基于PLC的钻床加工控制系统设计 毕业设计论文.docx
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基于PLC的钻床加工控制系统设计毕业设计论文
基于PLC的钻床加工控制系统设计毕业设计（论文）
基于PLC的钻床加工控制系统设计
摘要
本文的重点是阐述了机械零部件在钻床加工中与电气控制系统PLC进一步的升级从而让钻床更加快速有效的工作。
重中之重是对那些过去普遍使用过时了的继电器控制线路老化问题、可靠性问题和故障排除复杂等问题进行控制系统改造。
所以，此次设计对大钻头和小钻头钻床电气控制系统的进一步优化，是利用把PLC控制技术融合到优化改进方案里面去，用来提升大、小钻头钻床的工作性能。
大、小钻头钻床主要是用计算机来进行控制，管理，监视主机，应用可编程控制器西门子系列PLCS7-200为控制器，设计大、小两个钻头和旋转工作台，上位机是用组态王6.55软件完成PC和PLC之间的相互数据通信。
研究了大、小钻头钻床控制系统的控制方法，得到了大、小钻头钻床控控制系统的运行指标，提高了大、小钻头钻床控制系统运行的效率。
关键词：
大、小钻头钻床，PLC，组态
DesignofControlSystemforDrillingMachineProcessingBasedonPLC
ABSTRACT
ThispapermainlystudiesthemechanicalpartsprocessingdrillingmachineelectriccontrolsystemofthePLC,mainlytothetraditionalrelaycontrolcircuitagingproblem,thereliabilityandfaultexclusionofcomplexcontrolsystemtransformation.Therefore,thedesignofbigorsmalldrillelectriccontrolsystemtransformationof,willPLCcontroltechnologyisappliedtothetransformationoftheprogram,inordertoimprovetheperformanceofduplexdrill.Duplexdrillusedincomputerasthecontrol,management,monitoringhost,theprogrammablecontrollerofSiemensseriesS7-200asthemaincontroller,designsizetwodrillsandrotaryworktable,PCusingKingview6.55tocompletedatacommunicationbetweencomputerandPLC.Inthispaper,westudythebigorsmalldrillingmachinecontrolsystemcontrolstrategy, bigorsmallheadeddrillingmachinecontrolsystemperformance,improvethebigorsmalldrillingmachinecontrolsystemoperationefficiency.Accordingtothebigorsmalldrillingmachinecontrolsystemfunctionimplementationrequirementsandselectionofmotorandmotordrive,andgivestheblockdiagramofthesystemandtheequipmentcircuitwiringdiagram.
KEYWORDS:
Bigorsmall DrillingMachine,PLC,KingView
目 录
前 言
大、小钻头钻床是大部分工厂里普遍使用的金属切削机床，它的功能很强大，可以进行很多的各种各样种类形式的加工，如：
钻孔、镗孔、铰孔及螺纹等。
但是从控制方面来说的话，它是需要有机、电、液压等等一些系统之间的相互合作来完成不同的工作，另外，还需要有时间上的控制。
就如目前的情况来说，我国的大、小钻头钻床的电气控制系统大部分应用的都是比较老旧的继电器—接触器控制的方式。
