多工步加工专用机床控制.docx
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多工步加工专用机床控制
南京工程学院
课程设计说明书（论文）
题目
多工步加工专用机床控制
课程名称
机电传动控制课程设计
院（系、部、中心）
机械工程学院
专业
机械设计制造及其自动化
班级
学生姓名
学号
设计地点
工程中心2—201
指导教师
设计起止时间：
2015年6月8日至2015年6月12日
引言
专用机床是一种专门适用于特定零件和特定工序加工的机床，而且往往是组成自动生产线式生产制造系统中，不可缺的机床品种。
多工步专用机床通常配备有多刀具、多面、多工位同时进行钻、扩、绞等加工工作，并且具有自动工作循环功能。
FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型可编程序控制器。
由于FX2n系列具备如下特点：
最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。
本课程设计是以“多工步加工专用机床控制”为选题，通过GXDeveloper软件以FX2N（C）为模块完成PLC控制程序设计。
并在联机程序调试过程中，不断完善程序，从而达到合乎实际操作的模拟机床运作。
1.课程任务说明
1.1课题简介
多工步加工专用机床采用7把刀具按7个工步按要求依次对工件进行加工。
而本课题要完成的就是运用PLC编程控制机床完成一系列的加工动作。
1.2课程设计目的
《机电传动控制》课程设计为该课程的实践环节，在本课程设计的过程中，通过课程设计环节巩固和加强了《机电传动控制》的所学的知识，掌握课程知识实际应用的能力。
学会运用机电控制原理解决和分析问题的方法。
同时在设计过程中，综合已学知识，完成简单完整的控制系统设计，以增强控制系统设计能力；完成PLC控制程序设计，增强编程软件使用的能力，并在联机程序调试过程中，增强实际操作能力。
2.课程设计任务分析
2.1设备机构组成
多工步加工专用机床由转刀架、主轴箱及主轴和走刀机构组成，电动机驱动主轴带动工件旋转，液压系统驱动走刀机构，带动刀架完成进给运动，刀架回转完成换刀工作。
机床结构与运动部件工作循环图如图2-1所示。
图2-1多工步加工专用机床结构与动力部件工作循环图
2.2设备工作过程分析
多工步加工专用机床的工艺过程如图2-2所示，由人工将工件放置在主轴端卡盘内夹紧，启动自动加工过程。
自动加工中，首先走刀机构带动刀架快速接近工件，然后转为工进满是进给钻孔，加工完后退回原位，结束一个工步加工。
紧接着刀架夹紧装置松开，刀架转入下一个刀具位置，开始第二步加工……当6把刀具依次加工完成后，人工取出加工的零件，结束一次加工循环过程。
图2-2多工步加工专用机床加工零件工艺过程
3.控制要求及其控制方案设计
3.1多工步加工专用机床控制要求
机床的控制要求，是通过满足机床的工作要求形成的，控制系统的功能必须满足机床所有的工作要求。
多工步加工专用击穿的工作要求包括三个方面，工作方式要求，工作过程要求，安全稳定工作要求。
1）机床工作方式要求
为保证多工步加工专用机床能够处于正常工作状态，要求机床具备二种工作方式：
1走刀进给部件能够点动向前调整，以及进给部件不在原位时能够快速复位；
2走刀机构和刀机能够分别实现自动循环调整过程；
③整机全自动工作循环加工工作。
2）机床工作过程要求
机床工作过程是机床在正常加工时整机全自动循环的工作过程，加工过程需要满足如下工作要求：
1按下启动按钮，液压系统驱动夹紧装置夹紧刀架，夹紧后继电器发出夹紧信号；
2走刀机构快进，并同时启动主轴电机；
3走刀机构快进到达工件附近后，有快进转为工进，进行钻削加工；
4加工完毕后，走到机构停留2秒，快速退回原位；
5夹紧装置松开刀架，液压系统驱动刀架转动换刀；
6刀架夹紧装置夹紧刀架，开始下一步加工；
⑦所有加工工步完成，走刀机构退回原位，主轴电机停。
3）多工步加工专用机床控制系统元件配置要与工作要求
