毕业设计论文东芝数控机床PLC设计.docx
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毕业设计论文东芝数控机床PLC设计
毕业设计（论文）-东芝数控机床PLC设计
电气工程系毕业设计说明书
东芝数控机床PLC设计
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指导教师:
摘要
PLC技术在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。
特别是运用在机床上，在加工精度和效率上有大大提高，本说明书就完成了TOSNUC70—L数控系统机床的主轴、刀架、冷却、润滑系统的电气原理以及PLC程序设计，运用CAD绘图软件完成了PLC输入输出联系图、强电回路图等图纸，介绍了相关外围部件的组成及系统连接。
本说明书基本内容:
1.系统的基本组成
2.各部件的组成包括电气原理图,PLC程序图等
3.总体PLC程序图,原理图
关键词:
主轴单元驱动单元刀架系统
Keyword:
SpindleunitDriveunitToolrestsystem
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前言………………………………………………………………………………………………（3）一、数控系统的组成……………………………………………………………………………（4）
（一）CNC装置…………………………………………………………………………………（4）
（二）伺服单元…………………………………………………………………………………（4）（三）驱动单元…………………………………………………………………………………（4）（四）可编程逻辑控制（PLC）………………………………………………………………（5）（五）机床本体…………………………………………………………………………………（5）二、PLC程序设计………………………………………………………………………………（6）
（一）PLC程序设计的一般步骤………………………………………………………………（6）
（二）PLC程序设计的一般原则………………………………………………………………（7）（三）设计时应考虑的问题……………………………………………………………………（7）（四）主轴系统…………………………………………………………………………………（8）（五）定时润滑系统……………………………………………………………………………（13）（六）冷却系统…………………………………………………………………………………（15）（七）刀架部分…………………………………………………………………………………（16）（八）PLC程序………………………………………………………………………………（19）（九）I/O分配表………………………………………………………………………………（21）三、PLC程序调试………………………………………………………………………………（27）
（一）输入程序…………………………………………………………………………………（27）
（二）检查电气线路……………………………………………………………………………（27）（三）模拟调试…………………………………………………………………………………（27）（四）运行调试…………………………………………………………………………………（27）（五）非常规调试，验证安全保护和报警的功能……………………………………………（27）（六）安全检查并投入考验性试运行…………………………………………………………（27）四、原理图………………………………………………………………………………………（28）
（一）系统联系图………………………………………………………………………………（28）
（二）电缆联接图………………………………………………………………………………（30）（三）控制开关联系图…………………………………………………………………………（34）（四）主轴模拟输出联系图……………………………………………………………………（34）（五）主轴变频器………………………………………………………………………………（35）（六）机床直接输入联系图……………………………………………………………………（35）（七）PLC输入图………………………………………………………………………………（36）（八）PLC输出图………………………………………………………………………………（39）（九）强电回路电气原理图……………………………………………………………………（40）五、结束语………………………………………………………………………………………（41）六、参考文献……………………………………………………………………………………（42）七、致谢…………………………………………………………………………………………（43）
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前言
数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比，是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。
