机械毕业设计.docx
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机械毕业设计
JIUJIANGUNIVERSITY
毕业设计
题目基于可编程控制器的台板开槽机控制系统设计
英文题目CuttingMachineControlSystemDesignBasedOnPLC
院系机械与材料工程学院
专业机械设计制造及自动化
姓名周永生
年级2012（机材A1233）
指导教师梁伟杰
二零一六年五月
本科生毕业论文（设计）独创性声明
本人声明所呈交的毕业论文（设计）是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文中没有抄袭他人研究成果和伪造数据等行为。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
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指导教师签名：
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本科生毕业论文（设计）使用授权声明
九江学院有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业论文（设计）的复印件和磁盘，允许毕业论文（设计）被查阅和借阅。
本人授权九江学院可以将本科毕业论文（设计）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复印手段保存、汇编毕业论文（设计）。
论文（设计）作者签名：
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指导教师签名：
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摘 要
现代机械控制工程技术发展越来越快，台板开槽机被广泛的应用到工业制造与加工的各种场合，使工厂的制造能力与效益得到了很大的提高，代替了原先的手动操作，台板开槽机是由程序控制，它的精度较高、关节活动灵活。
同时这也使得小型台板开槽机的发展进入了加速阶段，各种小型台板开槽机的结构设计和控制程序也在不断的发展和创新，这些小型台板开槽机的结构简单、控制灵活、容易加工制造，得到了许多加工过程需要台板开槽机的工厂的青睐，并在不同的加工场合得到了广泛的应用。
这次毕业设计的主要内容是对台板开槽机的液压系统控制回路的设计和PLC控制程序的编程设计；并根据当前的控制领域的最新发展和研究方向，采用触摸屏做为控制界面，增强了台板开槽机的使用性能和适用范围。
主要依据使台板开槽机的结构简单、控制灵活、实现容易、易于制造的原则，设计出依靠液压传动作为驱动来源的液压控制回路和应用日本三菱公司FX系列的PLC控制程序，分别进行了液压系统仿真和PLC控制程序仿真；并应用三菱公司的触摸屏画面设计软件设计出触摸屏的控制画面，然后利用相应的PLC及触摸屏仿真软件进行了PLC程序与触摸屏的综合模拟仿真。
最后给出台板开槽机各个模块的连接方法和整体系统的连接示意图。
【关键词】台板开槽机；液压传动；可编程控制器；人机界面
Abstract
Withthedevelopmentofengineeringtechnologyofmodernmechanicalcontrol,moreandmoremanipulatorswhichhaveahighprecisionprocesscontrol,flexiblejointsandsoon,areappliedtovariousworksitesoftheindustrialmanufacturingandprocessing,sothattheplantmanufacturingandprocessingefficiencyhasbeenfurtherimproved,replacedthemanuallaborandtheworkers.Alsothiswillmakeasmallmanipulatordevelopmentintotheaccelerationphase,andavarietyofthestructuraldesignandcontrolproceduresofsmallmanipulatoralsocontinuestodevelop.Thesesmallmanipulatorwhichhavethesimplestructure,theflexiblecontrolandeasyprocessingandmanufacture,gainfavorofanumberofprocessingplantsanddifferentprocessingsituationshavebeenwidelyapplied.ThisdesignmainlyfeedthecontrolcircuitofhydraulicmanipulatordriveandwritethedesignofPLCcontrolprogramming,andtouchscreenusedasthecontrolpanelwhichinaccordancewiththecurrentdirectionofdevelopmentofcontrolareas.Withthestructureofmanipulatorissimple,flexiblecontrol,easytoimplementandeasy-to-manufacturing,thisdesignamplythecontrolprograminJapanMitsubishiFXSeriesPLCandrelyonthehydraulictransmissionasthedrivingsourceofthehydrauliccontrolcircuit,anddesignatouchscreencontrolinterfacewiththeapplyoftheMitsubishitouchscreendesignsoftware.
