千斤顶液压缸加工机床电气控制系统设计

1、千斤顶油缸专用机床plc系统设计设 计 说 明 书专业班级：10软件机电（3）班 姓 名：戴雄伟 学 号：10212327 指导老师：张乐平老师 时 间：2013-1-11 江 西 理 工 大 学 南 昌 校 区 软 件 学 院 摘要在本设计中采用装在动力滑台上左、右两个动力头同时进行切削。动力头的快进、工进及快退由液压缸驱动。液压系统采用两位四通电磁阀控制，并用调整死挡铁的方法实现位置控制。在硬件设计方面采用cpu224的plc进行设计并且还使用了em233的扩展模块进行了扩展，在控制方案中详细介绍了如何进行操作，控制面板的设计使操作者对该操作更为的简单。输入输出的详细介绍进外部输入与输出的

2、地址分配使使用者对该plc控制更加的清晰。 在软件设计中使用了主程序及自动控制与手动调节的子程序。并设计了千斤顶液压缸加工机床电气控制梯形图，千斤顶液压缸加工机床控制硬件配置连线图，基于plc的机床电气控制系统的控制电路图。关键字：液压泵、plc控制系统、动力头、梯形图 37目录引言41 plc介绍52 设计任务73 plc控制系统硬件设计93.1 控制方案93.2 主电路图103.3 控制面板113.4 输入输出分析123.5 plc选型133.6 i/o外部接线图133.7电器元件选择183.8 控制柜布置图设计204 plc控制系统软件设计224.1 主程序梯形图及指令224.2自动循环

3、顺序功能图、梯形图及指令274.3 手动调节梯形图及指令325 设计小结366 参考文献37 引言 最早的组合机床是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。为了提高不同制造厂的通用部件的互换性，便于用户使用和维修，1953年美国福特汽车公司和通用汽车公司与美国机床制造厂协商，确定了组合机床通用部件标准化的原则，即严格规定各部件间的联系尺寸，但对部件结构未作规定。专用机床一般用于加工箱体类或特殊形状的零件。加工时,工件一般不旋转,由刀具的旋转运动和刀具与工件的相对进给运动,来实现钻孔、扩孔、锪孔、铰孔、镗孔、铣削平面、切削内外螺纹以及加工外圆和端面等。

4、有的组合机床采用车削头夹持工件使之旋转,由刀具作进给运动,也可实现某些回转体类零件(如飞轮、汽车后桥半轴等)的外圆和端面加工为工业加工专用机床设计一个技术性能优良的控制系统，对于提高工业加工专用机床的整体技术性能来说具有十分重要的意义。本设计正是针对这一课题，选择了可编程控制器(plc)作为工业加工专用机床的控制系统，这对提升工业机械手的整体技术性能起到了良好的作用。本设计的电动组合加工专用机床分别由三个不同功能的驱动电机及相应的传动装置构成；它们是：左动力头电机、液压泵电机、右动力头电机机。限位开关检测左右动力头是否到达固定位置。可编程控制器(plc)控制专用机床的动作，实现专用机床的单步和

5、连续运行。本设计可编程控制器(plc)选用西门子（siemens）公司s7-200系列的cpu224xp。机械手的开关量信号直接输入plc，plc输出的控制信号用于驱动继电器动作，从而控制电动机正向或反向运行。1 plc的介绍1.1 plc的概念 可编程序控制器，英文称programmable controller，简称pc。但由于pc容易和个人计算机（personal computer）混淆，故人们仍习惯地用plc作为可编程序控制器的缩写。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数

6、和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。1.2 plc的组成plc的构成： plc的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。1.3 plc的应用 初期的plc主要在以开关量居多的电气顺序控制系统中使用，但在20世纪90年代后，plc也被广泛地在流程工业自动化系统中使用，一直到现在的现场总线控制系统，plc更是其中的主角，起应用面越来越广.目前，世界上有200多厂家生产300多品种plc产品，应用在汽车、粮食加工、化学/制药、金属/矿山、纸浆/造纸

