T68臥式鏜床PLC控制系統(tǒng)設計論文

畢業(yè)設計題目T68臥式鏜床PLC控制系統(tǒng)設計專業(yè)機電一體化班級姓名指導教目錄第一部分設計任務與調研 11.1課題背景 11.2課題意義 11.3設計目的 1第二部分設計說明 32.1PLC定義 32.2PLC的主要技術指標 32.2.1I/O(輸入/輸出)點數 32.2.2應用程序的存儲容量 42.2.3掃描速度 42.3PLC的基本結構和工作原理 42.3.1基本結構 42.3.2工作原理 52.4T68臥式鏜床工作流程圖 63.1主電路分析 83.2控制電路分析 93.2.1.主軸電動機M1的正、反轉起動控制 93.2.2.主軸電動機的點動控制 103.2.3.主軸電動機的停車與制動 103.2.4.主運動和進給運動的變速控制 113.2.5.鏜頭架、工作臺快速移動的控制 124.1T68臥式鏜床整體設計 134.1.1基本要求 134.1.2T68臥式鏜床主要結構和運動形式 134.1.3電力拖動及電氣控制設計要求 13第三部分設計成果 151、T68臥式鏜床程序流程圖 152、PLC的硬件接線圖 163、梯形圖的設計方法 174、PLC對T68鏜床梯形圖的設計 17第四部分結束語 18第五部分致謝 19第六部分參考文獻 20第18頁第19頁第一部分設計任務與調研1.1課題背景由現代機器向著高速度高效率高精度方向的發(fā)展，對機器制造業(yè)也提出了新的要求：機器零件的精度越來越高。同時，結構也日趨復雜，特別是箱體零件具有孔系多的特點，它的加工除了本身又尺寸精度的要求外，還有形狀精度和孔系之間相對位置精度的要求。鏜床主要用于加工精確的孔和各孔間的距離.鏜床加工的特點是：主運動由刀具作旋轉來完成，而進給運動是由主軸或工作臺的移動來達到，并且可以通過工作臺的三個方向移動，很方便、準確地調整切削刀具與工件的相對位置。傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制系統(tǒng)存在著復雜性、故障率高、維護工作量大、可靠性差、靈活性差等缺點給生產與維護帶來諸多不便，嚴重地影響生產。所以采用可編程序控制器對鏜床電氣控制系統(tǒng)的改造設計提高了電氣控制系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。1.2課題意義隨著我國機械工業(yè)的不斷發(fā)展與提升，現在對那些機械設備的要求越來越高，由原來的人工化→半自動化→全自動化。由于利用PLC最基本的邏輯運算、定時、計數等功能實現邏輯控制，可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制，用于單機控制、多機控制、生產自動線控制等，所以PLC得到了廣泛的應用。本文介紹了一種利用PLC來實現自動控制的T68臥式鏜床控制系統(tǒng)。目前我國多數鏜床控制系統(tǒng)完全利用繼電器來實現自動控制，那么其控制電路會很復雜，也就會造成很大的浪費。由于PLC具有1.可靠性高，抗干擾能里強2.通用性強，控制程序可變，使用方便3.功能強，適用面廣4.編程簡單，易掌握5.減少了控制系統(tǒng)的設計和施工的工作量6.體積小，重量輕，功耗低，維護方便等優(yōu)點，所以使其具有很大的優(yōu)越性。1.3設計目的本設計通過對大學三年的所學知識進行整合，完成一個指定功能、特殊要求的臥式鏜床的設計，能夠比較好地體現電氣自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標，能夠實現理論和實踐的有機結合。