数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视，并得到了迅速的发展。
数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比，是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。
数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视，并得到了迅速的发展。
可编程控制（PLC）作为工控机的一员,在主要工业国家中成为自动化系统的基本电控装置。
它具有控制方便、可靠性高、容易掌握、体积小、价格适宜等特点。
据统计,当今世界PLC生产厂家约150家,生产300多个品种。
预计到2000年,销售额约为86亿美元,占工控机市场份额的50%,PLC将在工控机市场中占有主要地位,并保持继续上升的势头。
随着PLC技术的发展,它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。
特别是运用在机床上，在加工精度和效率上有大大提高，本说明书就数控车床的PLC程序进行设计编写，包括主轴、刀架、冷却、润滑等部分的程序。
由于本人水平有限，能力欠缺，在编写中还存在很多不足与错误，恳请老师批评指正～
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一、数控系统的组成
数字控制机床是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的机床，它是数控技术的典型应用。
数控系统是实现数字控制的装置，计算机数控系统是以计算机为核心的数控系统。
计算机数控系统的组成如图1-1所示:
图1-1计算机数控系统组成框图
（一）CNC装置
CNC装置是计算机数控系统的核心，它包括微机处理器CPU、存储器、局部总线、外围逻辑电路以及与CNC系统其他组成部分联系的接口及相应控制软件。
CNC装置根据输入的加工程序进行运动轨迹处理和机床输入信号的处理，然后输出控制命令到相应的执行部件，如伺服单元、驱动装置和PLC等，使其进行规定的、有序的动作。
CNC装置输出的信号有各坐标轴的进给速度、进给方向和位移指令，还有主轴的变速、换向和启停信号，选择和交换刀具的指令，控制冷却液、润滑油启停，工件和机床部件松开、夹紧，分度工作台转位辅助指令信号等。
这个过程是由CNC装置内的硬件和软件协调完成的。
（二）伺服单元
伺服单元分为主轴伺服和进给伺服，分别用来控制主轴电动机和进给电动机。
伺服单元接收来自CNC装置的进给指令，这些指令经变换和放大后通过驱动装置转变成执行部件进给的速度、方向、位移。
因此伺服单元是数控装置与机床本体的联系环节，它把来自数控装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。
根据接收指令的不同，伺服单元有脉冲单元和模拟单元之分。
伺服单元就其系统而言又有开环系统、半闭环系统和闭环系统之分，其工作原理亦有差别。
（三）驱动装置
驱动装置将伺服单元的输出变为机械运动，它与伺服单元一起是数控装置和机床传动部件间的联系环节，它们有的带动工作台，有的带动刀具，通过几个轴的综合联动，使刀具相对于工件产生各种复杂的运动，加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。
与伺服单元相对应，驱动装置有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机等。
伺服单元和进给驱动装置合称为进给伺服驱动系统，它是数控机床的重要组成部分，它包含机械、电子、电动机等各种部件，涉及强电与弱电的控制。
数控机床的运动速度、跟踪及定位精度、加工件表面质量、生产率及工作可靠性，往往主要决定于伺服系统的动态和静态性能，数控机床的故障也主要出现在伺服系统上。
提高伺服系统的技术水平和可靠性，研究与开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。
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（四）可编程逻辑控制器（PLC）
可编程逻辑控制器（PLC）是一种专为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统。
它采用可编程序的控制器，用来执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算操作等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械设备和生产过程。
当PLC用于控制机床顺序动作时，称为PMC（ProgrammableMachineController）模块,它CNC装置中接收来自操作面板，机床上的各行程开关、传感器、按钮，强电柜中的继电器以及主轴控制，刀库控制的有关信号，经处理后输出有关信号，控制相应器件的运行。
