1、摘 要 随着我国工业控制水平的不断提高，可编程控制器技术已经在各行各业得到广泛的应用。使用这一技术来实现对设备的稳定可靠控制，提升产品的竞争力，成为此技术发展的主要驱动力量。PLC技术日益成熟，它以性能好、速度快、可靠性高、环境适应能力和抗干扰能力强，以及编程灵活、方便接线、简单等特点、在工业控制领域得到很好的应用。专业镗孔机床用于大批量生产零件的镗孔和铰孔加工，本人根据其特点设计了一套运动控制系统，既满足工艺要求又降低了生产成本，同时使控制系统的复杂性降低，降低了维修难度。关键词：PLC 镗床 流程图 目录第一章 绪论1 1.1 研究目的1 1.2 机械结构的设计1第二章 控制系统的构建4
2、2.1 机械系统的控制要求4 2.2 PLC及其选型4 2.2.1 PLC的概述4 2.2.2 PLC的常用语言6 2.2.3 I/O分析6 2.2.4 PLC的选型7第三章 编制PLC流程分析8 3.1 PLC的I/O地址的分配8 3.1.1 I/O点数扩展8 3.2 PLC与外部器件的连接 10 3.3 PLC与外部接线图11 3.4 工艺流程图及分析11第四章 梯形图14第五章 调试16第六章 小结17致谢18参考文献19第一章 绪论1.1 研究目的(一)通过对专用镗孔机床的编程设计，实现对大批量零件的镗孔和铰孔操作，提高了工作效率，降低了生产成本。此设计采用经济性的控制系统，缩短设备的
3、开发周期及控制系统的复杂性和维修难度。 （二）此设计要达到的目的： （1） 根据实际控制要求选择合适的PLC型号及对应的电气元件。 （2） 编写专用机床的PLC流程，并配置好相应的运动参数。 （3） 了解设计的基本工作原理，对设备的维修和程序的优化有很大的帮助。 （三）通过设计可使机床具有以下优点： （1）机械的运动控制简单，工艺参数调整柔性好。在各自的伺服单元的控制下主轴和工作台都可随时调整，优化的伺服运动加减速运动平稳，采用能耗制动，停止定位准确，有效的改善了普通机床电机控制启停时的机械振动、冲击和定位不准确现象，优越的加减速性能，缩短了空行程的运动时间，使机床的切削时间最大化，提高加工效
4、率和加工精度。 （2）在运动控制方式上比传统的普通机床更灵活、平稳，而且利用液压系统来控制滑台的快进和工进,既省电，又减少了产品的生产成本。系统的复杂性也大大降低，具有更高的性价比。 (3) 改进后的机床的主轴加工可以采用两地控制，且具有必要的电气连锁和保护，在一台机床上可以进行多种操作选择，如镗孔，铰孔，先铰再镗等等。 （4）尤其是既要镗孔又要铰孔的机械零部件，而且采用PLC体积小，使得控制系统占用的空间小而功能更强大，为生产提供了很大的帮助。1.2 机械结构的设计 在设计前，我发现普通镗床和普通铰床普遍采用的是工件固定刀头移动对零部件进行加工。而此设计把两种开孔技术用在同一个机床上,使它成
5、为组合机床，由于设计中要求工进使用液压系统控制，若采用工件固定刀头移动的方式加工，则需要两个液压系统对两个刀头进行工进驱动，同时为了实现精确定位，需要两个位控模块，两个钻头的转动也必须分别由两个主轴电机来驱动，这样，不仅成本高，而且由于钻头和主轴电机的质量太大，会引起振动，就会不容易驱动，定位精度也不好控制，滑台上如果只有工作台和随动夹具的话，就可以灵活控制滑台的运动，精度要求也能很好的实现，同时节约了成本。故本设计将系统设计成主轴钻机固定在底座上，载物台动态固定在滑台上,由液压系统控制系统的快进及工进的加工方式。 因而本设计只需要一个主轴电机控制两个刀头的旋转，一套液压系统控制工件运动，一套
6、简单辅助液压系统控制工件的夹具，为了能在一台机床上实现既铰孔又镗孔，则需要工作台能旋转，而且是有一定的角度调整功能，这也就需要一台步进电动机。 因为主轴电机和液压泵不宜频繁启停,所以将电机和液压泵设计成手动启停的方式。夹具的松开和夹紧，采用三位四通电磁换向阀控制液压缸通液的方式来控制。 设计中需要液压系统控制工进及快进，首先则使用容积节流调速液压回路控制液体的流量以达到控制液压缸移动速度，进而控制滑台速度。又因工件的镗铰孔操作在机床的两端实现，那么则需要采用三位四通电磁换向阀使载有工件的滑台到达某位置时能够换向，换工件及工作台旋转时滑台要停止运动。 为了控制工作台的一定角度的转动，步进电动机则
