plc铣床设计.docx

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plc铣床设计

课

程

计

设

学校：

洛阳理工学院

系别：

电气工程与自动化系

专业：

电气自动化技术

姓名：

xxx

PLC三面铣组合机床及控制系统的课程设计

前言

随着时代的发展，科技在发生着日新月异的变化，这就体现在科学技术的发展。

应用组合机床加工大批量零件，快捷高效，生产效率高是机械加工的发展方向。

本次设计任务是把PLC应用在组合机床中实现自动化控制的加工工艺、组合机床工序的工装设计、控制系统设计、PLC的程序设计。

　　在工艺制定过程中，通过生产批量的分析确定组合机床结合件的加工方案，并寻求最佳的工艺方案，借此说明了工艺在生产过程中的重要性；在三面铣组合机床的工装设计过程中，结合实例，介绍了铣刀设计方法，特别是对毛坯工件的加工精度进行了探讨；在PLC控制系统设计过程中，以三面铣组合机床为对象，依据机床系统设计的基本原理，拟出合理的组合机床系统图。

通过系统主要参数的计算确定了铣刀及其他元件的规格；在组合机床设计过程中，结合具体实例和设计经验,阐述了通用件（如编程器，铣刀等）的选取及专用部件（如机床）的设计计算。

一、目录

二、一、课程设计的目的……………………………3

二、课程设计的内容概述………………………3

（一）三面铣组组合机床的控制概述

三、

（二）三面铣组合机床的控制要求

四、（三）设计的任务及要求

三、具体设计……………………………………8

（一）控制系统的设计

五、1、PLC的选取

六、

（二）硬件设计

七、1系统主电路的设计

八、2系统控制回路的设计

九、（三）软件的设计

有语句表和梯形图

一十、四、课程设计的心得体会………………………24

五、参考文献………………………26

一十一、课程设计的目的

1．进一步巩固本课程所学知识；

2．掌握一般生产机械PLC控制系统的设计与调试方

法；

3．掌握一般生产机械电气线路的施工设计；

4．培养查阅图书资料、工具书的能力；

5．培养工程绘图、书写技术报告的能力。

二、课程设计的内容概述

（一）三面铣组合机床概述

1.1基本结构

三面铣组合机床主要由底座、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。

1.2机械动力滑台

机械动力滑台由滑台、滑座和双电机（快速及进给电机）传动装置三部分组成。

快速进给电动机用来拖动滑台快进和快退运动，工进电动机拖动滑台工作进给运动，在工进时，只允许工进电机单独工作，快速进给电机由制动器制动。

滑台的自动工作循环是靠传动装置将动力传递给丝杠来实现的。

1.3工件的加工过程

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。

加工工件的示意图如图1-1所示。

1.4三面铣组合机床的加工过程

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。

工件夹紧后压力继电器动作，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。

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。

（二）三面铣组合机床的控制要求

2.1组合机床的介绍

组合机床是一种在制造领域中用途广泛的半自动专用机床，由通用部件（如动力头、动力滑台、床身立柱等）和专用部件（如专用动力箱、专用夹具等）组成。

这种机床既可以单机使用，也可以多机配套组成加工自动线，用于大批量机械产品的高效自动化生产，如汽车零部件制造中的许多生产线三面钻组合机床由三个液压动力滑台和液压传动的工作台组成。

左、右动力头和后动力头分别由其主轴电机拖动，左、右动力头滑台和后动力滑台由液压缸驱动前进或后退。

工件通过液压夹具安装在工作台上。

左、右动力头和后动力头同时工作、依次工作或选择其中任意一个滑台进行一轮自动加工循环。

2.2三面铣组合机床控制系统现状分析

目前，三面铣组合机床动力滑台及夹紧机构的控制传统上普遍采用液压结合电气控制，电气控制采用传统的继电器（RLC）硬布线逻辑控制。

这种控制方式具有很大的局限性即一种控制系统只能控制特定的对象。

当控制对象变化时需要重新设计、重新布线；另外，这种控制系统可靠性差，需经常维修。

而可编程控制器（PIE）是工业控制当中的通用设备，当控制对象变化，只需改变程序软件就能满足控制要求同时，PLC相对于RLC具有可靠性高、抗干扰能力强、性能价格比高、硬件配套齐全，适应性强、用户使用方便等优势。

因此，随着近年来数控技术、电子技术、计算机技术等的发展，在三面铣组合机床的控制系统中用PIE代替传统的RLC是必然的趋势。

三、具体设计

3.1控制系统的设计

3.1．1PLC的选取

由于PLC的品种、型号、规格、功能各不相同，综合多种因素考虑，本控制系统的主控设备选用西门子公司的s7—200系列小型可编程序控制器。

s7—200型是一个小型模块化的PIE系统，它能满足中等性能要求的应用，具有功能完善、结构紧凑、使用方便、易于掌握、性价比高等特点。

并且具有多种功能模块和人机界面可供选择，可以很容易地组成PLC网络，它同时具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，非常适用于本系统。

