题目组合机床PLC电气控制系统研发设计.docx
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题目组合机床PLC电气控制系统研发设计
芜湖职业技术学院
毕业设计报告书
题目组合机床PLC电气控制系统设计
毕业设计任务书
2006——2006学年
电气工程系机电工程专业
编号C40203043批准任期
学生张礼祥系主任张学亮
Ι设计题目：
组合机床PLC电气控制系统设计
∏原始资料：
《可编程控制器原理及应用教程》：
主编：
孙振强
副主编：
王晖孙玉峰王文华
清华大学出版社出版
《机床电气自动控制》（修订版）：
主编：
陈远龄
重庆大学出版社出版
目录
摘要……………………………………1
关键词…………………………………2
参考文献………………………………2
组合机床PLC电气控制系统设计…3
毕业设计心得…………………………34
教师评语………………………………35
摘要
双面二工位铣钻组合机床是由双面钻床和双面铣床组合而成，具体加工对象是对较大型壳体零件的粗加工。
组合机床为卧式，设置液压动力滑台为移动工作台，采用行程控制和液压传动，可作半自动循环加工和手动调整。
工件的装夹采用具有油路失电夹紧功能的液压控制系统夹紧（放松）被加工零件，在一次半自动循环中，工件经过两个工位进行铣、钻加工（每个工位都经过快速进给和工作进给两步），两个工位各完成一道加工工序。
第一工位为双面铣床：
左右两个铣头安装在工作台两边，铣刀作旋转运动，在工作台由快进转为工进时对夹紧在工作台上的工件铣削加工。
第二工位为双面钻床，由左右两个钻头箱构成，钻孔过程分为两个工步。
双铣头铣削后，工作台携夹紧的工件继续前进至死挡铁停止。
此时工作台不动，左右钻头箱（各两台电动机）先由快速进给电动机进行空操作的快进，继而快进电动机断电并由电磁制动器制动，钻头电动机得电，对夹紧固定在工作台上的工件进行工进钻削，加工完毕后钻头电动机断电，快进电动机反相序得电，电磁制动器松开制动，电动机反转带动钻头箱快速退回。
只有当左右钻头箱全部退回到原位后，才允许液压工作台快速退回原位。
液压工作台快速退回原位后，工人松开并卸下工件后，进行第二个壳体零件的加工，整个控制系统采用行程和压力控制。
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关念词
可编程控制器电隔离保护短路保护过载保护
零电压个欠电压保护空载步的转换
手动调整半自动循环点动调整快进后退工进制动
复位自锁联锁工序得电
断电并行序列分支序列卸荷激活嵌套电气隔离
软件系统硬件系统控制系统
电感性负载滤波整流电路灭弧电压等级组合
容量流程工步行程步传递
参考文献
《可编程控制器原理及应用教程》：
主编：
孙振强
副主编：
王晖孙玉峰王文华
清华大学出版社出版
机床电气自动控制》（修订版）：
主编：
陈远龄
重庆大学出版社出版
组合机床PLC电气控制系统设计
一、设计题目
双面二工位铣钻组合机床PLC电气控制系统设计。
二、设备介绍及设计依据
机床的主电路由7台Y系列三相交流异步电动机及控制元器件组成，由于各电动机均在7kw以下，允许采用直接起运控制。
液压工作台和电动机之间的配合与联锁必须符合双面二工位铣钻组合机床的工艺要求。
因为空操作的原因，铣削前要求工件快进，到规定位置工进铣削加工；铣削完成后第二次快进，到规定位置后第二次工进至死挡铁停留。
此时钻头箱以快进转工进的工艺流程对工件钻削，钻削完成后必须在两钻头箱全部退回原位，钻头确实已离开工件后才允许工作台快速退回。
控制回路除了电气基本保护外，还应设置“电隔离保护”，以提高安全性。
机床电气控制系统应能满足半自动循环加工工艺和手动调整工艺的需要。
各电动机和工作台的运动在工艺上都应具备必要的配合和联锁。
本系统主电路供电电压为交流380V；控制电路电压110V；直流控制电路为桥式全波整流，电压24V；指示灯电路电压为交流6.3V。
