基于PLC的全自动水钻磨抛一体机磨削机控控制器设计说明

1、大学本科学生毕业设计（论文）基于PLC的全自动水钻磨抛一体机-磨削机控制器的设计学生：段平安学号：20073082指导教师：简毅助理指导教师：党向宇、倩倩专业：机械电子工程大学机械工程学院二O一一年六月Graduation Design(Thesis) of ChongqingUniversityDesign of grindingmachine controller ofautomaticcrystalgrinding and polishingmachine based on PLCUndergraduate: Duan Ping anSupervisor: Prof. Jian YiAs

2、sistant Supervisor : Lecturer Dang XiangyuLecturer Li QianqianMajor: Mechanical and Electronic EngineeringCollege of Mechanical EngineeringChongqingUniversityJune 201138 / 46摘 要在水钻加工过程中，水钻的成型磨削即磨抛环节是最重要的一个加工环节，此过程也是考验水钻加工企业能否真正步入水钻生产的关键。在这个过程中，磨削机是核心器件。因此，提高磨削机控制系统的精度和效率是解决当前水钻加工过程的产品质量问题和效率问题的关键。作为

3、工业控制系统，PLC技术是目前在工业控制系统中应用最为广泛的控制系统之一。它采用了类似继电器控制系统的梯形图语言，编程更为简单等优点。并且对于水钻加工这种精加工工艺过程，定位检测以与转面过程是设计重点，本文采用了FATEK公司的高功能PLC主机FBs-60MC和Kinco公司的混合型两相步进电机2S110Q-047F0实现了这两个过程。本论文分析了国外水钻加工现状，再以现有的水钻磨抛一体机为研究背景，设计了一套基于可编程控制器(PLC)的磨削机控制系统。该系统在保证产品质量的前提下，它的硬件方案更成熟、可靠性更强、抗干扰能力更强，很大程度上提高了水钻加工企业的生产能力。本论文阐述了该系统的选型

4、分析和总体方案设计并给出了功能说明和梯形图，重点解决了基于PLC的控制器的自动化问题，实现了水钻磨抛的全自动化，最后给出了人机界面。关键词：水钻，PLC，控制器，自动控制，磨削机ABSTRACTIn the crystal processing,the profile grinding including grinding and polishing is the most important part of the processing part. This process is also a key whether crystal processing enterprises can be

5、 into the production. In this process, the grinding machine is the core device. Therefore, improving accuracy and efficiency of the grinding control system is a key to solute efficiency issues and product quality issues in the crystal processing. For industrialcontrol systems, PLC technology is one

6、of the the most widely used control systems applied in industry. It usesladderlanguage which issimilar to relay and is programmed more simple. For the finishing process of crystal,location detection and transferring surface are most important. In this paper，the author uses the high-performance PLCFB

7、s-60MC of FATEK and the two-phasehybridstepping motor2S110Q-047F0 of Kinco to achievethe two processes.朗读显示对应的拉丁字符的拼音 字典In this paper，the author analyzes the status of the domestic and international crystal processing and designs a control system for grinding machines based on programmable logi

8、c controllers (PLC) according to the grinding and polishing machine designed.Not only does the system guarantee the quality of products，but also it has a higher degree of automation hardware,a better reliability and a stronger anti-jamming capability and greatly improves the production capacity of c

9、rystal processing enterprises.In this paper, the selection analysis of the system is described and the overall program is designed and some features of the program description and ladder are given.The author focus on resolving automation issues of the PLC-based controller and the full automation of

10、crystal processing equipments.Finally, a simple man-machine interface is given.Key words：crystal, PLC,controller,automatic control,grinding machine目 录摘要IABSTRACTII1前言11.1水钻简介11.2国外的水钻加工现状11.3课题研究背景与意义11.4本文所研究的容21.4.1课题任务21.4.2重点研究容31.5本文容安排32可编程控制器简介42.1PLC的基本结构42.1.1PLC的硬件组成42.1.2PLC的软件组成52.2PLC的工

11、作原理62.3PLC系统设计步骤72.4永宏公司Fbs系列PLC简介92.4.1Fbs系列PLC部分功能规格92.4.2Fbs系列PLC单机系统92.4.3Fbs系列PLC多机系统102.4.4Fbs系列PLC编程软件环境要求113 磨削机控制器系统方案设计123.1磨削机加工水钻工艺过程概述123.2磨削机控制器控制方式的选择143.2.1其它常用工业控制系统的介绍143.2.2PLC应用于磨削机控制器系统的可行性143.3磨削机控制器系统总体设计154磨削机控制器系统硬件实现184.1 PLC主机选型184.1.1PLC选型时需要重点考虑的几个因素184.1.2本课题所需PLC的I/O点数