7、等行业。plc的主要应用范围通常可分成以下几种： 1 中小型电气控制系统。2 制造业自动化。3 运动控制。 4 流程工业自动化。2设计任务2.1 专用机床概况介绍本机床用于千斤顶液压缸两个端面的加工，采用装在动力滑台上的左、右两个动力头同时进行切削。动力头的快进、工进及快退由液压缸驱动。液压系统采用两位四通电磁阀控制，并用调整死挡铁的方法实现位置控制。机床的工作程序是：(1)工件定位 人工将零件装入夹具后，定位液压缸动作，工件定位。(2)工件夹紧 零件定位后，延时15s，夹紧液压缸动作使零件固定在夹具内，同时定位液压缸退出以保证滑台入位。(3)滑台入位 滑台带动动力头一起快速进入加工位置。(4

8、)加工零件 左右动力头进行两端面切削加工，动力头到达加工终点位置即停止工进，延时30s后停转，快速退回原位。(5)滑台复位 左右动力头退回原位后，滑台复位。(6)夹具松开 当滑台复位后夹具松开，取出零件。以上各种动作由电磁阀控制，电磁阀动作要求见表2-1。表1 电磁阀动作要求yv1yv2yv3yv4yv5定位+夹紧+入位+工进+退位+复位+放松注：“+”号表示电磁阀得电。2.2 设计要求（1）专用机床能自动循环工作（一次循环自动停车）又能对每个动作单独进行调整。（2）只有在油泵工作后，才能进行其他控制。（3）各程序应有显示并有照明要求。（4）必要的电气保护与联锁。2.3 设计需完成事项1.绘制

9、电路、配置plc、选择电器元件、编制元件表。2.plc程序设计。3.编制设计说明书。3 plc控制系统硬件设计3.1 控制方案将零件装入夹具中，将选择开关拨到自动控制位置后（hl8指示灯亮）再按下启动按钮（hl10指示灯亮）会使专用机床自动循环。当压力达到一定值之后，kp1(i1.6)闭合，液压泵m3导通，从而使电磁阀yv1(q0.2)得电闭合，工件开始定位。零件定位之后，开始延时，延时15s之后电磁阀yv2(q0.3)开始得电，加紧液压缸动作使零件固定在夹具里，同时定位液压缸退出以保证滑台入位.延时15s后，电磁阀yv3(q0.4)得电及yv1(q0.2)复位，滑台带动动力头一起快速进入加工

10、位置。入位之后，当i1.2与i1.2输入信号时，接触器km1与km2得电，电磁阀yv3(q0.4)、yv4(q0.5)、yv5(q0.6)置位，左右动力头开始进行两端面切削加工.当动力头到达加工终点位置即停止工进。延时30s后复位km1与km2断.退位电磁阀yv3(q0.4)与yv4（q0.5）复位，动力头开始退回原位。左右动力头退回原位后，滑台复位，电磁阀yv4（q0.5）复位，压力继电器i1.7信号输入后，复位接触器yv2（q0.3），复位指示灯hl7(q1.4)亮，使夹具松开，取出零件。将零件装入夹具中，将选择开关拨到手动调节控制位置后（hl9指示灯亮）再按下启动按钮（hl10指示灯亮）

11、就可手动调节了。按下手动定位控制按钮，yv1(q0.2)得电闭合，定位指示灯hl2(q0.7)亮，工件开始定位。按下手动夹紧控制按钮，电磁阀yv2(q0.3)开始得电，加紧液压缸动作使零件固定在夹具里，夹紧指示灯hl3（q1.0）亮，同时定位液压缸退出以保证滑台入位.按下手动入位控制按钮，电磁阀yv3(q0.4)得电及yv1(q0.2)复位，滑台带动动力头一起快速进入加工位置,入位指示灯hl4(q1.1)亮.按下手动工进控制按钮，电磁阀yv3(q0.4)、yv4(q0.5)、yv5(q0.6)置位，同时工进指示灯hl1(q0.6)亮，左右动力头开始进行两端面切削加工.当动力头到达加工终点位置即

