车镗专机控制.docx
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车镗专机控制
目录
摘要……………………………………………………………………………………3
第一章设计任务.....................................................4
1.1车镗专机概述.............................................4
1.2车镗专机基本组成.........................................4
1.3车镗专机加工过程.........................................4
1.4车镗专机液压系统元件表...................................5
1.5车镗专机控制要求.........................................5
1.6方案确定.................................................6
第二章电气原理图设计..............................................7
2.1主电路....................................................7
2.2PLC外围电路...............................................7
2.3I/O分配表.................................................8
2.4面板图...................................................10
第三章电器元件选择................................................11
3.1元件选择依据.............................................11
3.1.1PLC的选择.........................................11
3.1.2接触器的选择......................................12
3.1.3热继电器的选择....................................12
3.1.4熔断器的选择......................................12
3.1.5行程开关与刀开关的选择............................12
3.1.6组合开关与万能转换开关的选择.......................12
3.1.7主令开关的选择....................................13
3.1.8指示灯的选择......................................13
第四章软件设计...................................................14
4.1功能表图设计.............................................14
4.2梯形图设计...............................................15
4.3程序调试过程.............................................17
第五章设计小结...................................................18
参考文献...........................................................19
摘要
关键字：
【车镗专机、PLC、组态软件】
液压车镗专机是用来对台式钻床的立柱进行镗孔加工，同时对孔的右端面进行车削加工的一种自动加工设备。
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
本次设计的目的:
通过PLC的硬件电路（输入/输出设备和PLC的确定、I/O点的分配、主电路的设计、外控电路设计、控制面板设计）和软件电路设计（PLC功能表图和梯形图设计），了解可编程序控制器控制系统设计的基本原则，掌握其设计的基本步骤和内容，掌握实际应用程序设计方法和步骤；深刻领会可编程序控制器的原理。
通过在PLC上调试，训练动手能力和可编程序控制器实际应用能力；提高独立分析、解决问题的能力；为进一步系统的学习打下基础。
第一章设计任务
1.1车镗专机概述
