基于PLC的气动钻床控制系统设计.pdf

摘 要本文介绍的是基于可编程控制器(PLC)的气动钻床控制系统，主要涉及了气 动钻床的PLC控制系统、电气控制系统。运用PLC来控制气动钻床，也就是采用 计算机实现数字程序控制的技术，通过用计算机按事先存贮的控制程序来执行对 钻床气动元件的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控 装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可 通过计算机软件来完成。气动技术是以压缩空气为介质来传动和控制机械的一门 专业技术。由于它具有节能、无污染、高效、低成木、安全可靠、结构简单等优 点，广泛以用于各种机械和生产线上。课题是把PLC控制和气动技术运用到钻床 系统上，提高工作效率，改善产品质量。系统是由气压缸、气动阀等一系列气动元件构成的电气回路。用PLC内的预 置程序来控制整个系统的运行。最终，在系统的控制下钻床以送料、夹紧、钻削 的方式对原料进行加工。关键词：气动钻床PLC电气控制目 录摘 要.I目 录.II第1章绪论.11.1 系统设计的背景.11.2 控制系统的特点.21.3 系统设计的意义.2第2章 系统控制方案的确定.32.1 钻床系统的概述.32.2 控制系统设计的基本步骤.32.3 钻床硬件系统.52.4 气动回路图的设计.6第3章硬件设计.73.1 工作流程图.73.2 气动元件的选型.83.2.1 气缸的选型.83.2.2 气动阀的选型.93.3 可编程控制器(PLC)的选型.103.3.1 PLC 概述.103.3.2 PLC 的选型.113.4 I/O分配表.133.5 电气原理图的设计.13第4章软件设计.154.1 系统程序的编写.154.2 顺序控制功能.164.3 SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件的操作方法.174.4 梯形图.184.5 系统的调试.21第5章结论.22致谢.23参考文献.24II第1章绪论1.1 系统设计的背景随着劳动力费用的提高,工作条件的改善和工作时间的缩短，企业必须借助于 生产过程的合理化配置和自动化程度的提高在激烈的竞争中求得一席之地。迄今 为止，实际生产加工过程的自动化程度已经发展到一个比较先进的阶段，并大大缩 短了机器的闲置时间。可编程控制器（PLC）是面向用户的专用控制计算机。它具有功能强、可靠性 高、抗干扰性强、使用灵活方便、易于编程及适成工业环境下成用等一系列优点，在国内外广泛以用在钢铁、石化、机械制造、汽车装配、电力等各行各业。它是 一种专门为在工业环境下反用而设计的数字运算操作的电子装置，其有关的外围设 备都成该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。PLC面向工业生产过程控制的鲜明特点，普遍受到机电传动控制领域的青睐和欢 迎，特别是中小容量PLC成功地取代了传统的继电器一接触器控制系统，使控制 装置的可靠性大为提高，在改造传统工业控制设备和开发研制机电一体化高新技 术产品中发挥了巨大作用，其成用的深度和广度已成为一个国家工业技术先进水 平的重要标志之一。今后又将向着高进化，高速化，高效化，系统化，自动化，智能化，集体化方向发展，并注重工艺适用性和经济性。气动钻床在PLC系统的控制下运用十分灵活，工作台上可安装板、盘或其它 形状较复杂的被加工零部件，从而实现等分的和不等分的连续的孔、槽以及曲面 的加工，且能达到很高的精度。另外也可利用专门配套的控制系统，独立完成等 分的，不等分的以及连续的分度、圆弧曲弧曲面的加工，它是各类数控机床理想 的配套附件。数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接 影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世 界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。进入21世纪，我国机床制造业既面临着提升机械制造业水平的需求而引发的 制造装备发展的良机，也遭遇到加入WTO后激烈的市场竞争的压力。从技术层面 上来讲，加速推进数控技术将是解决机床制造业持续发展的一个关键。某种意义 上来说，反映了一个国家的工业发展水平状况。长期以来，以美国为首的西方工 业发达国家，一直把数控机床系统作为他们重要的战略物资，由于数控机床系统 价格十分昂贵，加之NC程序制作较难，使系统难以“平民”化的反用。本文以钻床为例，使用可编程控制器（PLC）、气动技术对传统的机床进行系 1统改造，可以降低了工人的劳动强度，节省了劳动力，提高工作效率，减少废品 率，机械性能稳定可靠。1.2 控制系统的特点控制系统的操作和监控全部在PLC的控制下完成，与传统的钻床相比，本系统下的气动钻床有如下特点：加工精度高，具有稳定的加工质量。可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件。适应性强，加工零件改变时，一般只需重新编制新工件的加工程序，就能 实现新工件加工，可节省生产准备时间。机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产效率高（一般 为普通机床的35倍），有良好的经济效益。机床自动化程度高，可以减轻劳动强度，改善劳动条件。有利于生产管理的现代化。