畢業(yè)論文-全自動機床PLC控制系統(tǒng)設(shè)計.doc

湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 畢 業(yè) 設(shè) 計題 目： 全自動機床PLC控制系統(tǒng)設(shè)計 系： 電氣信息學(xué)院 專業(yè)：測控技術(shù)與儀器 班級：0601 學(xué)號：200601200101學(xué)生姓名： 張 揚 導(dǎo)師姓名： 賴指南 完成日期： 2010年6月15日 誠 信 聲 明本人聲明：1、本人所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文）是在老師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果；2、據(jù)查證，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，畢業(yè)設(shè)計（論文）中不包含其他人已經(jīng)公開發(fā)表過的研究成果，也不包含為獲得其他教育機構(gòu)的學(xué)位而使用過的材料；3、我承諾，本人提交的畢業(yè)設(shè)計（論文）中的所有內(nèi)容均真實、可信。作者簽名： 日期： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書題目： 全自動機床PLC控制系統(tǒng)設(shè)計 姓名 張揚 系別 電氣信息學(xué)院 專業(yè) 測控技術(shù)與儀器 班級 0601 學(xué)號 200601200101 指導(dǎo)老師 賴指南 職稱 副教授 教研室主任 李曉秀、林國漢 一、 基本任務(wù)及要求： 本全自動機床用來完成對棒料工件的單面或雙面的鉆孔加工，它由1個工作臺，1個夾具，2個動力頭,1個機械手，1條輸送帶組成，除動力頭主軸的旋轉(zhuǎn)運動由電動機拖動外，機床的其余運動部件均由液壓傳動系統(tǒng)拖動。本課題要求設(shè)計者以PLC為核心，為本全自動機床設(shè)計一個電氣控制系統(tǒng)。具體要求如下1.該控制系統(tǒng)應(yīng)能使全自動機床具有全機全自動、全機半自動、單機半自動和單機手動四種工作方式，且能使各種工作方式不相互發(fā)生沖突，能滿足機床輸送帶送料機械手上料夾緊機構(gòu)對工件夾緊左、右動力頭向前進行鉆削加工當左、右動力頭的鉆頭將要進入危險區(qū)時，右動力頭停止，左動力頭繼續(xù)向前左動力頭快速返回右動力頭再次向前右動力頭快速返回夾緊機構(gòu)松開機械手下料的整個工藝過程要求，具有啟動、預(yù)停、緊急停止、緊急后退和計數(shù)功能，具有動力頭在線離線選擇功能，具有短路保護、過載保護、失壓保護等功能。 2.應(yīng)確定控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案；確定PLC的型號規(guī)格；確定PLC I/O元件；設(shè)計電動機的電器控制線路原理圖；設(shè)計全自動機床的單機手動程序，單機單步程序，單機半自動程序，全機半自動程序，全機全自動程序，全機自動回原點程序，故障報警和信號顯示程序；上機調(diào)試程序；編寫設(shè)計說明書和使用說明書。 二、進度安排及完成時間：（1）3月1日至3月14日：明確設(shè)計任務(wù)和要求，收集設(shè)計資料，查閱有關(guān)文獻，了解本課題的研究現(xiàn)狀、存在問題、實際意義和發(fā)展前景，撰寫文獻綜述和開題報告，開題報告上傳到FTP。 （2）3月15日至3月22日：全面了解全自動機床的工藝過程和對控制系統(tǒng)的各項設(shè)計要求。撰寫撰寫畢業(yè)設(shè)計論文的緒論部分。 （3）3月23日至4月5日：畢業(yè)實習，撰寫實習報告。 （4）4月6日至6月19日：畢業(yè)設(shè)計。 4月6日至4月11日：確定全自動機床的控制方案。 4月12日至4月22日：設(shè)計電動機的電器控制系統(tǒng)原理圖，確定PLC的型號規(guī)格，確定PLC I/O元件，列出PLC I/O元件分配表。 4月23日至5月20日：設(shè)計全自動機床的公用程序，單機單步程序，全機半自動程序，全機自動回原點程序。 5月21日至5月31日：上機調(diào)試程序。 （4）6月1日至6月15日：撰寫畢業(yè)設(shè)計論文。 （5）6月16日至6月19日：指導(dǎo)老師評閱、電子文檔上傳FTP。 （6）6月21日至6月23日：畢業(yè)設(shè)計答辯。 （7）6月24日：提交畢業(yè)設(shè)計成績。 （8）6月25日至6月29日：提交畢業(yè)設(shè)計答辯相關(guān)表格及學(xué)生畢業(yè)設(shè)計資料。 目 錄摘 要3Abstract 4第1章 緒 論 5 1.1 控制系統(tǒng)的發(fā)展與種類 51.1.1 集散控制系統(tǒng)DCS 51.1.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 51.1.3 PLC控制系統(tǒng)6 1.2課題的背景意義8 1.3研究內(nèi)容9第2章 系統(tǒng)總體控制方案的確定 10 2.1 對全自動機床的概述 102.1.1 全自動機床的用途及基本結(jié)構(gòu)102.1.2 全自動機床工作過程簡述10 2.2 設(shè)計要求 11 2.2.1 對工作方式的設(shè)計要求 11 2.2.2 對單機控制的要求 11 2.2.3 對全機控制的要求 11 2.2.4 對保護方面的設(shè)計要求 11 2.2.5對局部照明的設(shè)計要求 11 2.2.6 對信號顯示及故障報警方面的設(shè)計要求 11 2.3 總體控制方案論證 12第3章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 13 3.1 電動機電器線路的設(shè)計 13 3.1.1 電器元件的配置 13 3.1.2 電器元件型號規(guī)格的選擇 13 3.1.3 動力電路的設(shè)計 19 3.1.4 其他電路的設(shè)計 19 3.2 