毕业设计（论文）-基于MCGS的深孔钻组合机床PLC控制实训.doc

摘要深孔钻是加工深孔的专用设备。钻深孔时为保证加工质量、提高工效，加工中钻头的冷却和定时排屑是需要解决的主要问题。传统的控制方案是采用继电器接触器控制与液压控制相结合的方法，由于进给次数多，且有快进、快退、工进等多种进给速度的变换，控制系统较复杂，大量的硬件系统接线使系统的可靠性降低，也间接的降低了设备的工作效率，影响了设备的加工质量。采用可编程控制器与液压相结合可以较好的解决这一问题，可大大的减少系统的硬件接线，提高了工作可靠性。而且在加工工艺改变时，只需要修改程序，就可适应新的加工要求，大大的提高了工作效率。关键词：PLC，深孔钻 ，分级进给 ,MCGS目录摘要11 深孔钻加工技术31.1深孔与深孔加工技术31.2深孔加工的特点及应用32 MCGS组态软件简介42.1 MCGS组态软件的功能和特点42.2 MCGS组态软件的系统构成62.2.1 MCGS组态软件的整体结构62.2.2 MCGS工程的五大部分62.2.3 MCGS组态软件的工作方式73 控制方案设计93.1控制系统工作原理93.2机械结构103.3工艺过程及控制要求104 硬件设计124.1主电路设计124.2 控制电路设计124.3工程效果图155 PLC控制程序设计196 程序的运行、监视、调试26致谢27参考文献281 深孔钻加工技术1.1深孔与深孔加工技术深孔在机械制造业中，一般将孔深超过孔径5倍的圆柱孔（内圆柱面）称为深孔。而孔深与孔径的比值，称之为“长径比”或“深径比”。相对而言，长径比不大于5倍的圆柱孔可称为“浅孔”。深孔直径的大小直接关系到加工的难度和采用的加工手段，所以生产实践中常常按照深孔直径的大小分别称呼为特大深孔（200mm以上），大深孔（65200mm），普通深孔（中等直径2065mm），小深孔（420mm），微小深孔（4mm以下）。一般而言特大深孔与微小深孔比中，小深孔的加工难度更大，但是由于科学技术是不断进步的，所以，划分仅用于行业内的沟通，并非严格的科学定义。深孔加工技术泛指用于深孔加工的工具设备（硬件）和加工原理，操作规程，操作技巧（软件）。在一般情况下，深孔加工技术主要指用切削加工方法和磨料工具加工深孔的技术。随着科学技术的发展，20世纪涌现出了一批可用于深孔加工的特种加工技术，从而扩大了深孔加工技术的领域。1.2深孔加工的特点及应用从表象上看，深孔不过是浅孔的延长，深孔加工里当是浅孔加工方法的扩展应用，但实际上二者相差甚大。在各种零件中，长径比不超过5的孔随处可见，人所知的浅孔（孔）是构成大多数零件的不可缺少的要素。 进一步考察深孔，其主要功能有：1 在较长距离之间传输介质，并具有密封功能。2 在较长距离之间传输力或进行热交换。3 在较长距离两区域之间传输信息。4 精确导向。2 MCGS组态软件简介2.1 MCGS组态软件的功能和特点MCGS即监视与控制通用系统，英文全称为Monitor and Control Generated System。MCGS是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件，具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。MCGS工控组态软件的功能和特点可归纳如下：1.概念简单，易于理解和使用。普通工程人员经过短时间的培训就能正确掌握、快速完成多数简单工程项目的监控程序设计和运行操作。用户可避开复杂的计算机软硬件问题，集中精力解决工程本身的问题，按照系统的规定，组态配置出高性能、高可靠性、高度专业化的上位机监控系统。2.功能齐全，便于方案设计。MCGS为解决工程监控问题提供了丰富多样的手段，从设备驱动（数据采集）到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出、曲线显示等各个环节，均有丰富的功能组件和常用图形库可供选用，用户只需根据工程作业的需要和特点，进行方案设计和组态配置，即可生成用户应用软件系统。3.实时性与并行处理。MCGS充分利用了Windows操作平台的多任务、按优先级分时操作的功能，使PC机广泛应用于工程测控领域成为可能。工程作业中，大量的数据和信息需要及时收集，即时处理，在计算机测控技术领域称其为实时性任务关键任务，如数据采集、设备驱动和异常处理等。另外许多工作则是非实时性的，或称为非时间关键任务，如画面显示，可在主机运行周期时间内插空进行。