基于PLC的双面钻孔组合机床监控系统设计.docx
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基于PLC的双面钻孔组合机床监控系统设计
基于PLC的双面钻孔组合机床监控系统设计
摘要
本文以双面钻孔组合机床为研究对象，通过分析机床的工作原理和运动形式，结合机床的电气控制要求，设计了以PLC为核心的主控制系统。
硬件方面进行了PLC选型，列出了I/O分配表，并绘制了接线图；软件方面以STEP7-Micro/WIN32为编程软件编写梯形图并导出指令表；监控方面用组态王设计出组态监控画面实现对机床的实时监控。
将PLC技术应用到机床的电气化控制系统中，提高了机床的加工精度和可靠性，降低了设备故障率，方便了设备的维护，在节约经济成本的同时完全满足了批量生产的要求。
关键词：
PLC，双面钻孔，组合机床，控制系统，组态
DesignofTwo-sidedDrillHoleModularMachineToolControlSystemBasedonPLC
ABSTRACT
Inthispaper,two-sidedcombinationdrillingmachineforthestudy,throughtheanalysisoftheprinciplesandformofexercisetoworkthemachine,combinedmachineelectricalcontrolrequirements,thedesignofthePLCasthecoreofthemaincontrolsystem.
ThePLChardwareaspectsoftheselection,alistofI/Oallocationtableanddrawawiringdiagram;softwareinorderfortheprogrammingsoftwareSTEP 7-Micro/WIN32ladderandexportinstructionsheet;surveillancedesignwithkingviewtheconfigurationofthemachine'smonitorscreentoachievereal-timemonitoring.
ThePLCtechnologywillbeappliedtothemachinecontrolsystemelectrificationimprovesmachiningaccuracyandreliability,reduceequipmentfailurerate,easymaintenanceequipmentcostswhilesavingtheeconomytofullymeettherequirementsofmassproduction.
KEYWORDS:
PLC,two-sideddrilling,combinationmachinetools,controlsystem,configuration
目 录
前 言
在机械制造行业，为了提高机床的综合性能从而去实现效益最大化，工程人员研制出了组合机床，在我国，组合机床的发展已有多年的历史，在科学研究和工业生产上都具有相当的基础，应用也已深入到很多不同行业，创造了越来越多的价值。
组合机床技术在满足精确度与高效率要求的基础上，正朝着综合成套且具备柔性的方向发展，零部件的一体化程度在提高、数量逐渐减少，能加工的形状却更为的复杂。
超高速和超高精度加工技术的控制设备已发展起来且前景被国内外看好，实现了机床工作程序软件化，控制技术也向数字控制、计算机管理与监控方向发展，自动化程度进一步提高，本课题所研究的双面钻孔组合机床就是其中的一种。
在机床控制方面，传统的控制方案是采用继电器-接触器控制与液压控制相结合的方法，控制系统复杂，大量的硬件接线使系统的可靠性降低，也间接的降低了设备的工作效率，影响设备的加工质量。
虽然单片机控制具有经济实惠成本相对较低的优点，但是用单片机制作的主控板受到制版工艺、布局结构、器件质量等因素的影响导致抗干扰能力差、故障率高、不易扩展，且对环境依赖性强、开发的周期长，单片机控制无法满足生产的需要。
PLC是经过几十年实际应用中检验过的控制器，其抗干扰能力强、故障率低、易于设备的扩展、便于维护、开发周期短。
因此，采用可编程控制器与液压相结合可以较好的解决这一问题[1]。
借助于PLC的优良性能来控制双面钻孔组合机床，简化了机床的电气控制系统，同时也缩小了设备的体积，提高了设备的自动化水平和生产效率，可靠性高操作方便，减轻了工人的劳动强度，采用可编程控制器与液压相结合的控制方案的组合机床已成为当前机械制造业实现产品更新，进行技术改造，提高生产效率和高速发展必不可少的设备，因此对组合机床通用部件的控制与整机PLC的运用进行研究，在机械制造及电气控制行业都是非常重要的。