液壓傳動PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 21 3.2.1 PLC控制系統(tǒng)電器元件的配置 21 3.2.2 PLC控制系統(tǒng)電器元件的選擇 23 3.2.3 PLC機型的選擇 25 3.2.4 PLC I/O元件分配 27 3.2.5 PLC I/O接線圖的繪制 28第4章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 294.1 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計方案的確定 294.2 程序各部分簡介 294.3 公用程序的設(shè)計 304.4 單機手動工作方式的程序設(shè)計 304.5 自動回原點程序的設(shè)計 334.6 全機自動半自動程序的設(shè)計 34結(jié)束語37參考文獻 38致謝 39附錄 40全自動機床PLC控制系統(tǒng)設(shè)計摘要：本論文主要介紹了PLC在全自動機床控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，該全自動機床具有全機全自動，單機半自動和單機手動等多種工作方式，且能使各種工作方式不相互發(fā)生沖突，能滿足機床的控制要求。系統(tǒng)還具有啟動、預(yù)停、緊急停止、緊急后退、記數(shù)功能、故障報警和具有動力頭在線/離線選擇功能，具有短路保護、過載保護、失壓保護等功能。論文主要包括全自動機床控制系統(tǒng)的概述，可編程序控制器型號的選擇，輸入輸出點數(shù)的確定，硬件設(shè)計，軟件設(shè)計等。在設(shè)計中，根據(jù)此系統(tǒng)的特點，液壓泵電機，冷卻泵電機等，因為運行方式簡單采用繼電器控制。其他由液壓拖動部分和左右動力頭的控制則由PLC控制。在軟件設(shè)計上，采用以順序功能圖為基礎(chǔ)的順序控制設(shè)計法，以及根據(jù)順序功能圖設(shè)計梯形圖的方法，即順序控制圖的編程方式。在論文中，說明了這種設(shè)計法的基本原則以及注意事項。關(guān)鍵詞：全自動機床；PLC；控制系統(tǒng)；設(shè)計Design of PLC control system for fully automatic machineAbstract：This thesis has introduced the application in the control system of the full-automatic lathe of PLC mainly, this full-automatic lathe has the whole full-automatic machine , the unit is semi-automatic and the unit plant the working way that some times manually, and can make various kinds of working ways not conflict each other , can meet the control request of the lathe . The system is still started, stop in advance , stop promptly , go backwards promptly, count function, signal show , fault alarm and have power to be head online / choose the function off-line, is it is it protect to short out to have, overload protection, lose and pigeonhole the function of protecting etc.Thesis include full-automatic lathe summary of control system mainly, can programme choice , controller of type, input and output the sureness that counts, the hardware is designed, software design ,etc.Middle and upper in the design, according to the characteristic of this system, electrical machinery of hydraulic pump, electrical machinery of coolant pump and so on, because the operation way adopts the relay to control briefly. Pull by hydraulic pressure some and about power control of hair control by PLC while being other. On software design , adopt the order based on functional diagram of the order to control the law of designing, and design ladder-shaped method of picture by functional diagram according to order, namely order control programming way that pursue. In the thesis, the basic principle and precautions of this kind of design law that have proved Key words: Full-automatic machine bed ；PLC； Control system ； Design第1章 緒 論1.1 控制系統(tǒng)的發(fā)展與種類控制系統(tǒng)其實從20世紀40年代就開始使用了，早期的現(xiàn)場基地式儀表和后期的繼電器構(gòu)成了控制系統(tǒng)的前身。