深孔钻组合机床PLC控制毕业设计.doc

目 录
第一部分 设计任务与调研…………………………………………………………1
1、 课题背景和主要研究内容………………………………………………………1
2、 课题调研…………………………………………………………………………2
3、 调研总结…………………………………………………………………………6
第二部分 设计说明……………………………………………………………………7
1、方案选择…………………………………………………………………………7
2、深孔加工的结构、特点及应用……………………………………………………7
3、PLC控制系统设计的基本原则和步骤……………………………………………9
4、深孔钻组合机床PLC控制系统的控制要求……………………………………10
5、主要元件选型……………………………………………………………………11
第三部分 设计成果……………………………………………………………………13
1、PLC的I/O分配表………………………………………………………………13
2、PLC的I/O接线图………………………………………………………………13
3、顺序功能图…………………………………………………………………………………14
4、梯形图………………………………………………………………………………………15
第四部分 结束语………………………………………………………………………21
第五部分 致谢……………………………………………………………………………22
第六部分 参考文献…………………………………………………………………....23

第一部分 设计任务与调研
1、课题背景和主要研究内容
自动动化技术是本世纪以来发展极迅速和影响极大的科学技术之一。现代自动化技术是一种完全新型的生产力，是直接创造社会财富的主要手段之一，对人类的生产活动和物质文明起着极大的推动作用。因此，自动化技术受到世界各国的广泛重视和越来越多的应用。 机械自动化，主要指在机械制造业中应用自动化技术，实现加工对象的连续自动生产，实现优化有效的自动生产过程，加快生产投入物的加工变换和流动速度。
机械自动化技术的应用与发展，是机械制造业技术改造、技术进步的主要手段和技术发展的主要方向。机械自动化的技术水准，不仅影响整个机械制造业的发展，而且对国民经济各部门的技术进步有很大的直接影响。因此，发展我国的机械制造业自动化技术，符合我国社会主义的基本原则，符合我国现代生产的发展规律。 机械自动化, 主要指在机械制造业中应用自动化技术, 实现加工对象的连续自动生产, 实现优化有效的自动生产过程, 加快生产投入物的加工变换和流动速度。机械自动化技术的应用与发展, 是机械制造业技术改造、技术进步的主要手段和技术发展的主要方向。机械自动化的技术水准, 不仅影响整个机械制造业的发展, 而且对国民经济各部门的技术进步有很大的直接影响。
如何发展我国的机械自动化技术, 应实事求是, 一切从我国的具体国情出发, 做好各项基础工作, 走中国的机械自动化技术发展之路。
先进制造技术的全部真谛在于应用。发展机械自动化技术, 应以企业的生产和发展的实际需要及具体条件为导向。只有对合适的产品采用与之相适应的自动化方式进行生产, 才能收到良好的技术经济效益和社会经济效益。
我国发展机械自动化技术, 应结合实际, 注重实用, 即对国民经济产生实际效益。那种盲目搞自动化、搞自动线的做法, 全年生产任务只需1~2 个月就完成的低负荷率生产也要搞的倾向应当纠正, 对国民经济不产生显著促进、效率低下的要缓搞。我们要的是效益, 而不单纯的是速度。 发展低成本自动化技术, 潜力大, 前景广, 投资省, 见效快, 提高自动化程度, 可以收到事半功倍的经济效果, 适合我国现阶段的发展需要和国情。