第1章绪论
在工业生产的各个不同领域里，无论是过程控制系统还是传动控制系统，都有大量的开关量和模拟量，从机械生产所用电器与控制方法看，起初采用一些手动电器来控制执行电器，却只适用于一些小容量、操作单一的场合，随后发展出了自动控制电器继电-接触器控制系统，然而随着生产力的发展和科学技术的进步，人们对控制设备不断提出更高的要求，相续出现了顺序控制器和可编程逻辑控制器，去而满足生产所需的工艺要求。
1.1课题背景与意义
在效率至上的今天，提高生产效率就如同降低生产成本，间接地为实现企业效益的最大化做出贡献，而如何提高机床的生产效率成为了现实中的一大课题。
在机械加工行业，工程人员为此推出了专用机床，但是专用机床的制造成本比较高，设计周期又长，通用性还低，于是，组合机床问世了，组合机床标准件占到全部零件的70%~80%，直接用标准件使制造周期缩短，投资也相对减少，经济效益自然变好。
组合机床是综合自动化程度较高的成套工艺装备。
我国传统的组合机床自动线主要采用机电气液压控制，机床的加工对象主要是生产批量比较大的大中型箱体类和轴类零件[2]。
近几年组合机床式加工中心、数子控制组合机床、机床辅机等在组合机床行业中所占的比例越来越大。
基于PLC控制的双面钻孔组合机床，能够简化传统机床的电气控制系统，一方面缩小了设备的体积，另一方面也提高了设备的自动化水平和生产效率，能做到实时性好、可靠性高、操作也方便，从而减轻了现场操作人员的劳动强度和生产的成本。
采用可编程控制器与液压相结合的控制方案的组合机床已成为当前机械制造业必不可少的加工设备之一，它在提高机械生产效率和未来加工制造行业的高速发展上有不可磨灭的重要贡献，因此对组合机床通用部件的控制与整机PLC的运用进行研究和实践性的设计，在工业机械制造行业和电气化控制行业都有着非常重要的意义。
1.2组合机床概述及发展
1.2.1 组合机床的简单概述
最早的组合机床是1911年在美国研制成功的，刚开始只用于加工汽车所需零件[3]。
初期，各机床制造厂都有各自的通用部件标准，但各厂之间的标准却不同，为了提高各个制造厂之间的通用部件的互换性，便于用户使用、维修和替换，1953年美国福特和通用公司与美国机床制造厂共同协商，确定了组合机床通用部件标准化的一致原则。
二十世纪70年代以来，随着各种新型刀具比如可转位刀具、密齿铣刀等被应用到机床中，且随着镗孔尺寸自动检测和刀具自动补偿技术的快速发展，组合机床的加工精度有所提高，加工的产品质量也越来越好，使得加工行业有了一个质的飞跃。
而在我国，组合机床发展也已有几十年年的历史，在科研和生产方面都已经具有相当的基础，组合机床的应用也已深入到很多不同行业。
1.2.2 组合机床的发展趋势
高速化：
由于机构各组件分工的专业化，并在主轴厂的努力开发下，主轴高速得到化日益的普，高速化的主轴也已成为机床必备的机械要件。
精密化：
由于各组件加工的精密化，控制在微米级的误差已不再是问题，并在电脑辅助生产和电脑辅助设计系统的发展带动下数字控制器的功能越来越多[4]。
系统化：
组合机床已逐渐发展成为系统化的产品。
现在的制造行业已经可以用一台电脑去控制一条多工位复杂生产线的作业，可缩短产品生产时间，提高产品的加工精度和产品的质量。
绿色智能化：
通过研发机电一体化的硬件和软件集成的仿真技术，来实现并提高机床的设计水平，另一方面强调节能减排，力求使生产系统的环境负荷达到最小化，提高综合性能。
组合机床未来的发展将会更多的采用调速电动机和滚珠丝杠等实现传动，以简化设备，采用数字化的控制系统和主轴箱，夹具刀具自动更换系统，以提高工艺的可调性，以及纳入柔性制造系统等。
第2章控制方案的选择
本课题所研究的双面组合钻床是一种钻削较厚工件的钻床，加工时要求双面一起钻削，加工精度和同轴度要求比较高，如果是采用传统的继电器-接触器控制，将会用到的各种继电器而且数量较多，将存在着线路多、故障率高、控制柜体积大、成本较高等缺点，而采用可编程控制器去控制钻床的动作，不但可以提高整个系统的可靠性，降低运行时的故障率，而且还能够在不改变零部件的情况下通过改变程序去实现不同工件的加工钻削的工艺要求，因此可以充分发挥双面钻孔组合机床的多种加工特性和优势。
2.1机床介绍及工作原理
双面钻孔组合机床是在工件两个相对的表面上一起钻孔的一种高效率专用加工设备，机床有两个液压动力滑台且相对着布置，左、右刀具动力电动机分别固定在机床两边的滑台上，中间底座上装有工件定位夹紧装置。
机床上一共有四台电动机：
液压泵电动机M1、左刀具动力电动机M2、右刀具动力电动机M3、切削液电动机M4；电动机M2、M3分别带动左、右动力滑台上主轴箱的刀具主轴旋转，提供切削的主运动。
左、右动力滑台的进给运动和工件的定位、夹紧、放松，通过电气-液压联合控制。
