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1、PLC基于的组合机床控制系统设计姓 名：指导老师：摘要 本文的研究对象是三面铣组合机床,通过对主要结构和运动形式的探究以及对机床的工作过程和控制要求的分析,给出了机床动作循环图、液压元件动作表;并采用PLC控制系统的设计方法, 进行了软硬件设计,列出了PLC的I/O地址分配表,绘制了PLC的I/O分配图和单循环自动工作流程图，编写了PLC控制程序的梯形图和指令表；再由组态王设计的人机界面显示操作（HMI），使整个控制系统的操作变得简单、方便，提高了系统的自动化程度和实用性。 关键词：PLC； 编程技术；组合机床；组态王引言 为了充分发挥设备效能，迅速提升加工技术与精度，越来越多的企业每年投入大
2、量资金和技术对传统老式组合机床进行技术改造，取得了良好的效果。用PLC模块、操控监控设备等组成电气数字控制系统，以实现编程输入、人机交互、自动化加工的控制方式，扩大加工能力，减少故障，提高效率，已成为企业进行技术改造的有效途径。 根据我国当前的情况，传统的控制方式采用物理电子器件和大量而又复杂的硬接线,使得系统的工作效率低,可靠性差,故障诊断和排除困难,严重影响了工厂的生产效率。随着科学技术发展，可编程控制器的出现，采用可编程控制系统，无论在性能上或者效率上都得到很大提升。因此,采用PLC对机床电气控制系统进行技术改造,很有必要。 本文的研究对象是三面铣组合机床,介绍了一种全新的自动化控制理念
3、，以三菱电机公司的FX2N系列PLC作为组合机床的主控制器，同时连接PC端通过工业组态技术实现远程监控功能，实现一个全新的自动控制系统。三面铣组合机床是用来进行铣销加工的一种自动加工设备，其作用对象是Z512W型台式钻床主轴箱的80、90孔端面及定位面。第一章 三面铣组合机床概述1.1 组合机床概述1.1.1 组合机床发展史 二十世纪70年代以来，随着可转位刀具、密齿铣刀、镗孔尺寸自动检测和刀具自动补偿技术的快速发展，组合机床的加工精度也有很大的提高。铣削平面的平面度可达0.05毫米1000毫米，表面粗糙度可低达2.50.63微米；镗孔精度可达IT76级，孔距精度可达O.03O.02微米。最早
4、的组合机床是1911年在美国制成的，用于加工汽车零件。初期，各机床制造厂都有各自的通用部件标准。为了便于用户使用和维修，提高不同制造厂的通用部件的互换性，美国福特汽车公司和通用汽车公司与美国机床制造厂于1953年协商，严格规定各部件间的联系尺寸，确定了组合机床通用部件标准化的原则，即但对部件结构未作规定。1.1.2 组合机床部件分类 组合机床通用部件按功能可分为五类。 动力部件主要有动力箱、切削头和动力滑台，是为组合机床提供主运动和进给运动的部件。支承部件有侧底座、中间底座、支架、可调支架、立柱和立柱底座等，是用以安装动力滑台、带有进给机构的切削头或夹具等的部件。输送部件主要有分度回转工作台、
5、环形分度回转工作台、分度鼓轮和往复移动工作台等，是用以输送工件或主轴箱至加工工位的部件。控制部件有液压站、电气柜和操纵台等，是用以控制机床的自动工作循环的部件。 辅助部件主要就是有润滑装置、冷却装置和排屑装置等。1.2 组合机床的特点 组合机床是用按一定规则和标准设计的通用部件以及按被加工零件的形状和工艺要求设计的专用部件组成的专用机床。组合机车是由专用机床和万能机床发展来的，它结构简单，又能够重新调整，适应新工件的加工。 组合机床与万能机床和专用机床相比，有以下几个特点： 1、组合机床结构稳定、工作可靠，使用和维修方便。 2、组合机床设计和制造的周期短，投资少，经济效果好。 3、组合机床生产
6、效率高，产品质量稳定，劳动强度低。 4、组合机床其通用部件和标准零件可以重复利用，不必另行设计和制造。 5、组合机床由于采用专用夹具、刀具和导向装置等，对操作工人水平要求不高，加工质量靠工艺装备保证。 6、组合机床易于联成组合机床自动线，以适应大规模的生产需要。1.3 机床主要结构部件 机床主要部件包括床身、工作台、底座、铣削动力头、液压动力滑台、工件松紧油缸、液压站等组成。机床床身安放在底座上，床身上安装有液压动力滑台，工件及夹紧装置放于滑台上。床身的两边各安装有一台铣销头，上方有立铣头，液压站在机床附近。1.4 三面铣组合机床的电气控制要求 三面铣组合机床有左铣削头、右铣1号削头、右铣2号