对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。1.3 系统设计的意义机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于 计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了取用数字化技 术进行柔性自动化控制的新一代机床一数控机床的诞生和发展。计算机的出现和 成用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发 展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的以用，同时使人们对传统的机床传动及 结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化 的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。数控机床是以 数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然 后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床 伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的 进步。特别是在通用微机数控领域，以PC平台为基础的国产数控系统，已经走在 了世界前列。但是，我国在数控技术研究和产业发展方面亦存在不少问题，特别 是在技术创新能力、商品化进程、市场占有率等方面情况尤为突出。在新世纪到 来时，如何有效解决这些问题，使我国数控领域沿着可持续发展的道路，从整体 上全面迈入世界先进行列，使我们在国际竞争中有举足轻重的地位，将是数控研 究开发部门和生产厂家所面临的重要任务。2第2章系统控制方案的确定2.1 钻床系统的概述钻床系统一般由下列几个部分组成：主机，他是气动钻床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械 部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。数控装置，是气动钻床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键 盒、纸带阅读机等）以及相反的软件，用于输入数字化的零件程序，并完 成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。驱动装置，他是气动钻床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给 单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺 服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。辅助装置，指气动钻床的一些必要的配套部件，用以保证气动钻床的运行,如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括气动装置、排屑装置、交换 工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。2.2 控制系统设计的基本步骤气动钻床控制系统设计与调试的主要步骤，如图2.1。3图2.1系统设计的步骤图在气动钻床控制系统的设计过程中主要要考虑以下几点：深入了解和分析气动钻床的工艺条件和控制要求。确定I/O设备。根据气动钻床控制系统的功能要求，确定系统所需的用户 输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感 器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯等。根据I/O点数选择合适的PLC类型。分配I/O点。分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入 输出端子的接线图。4 设计钻床系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程 序，这是整个钻床系统设计的核心工作。将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。2.3 钻床硬件系统全自动钻床是一种利用气动钻削头完成主体运动（主轴旋转）、再由气动滑台 实现进给运动的钻床。本文课题中的气动钻床气压传动系统,是利用气压传动来实 现进给运动和送料、夹紧等辅助动作。它共有3个气缸，即送料缸、夹紧缸、钻削 缸。本课题中气动钻床系统的结构主要是由工作台、原料架、送料缸、加紧缸、钻削缸等部分组成。如图2.2。图2.2自动钻床加工工位结构示意图其工作循环步骤为：按钮一送料缸进一送料缸退同时夹紧缸进一钻削缸快进一钻削缸工进一钻削 缸退一夹紧缸退52.4 气动回路图的设计在气动控制系统中，气动发生装置一般为空气压缩机，它将原动机供给的机 械能转换为气体的压力能；气动执行元件则将压力能转化为机械能，完成规定动 作；在这两部分之间，根据机械或设备工作循环运动的需求、按一定顺序将各种 控制元件（压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀和逻辑元件）、传感元件和气动 辅件连接起来。