7、需要得到一定的信号才能准确定位，这就需要特殊继电器发送脉冲，和计数器计数。 由于每一种规格的零件的镗或绞的深度不同然后滑台方向改变，还有可能每次所使用刀具的长短不一样，开始工进的位置也就有所不同。为了实现上面的要求，就需要在相应的位置安放行程开关。防止工作台碰到刀架，在接近刀架位置的底座安装上位限开关。 为达到卸装工件的方便，需要定一个参考点，因而在滑台的正中间定一个参考点RP。 主运动采用三相异步电动机驱动，主轴单相运转，还要求停车制动。由于异步电动机的反接制动容易造成反转用于准确停车有一定的困难，而且电能损耗较大;反馈制动虽是比较经济的方法，但它只能在高于同步转速下使用;因此能耗制动更适用
8、此设计的主轴制动停止。由于在加工过程中会产生大量的热量，故可以设计中空的刀具，在刀座处通入冷却液，为了达到控制切削液的通断,可以利用电动按钮控制每条线路上的电磁阀结构示意图见图1.1图1.1 系统结构示意图 第二章 控制系统的构建2.1 机械系统的控制要求 本设计的研究对象是某批零件加工需要进行镗铰孔的专用加工机床的电气控制系统。此机床加工工艺内容是对一零部件进行镗孔或铰孔或既镗孔也绞孔。采用顶部的液压控制和底平面电磁吸合的夹具定位，人工上下料，工件自动定位，零件随着滑台向两侧进给，加工的孔深及大小由实际产品决定，加工时间要求控制根据实际产品上孔的多少及各自对应的深度决定的。使用硬质合金刀头进
9、行孔加工，加工中的排屑和冷却用刀头中心高压冷却孔来实现。 该设备加工工艺的特点是镗.铰工序在同一机床上进行，而且有一定的先后顺序，时间上也要有所控制。如果是使用一个刀架配一个换刀系统，也有一定的合理性，但是那样使整个设备的体积变大，增加了产品加工时间，更重要的是这样加大了生产的成本。而把两刀安置在机床底座上，让滑台进行进给，就可以解决这一问题。如使用普通组合的机床，在进行镗铰孔操作时不能做到及时使刀具与工件分离，就会导致加工精度不够;铰完后再镗，如果在普通机床就需要手动转换工作台或将工件取下转换方位再装上。这不仅延长了加工时间，更可能使产品因为精度不够而报废，这对讲求高产出率高效率的大批量生产
10、是非常不经济实用的。 对此我们来说需要一种灵活的控制系统，在监控设备的各个输入点的状态和控制设备辅助动作输出的同时，使得我们能够有效的控制机械的进给运动，能够准确定位，能够在需要加工的地方进给运动使用慢速，在不进行加工的地方使用快速运动。 PLC及其位控模块就是为了满足这种进给过程中的位置和速度不断变化需求而产生的。2.2 PLC及其选型2.2.1 PLC概述可编程控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC) 基本原理 PLC是基于电子计算机，且适用于工业现场工作的电控制器，是在传统的继电器顺序逻辑控制的基础上引入微电子技术和计算机技术而产生的，但它不像继电
11、装置那样，通过电路的物理过程实现控制，而主要靠运行存储于PLC内存中的程序，进行入出信息变换实现控制。 工业过程中使用的可编程控制器的种类很多，它们虽然各有特点，但作为工业标准控制设备，它们在结构组成、编程方法和工作原理等许多方面是基本相同的。PLC是以用户需要为主，又尽量采用先进技术，因此它具有可靠性高、结构紧凑、性能齐全、编程简单、体积小、直接带负载能力强等特点。能够适应复杂的工业环境，能在恶劣的工业环境下可靠地工作，具有强抗干扰能力，平均无故障工作时间为5万到10万小时。PLC作为现代工业的三大支柱(机器人、CAD/CAM, PLC/CNC)之一，以其高可靠性、灵活性、编程使用方便在工业
12、控制领域迅猛发展，得到了越来越广泛的应用，是实现机械机电一体化的重要的控制手段。PLC控制系统由于其高可靠性、价格的低廉和控制功能的强大成了设计现代自动控制系统的潮流。原来的大量采用传统继电器逻辑控制的系统通过改造或更新，成了PLC控制的自动化系统、同时新的自动化系统也越来越多的采用PLC控制系统。现在比较主流的PLC主要有欧姆龙、三菱、富士、西门子、施耐德、A-B,GE-FANUC、夏普、中达“司米克斯等厂商。PLC的功能经过几十年的发展已经越来越强大，除了标准的逻辑顺序动作控制功能外，还不断开发出新的功能模块13，如:模拟量输入/输出模块、热电阻热电偶模块、并行接口模块、位置控制模块(脉冲
