1、 . . 山东农业大学 毕 业 论 文 PLC 对 SPJX-4PZ 型四工位组合机床的设计 院 部 机械与电子工程学院 专业班级 2 班 届 次 届 学生姓名 公建 学 号 2016 指导教师 二一年六月十日 装 订 线 . . . i 目 录 摘要 . I Abstract . II 引言 . 1 1 绪论 . 1 1.1 组合机床概述 . 1 1.2 PLC 概述 . 2 1.3 组合机床采用 PLC 的优点 . 3 2 设计方案要求 . 5 2.1 控制流程 . 5 2.2 对电动机设计要求 . 5 2.3 对工作方式要求 . 5 2.4 对操作的设计要求 . 5 2.5 对特殊环节的
2、设计要求 . 5 3 电气控制系统硬件设计 . 5 3.1 选择 PLC 机型 . 6 3.2 设计输入输出信号地址表 . 6 3.3 设计 PLC 控制系统电气原理图 . 8 3.4 设计 PLC 控制系统操作面板 . 10 4 控制系统软件设计 . 11 4.1 设计 PLC 控制系统工作循环流程图 . 11 4.2 设计 PLC 控制系统初始化梯形图程序 . 12 4.3 设计 PLC 控制系统手动及显示 梯形图程序 . 12 4.4 设计 PLC 控制系统状态转移图与梯形图程序 . 13 结论 . 18 参考文献 . 19 致谢 . 20 ii Content Abstract . I
3、I Introuduction . 1 1 Summary . 1 1.1 Machine tools overview . 1 1.2 PLC overview . 2 1.3 The advantage of using PLC in machine tools . 3 2 Design requirements . 5 2.1 Control flow . 5 2.2 The motor design requirement . 5 2.3 Requirement for the wwork . 5 2.4 Design requirements for operation . 5 2.
4、5 Design requirements for special link . 5 3 The hardware design of the control system of electrical . 5 3.1 Select the plc type . 6 3.2 The design of input and output signal address table . 6 3.3 The design of plc conrol system electrical schematic . 8 3.4 The design of plc control system operation
5、 panel . 10 4 Design of control system software . 11 4.1 Design of control system software . 11 4.2 The design of plc control system initialization ladder . 12 4.3 Design of plc system manual display program . 12 4.4 Design of plc state transition diagram and ladder program . 13 Conclusion . 18 Refe
6、rences . 19 Acknowledgement . 20 I PLC 对 SPJX-4PZ 四工位数控机床的 设计 作者： 指导老师： 1 2 ( 1.泰安先锋电影城 经理 2.山东农业大学 讲师 ) 【 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。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。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
7、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 组合机床 自动循环 II Design PLC in four numerical control machine tool of SPJX-4PZ Author:Gong Pijian Supervisor: WangWei 1 Fan Guoqiang2 (1.XianFeng cinema theater Manger 2. Shandong Ag
8、ricultural University Lecture) Abstract: at present, the programmable logic controller (PLC) is widely used in CNC machine tools and other industrial control. CNC machine tool control parts can be divided into control and sequence control components, control parts include the axis position control,
9、which controls including the spindle start/stop/reverse and, tool change, Chuck clamping and releasing, cooling, tailstock, swarf and other auxiliary movement control. Modern CNC machine tools PLC instead of relay control to complete the logical control NC machine tool structure is more compact, mor
10、e fully featured, responsiveness and reliability greatly improved! Programmable controllers are designed for application in the industrial environment of digital operation of the electronic system, which uses a programmable program memory, store its internal execution logic, order, control, timing,
11、counting, and arithmetic operations such as directives, through digital and analogue inputs and outputs to control various types of machinery, equipment and production processes. Modular machine tool is for a particular job, the specific processing and design of an efficient automated processing equ
12、ipment, such equipment can be more than one cutter at work, and you have an automatic cycle functions. Combined machine tools are usually formed by a standard generic parts and processing for combinations, dynamic parts with motor-driven, or driven by hydraulic system, controlled by the electrical s
13、ystems of automatic work cycle, is the typical mechanical and electrical or mechanical-electrical-hydraulic integration of automated processing equipment。 Keywords: programmable sequence control operating instructions modular machine tool numerical control automatic cycle 1 引言 近年来， PLC 在工业自动控制领域应用愈来
14、愈广，它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势是其它工控产品难以比拟的。随着 PLC 技术的发展 , 它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。在机床的实际设计和生产过程中，为了提高数控机床加工的精度，对其定位控制装置的选择就显得尤为重要。永宏 FBs 系列PLC 的 NC 定位功能较其它 PLC 更精准，且程序的设计和调试相当方便。本文提出的是如何应用永宏 PLC 的 NC 定位控制实现机床数控系统控制功能的方法来满足控制要求，在实际运行中是切实可行的。整机控制系统具有程序设计思路清晰、硬件电路简单实用、可靠性高、抗干扰能力强，具有良好的性能价格比等显著优点，其
15、软硬件的设计思路可供许多企业的相关数控机床设计改造借鉴。 1 绪论 1.1 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，
16、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
17、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。 2 本文所用组合机床为 SPJX-4PZ 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
18、加工 80 件。该机床的俯视示意图如下： 1-工作台 2-主轴 3-夹具 4-上料机械手 5-进料装置 6-下料机械手 图 1 四工位十字轴加工组合机床示意图 1.2 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，
19、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。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
20、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，电磁阀等。液压 系统 工位 工 位 工位 工位 液压 系统 3 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改变，这种性能使 PLC具有较高的经济效益。 1.3 组合机床采用 PLC 的优点 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
21、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、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
22、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
23、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
24、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。 4 (4) 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
25、单片机比较 单片机具有结构简单，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。这就要求设计人员要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
26、和编程。 (2) 单片机不如 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
27、抗干扰性能较差。 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。 5 2 设计 方案 要求 2.1 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 ,流程图如下
28、 2.2 对电动机设计要求 其中液压电机、冷却泵电机、扩孔电机、钻孔电机在整个工作过程中不需要“启动”与“停止”的经常转换，也不需要正反转，只要在工作人员在自动线现场时启动运行，在人员离开自动线现场时停止。只要能实行“起、保、停”控制即可。 2.3 对工作方式要求 要求该控制系统能使金属切削机械具有全机全自动、全机半自动、单机半自动和单机手动、全机自动回原点五种工作方式。 全机全自动方式是设计中最重要的部分，它用来实现在无人参与的情况对成批 工件进行自动地连续加工。 全机半自动方式主要用于自动线组装或检修完成后，以及工人交接班时对产品的的单件检查。 单机半自动方式主要用来检查或调整各单机一个工
29、作循环的运行状态。 2.4 对操作的设计要求 具有预开、预停、紧急停止、紧急后退和计数功能。 预开：各项准备做好，按该钮，若开机条件具备，电铃响，提醒人员离开；预停：出现超节拍或者是有异常、不会引起严重后果，但长此下去会造成故障时按该钮，会在本工作周期完后再停止；紧急停止：出现紧急故障时起保护作用。 2.5 对特殊环节的设计要 求 这里所说的特殊环节只针对润滑和冷却部分，对其他部分不做过多要求。钻床针对的大多数是金属等硬材料，这些零件对钻头的损害非常巨大，缓解的方法是加入润滑液减小钻头与零件之间的摩擦。 开始 上料机械手前进 夹具夹紧 上料机械手后退 四工位工作 下料机械手前进 下料机械手后退 进料装置进料
