四工位组合机床PLC电气控制设计毕业设计.doc

目 录第一部分 设计任务与调研 11.四工位组合机床的概述 12.毕业设计内容 23.设计思路及方法 24.调研的目的和总结 3第二部分 设计说明 41.设计理论分析 42.四工位组合机床主要内容 43.设计要求 54.机床的控制过程 85.调试 10第三部分 设计成果 111.I/O地址分配表 112.控制流程图说明 123.梯形图设计 164.指令表 185.电气控制图 206.4工位组合机床的相关元器件的选择 20第四部分 结束语 24第五部分 致谢 25第六部分 参考文献 26第一部分 设计任务与调研1、四工位组合机床的概述组合机床概述组合机床是针对特定工件，进行特定加工而设计的一种高效率自动化专用加工设备，这类设备大多能多刀同时工作，并且具有自动循环的功能。 组合机床是随着机械工业的不断发展，由通用机床、专用机床发展起来的。通用机床一般用一把刀具进行加工，自动化程度低、辅助时间长、生产效率低，但通用机床能够重新调整，以适应加工对象的变化。专用机床可以实现的多刀切削，自动化程度较高，结构较简单，生产效率也较高。但是，专用机床的设计，制造周期长，造价高，工作可靠性也较差。专用机床是针对某工件的一定工序设计的，当产品进行改进，工件的结构，尺寸稍有变化时，它就不能继续使用。在综合了通用机床、专用机床优点的基础上产生了组合机床。组合机床通常由标准通用部件和加工专用部件组合构成，动力部件采用电动机驱动或采用液压系统驱动，由电气系统进行工作自动循环的控制，是典型的机电或机电液一体化的自动加工设备。常见的组合机床，标准通用部件有动力滑台各种加工动力头以及回转工作台等，可用电动机驱动，也可用液压驱动。各标准通用动力部件组合构成一台组合机床时，该机床的控制电路可由各动力部件的控制电路通过一定的连接电路组合构成。多动力部件构成的组合机床，其控制通常有三方面的工作要求: 第一方面是动力部件的点动和复位控制。第二方面是动力部件的半自动循环控制。第三方面是整批全自动工作循环控制。组合机床具有生产率高、加工精度稳定的优点。因而，在汽车、柴油机、电机、机床等一些具有一定生产批量的企业中得到了广泛应用。目前，组合机床的研制正向高效、高精度、高自动化和柔和性化方向发展。本文所用组合机床为四工位组合机床，该机床由四个滑台，各载一个加工动力头，组成四个加工工位，除了四个加工工位外，还有夹具，上下料机械手和进料器，四个辅助装置以及冷却和液压系统共14个部分。机床 的四个加工动力头同时对一个零件的四个端面以及中心孔进行加工，一次加工完成一个零件，由上料机械手自动上料，下料机械手自动取走加工完成的零件，零件每小时可加工80件。该机床的俯视示意图如下1-1:图1-1 四工位十字轴加工组合机床示意图2、毕业设计内容 (1)设计一台由双面铣床、双面钻床组合而成的以较大型壳体零件的粗加工为对象的四工位组合机床的PLC电气控制系统。 (2)组合机床为卧式，设置液压动力滑台为移动工作台，采用行程控制和液压传动，可作半自动循环加工和手动调整。工件的装夹采用具有油路失电夹紧功能的液压控制系统夹紧（放松）被加工零件，在一次半自动循环中，工件经过两个工位进行铣、钻加工（每个工位都经过快速进给和工作进给两步），两个工位各完成一道加工工序。3、设计方法及思路 （1）四个滑台的进退以及夹具，机械手和进料装置有一个液压控制系统进行控制，只需一个液压泵。 （2）四个滑台上都设有行程开关，来保证主轴与工作的相对位置的准确性。 （3）滑台的进退，夹具的夹紧.松开以及上下料之间都进行互锁保护。 （4） 设计思路依托电工实训中心和自动化设备维修实训中心的铣床、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，设计出能实现铣、钻双面四工位加工系统功能的组合机床PLC电气控制系统.4、调研的目的和总结 为了充分发挥设备效能，迅速提升加工技术与精度，越来越多的企业每年投入大量资金和技术对传统老式组合机床进行技术改造，取得了良好的效果。