三工位旋转工作台.doc

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机电工程学院

课程设计说明书

设计题目: 三工位旋转工作台

控制系统设计

学生姓名：
学 号： 20094805
专业班级： 机制F09
指导教师：
2012 年 12 月 12 日

内容摘要

本课题中三工位旋转工作台是钻孔加工中在工作台三个不同工位分别同时完成上料、钻孔、卸料等工艺过程的工艺技术，这大大提高了机械加工的效率。但是新的问题接踵而至：三个工位同时动作就要要求操作工人完成上料、装夹工件、钻孔、卸工件。这样高强度的工作工人是否能承受的了，怎样降低工人的劳动强度呢？提高自动化程度就成了我们面临的首要课题。
随着科技的发展，继电器控制已经逐步被可编程控制器(PLC)控制所代替。PLC是以计算机技术为核心的通用自动化控制装置,它的功能性强,可靠性高,编程简单,使用方便,体积小巧,近年来在工业生产中得到了广泛的应用,被誉为当代工业自动化主要支柱之一。
在PLC的支持下，怎样实现操作流程的自动化这个问题迎刃而解。于是在机加工过程中我们可以选择各种控制机制去简化工人操作以及降低工人劳动强度、提高效率等。
关键词：三工位旋转工作台；可编程控制器；提高效率；自动化

1

目 录

第1章 前 言………………………………………………………………………………1
第2章 总体方案设计……………………………………………………………………2
2.1方案说明……………………………………………………………………………2
2.1.1控制要求……………………………………………………………………2
2.1.2制定控制方案………………………………………………………………2
2.2 控制方式选择………………………………………………………………………2
第3章 PLC控制系统设计………………………………………………………………4
3.1 工作台动作特性……………………………………………………………………4
3.2液压控制部分的设计………………………………………………………………4
3.3 系统控制流程图……………………………………………………………………5
3.4 选择PLC类型 ………………………………………………………………………7
3.5 I/O地址分配 ……………………………………………………………………7
3.6 I/O接线图 ………………………………………………………………………9
3.7控制程序设计 ……………………………………………………………………10
3.8控制程序语句表 …………………………………………………………………15
3.9调试程序 …………………………………………………………………………19
结论 ……………………………………………………………………………………22
设计总结 ………………………………………………………………………………23
谢辞 ……………………………………………………………………………………24
参考文献 ………………………………………………………………………………25