就是说它自身所要进行控制的电机比较多所以说它的内部电路也是不简单的，在平常的生产和作业中，频繁的发生电气故障，从而就对工厂的生产形成了影响。
但PLC电气控制系统是可以有效的有针对性的弥补上述所说系统的这一个缺陷。
PLC是从传统的继电器逻辑电气控制系统发展所形成的，对于微型计算机的控制技术来说，PLC一直秉持取其精华的优点，它的功能慢慢的一点点的变强大，而后逐步契合越来越复杂的电气控制系统。
PLC之所以有着无与伦比的生命力和延续，是在于它紧跟时代的步伐，更加契合工业现场以及当前市场的需求，可靠性能高，抵挡干扰的能力也很是强大、编写程序语言非常容易、价格低廉、寿命长。
在拥有这些优点之外，它的输入/输出端口不需增添其它的中间零部件就可以进行工作。
缩小了用户的开发时间与生产成本。
所以现在的PLC大都可靠性能高、组态界面灵活、运行速度快、编写程序容易方便、初学者也很容易上手学会。
我们所知道的PLC电气控制系统的这样多的优点，而这一次对于大、小钻头钻床的电气控制系统的改造升级，我特意挑选了以PLC为此次设计控制的核心，这样设计的话不仅大大提高了大、小钻头钻床控制这个设计开始进行工作时的稳定性，也为当前工业生产的现代化带来了的不同的思路和想法。
而此次监控组态的软件是在计算机的显示屏上面来模拟全部的钻床工作过程操作。
第1章绪论
1.1课题国内外发展状态
所谓钻床就是在不同的零部件上面进行各种孔的加工来满足不同的工业需求的机床，就像钻孔、扩孔、绞孔等都是类似的。
在20世纪70年代初，不同的国家钻床的控制却都是用继电器逻辑控制的形式来实现其任务所要求的功能。
在使用了很大数量的中间继电器、时间继电器、行程开关等诸如此类的控制方式的电气系统以后，就难免使得系统有了如下所说的很多的问题[1]。
鉴于我们国内机床行业市场的巨大的潜在市场需求，吸引了全球范围内著名的机床公司进入国内机床市场，其中主要的15家机床企业在国内的投资都占到了机床行业资金总量的69%[2]。
国外企的先进的管理理念和机床控制系统研发技术对我们国内的机床行业标准的发展提供了强度的支持，一批批新的机床企业也都得到空前的发展。
目前建筑行业的需求的机床控制系统，大部分都能国内企业自主生产，甚至一些企业的控制系统还出口到了非洲、拉丁美洲等地区。
我们国家的企业在引入了ISO以来，提高了制造机床控制系统的标准，快速的使国内的机床制造技术居于世界的前列。
大、小钻头钻床是一个很复杂的系统它包含了众多领域，其中有机械，机电，电气，土木等领域，所以研究大、小钻头钻床也就成为一个重要的问题[3]，它的安全性可靠性舒适性维护成本，维护时间等就成了要解决的问题，但是PLC出现了，它的出现完美的解决了这所有的问题，PLC它不仅仅拥有可靠性高的优点而且它的安全性能也是相当的稳定有保障，维护起来非常方便，成本造价低廉，让其成为当今控制行业的发展方向[4]。
大、小钻头钻床控制系统是非常复杂的，PLC的出现为大、小钻头钻床控制系统技术的进步提供了很大的帮助。
而可编程控制器它是专门用来研发和用来控制工业设备中的电子装置，随着电子技术的升级，PLC的体积变小，功能方面也是愈来愈强大，对于大、小钻头钻床进行控制的过程也是比之前那些系统平稳的许多，并且能够把机械部件和有序的安装在一起，因此已经成为大、小钻头钻床控制系统中一个非常关键的部件了。
总而言之，我国关于这方面的技术的发展蒸蒸日上，仍有很大的潜力值。
并将汲取国外优秀的技术不断进行创新发展自己。
1.2课题研究目的及意义
大、小钻头钻床的控制系统的主要的控制器主要是有继电器逻辑电路，可编程控制器控制及计算机。
而可编程控制器它实际上是一类专门用于工业控制的计算机，是根据不同用户编制的程序利用循环扫描去处理各个需求以及控制功能[5]。
并且由于可编程控制内部有类似于继电器线圈的触点，实际上比继电器更加有优越性，比继电器的运行时间更长，工作更加可靠。
所以对于大、小钻头钻床控制系统的改进升级我决定采用可编程控制器。
为了拥有更为优化的控制方案，就一定要打破之前那些老旧的钻床存在的那些有瑕疵的地方。
若想要实现对传统的老旧的钻床的自动化的完善改进，就不得不通过升级老旧的传统的钻床的机械结构去实现。
我这一次进行构思的设计是西门子系列PLC和组态王组态软件在大、小钻头钻床控制系统中的应用，进而使大、小两个钻头的钻床可以根据任务书要求自动的完成钻孔所有过程。
用组态王组态软件对上位机执行监控软件组态，从而实现了对操作加工现场的实时监控，实时模拟等具有Windows格调的动态性的操作画面。