用PLC模块、变频驱动技术、操控监控设备等组成电气数字控制系统，以实现编程输入、人机交互、自动化加工的控制方式，扩大加工能力，减少故障，提高效率，已成为企业进行技术改造的有效途径。第二部分 设计说明1、设计理论分析 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。组合机床行业的现状组合机床及其自动线是集机电于一体的综合自动化程度较高的制造技术和成套工艺装备。它的特征是高效、高质、经济实用因而被广泛应用于工程机械、交通、能源、军工、轻工、家电等行业。我国传统的组合机床及组合机床自动线主要采用机、电、气、液压控制,它的加工对象主要板件等也占一定份额)完成钻孔、扩孔、铰孔, 加工各种螺纹、镗孔、车端面和凸台,在孔内镗各种形状槽以及铣削平面和成形面等。2、四工位组合机床主要内容 四工位组合机床由四个工作滑台各载一个加工动力头，组成四个加工工位完 成对零件进行铣端面、钻孔、扩孔和攻丝等工序的加工，采用回转工作台传送零 件，有夹具、上、下料机械手和进料器四个辅助装置以及冷却和液压系统。系统 中除加工动力头的主轴由电动机驱动以外，其余各运动部分均由液压驱动。机床 的四个动力头同时对一个零件进行加工，一次加工完成一个零件。本机床共有连续全自动工作循环、单机半自动循环和手动调整三种工作方式。连续全自动和单机半自动循环的控制要求为:按下启动按钮，上料机械手向前，将待加工零件送到夹具上，同时进料装置进料，然后上料机械手退回原位，送料装置放料，回转工作台自动微抬并转位，接着四个工作滑台向前，四个动力头同时加工，加工完成后，各工作滑台退回原位，下料机械手向前抓住零件，夹具松开，下料机械手退回原位并取走已加工完的零件，完成一个工作循环，并开始下一个工作循环，实现全自动工作方式。如果选择预停，则每个工作循环完成后，机床自动停止在初始位置，等到再次发出启动命令后，才开始下一个循环，这就是半自动循环工作方式。 组合机床为卧式，设置液压动力滑台为移动工作台，采用行程控制和液压传动，可作半自动循环加工和手动调整。工件的装夹采用具有油路失电夹紧功能的液压控制系统夹紧（放松）被加工零件，在一次半自动循环中，工件经过两个工位进行铣、钻加工（每个工位都经过快速进给和工作进给两步），两个工位各完成一道加工工序。图2-1 工作流程图由图2-1可见，加工过程由以下三个阶段组成： 1）上料。按下起动按钮，上料机械手前进将零件送到夹具上，夹具紧夹零件。与此同时进料装置进料，之后上料机械手和进料装置退回原位。 2）加工。4个工作滑台前进，由其上的4个动力头同时进行加工，铣端面打中心孔，加工完毕各滑台返回原位。在整个加工过程中起动冷却液，加工结束自动关闭。 3）下料。下料机械手前进，抓住零件，夹具松开，下料机械手返回原位，取走加工好的零件完成一个加工循环。3、设计要求 (1)过载保护:主轴电动机单方向起动，要求有过载及短路保护;液压泵电动机单方向起动，过载及短路保护;冷却泵电动机单向工作，过载及短路保护。 (2)元件选用:根据上面要求，要选用三台电动机:M1-控制主轴的电动机; M2-控制液压泵的电动机;M3-控制冷却泵的电动机。(3)再根据电动机的控制要求选择元件:QF-控制总电源的断路器，实现短路和过载保护;FU1FU3-控制各电动机短路保护;KM1-控制主轴电动机单向工作; KM2-控制液压泵电动机工作;KM3-控制冷却泵电动机工作; FR1FR3-用与各电动机的过载保护控制。 