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1、某组合机床的电气控制系统设计电气控制与 PLC课程设计说明书题 目： 某组合机床的电气控制系统设计专业班级：姓 名：学 号：指导教师：成绩：指导老师签名：日期：1系统概述 2. .2方案论证 3. .3硬件设计 6. .3.1系统的原理方框图 6.3.2主电路 6. .3.3I/O 分配 9. .3.3I/O 接线图 1.1.3.4元器件选型 1.1.4软件设计 1.3.4.1主流程 1.3.4.2梯形图 1.5.5系统调试 1.6.设计心得 1.8.参考文献 1.9.附电气控制原理图 2.0.1系统概述组合机床是以通用部件为基础， 配以按工件特定形状和加工工艺设计的专用 部件和夹具，组成的半

2、自动或自动专用机床。组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式，生 产效率比通用机床高几倍至几十倍。 由于通用部件已经标准化和系列化， 可根据 需要灵活配置， 能缩短设计和制造周期。 因此，组合机床兼有低成本和高效率的 优点，在大批、大量生产中得到广泛应用，并可用以组成自动生产线。组合机床一般用于加工箱体类或特殊形状的零件。 加工时，工件一般不旋转， 由刀具的旋转运动和刀具与工件的相对进给运动，来实现钻孔、扩孔、锪孔、铰 孔、镗孔、铣削平面、切削内外螺纹以及加工外圆和端面等。有的组合机床采用 车削头夹持工件使之旋转，由刀具作进给运动，也可实现某些回转体类零件 （如飞轮、汽车

3、后桥半轴等 ）的外圆和端面加工。随着 PLC 控制技术日益成熟并得到越来越广泛的应用，利用原有的继电器 接触器控制电路设计 PLC 控制系统，或直接进行 PLC控制系统的设计，都能 很好地满足组合机床自动化控制的要求。本次设计的要求如下：1# 2#如图所示为某一组合机床的示意图，左面为 1#箱体移动式动力头。主轴电机M1 为 5.5KW 、1440转/分钟， 1#箱体的进给电机为 M3为 1.5KW 、1450转/ 分钟，工进与快进采用电磁铁 YV1 （DC24V，10W）进行切换；右面为 2#箱体 移动式动力头。主轴电机 M2 为 5.5KW、1440 转/分钟， 2#箱体的工作进给电机 为

4、 M4，为 1.5KW、1450 转/分钟，工进与快进采用电磁铁 YV2（DC24V，10W） 进行切换。 SQ1为左动力头的原位限位， SQ3 为左动力头的快进限位， SQ5 为左 动力头的工进限位， SQ2为右动力头的原位限位， SQ4 为右动力头的快进限位， SQ6为右动力头的工进限位，具体要求如下：1.左、右两动力头均要求快进工进快退的工作循环。2.可使左、右两动力头同时工作，也可进行单独调整3.加工过程中需要进行冷却。4.应有电源有信号指示，动力头正在工作信号指示5.应有局部照明必要的保护环节。2方案论证组合机床的电气控制 ,理论上讲 ,可以采用继电器接触器电气控制系统，单片 机控制

5、系统和 PLC 控制系统来实现。但是在实际工程中往往选择一种经济、有 效、性能优越的控制方案，考虑到上述几点， PLC 较适合组合机床的电气控制 PLC 与单片机、继电器 -接触器控制系统相比具有以下优点：1PLC 与继电器 -接触器相比较：继电器-接触器控制系统自上世纪二十年代问世以来，一直是机电控制的主 流。由于它的结构简单、使用方便、价格低廉，所以使用广泛。它的缺点是动作 速度慢，可靠性差， 采用微电脑技术的可编程顺序控制器的出现， 使得继电接触 式控制系统更加逊色。 PLC 等取代继电接触式控制逻辑。具体如下：(1)控制逻辑 继电接触式控制系统采用硬接线逻辑，它利用继电器等的触点串联、

6、并联、 串并联，利用时间继电器的延时动作等组合或控制逻辑，连线复杂、体积大、功 耗也大。当一个电气控制系统研制完后， 要想再做修改都要随着现场接线的改动 而改动。特别是想要能够增加一些逻辑时就更加困难了，这都是硬接线的缘故。 所以，继电接触式控制系统的灵活性和扩展性较差。可编程控制器采用存储逻辑。 它除了输入端和输出端要与现场连线以外， 而 控制逻辑是以程序的方式存储在 PLC 的内存当中。若控制逻辑复杂时，则程序 会长一些， 输入输出的连线并不多。 若需要对控制逻辑进行修改时， 只要修改程 序就行了，而输入输出的连接线改动不多，并且也容易改动，因此， PLC 的灵活 性和扩展性强。而且 PL