12、194.1.3确定本课题PLC 型号204.2 确定PLC电源供应器以与I/O板型号214.3 其他主要元器件选型215磨削机控制器系统软件实现225.1开发环境225.2PLC输入/输出端口分配以与参数设定225.3控制系统主程序流程图的设计275.4主程序梯形图285.5子程序功能说明296 磨削机控制器人机界面设计306.1人机界面设计原则306.2磨削机控制系统人机界面设计306.2.1主界面的设计306.2.2常用参数设置界面的设计306.2.3系统故障检测界面的设计316.2.4粗磨、细磨、抛光参数设置界面的设计316.2.5状态显示界面的设计337结论357.1总结357.2展望

13、35致37参考文献381前言1.1水钻简介水钻不是钻石，是一种俗称，又叫水晶钻石（英文名：crystal），属于仿钻石，它的主要成分是水晶玻璃，由于这种材质在视觉效果上具有钻石一样的夺目感觉，而且十分经济，因此很受人们的欢迎。水钻一般是用于中档的饰品设计应用中，运用合成晶体仿造钻石的样式，经过切割、磨削等加工过程，做出效果可与真钻石媲美的仿制品，质优价廉，是符合大众消费的辅助材料。随着人民生活水平的提高，水钻的生产已经不能满足市场需求，特别是国的服饰行业。1.2国外的水钻加工现状在水钻加工行业中，机械设备处于世界领先地位的国家有德国、捷克以与埃与等国家。德国的水钻加工设备制造商运用机械手操作，

14、操作员只需要把水钻夹具装入机械手，该机械手在接到输入指令后自动完成一系列加工动作。并且在装卸夹具过程中不需要使机械处于待机状态，始终将设备保持在运行状态，和传统设备相比，大大提高了生产效率。美国的一些水钻加工机械制造企业采用集成控制电路作为控制系统，可以根据用户的不同需求提供多种工作模式。采用微电脑数字化系统来控制自动切换单轴、双轴、三轴和四轴，同时工作达到省时省电省水的目的。国的众多水钻机械供应商也在提高效率和精度的问题上提出了自己的改进方案。例如市中迈机械设备研制的全自动水钻磨抛一体机的磨削机具有三道加工工序：粗磨、细磨和抛光。用户可以根据自己的实际需要设置每道工序的磨削次数以与磨削时间。

15、为了防止出现水钻在加工过程成为大小面，不仅在粗磨可以单独设置第一面的磨削时间和最后一面的磨削时间，而且在细磨和抛光可以设置每一面的磨削时间，并且其定位检测精度能够达到0.05mm，使加工产品合格率提高到百分之九十以上，这些改进可以大大提高加工效率和产品的质量。1.3课题研究背景与意义由于水钻加工的利润一直比较高，并且水钻的需求量仍将继续放量走高，不少水钻加工企业都想在庞大的市场中谋求更多的利润，水钻加工设备生产企业也开始研制新一代的水钻加工设备，但仍难扭转当前日益增长的市场需求。究其根本原因，目前水钻加工行业正面临着两大难题：一是机械设备问题，二是磨轮磨料的匹配问题，这是制约水钻生产加工的两大

16、瓶颈。针对水钻加工行业的磨轮磨料匹配问题，许多资深行家历经了多年艰难细心的研讨和求索，也找到了很多的好经验和新设想，这里不加以详细说明。对于水钻机械设备加工过程效率低、产品质量提不上来的现象，一些水钻加工设备制造商已成功的完成了由原来的手动操作到半自动，再到全自动水钻磨抛一体机的出现，并且全自动磨抛一体机目前也形成了二人组、一人组以与更先进的无人组，这些改进大大提高了水钻加工的效率。目前等地已有数家机械制造企业开始制造水钻加工设备，但设计的设备都很难保证水钻出现“不碎、不蹦、不划伤”的现象，从而难以实现高产、高效，并且加工设备操作也很难控制到最佳状态，如果磨轮线速度过快，施磨时会碰碎部分原珠；

17、如果磨轮线速度过慢，会挤碎部分玻璃珠。与这些问题密切相关的就是水钻加工设备的控制系统的先进性以与精确度。因此改变水钻加工设备的控制方式和系统以与提高磨削机的加工精度才能从根本上解决效率低、产品质量提不上来的问题。本文就是采用PLC来作为水钻磨抛一体机的磨削机的控制系统，以达到提高精度和效率的要求。1.4本文所研究的容1.4.1课题任务本次课题设计任务是：基于PLC的全自动水钻磨抛一体机的磨削机控制器设计，通过查阅大量与该课题密切相关的中外文资料以与国外已有的水钻加工机械设备资料，从中获得材料，采用PLC来实现对磨削机的控制，简单适用，具有一定的通用性，能够实现产业化，符合经济性，达到技术要求。