其中左滑台由电磁阀线圈YV5、YV6、YV7控制，右滑台由电磁阀线圈YV8、YV9、YV10控制，工件定位及拔定位销由电磁阀线圈YV1、YV2控制，工件夹紧、放松由电磁阀线圈YV3、YV4控制。
当机床工作时，将工件装入夹具（即定位夹紧装置），按下机床系统启动按钮SB3，机床在PLC系统的控制下按如此步骤工作：
按下系统启动按钮后按SB2→工件开始定位并夹紧→左、右两侧动力滑台同时开始快速进给→到达指定位置后左、右两侧的动力滑台同时工进→﹙切削液电动机启动﹚工进到指定位置后左、右两面动力滑台快退至原位→夹紧装置松开→拔出定位销→机床停转。
加工循环结束后,动力滑台退回原位，夹具松开并拔出定位销，一次加工循环结束。
在左、右两面动力滑台快速进给的同时，左侧刀具动力电动机M2、右侧刀具动力电动机M3启动运转工作，提供切削动力；在左、右两面动力滑台工进时，切削液电动机M4自动启动，在工进结束时切削液泵电动机自动停止。
在滑台退回原位后，左、右侧刀具动力电动机M2、M3停止运转，综上双面钻孔组合机床的工作流程如图2-1所示。
图2-1双面钻孔组合机床工作流程图
2.2机床的控制要求
双面钻孔组合钻床各动力电动机只有在液压泵电动机M1正常启动时才允许启动运转，因为左、右刀具滑台只有在液压泵工作后才能实现进给，如果M1没有启动，液压系统就无法运行，此时启动刀具动力电动机也不能完成钻削。
而刀具动力电动机M2、M3应在左右侧滑台开始进给循环时启动运转，直到滑台退回原位后停止运转，这样可以保护钻头也有助于电能的节约。
切削过程中切削液液电动机M4可以在滑台工进时自动启动从而为钻削降温，在工进结束后自动停止，也可以用手动方式控制其启动和停止。
双面钻孔组合机床动力滑台、工件定位、加紧装置的控制要求：
它们都由液压系统驱动，其中电磁阀YV1和YV2控制定位销液压缸，YV1接通则为定位而YV2接通则为拔定位销；YV3、YV4控制夹紧液压缸活塞，YV3接通则为夹紧而YV4接通则为松开工件；YV5、YV6及YV7为左机滑台油路中的换向电磁阀，可以实现左机滑台的快进、工进和快退；YV8、YV9、YV10为右机滑台油路中的换向电磁阀，同样可以实现右机滑台的快进、工进和快退。
箱体加工机床电磁阀通断情况如表2-1所示。
表2-1箱体加工机床电磁阀通断情况表
定位
夹紧
左机滑台
右机滑台
转换指令
YV1
YV2
YV3
YV4
YV5
YV6
YV7
YV8
YV9
YV10
定位
+
SB2
加紧
+
ST2
快进
+
+
+
+
+
KP
工进
+
+
+
ST3、ST6
快退
+
+
+
ST4、ST7
松开
+
ST5、ST8
拔销
+
ST9
停止
ST1
从表中可知，电磁阀YV1线圈通电后，机床工件定位装置就会将工件定位；当电磁阀YV3通电后，机床工件夹紧装置就将工件夹紧；当电磁阀YV5、YV7通电时，左机滑台快速进给；当电磁阀YV8、YV10通电时，右机滑台也是快速进给；当电磁阀只有YV5或YV8通电时，左机滑台或右机滑台开始工进进给钻削工件，同时要求控制切削液电动机的电磁阀保持通电状态；当电磁阀YV6或YV9通电时，左机滑台或右机滑台将快速后退；当电磁阀YV4通电时，执行松开定位销的动作；当电磁阀YV2通电时，机床执行拨定位销的动作；定位销松开后，撞击行程开关ST1，机床停止运行，一个加工循环结束。
2.3控制方案的论述
机床的控制方案有很多种，从传统的手动控制到继电器-接触器控制到如今被广泛应用的数字控制，本质上都是为了简化机床的电气控制系统，缩小设备体积，提高了设备的自动化水平和制造效率，最终使现场操作人员的劳动强度得到降低。
但是，由于生产的需要和生产环境的不同，不是选用最先进的设备就一定能够符合生产的要求，所以在选择控制方案时，不仅要考虑控制系统的可靠性，还要考虑它是否能够在特定环境下完成所需的加工过程，当然节能环保和性价比也需要考虑在内。
2.3.1 控制方案的比较
在机械加工行业，机床要加工的对象有时比较复杂，其控制系统自然也会复杂起来，采用传统的继电器控制时，需要的继电器多且接线复杂，因此，故障多而且维修也变得困难，费工又费时，不仅加大了维修的成本，而且影响了设备的工作效率。
起初的机床由于使用继电器控制，可靠性低且容易产生误动作，故障也不易检查，维修频繁，噪声大且耗能多，越来越满足不了生产的需求追赶不了时代的脚步[5]。
可编程控制器作为一种新型的工业自动化装置已在工业控制得各个领域得到了广泛的应用，有诸多有利于生产的特点，继电器控制与PLC控制有很多不同点。
继电器-接触器控制是全部用硬触点和“硬”线连接的，出现故障的原因通常是硬部件故障；而PLC内部大部分采用“软”触点和“软”线连接，这样就避免了很多硬部件上的故障从而减少了维护和修理的成本。