7、C 是由中大规模集成电路组装成的，因此，功耗小，体 积小。(2)控制速度 继电器接触式控制系统的控制逻辑是依靠触点的动作来实现的，工作频率 低。触点的开闭动作一般是几十毫秒数量级。 而且使用的继电器越多， 反映的速 度越慢，还是容易出现触点抖动和触点拉弧问题。而可编程控制器是由程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度相当快。 通常，一条用户指令的执行时间在微秒数量级。由于 PLC 内部有严格的同步， 不会出现抖动问题，更不会出现触点拉弧问题。(3)定时控制和计数控制： 继电接触式控制系统利用时间继电器的延时动作来进行定时控制。 用时间继 电器实现定时控制会出现定时的精度不高， 定时时间易受环境

8、的湿度和温度变化 而影响。有些特殊的时间继电器结构复杂， 维护不方便。 而可编程程序控制器使 用半导体集成电路作为定时器， 时基脉冲由晶体震荡器产生， 精度相当高并且定 时时间长，定时范围广。(4)可靠性和维护性。继电接触式控制系统使用了大量的机械触点， 连线也多。 触点在开闭时会受 到电弧的损坏，寿命短。因而可靠性和维护性差。PLC采用微电子技术， 大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成， 可靠 性高。PLC 还配备了自检和监控功能， 能自诊断出自身的故障， 并随时显示给操 作人员，还能动态的监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。总之，PLC 在性能上均优越于继电接触式控制系

9、统， 特别是控制速度快， 可 靠性高，设计施工周期短， 调试方便，控制逻辑修改方便， 而且体积小， 功耗低。2PLC 与单片机比较单片机具有结构简单， 使用方便， 价格比较便宜等优点， 一般用于数据采集 和工业控制。 但是，单片机不是专门针对工业现场的自动化控制而设计的， 所以 它与 PLC 比较起来有以下缺点：(1)单片机不如 PLC 容易掌握使用单片机来实现自动控制， 一般要使用微处理器的汇编语言编程。 这就要 求设计人员要有一定的计算机硬件和软件知识。 对于那些只熟悉机电控制的技术 人员来说，需要进行相当长一段时间系统地学习单片机的知识才能掌握。而 PLC 采用了面向操作者的语言编程，如

10、梯形图、状态转移图等，对于使 用者来说，无需了解复杂的计算机知识，而只要用较短时间去熟悉 PLC 的简单 指令系统及操作方法，就可以使用和编程。(2)单片机不如 PLC 使用简单使用单片机来实现自动控制， 一般要在输入输出接口上做大量的工作。 例如， 要考虑工程现场与单片机的连接， 输出带负载能力、 接口的扩展， 接口的工作方 式等。除了要进行控制程序的设计， 还要在单片机的外围进行很多硬件和软件工 作，才能与控制现场连接起来，调试也较繁琐。而 PLC 的输入 / 输出接口已经做好，输入接口可以与无外接电源的开关直接 连接，非常方便。输出接口具有一定的驱动负载能力，能适应一般的控制要求。 而且

11、，在输入接口、输出接口，由光电耦合器件，使现场的干扰信号不容易进入 PLC。(3)单片机不如 PLC 可靠 使用单片机进行工业控制，突出的问题就是抗干扰性能较差。而 PLC 是专门用于工程现场环境中的自动控制，在设计和制造过程中采取 了抗干扰性措施，稳定性和可靠性较高。通过上面的比较，针对组合机床的电气控制系统，虽然 PLC 的价格高一些， 但良好的稳定性和高度的可靠性可确保机床在加工零件时的精度， 所以决定采用 PLC 控制系统来实现。3硬件设计3.1 系统的原理方框图图 3-1 系统框图3.2 主电路根据设计要求，主电路大致分为三个部分。首先看第一部分，主轴电机。主 轴电机工作方式有两种：

12、正转、反转。根据不同的工作要求，主轴电机的转向不 同。因主轴电机的功率较小，故可以直接启动。其主电路图如下 3-2 所示：图 3-2 主轴电机当 KM1 、KM2 的线圈得电吸合分别使电机 M1、M2 正转；当 KM9 、KM10 的线圈得电吸合分别是电机 M1、M2 反转。通过 PLC 的输出就可以使不同的接 触器线圈得电，从而使电机的转向不同。其次看第二部分， 快速电机和进给电机。 根据设计要求知左、 右两动力头均 要求快进工进快退的工作循环， 并且左、 右两动力头可以同时工作， 也可进 行单独调整。所以就要求快速电机 M5 、M6 能够正反转，工作进给电机为 M3、 M4 能够正转即可。