12、停止工进。按下手动退位控制按钮，退位电磁阀yv3(q0.4)与yv4（q0.5）复位，同时退位指示灯hl5（q1.2）亮，动力头开始退回原位。按下手动复位控制按钮，电磁阀yv4（q0.5）复位，复位指示灯hl6（q1.3）亮。按下手动放松控制按钮，复位接触器yv2（q0.3），复位指示灯hl7(q1.4)亮，使夹具松开，取出零件。 3.2主电路图电源选择：三相电源电压是380v。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电电机选择：y2系列三相异步电动机具有结构新颖、造型美观、噪音低、振动小、绝缘等级高等特点，产品现已达到九十年代国际先进水平，是y系列电机的更新产品。外壳防护等级ip54，它

13、具有良好的起动性能和运行性能，结构简单，工作可靠，维修方便等特点，电机采用e级或b级绝缘，外壳防护等级为ip44，冷却方式为ico141，额定频率为50hz，额定电压为220v。选用y2-63m2-2，功率250w，可满足生产需要。电机m1m3由热继电器fr1fr3实现过载保护，断路器qf实现电机m1m3的短路保护，电源开关控制，其中m1带动动力头，m2带动冷却泵，m3带动液压泵。km1为m1的接触，km2为m2的接触器，km3为m3的接触器。左右动力头旋转切削分别由电动机m1、m2传动。m3带动液压泵，只有在液压泵电动机m3工作，油压达到一定压力（压力继电器检测）后，才能进行其他的控制。 图

14、1主电路图 3.3控制面板 操作面板的设计主要考虑要操作方便，能够操作千斤顶液压缸加工机床的各个动作进行设计。选用选择开关进行调节自动和调试操作，各个动作进行点动操作。通过控制面板各个按钮来控制千斤顶液压缸加工机床的手动定位、手动夹紧、手动入位、动手工进、动手退位、手动复位、手动放松等各个动作，进行调试千斤顶液压缸加工机床的运行。千斤顶液压缸加工机床的操作面板如下图，千斤顶液压缸加工机床能够实现自动、调试、回原位的工作方式。调试工作方式时，用各个按钮的点动实现相应的动作。自动工作方式时，每按下一次启动按钮，则千斤顶液压缸加工机床自动运行一个周期。 图2 控制面板 3.4输入输出分析在设计时考虑

15、了经济性及可行性的情况下，尽量减少输入及输出点以节约成本，输入中使用了一个选择开关用于选择自动还是手动操作，选择了1个按钮启动机床及7个按钮对应相应的手动操作，4个位置开关和2个压力断电器就于在自动操作中提示信号以至于能够触发下步动作。输出中使用了3个接触器分明对应3个发动机，5个电磁阀，10盏灯分明对应操作者相应的触发动作，自动和调节的信号显示灯可以在外部电路中安放，这个可以节省成本。表2 控制信号说明输入 输出 文字符号 说明 文字符号 说明sa1-1机床自动运行控制转换开关km1左动力头电动机m1接触器sa1-2机床手动调节控制转换开关km2右动力头电动机m2接触器sb1启动控制按钮yv

16、11#电磁阀sb2手动定位控制按钮yv22#电磁阀sb3手动夹紧控制按钮yv33#电磁阀sb4手动入位控制按钮yv44#电磁阀sb5手动工进控制按钮yv55#电磁阀sb6手动退位控制按钮hl1定位指示sb7手动复位控制按钮hl2夹紧指示sb8手动放松控制按钮hl3入位指示sq1左动力头入位终点信号hl4退位指示sq2右动力头入位终点信号hl5复位指示sq3左动力头复位终点信号hl6放松指示sq4右动力头复位终点信号hl7工进指示kp1压力继电器油压检测信号hl8机床自动运行指示kp2压力继电器油压检测信号hl9机床手动调节运行指示hl10启动指示km3液压泵m3接触器3.5 plc选型由上述输

