自动控制
当单动力全循环切换开关没按下时，程序进入动力选择运行的模式，根据开关SA2SA3的开断模式进行选择。
图3-11自动单动力左铣头程序
SA1SA2都没按下，左铣头运动；
图3-12自动单动力右铣头1程序
SA2单独按下，右铣头1运动
图3-13自动单动力立铣头程序
SA1单独按下，立铣头运动
图3-14自动单动力右铣头2程序
SA1SA2都按下，右铣头2运动；
3）手动程序
点动程序
根据程序的需求，为测试电机及其继电器的好坏，程序中设计了电动程序。
当手自动开关没被按下时，程序进入点动模式。
图3-15点动左铣头程序
当按钮SB2按下时，点动左铣头
图3-16点动右铣头1程序
当按钮SB3按下时，点动右铣头1
图3-17点动右铣头2程序
当按钮SB4按下时，点动右铣头2
图3-18点动立铣头程序
当按钮SB5按下时，点动立铣头
图3-19点动快进程序
当按钮SB6按下时，点动快进
图3-20点动快退程序
当按钮SB7按下时，点动快退
图3-21点动松开程序
图3-15点动左铣头程序
当按钮SB8按下时，点动松开
图3-22点动夹紧程序
当按钮SB9按下时，点动夹紧
3）其他程序
在工件前进至碰到死挡铁时，全部刀具停止，同时开始延时2秒后，工件开始快退，直至原位后松开。
3.2组态设计
3.2.1组态王简介
1）概述
组态王开发监控系统软件是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。
通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。
其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。
尤其考虑三方面问题：
画面、数据、动画。
通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。
组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。
而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。
它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。
2）使用组态王软件特点
（1）实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。
（2）该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。
对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。
3.2.2人机界面设计
1）人机界面介绍
人机界面（Human-ComputerInterface,简写HCI，又称用户界面或使用者界面）：
是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要组成部分。
它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。
凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。
2）人机界面设计
本次上位机设计了两个界面：
欢迎界面和三面铣组合机床控制系统界面
（1）欢迎界面
此界面采用了用户管理。
当你按下登录按钮时就会弹出一个对话框让你输入密码，若密码正确则按下进入系统按钮就可以进入车镗专机控制系统界面并执行相应的操作。
如果未使用用户登录就按下进入系统按钮也可以进入机床控制系统界面，但是无操作权限。
图3-24欢迎界面
（2）三面铣组合机床控制系统界面
此界面可以通过上/下位机切换按钮来实现上位机控制下位机的运行或下位机控制上位机的运行过程。
同时设有退出按钮，按下时界面就可以返回到欢迎界面。
同时还设有手/自动切换指示灯、单/单头循环切换指示灯、左铣头单动指示灯、右1铣头单动指示灯、右2铣头指示灯、立铣头指示灯、快进指示灯、工进指示灯、快退指示灯、油泵指示灯、夹紧指示灯、原位指示灯等用来检视目前控制系统的运行模式。