13、其主电路如下图 3-3 所示。图 3-3 快速电机和进给电机因为这 4 个功率都较小，所以可以直接启动。 M3、M4 只要接触器 KM3 、 KM4 的线圈得电就会吸合，就能正转； M5、M6 分别当接触器 KM5 、KM6 线 圈得电时正转，当接触器 KM7 、KM8 分别得电就反转。最后看第三部分， 照明电路和信号指示部分。 当机床工作时， 为了警告旁人 不要误动作，故要有信号指示说明，告诉别人正在进行工作，不要误动作。信号 指示也能显示机床是否是在正常工作、 有无问题。 有时候需要晚上工作， 所以需 要必要的照明。图 3-4 指示信号灯如图 3-4，其指示着组合机床的工作状态，指示灯分别

14、与与之对应的接触器 的常开触点连接，当接触器的线圈得电，其常开触点闭合，通过 6.3V 电压使之亮。 KM1 、KM9 分别是控制 M1 的正反转的接触器； KM2 、KM10 分别是控制 M2 的正反转的接触器； KM3 、KM4 分别是控制左右工进电机正转的接触器； KM5 、KM7 ，KM6 、KM8 分别是左右快进快退电机。这样就可以把所有的电机 的状态显示出来。照明灯如下图 3-5 所示。3.3 I/O 分配因采用 PLC 控制，需分配其 I/O 点，它决定着系统如何工作输入地址号信号名称输出地址号信号名称X0左动力头正转启动按钮Y0M1 主轴正转（ KM1 ）X1左动力头反转启动按

15、钮Y1M1 主轴反转（ KM9 ）X2左动力头停车按钮Y2M3工进正转（ KM3）X3左动力头冷却泵启动Y3YV1 快进（ YV1）X4左动力头快进限位Y4YV2 快退（ YV2）X5左动力头工进限位Y5左冷却泵（ KM11）X6左动力头原位限位Y6M2 主轴正转（ KM2 ）X7左动力头快进按钮Y7M2 主 轴 反 转 （ KM10 ）X10左动力头快退按钮Y10M4工进正转（ KM4）X11右动力头正转启动按钮Y11M6快进（ KM6）X12右动力头反转启动按钮Y12M6快退（ KM8）X13右动力头停车按钮Y13右冷却泵（ KM12）X14右动力头冷却泵启动X15右动力头快进限位X16右

16、动力头工进限位X17右动力头原位限位X20右动力头快进按钮X21右动力头快退按钮表 3-1 I/O 口地址分配表3.3 I/O 接线图图 3-6 PLC I/O 接线图接触器的线圈通过接 110V 电压与 PLC 的输出端和 COM 端相连。 按钮和开 关与输入端和 COM 端相连。3.4 元器件选型首先是 PLC 的选择。统计组合机床 PLC 输入元器件、执行元器件及 I/O 点 数：输入部分输入部分点数动力头工作方式选择按钮 SB6冷却泵选择开关 SA2行程开关 SQ6按钮 SB4总计18输出部分输出部分点数接触器12总计12注：照明不需要接入 PLC，只需要选择开关就可以所以选用 FX2

17、N32MR 加扩展单元 FX2N32ER，FX2N32MR 含有 32个I/O 点 （16入，16出），FX2N32ER为含有 32点扩展单元。下面是电器元件选择。代号名称型号及规格用途数量M1三相交流异步电动 机JO3-802-6 5.5KW 380V1440r/min主电动机1M2三相交流异步电动 机JO3-802-6 5.5KW 380V1440r/min主电动机1M3三相交流异步电动 机JO3-802-6 1.5KW 380V1450r/min快速工进电动机1M4三相交流异步电动 机JO3-802-6 1.5KW 380V1450r/min快速工进电动机1M5三相交流异步电动 机JO3

18、-802-6 5.5KW 380V1440r/min左冷却泵1M6三相交流异步电动 机JO3-802-6 5.5KW 380V1440r/min右冷却泵1FU1熔断器RL1-15 15A主电动机过载保 护1FU2熔断器RL1-15 15A主电动机过载保 护1FU3熔断器RL1-15 15A快速工进电动机 过载保护1FU4熔断器RL1-15 15A快速工进电动机 过载保护1FU5熔断器RL1-15 15A左冷却泵过载保 护1FU6熔断器RL1-15 15A右冷却泵过载保 护1KM1交流接触器CJ10-75A 线圈电压220V控制 M1 正转1KM2交流接触器CJ10-40A 线圈电压220V控制