具体过程为：回转工作台上升-在工位一由机械手动作装料-夹具夹紧-回转台回转到工位二下降-工位二打中心孔加工-回转工作台上升回转到工位三下降-工位三钻孔加工-回转工作台上升回转到工位四下降-工位四加工螺纹-夹具松开-卸料机械手卸料。由上述的加工流程实现零件的不同工位的不同加工。 由题目要求控制系统有连续全自动工作循环、单机半自动循环和手动循环三种工作方式。手动控制方式主要用于检查和维修。半自动方式也可以用于维修和单个零件的修复加工。半自动工作为每按一次启动按钮，回转台工作回转一个工位。控制工作台的驱动电动机，和四个工位的电动机。满足工作流程和题目要求，如下图2-3设计流程方案。图2- 3 四工位组合机床半自动工作状态程序流程图4、机床的控制过程 （1）系统在S2的驱动下开始进入循环扫描工作。满足M8041和M8044后启动S20，检测到S20输出Y6上进料，图中Y7常闭辅助触点是和Y6联锁，防止进料和退料同时输出造成故障。当X11上料终点检测有信号输入时，输出启动S21、S32。S21状态输出Y0夹紧工件，松开输出Y1常闭触点与之串接联锁防止夹紧与松开同时工作，造成上料失灵。S21步在加工工件时，S31输出Y20进料，退料Y17常开触点是联锁防止同时进料和退料，影响工作。执行S21、S31后夹紧与进料完成由X14、X15检测到动作有信号输入后，启动S22，上料器原位X10、放料X16动作时，输出Y7上料退。同时输出S23、S33、S53、S63上料完成，准备开始滑台加工工件的任务。完成这一段的梯形图部分如下图2-4。 图2-4 上进料梯形图 （2）当系统自动完成了上料后，就可以进入4个滑台的工件的加工。具体控制过程和梯形图图如下图2-5.S23步被启动后输出Y2滑台退，Y3与之串联构成滑台进与滑台退互锁，同时输出驱动I主轴电机和冷却泵，对工件进行加工和机床的冷却。当滑台触点X1有信号输入，即输出转换到S24。S24输出Y3滑台I退Y2常闭触点与之并联构成互锁机构，S33被启动后输出定时1S。当延时过后S34、S44被启动，S34得电后，输出Y13滑台II进行加工，同时Y14常闭触点构成互锁原理。Y22II主轴电机启动对工件进行加工。X3滑台II终点有信号输入S35被启动得电，输出Y14滑台II退，同时与Y13联锁。S44驱动Y15，Y15与Y16常闭触点构成互锁。当滑台IV进到位以后启动IV主轴电机对工件进行加工。X7为滑台原位信号。S45被启动，T0复位等待下一次的循环。图2-5 加工、下料梯形图5、 调试（1）分部调试 首先将各个基本环节的程序送PLC机调试，然后根据工作流程顺序调整，直至符合各基本工作条件为止。（2）整体调试 将全部程序送入PLC机调试。在调试过程中主要注意各基本环节之间相互联系是否满足控制要求，有无失步现象。要考虑各细微动作后产生的相互影响，要将各输入信号一个一个动作，看其输出的反应是否符合控制要求。第三部分 设计成果1、I/O地址分配表表3-1 输入地址器件号地址号功能说明器件号地址号功能说明YV1Y000夹紧YV12Y011滑台II退YV2Y001松开YV13Y012滑台IV进YV3Y002滑台I进YV14Y013滑台IV退YV4Y003滑台I退YV15Y014放料YV5Y004滑台III进YV16Y015进料YV6Y005滑台III退KM1Y017I主轴YV7Y006上料进KM2Y018II主轴YV8Y007上料退KM3Y019III主轴YV9Y008下料进KM4Y021IV主轴YV10Y009下料退KM5Y022冷却电机YV11Y010滑台II进KM6Y023液压电机表3-2 