多工步机床控制系统设计.docx
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多工步机床控制系统设计
基于PLC的多工步组合机床控制系统设计
摘要
现代意义上的用于加工金属机械零件的机床,就是要求能够对工件进行铣端面、镗孔、钻孔、检查、扩孔、攻丝、转位、钻深孔等工序的加工。
当然要完成这些动作,仅凭传统的继电器控制方式,将很难以实现。
这就需要有一种新型的控制方式——可编程控制器。
在多工步组合机床对棉纺锭子锭脚的加工中,就要求多工步机床同时具备加工:
钻孔,车平面,钻深孔,车外圆及钻孔,粗铰双节孔及倒角,精铰双节孔,铰锥孔,各个工步的动作。
这就必须依靠可编程控制器的强大功能来加以实施,因为采用PLC控制,可使接线大为简化,不但安装十分方便,而且保证了可靠性,减少了维修费,提高了工效。
关键词:
多工步,PLC,机床
Designofmulti-stagecombinationcontrolmachinebasedonPLC
ABSTRACT
Modernsense,forprocessingmetalmechanicalpartsofmachinetools,theworkpieceisrequiredtofacemilling,boring,drilling,inspection,reaming,tapping,transfer,deepholedrillingandothermachiningprocesses.Ofcourse,tocompletetheseactionsalonetraditionalrelaycontrol,itwillbedifficulttoachieve.Thisrequiresanewcontrolmethod-programmablelogiccontroller.Inthemulti-stepcombinationofmachinetoolspindlelegsontheprocessingofcottonspindles,themachinerequiresbothamulti-stepprocess:
Drilling,plane,drillhole,cylindricalanddrillingvehicles,crudeDoublehingeholeandchamfer,Doubleprecisionhingehole,hingecone,eachprocessstepintheaction.Thismustrelyonthepowerofprogrammablecontrollerstobeimplemented,becausetheuseofPLCcontrol,cangreatlysimplifythewiring,installationisnotonlyconvenient,butalsotoensurethereliability,reducemaintenancecosts,improveworkefficiency.
KEYWORDS:
multi-step,PLC,machinetool
前言
多工步机床是一种进行特定加工的高效率、自动化专用设备。
他通过采用继电器逻辑控制方式,存在着控制椐体积大、改变控制方式困难、柔韧性差、设备的电控系统故障率高,检修周期长等缺点。
特别是在更换产品而改变动作循环时,需重新设计、安装、调试,不能适应现代生产要求。
若将原系统改装为PLC控制系统,则能克服上述缺点。
本课题多工步组合机床的PLC控制系统的设计主要是运用PLC控制系统来控制机床,实现了以软件代替部分硬件。
要求能够对工件进行铣端面、镗孔、钻孔、检查、扩孔、攻丝、转位、钻深孔等工序的加工。
根据上述要求,首先是主电路图的设计,即把各个动力头的电机的主电路图设计好。
其次是电气元件的选择。
第三是地址表的分配。
第四是画出顺序功能图表第五根据顺序功能图写出梯形图。
最后是指令表的书写。
在上述工作完成之后就需要我们绘制出系统组态图,最后是系统的调试和仿真。
通过毕业设计的实践,查阅资料、初步设计,通过老师的精心指导,我初步学了组合机床的PLC控制系统的设计原理。
大大的提高了我的个人能力。
由于自己的有限的知识,本课题还有很多的缺点,还需要各位老师的指导。
第1章绪论
1.1课题研究的背景
多工步机床是一种进行特定加工的高效率、自动化专用设备。