17、入输出分析可知系统可采用自动工作方式，也可以采用手动工作方式.输入有16点，输出有18点，并考虑余量要求，因此系统采用14输入，10输出的plc.所以系统属于小型控制系统，其中plc的选型范围较宽，现选用西门子公司的s7-200，cpu224型plc及扩展模块em233。s7-200plc的i/o扩展模块有：1.输入扩展模块em221: 共有3种产品，即8点和16点dc、8点ac。2.输出扩展模块em222：共有5种产品，即8点dc和4点dc、8点ac、8点继电器和4点继电器。3.输入/输出混合模块em223：共有6种产品。其中dc输入/dc输出的有3种，dc输入/继电器输出的有三种，它们对应

18、的输入/输出点数分别为4点、8点和16点。4.模拟量输入扩展模块em231。5.模拟量输出扩展模块em232。6. 模拟量输入/输出扩展模块em235。3.6 i/o外部接线图千斤顶液压缸加工机床电气控制系统plc输入地址分配表如下:表3 输入地址分配表文字符号说明输入地址sa1-1机床自动运行控制转换开关i0.0sa1-2机床手动调节控制转换开关i0.1sb1启动控制按钮i0.2sb2手动定位控制按钮i0.3sb3手动夹紧控制按钮i0.4sb4手动入位控制按钮i0.5sb5手动工进控制按钮i0.6sb6手动退位控制按钮i0.7sb7手动复位控制按钮i1.0sb8手动放松控制按钮i1.1sq1

19、左动力头启动控制信号i1.2sq2右动力头启动控制信号i1.3sq3左动力头到达原位控制信号i1.4sq4右动力头到达原位控制信号i1.5kp1压力继电器油压检测信号i1.6kp2压力继电器油压检测信号i1.7 千斤顶液压缸加工机床电气控制系统plc输出地址分配表如下:表4 输出地址分配表文字符号说 明输出地址km1左动力头电动机m1接触器q0.0km2右动力头电动机m2接触器q0.1yv11#电磁阀q0.2yv22#电磁阀q0.3yv33#电磁阀q0.4yv44#电磁阀q0.5yv55#电磁阀q0.6hl1定位指示q0.7hl2夹紧指示q1.0hl3入位指示q1.1hl4退位指示q1.2hl

20、5复位指示q1.3hl6放松指示q1.4hl7工进指示 q0.6 图3 tc/vc 其中tc为变压器，其作用是使380v电压降为220v，其中vc为整流器，其作用是将交流电转变为直流电。 图4 自动/手动调节其中sa为选择开关，当a接通时hl9亮，表明操作者选择了把选择开关拨到了自动循环的位置，当b接通时hl10亮，表明操作者选择了把选择开关拨到了手动调节的位置。 图5 液压泵显示信号当kp2为液压继电器的检测信号输入时会使km3得电，km3为油泵m3的接触器。 图6 图i/o外部接线图3.7 电器元件选择3.7.1电源开关qs的选择qk主要用于电源与电气元件的连接，因此qs的选择主要考虑电动

21、机m1m3的额定电流和启动电流。由3.1知额定电流数值，计算得额定电流之和为32.4a，所以qs选择hk10-60/3型刀开关，额定电流60a。3.7.2熔断器的选择熔体电流计算公式为inf=(1.52.5)imn 式中：inf是熔体额定电流imn是电动机的额定电流,取系数为2.0计算inf1=47.8a ；inf2=inf3=30.8a ；inf4=3.2afu1fu3起控制回路的短路保护作用，熔体额定电压、额定电流只要大于等于控制回路的实际负载电压电流即可,所以fu选择rc1a-60型熔断器，熔体电流为50a。3.7.3热继电器的选择热继电器的作用是电动机的过载保护的自动电器，热继电器主要

22、根据电动机的额定电流来确定其型号、热元件的电流等级和整定电流。其计算公式如下： ijn=(0.951.05)in所以fr1的型号为jr10-10/3。3.7.4接触器的选择根据负载回路的电压电流，接触器所控制回路的电压及所需触点的数值来进行接触器的选择。接触器线圈额定电压为127v，接触器主要用于接通和分断电路，所以它的实际电流远远大于所控制支路的电流，通常取额定电流的6倍左右。 所以km1、km2选cj20-160 （主触头额定电流为100a） km3选cj20-40 (主触头额定电流为25a)3.7.5时间继电器的选择选用js23-1型通用延时继电器，这种继电器是在线圈得电后延迟一定时间（