多工步加工专用机床的主轴电机为2.2KW，液压站液压泵电动机为3KW,走刀机构及夹紧装置动作方向通过电磁阀控制。
自动循环工作时，所有工作状态切换由行程开关控制。
电器元件工作关系如表3-1所示。
表3-1电器元件工作关系表
工作状态
走刀机构
刀架及刀架夹紧装置
主令电器
YV1
YV2
YV3
M1
YV4
YV5
YV6
夹紧刀架
＋
SB2
快进
＋
＋
＋
＋
SP、SQ1
工进
＋
＋
＋
SQ2
停留
＋
＋
SQ3
快退
＋
＋
＋
KT
放松刀架
＋
＋
SQ1
换刀转位
＋
＋
SQ5
（下一工步夹紧刀架）
＋
＋
SQ4
（加工结束）
－
－
－
－
－
－
－
－
SQ1
注：
加号，电器元件为得电状态，减号，电器元件为失电状态。
4）多工步加工专用机床安全稳定工作要求
1具有运动部件间安全工作的联锁功能；
2具有位置保护功能（如极限位、越位、相对位置保护）；
3电器控制系统具有短路，东东及过载等保护功能；
4具有应急操作功能
⑤具有照明功能
3.2多工步加工专用机床电器控制系统设计
1）系统总体设计思路及方案确定
实现对多工步加工专用机床控制有两种方法，一个是利用传统继电器的途径实现；一个是利用可编程序控制器。
利用PLC实现时，也有两种不同的途径，一种是利用定时和基本指令组合实现，一种是利用步进指令实现。
用基本逻辑指令实现较复杂的顺序控制，其梯形图比较复杂，而且不太直观，步进指令使它能够方便的实现。
而采用传统的继电器控制时，需要的继电器多，接线复杂，故障多，维修困难，费工费时。
采用PLC实现无需复杂的连线，而且实现起来方便，不费时。
无需大量继电器，只需PLC芯片，基本无修理成本。
（1）设备条件及控制要求
因为此机床要求能够实现快进、共进、快退等功能，所以采用液压泵实现；而且机床是能够进行自动循环加工功能的设备，则采用电气-液压-机械组合的传动方式驱动和控制；
要求单个运动部件能够独立调整操作，同时具备电气保护与联锁等功能；
设备由车间低压电网供电，设备驱动电压为380V，50HZ，设备配置了2台交流异步电动机，1台主轴电机，功率为2.2KW，一台液压站电动机功率为3KW，液压系统所使用的是电磁换向阀，电磁阀工作电压为直流24V。
电动机无制动要求，由于点击功率不到，此处无需降压启动，可采取直接启动。
（2）机床设备的控制方案
①选择PLC为主要控制器件构成控制系统，由于控制对象为单机设备，因此选用三菱公司的FX2N的PLC产品；
②电动机驱动电路采用三相交流电，电压为380V，照明灯单独串接在干路上，使用220V交流电，主轴电机与液压泵电机的KM1与KM2线圈与PLC主机使用220V交流电，各电磁阀与主令电器及行程开关使用24V直流电压供电。
③由于电动机功率较小，电动机均采用直接启动，且采用了液压泵进行方向控制，所以主轴电机无需正反转与制动要求；
④控制系统需使用熔断器与热继电器进行短路与过载保护，且器件之间具有保护功能；
⑤采用开关量控制；
⑥机床上设定四个指示灯：
液压泵工作指示灯、主轴启动指示灯、手动调整指示灯、自动循环指示灯。
2）主电路设计
系统主电路包括2个电动机，两个接触器，一个VC整流器，TC变压器以及若干熔断器与热继电器。
通过变压器，提供满足系统工作以及PLC设备需要的电源电压，系统电路图如下图3-1所示，系统使用电器元件明细表如表3-2所示。
图3-1主电路图
表3-2电器元件明细表
符号
名称及用途
符号
名称及用途
M1
油泵电动机
HL5
照明灯
M2
主轴电动机
SB1
紧急停止按钮
KM1
液压泵启动接触器
SB2
电压泵启动按钮
KM2
主轴电机启动接触器
SB3
自动循环开始按钮
SQ1～SQ3
行程开关
SB4
进入自动循环按钮
SQ4
换刀到位开关
SB5
点动向前按钮
SQ5
放松到位开关
SB6
复位按钮
SP
夹紧到位开关
SB7
工进点动按钮
SA1
照明灯开关
SB8
手动换刀按钮
SA2
自动/手动选择开关
SB9
一次进刀按钮
SA3
手动主轴启动
SB10
自动换刀按钮
QF
PLC电源开关
SB11