19、 M2 正转1KM3交流接触器CJ10-40A 线圈电压220VM3 工进1KM4交流接触器CJ10-40A 线圈电压220VM4 工进1KM9交流接触器CJ10-40A 线圈电压220V控制 M1 反转1KM10交流接触器CJ10-40A 线圈电压220V控制 M2 反转1YV1电磁铁DC24V,10W控制 M3 快进1YV2电磁铁DC24V,10W控制 M4 快进1FR1热继电器JR10-60 52.5AM1 过载保护1FR2热继电器JR10-60 52.5AM2 过载保护1FR3热继电器JR10-10 *14 7.20AM3 过载保护1FR4热继电器JR10-10 *14 7.20AM4

20、 过载保护1FR5热继电器JR10-60 52.5AM5 过载保护1FR6热继电器JR10-60 52.5AM6 过载保护1SB1按钮黑色M1 正转1SB2按钮黑色M1 反转1SB3按钮M2 正转1SB4按钮黑色M2 反转1SB5按钮黑色M3 工进1SB6按钮黑色M3 快进1SB7按钮黑色M4 工进1SB8按钮黑色M4 快进1SB9按钮黑色左冷却泵1SB10按钮黑色右冷却泵1SQ位置开关LA2 黑色6图 3.4.3 电器元件数量、型号表4软件设计4.1 主流程根据要求知需使左、 右两动力头均要求快进工进快退的工作循环和可使 左、右两动力头同时工作， 也可进行单独调整。 故设计的流程图如下图 4

21、-1 所示NNNN图 4-1 设计流程图4.2 梯形图5系统调试安装 GX Developer 和三菱的仿真软件，建立一个新工程，将梯形图输入到工程中，完成后将其转换。再启动梯形图逻辑测试，选择软元件测试，输入不同 的软元件，改变其状态，观察输出的改变。软元件的改变输出的改变X0=1,X1=0Y0=1X0=0,X1=1Y1=1X2=0Y0=0,Y1=0X3=1Y5=1X3=0Y5=0X7=1,X0=1,X1=0/X7=1, X0=0,X1=1Y0=1,Y3=1/Y1=1,Y3=1X4=1Y2=1,Y3=0X5=1Y2=0,Y4=1,Y0=0/Y1=0X6=0Y4=0X10=1Y4=1X11=1

22、,X12=0Y6=1X11=0,X12=1Y7=1X13=1Y6=0,Y7=0X14=1Y13=1X20=1,X11=1,X12=0/X20=1,X11=0,X12=1Y11=1,Y6=1/Y11=1,Y7=1X15=1Y10=1,Y11=0X16=1Y10=0,Y12=1,Y6=0/Y7=0X17=0Y12=0X21=1Y12=1表 5-1 调试表格设计心得通过这次设计实践。我熟练了 PLC 的基本编程方法，对 PLC 的工作原理和 应用也有了更深刻的理解。 在对理论的运用中， 提高了我们的工程素质， 在没有 做实践设计以前， 我对知道的掌握都是思想上的， 对一些细节不加重视， 当我把 自己

23、想出来的程序与到 PLC 中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行 的结果和要求的结果不相符合。 能够解决一个个在调试中出现的问题， 这使我对 PLC 的理解得到了加强，看到了实践与理论的差距。通过此次课程设计，让我对 PLC 梯形图、指令表、顺序功能图有了更好的 了解，也让我了解了关于 PLC 设计原理。有很多设计理念来源于实际，并且从 中找出最适合的设计方法。最后非常感谢老师的指导和同学们的帮助！参考文献1常晓玲.电气控制系统与可编程控制器 M. 北京： 机械工业出版社 ， 2007.2王永华.现代电气控制及 PLC 应用M. 北京: 北京航空航天大学出版 社,20033陈立定.电气控制与可编程控制器 M. 广州: 华南理工大学出版社 ,20064王炳实.机床电气控制 M. 北京:机械工业出版社， 20095马镜澄.低压电器M. 北京： 机械工业出版社， 19936张华.电类专业毕业设计指导 M. 北京： 机械工业出版社， 2001附电气控制原理图11M11 M K2VYK泵却冷右1W1V1U4M3U3M2U2MKFU1M3M反1M 9MK正1M M1K1VY1VY01MK9MK电气控制原理图22M反 4M 2 VY 正4M 4MK 反3M 1VY 正3M 3MK 0 反2M 1M0K2 正2M M2K