23、0.230s），触头才动作。3.7.6行程开关的选择本设计中选用双轮自动复位式行程开关，查相关手册可选用jlxk1-222。3.7.7压力继电器的选择查电气手册可选压力继电器为yj-1。3.7.8按钮的选择本设计共用了8个按钮，大部分按钮额定电流为5a能满足控制回路的电流要求。根据控制回路电压为交流127v，选定各按钮型号为la18（即一常开一常闭触点）额定电压为交流127v。sb1为启动按钮，颜色为黄色。sb2sb8为调节按钮为绿色。3.7.9变压器的选择根据控制要求，需ac127v、ac36v电源，查手册选用bk-100型变压器。3.7.10导线的选择1）主电路中电动机m1、m2、m3电流

24、为15.4a，所以导线选l121型4芯铜线(4mm2)；电动机m3电流为1.6a，导线选bvr型4芯铜线（1mm2）。2)控制电路导线选择bvr型4芯铜线（1mm2）表5 元件参数表序号代号名称数量规格型号备注1qf断路器1dioy100、330022km1km2接触器2cj20-160线圈电压220vac3km3接触器1cj20-40线圈电压220vac4fr热继电器3jr10-10/36fu熔断器1rc1a-60熔型2a7sb1启动、停止按钮1la1911绿色8sb2sb8按钮7np2-ed53总电源短路9sa三位自得位旋钮开关1np2-ba21m1短路保护10hl1hl7指示灯7xvbc

25、5b4220ac，绿色11hl8hl10指示灯3xb2bvm3c12xt1端子排1jh92.513sq1sq7限位开关7jlxk1-411220v/3.6v6.3v14vc整流器1ql5a,100015tc变压器1bk-10016yv1yv5电磁阀5220vac-2w3.8控制柜布置图设计电气元件布置图是某些电器元件按一定原则的组合，电器元件布置图的设计依据是部件原理图、组件的划分情况等。计时应遵循以下原则：(1)同一组件中电器元件的布置应注意将体积大和较重的电器元件安装在电器板的下面，而发热元件应安装在电气控制柜的上部或后部，但热继电器宜放在其下部，因为热继电器的出线端直接与电动机相连便于出

26、线，而其进线端与接触器直接相连接，便于接线并使走线最短，且宜于散热；(2)强电弱电分开并注意屏蔽，防止外界干扰；(3)需要经常维护、检修、调整的电器元件安装位置不宜过高或过低，人力操作开关及需经常监视的仪表的安装位置应符合人体工程学原理；(4)电器元件的布置应考虑安全间隙，并做到整齐、美观、对称，外形尺寸与结构类似的电器可安放在一起，以利加工、安装和配线。若采用行线槽配线方式，应适当加大各排电器间距，以利布线和维护；(5)各电器元件的位置确定以后，便可绘制电器布置图。电气布置图是根据电器元件的外形轮廓绘制的，即以其轴线为准，标出各元件的间距尺寸。每个电器元件的安装尺寸及其公差范围，应按产品说明

27、书的标准标注，以保证安装板的加工质量和各电器的顺利安装。大型电气柜中的电器元件，宜安装在两个安装横梁之间，这样，可减轻柜体重量，节约材料，另外便于安装，所以设计时应计算纵向安装尺寸；(6)在电器布置图设计中，还要根据本部件进出线的数量、采用导线规格及出线位置等，选择进出线方式及接线端子排、 连接器或接插件，并按一定顺序标上进出线的接线号。 图7 控制柜布置图 4 plc控制系统软件设计4.1主程序梯形图及指令当i0.0为1时表示选择自动循环，当i0.1为1时表示选择手动调节,i0.2为启动按钮的输入地址，当i0.1为1且压力继电器kp1(1.6)为1时，可以运行自动或手动调节。图8 主程序梯形

28、图将零件装入夹具中，将选择开关拨到自动控制位置后（hl8指示灯亮）再按下启动按钮（hl10指示灯亮）会使专用机床自动循环。将零件装入夹具中，将选择开关拨到手动调节控制位置后（hl9指示灯亮）再按下启动按钮（hl10指示灯亮）就可手动调节了。title=程序注释network 1 / 程序段注释ld i0.2 = m0.0= q2.3network 2 ld m0.0= q0.0= q0.1network 3 ld m0.0a i0.0call sbr0network 4 ld m0.0a i0.1call sbr1network 5 ld m1.1o m1.2o m0.3o m0.4= q0.