通过这一系列的PLC和组态软件的紧密有效的结合使钻床加工控制系统大幅度其便利性、可靠性。
1.3设计内容及安排
本文以大、小钻头钻床电控系统作为研究的主要内容，通过分析大、小钻头钻床的要求，对电气控制系统进行了硬件选型和软件设计，随后根据设计要求特意挑选了西门子S7-200型号PLC来做为此次设计编写去完成控制程序，用组态王6.55画出并调试好画面，成功的调试出上位机的监控画面，实现了在大、小钻头钻床工作时的动画，并且能够在组态王上面对大、小钻头钻床操作，对硬件进行了电路图设计和硬件选型。
试验结果表明该系统能够对大、小钻头钻床进行操作，效果比较好。
章节划分如下：
第1章主要是对智能化的立体性车库研究的一些背景及意见进行了介绍，系统阐述了大、小钻头钻床在国内外的发展现状；
第2章简单的介绍了PLC的工作原理特性等；
第3章是重点介绍了PLC是如何逐步的发展进步的及这次设计的系统硬件的设计；
第4章具体的写了大、小钻头钻床的软件的设计，编写了梯形图，包括PLC的选型是如何的等其它方面；
第5章主要展示了组态的设计、联机调试、仿真结果。
第2章PLC工作原理和特性简介
2.1PLC工作原理
可靠性好的微机虽然有多种功能，但是非常的不耐干扰，具体环境下的加工器械的电磁干扰、电路中的电压电流的波动、生产制造中机械的振动、季节性的高低温度差和地域性的湿度的变化，都不可避免的让普通的微机不能正常稳定的完成工作任务。
但是PLC在电路、机械、软件等部分都汲取了厂家在具体实际环境中碰到的各种干扰因素的经验。
核心部分都应用了大规模的集成电路，将大部分的原件添加到电路中去完成抵抗干扰等问题。
I/O系统的设计有齐全的通道庇护以及信号调理电路，在结构中对不同的常见的干扰性的问题加以过滤、抵消。
而在硬件上面采取了一系列的抵抗干扰举措像隔绝、障蔽、滤波、接地等。
在软件上面挑选使用数字滤波等抵挡干扰以及窒碍诊断这样的举措。
以上全部的工作都是为了让PLC具备强大的抗干扰能力所做出的努力。
PLC在上千天以上的时间内都能够稳定运行，这些奠定了PLC的重要地位，它也拥有着一般的微机所没有的工作效率。
虽然说继电器接触器这样的控制系统即使与其它控制系统来比较有着比较好的抵挡不同的干扰的能力。
但是它的机械接触点在数量方面比较大，所以这样的系统它的设备连线也比较复杂，接触点在打开和关闭的时候易遭到电弧的伤害导致其寿命不长、系统的可依赖性也非常差。
但PLC是选用的微电子方面的技术，很多的开关触点是用没有任何损害的电子存储单元来实现功能，这样就大大的提高了系统可靠性，因而现在的继电器正一点点的被PLC的各种电子元件所更新换代。
PLC及周边的衍生品繁多，可以用不同的组件来自由选择搭配不同规格以及要求的系统。
在PLC所构成的像这样的控制系统方面，我们在PLC的不同端子上接上相对应的输入以及输出的信号线就等于完成任务了，并不需要继电器镇及流器之类的可靠性能低且有要求相当大量又繁琐的物理接线的电路。
如果变换了控制要求的时候，可以直接在线对程序进行修改，比如同一个PLC产品用来对不同的对象进行控制或者相同对象不同控制要求来进行控制，只要修改输入输出模块以及更改软件[6]。
PLC的输入以及输出可以直接与交流电压220V、直流电压24V等那些强电连接，它们有很强的带负载能力。
与此作比较来看继电器等那些个繁琐复杂的线路就没有了它所谓的优点。
如此简单的系统结构以及高度兼容的通用性无可比拟。
2.2PLC的特性
PLC是面向用户的容易上手的设备，PLC的相关的研发人员很细致的考虑到了实际的操作人员的技术能力。
PLC程序的完成，是应用梯形图或面对工业控制的相对来说并不复杂的指令形式。
梯形图是和继电器的原理图差不多一样的，像这种编程看起来较直白，不用花费很大精力就可以学会，甚至没有专门的专业的计算机知识及语言也没什么问题。
只要是具有一定基础的电工和工艺知识的人员全都可以在很短时间内学成功。
体积小，维持掌握方便。
PLC体量相当小，重量也是非常轻便，安装既省时又省力。
PLC的输入和输出系统既能够很直白地反映出现场信号的不一样的变化状态，还可以应用不一样的方法直白地反映出控制系统的运行功能，就像内部工作、通信、I/O点、异常以及电源等方面的状态等[7]。
对这些都有醒目的指示，有助于操作以及保养人员对它进行测试及修理。
第3章钻床系统硬件设计
3.1钻床控制系统要求
