某组合机床的电气控制系统设计

1、电气控制与PLC课程设计说明书题目：某组合机床的电气控制系统设计专业班级：自动1206姓 名：文浩学号： 201223911127指导教师：任胜杰成绩：指导教师签名：日期：目录1系统概述2.2方案论证3.3硬件设计6.3.1系统的原理方框图6.3.2 主电路6.3.3 I/O 分配103.3 I/O 接线图1.13.4元器件选型 1.14 软件设计134.1主流程134.2梯形图155系统调试16设计心得18参考文献1.9附电气控制原理图201系统概述组合机床是以通用部件为根底，配以按工件特定形状和加工工艺设计的专用 部件和夹具，组成的半自动或自动专用机床。组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、

2、多面或多工位同时加工的方式，生 产效率比通用机床高几倍至几十倍。 由于通用部件已经标准化和系列化， 可根据 需要灵活配置，能缩短设计和制造周期。因此，组合机床兼有低本钱和高效率的 优点，在大批、大量生产中得到广泛应用，并可用以组成自动生产线。组合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、切削外螺纹以及加工外圆和端面等。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。随着PLC控制技术日益成熟并得到越

3、来越广泛的应用， 利用原有的继电器一 接触器控制电路设计PLC控制系统，或直接进展PLC控制系统的设计，都能很好 地满足组合机床自动化控制的要求。本次设计的要求如下：图1.1如下图为某一组合机床的示意图，左面为 1#箱体移动式动力头。主轴电机M1为5.5KW、1440转/分钟，1#箱体的进给电机为 M3为1.5KW 1450转/分钟， 工进与快进采用电磁铁 YV1DC24V 10W进展切换；右面为2#箱体移动式动 力头。主轴电机M2为5.5KW、1440转/分钟，2#箱体的工作进给电机为 M4，为 1.5KW 1450转/分钟，工进与快进采用电磁铁 YV2DC24V 10W进展切换。SQ1为左

4、动力头的原位限位，SQ3为左动力头的快进限位，SQ5为左动力头的工 进限位，SQ2为右动力头的原位限位，SQ4为右动力头的快进限位，SQ6为右动 力头的工进限位，具体要求如下：1左、右两动力头均要求快进工进快退的工作循环。2可使左、右两动力头同时工作，也可进展单独调整。3加工过程中需要进展冷却。4应有电源有信号指示，动力头正在工作信号指示。5.应有局部照明必要的保护环节。2 方案论证组合机床的电气控制，理论上讲，可以采用继电器接触器电气控制系统，单片 机控制系统和PLC控制系统来实现。但是在实际工程中往往选择一种经济、有效、 性能优越的控制方案，考虑到上述几点，PLC较适合组合机床的电气控制。

5、PLC与单片机、继电器-接触器控制系统相比具有以下优点：1. PLC与继电器-接触器相比拟：继电器-接触器控制系统自上世纪二十年代问世以来，一直是机电控制的主 流。由于它的构造简单、使用方便、价格低廉，所以使用广泛。它的缺点是动作 速度慢，可靠性差，采用微电脑技术的可编程顺序控制器的出现， 使得继电接触 式控制系统更加逊色。PLC等取代继电接触式控制逻辑。具体如下：(1) 控制逻辑继电接触式控制系统采用硬接线逻辑，它利用继电器等的触点串联、并联、 串并联，利用时间继电器的延时动作等组合或控制逻辑，连线复杂、体积大、功 耗也大。当一个电气控制系统研制完后，要想再做修改都要随着现场接线的改动 而改