目前，在國內的很多工廠的生產線上鏜床控制通過繼電器控制來完成，這就暴露出來生產方面結構復雜、故障率高這一現象。為了提高生產效率，降低生產成本，并使生產線發(fā)展成柔性制造系統(tǒng)，適應現代自動化大生產，針對具體生產工藝來設計，以提高自動控制可靠性。第二部分設計說明2.1PLC定義可編程序控制器（ProgrammableLogicalController,簡稱PLC)是在繼電器控制和計算機控制的基礎上，以微機處理器為核心，引入微電子技術、自動控制技術而形成的一代新型工業(yè)控制裝置。可編程序控制器在系統(tǒng)結構、硬件組成、軟件結構、輸入/輸出（I/O）接口以及用戶界面等方面都有獨特性。目前，可編程序控制器不僅具有繼電器控制系統(tǒng)所能完成的邏輯運算、定時、記數等控制功能，同時還可以進行數據處理、模擬量控制、過程控制、通信聯網等功能。圖2-1PLC控制系統(tǒng)的基本結構框圖2.2PLC的主要技術指標2.2.1I/O(輸入/輸出)點數如前所述，輸入/輸出點數是PLC組成控制系統(tǒng)時所能接入的輸入/輸出信號的最大數量，表示PLC組成系統(tǒng)時可能的最大規(guī)模。這里有個問題要注意，在總的點數中，輸入點與輸出點總是按一定比例設置的，往往是輸入點數大于輸出點數，且輸入和輸出點數不相互代替。2.2.2應用程序的存儲容量應用程序的存儲容量是存放用戶程序的存儲趨的容量。通常用K字（KW），K字節(jié)（KB）或K位（Kb）來表示，1K=1024。也有的PLC直接用所能存放的程序量表示。2.2.3掃描速度掃描速度一般以執(zhí)行1000條基本指令所需的時間來衡量，單位為毫秒/千步，也有以執(zhí)行一步指令時間的，如微妙/步。以下是掃描速度參考值：由目前PLC采用的CPU主頻考慮，掃描速度比較慢的為2.2ms/K邏輯運算程序和60ms/K數字運算程序；較快的為1ms/K邏輯運算程序和10ms/K數字運算程序；更快的能夠達到0.75ms/K邏輯運算程序。另外，可編程控制器的可擴展性、可靠性、易操作性及經濟性等指標也是用戶關心的問題。2.3PLC的基本結構和工作原理2.3.1基本結構世界各國生產的可編程控制器外觀各異，但作為工業(yè)控制計算機，其硬件結構大體相同，主要由中央處理器、存儲器、I／O接口、電源及編程設備幾大部分構成。1.中央處理器（CPU）中央處理器是可編程控制器的核心，它在系統(tǒng)程序的控制下，完成邏輯運算、數學運算、協(xié)調系統(tǒng)內部各部分工作任務?？删幊炭刂破髦胁捎玫腃PU一般有三大類，一類為通用微處理器，如80286、80386等；一類為單片機芯片，如8031、8096等；另外還有為處理器，如AMD2900、AMD2903等。2.存儲器存儲器是可編程控制器的存放系統(tǒng)程序、用戶程序及運算數據的單元。和一般計算機一樣，可編程控制器的存儲器有只讀存儲器(ROM)和隨機讀/寫存儲器（RAM）兩大類。只讀存儲器是用來保存那些需永久保存的程序的存儲器，即使機器掉電后其保存的數據也不會丟失，一般為掩膜只讀存儲器和可編程電擦寫只讀存儲器。只讀存儲器用來存放系統(tǒng)程序。隨機讀/寫存儲器的特點是寫入與擦除都很容易，但在掉電情況下存儲的數據就會丟失，一般用來存放用戶程序及系統(tǒng)運行中產生的臨時數據。3.輸入/輸出接口輸入/輸出接口是可編程控制器和工業(yè)控制現場各類信號連接的部分。輸入口是用來接受生產過程的各種參數。輸出口是用來送出可編程控制器運算后得出的控制信號，并通過機外的執(zhí)行機構完成工業(yè)現場的各類控制。主要有以下幾中：（1）開關量輸入接口。