18、该课题任务具体容如下： 全自动水钻磨抛一体机采用PLC控制,四轴同时循环工作，高精自动检测定位,集研磨与抛光于一体一次完成,从而达到高效率高精度低能耗。 要求熟悉PLC的设计思想和设计语言。 要求对机电系统有较全面的了解。 设计主要容： 1)总体方案设计，完成PLC控制器、I/O板与其他主要部件的选型； 2)设计水钻磨抛一体机的高精度自动定位检测系统； 3)设计系统的人机界面； 4)编写控制器的控制程序。该全自动水钻磨抛一体机的磨削机需具有以下四点技术指标：1)保证定位检测系统精确性；2)设置定位加工产品精度能够达到0.05mm，使加工产品合格率提高到百分之九十以上；3)生产规格要求：可根据用

19、户的使用需求进行不同规格的水钻加工；4)整个控制器必须运行可靠。1.4.2重点研究容本课题为机床电气设计，在设计之前，先要弄清该设备其他系统对该控制系统的技术要求，然后通过技术经济分析，选择性能价格比最佳的传动方案和控制方案，最后计算设计出简单合理、工作可靠的电气控制方案与PLC梯形图等进行模拟试验。本课题的重点研究容有以下五项： 对水钻磨抛的工艺过程进行全面了解，并熟悉水钻加工的工艺参数，明确各加工动作顺序以与具体的控制对象和控制量，为基于PLC实现高自动化程度的磨削机控制系统做好准备。磨削机控制器系统总体方案设计。磨削机控制器系统的硬件选型，主要是PLC、I/O板等关键部件的选型。控制器系

20、统的软件实现，主要是基于PLC的控制程序流程图设计和核心功能模块的梯形图设计。设计控制系统的人机界面。1.5本文容安排第一章：简单介绍国外水钻加工技术的现状以与遇到的问题并且提出研究该课题的意义和容； 第二章：简单介绍了可编程控制器的基本结构、工作原理、PLC系统设计步骤以与永宏公司的FBs系列PLC的相关参数。第三章：首先简述了水钻加工工艺过程，然后进行了磨削机控制器主控制器的选型分析，重点论述了该课题的总体设计方案。第四章：给出了该课题的硬件设计方案，包括PLC主机的选型以与I/O模块型号的确定。 第五章：确定了PLC的I/O分配以与PLC硬件接线图，设计出了主程序流程图，重点给出了部分功

21、能的梯形图。第六章：简单论述了人机界面设计的原则以与给出了该课题的人机界面设计结果；第七章：对整篇论文进行了简单总结以与对本课题的。2可编程控制器简介可编程控制器是在继电器控制技术以与计算机控制技术的基础上发展而来的以微处理器为核心，并且将自动控制技术、计算机控制技术和通信技术融为一体的新型工业自动控制设备。早期的可编程控制器在功能上只是用来实现逻辑控制，因此被称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）,简称PLC。目前，PLC已经基本代替了传统的继电器控制系统，成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制设备之一1,2。2.1PLC的基本结构PLC控制系

22、统是由硬件和软件两大部分组成的，硬件是指PLC本身与其外围设备，软件是指PLC的应用程序和系统软件1。2.1.1PLC的硬件组成PLC实际上是一种工业控制微型计算机，因此它的硬件结构与一般微机控制系统相似，它的主体是由中央处理器（CPU）、存储器、输入输出模块、电源、各种智能模块以与外围设备组成10,11，如图2.1所示。图2.1 PLC的硬件组成 CPUCPU是PLC的控制中枢，它主要由控制器、寄存器、运算器以与实现它们之间通信的地址总线、数据总线和控制总线组成。其中，控制器控制并且指挥PLC的工作，由控制器读取并执行指令，运算器的功能是进行逻辑运算和算数运算，寄存器的功能是参与运算并且存储

23、运算的中间结果3。 存储器PLC系统中的存储器主要用于存储程序以与数据，它一般包括系统存储器和用户存储器两类。系统存储器是用来存放由PLC制造厂家编写的PLC自身的系统程序，并且固化在ROM，用户不能访问和修改。系统程序相当于PLC的操作系统，它决定了PLC的性能，同时，它使PLC具有一些基本的智能功能，能够完成PLC设计者设计的各项动作。系统程序包括系统管理程序、标准程序模块、用户指令解释程序、系统监视程序和系统调用以与各种系统参数等12,13。用户存储器由用户程序存储器、功能存储器以与参数区组成。用户程序存储器是用来存放用户针对具体的控制对象而用规定的PLC编程语言编写的用户程序。用户功能