实现机械自动化是一个由低级到高级、由简单到复杂、由不完善到完善的发展过程。当机械的操作采用自动控制器后, 生产方式才从机械化逐步过渡到机械控制( 传统) 自动化、数字控制自动化、计算机控制自动化。只有建立了自动化工厂后, 生产过程才能全盘自动化,才能使生产率全面提高, 达到自动化的高级理想阶段。
随着现代科学技术的飞速发展，不仅对生产过程自动化，也对生产管理提出了更高的要求。通过计算机网络技术把自动控制与计算机管理系统结合起来，集管理和过程控制为一体是当今工业自动控制发展的趋势。复杂的过程控制系统，常采用两级网络拓扑结构，底层用现场总线以便控制装置尽可能靠近被控生产过程现场，上层采用工业以太网，监控级相对集中于主控室内，从而实现对生产过程的集中管理和分散控制。这样构成的控制系统具有实时性好、可靠性高、抗干扰能力强等优点，比传统DCS系统更经济，更可靠。为了适应这一形式的发展要求，提高实验教学质量，使工科学生在校期间就能受到良好的工程实践锻炼，因此开发了基于工业以太网及现场总线的过程控制系统实验装置。
可编程逻辑控制器（PLC）被越来越多地应用于机械加工设备和其它电气控制系统中。现在人们在工业生产中所使用的机械加工设备，它的控制系统有些已经落后，而使用PLC则可以对其控制系统进行改造升级。经过PLC改造过的机械加工设备，其生产出的产品质量和加工效率会明显提高，降低了设备故障率，能够给企业创造更多的价值。使用深孔钻组合机床，可以完成一些高精密零件的加工任务。有很多方法可以实现深孔钻组合机床的自动化，采用PLC对深孔钻组合机床进行自动化控制，是一种比较好的控制方式。
本课题的目的是把深孔钻组合机床的控制与PLC结合起来，以实现深孔钻组合机床的自动控制。以前的深孔钻组合机床使用的是具有结构简单、价格低廉的继电器-接触器电气控制系统，这种传统的控制系统布线比较复杂，灵活性很差，并且容易损坏元器件，可靠性差，经济效益低。基于这种考虑，本文提出了一种基于PLC的控制系统，来代替传统的继电器-接触器控制系统。PLC以软件手段实现各种控制功能，具有灵活性高、抗干扰能力强、编程简单、扩展方便等突出优点。与继电器接触器控制系统相比，极大地提高了灵活性。
2、课题调研
2.1深孔钻技术的发展情况介绍
在机械制造业中，人们一般把那些孔的深度对孔的直径的比值大于五的圆柱形的孔叫做深孔，而孔深与孔径的比值被人们称为“长径比”。然而在深孔加工中，长径比往往大于十。
深孔加工技术有广义和狭义之分。从狭义上来讲，深孔加工就是指使用切削加工的方法和工业设备进行深孔加工的技术。从广义上来讲，深孔加工技术不仅包括用于此加工的设备和生产原理，还包括生产过程中的一些工作章程和操作技巧。随着科学技术的日益发展，上世纪末出现了一些能够用于深孔加工的新技术，这些技术增加了深孔加工的功能性，极大地拓展了深孔加工技术的领域。
深孔钻组合机床是进行深孔加工的专用设备。加工质量和工作效率是衡量深孔加工性能的两个指标。好的加工设备不仅加工出来的产品质量很高，并且加工效率也很高。但是钻头的冷却和排屑深深地影响着深孔加工的性能，为了使深孔加工能正常进行，进而生产出高质量的产品，必须想出可行的办法很好地解决这两个问题。即使在机械加工中，深孔钻都是一项比较难的工艺，因为它不仅对设备的转速、进给等性能要求极高，而且对钻头的要求业极高，只有高性能的设备才能非常完美的完成深孔加工这项工艺。
图1.1为设备示意图。