現(xiàn)在所說的控制系統(tǒng)，多指采用電腦或微處理器進行智能控制的系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)的發(fā)展史上，稱為第三代控制系統(tǒng)，以PLC和DCS為代表，從70年代開始應(yīng)用以來，在冶金、電力、石油、化工、輕工等工業(yè)過程控制中獲得迅猛的發(fā)展。從90年代開始，陸續(xù)出現(xiàn)了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、基于PC的控制系統(tǒng)等.1.1.1 集散控制系統(tǒng)DCS70年代中期，由于設(shè)備大型化、工藝流程連續(xù)性要求高、要控制的工藝參數(shù)增多，而且條件苛刻，要求顯示操作集中等，使已經(jīng)普及的電動單元組合儀表不能完全滿足要求。在此情況下，業(yè)內(nèi)廠商經(jīng)過市場調(diào)查，確定開發(fā)的DCS產(chǎn)品應(yīng)以模擬量反饋控制為主，輔以開關(guān)量的順序控制和模擬量開關(guān)量混合型的批量控制，它們可以覆蓋煉油、石化、化工、冶金、電力、輕工及市政工程等大部分行業(yè)。1975年前后，在原來采用中小規(guī)模集成電路而形成的直接數(shù)字控制器(DDC)的自控和計算機技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了以集中顯示操作、分散控制為特征的集散控制系統(tǒng) (DCS)。由于當時計算機并不普及，所以開發(fā)DCS應(yīng)強調(diào)用戶可以不懂計算機就能使用DCS;同時，開發(fā)DCS還應(yīng)強調(diào)向用戶提供整個系統(tǒng)。此外，開發(fā)的DCS應(yīng)做到與中控室的常規(guī)儀表具有相同的技術(shù)條件，以保證可靠性、安全性。在以后的近30年間，DCS先與成套設(shè)備配套，而后逐步擴大到工藝裝置改造上，與此同時，也分成大型DCS和中小型DCS兩類產(chǎn)品，使其性能價格比更具有競爭力。DCS產(chǎn)品雖然在原理上并沒有多少突破，但由于技術(shù)的進步、外界環(huán)境變化和需求的改變，共出現(xiàn)了三代DCS產(chǎn)品。1975年至80年代前期為第一代產(chǎn)品，80年代中期至90年代前期為第二代產(chǎn)品，90年代中期至21世紀初為第三代產(chǎn)品。1.1.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線的突出特點在于它把集中與分散相結(jié)合的DCS集散控制結(jié)構(gòu)，變成新型的全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，依靠現(xiàn)場智能設(shè)備本身實現(xiàn)基本控制功能?，F(xiàn)場總線的特點主要表現(xiàn)在以下幾個方面4:(1) 以數(shù)字信號完全取代傳統(tǒng)的模擬信號(2) 以數(shù)字信號完全取代傳統(tǒng)DCS的420mA模擬信號，且雙向傳輸信號。一對雙絞線或一條電纜上通常可掛接多個設(shè)備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大為減少。同時，通信總線延伸到現(xiàn)場傳感器、變送器、控制器和伺服機構(gòu)，操作人員在控制室就能實現(xiàn)主控系統(tǒng)對現(xiàn)場設(shè)備的在線監(jiān)視、診斷、校驗和參數(shù)整定，節(jié)省了硬件數(shù)量與投資。(3) 現(xiàn)場總線實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)上的徹底分散(4) 現(xiàn)場總線在結(jié)構(gòu)上只有現(xiàn)場設(shè)備和操作管理站2個層次，將傳統(tǒng)DCS的I/O控制站并入現(xiàn)場智能設(shè)備，取消了I/O模件，現(xiàn)場儀表都是內(nèi)裝微處理器的，輸出的結(jié)果直接送到鄰近的調(diào)節(jié)閥上，完全不需要經(jīng)過控制室主控系統(tǒng)，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)上的徹底分散。(5) 總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是開放的將系統(tǒng)集成的權(quán)力交給用戶，用戶可以按自己的需要和考慮，把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成規(guī)模各異的系統(tǒng)。可以用不同廠家的現(xiàn)場儀表去替換出現(xiàn)故障的另一廠家的現(xiàn)場儀表。1.1.3 PLC控制系統(tǒng)1968年，通用汽車公司的油壓部門確立了第一個可編程控制器的標準，他們的目的是消除既復(fù)雜又昂貴的繼電器控制系統(tǒng)。該設(shè)計規(guī)格需要固態(tài)系統(tǒng)和電腦技術(shù)，并要求能夠在工業(yè)環(huán)境中生存，也能夠方便地編程，并且可以重復(fù)使用。到1969年，第一個PLC誕生。當時稱為可編程控制器，英文是Programmable Controller，縮寫為PC。由于第一代PLC是為了取代繼電器的，因此，采用了梯形圖語言作為編程方式，形成了工廠的編程標準。這些早期的控制器滿足了最初的要求，并且打開了新的控制技術(shù)的發(fā)展的大門。在很短的時間，PLC就迅速擴展到食品、飲料、金屬加工、制造和造紙等多個行業(yè)。PLC通常根據(jù)CPU所帶的I/O點數(shù)的規(guī)模分為微型PLC、小型PLC、中型PLC、大型PLC、PC插卡式PLC以及PC兼容的PLC。各種規(guī)模分類標準如表1-1所示。表1-1 PLC分類一套典型的PLC通常包括CPU模塊、電源模塊和一些輸入/輸出模塊，這些模塊被插在一塊背板上。