29、2network 6 ld m1.2o m1.3o m1.4o m1.5o m1.6o m0.4o m0.5o m0.6o m0.7o m1.0= q0.3network 7 ld m1.3o m1.4o m0.5o m0.6= q0.4network 8 ld m1.4o m1.5o m0.6o m0.7= q0.5network 9 ld m0.6o m1.4= q0.64.2自动循环顺序功能图、梯形图及子程序指令图9 自动循环顺序功能图 图10 自动循环梯形图当压力达到一定值之后，kp1(i1.6)闭合，液压泵m3导通，从而使电磁阀yv1(q0.2)得电闭合，工件开始定位。零件定位之后，

30、开始延时，延时15s之后电磁阀yv2(q0.3)开始得电，加紧液压缸动作使零件固定在夹具里，同时定位液压缸退出以保证滑台入位.延时15s后，电磁阀yv3(q0.4)得电及yv1(q0.2)复位，滑台带动动力头一起快速进入加工位置。入位之后，当i1.2与i1.2输入信号时，接触器km1与km2得电，电磁阀yv3(q0.4)、yv4(q0.5)、yv5(q0.6)置位，左右动力头开始进行两端面切削加工.当动力头到达加工终点位置即停止工进。延时30s后复位km1与km2断.退位电磁阀yv3(q0.4)与yv4（q0.5）复位，动力头开始退回原位。左右动力头退回原位后，滑台复位，电磁阀yv4（q0.5

31、）复位，压力继电器i1.7信号输入后，复位接触器yv2（q0.3），复使夹具松开，取出零件。title=子例程注释network 1 / 程序段注释ld m1.0a i2.0o sm0.1o m0.2an m0.3= m0.2network 2 ld m0.2a i2.1a i0.0a i0.2o m0.3an m0.4= m0.3ton t40, 150network 3 ld m0.3a t40o m0.4an m0.5= m0.4network 4 ld m0.4a i2.0o m0.5an m0.6= m0.5network 5 ld m0.5a i1.2a i1.4o m0.6an

32、m0.7= m0.6ton t41, 300network 6 ld m0.6a t41o m0.7an m1.0= m0.7network 7 ld m0.7a i1.3a i1.5o m1.0an m0.2= m1.04.3手动调节的子程序梯形图及指令 图11 手动调节梯形图按下手动定位控制按钮，yv1(q0.2)得电闭合，定位指示灯hl2(q0.7)亮，工件开始定位。按下手动夹紧控制按钮，电磁阀yv2(q0.3)开始得电，加紧液压缸动作使零件固定在夹具里，夹紧指示灯hl3（q1.0）亮，同时定位液压缸退出以保证滑台入位.按下手动入位控制按钮，电磁阀yv3(q0.4)得电及yv1(q0.2

33、)复位，滑台带动动力头一起快速进入加工位置,入位指示灯hl4(q1.1)亮.按下手动工进控制按钮，电磁阀yv3(q0.4)、yv4(q0.5)、yv5(q0.6)置位，同时工进指示灯hl1(q0.6)亮，左右动力头开始进行两端面切削加工.当动力头到达加工终点位置即停止工进。按下手动退位控制按钮，退位电磁阀yv3(q0.4)与yv4（q0.5）复位，同时退位指示灯hl5（q1.2）亮，动力头开始退回原位。按下手动复位控制按钮，电磁阀yv4（q0.5）复位，复位指示灯hl6（q1.3）亮。按下手动放松控制按钮，复位接触器yv2（q0.3），复位指示灯hl7(q1.4)亮，使夹具松开，取出零件。title=子例程注释network 1 / 程序段注释l