13、串输出/电压输出)、声音输出模块、计算机链接模块、高速计数模块、中断模块、智能通信模块、总线驱动模块、以太网接口模块等，这些都是针对不同行业的特殊需求来专门开发研制的。 现在PLC的发展正向着高速度大容量网络化方向发展，中大型的PLC都具有支持总线网络的功能，通过选用不同档次的PLC来构建不同层次的控制网络。如三菱电机(MELSEC)的CC-LINK现场网络总线系统，在由具有总线驱动功能的QnA系列PLC驱动的CC-LINK最低层次的现场总线上连接直接面向控制现场的设施如数字仪表、FX系列PLC、显示终端、带总线控制功能的变频器等构成设备层的网络;向上一层为由各个QnA系列PLC之间相连接构建
14、的如MELSECNET/10, Profibus之类的控制层网络。通过构建控制层、设备层、信息层的控制网络，使不同授权的人员如工艺技术人员、机电维修人员、车间管理者都可以在相应的网络上得到所需要的信息和执行权限内必要的操作。2.2.2 PLC常用语言 由于可编程控制器各个生产厂家的硬件和软件体系结构互不相通，各厂家的编程语言和指令系统也各不相同。为解决这一问题，IEC制定了PLC标准IEC60031,在IEC600313中定义了5种可编程控制器编程语言，包括： (1)梯形图（Ladder Diagram）程序设计语言 LD语言是用梯形图的图形符号来描述程序的，是最常用的一种程序设计语言。广泛应
15、用于北美，在中国也慢慢被接受使用。它的左边描述事情发生的条件，事情发生的结果在右边。 (2)指令集（Lnstruction List）程序设计语言 也称为语句表程序设计语言，是一种基于文本的语言，用布尔助记符表达式来描述程序的一种程序设计语言。在欧洲应用广泛。 (3)功能表图（Sequential Function Charts,SFC）程序设计语言 它是近年来新发展起来的新型程序设计语言，不仅仅是一种语言，SFC更是一种图形化的方法，它采用功能表图的描述，将控制程序系统分为若干个子系统，从功能入手。 功能表图编程由于具有图形表达方式，能简单和清楚地描述并发系统和复杂系统的所有现象，并能对系统
16、中存在的死锁.不安全等问题进行分析和建模，在模型的基础上能直接编程，所以得到广泛的应用。 (4)功能模块图（Function Block Diagram;FBD）程序设计语言 采用功能模块来表示模块所具有的功能，作为一种图形语言，广泛应用于过程工业中。(5)结构化语句（Structured Text;ST）描述程序设计语言 使用结构化的描述语句来编写程序，应用于大中型PLC系统。2.2.3 I/O分析 经过仔细的研究，以及对设计控制要求和机械机构的仔细分析，可以明确输入.程序容量的大小，输出点的个数，运算响应速度和其他特殊控制要求选择合适的主控PLC。通过对初步设计的机械系统示意草图的分析，可
17、以得出输入输出点的个数。 输入点：液压泵的启动，手动镗启动，手动铰启动，总停按钮，中间工作台参考点行程开关，左权限开关，右权限开关，镗深行程开关，夹具压力传感器输入，铰深行程开关，镗工进，铰工进，夹具位限，夹具夹紧，夹具松开，工作台角度行程开关，主轴电机启动，加工形式选择按钮 输出点: 液压泵启动继电器，步进电机接触器，主轴电机启动继电器，工件停止继电器，制动继电器，电磁阀线圈1，电磁阀线圈2（滑台左移），电磁阀线圈3（滑台右移），电磁阀线圈4（夹具夹紧），电磁阀线圈5（夹具松开），步进电机工作显示，工进显示，定位显示，暂停显示 由以上可初步确定输入点有18个，输出点有14个。2.2.4 PL
18、C的选型随着PLC制造技术的不断发展，PLC产品的种类、型号越来越多，它们的功能、价格、使用条件各不相同。由于本课题的控制任务比较简单，对PLC功能的要求不是很高，由于三菱采用结构化编程，使得调试和故障查找非常方便，而且与同类产品相比它质量好、运行稳定、可扩展性超强、抗干扰性强、售后服务优良。因此本设计采用三菱公司的FX2N型PLC。FX2N型PLC 是日本三菱公司生产的一种小型 PLC,其许多功能达到大,中型PLC 的水 平,而价格却和小型PLC的一样。根据上面分析的I/O点数和本课题的相关要求，参照相关书籍，可以确定选择FX2N型系列中的FX2N48M作为此设计中的控制结构主机。FX2N4