CNC装置和PLC协调配合共同完成数控机床的控制，其中CNC装置主要完成与数字运算和管理等有关的功能，如零件程序的编辑、插补运算、译码、位置伺服控制等;PLC主要完成与逻辑运算有关的一些动作，没有轨迹上的具体要求，它接受CNC装置的控制代码M指令（辅助功能）、S指令（主轴转速）、T指令（选刀、换刀）等顺序动作信息，对其进行译码，转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作，如工件的装夹、刀具的更换、冷却液的开与关等一些辅助动作;它还接受机床操作面板的指令，一方面直接控制机床的动作，另一方面将一部分指令送往CNC装置，用于加工过程的控制。
（五）机床本体
机床本体即数控机床的机械部件，包括主运动部件，进给运动执行部件（工件台、拖板及其传动部件）和支承部件（床身立柱等），还包括具有冷却、润滑、转位和夹紧等功能的辅助装置。
加工中心类的数控机床还有存放刀具的刀库、交换刀具的机械手等部件。
数控机床机械部件的组成与普通机床相似，只是由于数控机床的高速度、高精度、大切屑用量和连续加工要求，其机械部件在精度、刚度、抗震性等方面要求更高。
因此，近年来设计数控机床是采用了许多新的加强刚性、减小热变形、提高精度等方面的措施。
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二、PLC程序设计
目前数控机床特别是通用数控机床的各项功能，例如主轴控制、车床刀架转位、加工中心刀库
停等已经标准化，各种数控系统一般都内置或提供满足这些功能的PLC程的换刀、润滑、冷却的启/
序。
采用独立型PLC时，一般厂家也会提供满足通用数控机床要求的标准PLC程序。
因此，设计PLC程序最重要的方法就是详细了解并参考系统提供的标准PLC程序。
（一）PLC程序设计的一般步骤
1（工艺分析
首先，对被控机床设备的工艺过程、工作特点、控制系统的控制过程、功能和特性进行分析，估算I/O开关量的点数、I/O模拟量的接口数量和精度要求，从而对PLC提出整体要求。
2（系统调研
根据设备的要求，对初步选定的数控系统进行调研，了解其所提供的PLC系统的功能和特点，包括PLC的类型、接口种类和数量、接口性能、扩展性、PLC程序的编制方法、售后服务等内容，有必要可以和供应商直接联系。
3（确定方案
根据前两步的工作，综合考虑数控系统和PLC系统的功能、性能、特点、本单位的需要和使用习惯，以及整机性价比确定PLC系统的方案。
在选择独立型PLC时主要考虑以下4个因素:
（1）功能范围。
PLC功能有强弱之分，价格差别很大，应根据系统的实际需要选用。
功能方面主要考虑有无扩展能力，有无模拟量输入、输出，指令系统是否完善，有没有中断能力和联网能力等。
（2）I/O点数。
统计系统设计中所需要输入/输出的种类及数量，以便确定选用I/O模块的种类及数量。
一般都有一定数量的扩展单元供用户配置。
选用时在满足需要的前提下注意经济性。
（3）储存器容量。
根据系统大小不同，选择用户储存器容量不同的PLC。
一般厂商提供1KB、2KB、4KB、8KB、16KB程序不等容量的存储器。
选择方法主要凭经验估算，其估算方法有下列两种:
a）PLC内存容量（指令条数）约等于I/O总点数的10~15倍;
Tm为定时器总数，Ctr为计数器总数。
有时可b）指令条数=6×（I/O）+2×（Tm+Ctr）,式中，
在其基础上增加20%的裕量。
（4）处理时间。
PLC从处理一个输入信号到产生一个输出信号所需的时间称为处理时间。
处理时间的长短不仅决定于CPU的循环扫描周期，还与输出继电器的机械滞后、输入信号的到来时刻，以及程序语句的安排有密切的关系。
当PLC的扫描周期为20ms时，一个交流输入信号的处理时间可达60ms左右，这对于一般工业控制系统来说已足够灵敏，对某些要求输入/输出作出快速响应的设备，可采用快速响应模块、高速计数模块及中断处理等措施来缩短处理时间。
（5）若采用的PLC自带有程序，应该详细了解程序已有的功能和对现有需求的满足程度和可修改性。
尽量采用PLC自带的程序。
（6）将所有与PLC相关的输入信号（按钮、行程开关、速度及温度等传感器），输出信号（接触器、电磁阀、信号灯等）分别列表，并按PLC内部接口范围，给每个信号分配一个确定的编号。
（7）详细了解生产工艺和设备对控制系统的要求。
画出系统各个功能过程的工作循环图或流程图、功能图及有关信号的时序图。
（8）按照PLC程序语言的要求设计梯形图或编写程序清单。
梯形图上的文字符号应按现场信号与PLC内部接口对照表的规定标注。
4（电气设计
PLC控制系统的电气设计包括这些内容:
原理图、元器件清单、电柜布置图、接线图与互连图，如果是定型设备还包括工艺图，电气设计时特别要注意以下几点:
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（1）PLC输出接口的类型，是继电器输出还是光电隔离输出等。
（2）PLC输出接口的驱动能力，一般继电器输出为2A，光隔输出为500mA。
（3）模拟量接口的类型和极性要求，一般有电流型输出（-20Ma,+20mA）和电压型输出（-10V,+10V）两种可选。
（4）采用多直流电源时的共地要求。
（5）输出端接不同负载类型时的保护电路。
执行电器若为感性负载，需接保护电路，电源为直流可加续流二极管，电源为交流可加阻容吸收电路。
（6）若电网电压波动较大或附近有大的电磁干扰源，应在电源与PLC间加设隔离变压器、稳压电源或电源滤波器。
（7）注意PLC的散热条件，当PLC的环境温度大于55?