1

第1章 前言
随着科学技术的不断发展，机械加工的方法和手段也逐渐变得丰富起来，各种先进技术被人们引入机械行业中来形成各种新兴学科，机电一体化就是其中一门。机电一体化是以电子技术特别是微电子技术为主导、多种新兴技术与机械技术交叉、融合而成的综合性高技术，是机械与电子的有机结合产物。其目的是不断提高劳动生产率，减轻人们的体力劳动，逐步代替部分脑力劳动。机械一体化的机械加工比传统机械加工有很大的优越性。在本课题中，机电一体化的好处显得尤为突出。
并且，PLC的处理器速度和功能在不断增加，已发展成具有逻辑控制功能过程控制功能运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能等的多功能控制器，加上它的价格低廉、操作简便、改变功能灵活易用、维护工作量小等优势，使PLC在工业生产过程自动化中获得广泛应用。根据PLC的原理和应用，以西门子S7系列PLC为例介绍三工位旋转工作台控制系统程序设计。
三工位旋转工作台机床设备在机械加工等自动化机床设备中得到广泛应用。通过控制工作台旋转，可以实现在加工的同时完成上料和卸料操作，并能实现流水作业，大大提高了工作效率，降低了工人劳动强度。若在上料工位和卸料工位上设计合适的机械手，则可实现无人上料和卸料操作。
钻床加工三工位工作台是由送料、钻孔、卸载三部分组成。工作台通过每旋转120°完成一个工位，循环运行来实现工件的快速送料、钻孔、卸载的流水作业系统。
第2章 总体方案设计
2.1 方案说明
刚接触机械设计这门课程时，老师就教导我们做任何设计都要对做的题目有个宏观认识。只有对整体设计做出全局的把握，设计才会有所针对，事半功倍。拿到课程设计题目后，我并没有直接进入主题开始着手设计，而是逐步将设计要求研究了一遍，认真对设计思路做了一个规划然后才开始设计。
2.1.1 控制要求
（1）用选择开关来决定控制系统的全自动、半自动运行和手动调整方式。
（2）手动调整采用按钮点动的控制方式。它包括上料器进、退操作、工件夹紧、放松操作，钻头下降、上升操作，卸料器进、退操作，工作台旋转这些操作。
（3）系统处于半自动工作方式时，每执行完成一个工作循环，用一个启动按钮来控制进入下一次循环。
（4）系统处于全自动运行方式时，可实现自动往复地循环执行。
（5）上料器、夹紧装置、卸料器、钻头上下运动由液压缸驱动。夹紧力由压力继电器检测控制。钻头旋转、工作台旋转由电动机驱动。
2.1.2 制定控制方案
（1）用选择开关来决定控制系统的全自动、半自动运行和手动调整方式。
（2）手动调整采用按钮点动的控制方式。
（3）系统处于半自动工作方式时，每执行完成一个工作循环，用一个启动按钮来控制进入下一次循环。
（4）系统处于全自动运行方式时，可实现自动往复地循环执行。
（5）系统运动不很复杂，采用三台电动机：主动电动机、液压电动机和工作台旋转电动机。除了主轴转动和工作台旋转用电动机拖动外，其他所有运动都可以采用液压传动。
（6）对于部分与顺序控制和工作循环过程无关的主零部件和控制部件，采用进入PLC的控制方式以达到方便控制。
2.2 控制方式选择
三工位旋转工作台控制系统的设计任务主要由两大部分，其中最主要的就是其旋转工作台的PLC梯形图设计，也就是逻辑程序设计；其次是液压控制原理图的设计。
该工作台控制系统在很大程度上是利用继电器实现的，继电器-接触器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，使得设备连线复杂，且触点时开时闭时容易受电弧的损害，寿命短，系统可靠性差。其次可编程序控制器的梯形图与传统的电气原理图非常相似，主要原因是其大致上沿用了继电器控制的电路元件和符号和术语，仅个别之处有些不同，同时信号的输入输出形式及控制功能基本上也相同。
并且PLC在性能上比继电器-接触器控制系统优异，特别是其可靠性、通用性强、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便。并且近年来随着电子技术的飞速发展，PLC的成本在不断下降。综合考虑以上各种因素，对三工位工作台自动化控制选用PLC控制系统。
而最初的PLC就已经有很完善的继电器控制功能了。在这里选用PLC控制完全是对症下药。PLC采用循环扫描的工作方式，对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符号后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环。每一个循环称为一个扫描周期。一个扫描周期分为输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。
其工作过程为：当按下启动按钮后，各控制信号的状态在PLC的输入采样阶段被存入PLC内部的I区，然后PLC逐条执行程序，在输出刷新阶段将I区的状态输出到Q区，Q区的状态控制各继电器线圈，进而控制各电磁阀和搅拌电动机的工作。

第3章 PLC控制系统设计
3.1 工作台动作特性
三工位旋转工作台控制动作特性如下：
工位1：工作台旋转到工位1后上料器推进，上料到位后退回等待。
工位2：工工作台旋转到工位2后，夹紧装置将料加紧，钻头向下钻孔，下钻到位后退回，退回到位后工件松开，放松完成后等待。
工位3：工作台旋转到工位3后，卸料器向前将加工完成的工件推出，推出到位后退回，退回到位后等待。
其工作示意如下图3-1所示。