19、8M有24个输入点和24个输出点，也可以进行模块扩展，最多可以扩展7个模块，此课题不需要使用扩展模块。第三章 编制PLC控制程序分析3.1 PLC的I/O地址的分配 无论是什么系列的PLC，它的合理.正确分配，为程序的设计.现场调试和故障查找带来了很大的方便。作为核心技术资料，I/O分配也是以后的系统优化改进及维修的中很重要的依据。 一般在工业现场，各输入结点和输出设备都由自己的代号，PLC内的I/O继电器也有编号。为使现场调查.程序设计和查找故障方便，所以编制一个已确定下来的现场输入/输出信号的代号和分配到PLC内与其相连的输入/输出继电器号或器材号的分配表，还是很有必要的。3.1.1 I/
20、O点数扩展 （1）FX2N系列的每种主机所提供的I/O点的I/O地址是固定的，进行扩展时，可以在 CPU右边连接多个扩展模块，每个扩展模块的组态地址编号取决于各模块的类型和该模块在I/O链中所处的位置。编址方法是同种类型的输入或输出点的模块在链中按与主机的位置而递增，其他模块所处的位置并不影响本类型模块的编号。经过查找知道FX2N48M有24个输入和24个输出点。设计中18个点输入和14点输出，且要按估算数再增加1520%输入和输出点数，经计算FX2N48M作为此设计中的PLC系统，是很恰当的选择。 其实由18个输入点，14个输出点本可以选择FX2N32M外加以个独立端子模块，但是按规定，PL
21、C主机选型时，它的输入输出点要再其估算数上再增加1520的输入.输出点数，以备将来调整.扩充使用。综上，在这PLC系统类型选型上，就决定一个PLC主机，不使用模块的情况下，作为此数控复合组合机床控制系统，来控制整个设备的运行。 （2）各输入、输出点进行地址分配表3.2 现场器件与PLC内部继电器地址号（I/O分配）元件名称内部继电器地址号注 释输入SB1X000液压泵启动按钮SB2X001总停按钮SB3X002手动镗启动按钮SB4X003手动铰启动按钮SB5X004主轴电机启动SB6X005夹具夹紧SB7X006夹具松开ST1X007镗深行程开关ST2X010铰深行程开关ST3X011镗工进行
22、程快关ST4X012铰工进行程开关ST5X013工作台角度行程开关ST6X014夹具位限开关ST7X015滑台停止感应触头CIX016夹具压力继电器触点STL1X017左位限开关SYL2X020右位限开关SB0X021加工形式选择按钮元件名称内部继电器地址号注 释输出1YAY000电磁阀12YAY001电磁阀23YAY002电磁阀34YAY003电磁阀45YAY004电磁阀5KM1Y005主轴电机接触器KM2Y006液压泵接触器KM3Y007步进电机接触器KM0Y010制动继电器线圈KM4Y011工件停止继电器线圈HL1Y012换工件显示HL2Y013步进电动机工作显示HL3Y014工进显示H
23、L4Y015定位显示3.2 PLC与外部器件的连接 电气元件与PLC的连线主要就是将控制电路所需要的各开关、按钮、继电器触点、接触器辅助触点等连到PLC的输入端口，并确定各触点对应的端口号，1个元件的多个触点一般只需要连接1个输入口。继电器线圈、电磁阀线圈、接触器线圈、指示灯、照明灯等耗能元件连接输出端口，然后建立输入、输出端口分配表，各端口号将是逻辑程序进行逻辑运算的重要逻辑量。 PLC作为设计中的控制核心，其一端接有输入点，一端接有输出点，内部CPU有如单纯的计算机，作一定的信息处理，把输入信号作一定的处理再从输出点输出以达到控制整个系统自动化的目的。 3.3 PLC与外部接线图本此设计系
24、统的PLC与外部器件的连接图如下：图3.1 PLC与外部接线图3.4 工艺流程图及分析由以上所得信息可以绘制此课题的工艺流程图，图形如下： 图3.2 工艺流程图1 本设计的工作加工流程如上，有三种加工选择。工件在工作台上，工作台动态固定在滑台上。滑台带着工件可以分别向两个方向运动。 1.最上面是对零部件镗孔加工。先主轴电机启动，遇到工进行程开关，因为电磁阀作用速度变慢，滑台速度变慢，开始对工件加工。当碰到预定深度行程开关时, 控制滑台的换向阀换向，同时，滑台反方向行驶，工件快速退到中间的参考点, 工件停止。手动装缷工件。按下按钮夹具夹紧工件，显示灯亮, 即手动按钮选择下一工序选择。若相同镗，则
