1、中国机械加工网 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业网站！ 中国机械加工社区 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业社区！ 第 1 页 共 23 页 中国机械加工网 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业网站！ 中 国机械加工社区 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业社区！ 邢台职业技术学院毕业论文 PLC 在数控机床上的应用 专 业 电气自动化 班 级 电气 062 班 姓 名 学 号 12 指导教师 师 宁 日 期 2009 年 5 月 中国机械加工网 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业网站！ 中国机械加工社区 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业社区！
2、第 2 页 共 23 页 中国机械加工网 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业网站！ 中 国机械加工社区 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业社区！ 摘 要 目前 ,可编程控制器（ PLC）广泛应用于数控机床等工业控制中。数控机床的控制部分可分为数字控制和顺序控制两部分 ,数字控制部分包括对各坐标轴位置的连续控制 ,而顺序控制包括对主轴正 /反转和启动 /停止、换刀、卡盘夹紧和松开、冷却、尾架、排屑等辅助动作的控制。现代数控机床采用 PLC 代替继电器控制来完成逻辑控制 ,使数控机床结构更紧凑 ,功能更丰富 ,响应速度和可靠性大大提高 ! 可编程控制器是一种 专为在工业环境下应用而
3、设计的数字运算操作的电子系统，它采用一种可编程程序的存储器，在其内部存储执行逻辑算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式、模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备和生产过程。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。 关键词：可编程控制器 数字控制 顺序控制 操作指令 组合机床 自动循环 目 录 第 1 章绪论 . 1 1.1
4、组合机床概述 . 3 1.2 控制流程 . 4 1.3 电控系统输入输出信号 . 4 1.4 组合机床采用 PLC 电气控制系统的优点 . 6 第 2 章 PLC 概述与方案论 证 . 9 2.1 PLC 概述 . 9 2.2 方案论证 . 10 第 3 章 电气控制系统硬件设计 . 12 3.1 选择 PLC 机型 . 12 3.2 设计输入输出信号地址表 . 13 3.3 设计 PLC 控制系统电气原理图 . 15 3.4 设计 PLC 控制系统操作面板 . 17 中国机械加工网 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业网站！ 中国机械加工社区 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业
5、社区！ 第 3 页 共 23 页 中国机械加工网 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业网站！ 中 国机械加工社区 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业社区！ 第 4 章 控制系统软件设计 . 15 4.1 设计 PLC 控制系统工作循环流程图 . 15 4.2 设计 PLC 控制系统初始化梯形图程序 . 16 4.3 设计 PLC 控制系统手动及显示梯形图程序 . 16 4.4 设计 PLC 控制系统状态转移图与梯形图程序 . 16 4.5 实验室电气原理图仿真及程序调试 . 21 结 论 . 22 参考文献 . 23 第 1 章绪论 1.1 组合机床概述 组合机床是针对特定工件，
6、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
7、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、