（1） 车镗专机是用来对台式钻床的立柱进行镗孔加工，同时对孔的右端面进行车削加工的一种自动加工设备。
（2）工件示意图如图1-1
图1-1工件示意图
1.2车镗专机基本组成
（1） 左、右机械动力头各有三台电动机（快速电动机、工速电动机、主轴电动机）如图1-2
图1-2车镗专机基本组成
（2） 液压站由一台电动机拖动
1.3车镗专机加工过程
加工过程如下图所示。
操作者将要加工的工件放在工作台上的夹具中，在其他准备工作就绪后，发出加工指令（按下按钮）。
工件自动夹紧，压力继电器动作，左、右动力头同时开始镗削加工。
左动力头快进，工进至终点后，快退回原位；而右动力头快进、工进至终点后还应进行右端面的车削加工（车刀横进、横退）后才快退。
当两动力头都退回原位，此时I工位的粗加工结束，工作台移到II工位，开始进行精镗加工。
左、右动力头重新起动，快进，工进到终点延时后快退回原位，II工位加工结束，工作台退回到I工位，松开工件，一个自动工作循环结束。
1.4车镗专机液压系统元件见下表。
如表1-1
YV1+
卸荷
SP1+
油压到信号
YV2+（-）
工件松开（夹紧）
SP2+
工件紧信号
YV3+
向Ⅰ工位
YV5+
横进
YV4+
向Ⅱ工位
YV6+
横退
表1-1液压系统原件表
1.5车镗专机控制要求
（1） 本系统有七台电机：
油泵电机右主轴电机右快速电机右工速电机左主轴电机左快速电机左工速电机
（2） 工作台有两个工位：
由液压系统实现两工位的转换和加工工件的夹紧与松开。
（3） 有自动和手动两种工作方式：
（4） 自动工作方式又有三种形式：
全自动循环、Ⅰ工位循环、Ⅱ工位循环工作。
全自动循环过程：
从Ⅰ工位→Ⅱ工位→Ⅰ工位
Ⅰ工位循环、Ⅱ工位循环：
只在Ⅰ或Ⅱ工位时的加工循环
（5） 点动工作方式：
左、右主轴的点动对刀，
左、右动力头的快进与快退点动，
手动松开工件、手动移位等。
（6） 左、右床身导轨应具有自动润滑功能（YV7、YV8）
（7） 左、右快速电动机均采用电磁铁抱闸制动（YB1、YB2）
（8） 油泵起动后，液压系统要有一定的压力缓冲，才允许开始工作，工作结束要卸荷。
（9） 有电源、油泵工作、原位、工作指令等信号指示。
（10）有照明和必要的联锁环节和保护环节。
1.5方案确定
根据上述车镗专机的控制要求再加上对车镗专机的工作情况的析后，我们确立了如下的设计方案：
1首先我们对整个机床设备需要过流、过载保护。
因此需要对这些元器件进行选择。
2、对于急停功能我们采用断电源的方法，因此对于急停功能的处理就不进PLC。
这样也可以省下PLC的一个输入点。
还有照明电路、抱闸制动、润滑和一些指示电路是为了工作的方便而设计的电路，也不进入PLC。
3、其他控制电路则通过PLC编程器来完成。
由于机床有两种工作方式：
手动和自动。
手动控制采用经验设计法而自动控制以顺序控制法为主。
自动工作方式的形式：
全自动循环、单I、单II、断左机、断右机。
全自动循环过程：
从Ⅰ工位→Ⅱ工位→Ⅰ工位。
全自动循环和单I、单II、断左机、断右机都有共同的加工过程，因此可在工件夹紧要进行自动循环时通过工位选择开关SA2、SA3、SA4或者都不选择来选择是进行断左机、断右机、单I、单II还是全自动循环。
它们的区别在于：
1单I、单II与全自动循环的比较只是单独在一个工位工作而已，其他一样。
2断左机与全自动循环的比较只是左电机整个部分一直处于原位没有运动。
3断右机与全自动循环的比较只是左电机整个部分一直处于原位没有运动。
自动循环的轮廓确定后，我们完善了一些功能：
卸荷以及油路保护等。
油路保护是在PLC工作后，油压信号一直没到，就进入油路保护程序，待检查完，再按油路复位按钮进入返回初态；卸荷是在工件松开后，长时间没有按起动按钮，即长时间没有工作，油泵就进入卸荷状态。
等待要继续工作时，按下起动按钮后，待油压信号到，工件就夹紧进入自动循环过程。
第二章电气原理图设计
2.1主电路
主电路由七台电机控制。
M1为油泵电机，M2控制右主轴的转动，M3控制右工进，M4控制右快进，M5控制左主轴的转动，M6控制左工进，M7控制左快进。
接触器KM1~KM9的主触点控制电机的转动。
其中KM2触点闭合，右主轴电机转动；KM3触点闭合，右工进电机转动；KM4～KM5触点闭合，右快进和右快退电机转动；KM6触点闭合，左主轴的转动；KM7触点闭合，左工进电机转动；KM8～KM9触点闭合，左快进、左快退电机转动；KM1触点闭合，油泵电机起动；熔断器在电路中起短路保护作用，其中FU1对七台电机起保护作用；FU2保护M1油泵电机；FU7对控制电路进行过流保护。
热继电器FR1~FR7分别对七台电动机负载的过载保护。
如图2-1。
图2-1主电路
2.2PLC外围控制电路
控制电路包括以下环节:
1、指示灯—电源指示，油泵指示，工作指示，照明指示。
2、主轴控制—左主轴和右主轴.
3、车刀控制—横进和横退.