6、动。特别是想要能够增加一些逻辑时就更加困难了，这都是硬接线的缘故。所以，继电接触式控制系统的灵活性和扩展性较差。可编程控制器采用存储逻辑。它除了输入端和输出端要与现场连线以外， 而 控制逻辑是以程序的方式存储在 PLC的存当中。假设控制逻辑复杂时，那么程序 会长一些，输入输出的连线并不多。假设需要对控制逻辑进展修改时，只要修改 程序就行了，而输入输出的连接线改动不多，并且也容易改动，因此， PLC的灵 活性和扩展性强。而且PLC是由规模集成电路组装成的，因此，功耗小，体积小。(2) 控制速度继电器接触式控制系统的控制逻辑是依靠触点的动作来实现的，工作频率 低。触点的开闭动作一般是几十毫秒数量级

7、。 而且使用的继电器越多，反映的速 度越慢，还是容易出现触点抖动和触点拉弧问题。而可编程控制器是由程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度相当快。 通常，一条用户指令的执行时间在微秒数量级。由于 PLC部有严格的同步，不会 出现抖动问题，更不会出现触点拉弧问题。(3) 定时控制和计数控制：继电接触式控制系统利用时间继电器的延时动作来进展定时控制。用时间继电器实现定时控制会出现定时的精度不高，定时时间易受环境的湿度和温度变化 而影响。有些特殊的时间继电器构造复杂， 维护不方便。而可编程程序控制器使 用半导体集成电路作为定时器，时基脉冲由晶体震荡器产生，精度相当高并且定 时时间长，定时围广。(4)

8、 可靠性和维护性。继电接触式控制系统使用了大量的机械触点， 连线也多。触点在开闭时会受 到电弧的损坏，寿命短。因而可靠性和维护性差。PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，可靠 性高。PLC还配备了自检和监控功能，能自诊断出自身的故障，并随时显示给操 作人员，还能动态的监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。总之，PLC在性能上均优越于继电接触式控制系统，特别是控制速度快，可 靠性高，设计施工周期短，调试方便，控制逻辑修改方便，而且体积小，功耗低。2. PLC与单片机比拟单片机具有构造简单，使用方便，价格比拟廉价等优点，一般用于数据采集和工业控制。但是，单片

9、机不是专门针对工业现场的自动化控制而设计的，所以它与PLC比拟起来有以下缺点：(1) 单片机不如PLC容易掌握使用单片机来实现自动控制，一般要使用微处理器的汇编语言编程。 这就要 求设计人员要有一定的计算机硬件和软件知识。 对于那些只熟悉机电控制的技术 人员来说，需要进展相当长一段时间系统地学习单片机的知识才能掌握。而PLC采用了面向操作者的语言编程，如梯形图、状态转移图等，对于使用 者来说，无需了解复杂的计算机知识，而只要用较短时间去熟悉PLC的简单指令 系统及操作方法，就可以使用和编程。(2) 单片机不如PLC使用简单使用单片机来实现自动控制，一般要在输入输出接口上做大量的工作。例如， 要

10、考虑工程现场与单片机的连接，输出带负载能力、接口的扩展，接口的工作方 式等。除了要进展控制程序的设计，还要在单片机的外围进展很多硬件和软件工 作，才能与控制现场连接起来，调试也较繁琐。而PLC的输入/输出接口已经做好，输入接口可以与无外接电源的开关直接 连接，非常方便。输出接口具有一定的驱动负载能力，能适应一般的控制要求。 而且，在输入接口、输出接口，由光电耦合器件，使现场的干扰信号不容易进入 PLC(3) 单片机不如PLC可靠使用单片机进展工业控制，突出的问题就是抗干扰性能较差。而PLC是专门用于工程现场环境中的自动控制， 在设计和制造过程中采取了 抗干扰性措施，稳定性和可靠性较高。通过上面