8、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。 中国机械加工网 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业网站！ 中国机械加工社区 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业社区！ 第 4 页 共 23 页 中国机械加工网 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业网站！ 中 国机械加工社区 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业社区！ 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
9、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： 1.2 控制流程 当按下启动按钮后，上料机械手向前，将零件送到夹具上，夹具夹紧零件，进料装置进料，然后四个工作滑台向前，四个加工动力头同时加工，加工完成后，各工作滑台退回原位，接下来 下料机械手向前抓住零件，夹具松开，下料机械手带料退回原位并松开，完成一个工作循环。 要求组合机床能以手动、半自动、全自动三种工作方式工作。全自动工作方式为一个工作循环结束后，自动进入下一个工作循环；半自动工作方式为
10、一个工作循环结束后，机床将停车于初始状态；手动方式是用于手动调整的。 1.3 电控系统输入输出信号 1、 输入信号（共 42 个）。其中： SQ、 YJ 为位置检测传感器开关； SA 为选择开关；SB 为按钮。 中国机械加工网 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业网站！ 中国机械加工社区 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业社区！ 第 5 页 共 23 页 中国机械加工网 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业网站！ 中 国机械加工社区 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业社区！ 2 输出信号（共 27 个）。其中： YV 为电磁阀； KM 为接触器； HL 为指示灯 随
11、着科学技术的发展，生产工艺不断提出新的要求，机床电气控制装置也不断更新。在控制方法上主要从手动控制到自动控制；在控制功能上， 是从简单到复杂；在操作上由笨重到轻松，从控制原理上，由单一的有触点硬接线继电器控制系统转为以微处理器为中心的软件控制系统。 在上世纪的 20 年代到 30 年代，借助继电器、接触器、按钮和行程开关等组成继电器 -接触器控制系统，实现对机床的启动、停车、有级调速等控制。继电器 -接触器控制的优点是：结构简单、价格低廉、维护方便、抗干扰性能力强。因此广泛应用于各类机功能 器件 功能 器件 功能 器件 功能 器件 滑台 1 原位 1SQ 下料器终点 12SQ 滑台 1 进 5
12、SB 主轴 4 点动 16SB 滑台 1 终点 2SQ 夹紧 1YJ 滑台 1 退 6SB 夹紧 17SB 滑台 2 原位 3SQ 进料 2YJ 主轴 1 点动 7SB 松开 18SB 滑台 2 终点 4SQ 放料 3YJ 滑台 2 进 8SB 上料器进 19SB 滑台 3 原位 5SQ 润滑压力 4YJ 滑台 2 退 9SB 上料器退 20SB 滑台 3 终点 6SQ 润滑液面开关 5YJ 主轴 2 点动 10SB 进料 21SB 滑台 4 原位 7SQ 总停 1SB 滑台 3 进 11SB 放料 22SB 滑台 4 终点 8SQ 启动 2SB 滑台 3 退 12SB 冷却开 23SB 上料
13、器原位 9SQ 预停 3SB 主轴 3 点动 13SB 冷却停 24SB 上料器终点 10SQ 润滑故障撤除 4SB 滑能 4 进 14SB 下料器原位 11SQ 选择开关 1SA 滑台 4 退 15SB 功能 器件 功能 器件 功能 器件 功能 器件 夹紧 1YV 上料退 8YV 放料 15YV 润滑电动机 6KM 松开 2YV 下料进 9YV 进料 16YV 润滑显示灯 1HL 滑台 1 进 3YV 下料退 10YV 1 主轴 1KM 1、 3 工位原位指示 2HL 滑台 1 退 4YV 滑台 2 进 11YV 2 主轴 2KM 2、 4 工位原位指示 3HL 滑台 3 进 5YV 滑台