24、存储器是用来存放用户程序中使用的数值数据、ON/OFF状态等，它组成了PLC的各种部器件，也被称为“软件元件”。参数区主要存放CPU组态数据10。 输入/输出模块（I/O模块）PLC的控制对象是工业生产过程，它与工业生产设备的联系是通过输入/输出模块实现的。PLC通过输入模块把控制现场的信息、状态读入主机，通过输出模块把由用户程序的运算与决策所得的运算结果输出给执行机构。I/O模块一般包括：数字量输入模块、模拟量输入模块、数字量输出模块和模拟量输出模块四种模块8。 电源PLC的电源部件将外部的交流电源转换成CPU、存储器等元件所需的直流稳压电源，它直接影响到PLC的一切功能以与可靠性。大多数P

25、LC采用的是开关稳压电源，其具有抗干扰能力强以与工作稳定性好的优点。 编程器编程器的作用是提供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视等功能，它由显示部分、键盘部分以与通信部分三个部分组成。编程器的工作状态主要有两种：一种是编程工作状态；另一种是监控工作状态。编程器包括专用编程器和PC程序开发系统两大类。专用编程器又可分为简易编程器和图形编程器。PC程序开发系统包括编程软件、数据采集和分析软件、实时操作员接口软件以与仿真软件等8,9。2.1.2PLC的软件组成PLC的软件主要包括系统软件和用户程序。 系统软件系统软件由PLC制造厂家固化在机并用于控制PLC的运行。系统软件主要包括三部分：用户指令解

26、释程序、系统管理程序、标准程序模块与系统调用1。 用户程序用户程序也即应用程序，是针对某些具体的控制对象所编制的程序。程序既可以由编程器方便的送入到PLC部的存储器中，也能方便的通过编程器读出、检查与修改。2.2PLC的工作原理PLC在本质上是一台工业微型计算机，其工作原理与普通计算机相似。作为一种特殊的计算机控制系统，PLC是利用计算机技术对传统的硬件逻辑控制系统中的“继电器控制系统”进行“硬件软化”的结果1。PLC采用了与一般计算机不同的循环扫描运行方式。CPU是逐条地扫描用户程序，如果其中一个线圈被接通或者被断开，该线圈所控制的所有触点并不会立即动作，必须等到PLC的CPU扫描到该触点时

27、才会动作。因此，PLC控制系统实质上是一种存储程序控制系统，如图2.2所示。图2.2 PLC控制系统 PLC执行用户的程序并不只是执行一次，而是PLC从第一条指令开始顺序执行，直到程序结束后然后又跳转到第一条指令，CPU反复不断地重复执行，直到PLC处于停机或者停止状态。这种顺序扫描的工作方式具有程序设计简单、可靠性高以与结构简单直观等优点。PLC的扫描工作主要分为三个阶段：输入采样阶段、程序执行阶段以与程序刷新阶段7，如图2.3所示。 输入采样在此阶段，PLC以扫描的方式顺序读入所有的输入端子的信号状态（1或者0），并将这些读入的信号状态存入存中所对应的输入映像寄存器。输入采样结束后紧接着会

28、进入程序执行阶段。在程序执行时，输入映像寄存器与外界是隔离的，即使输入信号发生变化，输入映像寄存器所存储的容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入采样阶段才能被读入信息。 程序执行根据PLC梯形图的程序的扫描原则，按照先左后右、先上后下的顺序，逐句扫描并执行程序。如果遇到程序跳转指令，就根据判断跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。如果用户程序涉与到输入输出状态，PLC会从输入映像寄存器中读出上一阶段所采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器读出对应映像寄存器的当前状态，再根据用户的程序进行逻辑运算，并且将运算结果存入有关器件寄存器中，对每个器件而言，器件的映像寄存器中所寄存的数据，会随着

29、程序执行过程而发生变化。 程序刷新在所有的指令执行完毕后，输出状态寄存器中的状态（即输出继电器的状态）在输出刷新阶段转存到输出锁存器锁存起来并且驱动输出线圈，以形成PLC的实际输出。在一个周期执行完后，地址计数器会自动恢复到初始值，并重复执行由以上三个阶段构成的工作周期。图2.3 PLC的扫描工作过程2.3PLC系统设计步骤PLC系统设计的一般步骤见图2.4所示。 根据生产的工艺过程分析系统的控制要求； 根据控制要求确定所需要的I/O设备以与确定PLC的输入输出点数； 根据I/O点数、控制要求等选择PLC以与相应模块； 分配PLC的输入/输出点，设计I/O接线图； PLC程序设计，并且也可以同

30、时进行控制面板的设计然后进行联机调试。图2.4PLC系统设计的一般步骤2.4永宏公司Fbs系列PLC简介2.4.1Fbs系列PLC部分功能规格永宏FATEK FBS系列PLC是一种外型小巧却具有型PLC很多功能的新一代微型PLC，其通讯端口最多能达到5个，最大I/O为数字量输入(Digital Input，简称 DI)256点，数字量输出(Digital Output，简称DO)256点，数值输入(Numeric Input，简称NI)64个字符，数值输出(Numeric Output简称NO)64个字符。FBS主机有 MA(经济型)、MC(高功能型)与MN(高速NC型)等三大类，点数由10点