7、削头、立铣削头和液压泵五台三相交流笼型异步电机,设计要求如下:(1)机床有单动力头自动循环工作、点动、单循环自动工作三种工作方式。(2)五台电机均为单向旋转。(3)要求有电源、油泵工作、工件夹紧与放松和加工等信号指示。(4)油泵电机在自动加工一个循环后不停机。(5)必要的联锁与保护环节。第二章 PLC控制系统硬件设计 本章主要从系统设计结构和硬件设计角度，介绍该项目的PLC控制系统设计步骤、系统的硬件配置、主电路设计等。2.1 PLC的简介 PLC（Programmable logic Controller）可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统。可编程控制器是计算机家族中的一员，它使用
8、了可编程序的记忆以存储指令，用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数和演算等功能，并通过数字或模拟的输入和输出，以控制各种机械或生产过程。PLC的特点如下：（1）可靠性高，抗干扰能力强（2）编程简单，易学易用（3）配套齐全，功能完善，适用性强（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 （5）体积小，容量大，重量轻，能耗低 ，成本低PLC的领域大致可归纳为如下几类。 （1）开关量的逻辑控制 （2）模拟量控制 （3）运动控制 （4）过程控制 （5）数据处理 （6）通信及联网 2.2 PLC控制系统设计的基本原则和步骤2.2.1 PLC控制系统设计的基本原则 在实际设计过程中，设计原则会涉及很多方
9、面，其中最基本的设计原则可以归纳为以下4点。 (1)可靠性原则确保控制系统的可靠性。 (2)完整性原则最大限度的满足工业生产要求或机械设备的控制要求。 (3)经济型原则力求控制系统简单、实用、合理。 (4)发展性原则适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在I/O接口、通信能力等方面留有余地。2.2.2 PLC控制系统设计的一般步骤 PLC控制系统设计包括硬件设计和软件设计。所谓硬件设计，是指PLC外部设备的设计，而软件设计即PLC应用程序的设计。整个系统的设计分以下6步进行。1、熟悉被控对象2、评估控制任务3、硬件选择4、编写应用程序 5、程序调试6、编写技术文件2.3 PLC的选型 本机床控制系
10、统采用的是日本三菱公司的FX2N系编程控制器，根据设计的机床控制系统对输入输出的要求，本机床控制系统设计选择了日本三菱公司生产的FX2N系列可编程控制器中的FX2N80MR-001。该型号的输入点数40个，输出点数40个，输出形式是R-继电器输出（有接点，交流、直流负载两用）。不但满足本设计中的输入输出点数的基本要求，而且为日后本机床控制系统的升级改造保留有一定的系统扩展空间。2.4 PLC的I/O分配表 本控制系统的PLC的输入、输出点数的确定是根据控制系统设计要求和所需控制的现场设备数量加以确定。 （1）PLC的输入端口包括自动循环工作按钮、点动按钮、油泵启动、总停按钮、SA1等，还包括电
11、动机的热保护继电器输入，输入形式是热继电器的常开触点。 （ 2）PLC的输出端口包括运行指示灯、交流接触器、继电器等。PLC的I/O分配表如下所示：2.5 PLC的I/O分配图2.6 变频调速器2.6.1 变频器的概述 变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。 变频器的分类按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频
12、器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器等。2.6.2 变频器原理 变频器有交-直-交和交-交两种形式。交-交变频器可将工频交流直接转换成频率、电压均可控制的交流；交-直-交变频器则是先把工频交流通过整流器转换成直流，然后再把直流转换成频率、电压均可控制的交流，其基本构成如图6所示。主要由主电路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制电路组成。 整流器主要是将电网的交流整流成直流；逆变器是通过三相桥式逆变电路将直流逆变成任意频率的三相交流；中间环节又叫中间