而像打印数据一类的工作，可运行于后台，称为脱机作业。MCGS是真正的32位系统，可同时运行于Microsoft Windows95，98和Microsoft Windows NT平台，以线程为单位进行分时并行处理。4.建立实时数据库，便于用户分步组态，保证系统安全可靠运行。MCGS组态软件由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成。其中的“实时数据库”是整个系统的核心。在生成用户应用系统时，每一部分均可分别进行组态配置，独立建造，互不相干；而在系统运行过程中，各个部分都通过实时数据库交换数据，形成互相关联的整体。实时数据库是一个数据处理中心，是系统各个部分及其各种功能性构件的公用数据区。各个部件独立地向实时数据库输入和输出数据，并完成自己的差错控制。5.设立“设备工具箱”，针对外部设备的特征，用户从中选择某种“构件”，设置于设备窗口内，赋予相关的属性，建立系统与外部设备的连接关系，即可实现对该种设备的驱动和控制。不同的设备对应于不同的构件，所有的设备构件均通过实时数据库建立联系，而建立时又是相互独立的，即对某一构件的操作或改动，不影响其它构件和整个系统的结构，从这一意义上讲，MCGS是一个“设备无关”的系统，用户不必因外部设备局部改动，而影响整个系统。6.“面向窗口”的设计方法，增加了可视性和可操作性。以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，使得MCGS的组态工作既简单直观，又灵活多变。用户可以使用系统的缺省构架，也可以根据需要自己组态配置，生成各种类型和风格的图形界面，包括DOS风格的图形界面、标准Windows风格的图形界面以及带有动画效果的工具条和状态条。7.利用丰富的“动画组态”功能，快速构造各种复杂生动的动态画面。以图象、图符、数据、曲线等多种形式，为操作员及时提供系统运行中的的状态、品质及异常报警等有关信息。用变化大小、改变颜色、明暗闪烁、移动翻转等多种手段，增强画面的动态显示效果。图元、图符对象定义相应的状态属性，即可实现动画效果。同时，MCGS为用户提供了丰富的动画构件，模拟工程控制与实时监测作业中常用的物理器件的动作和功能。每个动画构件都对应一个特定的动画功能。如：实时曲线构件、历史曲线构件、报警显示构件、自由表格构件等。8.引入“运行策略”的概念。复杂的工程作业，运行流程都是多分支的。用传统的编程方法实现，既繁琐又容易出错。MCGS开辟了“策略窗口”，用户可以选用系统提供的各种条件和功能的“策略构件”，用图形化的方法构造多分支的应用程序，实现自由、精确地控制运行流程，按照设定的条件和顺序，操作外部设备，控制窗口的打开或关闭，与实时数据库进行数据交换。同时，也可以由用户创建新的策略构件，扩展系统的功能。2.2 MCGS组态软件的系统构成2.2.1 MCGS组态软件的整体结构MCGS组态软件（以下简称MCGS）由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。两部分互相独立，又紧密相关。MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS 运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程” 。MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序McgsRun.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。在运行环境中完成对工程的控制工作。2.2.2 MCGS工程的五大部分MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作包括：定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。设备窗口：是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。用户窗口：本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。实时数据库：是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。运行策略：本窗口主要完成工程运行流程的控制。