31、到60点共计17种机型；扩展模块则有DI/DO14种机型，NI/NO12种机型。通讯外围则有RS232、RS485、USB、Ethernet等界面共14种基板与模块。表2.1为Fbs系列PLC主机部分功能规格。Fbs系列PLC主机部分功能规格 表2.1项 目规 格控制程序容量20K Words程序存FLASHROM或SRAM锂电池Back-up顺序指令36 个应用指令326 个(126 种)流程图(SFC)指令4 个单 点 B I T 状 态X输入接点(DI)X0X255 (256)Y输出继电器(DO)Y0Y255 (256)TR暂存继电器TR0TR39 (40)M部继电器非保持型M0M799

32、 (800)*M1400M1911 (512)保持型M800M1399 (600)*特殊继电器M1912M2001 (90)T定时器计时到状态接点T0T255 (256)C计数器计数到状态接点C0C255 (256)S步进继电器非保持型S0S499 (500)*保持型S500S999 (500)*中断控制中断控制32 个(16 点输入的正负缘)部定时中断8 个(1、2、3、4、5、10、50、100mS)2.4.2Fbs系列PLC单机系统单机系统是指一台主机(一个CPU)所能掌控的资源(含主机本身以与所能扩展的最大 I/O模块与通讯模块)，如果超出单机系统所能掌控的系统，就必须借助由通讯连接(

33、LINK)的方式来扩展资源。图2.5为FBS-PLC单机系统资源示意图，除主机本身的资源外，其左侧为通讯外围资源，右侧则为扩展 I/O 资源。图2.5 FBS-PLC单机系统资源示意图2.4.3Fbs系列PLC多机系统Fbs系列PLC的单机系统通过通讯端口和特定的通讯驱动程序，就可以实现多台PLC主机之间或者PLC与计算机之间的连结而成为多机系统，从而达到资源共享的目的。图2.6即为通过高速RS-485网络实现的多机系统示意图。图2.6 Fbs系列PLC多机系统示意图2.4.4Fbs系列PLC编程软件环境要求操作系统要求：Win95/98/Me/XP 或 WinNT4.0，Win2000 。硬

34、件要求： 1）Pentium133等级以上CPU；2）DRAM存至少64Mbytes以上； 3）硬盘空间至少 30Mbytes 以上。3 磨削机控制器系统方案设计3.1磨削机加工水钻工艺过程概述水钻加工工艺过程采用铝排作为夹具，这种夹具预热后具有粘性，从而能够在不用损伤水钻加工面的情况下实施加紧功能。当夹具加紧毛坯后，系统会自动检测毛坯是否处于正确位置。只有水钻毛坯处于正确加紧状态下，磨削机才能进行下一步的粗磨阶段，待粗磨效果达到用户之前设定好的参数后自动进入细磨阶段，待细磨结束后自动进入抛光阶段。粗磨、细磨、抛光过程中，控制系统始终对加工过程实时监视着并根据用户自己设定的磨抛具体时间等参数予

35、以判定该过程是否完成。在这些过程完成后，加工设备会自动对接上料，然后对水钻另几个个对称面进行相应的粗磨、细磨和抛光。整个工艺过程都是在基于PLC的控制系统下全自动完成，磨后自动转入抛工序，无需人工搬运夹具或更换磨抛盘，安全可靠并且能够实现高效高产。整个全自动工艺过程是在主轴功能以与磨削机等器件的完美配合下自动完成。下面是主轴以与磨削机加工水钻的具体工艺过程简介：主轴功能：1） 系统在确认系统初始化完毕后，自动进入自动磨抛模式；2） 在初始化后，自动开主轴插锁，目的是锁住主轴，让其不动，系统检测到锁定信号后自动发送给每个机头；3） 等待四个机头的信息，如果检测到所有的机头的任务都已执行完毕，自动

36、关闭主轴插锁，紧接着主轴转动，实现转换工位的功能，执行下一个循环过程。定位过程：主轴要运行定位功能之前，首先要经过判断缓冲销是否抬起。如果为抬起，则降下缓冲销，即关闭主轴减速气缸，然后松开定位销，紧接着在四个定位接近开关都没有到位的情况下（即四个插销到位开关没有信号），主轴开始旋转以实现定位功能，直到实现定位。当减速器接近开关发出信号时，主轴停止转动，主轴减速器缓冲销抬起，插定位销，定位功能完成。磨削过程：1） 计算每个面的度数，并且根据粗磨、细磨和抛光的状态计算出当前需要的磨削次数；2） 上下气缸下降，设置延时上下摆动时间，实现坯料与磨盘接触；3） 获取当前磨削次数所需要的磨削时间、磨削第一