4、工作位控制—Ⅰ工位和Ⅱ工位
5、卸荷控制
6、工件松紧控制
7、抱闸制动控制
8、润滑控制
9、油泵起动
根据上述的环节分类,可画出控制电路的原理图。
如图2-2
图2-2外围控制电路
2.3PLC的I/O分配表
按照生产工艺的要求，本系统采用S7-200系列PLC，共有I/O点40个满足需要。
本系统有自动和手动两种工作状态。
如图表2-1
编程元件
I/O端子
电器元件
作用
输入继电器
I0.0
SQ4
左原位
I0.1
SQ6
右原位
I0.2
SQ8
松开到位
I0.3
SA1
半自动、调整
I0.4
SB1
夹紧
（1）
I0.5
SB2
夹紧
（2）
I0.6
SB7
循环启动
（1）
I0.7
BS8
循环启动
（2）
I1.0
SB9
向前
I1.1
SP0
夹紧压力继电器
I1.2
SA2
右通
I1.3
SP1
右滑台压力继电器
I1.4
SQ3
右滑台终点
I1.5
SB10
向后
I1.6
SA3
左通
I1.7
SP2
左滑台压力继电器
I2.0
SQ5
左滑台终点
I2.1
SB3
松开
I2.2
SQ8
松开到位
输出继电器
Q0.0
1003
原位辅助
Q0.1
0500
原位指示
Q0.2
1004
半自动、调整
Q0.3
0507
夹紧
（1）
Q0.4
0508
松开
（1）
Q0.5
0509
夹紧
（2）
Q0.6
0510
松开
（2）
Q0.7
0511
夹紧
（2）
Q1.0
1000
左终点
Q1.1
0503
左动力头快进
Q1.2
0504
左动力头后退
Q1.3
O501
左原位
Q1.4
0505
右动力头快进
Q1.5
1001
右终点
Q1.6
0506
右动力头后退
Q1.7
0502
左主轴控制
Q2.0
0600
松开（3）
Q2.1
1002
总加工完成记忆
表2-1plci/o接口分配表
2.4面板图
1、控制面板图的设计要使整个系统的控制处于方便、快捷、集中、紧凑；
2、在场地允许条件下对发热厉害，噪声振动大的电气部件放在离操作者较远的地方或隔离起来；
3、对于多工位加工的大型设备，应考虑两地操作的可能；
4、总电源紧急停止控制应安放在方便而明显的位置。
如图2-3
图2-3控制面板图
第三章电器元件选择
3.1元件选择依据
3.1.1PLC的选择
S7-200系列PLC是西门子公司20世纪90年代推出的整体式小型可编程控制器。
早些时候称为CPU21X，其后的改进型称为CPU22X。
其结构紧凑、功能强，具有很高的性能价格比，在中小规模控制系统中应用广泛。
S7-22X系列PLC可提供5种不同的基本单元和多种规格的扩展单元。
其系统构成除基本单元、扩展单元外，还有编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。
表2-2给出了22X系列CPU的基本配置。
从表中可以看出，22X系列CPU具有很强的功能，如自带高速计数器、通讯口、具有脉冲输出功能、实时时钟、能进行浮点运算等。
此外，S7-200系列PLC允许在程序中立即读写输入、输出口，允许在程序中使用中断，允许设定通讯任务的处理时间，允许设置停止模式数字量输出状态，可以由用户自己定义存储器的掉电保护区，可以允许数字量时间，允许设置停止模式数字量输出状态，可以由用户自己定义存储器的掉电保护区，可以允许数字量及模拟量输入加滤波器，还具有窄脉冲捕捉功能，为复杂的工业控制提供了方便。
特性
CPU221
CPU222
CPU224
CPU226
CPU226XM
外型尺寸/mm×mm×mm
90×80×62
90×80×62
120.5×80×62
190×80×62
190×80×62
程序存储区
2048字
2048字
4096字
4096字
8192字
数据存储区
1024字
1024字
2560字
2560字
5120字
掉电保持时间/h
50
50
190
190
190
本机I/O
6入/4出
8入/6出
14入/10出
24入/16出
24入/16出
扩展模块数量
0
2
7
7
7
高速计数器
单相
双相
4路30KHZ
2路20KHZ
4路30KHZ