如果配置增加，可能會包括一個操作員界面、監(jiān)控計算機、通訊模塊、軟件以及一些可選的特殊功能模塊。可編程控制器不僅容易安裝，占用空間小，能源消耗小，帶有診斷指示器可以幫助故障診斷，而且可以被重復(fù)使用到其它的項目中去?，F(xiàn)在，盡管PLC的功能，如運行速度、接口種類、數(shù)據(jù)處理能力已經(jīng)獲得了很大的提高，但PLC的一直保持了其最初設(shè)計的原則，那就是簡單至上的原則。PLC的技術(shù)從誕生之日起，就不停地發(fā)展。這些發(fā)展不僅改進了PLC的設(shè)計，也改變了控制系統(tǒng)的設(shè)計理念。過去，PLC適用于離散過程控制，如開關(guān)、順序動作執(zhí)行等場所，但隨著PLC的功能越來越強大，PLC也開始進入過程自動化領(lǐng)域。以下列出了PLC的硬件進展：采用新的先進的微處理器和電子技術(shù)達到快速的掃描時間;小型的、低成本的PLC，可以代替四到十個繼電器，現(xiàn)在獲得更大的發(fā)展動力;高密度的/系統(tǒng)，以低成本提供了節(jié)省空間的接口;基于微處理器的智能I/O接口擴展了分布式控制能力，典型的接口如PID，網(wǎng)絡(luò)，CAN總線，現(xiàn)場總線，ASCII通信，定位，主機通訊模塊，和語言模塊(如BASIC，PASCALC)等;包括輸入輸出模塊和端子的結(jié)構(gòu)設(shè)計改進，使端子更加集成;特殊接口允許某些器件可以直接接到控制器上，如熱電偶、熱電阻、應(yīng)力測量、快速響應(yīng)脈沖等;外部設(shè)備改進了操作員界面技術(shù)，系統(tǒng)文檔功能成為了PLC的標準功能。以上這些硬件的改進，導(dǎo)致了PLC的產(chǎn)品系列的豐富和發(fā)展，使PLC從最小的只有10個I/O點的微型PLC，到可以達到8000點的大型PLC，應(yīng)有盡有。這些產(chǎn)品系列，用普通的I/O系統(tǒng)和編程外部設(shè)備，可以組成局域網(wǎng)，并與辦公網(wǎng)絡(luò)相連。整個PLC的產(chǎn)品系列概念對于用戶來說，是一個非常節(jié)約成本的控制系統(tǒng)概念。與硬件的發(fā)展相似，PLC的軟件也取得了巨大的進展，大大強化了PLC的功能:PLC引入了面向?qū)ο蟮木幊坦ぞ撸⑶腋鶕?jù)國際電工委員會的IEC61131-3的標準形成了多種語言;小型PLC也提供了強大的編程指令，并且因此延伸了應(yīng)用領(lǐng)域;高級語言，如BASIC，C在某些控制器模塊中已經(jīng)可以實現(xiàn)，在與外部通訊和處理數(shù)據(jù)時提供了更大的編程靈活性;梯形圖邏輯中可以實現(xiàn)高級的功能塊指令，可以使用戶用簡單的編程方法實現(xiàn)復(fù)雜的軟件功能;診斷和錯誤檢測功能從簡單的系統(tǒng)控制器的故障診斷擴大到對所控制的機器和設(shè)備的過程和設(shè)備診斷;浮點算術(shù)可以進行控制應(yīng)用中計量、平衡和統(tǒng)計等所牽涉的復(fù)雜計算;數(shù)據(jù)處理指令得到簡化和改進, 可以進行涉及大量數(shù)據(jù)存儲、跟蹤和存取的復(fù)雜控制和數(shù)據(jù)采集和處理功能。盡快PLC比原來復(fù)雜了很多，但是，他們依然保持了令人吃驚的簡單性，對操作員來說，今天的高功能的PLC與30年前的PLC一樣那么容易操作，甚至更為簡單。PLC的未來發(fā)展不僅取決與產(chǎn)品本身的發(fā)展，還取決于PLC與其它控制系統(tǒng)和工廠管理設(shè)備的集成情況。PLC通過網(wǎng)絡(luò)，被集成到計算機集成制造(CIM)系統(tǒng)中，把他們的功能和資源與數(shù)控技術(shù)、機器人技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)、個人計算機系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)以及分層軟件系統(tǒng)結(jié)合起來，在工廠的未來發(fā)展中，將占據(jù)重要的地位。 新的PLC的技術(shù)進展包括，更好的操作員界面，圖形用戶界面（GUI），人機界面，也包括與設(shè)備、硬件和軟件的接口，并支持人工智能比如邏輯I/O系統(tǒng)等。軟件進展將采用廣泛使用的通訊標準提供不同設(shè)備的連接，新的PLC指令將立足于增加PLC的智能性，基于知識的學(xué)習型的指令也將逐步被引入，以增加系統(tǒng)的能力?？梢钥隙ǖ氖牵磥淼墓S自動化中，PLC將肯定占據(jù)重要的地位，控制策略將被智能地分布開來，而不是集中，超級PLC將在需要復(fù)雜運算、網(wǎng)絡(luò)通信和對小型PLC和機器控制器的監(jiān)控的應(yīng)用中獲得使用1.2 課題的背景意義目前在一般企業(yè)都擁有一定數(shù)量的用繼電器控制的組合機床。繼電器控制方式雖然有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜的優(yōu)點，但存在著接觸器觸電磨損快、壽命短、可靠性差等缺點。特別是在更換產(chǎn)品而改變動作循環(huán)時，需重新設(shè)計、安裝、調(diào)試，不能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)要求。若將原系統(tǒng)改裝為PLC控制系統(tǒng)，則能克服上述缺點?？删幊绦蚩刂破鳎≒LC）是以計算機技術(shù)為核心的通用自動設(shè)備，它的功能強，可靠性極高，編程簡單，使用方便，體積小巧，因此，從它誕生到現(xiàn)在在工業(yè)生產(chǎn)中得到了很快的發(fā)展和應(yīng)用，被稱為工業(yè)自動化的主要支柱之一，也被稱為機械之母。采用PLC改造機床，具有控制系統(tǒng)可靠性好、故障率低、工藝參數(shù)調(diào)整方便等特點。這是因為可編程序控制器的抗干擾能力強，可靠性高，且配置靈活，已在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。