14、2 退 12YV 3 主轴 3KM 上料原位指示 4HL 滑台 3 退 6YV 滑台 4 进 13YV 4 主轴 4KM 下料原料指示 5HL 上料进 7YV 滑台 4 退 14YV 冷却电动机 5KM 中国机械加工网 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业网站！ 中国机械加工社区 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业社区！ 第 6 页 共 23 页 中国机械加工网 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业网站！ 中 国机械加工社区 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业社区！ 床和机械设备。目前，在我国继电器接触器控制仍然是机床和其它机械设备最基本的电气控制形式之一。继电器
15、-接触器控制系统的缺点是：由于固定接线形成，故在进行程序控制时 ，改变控制程序不方便，灵活性差。故在实际生产中，由于大量存在一些开关量控制的简单程序控制过程，而实际生产工艺和流程，又是经常变化的。因而传统的继电器 -接触器控制系统常常不能满足这种需求。电子计算机控制系统的出现提高了电气控制的灵活性和通用性，其控制功能和控制精度都得到很大的提升。然而在其初期，存在着系统复杂、使用不方便、抗干扰能力差、成本较高等缺陷，尤其对上述简单的过程控制有“大材小用”和不经济等问题。因而 60 年代出现了一种能够根据需要，方便的改变控制系统，而又要比计算机系统结构简单，价格低廉的自动化装置 顺序控制器。它能通
16、过组合逻辑元件插接或变成来实现继电器 -接触器控制线路功能的装置，它能满足成组经常改变的控制要求，使控制系统具有较大的灵活性和通用性，但它还是使用硬件手段，装置体积大，功能也受到了一定的限制。 随着大规模集成电路和微处理机技术的发展和应用。上述控制技术也发生了根本变化。在 70 年代出现了用软件手段来实现各种控制功能，以微处理器为核心的新兴工业控制器 可编程程序控制器（ PLC）。这种期间完全能够适应恶劣的工业环境，由于它兼备了计算机控制和继电器 -接触器控制两方面的优点，故目前世界各国将其作为 一种标准化通用设备普遍应用于工业控制。 1.4 组合机床采用 PLC 电气控制系统的优点 组合机床
17、的电气控制理论上讲可以采用继电器接触器电气控制系统，单片机控制系统和 PLC 控制系统来实现。但是在实际工程中往往选择一种经济、有效、性能优越的控制方案，考虑到上述几点， PLC 较适合组合机床的电气控制。 PLC、单片机、继电器 -接触器控制系统相比具有以下优点： 1 PLC 与继电器 -接触器相比较： 继电器 -接触器控制系统自上世纪二十年代问世以来，一直是机电控制的主流。由于它的结构简单、使用方便、价格低廉，所以使用广泛。它 的缺点是动作速度慢，可靠性差，采用微电脑技术的可编程顺序控制器的出现，使得继电接触式控制系统更加逊色。PLC 等取代继电接触式控制逻辑。具体如下： (1) 控制逻辑
18、： 继电接触式控制系统采用硬接线逻辑，它利用继电器等的触电串联、并联、串并联，利用时间继电器的延时动作等组合或控制逻辑，连线复杂、体积大、功耗也大。当一个电气控制系统研制完后，要想再做修改都要随着现场接线的改动而改动。特别是想要能中国机械加工网 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业网站！ 中国机械加工社区 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业社区！ 第 7 页 共 23 页 中国机械加工网 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业网站！ 中 国机械加工社区 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业社区！ 够增加一些逻辑时就更加困难了，这都是硬接线的缘故。所以，继电接触式控制系统
19、的灵活性和扩展性较差。 可编程控制器采用存储逻 辑。它除了输入端和输出端要与现场连线以外，而控制逻辑是以程序的方式存储在 PLC 的内存当中。若控制逻辑复杂时，则程序会长一些，输入输出的连线并不多。若需要对控制逻辑进行修改时，只要修改程序就行了，而输入输出的连接线改动不多，并且也容易改动，因此， PLC 的灵活性和扩展性强。而且 PLC 是由中大规模集成电路组装成的，因此，功耗小，体积小。 (2) 控制速度： 继电器接触式控制系统的控制逻辑是依靠触电的动作来实现的，工作频率低。触点的开闭动作一般是几十毫秒数量级。而且使用的继电器越多，反映的速度越慢，还是容易出现触点 抖动和触点拉弧问题。 而可