13、储能环节；由于变频器的负载一般为电动机，属于感性负载，运行中中间直流环节和电动机之间总会有无功功率交换，这种无功功率将由中间环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲；控制电路主要是完成对整流器的电压控制，对逆变器的开关控制以及完成各种保护功能。2.7 变频器的选型 根据设计的机床控制系统对电机的功率、性能等等的要求，本机床控制系统设计选择了日本三菱公司生产的FR-F700系列通用变频器中的FR-F740-22K-CHT1。 变频器的参数变频器用于单纯可变速运行时，可按出厂设定的参数运行即可，若考虑负荷、运行方式时，必须设定必要的参数。对于三菱FR-FR740-22K-CHT1变频器的性能参数，可
14、以根据实际需要来设定，文中仅介绍一些常用的参数，有关其他参数，请参考附录或有关设备使用手册。 参数表简单参数一览表如下：2.8 主电路设计图第三章 PLC控制系统软件设计3.1 PLC的编程语言与编程方法3.1.1 PLC的编程语言 PLC的编程语言与一般计算机语言相比，具有明显的特点，它既满足易于编写，又满足易于调试的要求。不管什么型号的PLC，其编程语言都具有以下特点：1、图形式指令结构 2、简化的程序结构 3、简化应用软件生成过程 4、明确的变量常数5、强化调试手段 总之，PLC的编程语言是面向用户的，对使用者不要求具备高深的知识、不需要长时间的专门训练。 IEC（国际电工委员会）中的P
15、LC编程语言标准中有五种编程语言：梯形图编程语言、顺序功能图编程语言、指令语句表编程语言、功能块图编程语言、结构文本编程语言。其中最常用的就是梯形图编程语言和指令语句表编程语言。3.1.2 PLC的编程方法在设计PLC程序时，可以根据自己的实际情况，采用下列不同的方法。1、解析法2、经验法3、技巧法4、图解法图解法是靠画图进行设计。常用的方法有梯形图法、流程图法及时序图（波形图）法。3.2 PLC编程软件概述 三菱PLC编程软件GX-Developer是三菱通用性较强的编程软件，它能够完成Q系列、QnA系列、A系列（包括运动控制CPU）、FX系列PLC梯形图、指令表、SFC等的编辑。该编程软件
16、能够将编辑的程序转换成GPPQ、GPPA格式的文档，当选择FX系列时，还能将程序存储为FXGP（DOS）、FXGP（WIN）格式的文档，以实现与FX-GP/WIN-C软件的文件互换。该编程软件能够将Excel、Word等软件编辑的说明性文字、数据，通过复制、粘贴等简单操作导入程序中，使软件的使用、程序的编辑更加便捷。 此外，GX-Developer编程软件还具有以下特点。（1）操作简便（2）丰富的调试功能（3）能够用各种方法和可编程控制器CPU连接3.3 PLC控制系统程序设计 三面铣组合机床有单循环自动工作、单动力头自动循环工作、点动三种工作方式,下面以一个自动工作循环为例分析单循环自动工作
17、过程控制。 首先将转换开关SA1扳至“单循环自动工作SA1-1”位置,当操作者将要加工的零件放在液压滑台的夹具中后(其他准备工作就绪),按加工指令按钮,工件开始夹紧,夹紧后工件压力继电器触点动作,滑台开始快进,原位开关SQ1复位;当滑台压下滑台快进转工进位置开关SQ2后转工进,同时起动左铣头和右1铣头开始加工;当加工到指定位置SQ3,立铣头开始加工;又过一定SQ4位置时,右1铣头停止,右2铣头开始加工,直到终点三台电动机同时停止。此时,当死挡铁停留压力继电器BP1触点动作后滑台自动快速退回原位,SQ1受压,工件松开,一个自动工作循环结束。 程序流程图设计3.4 程序设计利用主控指令来实现组合机
18、床的热继电器过载和总停的时候停止机床工作。 组合机床的三种工作方式：单循环自动工作、单动力自动循环工作和点动工作。有相应的指示灯来显示工作状态。 除了在点动工作方式下，当加工指令按钮按下时，油泵电机就会自动运行，同时指示灯也会亮。另外在前两种工作方式下，油泵电机在自动加工一个循环后不停机。在点动工作方式下完成加工后就停机。 当工件在滑台原位位置且油泵电机正在运行的时候，才能对工件进行“夹紧”和“放松”的操作。在点动工作方式下，需按下“工件夹紧点动工作按钮”才能操作。在另外两种工作方式下，按下“加工指令按钮”就会自动完成相应的操作。 当工件完成“夹紧”的操作之后才能进行滑台的移动。在点动工作方式
19、下，需按下“滑台快进点动工作按钮”进行滑台快进的点动操作。在另外两种工作方式下，工件夹紧压力继电器得电就会自动进行快进移动。当滑台到达指定位置，就会进行“快进”和“工进”的转换。 当滑台到达工件加工指定位置，在单循环自动工作方式下左铣电机自动启动运行。在单动力自动循环工作和点动工作方式下，需按下相应的启动按钮进行操作。 当滑台到达工件加工指定位置，在单循环自动工作方式下右铣1电机自动启动运行。在单动力自动循环工作和点动工作方式下，需按下相应的启动按钮进行操作。另外在工件到达右铣1和右铣2切换开关位置时，右铣1电机自动停止，此时右铣2自动开始运行。 当滑台工件到达立铣头加工区指定位置，在单循环自