2路20KHZ
6路30KHZ
4路20KHZ
6路30KHZ
4路20KHZ
6路30KHZ
4路20KHZ
脉冲输出（DC）
2路20KHZ
2路20KHZ
2路20KHZ
2路20KHZ
2路20KHZ
模拟电位器
1
1
2
2
2
实时时钟
配置时钟卡
配置时钟卡
内置
内置
内置
通讯口
1RS-485
1RS-485
1RS-485
2RS-485
2RS-485
表2-2plc对比图
3.1.2接触器的选择
油泵电机的一些参数：
~380V3.0A1.1KW
左右主轴电机的一些参数：
~380V8.4A4.0KW
左右快速电机的一些参数：
~380V4.9A2.2KW
左右工速电机的一些参数：
~380V3.0A1.1KW
根据以上参数选出接触器的型号：
KM1、KM3、KM4、KM5、KM7、KM8、KM9的型号CJ20-6.3，KM2、KM6的型号CJ0-20。
3.1.3热继电器的选择
一般情况下热元件额定电流按电动机额定电流来选择。
对于过载能力较差的电动机，热元件额定电流应适当降低。
热继电器的额定电流大于等于热元件的额定电流，热继电器的额定电压大于或等于线路和额定电压，根据车镗专机电气原理图及上述电动机的一些参数其型号可选JR20-10/9R，JR20-10/11R，JR20-10/14R等。
3.1.4熔断器的选择
1、熔体额定电流的选择
熔体额定电流与负载大小、负载性质有关。
对于一般照明电路、电热电路等负载：
可按负载电流大小来确定熔体的额定电流
对于电动机负载:
单台:
INP=（1.5~2.5）INM
多台:
INP=（1.5~2.5）INMmax+∑INM
2、熔断器额定电流与额定电压的选择
熔断器额定电流大于或等于熔体的额定电流
熔断器额定电压大于或等于电路的工作电压
3、是否带指示等功能
3.1.5行程开关与刀开关的选择
刀开关参数选择：
极数，额定电流，额定电压，通断能力等
行程开关参数选择：
操作头的结构，自动复位或非自动复位，长挡铁与短挡铁，触点的数量。
3.1.6组合开关与万能转换开关的选择
1、组合开关参数选择：
位数（2~4）、极数（1~4）、额定电流（≤100A）、额定电压（≤380V）、通断能力等
2、组合开关类型选择：
HZ5系列普通型组合开关（10A/20A/40A/60A）
HH10系列组合开关（10A/25A/60A/100A）
3、万能转换开关参数选择：
位数，接线图编号，额定电流，额定电压，通断能力等。
3.1.7主令电器的选择
应根据使用场所，结构型式，触头数及颜色来进行选择。
3.1.8指示灯的选择
1、额定电压：
交流6/12/24/36/48/110/220/380V
直流6/12/24/36/48/110/220V
2、尺寸：
∮10/∮12/∮16/∮22/∮25/∮30
3、形状：
球形/园平头/方形/长方形
4、颜色：
红、绿、黑、黄、白、蓝等
5、发光源：
LED、白炽灯泡和氖泡
]
第四章软件设计
4.1车镗专机控制流程
自动程序采用顺序控制设计法
设计思路：
判断油压是否到位（到T0后如果油压没有上升报警）—手/自动选择（假如是自动加工）—判断是否夹紧—原位判断（假如工作台不在原位则快退回原位，包括左原点、右原点、横原点）—当工作台都回到原位的时候原位指示灯HL1亮并进行工位判断（若工作台不在Ⅰ工位则YV4得电工作台回Ⅰ工位）—工作台松开，当工件放上去时，再次手自动判断—按启动按钮，工作台再次夹紧，工作指示灯亮（当工作台松开时长时间没有按下启动按钮则直接卸荷）—工作循环方式选择，判断是否是Ⅱ工位加工（因为Ⅰ工位加工与全循环加工的前面部分一样，所以只要判断是否是Ⅱ工位加工）—左右断机判断—快进（到工进点）—工进（到终点，假如是右工作台加工还需进行端面加工）—快退（Ⅰ工位加工退到原点，全循环加工退到工进点）—判断是否是Ⅰ工位加工（若不是则进行Ⅱ工位加工）—Ⅱ工位快进、工进、快退（Ⅱ工位加工到终点是还需延时一段时间，去除毛刺）
—回Ⅰ工位。
如图4-1
图4-1车镗专机控制流程图
4.2plc程序系统程序设计
根据功能表图的流程顺序，来画梯形图。
画是应该主要每运行一次要线圈复位一次。