這不僅可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動控制，還可以構(gòu)成適合工業(yè)環(huán)境的實時網(wǎng)絡(luò)。用可編程控制器，具有投資省、見效快的特點。因為使用PLC控制機床電氣系統(tǒng)后，可去掉了機床的中間繼電器、時間繼電器、順序控制二極管及電阻，使線路簡化。同時，由于PLC的高可靠性，輸入輸出部分還具有信號提示，這不僅使電氣故障次數(shù)大大減少，而且還能給準確判斷電器故障的發(fā)生部位提供了很大的方便。本課題全自動機床的控制系統(tǒng)的設(shè)計主要是運用PLC控制系統(tǒng)來控制機床，實現(xiàn)了以軟件代替部分硬件。本PLC控制系統(tǒng)主要控制方式有循環(huán)全自動、循環(huán)半自動、單機半自動、單機手動等。通過畢業(yè)設(shè)計的實踐，查閱資料、初步設(shè)計，通過老師的精心指導(dǎo)，對PLC有了更深入的了解。大大的提高了我的個人能力。畢業(yè)設(shè)計有很強的實際意義，通過對所學(xué)理論知識的實際應(yīng)用，使其升華，以符合實際的工程需要。為我們畢業(yè)后走上工作崗位，投入實際生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。1.3 研究內(nèi)容該課題要求設(shè)計者以PLC為核心，為本全自動機床設(shè)計一個電氣控制系統(tǒng)。具體內(nèi)容如下：（1）制系統(tǒng)應(yīng)能使全自動機床具有全機全自動、全機半自動、單機半自動和單機手動四種工作方式，且能使各種工作方式不相互發(fā)生沖突，能滿足機床輸送帶送料機械手上料夾緊機構(gòu)對工件夾緊左、右動力頭向前進行鉆削加工當左、右動力頭的鉆頭將要進入危險區(qū)時，右動力頭停止，左動力頭繼續(xù)向前左動力快速返回右動力頭再次向前右動力頭快速返回夾緊機構(gòu)松開機械手下料的整個工藝過程要求，具有啟動、預(yù)停、緊急停止、緊急后退和計數(shù)功能，具有動力頭在線/離線選擇功能，具有短路保護、過載保護、失壓保護等功能。（2）應(yīng)確定控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案；確定PLC的型號規(guī)格；確定PLC I/O元件；設(shè)計電動機的電器控制系統(tǒng)原理圖；設(shè)計全自動機床的公用程序，單機單步程序，全機半自動程序，全機自動回原點程序；上機調(diào)試程序；編寫設(shè)計說明書和使用說明書。第2章 控制系統(tǒng)總體方案論證2.1 對全自動機床的概述2.1.1 全自動機床的用途及基本結(jié)構(gòu)本全自動機床由工作機構(gòu)、傳動機構(gòu)、原動機和自動控制系統(tǒng)四個部分組成。本全自動機床是針對棒料兩面同時進行鉆孔或擴孔加工的專用機床，利用自動控制系統(tǒng)，使被控對象（或生產(chǎn)過程），自動地按照預(yù)定的規(guī)律去進行工作。如機床按規(guī)定的程序自動地起動與停車；利用可編程序控制器，按照預(yù)先編制的程序，使機床實現(xiàn)各種自動加工循環(huán)，所有這些都是全自動機床自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用。因此全自動機床就可以根據(jù)情況對工件進行循環(huán)生產(chǎn)。2.1.3 全自動機床工作過程簡述當全自動機床的各單機均處于原位，且液壓泵電機、冷卻泵電機和左、右動力頭主軸電機均已啟動完畢時，按下啟動按鈕SB，機械手上料。上料到位時，機械手自動返回，同時，夾緊機構(gòu)開始對工件夾緊。當夾緊機構(gòu)對工件已有足夠的夾緊力時，左、右動力頭同時啟動向前，對工件進行鉆削加工。當左、右動力頭前進到將要進入危險區(qū)時，右動力頭停止向前，而左動力頭繼續(xù)向前。當左動力頭鉆至整個孔深的一半時停止向前，并快速返回。當左動力頭返回到原位時自動停止在原位，同時右動力頭再次啟動向前，將孔的余下部分鉆穿。當孔的余下部分被鉆穿時，右動力頭停止向前，并快速返回。當右動力頭返回到原位時自動停止在原位，同時，夾緊機構(gòu)松開。當夾緊機構(gòu)完全松開時，機械手開始下料，直至下料完畢。至此，全自動機床完成了一個循環(huán)的加工。其中，機械手的上料過程為：當全自動機床開機前的一切工作準備就緒時，按下啟動按鈕SB，輸送帶送料。送料到位時，送料輸送帶自動停止，同時機械手開始下行。下行到位時，機械手抓緊工件。抓緊工件后，機械手上行。上行到位時，機械手向前。向前到位時，手下行。下行到位時，上料機械手松開，將工件放在機床的工作臺上。放好后，機械手向后。向后到位時，上料機械手自動停止。至此，機械手的上料過程進行完畢。機械手的下料過程為：當左、右動力頭加工完畢均已退回原位，且夾具已松開工件時，機械手向前。向前到位時，機械手下行。下行到位時，機械手從機床的工作臺上抓緊工件。抓緊工件后，機械手上行。上行到位時，機械手向后。向后到位時，機械手下行。下行到位時，機械手松開，將工件放在輸送帶上。放好后，機械手上行。上行到位時，機械手自動停止。至此，機械手的下料過程進行完畢。2.2 設(shè)計要求2.2.1 對工作方式的設(shè)計要求為了滿足生產(chǎn)的需要，全自動機床要求設(shè)置多種工作方式，如手動和自動（包括連續(xù)、單周期、單步等、自動返回初始狀態(tài)）工作方式。2.2.2 對單機控制的要求(1) 單機手動工作方式：要求能對各單機進行手動操作，以便能對鉆孔深度等進行調(diào)整。(2) 單機單步工作方式：要求能對各單機進行單步操作，當該單步進行完畢時，該單機應(yīng)能自動停止。(3) 單機半自動動工作方式：要求能對各單機單獨進行一個循環(huán)的操作，當被操作的單機運行完一個循環(huán)，并回到原位時應(yīng)能自動停止。2.2.3 對全機控制的要求 (1) 一次循環(huán)工作方式：當只要求加工一個工件時，在加工完一個工件時，應(yīng)能自動停止加工。(2) 連續(xù)循環(huán)工作方式：在此工作方式下，要求全自動機床能夠自動地對成批工件進行加工。(3) 自動回原點工作方式：在此工作方式下，不論各單機原來處于什么位置，都應(yīng)能使各單機全部自動回到各自的原位。