输出地址器件号地址号功能说明器件号地址号功能说明SQ1X000滑台I原位SB4X027液压停SQ2X001滑台I原位SB5X030滑台I进SQ3X002滑台I原位SB6X031滑台I退SQ4X003滑台I原位SB7X032主轴I电动SQ5X004滑台I原位SB8X033进滑台II进SQ6X005滑台I原位SB9X034滑台II退SQ7X006滑台I原位SB10X035主轴II点动SQ8X007滑台I原位SB11X036滑台III进SQ9X008上料器原位SB12X037滑台III退SQ10X011上料器原位SB13X040主轴III点动SQ11X012上料器原位SB14X041滑台IV进SQ12X013上料器原位SB15X042滑台IV退YJ1X014夹紧压力传感器SB16X043主轴IV启动YJ2X015进料压力传感器SB17X044夹紧YJ3X016下料压力传感器SB18X045放松SB1X021总停SB19X045上料器进SB2X022启动SB20X047上料器退SA1X023手动控制SB21X050进料X024回原点SB22X051放料X025半自动控制SB23X052冷却启SB3X026液压启SB24X053冷却停2、控制流程图说明 （1）在驱动条件下，启动初始状态S2，这一步是活动步，当这步结束的转移条件M8041、M8044也是下一对应状态步的初始条件，当满足转移条件转移到状态S20成为活动步，对应操作是上进器进。当该步结束满足转移条件X11，立即启动下一步状态，根据程序运行的原则先启动S21夹具夹紧再到S31进料。当完成这一步满足转移条件X14、X15，立即转到下一步S22进料器退、放料。结束条件是X10、X16即将转移下一步状态，具体图如下图3-3：图3-3 进料器退、放料 （2）在上面介绍的当满足条件状态即转移。在上面的状态时，执行完是完成加工物料的自动进放到加工位置。下面的状态就是各滑台进给对加工工件进行同时的加工。具体状态转移如下：在满足上一步状态条件X10、X16下程序转移到下面状态S23、S33、S53、S63，因根据设计原则启动状态S23 I主轴滑台进给向前加工工件，当满足转移条件X1转移到下一步S24 I主轴滑台工位退。在S23状态启动一个延时步，当满足T0延时结束转移到下一步活动步，转移到S34、S44。S34状态II主轴滑台向前加工工件，当满足转移条件X3转移到S35II滑台退。S44状态IV III主轴滑台向前加工工件，当满足转移条件X7转移到S45 ，IV滑台退。在S53状态III主轴滑台向前加工工件，当满足转移条件X4转移到S45 III滑台退。在S63状态是启动冷却泵系统。当完成上面的各步后就对上来的一个工件加工完成等待着下一步把工件取走。加工工件的状态转移图如下图3-4。图3-4加工工件的状态转移图 （3）在完成上面的两步骤以后就等于完成一个工件的加工了，接下来就是等待着下一步把工件取走，在等待人的操作，是自动继续循环加工工件好手动运行或者停车。 在把工件加工完之后就进入下一步，满足转移条件M101，各工位退回原位。之后，就转移到S25下料器进，当满足X13转移到S26松开，之后就满足X14转移到下料器退，满足转移条件M110(半自动)，由人工操作。见下图3-5图3-5确定加工还是停车3、梯形图设计图3-6 四工位组合机床电气控制的梯形图在上节已按照控制要求和任务把流程图设计好，现在以状态转移流程图的依据，一步一步地设计系统控制梯形图。在流程图的基础上来设计控制梯形图大大地简化了设计过程中的复杂繁琐的过程。增加了程序的可读性和修改调试的简易性。大大节约了设计的时间，间接地提高生产的效率等。梯形图3-6。上图是四工位组合机床实行电气控制的梯形图程序，它采用了STL步进指令编 写程序简捷、清楚4、指令表 图3-7 四工位组合机床电气控制指令表5、PLC电气接线图图3-8 PLC电气接线图6、 四工位组合机床的相关元器件的选择（1）电动机 根据设计要求，4极电动机，2.2kW，3380V。查手册，电动机应选用JO-31-4型，额定电压380V，额定转速1430r/min,额定功率2.2kW，额定电流5A。