进行PLC硬件系统设计时应考虑必要的硬件联锁及不同电压种类和等级的分组。
编写的PLC控制程序必须上机通过模拟调试，调试时可采用模拟调试开关板和灯泡进行，调试时应有必要的记录。
双面二工位铣钻组合机床是由双面铣床和双面钻床组合而成，具体加工对象是对较大型壳体零件的粗加工。
组合机床为卧式，设置液压动力滑台为移动工作台，采用行程控制和液压传动，可作半自动循环加工和手动调整。
工件的装夹采用具有油路失电夹紧功能的液压控制系统夹紧（放松）被加工零件，在一次半自动循环中，工件经过两个工位进行铣、钻加工（每个工位都经过快速进给和工作进给两步），两个工位各完成一道加工工序。
第一工位为双面铣床：
左右两个铣头安装在工作台的两边，铣刀作旋转运动，在工作台由快进转为工进时对夹紧在工作台上的工作铣削加工。
第二工位为双面钻床，由左右两个钻头箱构成，钻孔过程分为两个工步。
双铣头铣削后，工作台携夹紧的工件继续前进至死挡铁停止。
此时工作台不动，左右钻头箱（各两台电动机）先由快速进给电动机进行空操作的快进，继而快进电动机断电并由电磁制动器制动，钻头电动机得电，对夹紧固定在工作台上的工件进行工进钻削，加工完毕后钻头电动机断电，快速电动机反相序得电，电磁制动器松开制动，电动机反转带动钻头箱快速退回。
只有当左、右钻头箱全部退到原位后，才允许液压工作台快速退回原位。
液压工作台快速退回原位后，工人松开并卸下工件后，进行第二个壳体零件的加工，整个控制系统采用行程和压力控制。
被加工零件的夹紧（放松）由具有油路失电夹紧功能的液压控制系统完成。
手动调整的特点是按住某个调整按钮后，系统相关环节动作，松开后关断。
组合机床工艺流程如图1所示。
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图1组合机床工艺流程图
双面二工位铣钻组合机床采用机械、液压、电气相结合的控制方式。
其中机械设计是机床的基础，液压控制保证了工作台的进给和被加工工件的夹紧放松，电气控制设计起着神经中枢的作用。
使机一液一电的结合成为可能。
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液压控制回路电磁阀及压力继电器动作表如表1所示。
表1液压控制回路电磁阀及压力继电器动作表
元件
工步1YV2YV3YV4YV5YV6YV7YV8YV1SP2SP3SP
原位
工件夹紧
滑台快进I
滑台工进I
滑台快进II
滑台工进II
死挡铁
滑台快退
工件松开-三、双面二工位铣钻组合机床电动机及控制方式
根据大型壳体零件加工要求，双面二工位铣钻组合机床需要配置床身、左右铣削头、移动工作台、夹具、左右钻头箱、中间底座8个部分。
根据生产工艺要求，组合机床采用行程控制和液压传动，可作半自动循环加工和手动调整。
设置液压动力滑台为移动工作台，采用具有油路失电夹紧功能的液压控制系统夹紧（放松）被加工零件，总计设置7台电动机。
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1、液压泵电动机M1
液压泵采用连续运转工作方式，电动机M1的控制方式为单向连续工作制。
液压泵电动机轻载起动，且只有4kW，可直接全压起动。
用一只交流接触器来控制液压泵电动机M1，设为KM1。
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2、左右铣削头电动机M2、M3
由于左、右铣削头电动机起动时，铣削头尚未铣削，属空载，故可直接全压起动，各用一只交流接触器对左右铣削头电动机M2、M3进行单向连续运行控制，设为KM2、KM3。
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3、左、右钻头电动机M5、M7
当M5、M7起动时，钻削头尚未钻削，属空载起动，设置起动方式为直接全压起动，各用一只交流接触器控制。
设为KM6、KM9。