包括编写控制程序（ifthen脚本程序），选用各种功能构件，如：数据提取、历史曲线、定时器、配方操作、多媒体输出等。2.2.3 MCGS组态软件的工作方式MCGS如何与设备进行通讯：MCGS通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。包括数据采集和发送设备指令。设备驱动程序是由VB程序设计语言编写的DLL（动态连接库）文件，设备驱动程序中包含符合各种设备通讯协议的处理程序，将设备运行状态的特征数据采集进来或发送出去。MCGS负责在运行环境中调用相应的设备驱动程序，将数据传送到工程中各个部分，完成整个系统的通讯过程。每个驱动程序独占一个线程，达到互不干扰的目的。MCGS如何产生动画效果：MCGS为每一种基本图形元素定义了不同的动画属性，如：一个长方形的动画属性有可见度，大小变化，水平移动等，每一种动画属性都会产生一定的动画效果。所谓动画属性，实际上是反映图形大小、颜色、位置、可见度、闪烁性等状态的特征参数。然而，我们在组态环境中生成的画面都是静止的，如何在工程运行中产生动画效果呢？方法是：图形的每一种动画属性中都有一个“表达式”设定栏，在该栏中设定一个与图形状态相联系的数据变量，连接到实时数据库中，以此建立相应的对应关系，MCGS称之为动画连接。当工业现场中测控对象的状态（如：储油罐的液面高度等）发生变化时，通过设备驱动程序将变化的数据采集到实时数据库的变量中，该变量是与动画属性相关的变量，数值的变化，使图形的状态产生相应的变化（如大小变化）。现场的数据是连续被采集进来的，这样就会产生逼真的动画效果（如储油罐的液面的升高和降低）。用户也可编写程序来控制动画界面，以达到满意的效果。MCGS如何实施远程多机监控：MCGS提供了一套完善的网络机制，可通过TCP/IP网、Modem网和串口网将多台计算机连接在一起，构成分布式网络测控系统，实现网络间的实时数据同步、历史数据同步和网络事件的快速传递。同时，可利用MCGS提供的网络功能，在工作站上直接对服务器中的数据库进行读写操作。分布式网络测控系统的每一台计算机都要安装一套MCGS工控组态软件。MCGS把各种网络形式，以父设备构件和子设备构件的形式，供用户调用，并进行工作状态、端口号、工作站地址等属性参数的设置。如何对工程运行流程实施有效控制：MCGS开辟了专用的“运行策略”窗口，建立用户运行策略。MCGS提供了丰富的功能构件，供用户选用，通过构件配置和属性设置两项组态操作，生成各种功能模块（称为“用户策略”），使系统能够按照设定的顺序和条件，操作实时数据库，实现对动画窗口的任意切换，控制系统的运行流程和设备的工作状态。所有的操作均采用面向对象的直观方式，避免了烦琐的编程工作。3 控制方案设计3.1控制系统工作原理在深孔加工中，钻孔深度与钻头直径之比往往在5倍以上。因此，在加工深孔的过程中，排屑与冷却成为主要的问题。而在深孔加工的过程中，采用分级进给的方法，可以使切屑顺利排出，钻头也可以得到较好的冷却。分级进给的加工方法是将被加工孔分为数段进行加工，每次加工只加工其中的一段距离。每次加工后，钻头就后退一定距离，并暂停一定时间。图3.1 工作示意图在图3.1中，SQ1、A为原位行程开关和挡铁，SQ2、B为工进行程开关和挡，SQ3、C为终点行程开关和挡铁，SP1为工件夹紧完成压力继电器，SP2为工件放松完成压力继电器。开始运行后，液压电动机启动，拖动液压泵推动液压缸夹紧工件，工件夹紧后，SP1输入信号，动力头电动机启动，并快速进给。至挡铁B压下SQ2，动力头转为工进，冷却泵电动机启动，开始加工工件。由于是采用分级进给，所以需要用定时器对加工时间，后退距离和暂停时间进行控制。经过多次的分级循环加工，直至孔深达到要求。这时，挡铁C压下SQ3，动力头快速后退至挡铁A压下SQ1,动力头停于原位，并放松工件，至SP2发出放松完成的信号，整个系统停止运行，工作结束。3.2机械结构在机床运动过程中，机床动力头的旋转由电动机拖动，由接触器控制。动力头的进给运动由液压驱动，电液控制。由电动机拖动液压泵，为液压缸提供动力，它的快进，快退和工进均由直流电磁阀换向阀控制。当某一个线圈通电后，就一直保持当前的机械动作，直到线圈断电后另一动作的线圈通电为止。例如，当快进线圈通电时，动力头快速进给。线圈断电后，停止快速进给。或者，工进线圈通电，快进停止，并转为工进。工作台的放松，夹紧同样采用液压驱动，电液控制。为保证机床正确，安全的运行，在工作台上安装了压力继电器，用于检测工进是否夹紧。如果工作台上的工进没有夹紧，则动力头无法启动。