图3-1 三工位旋转工作台系统示意图

3.2 液压控制部分的设计
根据三工位旋转工作台的动作要求，控制部分大多采用液压电磁阀控制。当送料器推进到位后碰到推进到位行程开关时，液压阀供油方向发生改变，活塞杆退回。活塞杆退回到位后碰到退回到位行程开关，液压阀动作处于中间位置，工位1处于等待状态。工位2动作顺序是工作台转动到位后开始夹紧，夹紧后压力继电器动作使活塞缸处于保压状态，同时使钻头旋转以及下降。等钻头下降达到行程开关位置处钻头停止下降，上升继电器得电转而钻头上升。钻头上升到位碰到行程开关使钻头停止转动和上升，并且活塞杆放松工件。放松完成碰到行程开关使工位2处于等待状态。工位3的动作顺序是工作台旋转结束后活塞缸推动工件开始卸料，到行程开关后活塞杆反行程电磁阀得电退回，退回到位碰到行程开关处于等待状态。等三个工位都停止动作后，工作台旋转电磁阀的电，工作台旋转进入下一个循环。根据要求做出合理的液压原理图如图3-2示。

图3-2 液压原理图

3.3 系统控制流程图
控制流程图可以让设计人员清楚、明了的认清该系统的工作过程。根据三工位旋转工作台的控制要求，在不同的工位能同时进行加料、钻孔加工和卸料。根据课程设计的具体要求，分析并设计如下图3-3：

图3-3 控制流程图
3.4 选择PLC类型
本设计选用德国西门子公司的S7—200系列PLC，它是一种性价比高的小型PLC，其功能强大、工作可靠性高，能满足本控制系统的要求。从上面的控制要求可知，输入设备共需22个：SA3-1～SA3-3、SBl-SB9、SQl～SQ8、SP1，输出设备共需10个：YV0～YV8、KMl～KM2。考虑10％～15％的裕量，系统需要数字量输入26点，数字量输出1l点，不需要模拟量模块，共需要输入和输出点数37点。选用任何一个系列的PLC都不能满足输入点的个数，也就是任何一个S7-200单片机都需要扩展。而CPU226的又很贵，所以在此选用CPU224外加一个EM221的扩展模块就能满足要求。
S7-200系列的CPU224主机有I0.0—I0.7、I1.0—I1.5共计14个输入点和Q0.0—Q0.7、Q10—Q1.1共计10个输出点。CPU224输入电路采用了双向光电耦合器，24VDC极性可任意选择，系统设置1MB为I0.x字节输入端子的公共端，2MB为I1.x字节输入端子的公共端。在晶体管输出电路中采用了MOSFET功率驱动器件，并将数字量输出分为两组，每组有一个独立公共端，共有1L、2L两个公共端，可接入不同的负载电源。 CPU224PLC有6个高速计数脉冲输入端（I0.0—I0.5），最快的响应速度为30KHZ，用于捕捉经CPU扫描周期更快的脉冲信号。另外，还有2个高速脉冲输出端（Q0.0、Q0.1），输出脉冲频率可达20KHZ.用于PTO（高速脉冲束）和PWM（宽度可变脉冲输出）高速脉冲输出，可完全适应于一些复杂的中小型控制系统障]。按钮开关选择LAl 8系列(AC380V，50Hz)，行程开关选择LXIO系列(AC380V，50Hz)，接触器和电磁阀选择小功率的交流接触器CJIO系列和通用电磁阀ZCL一1Y系列，直接由PLC控制。
3.5 I/O地址分配
I/O信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础，只有分配I/O点地址以后才可以进行编程。对控制柜及PLC的外围来说，只有I/O点地址确定以后，才可以绘制电气接线图，所以只有准确、合理的进行I/O地址的分配与编号，才方便进行后续的设计。表3-1所示为该控制系统的I/O分配表。

