基于PLC的两工位钻孔攻丝组合机床控制系统设计

1、-. z.基于PLC的两工位钻孔攻丝组合机床控制系统设计摘要随着机床行业和控制技术的不断开展与进步，根据生产的实际需要，机床的升级改造已成为一种新兴的行业。通过对现有机床的全部或局部构造进展改造，来提高机床的各项技术指标，对于实现资源的合理利用和促进经济增长起到重要的作用。 本课题主要研究的是采用PLC控制两工位钻孔攻丝组合机床的动作。两工位钻孔攻丝组合机床通电后能自动完成工件的钻孔和攻丝加工。在传统的控制系统的设备中，通常采用的是继电器控制，这种控制系统可靠性低，而采用PLC进展控制改造后，系统可靠性明显提高。 本次设计的重点在于控制系统的硬件设计，根据工艺要求选择了控制系统所需要的电气元件

2、，绘出电力拖动系统的主回路电路图、PLC的外部接线图。论文根据机床的加工要求设计了PLC控制的程序，以及对机床的调试进展了简要的概括。关键词： PLC控制 程序设计 调试 组合机床The Design Of The Control System Of two worktables drilling tapping bination machine Based On The PLCABSTRACTAlong with the development of machine tool industry and technology continues to progress according to

3、 the actual needs of the production machine ,upgrading has bee a new growth industry based on the e*isting machine tools in whole or in part the structure upgrades to improve machine tool technology inde*. To achieve rational use of resources and promote economic growth plays an important role in.Th

4、is topic main research is to use PLC to control two worktables drilling tapping modular machine tool operation. Two worktables drilling tapping modular machine tool by the system can automatically plete the workpiece. In the control system of the traditionalis monly used in the relay control, and th

5、is control system reliability is low, but when it is controlled by a PLC transformation, system reliability is obviously improved.The focus of this design is that the control system hardware design, according to the process requirements of electrical ponents control system requires the choice,Drawin

6、g the e*ternal wiring diagram of main circuit diagram and the PLC electric drive system.This paper designs a PLC control program according tothe machine processing requirements, and missioning of the machine are summarized.KEY WORDS: PLCcontrol The program design debug bination machine tools 前言 两工位钻

7、孔攻丝组合机床主要用来给工件钻孔和攻丝的，是人类经济和社会开展的重要工具之一。目前，许多工厂的两工位钻孔攻丝组合机床都还是用接触器的逻辑关系控制的。由于继电器系统接线比拟复杂，故障的诊断与排除较难，造成这些企业的生产率低下，效益差。随着科学技术的不断开展，PLC在工业控制领域的应用越来越广，如果尝试着将PLC应用在机床上，这样不仅提高了系统的精度，而且还可以为国家节约大量的资源。组合机床是以通用部件为根底的，再配以按工件特定形状和加工工艺来设计的专用部件和夹具，组成半自动和自动的专用机床。一般多采用多轴、多工序、多刀、多工位或多面同时加工的方式，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。而参加了PLC

8、则使组合机床抗干扰能力增强，提高了可靠性，使得功能完善，控制系统的设计、安装、调试方便，控制系统构造简单化，通用性增强，应用更加灵活，编程更加方便。通过对原有资料的查阅和很多人不断的实践证实了用PLC进展两工位钻孔攻丝组合机床的控制系统改造是可行的。PLC是整个机床电气控制系统的核心，也是重要途径。结合我国现有机床建立的实际，掌握PLC的关键支持技术，这对于提高制造业重要意义。为了能将该系统成功的改造，首先应该明确PLC的特性。可编程控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的进展数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操