37、面的时间以与磨削最后一面的时间，然后开启定时器，延时上下摆动时间到后，上下气缸抬起，准备进行前后摆动阶段；4） 计算前后摆动次数5） 根据计算出的前后摆动次数进行前后摆动循环；6） 当磨削时间到后，进行相应判断：是否为最后一面，如果不为最后一面，则自动转向下一面重复前面的磨削过程，如果为最后一面，则判断是否回第一面，如果回第一面则自动转向第一面进行磨削，如果不回第一面则此阶段的磨削过程完成。因此，可以看出，水钻加工这种生产工艺过程对产品的质量要求比较高，并且要求加工设备不仅需要特殊的夹具，而且需要有高精度的磨削功能、定位检测功能，因此对水钻加工设备的自动控制系统要提出更高的要求，图3.1为水钻

38、加工工序流程图。图3.1 水钻加工工序流程图3.2磨削机控制器控制方式的选择3.2.1其它常用工业控制系统的介绍单片机单片机是将微处理器（CPU）、一定容量的RAM和ROM以与I/O口、定时器等电路集成在一块芯片上，构成的单片微型计算机14。与PLC等系统相对比，单片机系统虽然具有操作简单和低功耗等优点，但是单片机在执行较复杂的程序指令时，易发生程序跑飞，陷入死循环的现象，并且如果要进行复杂的数学运算的话，需要设置断点，这样需要耗大量的时间来慢慢分析且有可能出现错误，降低了全自动加工的可靠性。因此，单片机控制系统仅适用于比较简单的自动化系统。硬件上主要受CPU、I/O接口以与存容量的限制；软件

39、上主要受与CPU类型有关的编程语言的限制。一般说来单片机系统的应用只是为某个特定控制系统服务的，其通用性、扩展性和兼容性都比较差。嵌入式系统嵌入式系统是以工业应用为中心、以计算机控制技术为基础、软件硬件可裁剪并且适应应用系统对功能、功耗、可靠性、成本、体积等有严格要求的控制系统。嵌入式系统具有如下几点重要特征：第一，专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件和硬件的结合十分紧密。第二，嵌入式系统的核较小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，其系统资源相对有限，所以核与传统的操作系统相比要小很多。第三，高实时性的系统软件(OS)是嵌入式系统软件的基本要求。并且其系统软件要求固态存储，以提高

40、速度；软件要求高质量以与高可靠性。第四，系统精简。嵌入式系统一般没有应用软件和系统软件的明显区分，不必要求在功能设计和实现上过于复杂，这样一方面有利于控制系统的成本，同时也有利于提高系统的安全指标。 目前，嵌入式系统无疑是当前最有发展前途的控制系统应用领域之一，正在走向产业化，但是对于本课题，嵌入式系统的很多功能和优点不能发挥以与嵌入式系统针对不同的任务往往需要对系统进行较大更改，并且国外这方面的人才都还很缺乏，因此对于大多数企业而言显得“要求员工入门高”的困境。3.2.2PLC应用于磨削机控制器系统的可行性从可靠性上考虑，由于水钻磨削机的加工过程不仅对加工过程自动化的要求高，而且要求整个系统

41、具有较高的精度和能够对加工过程实施定位检测功能。因此开发全自动水钻磨削机控制系统需要解决的关键技术之一，就是如何在高精度的磨削、高自动化环境下提高设备的可靠性，而该PLC系统是专为这种加工过程设计的，设计者在设计PLC时，充分考虑到它的特殊性、复杂性以与加工产品的多样性，所以整个过程采取了很多强化措施。由于单片机在进行复杂的程序运行时可能发生程序跑飞和陷入死循环，嵌入式系统在针对不同的任务时也需要对控制系统进行较大的更改，这样会延长更新时间，从这些看来，PLC应用于水钻磨削机控制系统有相当大的优势。 PLC采用了较单片机更容易的编程语言即采用了流程图语言、梯形图语言和功能指令语言，而单片机采用

42、了较低级的语言(汇编语言)，这对于没有经过专门计算机技术培训的现场操作人员而言，不得不算是一大障碍。况且由于驱动系统或者加工任务的经常变化而需要重新设置某些控制参数或者在线编程时，采用最熟悉的类似继电器控制系统的梯形图来编程的话，在工业控制中更容易得到推广应用7。 PLC具有良好的接口性能，PLC除了和能单片机等系统一样通过A/D、D/A转换器处理模拟输入、输出信号之外，还可以通过开关量输出电平信号直接驱动电磁阀、电磁继电器和电磁开关等9。然而单片机不具有这样的输出功能，若想让单片机实现直接驱动电磁继电器、电磁阀等功能，除非通过开关式功率放大器将它的输出数字信号放大。这对于全自动水钻磨削机控制