20、动工作方式下立铣电机自动启动运行。在单动力自动循环工作和点动工作方式下，需按下相应的启动按钮进行操作。 当滑台的工件使“死档铁停留压力继电器”得电，左铣、右铣1、右铣2和立铣的电机停机。同时，滑台快退电磁阀得电使滑台快退。在点动工作方式下，完成工件加工并取下工件后，使油泵电机停止运行。第四章 基于组态王的人机界面（HMI）设计 人机界面（HMI）监控系统由监控主画面及相应的功能子画面组成，人机界面画面设计对于人机界面（HMI）来说是非常关键的。人机界面（HMI）画面是用组态软件来做的，常见的组态软件有西门子公司的Wincc、罗克韦尔公司的RsView及国产的组态王、力控等。在本控制系统设计中，
21、我们选择了组态王来完成监控画面的设计。 组态王软件结构由工程管理器、工程浏览器及运行系统三部分构成。 工程管理器：工程管理器用于新工程的创建和已有工程的管理，对已有工程进行搜索、添加、备份、恢复以及实现数据词典的导入和导出等功能。 工程浏览器：工程浏览器是一个工程开发设计工具，用于创建监控画面、监控的设备及相关变量、动画链接、命令语言以及设定运行系统配置等的系统组态工具。 运行系统：工程运行界面，从采集设备中获得通讯数据，并依据工程浏览器的动画设计显示动态画面，实现人与控制设备的交互操作。4.1 组态王的主要功能特性 一、组态王的主要功能特性： 1）可视化操作界面，真彩显示图形、支持渐进色、丰
22、富的图库、动画连接。 2）可以对画面中的一部分进行保存，以便以后进行分析或打印。 3）无与伦比的动力和灵活性，拥有全面的脚本与图形动画功能。 4）强大的脚本语言处理，能够帮助你实现复杂的逻辑操作和与决策处理。 5） 变量导入导出功能，变量可以导出到Excel表格中，方便的对变量名称等属性进行修改，然后再导入新工程中，实现了变量的二次利用，节省了开发时间。 6）强大的分布式报警、事件处理，支持实时、历史数据的分布式保存。 7）方便的配方处理功能。 8）全新的WebServer架构，全面支持画面发布、实时数据发布、历史数据发布以及数据库数据的发布。 9）丰富的设备支持库，支持常见的PLC设备、智能
23、仪表、智能模块。 二、组态王的功能：组态软件具有监控和数据采集系统，好处之一就是能大大缩短开发时间，并能保证系统的质量。能快速便捷地进行数据采集和图形维护。组态王提供了丰富的快速应用设计的工具。 1、快速便捷的应用设计；2、灵活简便的变量定义和管理；3、强大的控制语言；4、丰富的可扩充的图形库；5、对多媒体的支持；6、采集和显示历史数据；7、全新的灵活多样、操作简单的内嵌式报表；8、配方管理；第五章 总结 PLC（可编程控制器）以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于现代工业的自动控制之中。组态软件组态王因其简单易用的特点，在人机界面（HMI
24、）设计中深受用户的喜欢而得到广泛的使用。 在三菱FX系列PLC和组态软件组态王的基础上，我们成功设计出了组合机床控制系统，该系统效果良好，达到了预期的目标。PLC技术应用于三面铣组合机床不仅节省了大量的电气元件、导线与原材料 ,而且可靠性高、使用灵活、调试方便,缩短了设计周期,减少了维修工作量,提高了加工零件合格率,具有整体技术经济效益。再加上由组态王设计的人机界面（HMI），使整个控制系统的操作变得简单，方便，大大提高了系统的自动化程度和实用性。致 谢 经过几个月的忙碌和学习，本次毕业论文设计已经接近尾声。作为一个自考本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有指导教师的的督促指导，想要完成这个设计是难以想象的。在这里首先要感谢我的指导老师和老师。和老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文格式调整等各个环节中都给予了我细心的指导。除了敬佩和老师的专业水平外，她治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。 在论文即将完成之际，还要感谢大学期间所有的成教学院老师，是在他们的教诲下，我喜欢上了机械专业，掌握了坚实的专业知识基础，为我以后的扬帆远航注入了动力。祝愿老师身体健康，工作顺利！谢谢！