根据元件的工作程序，参考各种气动基本网路，按程序控制问路设计方法，设计气动回路。为了得到最合理的气动回路，设计时可做几种法案比较，如气控制，气一电控制，射流控制方案等进行选择，绘出气动回路图，使用电磁阀的场合，同时还绘出电气网路图。为节约能源，钻削缸快进采用差动网路，具体设计的气动网路如图2.3oA送料缸 B夹紧缸 C钻削缸图2.3气动传动回路6第3章硬件设计3.1工作流程图根据钻床的运行过程，其工作流程如图3.1。5mLs夹具体固定加XX#工作流程图站削段送料缸退回原位钻 削缸完或加H司时 限位开关aO和限位 球c】图3.1工作流程图73.2气动元件的选型3.2.1 气缸的选型本设计采用festo系列单杆双作用活塞式气缸，它是气动系统中实现往复直线 运动的执行机构，具有结构简单、重量轻、工作可靠、耐久性好、装拆方面、易 于维修，可带缓冲装置，连接方式多样等特点。它广泛用于工程机械、矿山机械、起重运输机械、筑路机械的气动系统中。1.送料缸送料速度大于50mm/s。选内径义活塞杆径=32 X 16mm的气动缸作为送料缸,当输入流量达到:Q=vXA=50X60_IIWbIcO,_c1c2 _,_SB1 _,_SB2 _产_SB3SAYD图3.10电气控制原理图14第4章软件设计4.1 系统程序的编写梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图 与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员 掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计 称为编程。PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出 继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单 元（软继电器），每一软继电器与PLC存储器中映像寄存器的一个存储单元相对以。该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对以软继电器的线圈“通电”，其 常开触点接通，常闭触点断开，称这种状态是该软继电器的“1”或“ON”状态。如果该存储单元为“0”状态，对网软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反，称该软继电器为“0”或“OFF”状态。使用中也常将这些“软继电器”称为编程 元件。梯形图两侧的垂直公共线称为母线（Bus bar）,o在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧母线（左母线和右母线）之间有一个左正右负的直流电源电压，母线之间有“能流”从左向右流动。右母 线可以不画出。根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对网的编程元件 的状态，称为梯形图的逻辑解算。梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的 顺序进行的。解算的结果，马上可以被后面的逻辑解算所利用。逻辑解算是根据 输入映像寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。154.2 顺序控制功能顺序控制系统是指按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下,根据内部状态和时间的顺序，在生产过程中各个执行机构自动有序地进行操作过 程。顺序控制图设计方法比较固定，条理不受顺控功能结构的限制。对于一个复 杂的程序，在利用此法进行图解运算处理之后，即可变为一个简洁、明晰的图形。各个步骤的顺序功能:S23钻削缸工进 S24钻削缸退 夹紧缸退 手动复位功能16根据动作顺序，画出顺序控制功能图，如图4.1。M8002SOxo-XIX3-X5-S20SETY3RSTY3Y4X2-X13Y0Y2H 丫5S21X4-XI-SET Y4RSTY3S22X6-S23X7-S24RST Y4X3-X5-图4.1顺序控制功能4.3 SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件的操作方法本课题采用的编程软件为SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件，具体的操作方法 如下：1.打开SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件，之后点击文件，在下拉菜单栏里点 击“新文件(N).，再选择6FX2N/FX2NC,确定打开后就可以绘制梯形图编本 课题的程序。2.在打开文件之后就可以绘制梯形图，根据所编的程序的，在页面右面的功能 图，如4.2。17图4.2 SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件的功能图在绘制梯形图中选择需要的输入元件，完成对梯形图的绘制。3.完成了对梯形图的绘制后，在软件的菜单栏中点击,并在下拉菜单中 的“寄存器(R).数据传送”的子栏中选择“写出”，将程序编入三菱FX2N32MR OOlPLCo4.4 梯形图梯形图沿袭了继电器控制电路的形式，它是在电器控制系统中常用的继电器、接触器逻辑控制基础上简化了符号演变来的，形象、直观、实用。