图1.1 设备示意图

2.2 PLC在国内外的发展现状介绍
2.2.1 PLC发展历程
PLC是可编程控制器的英文简称，全称是Programmable Logic Controller。它使用了可以编程的基本功能指令，用来执行诸如逻辑、顺序等功能。并且通过数字或模拟量的输入和输出来控制各种机械生产过程。
早期的PLC功能极为有限，只能进行简单的定时计数以及逻辑控制。并且当时的PLC 结构也比较简单，主要由中小规模集成电路和分立元件组成。后来，随着微处理器的出现，人们很快地把微处理器引入到可编程控制器中，将其作为可编程控制器的核心，使PLC增加了数据传送和处理等功能。最后，PLC发展成为了一种全新的工业自动化控制装置。梯形图是可编程控制器的主要编程语言，此时的PLC是微机技术发展到一定阶段的产物。
由于科学技术日新月异的发展，可编程控制器的发展也不甘落后。在上个世纪70年代中期以后，可编程控制器的功能得到进一步完善，发展迅速，进入了全面的实用性阶段。 1980年以后，在一些发达国家，他们的工业发展比较迅速，很多已经在广泛的使用可编程控制器。在这个关键性的时期，越来越多的国家和企业在可编程控制器这一领域进行科学研究，快速发展，使可编程控制器性能越来越高，产品规模也越来越大。这个阶段，可编程控制器的技术发展已经趋于成熟。现在，在一些机械和化工领域，可编程控制器的应用发展更为迅速。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国已经可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。
2.2.2 PLC的结构
PLC是一种用于新型自动控制装置，其硬件结构与微型计算机相比基本上相同。PLC系统主要由基本单元，外部设备和I/O扩展单元组成，其基本单元又包含中央处理单元，电源，存储器。
如图1.2为PLC的硬件结构图。

图1.2 PLC的硬件结构图
2.2.3 PLC的特点
（1）可靠性高，抗干扰能力强。
使用软件编程可以实现大量的模拟量逻辑运算，解决了因继电器触头接触不良导致的一些问题。采用直流低压电输入，更安全，可靠。对于工业环境方面，采取诸如虑波，屏蔽，隔离等在内的多种抗干扰的措施，以适应多种复杂的工业环境。与传统的继电器-接触器控制系统相比，更加卓越。
（2）编程简单，容易掌握。
PLC采用梯形图的方式编写应用程序，与继电器控制的逻辑设计相似，编写简单，看起来直观，掌握起来比较容易。
（3）质量轻，体积小，功耗低。
因为采用了单片机等一下集成芯片，所以它的体积比较小，结构紧密，功耗极低。
（4）功能完善。
由于PLC技术的进一步发展，不仅具有步进，开关量逻辑控制和计数功能，同时还有处理模拟量、网络通信、温度控制和位置控制等功能。在使用过程中，不仅可以单机运行，而且可以联网使用。在使用过程中，操作员可以随时修改控制逻辑，比较方便。
2.2.4 PLC发展趋势
21世纪，PLC会有更大的发展。以下是可编程控制器的发展趋势：
① 从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；
② 从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；
③ 从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；
④ 从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS(Distributed control system)中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。
3、调研总结
经过一系列的调研工作我明确了自己的思路，依托电工实训中心和自动化设备维修实训中心的钻床、PLC等实训设备，充分运用所学专业知识和实践技能，详细制定设计方案和阶段进度计划，通过程序设计、模拟调试、修订完善，设计出能实现深孔钻系统功能的组合机床PLC电气控制系统。
方法手段：文献检索、图书馆借阅、手册查询、设备选型、PLC编程、PLC实训室程序调试；分析工艺与控制流程、分析控制要求与方式、分析系统设计的原则和方法、确定PLC输入输出设备和I/O点数及选择PLC机型、硬件系统设计 、软件程序设计、绘制控制系统接线图、电器元件的选择、程序调试。进行设计工作，来适应日异月新的机械制造业。
第二部分 设计说明
1、方案选择
我们都知道，大多组合机床的控制系统都是采用机械、液压或气动、电气相结合的控制方式。其中，电气控制就像是人类的大脑，起着核心作用。因此，当设计组合机床的控制系统时，应当注意分控制系统与机械、液压或气动部分之间的相互关系。根据对控制对象的分析，本文设计如下方案。
根据深孔钻组合机床的工艺流程，可以选择3台电动机进行工作。其中，主轴电动机控制主轴的旋转；液压泵电动机，控制液压传动过程，从而实现对深孔钻组合机床滑台的快进、快退、工进进行控制；冷却泵电动机，对钻头进行冷却。
图2.1 控制系统框图。