表3-1 I/O分配表

输入信号名称
外部
元件
内部
地址
输出信号名称
外部
元件
内部
地址
手动运行选择
SA3-1
I0.0
送料器推进电磁阀
YV1
Q0.0
半自动运行选择
SA3-2
I0.1
送料退回电磁阀
YV2
Q0.1
全自动运行选择
SA3-3
I0.2
工件夹紧电磁阀
YV3
Q0.2
上料器推进按钮
SB1
I0.3
工件放松电磁阀
YV4
Q0.3
上料器退回按钮
SB2
I0.4
钻头下降电磁阀
YV5
Q0.4
工件夹紧按钮
SB3
I0.5
钻头上升电磁阀
YV6
Q0.5
工件放松按钮
SB4
I0.6
卸料推进电磁阀
YV7
Q0.6
钻头下降按钮
SB5
I0.7
卸料退回电磁阀
YV8
Q0.7
钻头上升按钮
SB6
I1.0
工作台转动电动机接触器
KM1
Q1.0
卸料器推进按钮
SB7
I1.1
钻头转动电动机接触器
KM2
Q1.1
卸料器退回按钮
SB8
I1.2

工作台旋转按钮
SB9
I1.3

上料器到位行程开关
SQ1
I1.4

上料退回到位行程开关
SQ2
I1.5

钻头下降到位行程开关
SQ3
I2.0

钻头上升到位行程开关
SQ4
I2.1

卸料器推进到位行程开关
SQ5
I2.2

卸料器退回到位行程开关
SQ6
I2.3

工作台旋转到位行程开关
SQ7
I2.4

放松到位行程开关
SQ8
I2.5

压力继电器触点
SP1
I2.6

3.6 I/O接线图
I/O接线图是进行施工接线的主要技术文件，图3-4所示为该三工位旋转工作台控制系统的I/O接线图。

图3-4 I/0接线图
3.7 控制程序设计
梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言。它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛的应用。梯形图由触点、线圈和应用指令等组成。触点代表逻辑输入条件。CPU运行扫描到触点符号时，便转到触点位指定的存储器位访问（即CPU对存储器的读操作）。在用户程序中常开触点和常闭触点可以使用无数多次。线圈通常代表逻辑输出结果和输出标志位，当线圈左侧接点组成的逻辑运算结果为“1”时，“能流”可以到达线圈，使得线圈得电动作，则CPU将线圈的位地址指定的存储器的位置为“1”，逻辑运算结果为“0”时，线圈断电，存储器的位置为“0”。
STEP7-Micro/WIN32软件是西门子S7-200PLC的开发工具，主要用于开发程序，也可用于实时监控用户程序的执行状态。以下为用STEP7-Micro/WIN32软件编制的该控制系统的程序梯形图。

3.8 控制程序语句表
 指令表编程语言类似于计算机中的助记符汇编语言，它是可编程控制器基础的编程语言。所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程控制器的某种操作功能，具体指令的说明可查阅相关参考文献。语句表通常和梯形图配合使用，互为补充。将该控制系统的梯形图转化为语句表如下所示：

3.9 程序调试
程序调试有模拟器调试和现场调试等方法，根据课程设计要求并结合实际情况使用了STEP7-Micro/WIN32模拟器进行了本程序的调试。西门子S7－200的仿真软件Simulation1.2版是从西班牙原版1.2直接汉化过来的，支持TD200仿真界面和增减计数器等多种指令。调试方法如下 ：
1.将在STEP7-Micro/WIN32中编译正确的程序在文件菜单中导出为AWL文件；
2.打开仿真软件，点“配置”-“CPU型号”，然后选择CPU224，双击后边“0”模块，选择扩展模块EM221；
3.点“程序”-“载入程序”；
4.选择STEP7-Micro/WIN32的版本；
5.将先前导出的AWL文件打开；
6.点“PLC”-“运行”，开始调试程序。
手动运行工作台调试程序，部分运行情况如下：
1.按下手动按钮开关SB1(I0.0),接着摁下上料按钮SB2(I0.4)，上料继电器、电磁阀得电后开始上料，结果如图3-5。