（2）開關量輸出接口。（3）模擬量輸入接口。（4）模擬量輸出接口。（5）智能輸入/輸出接口。4．電源可編程控制器的電源包括可編程控制器各工作單元供電的開關電源及為掉電保護電路供電的后備電源，后者一般為電池。5.外部設備(1)編程器?？删幊炭刂破鞯奶攸c是它的程序是可變更的，能方便的加載程序，也可方便地修改程序，因此編程設備就成了可編程控制器工作中不可缺少的部分。可編程控制器的編程設備一般有兩類，一類專用編程器，有手持的，也有臺式的，另一類是個人計算機，在個人計算機上運行可編程控制器相關的編程軟件即可完成編程任務，借助軟件編程比較容易，一般是編好了以后再下載到可編程控制器中去。（2）其他外部設備。PLC還可能配設其他一些外部設備。①盒式磁帶機，用以記錄程序或信息。②打印機，用以打印程序或制表。③EPROM寫入機，用以將程序寫入用戶EPROM中。④高分辨率大屏幕彩色圖形監(jiān)控系統(tǒng)，用以顯示或監(jiān)視有關部分的運行狀態(tài)。2.3.2工作原理與普通微機類似，PLC也是由硬件和軟件兩大部分組成的。在軟件的控制下，PLC才能正常地工作。軟件分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩部分。PLC的基本工作如下:(1)輸入現場信息:在系統(tǒng)軟件的控制下，順次掃描各輸入點的狀態(tài);(2)執(zhí)行程序:順次掃描用戶程序中的各條指令，根據輸入狀態(tài)和指令內容進行邏輯運算:(3)輸出控制信號:根據邏輯運算的結果，輸出狀態(tài)寄存器向各輸出點并行發(fā)出相應的控制信號，實現所要求的邏輯控制功能。上述過程執(zhí)行完后，又重新開始，反復地執(zhí)行。每執(zhí)行一遍所需的時間稱為掃描周期。PLC就這樣不斷反復循環(huán)，實現對機器的連續(xù)控制，直到接收到停機命令，或因停電、出現故障等才停止工作。2.4T68臥式鏜床工作流程圖分析鏜床T68機械結構、明確控制要求分析鏜床T68機械結構、明確控制要求制定電氣控制方案確定輸入/輸出設備及信號特點選擇PLC型號輸入輸出點地址分配控制電路PLC模擬調試調試正常程序錯誤N技術文件整理移交圖2-2T68臥式鏜床工作流程圖圖2-3T68臥式鏜床PLC電氣控制圖圖2-4T68鏜床主電路控制圖3.1主電路分析主軸電動機M1由6個接觸器控制。其中接觸器KM1和KM2控制主軸電動機M1的正反轉；接觸器KM3在主軸電動機正常運行時短接電阻；接觸器KM4和KM5、KM8控制主軸電動機M1的低、高速運行。R為反接制動限流電阻。熔斷器FU1和熱繼電器FR分別作主軸電動機M1的短路保護和過載保護。與主軸電動機M1同軸相連的速度繼電器KS用于反接電氣制動。快速電動機M2由接觸器KM6和KM7控制其正、反轉，用熔斷器FU2作其短路保護。圖2-5T68鏜床輔電路控制圖3.2控制電路分析3.2.1.主軸電動機M1的正、反轉起動控制合上電源開關QS，指示燈HL亮，表明電源接通。當主運動和進給運動都處于非變速狀態(tài)時，各自的變速手柄使行程開關SQ1、SQ3受壓，而行程開關SQ2、SQ4不受壓。當要求主軸低速運行時，將速度選擇手柄置于低速擋，此時與速度選擇手柄有關聯的行程開關SQ不受壓，SQ觸頭斷開。若使主軸電動機M1正向運行，可按下正轉起動按鈕SB2，此時，中間繼電器KA1通電并自鎖，KA1常開觸頭閉合，使接觸器KM3通電，短接電阻R，KA1常開觸頭閉合，使得接觸器KM1，KM4相繼通電。主軸電動機M1在△接法下全壓起動并運行（低速）。此時，KA1，KM1，KM3，KM4通電。