11、的比拟，针对组合机床的电气控制系统，虽然 PLC的价格高一些， 但良好的稳定性和高度的可靠性可确保机床在加工零件时的精度， 所以决定采用 PLC控制系统来实现。3硬件设计3.1系统的原理方框图图3-1系统框图3.2 主电路根据设计要求，主电路大致分为三个局部。首先看第一局部，主轴电机。主 轴电机工作方式有两种：正转、反转。根据不同的工作要求，主轴电机的转向不 同。因主轴电机的功率较小，故可以直接启动。其主电路图如下 3-2所示：图3-2主轴电机当KM1、KM2的线圈得电吸合分别使电机 M1、M2正转；当KM9、KM10 的线圈得电吸合分别是电机 M1、M2反转。通过PLC的输出就可以使不同的接

12、 触器线圈得电，从而使电机的转向不同。其次看第二局部，快速电机和进给电机。根据设计要求知左、右两动力头均 要求快进工进快退的工作循环，并且左、右两动力头可以同时工作，也可进 展单独调整。所以就要求快速电机 M5、M6能够正反转，工作进给电机为 M3、 M4能够正转即可。其主电路如下列图 3-3所示。3ylKz二 rIL1VY2VY4MK图3-3快速电机和进给电机因为这4个功率都较小，所以可以直接启动。 M3、M4只要接触器KM3、KM4的线圈得电就会吸合，就能正转； M5、M6分别当接触器KM5、KM6线圈 得电时正转，当接触器 KM7、KM8分别得电就反转。最后看第三局部，照明电 路和信号指

13、示局部。当机床工作时，为了警告旁人不要误动作，故要有信号指示 说明，告诉别人正在进展工作，不要误动作。信号指示也能显示机床是否是在正 常工作、有无问题。有时候需要晚上工作，所以需要必要的照明。9HyE-mlZAA图3-4指示信号灯如图3-4,其指示着组合机床的工作状态，指示灯分别与与之对应的接触器的常开触点连接，当接触器的线圈得电，其常开触点闭合，通过6.3V电压使之亮。KM1、KM9分别是控制M1的正反转的接触器；KM2、KM10分别是控制M2 的正反转的接触器；KM3、KM4分别是控制左右工进电机正转的接触器；KM5、 KM7, KM6、KM8分别是左右快进快退电机。这样就可以把所有的电机

14、的状态显 示出来。照明灯如下列图3-5所示。图3-5照明灯3.3 I/O分配因采用PLC控制，需分配其I/O点，它决定着系统如何工作输入地址号信号名称输出地址号信号名称X0左动力头正转启动按钮Y0M1主轴正转KM1X1左动力头反转启动按钮Y1M1主轴反转KM9X2左动力头停车按钮Y2M3工进正转KM3X3左动力头冷却泵启动Y3YV1 快进YV1X4左动力头快进限位Y4YV2 快退YV2X5左动力头工进限位Y5左冷却泵KM11X6左动力头原位限位Y6M2主轴正转KM2X7左动力头快进按钮Y7M2 主轴反转KM10X10左动力头快退按钮Y10M4工进正转KM4X11右动力头正转启动按钮Y11M6

15、快进KM6X12右动力头反转启动按钮Y12M6 快退KM8X13右动力头停车按钮Y13右冷却泵KM12X14右动力头冷却泵启动X15右动力头快进限位X16右动力头工进限位X17右动力头原位限位X20右动力头快进按钮X21右动力头快退按钮表3-1 I/O 口地址分配表3.3 I/O接线图KM1x0 x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x10 x11 x12 x13 x14 x15 x16 x17 x20 x21 COM图3-6 PLC I/O接线图接触器的线圈通过接入端和端相连。110V电压与PLC的输出端和端相连。按钮和开关与输3.4元器件选型首先是PLC的选择。统计组合机床PLC输入元

16、器件、执行元器件及I/O点数:输入局部输入局部点数动力头工作方式选择按钮 SB6冷却泵选择开关SA2行程开关SQ6按钮SB4总计18输出局部输出局部点数接触器12总计12注：照明不需要接入PLC只需要选择开关就可以所以选用FX2n32MR加扩展单元FX2n32ER FX2n32MR含有32个I/O点16入，16出，FX2n32ER为含有32点扩展单元。下面是电器元件选择。代 号名称型号及规格用途数量三相交流异步电动JO3-802-65.5KW 380VM1主电动机1机1440r/min三相交流异步电动JO3-802-6 5.5KW 380VM2主电动机1机1440r/min三相交流异步电动JO