梯形图按从左到右、从上到下的顺序排列。每一逻辑行起始于左母线，然后 是触点的串、并联接，最后是线圈与右母线相联。梯形图中每个梯级流过的不是 物理电流，而是“概念电流、从左流向右，其两端没有电源。这个“概念电流”只是 形象地描述用户程序执行中以满足线圈接通的条件。输入继电器用于接收外部输 入信号，而不能由PLC内部其它继电器的触点来驱动。因此，梯形图中只出现输 入继电器的触点，而不出现其线圈。输出继电器输出程序执行结果给外部输出设 备，当梯形图中的输出继电器线圈得电时，就有信号输出，但不是直接驱动输出 设备，而要通过输出接口的继电器、晶体管或晶闸管才能实现。输出继电器的触 点可供内部编程使用。根据顺序功能控制图写出梯形图程序，如图4.4、4.5o18M8002SETSOSET SOS20 _厂cyy I SET Y3SETY3X2jSET S21SETS21图4.4梯形图19S22STL、Y2L T s32 s24TLs sXISETS23SETS23RSTY4X3 X5SETSO图4.5梯形图204.5 系统的调试1.使用SWOPC-FXGP/WIN-C软件编写程序。打开软件，在菜单中选择“文件”、“新文件”，然后选择FX2N/FX2NC,并 按确定，到此工程文件建立完毕。在新建文件界面编写程序，并不断转换，直到编写好所有程序并转换成功。如果不能转换，可在FX的菜单中，选择“选项”，“程序检查”，分别通过“语法 错误检查”、“双线圈检查”和“电路错误检查”来查明原因。2.传送程序首先用数据线把PLC与PC机连接上，并给PLC通电。然后就在FX的菜单中，选择“PLC”，“传送”，“写出”，会弹出一个PLC程 序写入的窗口，可选择“所有范围”，并按确定；也可选择“范围设置”，在起始 步和终止步中设定步数，并按确定。最后所有程序就写入到PLC中了。3.调试程序在FX的菜单中，选择“监控/测试”，“开始监控”，就可通过监控现场设备来 调试程序。最后，通过不断的修改与传送，把正确的程序写入到PLC中，设备就可以按 你的设计，正常运转了。21第5章结论本课题是以气动控制系统、可编程控制器为核心，利其强大的控制功能，实 现了基于PLC的气动钻床控制系统。它具有接线简单、编程直观、扩展容易等特 点。当气动钻床的功能需要增加时，硬件接线上只需增加行程开关输入信号。原 来的接线不需改变，软件上只需增加相双程序以及输出的功能，其操作相对于传 统的方式有了很大的改善。调试结果表明，在适成性、精确性和可靠性方面，到 达到了设计的要求，表明该设计方案是可行的。通过本课题的设计与制作，我不仅把电路基本分析、PLC原理与反用、自动 控制原理、计算机控制技术等知识系统的结合起来，而且还学习到了像气压传动、电气控制、钻床等一系列课堂上没有学到过的知识，并且把它们充分的联系起来,通过设计电路原理图、软件程序编译使我的知识面在原有的基础上得到了提高。整个制作、调试、连接的过程既让我把所学的知识复习了一遍，又从中领悟到了 很多新的东西。在硬件的连接与选择中，让我掌握了很多课堂上学不到的知识，也增强了自己实践动手能力，培养了查阅资料能力。通过查阅手册和文献资料，进一步熟悉常用设备的类型和特性，并掌握合理选用的原则，培养了独立分析与 解决问题的能力。在这次设计中，十分感谢老师给予我的支持与帮助，我也在老 师的教导下学到了很多宝贵的东西。22致谢在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师的热情关怀和悉心指导。在我 撰写论文的过程中，老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思 和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了老师 悉心细致的教询和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的 治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢 意！在此还要感谢大学三年来所有的老师，是你们教导我计算机控制方面的知 识，让我能顺利的完成这个设计。感谢机电学院给予我们的关心和帮助，感谢其 它的一些同学在设计中提供大量的支持和帮助。即将毕业之际，再一次向三年中在学习和生活中所有关心、支持、帮助过我 的良师益友致谢！最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位老师表示 衷心地感谢。23参考文献1黄立培.电动机控制M.清华大学出版社，20032姚寿文.自动控制理论基础M.北京理工大学出版社，20063张运刚，宋小春，郭武强.三菱FX2N PLC技术与成用M.人民邮电出版 社，2007.24宋锦春，苏东海，张志伟.气动与气压传动M.北京：科学出版社，20065李颖，陈宽等.基于PLC的提取工作站的气动控制系统J.液压与气 动,2007.16汤以范.电气与可编程序控制器M.机械工程出版社，2004.87吴惕华.机械制造自动化M.机械工业出版社，2006.58殷洪义.可编程序控制器选择设计与维护M.北京：机械工业出版社，20039朱光力，周旭光.气动钻床气压传动系统控制回路的设计J.机械设计与制 造，2003.510李一丹.电气控制原理及其成用M.哈尔滨工程大学出版社，200511王兆义.可编程序控制器教程M.机械工业出版社，200412汤自春.PLC原理及应用技术M.高等教育出版社，2006.624