9、作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。当前，我国正处在全面建立小康社会和大力提高经济开展的重要时期，如果将这一改造技术在机床改造上进展推广，这将对我国经济的开展做出重要的奉献。 本次课题设计的主要功能是实现两工位钻孔攻丝组合机床在加工过程中的控制。我采用的是PLC程序控制方法。机床主要由钻孔滑台、攻丝滑台、移开工作台、夹具、钻孔动力头、攻丝动力头、床身、滑台移动控制凸轮和液压系统组成。工作台的移动包括左移和右移以及夹具的动作包括夹紧和放松，钻孔滑台和攻丝滑台的移动包括前移和后移，都由液压系统控制与执行的，其中钻孔滑台和攻丝滑台的移动是通过控制凸轮来控制滑台

10、移动液压系统的液压阀实现的,电气系统不参与，只需启动控制凸轮电机即可，控制过程不在本次设计*围之内。论文简要介绍了PLC的开展、特点与应用，重点介绍PLC的编程特点和方式。 第一章 绪论1.1 课题的提出和控制系统要求1.1.1 课题的提出当前，许多工厂用的两工位钻孔攻丝组合机床都是以接触器的逻辑关系来控制的。随着制造行业的不断进步与开展，用这种老式机床进展加工已经达不到工艺精度要求。随着科技的不断创新，PLC在工业控制领域的应用已越来越广泛，而我对PLC控制有一定的了解，就想如果试着将PLC应用在老式机床上，系统的可靠性应该可以明显提高，所以就确定了这个题目。1.1.2 两工位钻孔攻丝组合机

11、床的工艺流程对控制系统的要求1. 两工位钻孔攻丝组合机床的概述机床主要由钻孔滑台、攻丝滑台、移开工作台、夹具、钻孔动力头、攻丝动力头、床身、控制滑台移动的凸轮和液压系统等组成。如以下图1-1所示。图1-1为两工位钻孔攻丝组合机床的构造示意图，机床的左、右分别为钻孔和攻丝的刀具，中间为工作台，左侧为 = 1 * ROMAN * MERGEFORMAT I工位也就是钻孔工位，右侧为 = 2 * ROMAN * MERGEFORMAT II工位即为攻丝工位，可以完成对工件钻孔攻丝的工作。 2. 工艺流程 工件推入夹具按启动按钮夹紧工件左侧钻孔工作台右移右侧攻丝工作台左移放松工件，手动拉出工件完成一个

12、工作循环。3. 刀架的控制工作台的动作要与钻孔滑台和攻丝滑台相互配合，只有钻孔与攻丝滑台在原位时，工作台才可以运动。 4. 设置必要的连锁为了保证机床的各部位能够平安可靠的工作，并且动作互相协调，需要设置必要的保护装置，来防止由于机床误动作而引起的损坏甚至人身事故等。图1-1 两工位钻孔攻丝组合机床 5. 电气控制局部的要求 系统通电后，自动启动液压电机。假设机床各局部在原位工作台在钻孔工位，钻孔滑台在SQ2位置、攻丝滑台在SQ3位置，液压系统的压力符合要求，压力继电器动作，此时原位指示灯亮。 把要加工的零件放在工作台上，按下启动按钮，夹紧工件的电磁阀接通，夹具由液压系统控制着将工件夹紧，当S

13、Q4动作后，说明工件被夹具夹紧，与此同时控制凸轮的电动机开场动作。 钻孔的动力头电动机启动运转，且由于控制凸轮的电动机运转，用凸轮控制使钻孔滑台前移的液压阀，来进展工件的钻孔加工。当钻孔滑台运动到SQ5时， 钻孔滑台自动退回原位，到SQ2时停顿后退，同时钻孔动力头的电机停顿。 等到钻孔滑台到达SQ2位置后，控制工作台向右移动的电磁阀得电，液压系统控制工作台向右移动，当工作台运动到攻丝工位SQ6的位置时，限位开关工作，停顿工作台向右运动。攻丝的动力头电机开场正转，与此同时凸轮与液压系统控制攻丝滑台向前移动，开场给零件进展攻丝，当攻丝滑台运动到SQ7的位置时，限位开关动作，制动电磁阀DL得电，攻丝

