设计一个3工位旋转工作台的控制系统.doc

任务书
课题十二、设计一个3工位旋转工作台的控制系统
1. 动作特性
其工作示意如图所示。三个工位分别完成上料、钻孔和卸件。
工位1：上料器推进，料到位后退回等待。
工位2：将料夹紧后，钻头向下进给钻孔，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：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。
2. 控制要求

工作台示意图
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，用一个起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4台电机 。
6）对于部分与顺序控制和工作循环过程无关的主令部件和控制部件，采用不进入PLC的方法以节省I/O点数。
7）由于点数不多，所以用中小型PLC可以实现。
3. 时间安排
   第1-2天：根据设计任务查阅相关文献；
   第3-6天：选择一种合适的设计方法，制定详细的设计方案，设计出满足要求的电器控制系统并验证其正确性；
第7-8天：编写课程设计报告；绘制相关电气图纸。
    第9-10天：提交课程设计报告；进行课程设计答辩。
4. 所需提交的材料
1）编写输入输出对照表包括信号名称、外部元件号、内部继电器号
2）绘制PLC外部接线图
3）绘制功能流程图；
4）编写、调试梯形图或语句表程序

目 录
任务书 0
第1章 课程设计任务说明 1
1.1 课题简介 1
1.2 系统总体方案设计概述 1
第2章 课程设计任务分析 2
2.1 设备机构组成分析 2
2.2 设备工作过程分析 2
第3章 控制方案设计 3
3.1 总体方案设计 3
3.2 电气系统设计 4
3.3 电气控制系统设计 4
3.3.1 系统控制与信号分析 4
3.3.2 I/O分配表 5
3.3.3 I/O端子接线图 6
第4章 控制流程分析 7
4.1 功能图 7
4.2 梯形图 8
4.3 语句表 11
课程设计心得 14
参考文献 15

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第1章 课程设计任务说明
1.1 课题简介
随着信息技术的普及和发展，尤其是跨入2000年后，红外技术得到了迅猛发展，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。三工位工作台旋转机床设备在机加工等自动化机床设备中得到广泛引用，通过控制工作台旋转，可以实现在加工过程中同时完成上料和卸料工作，并能实现流水作业，大大提高了工作效率,降低工人劳动强度。
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。
目前ＰＬＣ已经在工业生产过程中得到广泛应用，它具有结构简单易于编程、性能优越、可靠性能高、维修方便和使用方便的一系列优点。

1.2 系统总体方案设计概述
本设计应用以西门子S7-200系列PLC来实现控制钻床三工位工作台旋转控制设计。在上料和卸料工位设计合适的机械手，从而实现无人上料和卸料工作。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 课程设计任务分析
2.1 设备机构组成分析
该3工位旋转工作台控制系统的设计是由PLC系统控制电路、电源电路、红外发射与接收电路、电机驱动电路、显示电路和外壳等组成。

2.2 设备工作过程分析
基于PLC的3工位旋转工作台控制系统主要由送料、钻孔、卸载三部分组成。工作台每旋转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。
三个工位如下：
工位1：工作台旋转到工位1后上料器推进，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，钻头向下进给钻孔，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。
工作台可以实现手动、半自动和全自动控制运行，以适应不同的生产要求，工作过程中工作台每旋转120°，相应位置的机械手依次完成送料、钻孔、卸载三个主过程。

第3章 控制方案设计
3.1 总体方案设计
基于PLC的3工位旋转工作台控制系统的设计是通过PLC技术编写出必要的软件程序进行控制。
3.1.1 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。包括上料进、退操作、工件夹紧、放松操作，钻头下降、上升操作，卸料进、退操作，工作台旋转操作。
（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。
3.1.2 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。

3.2 电气系统设计
三工位旋转工作台控制系统的设计任务主要由两大部分，其中最主要的就是运输小车的PLC梯形图设计，也就是程序设计；其次是液压控制原理图的设计。
三工位旋转工作台控制系统在很大程度上是利用继电器实现的，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，根据设计内容我们不难发现这个系统有21个输入信号和10个输出信号。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。

3.3 电气控制系统设计
3.3.1 系统控制与信号分析
红外发射与接收电路的工作原理
红外发光二极管VD1和RP1组成红外发光电路，可调电阻RP1用作降压限流，通过调节RP1的大小，使红外发光二极管VD1的工作电流限制在90mA之内，以免发光管电流过大而烧毁，并保证其正常工作。
3.3.2 I/O分配表
现在的计算机都大规模集成电路计算机，具有功能强、结构紧凑、系统可靠等特性。
分配表如下表1所示：
表1：输入输出信号对照表
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
SA4-1
I0.0
送料器推进电磁阀
YA1
Q0.0
半自动运行选择
SA4-2
I0.1
送料退回电磁阀
YA2
Q0.1
全自动运行选择
SA4-3
I0.2
工件夹紧电磁阀
YA3
Q0.2
上料器推进按钮
SB1
I0.3
工件放松电磁阀
YA4
Q0.3
上料器退回按钮
SB2
I0.4
钻头下降电磁阀
YA5
Q0.4
工件夹紧按钮
SB3
I0.5
钻头上升电磁阀
YA6
Q0.5
工件放松按钮
SB4
I0.6
卸料推进电磁阀
YA7
Q0.6
钻头下降按钮
SB5
I0.7
卸料退回电磁阀
YA8
Q0.7
钻头上升按钮
SB6
I1.0
工作台转动电动机转动接触器
KM1
Q1.0
卸料器退出按钮
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
I1.6

钻头上升到位行程开关
SQ4
I1.7

卸料器推进到位行程开关
SQ5
I2.0

卸料器退回到位行程开关
SQ6
I2.1

工作台旋转到位行程开关
SQ7
I2.2

放松到位行程开关
SQ8
I2.3

压力继电器触点
SP1
I2.4

3.3.3 I/O端子接线图
PLC输入输出I/O接线图如图3-1所示：

图3-1 I/O接线图

16

第4章 控制流程分析
4.1 功能图
整个软件控制模块部分包括红外信号接收模块和信号输出模块两个部分。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，分析并设计如下流程图4-1与图4-2：

图4-1

图4-2
控制流程图

4.2 梯形图
主程序的功能分析
主程序是将输入的信号进行识别和处理运算，然后输出相应的码值给驱动芯片，使驱动芯片带动电机运转，从而实现其功能。
根据课题要求，在相应软件上具体做出控制系统梯形图并且自动生成语句表。三工位旋转工作台控制梯形图如下：
网 络 1

4.3 语句表

千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。“结论”以前的所有正文内容都要编写在此行之前。
课程设计心得
两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工合作，和同学们相互探讨，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处事。
此次课程设计主要其实是对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。设计之初面临着两个不同的选择方案一：在工作循环时只对一个工件进行加工；二、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，有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。自然而然，为以后的工作积累了经验，增强了信心。
参考文献
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