图3-5 开始上料

2.当上料到位后，摁下上料器退回按钮SB2(I0.4),上料器退回继电器、电磁阀得电，上料器开始退回，结果如图3-6。

图3-6 上料器退回

3.当工作台旋转到位时，摁下夹紧按钮SB3(I0.5),夹紧继电器得电Q0.2,工件被加紧，结果如图3-7。

图3-7 加紧

4.按下钻头下降按钮SB5(I0.7),钻头旋转Q1.1和钻头下降Q0.4继电器得电，它开始进行旋转和下降动作，结果如图3-8。

图3-8钻头下转

5.当钻头下降到位时，摁下按钮SB6(I1.0),钻头上升电磁阀Q0.5得电，开始上升，结果如图3-9。

图3-9 钻头上升
结论
此次课程设计主要是对PLC的控制功能进行练习了解掌握，而在三工位工作台旋转工作台的设计中跟多要求的是我们对PLC经典控制模块——继电器控制部分进行设计。设计之初有两个不同的选择方案：一是在工作循环时只对一个工件进行加工；二是在工作时对三个工件同时加工。第一种方案效率低，但是设计起来简单。第二种方案加工效率高但是中间各个工序的加工时间对工作台旋转时间有影响。经过多方面论证，最后我选择了第二种方案提高了生产效率。通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。
在本次设计中，我们还需要大量的以前没有学到过的知识，于是图书馆和网络成了我们很好的助手。在查阅资料的过程中，我们要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中我们查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。我们学习的知识是有限的，在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我们受益非浅。在设计过程中，我们总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，我们需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。自然而然耐心便逐渐建立起来，这为我们以后的工作积累了经验，增强了信心。
这次设计我觉得创新点在于各种控制之间的逻辑关系比较合理，利用各个继电器之间的互锁使系统稳定运行。
设计总结
两周的课程设计很快就结束了，期间遇见了很多麻烦。在老师和同学的帮助下设计了一个比较合理的解决方案。虽然课程设计还不算完美，但是这次课程设计的目的基本上已经达到了，在这两周内我们对PLC控制有了比较熟悉的了解。 通过这次设计实践。我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，课程设计提高了我们的工程素质。在没有做实践设计以前，我们所知道仅停留在理论上，对一些细节不加重视。当我们把自己想出来的程序与到PLC中的时候，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。通过解决一个个在调试中出现的问题，我们对PLC的认识得到加强，看到了实践与理论的差距。
虽然本次课程设计是要求自己独立完成，但是，彼此还是脱离不了集体的力量，遇到问题和同学互相讨论交流，多和同学讨论。我们在做课程设计的过程中要不停的讨论问题，这样我们可以尽可能的统一思想，就不会使自己在做的过程中没有方向。讨论不仅是一些思想的问题，还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的处理问题要快一些，少走弯路。在设计的过程中我们还得到了老师的帮助与意见。在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法，不是有句话叫做“学而不思则罔，思而不学则殆”，做事要学思结合。相信在以后投入工作以后我们还是要跟同事一起合作，不断学习、不断进步。

谢辞
通过课程设计，让我深刻的体会到了实践和理论的区别与联系，让我明白怎么样才能把理论应用于实践。在这次实训中，我得到了锻炼，但是也感觉到了自己的不足。因此，我必须在剩下的时间里对自己严格要求，争取让自己适应社会潮流，满足社会需要。
并且我应该忠心的感谢学校给我们提供的这次课程设计的机会，让我在设计中体会到了我现在所处的位置和将来要达到的位置。同时也要特别感谢王老师：他严格要求我们，每天坚持上午下午到教室指导学生们做课程设计，这让我们能早第一时间把自己发现的问题解决掉，大大提高了我们做设计的效率和信心。王老师以其严谨求实的治学态度、独特的教学模式、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。我们在这次课程设计中由于我们现在所学知识还不能满足实训的要求，所以我们在图书馆查阅了大量的资料，所以也应该感谢学校给我们提供了大量图书，和在图书馆的工作人员。一个人的想法总是有限的，所以要设计一个梯形图就需要和大家共同交流，多采取同学的意见，在此感谢他们的帮助，在大家的共同努力下我们的课程设计最终顺利完成。
这次课程设计意义重大，因为这是我们毕业设计前的最后一次课程设计了。这次设计将给我们毕业设计做了最后一次大练兵，希望能在最后的毕业设计中我们继续保持合作，共同探讨、共同进步。

参考文献
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