I/O图点数确定：
输入点部分：
油压信号BP1、夹紧信号BP2、Ⅰ工位限位SQ5、Ⅱ工位限位SQ6、左原点SQ8、右原点SQ1、横原点SQ4、左转工SQ9、右转工SQ2、左终点SQ10、右终点SQ3、横终点SQ7、手/自动选择SA1、工作循环方式选择SA2、工作按钮SB2、左主轴对刀SB3、右主轴对刀SB4、左快进SB5、左快退SB6、右快进SB7、右快退SB8、手动松开SA3、手动移位SB9、左断机SA4、右断机SA5、上位机/下位机转换SA6。
（因为工作循环方式有全工、Ⅰ工、Ⅱ工三种方式所以工作循环方式选择SA2用两个输入点X12、X13）
其中手动加工部分有：
左主轴对刀SB3、右主轴对刀SB4、左快进SB5、左快退SB6、右快进SB7、右快退SB8、手动松开SA3、手动移位SB9
为了合理使用I/O点数，尽量减少所需的I/O点数，用分组输入的方法来减少输入点数：
车镗专机控制系统中有自动和手动两种工作方式，其中手、自动加工共同用到的部分有：
油压信号BP1、夹紧信号BP2、Ⅰ工位限位SQ5、Ⅱ工位限位SQ6、左原点SQ8、右原点SQ1、左终点SQ10、右终点SQ3、上位机/下位机转换SA6。
用手/自动选择SA1来切换“手动”还是“自动”信号的输入电路，另外SQ9与SB3共用一个输入点X16、SQ2与SB4共用一个输入点X17、SA4与SB7共用一个输入点X20、SA5与SB8共用一个输入点X21、SQ4与SB5共用一个输入点X22、SQ7与SB6共用一个输入点X23。
图中二极管的为了防止出现寄生回路，产生错误输入信号而设置的。
输出点部分：
原位指示HL1、工作指示HL2、左主轴电机KM2、右主轴电机KM3、左快进电机KM4、左快退电机KM6、左工进电机KM8、右快进电机KM5、右快退电机KM7、右工进电机KM9、Ⅰ工位转Ⅱ工位电磁阀YV3、Ⅱ工位转Ⅰ工位电磁阀YV4、卸荷YV1、夹紧/松开YV2、横进YV5、横退YV6。
输出点部分I/O点数比较少故不要使用减少I/O点数的措施。
程序设计如下：
4.3程序调试过程
按功能表图的流程顺序来调试程序，调试的过程应该符合设计的控制要求，主要能执行全自动、单I、单II、断左、右机、手动。
第五章设计小结
此次课程设计是我们从大学毕业生走向社会建设重要的一步。
设计期间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复修改图纸，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。
通过这次实践，我了解了车镗专机PLC控制系统的用途及工作原理，熟悉了车镗专机PLC控制系统的设计步骤，锻炼了工程设计实践能力，培养了自己独立设计能力。
此次设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身。
此次设计收获很多，比如学会了查找相关资料相关标准，分析数据，提高了自己的绘图能力，懂得了许多经验公式的获得是前人不懈努力的结果。
同时，仍有很多课题需要后辈去努力去完善。
但是此次也暴露出自己专业基础的很多不足之处。
比如缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解，等等。
这次实践是对自己大学3年所学的一次大检阅，使我明白自己知识还很浅薄，在车镗专机控制系统的设计中我对PLC的设计原理，PLC梯形图、指令表、外部接线图等有了更深的了解。
从而在PLC的工程项目上有了更深的认识。
参考文献
李建兴．可编程序控制器应用技术．北京：
机械工业出版社，2004
方承远．电气控制原理与设计．北京：
机械工业出版社，2000
刘光源．电工实用手册、简明电气安装手册
吕砚山．常用电工电子技术手册
常恒毅可编程序控制器北京：
人民邮电出版社，1991
求是科技PLC应用开发技术及工程实践[M]人民邮电出版社2005
丁筱玲赵立新PLC在机械手控制系统上的应用[J]山东农业大学学报，2006
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