（2）电磁阀 根据设计要求，电磁阀需24V支流电压，查手册电磁阀选用MFZ1-07直流电磁阀，吸合力为7N，吸合距离4mm,额定直流电压24V，消耗功率10W，消耗电流0.4A。（3）行程开关 根据控制要求，选用直流24V，阻抗小于2千欧，两线制。查手册选用LXJ-1A，一开一闭触点。（4）压力继电器 根据设计要求，需要压力继电器。查手册选用DP-63B型。（5）自动空气开关（断路器） 因电动机额定电流是5A，考虑到起动时电流较大，所以选用DZ5-20自动空气开关。主触点额定电流为20A，能满足起动电动机电流的需要，辅助触点为一常开与一常闭，额定电流5A，也能满足控制要求。（6）接触器 根据控制要求选用CJX1-12，主触点额定电流12A，线圈使用交流220V，能接通12IN(144A),分断10IN（120A）满足控制要求，消耗功率65VA，消耗电流0.35A。（7）主电路熔断器 对于单台电动机，熔体额定电流，选用1.52.5倍电动机额定电流。根据控制要求，电动机额定电流5A，所以选用RL1-15型溶电器，溶管额定电压380V，额定电流15A，熔体额定电流选择15A。（8）变压器 根据控制要求，需DC24V，AC6.3V,AC220V电源。查手册选用BK-100型，规格380/220-127-36-28-12-6.3的小型控制变压器。（9）主控制电路熔断器 因为主接触器线圈只需消耗0.35A电流，所以选择RL-15型熔断器，熔体选择2A，即能满足要求。（10）照明电路熔断器 照明电路电压AC220V，选用40W灯泡，消耗电流0.18A，故选用RM10-15型熔断器，熔体电流为2A。（11）中间继电器 控制需要有4开4闭触点的中间继电器，所以选用HH54型中间继电器，线圈额定电压直流24V，触点有4开4闭，额定电流3A，能满足控制要求。（12）时间继电器 根据控制，KT选用ST3PC，有一对瞬动触点，一对延时触点，即能满足控制要求。（13）直流24V控制电路熔断器 考虑到最多工作时，有两个中间继电器。两个电磁阀线圈得电，电流大约为2A，故选用RL1-15型熔断器，熔体电流选用4A，出现运行故障时，既能保护，又能满足控制要求。（14）AC6.3V指示灯熔断器 考虑到最多工作时，有两只信号灯，再加上电源，液压泵共有4只指示灯亮，电流为0.7A左右。所以选用BLX-1小型螺旋式熔丝管座，额定电流为1A，分断电流为2A，即可满足控制要求。（15）信号灯 根据控制要求，选用XD1-6.3，1W，消耗电流为0.18A左右，灯头型号E10/13。（16）按钮 根据控制要求，选用LA2型，开起式，规格为500V，5A，触点数量是一开一闭，具有一个按钮数。 其中：起动按钮用绿色调整，按钮选黑色，停止按钮用红色。（17）转换开关 考虑到起动循环与切换自动手动使用较频繁，且分断电流且在1A以上，5A以下，而且都具有两对触点座，故选择LW6-2/B，具有两对触点座，手柄交换位置左右各30。（18）自动空气开关 因为主电路有三台电动机，故选用DZ5-20型自动空气开关，具有短路、过载保护。选用自复式、DZ5-20/330型，能切断20A电流，能满足需要。（19）二极管 因为控制电路需直流24V，将变压器输出交流28V进行桥式整流成直流24V，故选用ZDZ17A-X，额定正向整流电流量5A，散热器面积是100mm10mm。（20）电容选用耐压50V，470的电解电容即可满足输出直流24V的要求。（21）液压元器件的选择： 吸油过滤器 YCX型箱外自封式过滤器 限压式变量泵 YBP型10MPa 直通式单向阀 AD型直通式单向阀 减压阀 YJF3溢流减压阀 顺序阀 X2F直控式顺序阀 溢流阀 YF溢流阀 三位五通电磁换向阀 DSG型 两位四通电磁换向阀 DSG型液压缸 CLA1125C中压R（22）PLC的选型四工位组合机床电气控制系统有输入信号39个，输出信号21个，均为开关量。