退出自动循环按钮
QS
电源隔离开关
SB12
手动放松按钮
TC
控制变压器
SB13
手动夹紧按钮
FU1～FU5
短路保护熔断器
YV1～YV6
电磁阀电磁铁
HL1
液压泵指示灯
FR1～FR2
电动机过载热继电器
HL2
自动指示灯
VC
整流器
HL3
主轴指示灯
HL4
手动指示灯
3）控制系统设计
电气控制系统中由PLC构成控制部分，控制部分需要接受污水处理设备的控制信号，需要对所有信号按程序要求进行就算，并将计算结果作为输出信号送达污水处理设备上被控制电器，以实现设备的自动运转。
控制部分的工作要求以及PLC使用特点，形成控制系统设计的三个重要的工作内容，及设备的驱动信号分析，制定控制流程和编制控制程序。
（1）多工步加工专用机床控制与驱动信号分析
1、输入信号
分析污水处理设备的工作要求，处理设备有如下几类输入开关信号
①完成起、停控制的按钮开关信号，电器元件为：
SB2、SB1；
②完成工作方式选择的选择开关信号，电器元件为：
SA1、SA3；
③完成调整的按钮开关信号，电器元件为：
SB3、SB4、SB5、SB6、SB7、SB8、SB9、SB10、SB11、SB12、SB13；
④完成设备自动运行中获得设备状态信号的传感器信号，电器元件为：
SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5，压力继电器SP；
2、输出信号
分析污水处理设备的工作要求，处理设备有如下几类输入开关信号
①控制电动机电路接通与断开的交流接触器线圈，电气元件为：
KM1、KM2；
②控制电磁阀开关的电磁铁，电器元件为：
YV1、YV2、YV3、YV4、YV5、YV6；
③控制处理设备工作显示状态的显示灯，电器元件为：
HL1、HL2、HL3、HL4；
（2）电器元件信号与PLC连接的通道分配
电器元件信号与PLC通道分配的目的是为每一个需要PLC处理的信号设备信号获得进入PLC的通道和存放信号状态的地址。
依据控制方案选定的三菱FX2N系列PLC产品，以及对设备信号分析结果，电器元件信号与PLC连接的通道分配如表3-3所示，I/O接口端子接线图如图3-2。
表3-3电器元件信号与PLC连接的通道分配表
输入
输出
元件
通道地址
说明
元件
通道地址
说明
SB1
X000
总停按钮
SQ1
X017
原位限位开关
SB2
X001
油泵启动按钮
SQ2
X020
快进限位开关
SB3
X002
开始自动循环按钮
SQ3
X021
工进限位开关
SB4
X003
进入自动循环按钮
SQ4
X022
换刀到位开关
SB5
X004
点动向前按钮
SQ5
X023
放松到位开关
SB6
X005
复位按钮
SP
X024
夹紧到位开关
SB7
X006
工进点动按钮
HL1
Y001
液压泵指示灯
SB8
X007
手动换刀按钮
HL2
Y002
自动指示灯
SB9
X010
一次进刀按钮
HL3
Y003
主轴指示灯
SB10
X011
自动换刀按钮
HL4
Y004
手动指示灯
SB11
X012
退出自动循环按钮
KM1
Y005
液压泵电机接触器
SB12
X013
手动放松按钮
KM2
Y006
主轴电机接触器
SB13
X014
手动夹紧按钮
YV2
Y010
电磁阀电磁铁
SA1
X015
手动/自动选择
YV3
Y011
电磁阀电磁铁
SA3
X016
主轴启动按钮
YV4
Y012
电磁阀电磁铁
YV1
Y007
电磁阀电磁铁
YV5
Y013
电磁阀电磁铁
YV6
Y014
电磁阀电磁铁
图3-2I/0接口端子接线图
4.控制流程分析设计及PLC程序设计
4.1控制流程设计
自动工作控制流程设计是将设备控制程序的结构框架用控制流程图方式给以描述。
控制流程图简介明了地反映设备自动工作过程，以及工作过程中各个工作状态之间的关系，与此同时，控制流程图还将各个工作状态的开始与控制结束条件，工作状态中完成驱动的输出一一给出描述。
由于控制系统选择三菱系列PLC，该产品具有顺序控制的特殊用法，即步进控制。