采用继电器逻辑控制方式,存在着控制椐体积大、改变控制方式困难、柔韧性差、设备的电控系统故障率高,检修周期长等缺点。
而采用PLC控制,可使接线大为简化,不但安装十分方便,而且保证了可靠性,减少了维修费,提高了工效。
本文设计的多工步机床是用于加工棉纺锭子锭脚的一种加工机床,其锭脚加工工艺比较复杂,零件加工前为实心胚件,整个机械加工过程由七个工步要求依次进行切削。
七个工步依次为:
钻孔,车平面,钻深孔,车外圆及钻孔,粗铰双节孔及倒角,精铰双节孔,铰锥孔,各个工步的动作分解如图1-1所示。
图1-1各个工步的动作分解图
1.1.1多工步组合机床在国民经济中的地位及其发展简史
一个国家要繁荣富强,必须实现工业、农业、国防和科学技术的现代化,这就需要一个强大的机械制造业为国民经济各部门提供现代化的先进技术设备与装备,即各种机器、仪器和工具等。
在一般机械制造厂中,机床所担负的加工工作量,约占机械制造总工作量的40%~60%,机床的技术性能直接影响机械产品的质量及其制造的经济性,进而决定着国民经济的发展水平
现代意义上的用于加工金属机械零件的机床,是在18世纪中叶才开始发展起来的。
当时,欧美一些工业最发达的国家,开始了从工场手工业向资本主义机器大工业生产方式的过渡,这就推动了机床的迅速发展。
1770年前后创制了镗削蒸汽机汽缸内孔用的镗床。
1797年发明了带有机动刀架的车床,续车床之后,随着机械制造业的发展,至19世纪末,车床、钻床、镗床、刨床、拉床、铣床、磨床、齿轮加工机床等基本类型的机床已先后形成。
1.1.2我国多工步组合机床技术装备现状及发展趋势
我国组合机床及组合机床自动线总体技术水平比发达国家要相对落后,国内所需的一些高水平组合机床及自动线几乎都从国外进口。
工艺装备的大量进口势必导致投资规模的扩大,并使产品生产成本提高。
因此,市场要求我们不断开发新技术、新工艺,研制新产品,由过去的“刚性”机床结构,向“柔性”化方向展,满足用户需求,真正成为刚柔兼备的自动化装备。
但随着市场竞争的加剧和对产品需求的提高,高精度、高生产率、柔性化、多品种、短周期、数控组合机床及其自动线正在冲击着传统的组合机床行业企业,因此组合机床装备的发展思路必须是以提高组合机床加工精度、组合机床柔性、组合机床工作可靠性和组合机床技术的成套性为主攻方向。
一方面,加强数控技术的应用,提高组合机床产品数控化率;另一方面,进一步发展新型部件,尤其是多坐标部件,使其模块化、柔性化,适应可调可变、多品种加工的市场需求。
然而更关键的是现代通信技术在机床装备中的应用,在这些方面我国组合机床装备还有相当大的差距,因此我国组合机床技术装备高速度、高精度、柔性化、模块化、可调可变、任意加工性以及通信技术的应用将是今后的发展方向。
1.2PLC控制系统研究
1.2.1PLC的定义和概念
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
1.2.2PLC的国内外发展状况
20世纪70年代中末期,可编程控制器进入实用化发展阶段,计算机技术已全面引入可编程控制器中,使其功能发生了飞跃。
20世纪80年代初,可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
20世纪末期,可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
从控制规模上来说,这个时期发展了大型机和超小型机;从控制能力上来说,诞生了各种各样的特殊功能单元,用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合。
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。
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。
1.2.3PLC的未来发展趋势
21世纪,PLC会有更大的发展。
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;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;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;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。