17、3-802-6 1.5KW 380VM3快速工进电动机1机1450r/min三相交流异步电动JO3-802-6 1.5KW 380VM4快速工进电动机1机1450r/min三相交流异步电动JO3-802-65.5KW 380VM5左冷却泵1机1440r/min三相交流异步电动JO3-802-65.5KW 380VM6右冷却泵1机1440r/min主电动机过载保FU1熔断器RL1-1515A1护主电动机过载保FU2熔断器RL1-1515A1护快速工进电动机FU3熔断器RL1-1515A1过载保护快速工进电动机FU4熔断器RL1-1515A过载保护左冷却泵过载保1FU5熔断器RL1-1515A护1

18、FU6熔断器RL1-1515A右冷却泵过载保护1KM1交流接触器CJ10-75A 线圈电压220V控制M1正转1KM2交流接触器CJ10-40A 线圈电压220V控制M2正转1KM3交流接触器CJ10-40A 线圈电压220VM3工进1KM4交流接触器CJ10-40A 线圈电压220VM4工进1KM9交流接触器CJ10-40A 线圈电压220V控制M1反转1KM10交流接触器CJ10-40A 线圈电压220V控制M2反转1YV1电磁铁DC24V,10W控制M3快进1YV2电磁铁DC24V,10W控制M4快进1FR1热继电器JR10-60 52.5AM1过载保护1FR2热继电器JR10-60 5

19、2.5AM2过载保护1FR3热继电器JR10-10 *147.20AM3过载保护1FR4热继电器JR10-10 *147.20AM4过载保护1FR5热继电器JR10-60 52.5AM5过载保护1FR6热继电器JR10-60 52.5AM6过载保护1SB1按钮黑色M1正转1SB2按钮黑色M1反转1SB3按钮M2正转1SB4按钮黑色M2反转1SB5按钮黑色M3工进1SB6按钮黑色M3快进1SB7按钮黑色M4工进1SB8按钮黑色M4快进1SB9按钮黑色左冷却泵1SB10按钮黑色右冷却泵SQ位置开关LA2 黑色图343电器元件数量、型号表4软件设计4.1主流程根据要求知需使左、右两动力头均要求快进工

20、进快退的工作循环和可使左、右两动力头同时工作，也可进展单独调整。故设计的流程图如下列图4-1所示。NNNN图4-1设计流程图4.2梯形图TO 04KLY0Q3益 T I一 一 f-TOD2YQgYOOO站却丘OXI Fi-fJ-FTOOlI I<Y0O2KOI 1YflO®TOOTK0>0IMcrooaKOI? TOIDI« KQifi3 70l£T I1-F-fJ f节I ?TOOT3?Ot4sroisw I I-<V0!35系统调试安装GX Developer和三菱的仿真软件，建立一个新工程，将梯形图输入到工 程中，完成后将其转换。再启动梯形图逻辑测试，选择软元件测试，输入不同的 软元件，改变其状态，观察输出的改变。软元件的改变输出的改变X0=1,X 仁0Y0=1X0=0,X 仁1Y1=1X2=0Y0=0,Y 仁0X3=1Y5=1X3=0Y5=0X7=1,X0=1,X1=0/X7=1, X0=0,X 仁1Y0=1,Y3=1Y1=1,Y3=1X4=1Y2=1,Y3=0X5=1Y2=0,Y4=1,Y0=0/Y 仁0X6=0Y4=0X10=1Y4=1X11=1,X12=0Y6=1X11=0,X12=1Y7=1X13=1Y6=0,Y7=0X14=1Y13=1X20=1,X11=1,X12=0/X20=1,X11=0,X12=