【Keywords】FeedingManipulator;HydraulicDrive;PLC;HMI
目 录
前 言
现今，人们的生活节奏越来越快，对生产力的要求也随之提高。
由于微电子技术和计算机技术的迅速发展和现代控制理论的不断更新，使开槽机越来越高效和自动化，其中液动开槽机系统因为其材料选择种类多，以及传动力较大、零件价格便宜、维护使用方便等优点，已深入机械领域的各个部门，在机械行业发展中起着难以替代地位置。
在小型开槽机的结构设计和控制方面有很多的不同的应用实例，如开槽机的结构有采用的旋转圆柱坐标式，还有就是固定基座的开槽机臂的单向伸缩式；在开槽机的驱动来源方面有液压传动，气压传动或者是伺服电机、直线电机、交流电动机、步进电机驱动等；在开槽机的控制方面有基于继电器-接触器控制的系统，基于单片机的控制系统，或者是基于PLC的控制系统；在开槽机的操控面板方面有按钮式的，旋钮式的以及现在迅速发展的人机界面方向的触摸屏式的。
从当前的工控领域发展方向上来说，在开槽机的几种驱动来源上都是各自具有各自的优势，而且都在进一步的延伸发展，但是在控制方面来说，发展方向就是基于PLC的控制系统逐渐的代替基于继电器-接触器的控制系统。
本文也将第一次的尝试使用触摸屏做为控制送料开槽机的操控界面，并完成控制界面的画面设计、编写、仿真、模拟下载和连接。
本文的设计方法是在综合考虑开槽机的实际使用工况的条件下，进行总体的综合控制方案设计、简述抓手的运动创新设计、液压系统的整体设计、液压系统的综合模拟仿真、PLC的选型、PLC的整体编程、PLC的模拟仿真、触摸屏的选型、触摸屏的界面设计、触摸屏的模拟仿真等几个步骤完成。
实验设计主要是根据当前实验室的设备情况，充分利用有限条件，在能够更好的显示设计结果的前提下，完成液压控制系统的软件模拟仿真，PLC的编程、模拟下载和仿真以及触摸屏的画面软件模拟下载与仿真。
本文的主要目的是对当前的正在使用的开槽机的驱动系统和控制系统进行一次改进和优化升级。
第一章绪论
1.1开槽机概述
（1）开槽机的概念
开槽机是指能够自动切割、操作等动作的装置，一般用在自动化生产线、自动机的上下料、数控设备的自动换刀装置中。
开槽机一般由执行系统、驱动系统、控制系统和人工智能系统组成，主要完成切割等动作。
（2）开槽机的结构组成
开槽机主要有执行系统，驱动系统，控制系统和人工智能系统等四大部分组成，而每个部分又不是很严格的分割的，都有一些交互相容的地方。
①执行系统主要有圆柱坐标的机械本体，可以抓取和放松的开槽机臂，X轴的伸缩式结构和Y轴的升降式结构，Z轴的转动转盘结构等组成。
②驱动系统主要有液压系统控制回路，包括液压油箱，液压泵，压力控制阀，电磁换向阀，液压缸（包括伸缩式和旋转式）和液压管路等液压辅件。
③控制系统主要有PLC或单片机，控制面板（可以是一般按钮式操控面板或者是触摸屏式界面）和各种限位开关。
④人工智能系统主要包括基于人机工程学科的各种智能化设备，它们具有更加人性化的设计、结构的使用更加合理和操作方式简便易行等等。
1.2液压传动系统概述
（1）液压传动系统的概念
液压传动系统（简称液压系统）就是指液压传动回路，也就是由几种典型的液压基本回路组成的驱动回路。
主要是利用液压传动技术来完成驱动功能的。
而液压传动技术是指以流体（主要是液压油液）作为工作介质对液压泵输出的能量进行传递和控制的一种传动技术。
由于液压传动的介质主要来自于工业液压油，工程实现容易，和电力拖动和机械传动相比，液压传动具备输出力大，质量轻，惯性小，调速便利和容易控制等长处，所以在工程机械，修建机械和机床等设备上被普遍使用，这是实现工业自动化的重要手段。
（2）液压传动系统的优点
①液压元件可自由组合。
②液压设备（包括电磁阀，电气元件）和可编程控制器等控制器，易于组装成各中样式自动化机械。
③流量控制阀调整简便，可以实现无级调速。
④液压系统中装有溢流阀，可以保障系统安全，不会有过载的危险，减少系统的故障发生率。
1.3可编程控制器（PLC）概述
（1）可编程控制器（PLC）的概念
PLC是“专为在工业环境下应用而设计”的工业计算机，而且采用“面向用户的指令”即编程方便，功能强大。