图2.1 控制系统框图
2、深孔加工的结构、特点及应用
2.1深孔钻组合机床的结构
机床的主电路是由3台三相交流异步电动机及控制元件组成，由于各电动机的功率均在10kw以下，可以采用直接启动方法。液压工作台和电动机之间的配合与连锁必须符合深孔钻组合机床的工艺要求。工艺要求机床滑台在工件定位夹紧后快进，到达指定位置进行工进开始钻孔加工，经过三次循环操作，钻孔完成之后，机床滑台退回原位。控制回路出了电气基本保护外，还设置了“电隔离保护”，以提高安全性。
深孔钻组合机床为卧式机床，在启动液压泵电动机M1以后，夹紧工件后，电动机M2自行启动，由液压进给系统推动主轴前进，当到达指定位置时，带动钻头旋转进行加工，电动机M3在电动机M2启动后方可启动，加工完成后机床滑台后退到原位，松开工件，拔出定位销。
组合机床的结构简图如图2.2所示。

图2.2 组合机床结构简图
2.2深孔加工的特点及应用
从表象上看，深孔不过是浅孔的延长，深孔加工里当是浅孔加工方法的扩展应用，但实际上两者相差甚大。
在各种零件中，长径比不超过5的孔随处可见，人所知的浅孔是构成大多数零件的不可缺少的因素。
进一步考察深孔，其主要功能有：
1. 在较长距离间传输介质，并具有密封功能。
2. 在较长距离之间传输力或进行热交换。
3. 在较长距离两区域之间传输信息。
4. 精确导向。
2.3深孔钻组合机床的控制方式
由于深孔钻组合机床配置的电动机均在10kw以下，满足电动机直接启动的要求，所以可采用直接启动方式。电气控制电路有基本的保护环节，例如过载保护和短路保护等。
图2.3 深孔钻组合机床电气主电路图。

图2.3 深孔钻组合机床电气主电路图
在图2.3中，FU1-FU3是电动机短路保护环节中用到的熔断器。FR1-FR3是电动机过载保护环节用到的热继电器。电动机M1-M3分别由接触器KM1-KM3来控制，达到完美的控制效果。
3、PLC控制系统设计的基本原则和步骤
为了完美的实现生产过程的工艺要求，进而提升产品的质量和效率，在实际的设计过程中，PLC控制系统设计的基本原则主要有四点：
a. 可靠性原则。需要保证PLC控制系统的稳定性，使用起来安全可靠有保证。
b. 经济型原则。设计控制系统不仅要考虑其实现的功能，更要考虑到使用者的经济能力，尽量简单实用。
c. 完整性原则。在控制系统设计的过程中，要尽量满足工业生产的控制要求。
d. 可持续发展原则。应该考虑到生产工艺改进等方面的需求，注意保留适当的升级空间。
PLC控制系统设计主要包括两方面，一是硬件设计，二是软件设计[8]。硬件设计，就是设计PLC的外部设备，而软件设计就是设计PLC的应用程序。
4、深孔钻组合机床PLC控制系统的控制要求
被压合，近按起动按钮SB2,电动机起动正向运转。刀具前进。前进至行程开关SQ3处，撞击行程开关SQ3，电动机反转，刀具第一次自动退刀。后退至行程开关SQ1处.SQ1被压合，第一次退刀结束，电动机正转.刀具自动第二次进刀。进刀至行程开关SQ4处，撞击行程开关SQ4，电动机反转。刀具第二次自动退刀。后退至行程开关SQ1处，SQ1又被压合.第二次退刀结束，电动控制要求:深孔钻组合机床进行钻孔时.为了利于钻头排屑及冷却，需要周期性地从工件中退出钻头。 
深孔钻组合机床工作示意如图所示。在初始位置O点时，行程开关SQ1机正转，刀具自动第三次进刀。进刀至行程开关SQ5处，撞击行程开关SQ5 ,电动机又反转，刀其进行第三次自动退刀。后退至行程开关SQ1处，SQ1被压合，第三次退刀结束。电动机停止运行，钻孔完毕，完成一个钻孔工作过程。 
钻孔还要求能正反方向手动点动调整。当按下停止按钮SB1时能在任何位置停止。
图2.4工作流程示意图。