以保证机床可以安全的运行。3.3工艺过程及控制要求如图3.1，机床的初始位置在原位。按下启动按钮后，将依次完成：夹紧工件 动力头快进 加工工件 动力头快退 原位停止 放松工件。完成机的一个工作周期。机床动力头由快进转为加工工件，以及结束工件的加工，均由行程开关来控制。而在加工工件的过程中是采用的分级进给，所以需要用定时器来控制。为保证工作安全，在工作台上安装了压力继电器，以检测工件是否夹紧。只有在工件夹紧后，动力头才能进行进给运动。机床各电动机的起动停止，动力头的进给运动，工作台的夹紧放松由PLC控制，并按一定的顺序进行工作。为满足生产要求，PLC控制系统设置了两种工作方式,手动和自动工作方式。手动工作方式：利用按钮对的每一动作进行单独的控制。例如，按“快进”按钮，机床动力头快速前进。按“放松”按钮，工作台放松工件。自动工作方式：按下起动按钮后，机床从原点开始运行，按自动运行控制程序进行工作。自动工作方式的工作流程图如图3.2所示。3.2 工作流程图4 硬件设计4.1主电路设计图4.1为主电路图。在机床硬件系统中，机床的所有动力均有电动机提供。主轴电动机为动力头提供动力。电动机拖动冷却泵为冷却系统提供动力。动力头的移动由电动机拖动液压泵，推动液压缸完成。整个系统共需M1、M2、M3三台电动机。图4.1 主电图在实际运行中，过负载、欠电压、断相等因素都可能造成电动机超过其负载，即广义上的过载。电动机的短时过载是允许的，但如果长时间过载，则会对电动机造成破坏，甚至烧毁电动机。因此需采取保护措施，目前比较常用的是热继电器。在其工作过程中，可能出现短时间大电流的过载，热继电器无法起到有效的保护作用，可在电路中安装熔断器对其进行保护。4.2 控制电路设计各电动机使用交流接触器控制。其中接触器KM1、KM2、KM3分别控制M1、M2、M3。FR1、FR2、FR3为M1、M2、M3提供过负载保护。FU1、FU2、FU3为M1、M2、M3提供短路保护。PLC与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。PLC有许多I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其他一些特殊模块，使用时应根据它们的特点进行选择。根据控制系统的要求确定所需要的I/O点数时，应再增加 10%20%的备用量，以便随时增加控制功能。对于一个控制对象，由于采用的控制方法不同或编程水平不同，I/O点数也应有所不同。表4.1，4.2列出了设备及电气元件所需的开关量的I/O点数。表4.1 输入地址分配表主轴电动机起动按钮SB1I0.0工件夹紧按钮SB7I1.1主轴电动机停止按钮SB2I0.1工件放松按钮SB8I1.2液压泵电动机起动按钮SB3I0.2夹紧完成压力继电器SP2I1.3液压泵电动机停止按钮SB4I0.3放松完成压力继电器SP1I1.4冷却泵电动机起动按钮SB5I0.4快进按钮SB9I1.5冷却泵电动机停止按钮SB6I0.5快退按钮SB10I1.6原位行程开关SQ1I0.6工进按钮SB11I1.7工进行程开关SQ2I0.7手动SA1I2.0终点行程开关SQ3I1.0自动SA2I2.1表4.2 输出地址分配表主轴电动机接触器KM1Q0.0工进直流电磁换向阀YV1-2Q0.5液压泵电动机接触器KM2Q0.2快退直流电磁换向阀YV2Q0.6冷却泵电动机接触器KM3Q0.3夹紧完成压力继电器YV3-1Q0.7快进直流电磁换向阀YV1-1Q0.4放松完成压力继电器YV3-2Q0.8在控制电路的设计中，首先要考虑弱电和强电之间的隔离的问题。在整个控制系统中，所有控制电机、阀门接触器的动作，都是按照PLC的程序逻辑来完成的。为了保护PLC设备，PLC输出端口并不是直接和交流接触器连接，而是通过中间继电器去控制电机或者阀门的动作。在PLC输出端口和交流接触器之间引入中间继电器，其目的是为了实现系统中的强电和弱电之间的隔离，保护系统，延长系统的使用寿命，增强系统工作的可靠性。4.2 控制电路图图4.3 CPU226端子连接图4.3工程效果图3-3构件属性设置5 PLC控制程序设计6 程序的运行、监视、调试1 程序的运行当PLC工作方式开关在TERM或RUN位置时，操作STEP-micro/WIN32的菜单命令或快捷按钮都可以对CPU工作方式进行软件设计。2 程序的监视三种程序编辑器都可以在PLC运行监视程序执行的过程和各元件的状态及数据，这里介绍一下语句表监视运行的方法。在