(4) 要求能對本全自動機床實現(xiàn)起動、預(yù)停、急停、急退和在線/離線選擇等操作，具有計數(shù)功能。2.2.4 對保護方面的設(shè)計要求在生產(chǎn)過程中可能會出現(xiàn)一些故障，如短路、過載、欠電壓、夾緊力不足以及超節(jié)拍等，因此，需要針對這些故障設(shè)計必要的保護環(huán)節(jié)。2.2.5 對局部照明的設(shè)計要求應(yīng)設(shè)置一臺全自動機床的局部照明燈，以方便工人和技術(shù)人員對機床的操作和維修，局部照明應(yīng)采用36伏安全電壓供電，并具有足夠的亮度。2.2.6 對信號顯示及故障報警方面的設(shè)計要求要求控制系統(tǒng)具有機床的工作方式顯示、工作過程顯示、工作狀態(tài)顯示、故障狀態(tài)顯示和故障報警功能。2.3 總體控制方案論證對全自動機床可以采用PLC控制，單片機控制，或繼電器控制。由于對于本機床的液壓泵電機、冷卻泵電機以及左右動力頭主軸電機只需要用起保停電路進行控制即可，控制要求比較簡單，而且不需要對程序進行修改，如果用單片機控制方案或PLC控制方案進行設(shè)計，和繼電器控制方案相比較前兩種的優(yōu)勢體現(xiàn)不出來，而且前兩種的價格和第三種相比都較高，因此，只需采用繼電器控制方案設(shè)計其控制系統(tǒng)。而對于本機床的液壓系統(tǒng)，由于其工作過程和控制要求復(fù)雜，如果選用繼電器控制方案進行設(shè)計，其控制線路多，接線工作量非常大，故障的檢測就很有難度了，因此這里就不宜采用該方案進行設(shè)計；如果選擇單片機控制系統(tǒng)，則設(shè)計者需制作印刷電路板和接口電路等，設(shè)計周期長，而且單片機對環(huán)境的要求高，抗干擾能力較差，因此，本全自動機床不宜采用單片機控制方案。對于PLC控制方案的優(yōu)缺點，前面已經(jīng)作了介紹。故采用PLC控制方案來設(shè)計控制系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)分為硬件和軟件兩個部分，重點難點在軟件設(shè)計部分，為減小設(shè)計難度，軟件部分決定采用模塊化設(shè)計方案，即一種工作方式的程序用一個程序模塊。具體設(shè)計時，手動程序、信號顯示程序以及故障報警程序采用經(jīng)驗法設(shè)計，自動程序采用順序控制法設(shè)計。第3章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 電動機電器線路的設(shè)計3.1.1 電器元件的配置 本全自動機床的電動機電器線路主要由液壓泵電機、冷卻泵電機以及左右動力頭主軸電機組成。全自動機床的各電動機主電路的總電源開關(guān)應(yīng)采用刀開關(guān)加自動開關(guān)的組合形式，其中刀開關(guān)起隔離電源、安全檢修的作用，自動開關(guān)起短路保護、失壓保護、過載保護等作用。因此，要為主電路的總電源配置一只刀開關(guān)QS和一只自動開關(guān)QF1。全自動機床的每一臺電動機應(yīng)采用接觸器進行控制，并采用熱繼電器作為過載保護。因此，要為每一臺電動機配置一只接觸器和一只熱繼電器，具體配置情況如表3.1所示。其它的電器元件有電源指示燈HLD和局部照明燈EL、刀開關(guān)QS、自動開關(guān)QF1、自動開關(guān)QF2、熔斷器（FU1-FU2）、按鈕（SB1-SB11）、電流互感器TA、電流表PA、電壓表PV、變壓器TC與直流穩(wěn)壓電源GD等。表3.1全自動機床各電動機的電器元件配置情況液壓泵電動機 M1冷卻泵電動機 M2左動力頭主軸電動機M3右動力頭主軸電動機M4接觸器KM1KM2KM3KM4熱繼電器FR1FR2FR3FR43.1.2 電器元件型號規(guī)格的選擇3.1.2.1 液壓泵電動機選擇本全自動機床液壓傳動系統(tǒng)的液壓泵容量為3KW，因此可選擇型號為Y112M-4的三相鼠籠式異步電動機一臺作為全自動機床液壓傳動系統(tǒng)的液壓泵的拖動電機M1，其主要技術(shù)參數(shù)如下：PN=3KW，UN380V， IN8.2A，nN=2890r/min，85.5，cos0.87結(jié)合下述公式 (3.1) (3.2) QN=PNtg (3.3)就可算得液壓泵電機的參數(shù):, , QN=2.27VAR.3.1.2.2 冷卻泵電動機選擇本全自動機床冷卻泵的容量為100W，選擇型號為SY6314的三相鼠籠式異步電動機一臺作為該機床冷卻泵的拖動電機M2，其主要技術(shù)參數(shù)如下：PN=0.120KW， UN380V，IN0.48A，n0=1500r/min，59，os0.745由上述參數(shù),并結(jié)合式(3.1)(3.3)，就可算得冷卻泵電動機的參數(shù):, , QN=0.11VAR.3.1.2.3 左、右動力頭主軸電動機選擇可選型號為Y100L1-4的電動機2臺作為左動力頭主軸電機M3和右動力頭的主軸電機M4，其主要技術(shù)參數(shù)如下：PN=1.5KW，UN380V，IN5.0A，nN=1430r/min，82.5，cos0.81由此可算得據(jù)此,并根據(jù)式(3.1)(3.3)，可算得上述動力頭電機的參數(shù):, , QN=1.59VAR.3.1.2.4 電源指示燈和局部照明燈選擇選用型號為XD7信號燈1只作電源指示燈HLD, 其主要技術(shù)參數(shù)如下：UN220V，顏色為綠色，結(jié)構(gòu)為變壓器式。選用型號為JZS36-40白熾1只作為本全自動機床局部照明燈EL的燈泡,其主要技術(shù)參數(shù)如下：PN=40W，UN36V，=550lm3.1.2.5刀開關(guān)QS選擇對于刀開關(guān)的選擇需要對前面所選本全自動機床各電動機的額定功率進行計算，那么根據(jù)前面所查的參數(shù)算的它們的和為PM=17.3KW，QM=11.92KVAR在本全自動機床電動機的主電藯中，因為單相用電設(shè)備兠都接于C相上，其總負荷為P12N=0.998KW，Q12N=0.133KVAR，所以C相上的總負荷最大。