KM1線圈的通電電流通路為：1→FU3(1-2)→2FR(2-3)常閉觸點常開觸點→3→SQ5(3-4)常閉觸點→4→SB1（4－5）常閉觸點→5→KM3（5－18）常開觸點→18→KA1（18－15）常開觸點→15→KM2（15－16）常閉觸點→16→KM1線圈→PE。KM4線圈的通電電流線路為：1→FU3（1－2）→2→FR（2－3）常閉觸點→3→SQ5（3－4）常閉觸點→4→KM1（4－14）常開觸點→14→KT（14－23）常閉觸點→23→KM5（23－24）常閉觸點→24→KM4線圈→PE。主軸電動機M1低速反向啟動時，按下反轉起動按鈕SB3（5－8），此時，中間繼電器KA2通電并自鎖，過程與正向起動類似。若要求主軸高速運行時。將速度選擇手柄置于高速擋，此時行程開關SQ壓下，使SQ觸頭（12－13）閉合。這樣，在接觸器KM3通電的同時，時間繼電器KT也通電。于是，主軸電動機M1在低速擋起動并經過一段延時后，時間繼電器通電延時時常閉觸頭KT（14－23）斷開，通電延時閉合觸頭KT（14－21）閉合，分別使接觸器KM4斷電，接觸器KM5、KM8通電。從而使主軸電動機M1由低速△接法自動切換成高速YY接法。構成了雙速電動機按低速擋起動再自動切換成高速擋運行的自動控制環(huán)節(jié)。正向高速運行時，KT,KA1,KM1,KM3,KM5,KM8通電。KM5,KM8線圈的通電電流通路為：1→FU3(1-2)→2→FR(2-3)常閉觸點→3→SQ5（3－4）常閉觸點→4→KM1（4－14）常開觸點→14→KT（14－21）常開觸點→21→KM4常閉觸點→22→KM5,KM8線圈→PE。3.2.2.主軸電動機的點動控制主軸電動機M1由正、反轉點動按鈕SB4（5－15），SB5（5－19），接觸器KM1,KM2和低速接觸器KM4構成正、反轉低速點動控制時，由于接觸器KM3未通電，所以電動機串入電阻接成△低速起動。正轉點動時，按SB4,KM1,KM4接通，接觸器KM1線圈的通電電流通路為：1→FU3（1－2）→2→FR（2－3）常閉觸點→3→SQ5（3－4）常閉觸點→4→SB1（4－5）常閉觸點→5→SB4（5－15）常開觸點→15→KM2（15－16）常閉觸點→16→KM1線圈→PE。此時，KM4線圈的通電電流通路為：（同上）4→KM1（4－14）常開觸點→14→KT（14－23）常閉觸點→23→KM5（23－24）常閉觸點→24→KM4線圈→PE。點動按鈕松開后，電動機自然停車。3.2.3.主軸電動機的停車與制動主軸電動機M1在運行中，可以通過按下停止按鈕SB1來實現主軸電動機M1的自然停止或反接制動（將SB1按到底）。以主軸電動機M1運行在低速正轉狀態(tài)為例，此時中間繼電器KA1、接觸器KM3,KM1,KM4均通電吸合，速度繼電器的常開觸頭KS1-1（14－19）閉合，為正轉反接制動作準備。當需要自然停止停車時，輕按下停止按鈕SB1（4－5），其常開觸頭斷開，使中間繼電器KA1、接觸器KM3,KM1,KM4相繼斷電釋放，切斷了主軸電動機M1正向電源。主軸電動機M1自然停止。當需要反接制動時，將停止按鈕SB1（4－5），而另一常開觸頭SB1（4－14）閉合，經速度繼電器常開觸頭KS1-1（14－19）使接觸器線圈KM2通電，KM2（4－14）閉合使接觸器線圈KM4通電，于是主軸電動機M1定子串入反接制動電阻進行反接制動。KM2線圈的通電電流通路為：1→FU3（1－2）→2→FR（2－3）常閉觸點→3→SQ5（3－4）常閉觸點→4→KM2（4－14）常開觸點→14→KS1-1（14－19）常開觸點→19→KM1（19－20）常閉觸點→20→KM2線圈→PE。