43、系统而言，应用PLC作为主控制器系统可以大量节省外围驱动电路，使得整个控制系统变得紧凑。 PLC具有成熟的技术以与很好的发展前途。PLC控制器原来只作离散量控制，其功能只是将操作接到离散量输出器，以实现简单逻辑上的控制。而在短短的几年时间里，PLC的硬件与软件功能都日益强大起来，例如输入、输出不仅可以是数字信号，也可以是模拟信号并且也可以输出脉冲信号，而且各种智能IO模块包括通讯模块（CM）、高密度数字量I/O扩展模块等也都相继开发出来。另外PLC的CPU处理能力日益增强、I/O点数不断增加和响应时间不断减小，这些都为PLC的应用拓展了广泛的空间。在其他方面，PLC系统集成化程度较高，安装更方

44、便并且具有较强的通讯功能，可将系统运行状态联入企业管理网络，使得企业管理水平得以提升。3.3磨削机控制器系统总体设计通过将PLC系统和其它常用的工业控制系统进行比较后，本课题采用PLC作为磨削机控制器的主控制系统。图2.2为控制系统总体功能实现，图3.2为控制系统总体结构设计图。图3.2 磨削机控制系统总体功能实现系统运动控制该部分是控制系统的核心模块，它控制着加工设备在正常工作下进行生产。实施监视该部分实现系统对整个加工过程，完成对毛坯的定位检测功能。故障检测与报警为了使系统安全可靠地工作，作者专门为该系统设计了该模块，以使控制系统能自动进行故障检测，报警提示，并发出故障停机的命令。人机界面

45、该模块也是控制系统的必不可少的组成部分，它是系统和用户之间进行交流和信息交换的媒介。它具有以下几个功能：1)工作状态显示：程序输入、实时和历史数据的显示、系统或者设备的操作状态方面的实时信息显示和视频监控等。2)数据存储：自动记录数据、警报的产生和记录、报表的产生和打印等。3)操作控制：在人机界面上可以设置相关控件，可把人机界面作为操作面板进行控制操作，如一些指示灯、按钮等。4)网络通讯等高端功能，可与多种工业控制设备进行数据通信。5)能进行简单的编程、简单的逻辑和数值运算，能对输入的数据进行处理并将数据传输给控制系统。图3.3 磨削机控制系统设计结构图如图3.3所示，主轴由调速电机控制，实现

46、转换工位，上下气缸以与前后气缸控制铝排，PLC输出的脉冲以与脉冲方向控制四个步进电机5,6，步进电机实现了水钻加工过程中的转面功能，系统中的气缸都是采用电磁阀驱动的。4磨削机控制器系统硬件实现4.1 PLC主机选型4.1.1PLC选型时需要重点考虑的几个因素 随着PLC的普与推广，PLC产品种类的数量越来越多，应用中需要全面权衡利弊，合理地选择机型以与相关模块。 对I/O点数的选择I/O点数的选择除了需要满足当前控制系统的要求外，还要考虑以后生产工艺的改变以与可靠性的要求，为系统的升级改造留有余地，一般情况下，需按照实际所需的总点数的15%到20%留出备用量，然后确定系统所需的PLC的点数1,

47、4。PLC的输出点的硬件接法分为共点式、分组式与隔离式。隔离式PLC平均每点的价格比较昂贵。如果输出信号之间不需要隔离，则应选择共点式和分组式的接法。另外，在选型时需要注意以下几点：1）一些高密度输出点的模块对同时接通的输入点数具有限制，而且接通的输入点数不允许超过总输入点数的60%。2）PLC每个输出点的驱动能力是有限的，一些PLC每点的输出电流大小随所加负载电压的变化而发生变化。3）一般PLC的允许输出电流会随着环境温度的升高而有所下降。 对存储量的选择即使对一样的系统，不同的程序设计人员所设计的程序的长度和执行时间也会有很大差异，因此在选择存储量时，应该按估算容量的50%到100%留出余

48、量。存储容量与系统规模、编程水平、控制要求以与实现方法等许多因素有关，I/O点数在很大程度上可以反映PLC系统对存储器的要求，因此可以通过I/O点数来粗略估计所需的PLC的存储器容量1。1） 开关量输入：总字节数=总点数×102） 开关量输出：总字节数=总点数×83） 模拟量I/O：总字节数=通道数×1004） 定时器/计数器：总字节数=定时器/计数器个数×35） 通信接口：总字节数=接口数量×300对I/O响应时间的选择PLC的I/O响应时间一般包括输入电路延迟、输出电路延迟和因扫描工作方式引起的时间延迟（一般2到3个扫描周期）等。即：系统相