20、编程控制器是由程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度相当快。通常，一条用户指令的执行时间在微秒数量级。由于 PLC 内部有严格的同步，不会出现抖动问题，更不会出现触点拉弧问题。 (3) 定时控制和计数控制： 继电接触式控制系统利用时间继电器的延时动作来进行定时控制。用时间继电器实现定时控制会出现定时的精度不高，定时时间易受环境的湿度和温度变化而影响。有些特殊的时间继电器结构复杂，维护不方便。 而可编程程序控制器使用半导体集成电路作为定时器，时基脉冲由晶体震荡器产生，精度相当高并且定时 时间长，定时范围广。用户可以根据需要在程序中设定定时值。 PLC根据给定的定时值，由软件和硬件计数器来控制制
21、定时间，定时精度高、定时时间不受环境的影响，并且一旦调好，不会变化。并且 PLC 可以完成计数功能，而继电接触系统通常没有计数功能。 (4) 设计与施工。 使用继电接触式控制系统完成一项控制工程，设计施工，调试必须顺序进行，周期长，而且修改困难而使用 PLC 来完成一项控制工程。设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计可以同时进行，周期短，而且调试和修改均很方便。 (5) 可靠性和维护性。 继电接触式控制系统使用 了大量的机械触点，连线也多。触点在开闭时会受到电弧的损坏，寿命短。因而可靠性和维护性差。 PLC 采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，可靠性高。 PLC还配备了自
22、检和监控功能，能自诊断出自身的故障，并随时显示给操作人员，还能动态中国机械加工网 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业网站！ 中国机械加工社区 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业社区！ 第 8 页 共 23 页 中国机械加工网 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业网站！ 中 国机械加工社区 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业社区！ 的监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。 总之， PLC 在性能上均优越于继电接触式控制系统，特别是控制速度快，可靠性高，设计施工周期短，调试方便，控制逻辑修改方便，而且体积小，功耗低。 2 PLC 与单片机比较 单片机具有
23、结构简单，使用方便，价格比较便宜等 优点，一般用于数据采集和工业控制。但是，单片机不是专门针对工业现场的自动化控制而设计的，所以它与 PLC 比较起来有以下缺点： (1) 单片机不如 PLC 容易掌握 使用单片机来实现自动控制，一般要使用微处理器的汇编语言编程。这就要求设计人员遇有一定的计算机硬件和软件知识。对于那些只熟悉机电控制的技术人员来说，需要进行相当长一段时间系统地学习单片机的知识才能掌握。 而 PLC 采用了面向操作者的语言编程，如梯形图状态转移图等，对于使用者来说，无需了解复杂的计算机知识，而只要用较短时间去熟悉 PLC 的简单指令系统及操作方法 ，就可以使用和编程。 (2) 单片
24、机不如 PLC 使用简单 使用单片机来实现自动控制，一般要在输入输出接口上做大量的工作。例如，要考虑工程现场与单片机的连接，输出带负载能力、接口的扩展，接口的工作方式等。除了要进行控制程序的设计，还要在单片机单片机的外围进行很多硬件和软件工作，才能与控制现场连接起来，调试也较繁琐。 而 PLC 的输入 /输出接口已经做好，输入接口可以与无外接电源的开关直接连接，非常方便。输出接口具有一定的驱动负载能力，能适应一般的控制要求。而且，在输入接口、输出接口，由光电耦合器件，使现场的干扰信号 不容易进入 PLC。 (3) 单片机不如 PLC 可靠 使用单片机进行工业控制，突出的问题就是抗干扰性能较差。
25、 而 PLC 是专门用于工程现场环境中的自动控制，在设计和制造过程中采取了抗干扰性措施，稳定性和可靠性较高。 通过上面的比较，针对组合机床的电气控制系统，虽然 PLC 的价格高一些，但良好的稳定性和高度的可靠性可确保机床在加工零件时的精度，所以决定采用 PLC 控制系统来实现。 中国机械加工网 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业网站！ 中国机械加工社区 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业社区！ 第 9 页 共 23 页 中国机械加工网 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业网站！ 中 国机械加工社区 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业社区！ 第 2 章 PLC 概述