本全自動機床電動機主電路的總負荷應(yīng)按C相總負荷的3倍來計算，其值可根據(jù)下述公式P= PM+3P12N (3.4)Q= QM+3QP12N 耠 (3.5) 褠 (3.6) (3.7)算得為P=20.29KW，Q=12.32KVAR，S=23.74KVA，I=36.1A.參照上面的計算結(jié)果，這里選用規(guī)格最小的HD11-100/18型單投三極刀開關(guān)1只作為本全自動機床電動機主電路的刀開關(guān)QS，其主要技術(shù)參數(shù)如下：UN380V，IN100A3.1.2.6 自動開關(guān)選擇3.1.2.6.1 自動開關(guān)QF1選擇自動開關(guān)QF1對主電路起短路保護作用，它接于本全自動機床電動機主電路的電源端。對于這種自動開關(guān)的選擇比較簡單，自動開關(guān)QF1所在的線路負荷小，因此可采用結(jié)構(gòu)緊湊的塑料外殼式自動開關(guān)作QF1，為了使自動開關(guān)作QF1具有短路保護功能，應(yīng)為其配置過電流電磁脫扣器。根據(jù)自動開關(guān)QF1所在線路的一些參數(shù)，可以計算出正常工作時通過自動開關(guān)QF1的總負荷電流為I36.1A，那么就可選擇型號為DZ20Y-100/3200的塑料外殼式自動開關(guān)1只作自動開關(guān)QF1。3.1.2.6.2 自動開關(guān)QF2的選擇變壓器TC和PLC線路需要短路保護，那么就要為該線路安裝自動開關(guān)QF2，自動開關(guān)QF2接于變壓器TC和PLC的公共線路上。由于該線路為220V單相線路，和自動開關(guān)QF1一樣也可以用塑料外殼式自動開關(guān)，那么根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)可以算得流過自動開關(guān)QF2的該單相線路的負荷為：Sj=1KVA,Ij=4.6A。據(jù)此，可選擇型號為DZ20Y100/1300的塑料外殼式自動開關(guān)1只作自動開關(guān)QF2。3.1.2.7 接觸器選擇（1）液壓泵電機接觸器KM1的選擇本全自動機床所選液壓泵電機的PN4KW，UN380V，IN8.2A，因此，可選型號為3TB40的接觸器1只作液壓泵電機的接觸器KM1。對主觸點數(shù)量要求：3對常開觸點；輔助觸點數(shù)量：2對常開觸點和2對常開觸點。為了使元件的購買和安裝方便，這里都選擇同一廠家生產(chǎn)的同一系列的產(chǎn)品。（2）冷卻泵電機接觸器KM2的選擇本全自動機床所選冷卻泵電機的相關(guān)參數(shù)PN=0.120KW，UN380V, IN0.48A，因此，選型號為3TB40的接觸器1只作冷卻泵電機的接觸器KM2（雖然3TB40型接觸器的規(guī)格已大大超過了冷卻泵電機的要求，但是在3TB系列的接觸器中，只有3TB40型接觸器的規(guī)格最小），并選擇其線圈的額定電壓為220VAC。（3）左、右動力頭主軸電機接觸器KM3、KM4的選擇動力頭主軸電機的型號為Y100L1-4，由它們的主要技術(shù)參數(shù)為PN=2.2KW，UN380V，IN5.0A，可選型號為3TB40的接觸器2只作上述電機的接觸器KM3、KM4，并選擇其線圈的額定電壓為24VCD。（4）PLC電源及PLC負載電源接觸器KM選擇接觸器KM的線圈及其一對主觸頭均接于220V交流線路中，這對觸頭用來控制PLC電源的通和斷。接觸器KM的另外兩對主觸頭分別接于直流穩(wěn)壓電源GD的兩對24V直流輸出端，用來控制PLC負載電源的通和斷。選3TB40型接觸器1只作PLC電源及PLC負載電源的控制接觸器KM，并選擇其線圈的額定電壓為220VAC的常開輔助觸頭兩對，其中一對作KM的自保，另一對作PLC的輸入。3.1.2.8 熱繼電器FR1FR4選擇3.1.2.8.1液壓泵電機熱繼電器FR1的選擇熱繼電器應(yīng)按下述要求選擇(1) 熱繼電器的額定電壓UR.N應(yīng)大于或等于其所在線路的工作電壓UL.G，即UR.NUL.G(2) 熱繼電器的額定電流IR.N應(yīng)大于或等于其內(nèi)部所裝發(fā)熱元件的額定電流IRF.N，即IR.NIRF.N(3) 熱繼電器發(fā)熱元件的額定電流IRT.N應(yīng)接近于或略大于其保護對象的額定電流IB.N，即IRF.N（0.951.05）IB.N液壓泵電機的PN4KW，UN380V，IN8.2A，因此，可選規(guī)格最小的JR16B-20/3D型熱繼電器1只作液壓泵電機的熱繼電器FR1，該型熱繼電器的極數(shù)為3極，有斷相保護功能和溫度補償功能，有1對常開觸頭和1對常閉觸頭。其主要技術(shù)參數(shù)16如下：UR.N380V，IR.N20A，IRT.N11A，IRT.F6.811A其中，IRT.F 熱繼電器發(fā)熱元件的整定電流范圍。3.1.2.8.2冷卻泵電機熱繼電器FR2的選擇冷卻泵電機的PN=0.120KW，UN380V, IN0.48A，據(jù)此，可選規(guī)格最小的JR16B-20/3D型熱繼電器1只作冷卻泵電機的熱繼電器FR2，該型熱繼電器的極數(shù)為3極，有斷相保護功能和溫度補償功能，有1對常開觸頭和1對常閉觸頭。其主要技術(shù)參數(shù)如下：UR.N380V，IR.N20A，IRT.N0.5A，IRT.F0.320.5A3.1.2.8.3左、右動力頭主軸電機熱繼電器FR3FR4的選擇左、右動力頭主軸電機的PN=2.2KW，UN380V, IN5.0A，據(jù)此，可選規(guī)格最小的JR16B-20/3D型熱繼電器2只作左、右動力頭主軸電機M3M4的熱繼電器FR3FR4，該型熱繼電器的極數(shù)為3極，有斷相保護功能和溫度補償功能，有1對常開觸頭和1對常閉觸頭。其主要技術(shù)參數(shù)如下：UR.N380V，IR.N20A，IRT.N5A，IRT.F3.25A3.1.2.9 熔斷器FU1、FU2選擇3.1.2.9.1熔斷器FU1選擇熔斷器應(yīng)按下述要求選擇(1) 熔斷器的額定電壓URD.N應(yīng)大于或等于其所在線路的工作電壓UL.G，即URD.NUL.G(2) 熔斷器的額定電流IRD.N應(yīng)等于或大于其內(nèi)部所裝熔體的額定電流IRT.N，即IRD.NIRT.N(3) 當熔斷器所保護的線路為沒有沖擊性負荷的線路時，熔體的額定電流IRT.N應(yīng)等于或略大于該線路的正常負荷電流IFH，即IRT.NIFH(4) 當熔斷器所保護的線路為有沖擊性負荷的線路時，熔體的額定電流IRT.N應(yīng)躲過該線路的尖峰電流IjfIRT.NIjf/其中，計算系數(shù)，對于容量在20KW及以下的電動機，可開略地取22.5。