1.3课题的提出及课题研究的意义
在机床行业中,多工步机床由于其工步及动作多,控制较复杂,采用传统的继电器控制时,需要的继电器多,接线复杂,因此故障多,维修困难,费工费时,不仅加大了维修成本,而且影响了设备的工效。
原来用于加工棉纺锭子锭脚的机床用量大的继电器控制,可靠性低容易产生误动作,故障不易检查,维修频繁,噪声大且耗能,越来越满足不了生产需要。
同时可编程控制器作为一种新型的工业自动化装置已在工业控制各个领域广泛应用,具有体积小,功耗低,寿命长,可靠性高,灵活通用,易于编程,维修及使用方便等特点。
将PLC技术应用于制动器杠杆加工的专用组合机床,使该机床实现除装卸工件以为的全部自动循环过程,避免了过去由于大量使用继电器带来的种种缺点,改善并提高了控制性能,提高了生产效率,降低了生产成本。
多工步机床是一种进行特定加工的高效率、自动化专用设备。
他通过采用继电器逻辑控制方式,存在着控制椐体积大、改变控制方式困难、柔韧性差、设备的电控系统故障率高,检修周期长等缺点。
随着技术的进步,这类控制系统已显示出越来越多的弊端。
近年来PLC在工业自动控制领域应用越来越广,PLC抗干扰能力强,可靠性高、寿命长,适用于工业设备的改造,他在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势,较好的提高了其可靠性和灵活性,是其他工控产品无法比拟的。
如果用PLC控制技术对这些系统实施改造,这具有普遍的技术及经济意义。
1.4小结
棉纺行业的现代化,要求机械产业不断地提供各种先进的设备,为制造和维修这些设备,就必须具备制造各种金属零件的设备。
机械零件的形状精度、尺寸精度和表面粗糙度要求高的零件,主要靠机床切削加工来达到,特别形状复杂和精度要求高的零件,往往需要几道切削加工工步才能完成。
开发研制的此项多工步机床的电气控制系统的方案采用先进技术、工作可靠性高、简单易懂、操作维护方便、性能优良、反应灵活、自动化程度高,适合我国现在的国情,对我国经济的发展,以及机床利用自动控制系统的进步有着重要的现实意义和实用价值。
第2章多工步机床电气控制系统的硬件设计
2.1PLC的选型设计
西门子工控产品在工控领域应用市场中有较高的占有率,其功能比较全面和典型,具有一定的代表性。
S7-200系列PLC是西门子SIMATICPLC家族中的成员之一,在西门子工控领域应用中占有重要地位。
S7-200系列PLC体积小,价格低廉,软硬件功能强大,系统配置方便,它一推向市场就在各行各业得到了广泛应用。
而S7-200系列的产品可以满足本设计要求,因此设计以西门子公司的S7-200系列入手。
S7-200主机单元发展至今,经历了两代产品。
第一代产品为CPU21X型,包括CPU212、CPU214、CPU215和CPU216,其中每种主机单元都可以进行扩展。
第二代产品为CPU22X型,包括CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226和CPU226XM,它们已经得到了广泛的应用。
1.CPU221型主机单元具有6输入/4输出共计10数字I/O点,无I/O扩展能力。
2.PLC222型主机单元具有8输入/6输出共计14个数字I/O点,可以连接2个I/O扩展单元,最大扩展至78个数字量I/O点或10路模拟量I/O。
3.PLC224型主机单元具有14输入/10输出共计24个数字量I/O点,可以连接7个扩展单元,最大至168个数字量I/O点或35路模拟量I/O。
4.CPU224XP型主机单元具有与CPU224相比增加了2路输入/1路输出共3路模拟量I/O。
5.CPU226型主机单元具有24输入/16输出共计40个数字I/O点,可以连接7个I/O扩展单元,最大扩展至248个数字量I/O点或35路模拟量I/O。
6.CPU226XM型主机单元CPU226XM型主机单元和CPU226型相比,I/O点都一样,只是存储容量有所区别。
CPU22X系列具有多种功能模块和人机界面可供选择,具有功能齐全的编程软件,控制系统的设计更简单,几乎可以完成任何功能的控制任务。
多工步机床电气控制系统硬件电路需要6输入/5输出共计11个数字量I/O点,同时考虑到要留有一定的余量,价格问题,所以选择CPU222作为主机单元,它具有8电开关量输入/6点开关量输出,这表明硬件系统满足全部工艺要求。