14、的动力头开场制动，0.3秒后控制攻丝动力头的电机开场反转，此时控制凸轮与液压系统控制攻丝滑台自动后退。 攻丝滑台退回到原来的位置SQ3时，凸轮正好运动一个周，控制凸轮转动的电机停转，同时用来攻丝的动力头电机停顿，延时3秒后控制工作台向左移动的电磁阀得电，工作台开场向左运动，当运动到钻孔工位SQ1的位置停顿左移。同时放松使工件放松的电磁阀通电，夹具开场放松工件，当放松限位SQ8动作后，停顿放松，系统回到原位，此时原位指示灯亮，取下工件，完成了整个加工的过程。在加工过程中要启动冷却泵电机，供应冷却液。1.1.3 论文的主要工作 1 对两工位钻孔攻丝组合机床的电气控制系统进展总体方 案设计; 2 设

15、计 PLC 的外部硬件接线图； 3 研究顺序控制设计法在 PLC 程序设计中的应用； 4 根据两工位钻孔攻丝组合机床的工艺流程，设计工作台、刀具、滑台运行和控制梯形图； 5 对该机床的调试进展简要的概述。 第二章 PLC及组合机床控制系统介绍 在设计控制系统的总体方案时，要兼顾全局。既要使系统工作可靠稳定，又要提高系统的性价比。本章的重点为两工位钻孔攻丝组合机床选取控制系统的方案，这要结合其控制历程及其加工工艺综合考虑。2.1 两工位钻孔攻丝组合机床控制系统的开展 由于科技的不断开展与进步，两工位钻孔攻丝组合机床的控制系统也在不断变化。如果对其系统进展更新，就能提高它的制造性能，否则，它的控制

16、系统将会逐渐被淘汰。2.1.1 机床以前的控制系统 两工位钻孔攻丝组合机床是一种广泛使用的给机械零件钻孔和攻丝的机床，是许多大型企业不可缺少的设备之一。该机床的电气系统局部主要由控制系统和主拖动系统组成。主拖动系统的调速方式有以下四种：最原始的是利用人工变换皮带调速法，这种调速属于有级调速；其次是利用变极调速电机调速，这种调速也是有级调速；再者是利用电磁调速电机调速，这种属于无级调速，最后一种是交流变频调速，这种也属于无级调速。无级调速是可以连续的调速，有档位的调速方式称为有级调速。控制系统有以下两种方式：一种是利用接触器的逻辑关系来控制的，另一种是让可编程序控制器和继电器相结合来控制。当前，

17、许多工厂用的两工位钻孔攻丝组合机床都是以接触器的逻辑关系来控制的，而大多数的电气系统存在以下问题： (1) 较高的故障率，可靠性很差，然而维护检修的工作量又较大。 (2) 电气控制系统接线复杂，判断出现故障原因和查找故障都很困难，即消耗了精力又浪费了时间。 (3) 由于在不断的加工，继电器和接触器的触点频繁的接通和断开，容易造成触点的损坏或着出现接触不良等现象。 (4) 用机械方式来控制触点动作反响速度比拟慢。 (5) 继电器逻辑控制局部的功能是固定在线路中的，这样不但功能单一，而且灵活性极差。 (6) 调节速度的局部不但噪音大、效率低、体积还非常大、消耗电能也比拟多。(7) 惯性较大，调节速

18、度的局部静态性能及动态性能都不理想。2.2 PLC的介绍 2.2.1 PLC的出现及其特点PLC中文是可编程序控制器，它是一种具有微处理机的数字电子装置，专为在工业环境下可以进展数字运算的操作而设计的。它的内部有可编程序的存储器，它是用来完成计数、定时、算术、顺序和逻辑运算等操作指令的存储与执行，而且能够通过模拟式、数字式的输入与输出，来控制各种机械的运转或生产过程。可编程序控制器具有许多优点，大致可以概括为以下几个：1. 性价比高，功能较强大 一台小型的PLC内部就有几百或几千个用来编辑程序的元件供用户使用，这样可以控制比拟复杂的系统，与具有一样控制功能的继电器相比，可编程序控制器具有较高的