其中外部输入元件包括：17个检测元件、24个按钮开关、1个选择开关；外部输出元件包括：16个电磁阀、6个接触器、5个指示灯。 根据I/O信号的数量、类型以及控制要求，同时考虑到维护、改造和经济等诸多因素，决定选用FX2N-64MR 主机和一个输入扩展单元FX-16EX，这样共有48个输入点，输出点就是主机的32点，满足控制要求。 第四部分 结束语本组合机床电器系统具有以下特点 采用可编程控制系统使得机床加工便捷、可靠、安全,有效地提高了机床的技术性能；本机床电气系统配制合理,程序简单,便于维修、调试和改进,能满足生产工艺加工过程的需要；程控使得机床加工省时省力,有效地提高了机床的生产效率,每小时可加工零件二十五件以上。通过这次毕业设计我拓宽了知识面，锻炼了查阅资料收集资料能力，综合素质得到较大提高。通过理论与实际的结合、人与人的沟通进一步提高思想觉悟。尤其是观察、分析和解决问题的实际工作能力以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质的复合型人才。作为整个学习体系的有机组成部分但并不具有绝对独立的意义。它的一个重要功能在于运用学习成果检验学习成果。运用学习成果把课堂上学到的系统化的理论知识尝试性地应用于实际设计工作并从理论的高度对设计工作的现代化提出一些有针对性的建议和设想。通过这次毕业设计也加深了对PLC的理解，了解了其型号规格并能用，掌握了PLC的基本原理及编程方法，熟悉了典型的设备电气控制系统，具有了从事电气设备调试。维修管理等方面的能力，提高了设计和改进一般机械设备电气控制能力。第五部分 致谢衷心的感谢老师：我的毕业设计是在老师的精心指导和大力支持下完成的，他渊博的知识开阔的视野给了我深深的启迪，这毕业设计凝聚着他的血汗，他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刻的影响，在此我向他表示衷心的谢意。这三年来感谢机电一体化的老师对我专业思维及专业技能的培养，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”，对胡老师的感激之情我无法用语言来表达，在此向胡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!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，你们永远健康快乐是我最大的心愿。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。谨以此致谢最后，再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅的各位老师表示衷心的感谢。 第六部分 参考文献 【1】电气自动控制原理与系统.陈渝光.机械工业出版社.2008年6月第二版.P119-123 【2】电气控制与PLC技术应用.徐超.清华大学出版社.2009年7月第一版.P63-78 【3】可编程控制器原理与应用.王立权、王宗义、王淑钧、徐景编.哈尔滨工业大学出版社2005年1月第1版.P175-196 【4】工厂常用电气手册（下册）.1986年5月第一版 .水利电力出版社.P111-116 【5】FX系列PLC编程及应用. 廖常初 . 机械工业出版社.2008年4月第一版.P55-78 【6】组合机床设计（第三册 电气部分）.机械工业出版社.1976年3月第一版.P149-154 【7】液压与气动技术.杜来林. 北京大学出版社.2006年9月第一版P143-157 【8】液压系统设计图集.机械工业出版社. 周士昌.2003年8月第一版P68-7126