因此采用1个基板即可。
PLC的具体硬件配置如表2-1所示。
表2-1PLC的具体配置
序号
名称
类型
数量
1
主机单元模块
CPU222
1
2
基板
DIN
1
2.2PLC的I/O编址
PLC的输入/输出(I/O)编址如表2-2所示。
表2-2PLC的输入/输出(I/O)编址
输入
输出
I0.0
Q0.0
I0.1
Q0.1
I0.2
Q0.2
I0.3
Q0.3
I0.4
Q0.4
I0.5
Q0.5
I0.6
I0.7
2.3PLC的I/O点分配
PLC的输入/输出具体分配如表2-3所示。
表2-3PLC的输入/输出具体分配
信号名称
信号符号
I/O编址
输入电源
启动开关
SB1
I0.0
DC24V
横向工进开始
SQ1
I0.1
DC24V
限位开关
横向延时开始
SQ2
I0.2
DC24V
限位开关
横向快退结束
SQ3
I0.3
DC24V
限位开关
纵向快退结束
SQ4
I0.4
DC24V
限位开关
停止开关
SB2
I0.5
DC24V
正转接触器
KM1
Q0.0
AC220V
反转接触器
KM2
Q0.1
AC220V
快速接触器
KM3
Q0.2
AC220V
电磁阀
DT1
Q0.3
AC220V
主轴接触器
KM4
Q0.4
AC220V
图2-1多工步组合机床控制系统主电路
2.4多工步组合机床控制系统主电路
多工步组合机床控制系统主电路如图2-2所示。
图2-2多工步组合机床控制系统的I/O接线图
2.5元件明细表
由多工步机床电气控制系统I/O点及元件的数量和类型可知,该系统有一个电磁阀,四个接触式接触器KM1、KM2、KM3和KM4,两个按钮开关SB1和SB2,四个限位开关SQ1、SQ2、SQ3和SQ4,两个熔断器FU1和FU2,还有三台三相异步交流电动机M1、M2和M3。
统计得出需要接触器四个,按钮开关二个,限位开关四个,电磁阀一个,熔断器两个,三相异步交流电动机三台。
电动机的额定功率选择的原则是:
所有额定功率要满足生产机械在拖动的各个环节(启动、调速、制动等)对功率和转矩的要求并在此基础上使电动机得到充分利用。
主电动机M1Y100L2-45KW380V
快速电动机M2Y90L-42KW380V
慢速电动机M3Y802-42KW380V
具体元件明细表如表2-4所示。
表2-4元件明细表
元件名称
符号
型号
数量
启动按钮
SB
LAY16-8
2
刀开关
QS
HH3
1
限位开关
SQ
ALP-310
4
接触器
KM
M2J
4
电磁阀
YV
ARE-050
1
主电动机
M1
Y100L2-4
1
快速电动机
M2
Y90L-4
1
慢速电动机
M3
Y802-4
1
熔断器
FU
RL1
2
2.6小结
继电器逻辑控制方式,存在着控制椐体积大、改变控制方式困难、柔韧性差、设备的电控系统故障率高,检修周期长。
PLC控制,可使接线大为简化,不但安装十分方便,而且保证了可靠性,减少了维修费,提高了工效。
PLC技术可以实现逻辑控制、顺序控制、定时、计数、算术运算、数据处理、数据通信等功能,并且具有处理分支、中断、自诊断能力。
PLC技术的逻辑控制功能通过软件编程来实现,柔韧性强控制功能多,控制线路大大简化。
PLC的程序运行为循环扫描工作方式,且有故障检测及诊断程序,可靠性极高。
采用PLC技术改造的多工步机床自动控制系统完全符合多工步自动控制的生产特点,能够满足多工步机床自动控制的各种要求,从而提高了棉纺锭子锭脚的加工水平。
第3章多工步组合机床控制系统的软件设计
3.1.编程语言的选择
PLC最常见的三种编程语言,一是梯形图,二是语句表STL,三是功能块图FBD。
采用梯形图编程,是因为他直观易懂,但需要一台个人计算机及相应的编程软件;采用语句表STL形式便于实验,因为它只需要一台简易编程器,而不必用昂贵的梯形图编程器或计算机来编程。
STEP7Micro/WIN32编程软件提供了三种编程语言,即梯形图,语句表STL,及功能块图FBD,每种语言都有自己的特点。
梯形图:
梯形图是通过连线把PLC指令的梯形图符号连接在一起的连通图,用以表达所使用的PLC指令及其前后顺序,它与电气原理图很相似。
它的连线有两种:
一种为母线,另一种为内部横竖线。
内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组,这个指令组一般总是从装载(LD)指令开始,必要时再继已若干个输入指令(含LD指令),已建立逻辑条件。