图2.4 工作流程示意图

5、主要元件选型
5.1 plc的选型
根据设计的控制系统对I/O点数的要求，本着经济实用的原则，本文选用产自德国西门子公司的可编程控制器，型号为S7—200。该型号极高的可靠性，极丰富的指令集，易于掌握，便捷的操作，丰富的内置集成功能，实时特性，强劲的通讯能力，丰富的扩展模块。选择这种型号的PLC不仅满足了设计要求，而且为将来该PLC控制系统的更新保留了一些适当的空间。
5.2 电动机
首先，电动机的选择不仅考虑电动机的特性，而且要考虑初期投资和运行成本等因素。由于本设计对启动调速等性能没有特殊要求，三相笼型异步电动机具有价格低廉，结构简单，容易维修等特点，因此，本课题用的是三相笼型异步电动机。
5.3 热继电器
热继电器是一种保护电器，专门用来对过载机电源断相进行保护，以防止电动机因上述故障导致过热而损坏。热继电器具有结构简单、体积小、成本低等特点，选择适当的热元件可得良好的反时限特性。所谓反时限特性就是指热继电器动作时间随电流的增大而减小的性能。
5.4 接触器
接触器是一种能够反复的断开和接通距离远的用电设备主电路或其他比较大的容量的用电回路的自动控制的电气装置。它分为交流和直流两类，其主要以电灯、电动机等为主要的控制对象。接触器主要有三部分组成，第一部分是灭弧装置；第二部分是是触头系统；第三部分是电磁机构。
5.5熔断器
熔断器是一种串联于电路中利用金属导体作为熔体，当短路或过载电流通过时，由于发热致其熔断，从而断开电路达到保护目的的电器。熔断器是一种简单有效的保护电路，其结构简单、重量轻、体积小、价格低廉，广泛的使用在工业生产中。熔断器的主要作用是用来进行短路保护，偶尔也可以进行过载保护。熔断器主要有两部分组成，一是安装熔体的熔管，二是熔体；其中熔体俗称保险丝，熔管又叫熔座。
5.6主令电器
主令电器一般是用于发出命令进而分断和接通控制电路，一般有转换开关、按钮、和位置开关等类型。
按钮是一种具有储能复位功能并且需要人力来操作的开关电器。按钮的主要结构是由复位弹簧和一些简单的装置等组合而成的。按钮使用的非常普遍，本设计也是用了按钮。
行程开关又称限位开关，是一种在工业生产中经常用到的小电流主令电器，主要用来对自动生产线、机床或其他生产机械进行限位及流程控制。行程开关还应用于重型机械领域，对重型机械的行程加以控制。在实际生产中，行程开关需要被安装到预定位置，当装其被安装在生产机械运动部件上的模块撞击时，行程开关的触点发生动作，继而实现电路之间的切换。行程开关主要有两种类型：1、滚轮旋转式行程开关 其复位方式有非自动和自动复位两种。此类行程开关主要使用在做低速运动的机械中。2、直动式行程开关 它用运动部件上的撞块碰撞行程开关的顶杆，达到控制的目的。这种开关不能在模块的移动速度低于40cm/min的场合中使用。

第三部分 设计成果
1、PLC的I/O分配表
根据以上分析和结合深孔钻组合机床PLC控制系统的特点得出输入信号为八个，停止按钮、起点按钮、退刀行程开关三个、正向调整点动按钮、反向调整点动按钮、原始位置行程开关。输出信号为两个，钻头前进接触器线圈、钻头后退接触器线圈。列出的I/O分配表如下。
表3.1为PLC输入/输出分配表。

表 3.1 PLC输入/输出分配表
2、 PLC外部接线图
根据表3.1和如上所述知，深孔钻组合机床PLC控制系统输入信号为八个输出信号为两个，则得出深孔钻组合钻床PLC控制系统外部接线图如图3.2所示。
图 3.2为外部接线图。