其余按钮均为手动按钮。
界面如下所示：
图3-25三面铣组合机床控制系统界面
（3）变量定义
本次人机界面中定义的I/O接口类型为I/O离散型，以便实现PLC到电脑，即上/下位机的连接。
但由于界面要实现机床的平移和夹紧片的垂直移动，因此需要将这些变量定义为内存实型。
除此外还需要一些过渡变量，如下所示：
变量名
变量类型
变量名
变量类型
机床移动实体
内存实型
右1铣刀单动
I/O离散型
机床快进
I/O离散型
右2铣刀单动
I/O离散型
机床工进
I/O离散型
立铣刀单动
I/O离散型
机床快退
I/O离散型
上下位控制切换
I/O离散型
自动
I/O离散型
夹紧
内存实型
手动
I/O离散型
夹紧下
内存实型
左铣刀单动
I/O离散型
叶片状态
内存实型
（4）行程控制设计
实测得机床滑块碰到死挡铁的距离为100，则设原位时机床移动实体=0；快进转工进时机床移动实体=40；立铣运行时机床移动实体=60；右1铣转右2铣时机床移动实体=80；碰到死挡铁时机床移动实体=100。
当且仅当机床移动实体在相应的位置则进入相应的运行状态。
（5）组态王程序分析
i.如何让叶片旋转起来的程序
if（\\本站点\叶片状态==3）{\\本站点\叶片状态=1;}else{\\本站点\叶片状态=\\本站点\叶片状态+1;}
设置叶片状态的值，不断的改变叶片状态的数值，每一次进行加，当叶片状态数值等于3时进行置1，这时候叶片就有三种状态1、2、3，分别赋值给叶片，然后根据叶片的隐含条件进行显示，由于叶片的状态是不停的在变化，所以叶片的显示也不停的在切换，每个叶片的颜色不一样，这样就给你一种视觉效果，感觉整个叶片是运动起来的。
ii.如何实现滑块的夹紧程序
if（\\本站点\y2==1&&\\本站点\y1==0&&\\本站点\夹紧>0&&\\本站点\夹紧下>0）{\\本站点\夹紧=\\本站点\夹紧-5;\\本站点\夹紧下=\\本站点\夹紧下-5;}
if（\\本站点\y1==1&&\\本站点\y2==0&&\\本站点\夹紧<20&&\\本站点\夹紧下<20）{\\本站点\夹紧=\\本站点\夹紧+5;\\本站点\夹紧下=\\本站点\夹紧下+5;}
物体的运动方向有两个，一个是垂直运动、一个水平运动。
两片夹片的水平运动是与滑台的运动方向是一致的，所以只要把物体的水平运到的变量与滑台的运动变量赋值一样就可以实现。
夹片的垂直运动，主要是跟夹紧电磁阀有关的，当夹紧电磁阀的得电后，就进行夹紧，当松开电磁阀得电后，就进行松开运动，但是这个时候要设置，夹紧的距离，由于夹紧与松开的时间不一致，所以你设的夹紧和松开的距离，都应该设有一定的范围，以免夹紧很快，松开变成延时。
iii.如何实现滑块的运动
滑块的运动跟这个PLC的工作状态关系是很密切，每个工作状态对应滑块的运动模式也是不一样，这时候就存在着很多种状态的选择，以及如何实现，本次程序采用的嵌套程序的方法。
首先是把工作状态分为手动模式和自动模式，手动模式主要有些点动快进快退功能，自动模式下主要有单周运行、四种单刀运行。
图3-26三面铣组合机床控制系统流程图
（6）组态王编写程序
if（x22==0&&x23==0&&\\本站点\x21==0&&\\本站点\x20==1）{\\本站点\左铣刀单动=1;}else{\\本站点\左铣刀单动=0;}“左铣刀单循环”
if（x22==0&&x23==1&&\\本站点\x21==0&&\\本站点\x20==1）{\\本站点\右1铣刀单动=1;}else{\\本站点\右1铣刀单动=0;}“右1铣刀单循环”
if（x22==1&&x23==1&&\\本站点\x21==0&&\\本站点\x20==1）{\\本站点\右2铣刀单动=1;}else{\\本站点\右2铣刀单动=0;}“右2铣刀单循环”
if（x22==1&&x23==0&&\\本站点\x21==0&&\\本站点\x20==1）{\\本站点\立铣刀单动=1;}else{\\本站点\立铣刀单动=0;}“立铣刀单循环”