目前，PLC的应用领域已经渗透到产业界的每个角落，包括机械制造、装卸、造纸、纺织、钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、汽车、建材、船舶、高层建筑、交通运输、食品、环保和娱乐等行业[5]。
（2）PLC的特点与分类
在当前工控领域，PLC已经是一种通用的工业自动化设备，不但满足了工业自动化的需求，而且还具备许多适合工业控制的独特优点。
①PLC的生产厂家在硬件和软件方面都采用了一些抗干扰措施，使得其抗干扰能力强，可靠性高。
②PLC产品多种多样，满足了用户的各种不同要求，适应性强，应用灵活。
③PLC的通信接口和扩展总线接口均已实现标准化，可以实现工业控制接口的方便连接。
④PLC采用梯形图语言编程，容易掌握和编写，并且各个生产厂家均已推出自己的编程软件和仿真软件，使得控制系统的设计，调试更加方便。
⑤PLC能够进行自诊断，使用和维修都很方便。
PLC产品的种类繁多，其规格和性能也各不相同。
按其硬件的结构大致形式可分为：
整体式、模块式和混合式。
而按照其控制规模（主要指输入/输出的点数）可分为：
微型（I/O总点数小于64）、小型（I/O总点数大于64小于256）、中型（I/O总点数大于256小于2048）和大型（I/O总点数大于2048）[5]。
一般地，微型和小型PLC采用整体式结构，即将所有电路安装于1个机箱内作为基本单元外，可以通过并行接口电路连接I/O扩展单元。
而中型以上的PLC多采用模块式结构。
（3）基于PLC控制的开槽机
现在开槽机已经普遍应用于自动化生产，总的趋势是采用PLC控制逐渐取代传统的体积大、易出故障的继电器-接触器控制。
基于PLC控制的开槽机，控制程序的梯形图编程方便灵活，可以完成各种规定的工序活动和动作控制，可以简化控制线路、节省成本、提高劳动生产率，使控制系统结构紧凑，控制可靠，并综合满足了在不同工作条件下对开槽机工作的稳定性、可靠性以及各种控制元器件连接的灵活性和方便性的要求[6]。
1.4人机界面（HMI）和触摸屏概述
（1）人机界面（HMI）的概念
人机界面（Human-MachineInterface,简写HMI，又称用户界面或使用者界面或人机接口）是人与机器之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是机器设备控制系统的重要组成部分。
（2）人机界面的功能
①过程可视化。
在人机界面上会显示动态的过程数据（即PLC现场实时采集的数据）。
②操作员对生产过程的控制。
生产过程可以由操作员来控制。
例如操作员可以在界面上修改系统的输入、输出参数，或者通过按钮来启动机器等。
③显示报警。
生产过程到达临界状态会自动触发报警，例如当变量超出设定值时或工作位置超出极限时。
④记录功能。
实时记录系统的过程值和报警信息，也可以查看以前的生产数据。
⑤生成生产过程数据和报警信息记录。
如可以在生产时查看某一项的具体数据。
⑥生产过程和设备的参数管理。
将生产过程和设备的参数存储在调配方案中，可以一次性将这些参数从人机界面下载到PLC，以便改变产品的品种[7]。
（3）人机界面的应用步骤
①根据生产要求选择合适的人机界面的类型，对监控画面进行组态。
②设置人机界面的通信功能，传输接口。
③将人机界面与PLC连接好，将项目文件编译和下载到人机界面里。
④进行调试和运行，并根据实际情况作进一步的修订。
（4）触摸屏的概念和特点
触摸屏（TouchScreen）又称为触控面板，是个可接收触头或按压等输入信号的感应式液晶显示装置。
当手指接触到了屏幕上的图形或输入框时，触控面板的组态程序由触觉反馈系统驱动。
它完全可以代替机械式的键盘按钮，并且由液晶显示画面制造出生动的视觉效果。
所以说触摸屏可以作为人机界面的显示器。
触摸屏不仅仅适用于多媒体信息查询和视觉感官直接的发展趋势，而且触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。
利用这种技术用户只要用手指轻轻地碰触摸显示屏上的图符或文字就能操作设备，从而使人机交互简单易操作，大大方便了那些不熟悉电脑的用户。
随着互联网时代的到来，触摸屏以其交互方式友好、易操作，等优点，使得愈来愈多控制系统设计师们感受到触摸屏的优越性[7]。
（5）触摸屏的工作原理和类型