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4、左、右钻头箱快速进给电动机M4、M6
左、右钻头箱快速进给电动机M4、M6的功率只有1.1kW，但必须满足钻头箱的快进、快退要求，电动机须设置正反向控制，每台电动机设置两个交流接触器。
左钻头箱快速电动机的正、反转接触器设为KM4、KM5；右钻头箱快速电动机的正、反转接触器设为KM7、KM8。
由于M4、M6电动机都有制动要求，故分别设置两只电磁制动器1YB、2YB。
电磁制动器为断电制动型，钻头箱快进时得电松开，快进转工进时断电制动，快退时得电松开，回到原位时制动。
双面二工位铣钻组合机床配置的电动机均在7kW以下，满足电动机直接起动的要求，可采用直接起动，除钻头箱快速进给电动机有正反向控制的要求外，其余电动机均为单方向起停控制。
考虑到短路保护、过载保护、零电压和欠电压保护等电气控制电路的基本保护，设计主电路如图2a所示。
在图2a中，设置自动空气断路器QF为双面二工位铣钻组合机床电源开关，电源开关本身具有短路和过载的保护功能，使控制系统形成双重保护，FU1~FU8为各电动机短路保护用熔断器。
FR1~FR7为各电动机过载保护用热继电器，零压和欠压保护通过电动机电源接触器KM1~KM9的电磁机构来实现。
四、分析双面二工位铣钻组合机床的控制流程
设计双面二工位铣钻组合机床PLC控制系统，应该先根据组合机床的工作循环图，结合液压系统电磁阀及压力继电器动作表，分析组合机床的控制流程，找出组合机床各工步间的逻辑关系，确定整体控制系统设计的基础，然后绘制功能表图（见图3）。
在分析组合机床的控制流程时，先对必要的电器元件进行设定和配置，电器元件的文字符号可先直接用在控制系统逻辑分析中，最后再列表整理。
双面二工位铣钻组合机床液压电磁阀及压力继电器动作表现设计任务书（见表1）。
（一）双面二工位铣钻组合机床的工作循环图
双面二工位铣钻组合机床工作循环图见设计任务书。
（二）双面二工位铣钻组合机床控制流程的逻辑分析及设备的配置初始步：
初始步01步为等待（停止）步，这时组合机床的电源尚未送电，整台机床处于停止待命状态，各种指示灯均应在熄灭状态。
设置自动空气断路器为组合机床电源总开关。
01-02步的转换（转换条件QF）：
当自动空气断路器QF接通时，系统从01步转换到02步，激活02步，关断01步。
电源指示灯和按钮指示灯均点亮并保持。
当自动空气断路器断开时，02步退回01步，全部指示灯熄灭，机床又处于停止（等待）状态。
设备配置：
自动空气断路器QF；电源变压器TC；电源指示灯HL。
02-03步的转换（转换条件SB2）：
按下起动按钮SB2，液压泵电动机电源接触器KM1线圈得电并自锁，液压泵电动机M1起动，为系统输出压力油液，液压系统的电磁阀全部不得电。
由于液压阀4YV断电时卸荷，液压泵空载运转，泵出的油液以极低的压力返回油箱，达到节约功率、减小系统发热、延长液压泵使用寿命的目的。
设备配置：
起动按钮SB2（带指示灯）；交流接触器KM1；液压泵电动机M1。
02-03步属开启液压泵电动机的接触器控制电路，不进PLC控制程序。
具体控制电路见图2b。
03-04步的转换（转换条件KM1）：
当KM1得电后04步被激活，系统进入选择序列。
04工步为空阶段，在功能表图中不执行任何运作，定义为选择工步。
系统在04步时PLC得电，此时液压泵电动机M1已经开始工作，为半自动循环和手动调整做好液压上的准备。
液压泵起动是组合机床加工的基础。
为能方便地进行半自动循环和手动调整，根据组合机床结构组成和加工特点，系统设置了方式选择开关SA2作为半自循环工作方式和手动调整工作方式的转换。
其中SA2-1为半自动循环工艺位。
当SA2-1为真时，系统转到05步，进入半自动循环状态。
SA2-2是手动调整位，作用是完成组合机床各控制五一节的点动调整。
当SA2-2为真时，系统由04步转入30步进入手动调整序列。
根据顺控理论：
一个活动步后，紧接着有几个后续步供选择的结构形式称为选择序列。