if（\\本站点\y3==1&&\\本站点\y5==0&&\\本站点\y4==0）{\\本站点\机床快进=1;}else{\\本站点\机床快进=0;}“机床快进”
if（\\本站点\y5==1&&\\本站点\y3==1）{\\本站点\机床工进=1;}else{\\本站点\机床工进=0;}“机床工进”
if（\\本站点\y4==1）{\\本站点\机床快退=1;}else{\\本站点\机床快退=0;}
if（\\本站点\x20==1）{if（\\本站点\x21==1）{if（\\本站点\机床快进==1&&\\本站点\机床移动实体<40）{\\本站点\机床移动实体=\\本站点\机床移动实体+10;}
if（\\本站点\机床工进==1&&\\本站点\机床移动实体<60&&\\本站点\y13==0）{\\本站点\机床移动实体=\\本站点\机床移动实体+2;}
if（\\本站点\机床工进==1&&\\本站点\机床移动实体<80&&\\本站点\y12==0&&\\本站点\y13==1）{\\本站点\机床移动实体=\\本站点\机床移动实体+2;}
if（\\本站点\机床工进==1&&\\本站点\机床移动实体<100&&\\本站点\y12==1）{\\本站点\机床移动实体=\\本站点\机床移动实体+2;}
if（\\本站点\机床快退==1&&\\本站点\机床移动实体>0）{\\本站点\机床移动实体=\\本站点\机床移动实体-10;}}
if（\\本站点\x21==0）{if（\\本站点\x22==0&&\\本站点\x23==0）{if（\\本站点\机床快进==1&&\\本站点\机床移动实体<40）{\\本站点\机床移动实体=\\本站点\机床移动实体+10;}
if（\\本站点\机床工进==1&&\\本站点\机床移动实体<100）{\\本站点\机床移动实体=\\本站点\机床移动实体+2;}
if（\\本站点\机床快退==1&&\\本站点\机床移动实体>0）{\\本站点\机床移动实体=\\本站点\机床移动实体-10;}}
if（\\本站点\x22==0&&\\本站点\x23==1）{if（\\本站点\机床快进==1&&\\本站点\机床移动实体<40）{\\本站点\机床移动实体=\\本站点\机床移动实体+10;}
if（\\本站点\机床工进==1&&\\本站点\机床移动实体<80）{\\本站点\机床移动实体=\\本站点\机床移动实体+2;}
if（\\本站点\机床快退==1&&\\本站点\机床移动实体>0）{\\本站点\机床移动实体=\\本站点\机床移动实体-10;}}
if（\\本站点\x22==1&&\\本站点\x23==0）{if（\\本站点\机床快进==1&&\\本站点\机床移动实体<60）{\\本站点\机床移动实体=\\本站点\机床移动实体+10;}
if（\\本站点\机床工进==1&&\\本站点\机床移动实体<100）{\\本站点\机床移动实体=\\本站点\机床移动实体+2;}
if（\\本站点\机床快退==1&&\\本站点\机床移动实体>0）{\\本站点\机床移动实体=\\本站点\机床移动实体-10;}}
if（\\本站点\x22==1&&\\本站点\x23==1）{if（\\本站点\机床快进==1&&\\本站点\机床移动实体<80）{\\本站点\机床移动实体=\\本站点\机床移动实体+10;}
if（\\本站点\机床工进==1&&\\本站点\机床移动实体<100）{\\本站点\机床移动实体=\\本站点\机床移动实体+2;}
if（\\本站点\机床快退==1&&\\本站点\机床移动实体>0）{\\本站点\机床移动实体=\\本站点\机床移动实体-10;}}}}
if（\\本站点\x20==0）{if（\\本站点\机床快退==1&&\\本站点\机床移动实体>0）{\\本站点\机床移动实体=\\本站点\机床移动实体-10;}
if（\\本站点\机床快进==1&&\\本站点\机床移动实体<100）{\\本站点\机床移动实体=\\本站点\机床移动实体+10;}}
if（\\本站点\y2==1&&\\本站点\y1==0&&\\本站点\夹紧>0&&\\本站点\夹紧下>0）{\\本站点\夹紧=\\本站点\夹紧-5;\\本站点\夹紧下=\\本站点\夹紧下-5;}