为了在控制操作上的简单方便，人们逐渐用触摸屏来代替按钮或旋钮式的控制面板。
工作之前，我们要采用专门的组态软件进行触摸屏画面的设计和编译，主要是对各种操作对应的程序设置变量并把它与设备进行连接和通讯。
工作时，当手指接触触摸屏，系统会自动计算出手指的位置信息来定位选择信息输入，然后根据这个输入的信息进行相应的动作。
触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器两部分组成。
触摸检测部件是检测触摸的位置，手指与其接触被安装在显示器屏幕前面，当接受到信息后将信息送到触摸屏控制器；而触摸屏控制器的是接收触摸信息，经过算法将它转换成能够被CPU识别的坐标信息，CPU接受发来的命令并执行相应的响应。
触摸屏从技术原理可分为五种类型：
矢量压力传感技术触摸屏、电阻技术触摸屏、电容技术触摸屏、红外线技术触摸屏和表面声波技术触摸屏。
其中矢量压力传感技术触摸屏已经被淘汰；由于红外线技术触摸屏的价格很低，但其外框易碎，很容易产生光干扰，曲面条件下易失真，已退出市场；电容技术触摸屏的图像很容易失真也淘汰了；电阻技术触摸屏的虽定位准确，价格颇高，但很容易磨损坏掉；表面声波触摸屏的优点是解决了以往触摸屏的各种问题，响应灵敏且不容易被损坏，适于各种场合，缺点是受环境影响很大，屏幕表面如果有异物触摸屏的响应会不灵敏，甚至是失灵。
而按照触摸屏的工作原理和传输信息的条件，触摸屏又可以分为电阻式、电容感应式、红外线式以及表面声波式。
总的来说，每一种类型的触摸屏都各有优缺点，可根据触摸屏的工作原理与特点决定哪种场合要用哪种触摸屏。
1.5本文的主要研究工作
本文的主要研究工作是对一种液动开槽机的结构进行修改和优化，增加其使用性能和适用能力；对这种整体结构的开槽机进行液压系统的设计；对基于这种结构和液压驱动的开槽机进行PLC控制程序的设计；对开槽机的触摸屏的画面进行组态设计；利用对应的专用仿真软件工具对开槽机进行液压系统仿真、PLC编程仿真和触摸屏控制仿真。
具体研究的问题有：
（1）基于液压驱动的开槽机的液压系统回路设计，主要液压回路设计、液压组件的基本参数、选型，及系统模拟仿真；
（2）基于PLC控制的开槽机的PLC选型、程序设计、编程、模拟下载与连接及系统仿真；
（3）基于触摸屏的操控界面的选型、画面组态设计、编译、模拟下载与连接及画面仿真；
（4）基于液压驱动和PLC控制的送料开槽机的各个模块部分的连接及整体系统的连接，绘制整体系统的连接示意图。
第二章开槽机的总体控制方案设计
2.1开槽机的功能设计
快速、准确地夹紧—放松和搬运物件是机械手的基本要求。
液压驱动机械手具备以下特性：
高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度以及在任意工作位置都能自动定位。
液动机械手设计的要求是：
充分了解和分析产品的结构性能状况，设计出最合理的工作工序，并且满足系统功能要求和环境条件。
开槽机顾名思义就是完成材料的转送，但这里的材料不仅仅是指一种材料，而讲的是广义上的材料，所以它可以是某种设备的一部分，零件或是产品。
送料而不仅仅是送，还要考虑到送的过程中的许多问题，比如运行时的稳定性，可靠性，灵活性，通用性等等。
2.2开槽机的总体控制设计
2.2.1开槽机的工作过程
（1）确定完成的动作及顺序
送料开槽机为把工作台1上的物体或工件准确转送到工作台2上，需要以下几个动作：
①前移——当光电传感器检测到工作台1上有待转送的物体或工件时，此时工件前移，为工件后退做好准备。
②后退——当工件前移到前限位置时，触碰到限位开关，此时工件开始后退动作，为抓取工件做好准备。
③抓取工件并保持一定时间——当工件后退到达极限位置时，触碰到限位开关，抓手抓取工件并且夹紧定时。
④工件上升——当抓手抓取工件并保持到一定时间后，定时器动作使工件开始上升。
⑤工件右移——当工件上升到达极限位置同时，触碰到限位开关，此时工件右移。
⑥工件下移——当工件到极限位置时，触碰到限位开关，此时工件向下移动。
⑦放松工件并保持一定时间——当工件前移到达极限位置时，触碰到限位开关，此时抓手放松工件并且放松定时。
⑧工件左移——当工件放松到极限位置时，触碰到限位开关，此时工件左移。