最后为输出类指令,实现输出控制,或为数据控制、流程控制、通信处理、监控工作等指令,以进行相应的工作。
编程人员几乎不必具有计算机的基础知识,不需考虑PLC内部的结构原理,只要有继电器接触控制的基础,就能在很短的时间内掌握梯形图LAD的使用和编程方法,因此这种编程语言应用最广泛。
语句表STL类似于计算机的汇编语言,是PLC最基础的编程语言。
它特别适用于熟悉计算机原理和熟悉PLC的结果原理和工作过程的程序员,用它可以编写出梯形图LAD或功能块图FBD无法实现的程序,程序执行速度最快。
功能块图FBD类似于数字电子电路,它是将具有各种与、或、非、异或等逻辑关系的功能块图按照一定的控制逻辑组合起来。
这种编程语言适用于那种熟悉数字电子电路的人员。
PLC的编程语言与一般计算机语言相比,具有明显的特点,它既不同于高级语言,也不同于一般的汇编语言,它既要满足易于编写,又要满足易于调试的要求。
本文编程确定选用梯形图LAD汇编语言,以便形象、直观的反映所实现的逻辑关系。
3.2多工步机床电气控制系统的流程图设计
程序控制图如3-1所示。
图3-1主程序控制流程图
3.3多工步机床控制系统的梯形图设计
多工步机床电气控制的梯形图如图3-2所示。
图3-2多工步组合机床控制系统梯形图
3.4多工步组合机床控制系统梯形图对应的指令表
Network1
LDI0.0
OM0.1
ANM0.2
=M0.1
Network2
LDI0.1
AM0.1
OM0.2
ANM0.4
=M0.2
Network3
LDI0.2
LPS
ANM0.2
=M0.3
LPP
TONT37,30
Network4
LDT37
AM0.2
OM0.4
ANM0.5
=M0.4
Network5
LDI0.3
AM0.4
OM0.5
ANM0.6
=M0.5
Network6
LDI0.4
AM0.5
OM0.6
ANM0.7
=M0.6
Network7
LDI0.1
AM0.6
OM0.7
ANM1.0
=M0.7
Network8
LDT37
AM0.7
OM1.0
ANM1.1
=M1.0
Network9
LDI0.3
AM1.0
OM1.1
ANM1.2
=M1.1
Network10
LDM1.1
OM1.2
ANI0.1
=M1.2
Network11
LDT37
AM1.2
OM1.3
ANM1.4
=M1.3
Network12
LDI0.3
AM1.3
OM1.4
ANM1.5
=M1.4
Network13
LDI0.1
AM1.4
OM1.5
ANM1.6
=M1.5
Network14
LDT37
AM1.5
OM1.6
ANM1.7
=M1.6
Network15
LDI0.3
AM1.6
OM1.7
ANM2.0
=M1.7
Network16
LDI0.1
AM1.7
OM2.0
ANM2.1
=M2.0
Network17
LDT37
AM2.0
OM2.1
ANM2.2
=M2.1
Network18
LDI0.3
AM2.1
OM2.2
ANM2.3
=M2.2
Network19
LDI0.1
AM2.2
OM2.3
ANM2.4
=M2.3
Network20
LDT37
AM2.3
OM2.4
ANM2.5
=M2.4
Network21
LDSM0.1
RM0.1,22
Network22
LDM2.3
AM2.4
=M2.5
Network23
LDM0.1
OM0.2
OM0.6
OM0.7
OM1.1
OM1.2
OM1.4
OM1.5
OM1.7
OM2.0
OM2.2
OM2.3
ANM0.3
ANQ0.3
=Q0.1
Network24
LDQ0.1
OQ0.3
ANM0.2
ANM0.7
ANM1.2
ANM1.5
ANM2.0
ANM2.3
=Q0.2
Network25
LDM0.4
OM1.0
OM1.3
OM1.6
OM2.1
OM2.4
ANQ0.1
=Q0.3
Network26
LDM0.5
ANQ0.1
=Q0.6
3.5小结
PLC技术可以实现逻辑控制,顺序控制,定时,计数,算数运算,数据处理,数据通信等功能,并且有处理分支,中断,自诊断能力。
PLC技术的逻辑控制功能通过软件编程实现,柔性强,控制功能多,控制线路大大简
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