if（\\本站点\y1==1&&\\本站点\y2==0&&\\本站点\夹紧<20&&\\本站点\夹紧下<20）{\\本站点\夹紧=\\本站点\夹紧+5;\\本站点\夹紧下=\\本站点\夹紧下+5;}
if（\\本站点\叶片状态==3）{\\本站点\叶片状态=1;}else{\\本站点\叶片状态=\\本站点\叶片状态+1;}
四、施工设计
4.1主电路:
见附录图纸
4.2控制电路:
见附录图纸
4.2输入/输出分配表:
见附录图纸
五、设备使用及维护说明
5.1设备使用说明
三面铣组合机床组成主要由底座、床身、铣削动力头、机械动力滑台、工件松紧油缸等组成。
机床底座上安放有床身，床身上一头安装有动力滑台，工件及夹紧装置放于滑台上。
床身的两边各安装有一台铣销头，上方有立铣头，液压站在机床附近。
组合机床是由一些通用部件及少量专用部件组成的。
多轴、多刀、多工序同时加工。
组合机床控制系统大多采用机械、液压、电气或气动相结合的控制方式，其中电气控制起着重要的作用。
组合机床上最主要的通用部件是动力头和动力滑台，它们是完成刀具切削运动和进给运动的部件。
动力滑台的基本工作循环形式有：
（1）一次工作进给 快进→工作进给→快退；
（2）双向工作进给 快进→工作进给→反向工作进给→快退；
（3）二次工作进给 快进→一次工进→二次工进→快退；
（4）跳跃进给 快进→工进→快进→工进→快退；
（5）分级进给 快进→工进→快退→快进→工进→快退…快进→工进→快退。
工件加工过程 如下：
（1）操作者将要加工的零件放在工作台的夹具中，在其他准备工作就绪后，发出加工指令。
（2）工件夹紧后，动力滑台（工作台）开始快进；
（3）到位转工进，同时起动左和右1铣头开始加工；
加工到某一位置，立铣头开始加工；
加工又过一定位置右1铣头停止，右2铣头开始加工；
4）加工到终点三台电机同时停止；
5）待电机完全停止后，滑台快退回原位，工件松开，一个自动工作循环结束。
操作者取下加工好的工件，再放上未加工的零件，重新发出加工指令重复上述工作过程
各种工作模式如下：
（1）多动力自动模式
按下油压信号按钮开关→按下自动按钮开关→按下多动力循环按钮开关→按下原位行程开关→按下电动启动按钮开关→按下夹紧信号按钮开关→原位行程开关复位→点动快进或工进行程开关→立铣头行程开关→电动右1铣头停右2铣头转行程开关→按下死挡板按钮并且保持→死挡板按钮复位→结束
（2）单动力循环模式
（1）单动力头左铣头循环
按下油压信号按钮开关→按下自动按钮开关→按下单动力循环按钮开关→按下原位行程开关→电动启动按钮开关→按下夹紧信号按钮开关→原位行程开关复位→点动快进或工进行程开关→点动立铣头行程开关→按下死挡板按钮→死挡板按钮复位→结束
（2）单动力头右1铣头循环
按下油压信号按钮开关→按下自动按钮开关→按下单动力循环按钮开关→按下原位行程开关→电动启动按钮开关→按下夹紧信号按钮开关→原位行程开关复位→点动快进、工进行程开关→点动立铣头行程开关→按下死挡板按钮并且保持→死挡板按钮复位→结束
（3）单动力头立铣头循环
按下油压信号按钮开关→按下自动按钮开关→按下单动力循环按钮开关→按下原位行程开关→电动启动按钮开关→按下夹紧信号按钮开关→原位行程开关复位→点动快进、工进行程开关→点动立铣头行程开关→按下死挡板按钮→死挡板按钮复位→结束
（4）单动力头右2铣头循环
按下油压信号按钮开关→按下自动按钮开关→按下单动力循环按钮开关→按下原位行程开关→电动启动按钮开关→按下夹紧信号按钮开关→原位行程开关复位→点动快进、工进行程开关→点动右1铣头停右2铣头转行程开关→按下死挡板按钮→死挡板按钮复位→结束
5.2使用维护要求及注意事项
1）严格遵守操作规程和日常维护制度
2）应尽量少开数控柜和强电柜的门
在机加工车间的空气中一般都会有油雾、灰尘甚至金属粉末，一旦它们落在数控系统内的电路板或电子器件上，容易引起元器件间绝缘电阻下降，甚至导致元器件及电路板损坏。
有的用户在夏天为了使数控系统能超负荷长期工作，采取打开数控柜的
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