选择序列的各个分支部有各自的转换条件，当上一步为活动步时，各条支路的转换条件均有效，但没有同时转换的可能，只会作出排它性选择，沿其中一条支路发展和演化。
所以从04步开始系统分为二支选择序列。
根据某支序列中转换条件为真的转换主令，系统有选择地进入半自动循环序列或手动调整序列。
方式选择开关SA2起着联锁半自动循环工艺和手动调整工艺的作用。
04-05步的转换（转换条件SA2-1）：
将方式选择开关扳至SA2-1位，系统选择半自动循环序列，开通05步，关断04步，进入半自动循环工作方式。
设备配置：
方式选择开关SA2。
05-06（50）步的转换（转换条件SA2-2或SB3）：
根据组合机床的工艺要求，05步向下应设定为两条选择性分支序列。
转换条件分别是是手动调整转换开关SA2-2和工件夹紧按钮SB3。
操作者在进入半自动循环后若想重新手动调整，可扳动转换开关SA2至点动调整工艺位。
由于转换条件SA2-2为真，系统通过50步和04步重新开通30手动调整序列，关断半自动循环工步05步。
若SA2置1位，即SA2-1为真，系统进入半自动循环序列。
操作者按下夹紧按钮SB3，卸荷电磁阀4YV通电换向，切断其直回油路，为系统送出压力油液。
左、右夹紧电磁阀5YV、7YV同时得电，被加工工件由液压系统夹紧。
工件夹紧后，液压系统压力升高，由于液压控制回路中设置了压力继电器2SP、3SP，当工件真正夹紧后，左、右夹紧液压回路中压力继电器2SP、3SP动作。
为工作台快进和铣头电动机旋转做好准备。
设备配置：
工件夹紧按钮SB3：
压力继电器2SP、3SP。
06-07步的转换：
（转换条件2SP•3SP•SB4）：
待工件真正夹紧后，设定好的压力继电器2SP、3SP动作，为激活下一工步做好准备。
按下半自动循环工作按钮SB4，如果工件已真正夹紧，左、右铣头电动机的电源接触器KM2、KM3会得电并自锁。
铣头电动机M2、M3拖动铣刀旋转，同时液压阀1YV、3YV得电，快速向前进给油路接通，工作台向前快进。
设备配置：
半自动循环带灯工作按钮SB4；左、右铣头电动机电源接触器KM2、KM3；左、右铣头电动机M2、M3。
07-08步的转换（转换条件SQ1）：
工作台快进到预定位置时压下快进I转工进I行程开关SQ1，使3YV断电，（1YV继续通电），快速油路被截断，液压工作台转为工作进给，快进I转为工进I，双面铣床开始铣削加工。
设备配置：
I进I转工进I行程工关SQ1。
08-09步的转换（转换条件SQ2）：
液压工作台工进I到规定位置压下工进I转快进II行程开关SQ2，电磁阀1YV、3YV再次同时得电，快速油路再一次放开，液压工作台转为快进II快进。
设备配置：
工进I转快进II行程开关SQ2。
09-10步的转换（转换条件SQ3）：
液压工作台快进II到规定位置时压下SQ3，3YV再一次断电。
系统呈现07-08步相同的控制过程，液压工作台快进II转为工进II。
设备配置：
快进II转工进II行程开关SQ3。
10-11、12步并行序列的转换（转换条件：
止挡铁及压力继电器1SP）；
当工作台II次工进到位后，顶到止挡铁不能再继续向前。
液压回路的油压改变，压力继电器1SP动作，左、右铣头电动机的电源接触器KM2、KM3线圈断电，左、右铣头电动机停止旋转。
电磁制动器1YB、2YB得电松开制动，左、右钻头箱快进电动机同时得电旋转。
根据组合机床的加工工艺，工作台止挡铁停留时，左、右钻头箱应尽快走完空行程。
虽然工艺上并不要求左、右钻头箱快进电动机同时得电，但要求两钻头箱全部退回原位后工作台才可后退。
故此处设计为并行序列。
将左、右钻头箱作为并列的两个分支。
1SP是使左、右钻头箱快进的主令转换信号，11、12工步同时被激活，左、右钻头箱钻削完成后退回，至两钻头箱全部退回原位后工作台快速后退。
设备配置：
左、右钻头箱快进电动机电源接触器KM4、KM7；电磁制动器1YB、2YB；左、右快进电动机M4、M6。