2.2.2开槽机的控制界面方案
如前文中所述，根据当前工控领域的发展趋势以及人机工程学科和触摸屏使用技术的逐渐成熟，又充分考虑到送料开槽机的整体系统连接的简便与方便和可操作性，本文的送料开槽机的控制界面采用触摸屏式的控制界面。
2.3开槽机的抓手动作简述
其工作过程是：
（1）夹紧工件
当送料开槽机的手臂伸缩缸伸出到达极限位置时，控制送料开槽机的抓手结构动作的液压缸的三位四通电磁换向阀左位得电，抓手的小型液压缸的活塞向右方向运动，抓手连杆尾部张开，头部闭合，手指抓紧工件。
（2）放松工件
当手臂伸缩缸到达工作台2时，伸出到达极限位置，控制抓手的液压缸的三位四通电磁换向阀右位得电，抓手的小型液压缸的活塞向图中的左方向运动，抓手连杆尾部缩合，头部张开，手指放松工件。
第三章开槽机的PLC控制系统设计
3.1PLC控制系统设计的基本原则和设计步骤
3.1.1PLC控制系统设计的基本原则
PLC控制系统设计总体的设计原则是：
根据控制任务，在最大限度地满足生产机械或生产工艺对电气控制要求的前提下，运行稳定，安全可靠，经济实用，操作简单，维护方便。
在设计PLC控制系统时，设计要求如下：
（1）最大程度地实现被控对象提出的各项性能指标。
（2）使系统能够稳定运行。
（3）力求控制系统的简单简洁。
3.1.2PLC控制系统设计的设计步骤
PLC控制系统程序设计的基本内容可遵循以下五步进行：
（l）确定被控系统必须完成的动作及完成这些动作的循环顺序。
（2）配置输入输出设备，设备的输入、输出与对应的PLC信号想匹配，绘制PLC控制系统的外部I/O连接图。
（3）选择合适的PLC型号，设计出PLC控制程序并编写出梯形图或指令语句表。
梯形图必须是被控系统按照正确的顺序所要求的全部功能和相互关系。
（4）实现用编程软件对PLC的梯形图直接编程。
（5）对编译好的程序进行调试（模拟仿真和现场运行）。
3.3开槽机的PLC控制系统的硬件配置
3.3.1PLC控制系统的输入输出（I/O）设备及I/O点确定与分配
（1）输入设备
输入设备是用以产生输入控制信号的设备，PLC控制系统中主要有：
控制运行方式选择开关；急停、启动和停止按钮；手动运行操作方式下的各个手动开关；工作台1上的光电感应开关；各极限位置上的磁性限位开关；控制界面—触摸屏。
（2）I/O点的确定与分配
表3-1PLC控制系统的PLC的I/0编号分配表
输入点（端子）
按钮符号
初始状态
功能说明
X012
SA2-1
常开（或常闭）
手动操作运行方式
X013
SA2-2
常开（或常闭）
回原位操作运行方式
X014
SA2-3
常开（或常闭）
单步运行方式
X015
SA2-4
常开（或常闭）
单周期运行方式
X016
SA2-5
常开（或常闭）
连续循环运行方式
X017
SB1
常开
回原点启动按钮
X020
SB2
常开
启动按钮
X021
SB3
常开
停止按钮
X0
SQ1
常开
前限位开关
X1
SQ2
常开
后限位开关
X2
SQ3
常开
左限开关
X3
SQ4
常开
右限开关
X4
SQ5
常开
上限开关
X5
SQ6
常开
下限开关
X23
SQ7
常开
夹紧右限开关
X24
SQ8
常开
夹紧左限开关
X6
SQ9
常开
手动操作-前移
X025
SQ10
常开
手动操作-后移
X7
SQ11
常开
手动操作-左移
X026
SQ12
常开
手动操作-右移
X10
SB5
常开
手动操作-上移
X027
SB6
常开
手动操作—下移
X011
SB7
常开
手动操作—夹紧
X030
SB8
常开
手动操作—放松
X022
SB9
常开
急停
输出点（端子）
线圈符号
初始状态
功能说明
Y0
1YA
—
前进电磁阀
Y1
2YA
—
后退电磁阀
Y2
3YA
—
左行电磁阀
Y3
4YA
—
右行电磁阀
Y4
5YA
—
上升电磁阀
Y5
6YA
—
下降电磁阀
Y6
7YA
—
原点指示灯
Y7
8YA
—
夹紧电磁阀
Y020
9YA
—
放松电磁阀
Y10
10YA
—
自动运行指示灯
Y11
11YA
—
急停指示灯
Y12
12YA
—
回原点操作指示灯
Y13
13YA
+
手动运行指示灯
Y14
14YA
—
单步运行指示灯
Y15
15YA
—
升级会员 