全自動機床局部照明線路線路沒有沖擊性負荷，要選擇熔斷器FU1對該線路進行保護，那么就可按上述第(3)條的要求對FU1的熔體進行選擇。局部照明燈EL的PN=40W，UN36V，IN1.11A，據(jù)此，可選型號選為RL1-15的螺旋式熔斷器1只作全自動機床局部照明電路的短路保護熔斷器FU1，其主要技術(shù)參數(shù)如下：URD.N=380V，IRD.N=15A，IRT.N=2A，Idl=2KA其中，Idl 熔斷器的極限分斷能力(交流)。3.1.2.9.2熔斷器FU2選擇這里用熔斷器FU2對本全自動機床的直流穩(wěn)壓電源GD進行保護，熔斷器FU2接于本全自動機床的直流穩(wěn)壓電源GD的輸入電路中，該直流穩(wěn)壓電源GD向PLC的負荷供電，其負荷中沒有沖擊性負荷，因此，該直流穩(wěn)壓電源GD的輸入電路中沒有沖擊性電流，因此，可按上述第(3)條要求選擇FU2的熔體。可選型號選為RL1-15的螺旋式熔斷器1只作全自動機床局部照明電路的短路保護熔斷器FU1，其主要技術(shù)參數(shù)如下：URD.N=380V，IRD.N=60A，IRT.N=20A，Idl=5KA3.1.2.10 按鈕選擇選用LAY311型按鈕11只作PLC啟動、停止和各功能按鈕SB1、SJ6、SB3、SB4、SB5SB6、SB7、SB8、SB9、SB10、SB1，其技術(shù)參數(shù)如下：UN=220VAC，IN=3A3.1.2.11鈕子開關(guān)SA選擇鈕子開關(guān)SA用來控制全自廚機床的局部照明燈EL的電源通？斷，照明燈EL的N=40W，UN36V，IN1.11A，據(jù)此，可選型號選為KN32的鈕子開關(guān)1只作全自動機床局部照明電路的控制開關(guān)SA，其主要技術(shù)參數(shù)如下：UN220V，IN2A3.1.2.12電流表PA選擇在對電流表PA進行選擇時，通常要注意其量程應(yīng)比正常情況下實際淺過它的線路電流大0.5倍。電流表PA安裝于的控制柜內(nèi)，接弨交流電流互感器TQ二次回路中，用來浫量全自動機床的380220V配唵線路的電流，該線路正常情況下的負荷電流為I=36.1A，因此電流表PA的量程應(yīng)為Imx=36.1(1+0.5)54A據(jù)此，可選6L2A型交流電流表1只作PA，其主要技術(shù)參數(shù)如下：準確度：1.5級；量程：50A；配用電流互感器二次側(cè)額定電流為5A。3.1.2.13電壓表PV選擇電壓表PV直接跨接在全自動機床的38020V配電線路的兩相火線之間。可選6L2V型交流電壓表1只作PV，其主要技術(shù)參數(shù)如下：準確度：1.5級；量程：600V。3.1.3 動力電路的設(shè)計由于四臺電動機在操作人員不離開機加工自動線控制系統(tǒng)的情況下，通常要求一直處于運行狀態(tài)，由于它們的這種控制要求十分簡單，因此，可直接采用由按鈕和接觸器組成的啟、保、停電路對它們進行啟動與停止的控制。其中按鈕在控制電路中，用于發(fā)布預(yù)開、啟動、預(yù)停、急停等各種操作命令；同時,應(yīng)為它們的接觸器KM1、KM2、KM3、KM4線圈的控制回路各配置一只啟動按鈕和一只停止按鈕，具體配置情況如表3.2所示。表3.2 KM1、KM2的線圈控制回路的電器元件配置情況接觸器KM1的線圈控制回路接觸器KM2的線圈控制回路接觸器KM3的線圈控制回路接觸器KM4的線圈控制回路啟動按鈕SB05SB06SB07SB08停止按鈕SB01SB02SB03SB04電動機主電路圖的設(shè)計見圖3.1所示。電動機電器控制電路采用起保停電路設(shè)計，如圖3.2。3.1.4 其他電路的設(shè)計為安全起見，局部照明燈應(yīng)采用24VAC安全電壓供電，并采用鈕子開關(guān)控制，采用熔斷器作短路保護。因此，應(yīng)為該局部照明電路配置一臺220/36VAC變壓器TC、一只白熾燈EL、一只鈕子開關(guān)SA。圖3.3為照明和顯示電路的簡化圖。圖3.1 電動機主電路原理圖圖3.2 電動機電器控制電路原理圖圖3.3 指示照明電路設(shè)計3.2 液壓傳動PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計3.2.1 PLC控制系統(tǒng)電器元件的配置3.2.1.1 PLC 輸入元件的配置接于PLC輸入點的電器元件都通稱為PLC輸入元件。對于本全自動機床控制系統(tǒng)來說，這些輸入元件可分為兩大類，一類是用來向全自動機床發(fā)出各種操作信號的操作類元件，另一類是用來檢測全自動機床工作狀態(tài)、工作進程和故狀情況的檢測類元件。其中操作類元件包括工作方式選擇開關(guān)，單機選擇開關(guān)，單機在線離線選擇開關(guān)，向全自動機床發(fā)出預(yù)開、啟動、預(yù)停、緊急停止、緊急后退等操作信號的按紐，以及電鈴試驗按鈕。檢測類元件包括可用來反映液壓泵電機和冷卻泵電機是否處于運行狀態(tài)的相關(guān)接觸器，檢測全自動機床工作進程的行程開關(guān)和壓力繼電器，可用來反映各電動機是否處于過載故狀狀態(tài)的熱繼電器。3.2.1.1.1操作類元件的配置(1) 為了實現(xiàn)對全自動機工作方式的選擇，應(yīng)配置1只工作方式選擇開關(guān)SA2；(2) 為了在單機單步工作方式下，實現(xiàn)對全自動機床中各單機(輸送帶、機械手、夾緊機構(gòu)、左動力頭和右動力頭)的選擇，應(yīng)配置1只單機選擇開關(guān)SA3。(3) 為了在全機半自動工作方式下，實現(xiàn)對左、右動力頭的在線離線選擇，應(yīng)配置2只在線離線選擇開關(guān)SA4和SA5；(4) 為了在全機半自動工作方式下，實現(xiàn)對全自動機床的預(yù)開、啟動、預(yù)停、緊急停止和緊急后退的操作，應(yīng)分別配置1只預(yù)開按紐SB1、啟動按紐SB2、預(yù)停按紐SB3、緊急停止按紐SB4和緊急后退按紐SB5；(5) 為了在單機單步工作方式下，實