11-13步的转换（转换条件SQ4）：
当左钻头箱快进到位时压下SQ4，左快进电动机停转并由断电制动型电磁制动器1YB制动，左钻头电动机的电源接触器KM6得电自锁；左钻头电动机M5得电，拖动钻头工进钻削。
设备配置：
行程开关SQ4；左钻头电动机的电源接触器KM6；左钻头电动机M5。
13-15步的转换（转换条件SQ5）：
当左钻头工进钻削到位后压下SQ5，左钻头电动机的电源接触器KM6断电，左钻头电动机M5失电，工件左钻削工艺完成，钻头工进钻削停止。
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SQ5同时使左快进电动机反向接触器KM5得电并自锁，左快进电磁制动器1YB得电松开制动，M4反向旋转，左钻头箱快速退回。
设备配置：
行程开关SQ5；左钻头箱快进电动机反向电源接触器KM5。
12-14工步的转换（转换条件SQ7）：
12工步和上面提到的11工步为并列序列，同时由死挡铁通过压力继电器1SP激活，即右钻头箱和左钻头箱同时从工件两面完成“快进—工进钻孔—钻孔完成—后退”的加工工序。
和11-13步相似，12工步为右钻头箱快进，当右钻头箱快进到位时压下快进转工进行程开关SQ7，右钻头箱快进电动机正向电源接触KM7断电，电磁制动器2YB断电制动，电源接触器KM9得电自锁，右钻头电动机M7拖动钻头工进钻削加工。
设备配置：
行程开关SQ7；右钻头电动机的电源接触器KM9；右钻头电动机M7。
14-16步的转换（转换条件SQ8）：
当右钻头工进钻削到位后压下SQ8，右钻头电动机的电源接触器KM9断电，右钻头电动机M7失电，钻头工进钻削停止，右钻削工艺完成。
右钻头箱快进电动机反向电源接触器KM8得电并自锁，电磁制动器2YB得电松开制动，M6反向旋转，右钻头箱快速退回。
设备配置：
行程开关SQ8；右钻头箱快进电动机反向电源接触器KM8。
15、16—19步的转换（转换条件SQ6，SQ9）：
组合机床加工工艺上要求只有在左、右钻削加工完成，两钻头箱确实退回原位后，才允许液压工作台退回，以防止钻头留在工件中而工作台退回造成的工作和钻具的破坏事故。
由于左钻头箱原位行程开关SQ6和右钻头箱行程开关SQ9可能会不同时压合，15、16两个工步有可能出现不同时关断的情况，所以在并行序列的结束处应设置17、18两个等待工步，它们不执行任何动作，只是实现两个分支序列的相互等待。
当17、18工步均为活动步县转换条件为真时（17、18两个等待工步的转换条件为1，表示随时准备转换。
见图3功能表图），系统将开启19工步，同时关断17-18两个等待工步。
左钻头箱完成钻削加工退回原位，压下SQ6，右钻头箱完成钻削加工退回原位，压下SQ9，左、右钻头箱快进电动机反向电源接触器KM5、KM8和电磁制动器1YB、2YB断电，两快进电动机断电制动，钻头箱停止。
此时1YV、3YV断电，2YV通电，液压工作台快速后退。
设备配置：
左钻头箱原位行程开关SQ6；右钻头箱原位行程开关SQ9。
19—20步的转换（转换条件SQ10）：
在组合机床电气控制系统中设置液压工作台原位行程开关SQ10，当液压工作台快退原位时压下原位行程开关SQ10。
快退电磁阀2YV断电，液压工作台原位停止。
设备配置：
液压工作台原位行程开关SQ10。
20-21步的转换（转换条件SB14）：
设置工件松开按钮SB14，当液压工作台原位停稳后，按下工件松开按钮SB14，左、右夹紧电磁阀5YV、7YV断电，左、右松开电磁阀6YV、8YV通电，时间继电器KT工作，松开被加工工件。
设备配置：
工件松开按钮SB14。
21-04步的转换（转换条件：
时间继电器KT）：
在20工步时，时间继电器KT已经得电。
到达整定时间后，KT动作，作为转换主令使左、右松开工件电磁阀6YV、8YV断电，同时使断电卸荷电磁阀4YV断电，半自动循环的最后工步完成，系统返回预备状态，以便再次进行半自动循环或手动调整操作。
此时液压泵卸荷，液压泵及其拖动电动机M1无载运行。