继电器-接触器的控制系统要使用的电气元件很多，体积难以做到很小且出现故障的频率也高；PLC控制系统的结构要紧凑很多，使用的电气元件相对少且单个元件的尺寸也小，因此整个控制系统的体积也能被做小。
继电器-接触器控制方案在改变时，不仅需拆掉原有线路，还要重新布线接线，消耗不少人力和物资，且需要换元器件增加元器件，随之带来的是器件选型连线等问题，使其在改变控制方案方面复杂且困难；PLC控制方案的改变，一般不需要修改硬件即便需要修改工作量也是比较小的，通常只需修改控制程序即可，极其方便快捷，在节约经济成本上优势很大。
此外，由于PLC技术是在计算机控制的基础上发展起来的，它是以微处理器为核心，结合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置[6]。
优点非常多是划时代的产品，PLC控制必将替代传统的继电器-接触器控制。
单片机应用系统则是各不相同的，有大有小有强有弱，质量参差不齐，学习使用和维护都需要一定的技术所以很困难。
对单项工程或重复次数极少的项目，采用PLC方案是合理的，虽然是成本相对高一些。
对于量大的工程，采用单片机控制就有成本低的好处了，但这要有相当的研发基础和行业人才才能使系统搭建并稳定可靠地运行。
2.3.2 控制方案的选定
本课题的双面钻孔组合机床是一种能够同时钻孔两个面的专用设备，它通常是采用继电器逻辑的控制方式，存在着控制柜体积大占据较多空间，改变控制方式困难且耗时较长，柔性差不能加工不同零件不能执行不同工艺，设备的电气控制系统故障率高，检修困难周期又长等缺点，随着技术的进步，这类控制系统已显示出越来越多的弊端[7]。
此外在工业生产领域因为单片机制作的主控板受制版工艺、布局与结构、器件质量等各种复杂因素的影响导致抗干扰能力差，容易出现故障，不好维修，且对环境依赖性强，而机床所处的加工环境往往比较恶劣且对其控制的稳定性要求普遍较高，因此单片机控制无法满足本课题生产的需要，而PLC的输入/输出回路均带有光电隔离等抗干扰和过载保护措施，结合程序运行的周期性顺序扫描和集中批处理的工作方式，具有故障检测及诊断程序，因此可靠性极高比单片机高很多，特别是在恶劣的环境中更能显出PLC的优势[8]。
从与传统继电器和单片机控制方式的比较中，和对实际生产需求的考虑，采用PLC控制系统在很多方面都远远优于传统继电器接触器控制方式，虽然单片机也有可取之处但考虑到其抗干扰能力薄弱，生产精度要求却很高，得出PLC控制为最佳的控制方案。
第3章硬件设计
PLC是以微处理器为核心的通用工业控制装置，本文以控制系统的设计为主，对PLC控制系统的发展和现状做了简单介绍，详细地说明了其优点和控制系统设计的原则和内容以及设计的一般步骤，并根据控制要求和选型原则对PLC的型号及配套CPU进行选择，之后进行了PLC的I/O端口分配和I/O接线图的绘制，最后对其他硬件也给出选型及依据，完成硬件部分的设计工作。
3.1PLC的概述
PLC控制是现代工业自动化控制的重要解决方案，它将传统的继电器接触器控制系统与计算机控制技术紧密结合起来，具有多种优点为工业自动化提供了几近完美的自动控制装置[9]。
PLC技术的另一个优势是其逻辑控制功能通过软件编程来实现，因此柔性强，控制功能多，控制线路也被大大地简化了。
3.1.1 PLC的发展与现状
在工业生产过程中，存在着大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作控制，也有大量离散量的数据需要采集。
传统上，这些功能会通过气动控制或电气控制系统来实现，受制于继电器的工作原理和越来越高的要求，继电器控制方式的弊端逐渐显现，美国数字设备公司开发并研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次将程序化的手段应用于电气控制这个领域，这便是第一代可编程序控制器，虽然只可以完成一些简单的逻辑控制及定时和计数等简单功能，但在当时已是相当的先进了。
20世纪70年代初出现了微型处理器，很快将其引入可编程控制器的硬件中[10]。
在应用方面为了方便已经熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员的使用，可编程控制器的编程语言采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名，此时的PLC已经成为微型计算机技术和继电器常规控制概念相结合的产物；中末期，可编程控制器进入了实用化的发展阶段，借助计算机的强大运算能力使其功能发生了一个巨大的飞跃。
20世纪80年代初期，可编程控制器发展的特点是大规模和高速高性能，另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多了，生产的种类和产量也是日益上升。