3.2硬件设计

3.2.1系统主电路的设计

控制系统的主电路主要由刀开关、熔断器、接触器的主触点、热继电器的热元件和电动机构成。

对于三面铣组合机床来说，机床上有四台电动机：

液压泵电动机M1（对整个系统提供油液）、左刀具电动机M2、右刀具电动机M3、后刀具电动机M4（对工件进行钻孔加工）。

各电动机的控制如下：

液压泵电动机Ml由接触器KM1控制左动力头电动机M2由接触器KM2控制；右动力头电动机M3由接触器KM3控制；后动力头电动机M4由接触器KM4控制。

四台电动机功率不是很大，启动电流不大，无须采用降压启动，同时也无正反转要求，均为直接起动，单向旋转。

图1为三面钻组合机床控制系统的主电路图。

3.2.2系统控制回路的设计

PLC控制系统中的控制回路，是指由继电器、接触器等低压电器构成的强电控制回路。

在常见的控制系统中，控制回路一般有AC220V与DC24V两种。

具体设计步骤如下：

a）控制系统的I／O点数的确定

对三面钻组合机床的要求进行分析，可以确定的输入/输出量有：

液压泵启动／停止按钮、系统启动按钮、工件夹紧/放松按钮、工作台前进／后退点动按钮、滑台前进／后退点动按钮、动力头电机启动／停止按钮、急停按钮、手动／自动选择开关、自动工作模式选择开关、滑台选择开关、工作台选择开关以及各执行元件的位置检测行程开关等输入量。

四个电机的接触器线圈、工作台前进／后退电磁阀、夹具夹紧电磁阀、左右后滑台的快进／工进／快退电磁阀、指示灯等输出量。

具体分配如表1所示。

表1三面铣组合机床部分I/O定义表

液压泵启动按钮SB11四电动机接触器线圈KMI～KM4

液压泵停止按钮SB22工作台前进电磁阀YA1

系统启。

动按钮SB33工作台后退电磁阀YA2

液压夹具夹紧按钮SB44夹具夹紧电磁阀YA3

液压夹具松开按钮SB55左滑台快进电磁阀YA

6主轴电机启动按钮SB66左滑台工进电磁阀YA5

7主轴电机停止按钮SB77左滑台快退电磁阀YA6

8工作台前进点动按钮SB88右滑台快进电磁阀YA7

9工作台后退点动按钮SB99右滑台工进电磁阀YA8

10滑台前进点动按钮SB1010右滑台后退电磁阀YA9

b）中央处理单元和扩展单元

图2PLC系统配置

从上表的分析可以知道，系统共有开关量输入点38个，开关输出点19个；无模拟量的输入和输出点，因此可以选择CPU224PLC作为主机单元。

参照西门子s7—200产品目录及市场实际价格，选用主机为CPU224（14输人／10输出）一台，加上一台纯输入模块EM221（16DC输入），一

台混合扩展模块EM223（8DC输入／8继电器输出）和一台混合扩展模块EM223（4DC输入／4DC输出）。

这样的配置是最经济的。

整个PLC系统的配置如图2所示。

c）确定PLC输入／输出

PLC输入／输出回路设计非常简单，只是按照系统的要求与模块的I／O情况，对各模块的I／O点进行功能分配与相对均匀的分配而已，这些分配不仅需要考虑PLC的负载均匀，而且同时要求考虑PLC程序设计方面的需要因此，在三面钻组合机床I／O点的确定以及PLC选型完成后，便可以分配I／O点，然后确定出PLc输入／输出回路O点分配情况如表2和3所示。