手动调整序列04-30步的转换（转换条件SA2-2）：
1）手动调整选择序列设计思路：
当把方式选择开关SA2扳至SA2-2时，系统进入手动调整选择序列。
双面二工位铣钻组合机床进入手动调整状态，30步被激活，任意按一个手动调整按钮均可开启相应的手动调整工步，直到它的后继步开启才会关断。
实践中常用相应手动调整按钮的常闭触点的复位（按下手动调整按钮时该常闭触点断开）作为开启后继步的转换信号。
因此，可以用手动调整按钮的常开、常闭触点作为某次手动调整的起、停转换信号，达到点动调整的目的。
调整结束后都回到04步，以保证下次可以任意地对其他动作进行点动调整，或者再次进入半自动循环。
2）手动（点动）调整按钮的设置、用途及文字符号如下：
SB5左铣头点动调整按钮；SB6右铣头点动调整按钮；SB7左钻头箱快进点动按钮；SB8左钻头箱快退点动按钮；SB9右钻头箱快进点动按钮；SB10右钻头箱快退点动按钮；SB12左钻头工进钻削点动按钮；SB13右钻头工进钻削点动按钮；SB15淮压工作台工进点动按钮；SB16液压工作台快进点动按钮；SB17液压工作台台快退点动按钮；SB18工件左夹紧点动按钮；SB19工件右夹紧点动按钮；SB20工件左松开点动按钮；SB21工件右松开点动按钮。
3）手动调整序列的控制流程分析：
手动调整序列由16列选择分支组成。
可以方便地对双面二工位铣钻组合机床控制系统进行手动调整。
30-31步的转换（转换条件SB5）：
当需要对左铣头电动机进行手动调整时，先将方式选择开关置SA2-2位，选定手动调整序列。
按下设置的左铣头电动机手动调整按钮SB5，SB5的常闭触点断开，SB5=0；SB5的常开触点接通，SB5=1。
由于选择工步30步已被SA1-2激活，当转换主令SB5=1时，开通31步，关断30步。
左铣头电动机的电源接触器KM2得电，左铣头电动机点动调整。
松开手动调整按钮SB5，SB5的常闭触点复位接通，SB5=1。
由于31步已被激活，当SB5=1时，系统关断31步，左铣头电动机停转，回到04步等待重新选择。
设备配置：
左铣头电动机点动调整按钮SB5。
其他14个手动调整工步的转换（转换条件：
各工步的点动调整按钮）
其他14个手动调整工步30步至32-35步的转换条件均为各自的点动调整按钮，控制过程和30-31步相似，不再详述。
五、双面二工位铣钻组合机床PLC控制软、硬件系统的设计
PLC在工业生产中的应用和设计的具体做法就是选用合适的PLC机型，在了解设备的控制要求，确定了被控对象和元件之间的逻辑控制关系后，把PLC的各种指令进行组合嵌套，利用各种控制结果及逻辑关系，完成信号相互传递、联锁、转换等逻辑控制，设计也PLC控制系统梯形图。
然后将PLC与现场必要的外围设备连起来，构成一个硬件系统，写入编制好的用户程序，对生产设备的生产过程进行控制，实现被控对象的工艺要求。
PLC不但可以直接把电器元件接在I/O端，而且还有很强的驱动能力。
可直接驱动接触器和电磁阀等执行元件工作，在工业控制中具有广泛的通用性。
利用PLC的强大的指令系统和灵活的编程方法，可使设计PLC控制系统非常方便，PLC控制的软硬件系统设计可同时进行。
（一） PLC控制系统设计的原则和方法
对于电气控制设备，任何PLC控制系统的设计都是在控制方式和电动机技术数据确定以后进行的，是设备控制要求和工艺流程的具体化。
PLC控制系统设计应该遵循以下原则：
1）应最大限度地满足生产机械的工艺要求，并能根据需要方便地进行修改。
2）整个PLC控制系统及控制电路安全可靠，简单，具有较高的性能价格比。
3）合理地选择PLC机型及电器元件。
4）容易掌握，便于操作和维修。
（二）双面二工位铣钻组合机床PLC控制系统的控制要求
1）机床开始工作时，首先起动液压泵电动机M1，且每次工作循环结束时M1并不停止。
2）机床具
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