步进控制采用状态转换的方式简化控制条件，使得控制程序设计简洁方便。
工业污水处理设备控制流程采用状态转移图（功能图）描述。
工业污水处理设备的各项调整工作，各个状态由状态控制器控制，使用状态器S0、S21～S32，设计完成的设备自动工作控制状态转移图如图4-1所示。
图4-1多工步加工专用机床流程图
多工步加工专用机床功能图中，因为要循环6次，所以我们选择了计数器C100，使用选择开关SA1（X015）选择机床自动加工工作和手动调整工作，触发S20进入自动工作状态，触发S29进入手动调整状态，同样选择开关SA3（X016）手动控制主轴开停，行程开关SQ1SQ5的触点，压力继电器触点SP，时间继电器触点T0以及计数器C100等信号为各状态器触发信号，实现相应工作状态的转换。
4.2控制程序设计
多工步机床设备控制程序设计是编制输入PLC主机，实现控制功能的程序，程序编制依据控制功能图（状态转移图）的结构和控制信号关系，使用梯形图或指令表的方法编制。
由于梯形图能够图形化地表达控制逻辑关系，同时编程软件可以自动将梯形图程序与指令表程序进行转换，因此工业污水处理设备控制程序采用梯形图方法，机床控制梯形图如图4-2所示，以及程序指令代码图4-3。
图4-2多工步加工专用机床控制梯形图程序
图4-3程序指令代码
在步进控制中，当前状态转移到下一状态时，当前状态中所有输出将自动关闭，对于需要在多个状态中保持接通的输出电器，必须采用强制置位（SET）和复位（RST）的方法保证电器能够正常接通和断开。
设计完成的控制系统中，完成工作控制的plc程序是否能正确完成所有的控制要求，需要给予检验，以防止安装实际设备后不能满足控制要求。
程序检验采用仿真设备进行，仿真设备由输入设备，输出信号显示设备、plc设备和plc程序输入设备构成，各组成部分使用快速连接接头连接，可以依据仿真程序要求进行搭接。
程序调试与仿真工作内容包括使用程序输入设备（计算机及编程软件）输入编制的控制程序，编制输入/输出信号与工作状态关系表，依据设备要求搭接仿真控制系统，仿真检验程序以及修改程序。
5.总结
5.1设计简介
本次课程设计是以PLC的步进顺控指令为基础，以SFC为着手点。
围绕“多工步加工专用机床”这个课题展开的。
本次编程并没有使用M8002作为开始条件，而是选择了M1、M2这两个辅助继电器完成M8002的初始条件，同时还能自锁液压泵的启动。
该程序中还包含了一次工步循环过程，一次装夹到位的过程。
5.2遇到的问题及解决方法
①急停止按钮并不能停止状态继电器S的状态，同时已经被置“1”的需要复位，例如指示灯与主轴开关等。
解决方法：
（1）在程序中设置掉电不保持功能；
（2）运用多点传送指令（FMOV）将所用到的Y继电器与S继电器置零。
②当进入自动循环过程（并未开始执行），不能与手动调整自如切换（来回拨动选择开关不切换）
解决方法：
在他们之间各插入一个互相跳转的步进指令，便可以自如切换。
③考虑到突然断电，或者人为因素原因，加工到第N步的时候停止，再开机的话不能继续上一次加工的步序。
解决方法：
（1）运用断电保持计数器，但是上电后需手动完成未完成的一步工序，否则会少加工一步
（2）上电后，手动输入计数器自减1（未实现）。
6.图附件
图6.1主电路
图6.2PLC端子接线图
图6.3控制流程图
7.参考文献
1.宋伯生.PLC编程实用指南.北京：
机械工业出版社，2007，2
2.洪志育.例说PLC.北京：
人民邮电出版社,2006,6
3.付家才，PLC实验与实践.北京：
高等教育出版社,2006,5
4.陈志新，宗学军.电器与PLC控制技术.北京：
北京大学出版社，中国林业出版社2006，8
5.海心.机电传动控制北京：
高等教育出版社,2007,11
6.胡健.西门子S7-300PLC应用教程.北京：
机械工业出版社.2007，3
7.汪小澄，袁立宏，张世荣.可编程序控制器运动控制技术.北京：
机
械工业出版社，2006，1
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