时，要用风扇强制冷却。
（二）PLC程序设计的一般原则
（1）保证人身与设备安全的设计永远都不是多余的。
（2）PLC程序的安全设计，并不代表硬件的安全保护可以省略。
（3）了解PLC自身的特点。
（4）设计调试点易于调试。
（5）模块化设计。
（6）尽量减少程序量。
（7）全面的注释，便于维修。
（三）设计时应考虑的问题
1（急停
当出现紧急情况时，可以按下急停按钮避免故障和事故进一步扩大。
因此，急停按钮必须能停止各运动部件，如进给轴、主轴、刀架等。
常用的方法是:
通过急停按钮关闭所有动力电源，只保留控制电源;也可以用急停按钮关闭各运动部件驱动器的使能信号来实现，但如果驱动器失控，这种方法则失效。
急停的安全互锁必须在电气设计中实现。
2（限位
当进给轴或其他有位置要求的移动部件超出设计的行程时，则通过限位信号进行保护。
限位信号一方面需要在出现限位的时刻禁止移动部件的移动，另一方面，还要通知CNC限位的方向，这样当用超程解除等方式脱离限位状态时，不会因为误操作而进一步扩大超行程的程度，即只允许移动部件向与限位方向相反的方向移动。
限位的安全互锁一般在电气设计和软件设计两个方面实现。
3（进给驱动装置
数控机床在自动加工中通常进给运动是有一个以上的进给装置同时完成的，因此，当某个进给驱动装置出现报警时，必须停止自动加工状态。
上面进给驱动装置的安全互锁一般在软件中实现。
4（主轴单元
数控机床主轴的回转运动带动刀具或工件产生切削运动，因此
（1）当主轴报警时必须禁止回转运动，以防止损坏刀具或主轴。
（2）当主轴运动时，必须禁止刀具松/紧和自动换刀等，因为这些过程是处在需要静止的状态。
（3）若主轴有多个挡位，则主轴换挡未成功时，必须禁止主轴的连续运动和机床的自动加工。
上述第
（1）项与第（3）项一般在软件设计中实现;而第
（2）项一般在电气设计中实现。
5（三相异步电动机换向
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三相异步电动机通过调换任意两相电源，来改变电动机的旋转方向，如图2-1所示。
如果控制正转和反转的两个交流接触器同时闭合，则三相电源中的两相就会发生短路，因此这两个交流接触器的控制必须进行双向安全互锁如图2-2所示。
另外交流接触器的接通、释放有一定的时间滞后，若两个交流接触器的控制线圈同时得电，仍然会有一个瞬间同时接通的过程，使得电源瞬时短路，因此在软件设计中也要设计正转和反转的安全互锁。
图2-1主轴正反转主电路图2-2主轴正反转控制电路6（换刀
（1）换刀过程中或换刀失败，特别是铣床要禁止主轴的运动，相应的也要禁止系统的自动加工进给。
（2）自动换刀镗铣床若采用机械手或盘式刀库，在松刀和紧刀的过程中必须禁止Z轴的移动。
（3）自动换刀镗铣床刀库靠近主轴的过程中要禁止Z轴的移动
（4）刀具未夹紧时禁止主轴旋转，通常也应该禁止机床的自动进给。
（四）主轴系统
1（过程分析
主轴的控制包括正转、反转、停止、制动和冲动等。
要求按正转按钮时电动机正转;按反转按钮时电动机反转;按停止按钮时电动机停止，并控制制动器制动2s;按下冲动按钮电动机正转0.5s，然后停止;电动机过载报警后正/反转按钮和冲动按钮无效。
2（安全互锁
数控机床主轴的回转运动带动刀具或工件产生切削运动，因此
（1）当主轴报警时必须禁止回转运动，以防止损坏刀具或主轴。
（2）当主轴运动时，必须禁止刀具松/紧和自动换刀等，因为这些过程是处在需要静止的状态。
（3）若主轴有多个挡位，则主轴换挡未成功时，必须禁止主轴的连续运动和机床的自动加工。
上述第
（1）项与第（3）项一般在软件设计中实现;而第
（2）项一般在电气设计中实现。
3（程序设计
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电气部分的设计如图2-3所示，主轴为普通三相异步电动机，有交流接触器控制正/反转;继电器采用直流24V供电，自带续流二极管;交流接触器采用交流110V供电。
（a）主轴强电电路（b）接触器控制电路
（c）PLC输入/输出
图2-3主轴电气控制电路图
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电气工程系毕业设计说明书图中各器件的含义表1