这些标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的发展与需要。
这个时期发展出了两个类型即大型机和超小型机，应用在两种不同的场合从无到有地诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的不同控制场合，使其功能越发强大应用面得到扩展；产生了各种实用的人机界面单元、通信单元，这些单元使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
我国在可编程控制器方面最初是在引进的设备中大量使用的，接下来在各地各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。
现阶段我国已可以自主生产中小型可编程控制器，可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的市场和应用天地。
3.1.2 PLC的特点及优势
1．可靠性高
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性[11]。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也因此大大降低。
此外，它还带有硬件故障自我检测得功能，出现故障时可及时发出警报信息或信号。
这样，整个系统具有极高的可靠性。
2．通用性强
PLC品种齐全的各种硬件外设，可以组成能满足各种要求的控制系统，工程人员不必自己再设计和制作硬件装置。
在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬性设备，只需改编程序就可以满足要求。
因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。
3．功能强大
现代PLC不仅有很多基础的功能，还具有数字量和模拟量的输入/输出，能实现不同功率的驱动，多台机相互通信和人机对话，而且能自我检测并记录并显示数据等各种强大功能。
4．编程容易
目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的梯形图编程方式。
这种被广泛应用的编程方式既继承了传统控制线路清晰直观的特点，又考虑到大多数电气技术人员的看图习惯及编程能力，所以非常容易被学习和掌握。
梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图的许多符号都是相当接近，这也便于电气技术人员理解。
虽然PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行[12]。
与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，这个短时间的延迟是微不足道的，完全不会影响系统控制是可以满足工艺要求的。
5．减少了设计和施工的工作量
由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。
同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。
并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等特点，使简单出现故障是维修也极为方便。
6．体积小功耗低
PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑、坚固、体积小、重量轻、功耗低，有着其他控制系统不可比拟的优势。
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，在系统的配置上既固定又灵活，功耗仅数瓦，易于装入设备内部，并且由于PLC的强抗干扰能力，而且具有很好的抗振、适应环境温、湿度变化的能力[13]。
是实现机电一体化的理想控制设备。
3.2PLC控制系统设计
PLC的系统设计的基本原则包括前期的设计原则和控制任务的评估，系统设计时的内容较多且复杂，一般步骤从对被控对象的熟悉、硬件选型和配套的应用程序编写及调试，及设计完成后的编写技术文件等问题。
3.2.1 PLC控制系统设计的原则与任务评估
任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象即生产设备或生产过程的工艺要求，以提高生产的效率和产品的质量，而在实际设计过程中，要对控制任务进行评估，其设
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