25、循环以上即可。 2.中间为只对零部件铰孔加工流程。实际和上述的镗孔加工一样，只是方向和很小部分的差别，基本相同。 3. 最下面是既镗也铰，前半部分就是铰孔，和中间程序一样；后半部分和最上面的镗孔也是一样的。关键在于中间的工作台，要在加工完铰后，行进工程中，每次作180角度的旋转，为进行下一道工序中的镗孔最准备。图3.3 流程图第四章 梯形图第五章 调试 设计完程序，并把程序输入计算机中,进行程序鉴定。如果程序式正确的话，就可以把程序输入到机械仿真软件里进行系统调试。如发现错误,再回到程序中找到对应的程序编程处进行修改。如此反复，直到程序完全正确。 同时按下主轴电机和液压泵的启动按钮，装上工件，
26、按夹具夹紧按钮。这时就要确定是只对工件铰孔，还是只镗孔，还是既要镗孔也要铰孔。这里我以既要镗也要铰孔为例，做测试步骤。 手动铰按钮按下，机床则会向右运动，此时是快进阶段，速度较快。当到了铰刀方向，碰到了工进行程开关，则速度会减慢，进入工进状态。当按如期的工进到某一深度后，则滑台带动工作台及工件，马上会变换方向，向相反的方向运动，进入快退（快进）状态。当到达左边刚碰到镗刀，工进行程开关就闭合，则马上机床的运动速度减慢，进入镗工进状态。镗到一定的深度后，滑台就会碰到深度行程开关，则控制进给的液压系统中的三位四通电磁换向阀关一个，打开另一个，则滑台就会马上换向。向中间定位点运动。 碰到中间定位点后，
27、按照开始设定的选择“2”或“3”，计数器会自动控制滑台的运动与静止。对于这里既镗也铰，把计数器的预置值设定为3，一个完整的行程后，会在镗完后到中点静止。 进行其他几种情况的试验。如果运行正常，则设计没问题。如果有工进速度调节大小需要 ，则可以换用不同规格的节流阀。第六章 小结 通过这次设计，我学习到了很多东西，并且使我对PLC的掌握进一步增强，提高了我的动脑和动手能力，更让我体会到了理论与实践相结合的重要性。 在论文制作的过程中我遇到了很多问题，每当我无法实现自己的想法或者运行不下去的时候，就会心情烦躁。但是我没有放弃，努力调节好自己的心态，在同学老师的帮助下，完成了这次设计。通过这次设计让位
28、明白了做事的过程中要有耐心和毅力，不怕困难，只有坚持下去才可以找到解决问题的方法。在工作中要发挥集体的力量，认真听取他人的意见，这样才能取得成功。 参考文献1 周万珍，高鸿宾PLC分析与设计应用北京：电子工业出版社，20042 何存兴 张铁华， 液压传动与气压传动.武汉：华中科技大学出版社，20003 邓星钟，机电传动控制.武汉：华中科技大学出版社，20074 熊良山 严晓光 张福润，机械制造技术基础.武汉：华中科技大学出版社，20075 王兵 ，工厂电气控制技术.北京：中国劳动社会保障出版社，2004致 谢在论文写作过程中，得到了朱文斌老师的亲切关怀和耐心的指导。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，这一切无不是我将来学习的榜样，它深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，朱老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在此谨向朱老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 感谢电气系全体老师，他们为我们的学业付出了大量劳动；感谢上学期间，教授过我的所有任课老师，我从他们那里吸取了丰富的知识，学会了分析、解决问题的思路和方法。感谢师兄弟(姐妹)以及同学，与他们一起交流学习经验，论文工作期间进行有益讨论，使我开阔了视野、激起了灵感。最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!最后我还要感谢电气工程系以及母校四年来对我的栽培。