图 3.2外部接线图
4、顺序功能图
根据深孔钻组合机床的控制要求以及动作，得出深孔钻组合钻床PLC控制顺序功能图如图3.3所示。
图3.3为顺序功能图。

图3.3顺序功能图
4、梯形图
根据深孔钻组合机床的控制要求，设计出深孔钻组合机床PLC自动控制系统梯形图如下，并模拟调试成功。

第四部分 结束语
可编程控制器是新型的自动控制装置，慢慢取代了以前的使用继电器接触器控制的系统。它具有抗干扰能力强、可靠性高、性价比高等优点。PLC由于使用了单片机等集成芯片，因此它质量轻，体积小，相应的功耗就低。使用PLC来控制深孔钻组合机床，非常方便，不仅系统结构简单，而且效率很高，同时容易进行保养和维修。
本文主要是根据深孔钻组合机床的工艺流程，合理的设计出深孔钻组合机床PLC控制系统的硬件部分，选择合适的电动机及其它各种元器件，进行PLC的选型和I/O分配，画出主电气原理图和输入/输出接线图。然后设计深孔钻组合机床PLC控制系统的软件部分，画出梯形图。本设计主要是控制深孔钻组合机床进行三次进给循环运动，不仅可以排屑，而且能够对钻头进行充分的冷却，以确保其能以最佳状态进行深孔加工。本设计还有一些不足之处，工件的放入和取出都是由人工进行的，没能实现全面的自动化加工，是个遗憾。深孔加工技术是一项很重要的加工工艺，PLC控制系统起着关键的作用，希望以后能对PLC控制系统的不足之处加以完善和改进，使之能更好的服务。

第五部分 致谢
我的毕业设计是在老师的精心指导和大力支持下完成的，她渊博的知识开阔的视野给了我深深的启迪，毕业设计凝聚着她的血汗，她以严谨的治学态度和敬业精神深深的感染了我对我的工作学习产生了深渊的影响，在此我向他表示衷心的谢意。
这三年来感谢所有的老师对我专业思维及专业技能的培养，(她)他们在学业上的心细指导为我工作和继续学习打下了良好的基础，在这里我要像诸位老师深深的鞠上一躬！特别是我的班主任，虽然他不是我的专业老师，但是在这三年来，在思想以及生活上给予我鼓舞与关怀让我走出了很多失落的时候，“明师之恩，诚为过于天地，重于父母”，对老师的感激之情我无法用语言来表达，在此向老师致以最崇高的敬意和最真诚的谢意！
感谢这三年来我的朋友以及一体化班的四十多位同学对我的学习，生活和工作的支持和关心。三年来我们真心相待，和睦共处，不是兄弟胜是兄弟！正是一路上有你们我的求学生涯才不会感到孤独，马上就要各奔前程了，希望你们有好的前途，失败不要灰心，你的背后还有一体化班这个大家庭！
最后我要感谢我的父母，你们生我养我，纵有三世也无法回报你们，要离开你们出去工作了，我在心里默默的祝福你们平安健康，我不会让你们失望的，会好好工作回报社会的。

第六部分 参考文献
【1】《电气控制与PLC应用》.王少华.中南大学出版社.2013年7月. P123～178
【2】 《电气与可编程控制器技术》.汤以范.机械工业出版社.2004年1月. P83～95
【3】《PLC原理与应用》.俞国亮.清华大学出版社.2005年4月. P32～60
【4】《PLC控制系统设计、安装与调试》.陶权，韦瑞录.北京理工大学出版社.2014年08月.P30～P198
【5】《可编程控制器原理及应用》.吴中俊，黄永红.机械工业出版社.2005年1月.P26～P60
【6】《机电一体化技术》.周劲松.湖南大学出版社.2015年2月.P17～P40
【7】《机电设备电气控制与PLC》. 夏天天. 中南大学出版社. 2015年3月. P125-130

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