3.1.1工作要求
在刚开始进行工作的时候大、小钻头是在最上面的地方，在这个时候限位开关I0.3以及I0.5为ON的状态。
当操作人员把工件在钻头下方放置好以后，按下启动按钮SB1（I0.0），此时工件就会被两端夹紧，夹紧后此时压力继电器是呈现ON的状态，这个时候大、小两个钻头同时开始向下进给。
当大的钻头执行指令向下钻到任务所设定的深度SQ1时，大钻头又执行上升命令，在上升到指定地方的起始位置SQ2的时候停止上行。
与上面大钻头工作步骤类似，小的钻头钻到任务所设定的深度SQ3的时候，钻头执行上升指令，当升到设定地点的原来的开始的位置SQ4的时候停止上升。
大、小钻头都停止并且到达起始位置后，此时零件旋转120度，旋转到位时SQ5为ON的状态，这时接着开始钻第二对孔。
三对孔都完好的钻完后，工部件立刻松开，松开到位时，所对照的限位开关SQ6就变为停止状态，系统重新变为最开始的模式。
钻床加工示意图如图3-1所示。
图3-1钻床加工示意图
3.1.2工作方式及功能
（1）具有手动和自动运行两种工作方式，这样就能够更加有效合理的进行操作，也可以防止系统会出现某些问题而导致大、小钻头钻床不能够正常的运行。
（2）具有急停功能，防止系统的突发状况造成损失等。
3.2PLC选型
根据这一次设计的控制任务的要求可以很清楚的了解，总共要有17个输入的端口。
手动时：
大钻头上升、大钻头下升、小钻头上升、小钻头下升、零件夹紧、零件放松、旋转。
手动以及自动之间的相互转换。
不同的限位开关，（自动时：
大钻头上升到位、大钻头下降到位、小钻头上升到位、小钻头下降到位、已经夹紧、已经放松、旋转到位），停止，起动。
设计需要有8个输出的端口，它们分别是原点灯、大钻头上升、大钻头下降、小钻头上升、小钻头下降、零部件夹紧、零部件放松、零部件旋转。
通过比较，对照西门子PLC的型号就能够知道，CPU226机型可满足大、小钻头钻床控制系统的所有要求。
本设计选西门子S7-200系列CPU226机型作为这一次设计的主控CPU。
3.3I/O地址分配
根据所描述的I/O点数以及结合PLC的实际的情况以及本次设计任务书的主要要求，对I/O地址做了详尽的分配。
设计里面包括按钮10个，行程开关7个，一共17个输入；接触器5个，原位指示灯1个，电磁阀2个，一共8个输出。
I/O地址分配如表3-1所示。
表3-1I/O地址分配表
输入
输出
启动按钮
I0.0
原位指示灯
Q0.0
停止按钮
I0.1
大钻上升动作KM1
Q0.1
SQ1
I0.2
大钻下降动作KM2
Q0.2
SQ2
I0.3
小钻上升动作KM3
Q0.3
SQ3
I0.4
小钻下降动作KM4
Q0.4
SQ4
I0.5
夹紧动作YV1
Q0.5
SQ5
I0.6
放松动作YV2
Q0.6
SQ6
I0.7
旋转动作KM5
Q0.7
夹紧限位
I1.0
手自动切换按钮
I1.1
手动大钻上按钮
I1.2
手动大钻下按钮
I1.3
手动小钻上按钮
I1.4
手动小钻下按钮
I1.5
手动夹紧按钮
I1.6
手动放松按钮
I1.7
手动旋转按钮
I2.0
3.4PLC外部接线图
根据大、小钻头钻床的控制系统的控制方面的各种要求及表3-1的I/O地址的分配，可画出系统的外部的接线图如图3-2所示。
图3-2PLC外部接线图
3.5主电路图
大钻头和小钻头它们是由2台三相异步电动机进行拖动，由异步电动机的正反转去进行大、小钻头的上升、下降控制，旋转主要由第3台电动机执行命令进行带动，夹紧放松主要是由电磁阀执行指令带动。
限位开关全部都均为霍尔接近开关。
熔断器保护三个电动机不短路。
热继电器FR1、FR2、FR3是为了预防电动机变的太热被损坏，分别为电动机提供了电源断相和过载保护[8]。
当工件在初始的地方的时候原位指示灯实现功能变亮。
如图3-3所示。
图3-3主电路原理图
第4章钻床系统软件设计
4.1钻床控制系统分析
本设计我选择了两种工作方式，一为自动，二为手动。
主要是为了防止程序出故障可以更好的调整。
运行之前大、小两个钻头是在初始位置，在这个时候限位开关I0.3以及I0.5为ON的状态。
此时整台钻床是呈现未送电的状态。
当操作人员把需要加工的零部件在钻头下方放置好以后，按下启动按钮SB1（I0.0），此时工件就会被钻床两端所夹紧，夹紧后此时压力继电器是呈现ON的状态，这个时候大、小两个钻头同时开始向下进给来执行任务指令。