26、与方案论证 2.1 PLC 概述 可编程控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统，它采用一种可编程程序的存储器，在其内部存储执行逻辑算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式、模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备和生产过程。可编程控制器及其有关设备的设计原则是它应该易与工业控制联成一个整体且具有扩充功能。 PLC 产品能直接在工业环境中应用，对环境的适应能力强。 PLC 体积小、功能强、速度快，可靠性高，又具有较大的灵活性和扩展性。 PLC 还有一个重要特性是它具有在线修改功能。它借助于软件来实现重复的控制，软 件本身具有修改性，所以 PLC具有灵活性
27、。从而使 PLC 具有广泛的工业通用性，同时简化了硬件电路，也提高了 PLC系统的可靠性。据不完全统计， FX 系列 PLC 平均故障间隔大于 2000050000h，而平均修复时间则小于 10min； PLC 机能处理工业现场的强电信号，如交流 220V、直流 24V，并可直接驱动功率部件，可长期工作在严酷的工业环境能够中。编程采用传统的继电器符号语言，便于工程技术人员掌握， PLC 是在按钮开关，限位开关和其它传感器等发出的监控输入信号作用下进行工作。根据信号，控制器就会作出反映，通过用户编程 的内部逻辑便产生输出信号，而且这些输出信号可直接控制外部的控制系统负载，如电机，接触器，指示灯，
28、电磁阀等。 PLC 的控制系统省去了传统的继电器控制接线和拆线的麻烦。用 PLC的编程逻辑提供了能随要求而改变的“间接网络”，这样生产线的自动化过程就能随意去中国机械加工网 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业网站！ 中国机械加工社区 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业社区！ 第 10 页 共 23 页 中国机械加工网 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业网站！ 中 国机械加工社区 http:/ ： 中国最专业的机械加工行业社区！ 改变，这种性能使 PLC 具有较高的经济效益。 2.2 方案论证 组合机床的电气控制 ,理论上讲 ,可以采用继电器接触器电气控制系统，单片机控制
29、系统和 PLC 控制系统来实现。但是在实际工程中往往选择一种经济、有效、性能优越的控制方案，考虑到上述几点， PLC 较适合组合机床的电 气控制。 PLC 与单片机、继电器 -接触器控制系统相比具有以下优点： 1 PLC 与继电器 -接触器相比较： 继电器 -接触器控制系统自上世纪二十年代问世以来，一直是机电控制的主流。由于它的结构简单、使用方便、价格低廉，所以使用广泛。它的缺点是动作速度慢，可靠性差，采用微电脑技术的可编程顺序控制器的出现，使得继电接触式控制系统更加逊色。PLC 等取代继电接触式控制逻辑。具体如下： (1) 控制逻辑 继电接触式控制系统采用硬接线逻辑，它利用继电器等的触点串联
30、、并联、串并联，利用时间继电器的延时动作等组合或控制逻辑，连线复 杂、体积大、功耗也大。当一个电气控制系统研制完后，要想再做修改都要随着现场接线的改动而改动。特别是想要能够增加一些逻辑时就更加困难了，这都是硬接线的缘故。所以，继电接触式控制系统的灵活性和扩展性较差。 可编程控制器采用存储逻辑。它除了输入端和输出端要与现场连线以外，而控制逻辑是以程序的方式存储在 PLC 的内存当中。若控制逻辑复杂时，则程序会长一些，输入输出的连线并不多。若需要对控制逻辑进行修改时，只要修改程序就行了，而输入输出的连接线改动不多，并且也容易改动，因此， PLC 的灵活性和扩展性强。而且 PLC 是由中大 规模集成
31、电路组装成的，因此，功耗小，体积小。 (2) 控制速度 继电器接触式控制系统的控制逻辑是依靠触点的动作来实现的，工作频率低。触点的开闭动作一般是几十毫秒数量级。而且使用的继电器越多，反映的速度越慢，还是容易出现触点抖动和触点拉弧问题。 而可编程控制器是由程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度相当快。通常，一条用户指令的执行时间在微秒数量级。由于 PLC 内部有严格的同步，不会出现抖动问题，更不会出现触点拉弧问题。 (3) 定时控制和计数控制： 继电接触式控制系统利用时间继电器的延时动作来进行定时控制。 用时间继电器实现定时控制会出现定时的精度不高，定时时间易受环境的湿度和温度变化而影响。有些