49、应时间=输入滤波时间+输出滤波时间+扫描时间。对于开关量控制系统，不需要考虑PLC的系统相应时间，PLC的输入/输出的响应时间一般都能满足控制要求。对于模拟量控制系统，特别是闭环控制系统，就需要考虑PLC的响应时间。根据输出负载的特点选型不同的负载情况对PLC的输出方式有不同的要求。对于频繁通断的感性负载，应选择晶体管（直流负载）或者晶闸管（交流负载）输出型的PLC，对于动作不频繁的交、直流负载可以选择继电器输出型的PLC。4.1.2本课题所需PLC的I/O点数通过对整个系统所需的硬件设备分析之后，拟定出本课题所需的PLC需要13个输入点以与23个输出点，没有模拟输入、输出信号，其中输入信号全

50、为开关量信号，输出信号有8点为脉冲输出。表4.1为本课题所使用的PLC输入输出点的情况。磨削机控制系统PLC输入/输出点 表4.1输入信号说明名称主机输入主轴旋转减速信号开关工头1输入原点接近开关装夹铝排信号开关插销到位信号开关工头2输入原点接近开关装夹铝排信号开关插销到位信号开关工头3输入原点接近开关装夹铝排信号开关插销到位信号开关工头4输入原点接近开关装夹铝排信号开关插销到位信号开关输出信号主机输出主轴减速气缸主轴定位气缸主轴转动(工位转动)工头1输出夹紧气缸上下气缸前后气缸脉冲输出脉冲方向输出工头2输出夹紧气缸上下气缸前后气缸脉冲输出脉冲方向输出工头3输出夹紧气缸上下气缸前后气缸脉冲输出

51、脉冲方向输出工头4输出夹紧气缸上下气缸前后气缸脉冲输出脉冲方向输出4.1.3确定本课题PLC 型号本课题所需的PLC需要13个输入点以与23个输出点且需要脉冲输出，由于该系统为开关量控制系统，故不考虑PLC的相应时间。综上，选定PLC的型号为永宏公司的FBS-60MC。该PLC的外型图如图4.1所示。该型号的PLC输入输出特性：36点24VDC数字量输入(2点120KHz14点20KHz)，24点(R/T/S)数字量输出(“T”机型具2 点120KHz6点 20KHz输出)，一个 RS232或 USB 通讯端口(最大可扩展到 5个)，含 RTC，活动端子台。其接线端子分布情况如图4.2所示。图

52、4.1 FBS-60MC图4.2 FBS-60MC接线端子图4.2 确定PLC电源供应器以与I/O板型号根据设计需求，系统需要由电源供应器将交流电压转为24V直流电压提供给PLC控制系统，因此选用永宏公司的EPOW-24电源供应器。其相关主要参数为：输入电压100到240VAC±10%，频率为50HZ/60HZ±5%；输出电源为24VDC±10%，200mA（max）。本系统选用永宏公司的I/O板FBS-60EA，I/O板能够增大PLC驱动能力并且能够将PLC与感性负载（晶闸管输出）光电隔离开，符合系统要求。4.3 其他主要元器件选型在第三章的磨削机控制器总体设计

53、一节中已经说明，在水钻加工过程中，需要由步进电机来完成水钻的转面工作，因此在硬件方面，本系统还需要四个步进电机以与四个步进电机驱动器，另外还需要一个触摸屏人机界面。在对整个系统以与水钻加工工艺过程进行分析后，选定的这些元器件型号以与技术参数说明如下： 步进电机：本课题选用的是步科自动化公司的Kinco系列的混合型两相步进电机2S110Q-047F0，其主要技术参数为：步距角1.8°±5%，相电流6.5A，保持扭矩21.0Nm，引线数量4，耐压等级1200VAC 1S 5A。 步进电机驱动器：根据已经选好的步进电机型号，确定选用步科公司的细分型两相步进电机驱动器2M2280N

54、。其主要技术参数：输入电压为单相交流220VAC±15%（50HZ），相电流共八档4.5A、5A、5.5A、6A、6.5A、7A、7.5A、8A，信号输入方式单脉冲（PLS+DIR）或者双脉冲（CW/CCW）、信号电流围为6到10mA，输出信号ERR，集电极开路输出，最大流过电流为10mA。 人机界面本系统人机界面选用永宏公司的触摸屏PV080-TNT5磨削机控制器系统软件实现5.1开发环境本课题采用的是永宏公司提供的软件winproladder作为编程软件，该软件是完全依照Windows环境的操作习惯而设计的，操作方便。该软件能够提供联机的程序编辑功能、程序测试以与程序批注与打印等功能，并且支持多窗口的梯形图程序画面以与提供弹性的阶梯程序编辑功能、程序单元输入功能、独立的助忆码程序显示窗口、多样化的程序搜寻功能以与程序语法检查等功能。图5.1为winproladder的编程界面。图5.1 winproladder编程界面5.2PLC输入/输出端口分配以与参数设定设计者通过对全自动水钻磨抛一体机的磨削机控制器的各个硬件组成部分进行详细分析后，确定出该系统需要13个输入点以与23个输出点以与23个相关