此時，KM4線圈通電電流通路為：1→FU3（1－2）→2→FR（2－3）常閉觸點→3→SQ5（3－4）常閉觸點→4→KM2（4－14）常開觸點→14→KT（14－23）常閉觸點→23→KM5（23－24）常閉觸點→24→KM4線圈→PE。當電動機轉速降低至速度繼電器KS的釋放值(n<100r/min)時，其常開觸頭KS1-1（14－19）斷開，使接觸器 KM2,KM4相繼斷電，反接制動結束。若主軸電動機M1已運行在高速正轉狀態(tài)下，按下停止按鈕SB1,可實現自然停車和反接制動停車，反接制動時，SB1（4－5）斷開，中間繼電器KA1、接觸器KM3、時間繼電器KT、接觸器KM1、接觸器KM5,KM8相繼斷電，SB1（4－14）閉合則使接觸器KM2通電，接觸器KM4通電。于是主軸電動機M1串入反接制動電阻，繞組接成△接法，進行低速反接制動，直至速度繼電器常開觸頭KS1-1（14－19）釋放，反接制動結束。電流通路同上。要注意的是：在進行制動停車操作時，應該將停止按鈕SB1按到底，否則將無法接通反接制動回路，只能實現自然停車。3.2.4.主運動和進給運動的變速控制T68型臥式鏜床主運動和進給運動的變速，是通過變速操縱盤實現的。他急既可以在主軸和進給電動機未起動前預選速度，也可以在運行中進行變速。1.主軸變速時，首先將變速操縱盤上的主軸變速操縱手柄向外拉出，然后轉動主軸變速盤，選擇所需要的速度，最后將變速操縱手柄推回原位。在拉出變速操縱手柄的時候，行程開關SQ2受壓，而行程開關SQ1釋放。推回手柄時的情況正好相反。若主軸在正轉運行中需要變速，可將主軸變速操縱手柄向外拉出，這時行程開關SQ1不在受壓，其常開觸頭SQ1（5－10）斷開接觸器KM3,KM1,接觸器KM2經行程開關SQ1（4－14）的常閉觸頭、速度繼電器常開觸頭KS1-1（14－19）而通電吸合，使主軸電動機M1定子串入電阻R進行反接制動。接觸器KM2線圈的通電電流通路為：1→FU3（1－2）→2→FR（2－3）常閉觸點→3→SQ5（3－4）常閉觸點→4→SQ1-1（4－14）常開觸點→14→KS1-1（14－19）常開觸點→19→KM1（19－20）常閉觸點→20→KM2線圈→PE。若主軸電動機M1原來運行在低速擋，則此時接觸器KM4仍保持通電，接觸器KM3,KM1斷電，接觸器KM2通電，主軸電動機M1接成△，串入電阻R進行反接制動。若主軸電動機M1原來運行在高速擋，則此時有時間繼電器KT的觸頭將繞組YY接自動切換成△接法，低速串入電阻R進行反接制動。隨后轉動變速盤，選擇所需要的速度，最后將變速操縱手柄推回原位。如果變速齒輪不能嚙合而造成變速手柄推不動，則此時行程開關SQ2受壓，其常開觸頭SQ2（17－15）閉合，接觸器KM1經速度繼電器常閉觸頭KS1-1（14－17）、行程開關SQ1常閉觸頭（4－14）接通電源，同時接觸器KM4通電，使主軸電動機M1定子串入電阻R,繞組接成△在低速擋起動。接觸器KM1線圈的通電電流通路為：1→FU3（1－2）→2→FR（2－3）常閉觸點→3→SQ5（3－4）常閉觸點→4→SQ1（4－14）常閉觸點→14→KS1-2（14－17）常閉觸點→17SQ2（17－15）常開觸點→15→KM2（15－16）常閉觸點→16→KM1線圈→PE。當轉速升到速度繼電器KS1的動作值時，其常閉觸頭KS1-2（14－17）斷開，使接觸器KM1斷電釋放；另一速度繼電器常開觸頭KS1-1（14－19）閉合，使接觸器KM2通電吸合，對主軸電動機M1進行反接制動，使轉速下降。當到達速度繼電器KS1的釋放值時，其常開觸頭KS1-1（14－19）斷開，常閉觸頭KS1-2（14－17）閉合，反接制動結束。