其中，选择开关SA2打到13．0时为同时工作模式，打到I3．1为选择工作模式，都断开时表示为顺序工作模式。

选择开关SA3都断开时表示滑台全选，SA4都断开时表示主轴电机全选。

这样的选择有利于节省点数。

表2部分输入点分配

SBI液压泵启动l0．0SA4主轴电机选择（右）I4．

SB2液压泵停止10．1SA4主轴电机选择（后）I4．

SB3系统启动10．2SQl左快进结束行程开关I3．

SB4夹具夹紧10．4SQ2左工进结束行程开关I3．

SB5夹具松开10．5s93左原位行程开关13．

SB6主轴电机启动10．6SQ4右快进结束行程开关I2．

SB7主轴电机停止IO．7SQ5右工进结束行程开关I2．

SB8工作台前进点动I1．0SQ6右原位行程开关12．

SB9工作台后退点动l1．1SQ7后快进结束行程开关I2．

SB10滑台前进点动II．2sQ8后工进结束行程开关I2．

表3输出点分配

KM1液压泵电机Qo．0YA7右滑台快进电磁阀Q2．

KM2左主轴电机Q0．1YA8右滑台工进电磁阀Q2．

KM3右主轴电机Q0．2YA9右滑台快退电磁阀Q2．

KM4后主轴电机Q0．3YA10后滑台快进电磁阀Q2．

YAI工作台前进电磁阀QO．4YA11后滑台工进电磁阀Q2．

YA2工作台后退电磁阀Qo．5YA12后滑台快退电磁阀Q2．

YA3液压夹具电磁阀Qo．6HL1系统压力正常指示灯Q2．

YA4左滑台快进电磁阀QO．7H夹紧压力正常指示灯Q2．

YA5左滑台工进电磁阀Q1．0HL3报警指示灯Q3．

YA6左滑台快退电磁阀Q1．1

在分配好I／O点后，便可以连接PLC输入／输出回路。

3.3软件设计

三面铣组合机床的控制是比较复杂的，要满足多位置、多控制的要求。

但是其运行还是有规律可循的，它总是按照一定的程序性，重复地进行动作，循环过程为：

夹紧一工作台前进一滑台快进一工进一滑台快退一工作台后退一放松。

由三面铣组合机床的控制要求可知，该控制系统需要实现3个控制功能：

①执行元件的点动、复位控制；

②动力滑台的单机自动循环控制；

③整机全自动工作循环控制。

由此可首先设计出该组合机床的顺序功能图，再由顺序功能图最终设计出符合要求的控制梯形图。

分析三面铣组合机床的加工过程，可知系统的工作条件是在液压泵启动且系统压力达到指定值后，执行元件才能工作，这就相当于整个系统的启停控制，而设备有“自动／手动”两种工作方式，其控制程序由系统主程序、“自动”控制程序、“手动”控制程序三个模块组成。

各模块程序分开编写，结构简单，层次清楚，便于调试和修改。

下面就以系统主程序为例，说明程序的设计。

18LDTO

19SETLDTO

20STLS21

21OUTY000

22OUTY001

23OUTTID0

24LDT1

25sETS22

26STL

27OUTYO01

28OUTTODO

29LDTO

30sETs23

31sTLs23

32OUTY001

33OUTY002

34OUTT1D1

35LDT1

36SETS24

37OUTY002

38LDT1

39OUTTOD0

40LDT0

41SET$25

42sTLs25

43OUTY002

44OUTY000

45OUTT1D0

46LDT1

47OUTSO

48RET

49END

程序图

注：

上图为梯形图。

从左到右的电器原件一次为；M0.0、　M0.1Q0.0、　Q0.0、　Q0.0、　M4.3、　Q2.6、　M2.2、　M2.5M2.7、　M3.4、　Q0.1、　Q0.2、　Q0.3、　Q0.6、　M7.0M1.5、　SM0.1、　M1.5、　M1.4、　EN、　M1.5、　M1.4EN、　M0.3、　Q3.0、　M4.5、　M4.6、　M4.7

如图3所示。

当按下液压泵启动按钮10．0时，液压泵电机启动，系统压力逐渐升高，直到达到工作要求时，压力继电器I4．3（ON），指示灯Q2．6亮，当夹紧压力继电器I4．4

（ON），指示灯Q2．7亮，当4个电机过载时，指示灯Q3．O亮。

系统主程序包含系统的起、停控制和指示灯等部分。

本程序经模拟调试，完全符合三面铣组合机床的电气控制要求，使用效果良好。

在使用过程中，还可以根据不同的控制要求，在不改动接线或改动很少的情况下，通过改变程序来实现不同要求，大大节省了安装调试时间，提高了效率。

四、课程设计心得体会

步进电动机用PLC控制通电脉冲，硬件接线简单，程序编制也很容易。

如要实现步进电动机的反转只要改变电动机的通电顺序即可采用PLC直接控制步进电机技，减少了系统设计的工作量，大大缩短了开发研制周期定范围内，有较高的推广和实用价值。

本文在对三面铣组合机床控制系统现状分析的基础上，提出了一种基于西门子公司S7—200系Nd,型可编程序控制器作为主控设备的控制系统，并完成了硬件设计和软件设计。

经模拟调试，完全满足相关控制要求，同原有控制系统相比具有稳定性高、适应性强、成本低等优点。

为组合机床控制系统智能化、知识化、小型化的发展提供了有利的参考。

五、文献参考

1王永华．现代电气控制技术及PLC应用技术．北京：

北京航空航天大学出版社，2003．9

2西门子技术服务中心．用户手册（上、下）成都：

四川省机械设计研究院，2000

3许廖．电气控制与PLC应用[M]．北京：

机械工业出版社，2005．12

4贾德胜．PLC应用开发实用子程序[M]．北京：

人民邮电出版社

邓星钟主编．机电传动控制[M]．武汉：

华中科技大学出版社，廖常初·可编程序控制器应用技术[M]·重庆：

重庆大学出版社，赵红顺，朱长卿，李华·步进电动机的PLc控制[J]·机床电器，晋小．莉，王立莹．PLc直接控制步进电机系统[J]．小型内燃机与