序号名称含义序号名称含义1QF3主轴带过载保护电源空开2KM3主轴正转交流接触器3KM4主轴反转交流接触器4KA1由急停控制的中间继电器5KA4主轴正转中间继电器6KA5主轴反转中间继电器7KA6主轴制动中间继电器8KA9刀具松紧继电器9SB11主轴正转按钮10SB12主轴反转按钮11SB13主轴停止按钮12SB14主轴冲动按钮13RC2三相灭弧器14RC7，RC8单相灭弧器与主轴控制有关的输入/输出寄存器包括:
输入寄存器:
X800——正转;X801——反转;X802——停止;X803——冲动;X804——报警;
输出寄存器:
YE03——正转;YE02——反转;YE04——制动;YE05——松刀。
在电气安全互锁设计方面，主轴正/反转在接触器和继电器分别进行了安全互锁;主轴正/反转
对刀具松进行了安全互锁;急停对主轴运转进行了安全互锁。
指令语句表程序如下:
1（LDX800读取主轴正转按钮
2（ORR0.0R0.0自锁
3（ANDX804无报警
4（ANIYE05刀具未松开
5（ANDX802停止按钮未按下（停止按钮硬件上是常闭间接）
6（ANIYE02反转无输出
7（ANIYE04主轴未制动
8（OUTR0.0输出中间变量R0.0，并自锁
——主轴正转条件都满足，则按下正转按钮后，输出R0.0并自锁——
9（LDX803读取主轴冲动按钮
10（ORR0.1R0.1互锁
11（ANIT1若T1计时未完成
12（OUTR0.1输出R0.1
13（OUTTIK5T1计时0.5s
——按下主轴冲动按钮后，R0.1输出0.5s后关闭——
14（LDR0.0读取R0.0
15（ORR0.1或R0.0
16（ANDX804无报警
17（ANIYE05刀具未松开
18（ANDX802停止按钮未按下
19（ANIYE02反转无输出
20（ANIYE04主轴未制动
21（OUTYE03输出YE03控制主轴正转
——主轴正转条件满足后，R0.0和R0.1任意一个有输出则输出YE03控制主轴正转，实现了主
轴连续正转和每次按下主轴冲动按钮，主轴正向冲动0.5s的功能——
22（LDX802读取主轴停止按钮
23（ORYE04主轴制动自锁
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24（ANIT2若T2计时未完成
25（OUTYE04输出主轴制动
26（OUTT2K20T2计时2s
——按下主轴停止按钮后，YE04输出制动主轴2s后断开——
27（LDX801读取主轴反转按钮
28（ORYE02主轴反转自锁
29（ANDX804无报警
30（ANIYE05刀具未松开
31（ANDX802停止按钮未按下
32（ANIY800正转无输出
33（ANIYE04主轴未制动
34（OUTYE02输出YE02控制主轴反转
35（END
——主轴反转条件都满足，则按下反转按钮后，输出YE02并自锁——
主轴PLC程序如下:
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4（主轴驱动装置的接口
（1）主轴驱动装置最基本的接口图:
上图所示，采用三相交流380V电源供电;速度指令由3、4脚输入（图中通过电位器获得，在数控机床上一般由数控装置或PLC的模拟量输出接口输入），指令电压范围是直流0~10V;主轴电动机的启动/停止以及旋转方向由外部开关S1、S2控制，当S1闭合时电动机正转，当S2闭合时电动机反转，若S1、S2同时都断开或闭合则电动机停止，也可以定义为S1控制电动机的启动和停止，S2控制电动机的旋转方向。
变频器根据输入的速度指令和运行状态指令输出相应频率和幅值的交流电源，控制电动机旋转。
（2）具有反馈矢量控制的变频器的典型接口图:
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（五）定时润滑系统
1（过程分析
由PLC控制润滑电动机实现自动润滑功能，代替自动润滑站。
数控机床通电工作后，定时润滑即开始自动执行，不受外部按钮或M指
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