若此時變速操縱手柄仍然推不回去，則控制電路繼續(xù)重復上述過程，從而使主軸電動機M1處于間歇起動和制動狀態(tài)，獲得變速時的低速沖動，利于齒輪嚙合，直到變速操縱手柄能推回原位為止。當手柄推回原位后，壓下行程開關SQ1,而行程開關SQ2釋放，整個變速過程完成。此時行程開關SQ2的常開觸頭（17－15）斷開上述瞬動控制電路，而行程開關SQ1的常開觸頭（5－10）閉合，使接觸器KM3,KM1相繼通電吸合，主軸電動機M1自行起動，拖動主軸在新選定的轉速下旋轉。2.在進給變速時，首先將進給變速操縱手柄向外拉出，然后轉動進給變速盤，選擇所需要的進給速度，最后將變速操縱手柄推回原位。在拉出變速操縱手柄時，行程開關SQ3釋放，而行程開關SQ4受壓。推回手柄時的壓合情況正好相反。如果變速齒輪不能嚙合而造成進給變速手柄推不動，則主軸電動機M1處于間歇起動和制動狀態(tài)，獲得變速時的低速沖動，直到變速操縱手柄能推回原位為止。整個過程和主軸變速控制相同，其控制電路不再另行分析。由于變速過程中KA1或KA2一直保持自鎖，從而記憶了變速前的主軸方向，保證變速后M1仍按原來的方向起動運轉。3.2.5.鏜頭架、工作臺快速移動的控制鏜頭架和工作臺等部件各方向的快速移動由快速移動電動機M2拖動，通過快速移動操作手柄來控制，而移動方向則由位于工作臺前方的操作手柄進行預選。當扳動快速操作手柄時，行程開關SQ7或SQ8被壓合，接觸器KM7或KM6通電，使快速移動電動機M2旋轉而實現快速移動。當快速操作手柄復位時，行程開關SQ7或SQ8不再受壓，接觸器KM7或KM6斷電釋放，快速移動電動機M2停止旋轉，快速移動過程結束。4.1T68臥式鏜床整體設計4.1.1基本要求滿足自動控制能夠快速、準確地進行孔加工這一條件，就要求它們具有高精度、反應快速、承載能力強、工作空間夠大和自由度靈活及在指定位置都能自動定位等特點。4.1.2T68臥式鏜床主要結構和運動形式鏜床的床身是一個整體鑄件，在它的一端固定有前立柱，在前立柱的垂直導軌上又安裝有鏜頭架，鏜頭架可沿垂直導軌上下移動。在鏜頭架里集中里裝有主軸、變速箱、進給箱和操縱機構等部件。切削刀具一般安裝在鏜軸前端的錐形孔里，或安裝在花盤的刀具溜板上。在切削過程中，鏜軸一面旋轉，一面沿軸向作進給運動，而花盤只能旋轉，裝在他上面的刀具溜板可作垂直主軸軸線方向的徑向進給運動，鏜軸和花盤軸分別通過各自的傳動鏈傳動，可以獨立轉動。后立柱位于鏜床床身的另一端，后立柱上的尾座用來支撐裝夾在鏜軸上的鏜桿末端，它與鏜頭架同時升降，兩者的軸線始終在同一水平直線上。根據鏜桿的長短，可通過后立柱沿床身水平導軌的移動來調整前、后立柱之間的距離。有以上分析可知，T68型臥式鏜床運動形式為：（1）主運動鏜軸和花盤的旋轉運動（2）進給運動鏜軸是軸向進給、花盤上刀具的徑向進給、鏜頭架的垂直進給、工作臺的橫向和縱向進給。（3）輔助運動工作臺的回轉、后立柱的軸向水平移動、尾座的垂直移動及各部分的快速移動。4.1.3電力拖動及電氣控制設計要求T68型臥式鏜床由兩臺電動機拖動：主軸電動機M1和快速轉動電動機M2。主軸電動機M1用來驅動鏜軸或花盤的旋轉，并通過變速箱的傳動產生鏜軸、花盤：工作臺及鏜頭架的進給運動。調整尾座或工作臺相對位置的快速移動電動機M2來拖動。T68型臥式鏜床的電氣控制設計要求如下：（1）為了擴大調速范圍和簡化機床的傳動裝置，本機采用機電聯合調速，使用雙速籠型異步電動機M1作為主拖動電動機，其繞組接法為△/YY。（2）主軸或進給變速時，為了便于齒輪之間的嚙合，要有變速沖動。（3）為了適應調整的需要，要求主軸電動機能夠進行正、反向旋轉及點動操作（4）為了快速準確地停車，要求主軸電動機具有制動過程，本機床采用反接制動方式。第三部分設計成果1、T68臥式