当大钻头执行任务的指令钻到任务所设定的深度SQ1时，钻头就开始执行上升的命令，在上升到指定地方的起始位置SQ2的时候就可以停止上行。
与上面大钻头工作步骤类似，小的钻头钻到任务所设定的深度SQ3的时候，钻头执行上升指令，当升到设定地点的原来的开始的位置SQ4的时候停止上升。
大、小钻头都停止并且到达起始位置后，此时零件旋转120度，旋转到位时SQ5为ON的状态，这时接着开始钻第二对孔，工作流程同第一对孔一样。
三对孔都完好的钻完后，工部件立刻松开，松开到位时，所对照的限位开关SQ6就变为停止状态。
操作人员按下停止或者手动停止的按钮后，程序不再运行回到原来的初始状态。
本设计的目的是使钻床自动或者手动的完成如下的工作循环：
送料——加紧——大、小钻头开始钻孔——大、小钻头上升到原始位置——被加工零部件旋转——钻第2对孔——被加工零部件旋转——钻第3对孔——松开零部件——完成。
根据任务要求所画出总的流程图如图4-1所示。
图4-1流程图
4.2钻头钻床梯形图程序的设计
根据任务要求，我设计了两种工作方式，一为手动，二为自动。
也就是说可以直接定义开始按钮进行自动运行，也可以手动操作开关进行控制。
梯形图也由此为基础进行编写。
第一种方式在组态王上位机界面上面按下启动按钮M0.0闭合，此时M12.0得电并且自锁。
第二种方式在下位机上关闭开关I0.0，这个时候M12.0也得电自锁。
程序一开始上电后，将M10.0的十个步进位复位，将限位开关的10个内存点复位，如果按下停止或者外部停止按钮，也执行复位操作。
启动以及停止程序如图4-2所示。
系统初始状态，大、小钻头钻床处于原始位置，此时M0.3和M0.5检测到有信号，原位指示灯点亮。
当按下启动（I0.0）、自动按钮之后，继电器M10.0得电，系统就开始运行了，如果钻头在原始位置则先执行夹紧动作，工件夹紧后M10.1得电，限位开关I0.3和I0.5得电，此时大、小钻头开始执行下降指令，此时计数器计数一次。
然后在程序中将M0.3和M0.5限位内存点复位。
梯形图如图4-3所示。
小钻头和大钻头一样开始执行下降程序，如果下降到位，则看大钻是否下降到位。
若是大、小两个钻头都下降到限定位置SQ1以及SQ2的话，即将M0.2和M0.4置1，即I0.2以及I0.4置1，大、小钻头就开始执行上行的程序语言命令。
梯形图如图4-4所示。
若大、小钻头上升到位，即将M0.3和M0.5置1，即I0.3以及I0.5置1。
此时工件就开始执行旋转指令，旋转一百二十度，开始钻第二对孔。
大、小两个钻头重新开始执行下降指令。
具体操作如第一对孔一样，一共需要旋转两次，这样1个工件就制作成功。
梯形图如图4-5所示。
图4-2启动急停程序
图4-3夹紧程序
图4-4下降和上升动作程序
图4-5旋转程序
4.3PLC总梯形图
根据任务书要求以及总体的设计思路，外部接线输入输出口是需要有17个输入口8个输出口。
经过谨慎的考虑，我选择了西门子S7-200系列PLC，它可以满足非常多样的自动化程序的设计。
价格平民化的同时指令系统强大。
满足小规模小成本的控制要求[9]。
与此次设计相符合。
编写总的梯形图如图4-6
（1）
（2）（3）所示。
图4-6总梯形图
（1）
图4-6总梯形图
（2）
图4-6总梯形图（3）
4.4PLC指令表
由梯形图可以写出以下程序指令表。
LD
M0.0
=
M10.0
O
I0.0
TON
T38,20
O
M12.0
R
M1.1
AN
M0.1
LD
M10.0
AN
I0.1
A
T38
=
M12.0
O
M10.1
LD
SM0.1
AN
M10.3
O
M0.1
=
M10.1
O
I0.1
R
M0.3,1
R
M10.0,10
R
M0.6,1
R
M0.2,10
LD
M10.1
LD
M12.0
A
M0.2
A
M1.1
LD
M10.1
A
M0.3
A
I0.2
A
M0.5
OLD
LD
M12.0
O
M10.3
A
I1.1
AN
M10.5
A
I0.3
=
M10.3
A
I0.5
R
M0.2,1
OLD
LD
M10.3
O
M10.0
A
M0.3
LD
M10.7
LD
M10.3
A
M0.6
A
I0.3
LD
M10.7
OLD
A
I0.6
O
M10.5
OLD
AN
M10.7
AN
C0
=
M10.5
OLD
LD
M10.0
AN
M10.2
A
T38
O
M10.2
LD
M11.0
升级会员 