19、性价比。它还采用了模块化构造，这样系统的规模和功能可以根据用户的需求组合，即灵活又方便。2. 设计编辑程序简单，有利于理解和学习 编辑PLC的程序使用最多的语言是梯形图，它的表达方式和元件符号与接触器逻辑控制的原理图根本一致。梯形图的编辑语言非常直观，有利于理解和学习。熟练掌握继电接触器控制图的工程技术人员只要用几天就可以完全掌握梯形图的编程语言，并能够编辑用户所需要的程序，这也是能够迅速普及以及推广的重要原因。PLC一般情况下采用设计法来编辑梯形图程序，这种方法很简单,容易理解和学习。电气控制较复杂的系统，用可编程序控制器的顺序控制设计所需要的时间要比继电接触器逻辑系统设计少得多。PLC在运

20、行编辑完成的梯形图程序时，首先要用其它程序将梯形图程序转变成汇编语言后再去运行。 3. 体积较小，消耗的能量也比拟少当系统的控制局部较复杂时，使用PLC后，可以减少许多时间继电器、接触器和中间继电器。小型PLC的体积差不多与几个继电器加在一起一样大，这样的话控制柜的体积就可以减少原来的一半以上。由于可编程序控制器的接线要比接触器控制系统的接线少得多，一般情况下只需要用接线的端子连接外部接线即可，许多部件和配线都用不到，故可以缩短大量的安装与接线时间，使效率提高。再加上控制柜的体积减少不少，使总体的费用也大量减少。目前，有较多可编程序控制器的生产厂家，但在实际的工业控制过程中使用较多的是德国的西

21、门子、日本的三菱。4. 具有较齐全的硬件，通用性很强，方便用户的使用 现在的可编程序控制器产品己系列化、标准化和模块化了，并且还配有供用户选用的各种硬件设施，方便用户进展系统的配置，组成各种规模和功能的系统。可编程序控制器使用模块化设计了每个部件，包括输入/输出接口、CPU、输入/输出通道、电源等。PLC的带负载能力也比拟强，它可以直接驱动一般的接触器与电磁阀的线圈。确定硬件局部后，可以通过修改程序，来适应工艺条件的各种变化。 5. 工作可靠，有很强的抗干扰能力传统的继电接触器逻辑控制系统中应用了许多KT和KA，由于继电接触器控制系统局部的触点动作频繁，容易出现接触不良或烧坏。PLC利用软件取

22、代了大量的KA与KT，仅留下与I/O相关的少量硬件局部，使系统的接线可减少为原来继电接触器逻辑控制系统的十分之一到百分之一，大大降低了由触点的接触不良和损坏造成的故障。PLC采取了大量的软件和硬件措施来提高抗干扰的能力，如：输入/输出采用RC滤波器和光电藕合器进展隔离，此外，PLC本身具有良好的自诊断功能，一般PLC的平安运行时间平均可达几万小时以上，假设工业生产控制现场的干扰信号较强也可以直接使用可编程序控制器。目前，PLC是工业生产过程使用最多的设备之一。 6. 维修简单而且工作量不大一般情况下PLC本身的故障率极低，它自身还具有非常强大的自诊断能力。当PLC本身或与它相连的输入局部和执行

23、局部发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管的显示所提供的信息很快地查明故障发生的原因，假设是可编程序控制器自身的原因，此时可更换模块来一一排除所发生的故障，这样极大地提高了维护的工作效率，使故障的影响降到最低。7. 控制系统的设计、调试简单，安装方便在各种工业控制过程中PLC都可以运行。只需要在使用时将可编程序控制器得输入/输出端子与现场的各个设备相连，系统便可投入正常的运行。 用PLC所编的程序可以先用仿真软件进展仿真，如果程序无误再在实验室进展模拟调试，用开关的通断来代替信号的输入，通过PLC控制板上的发光二极管可以了解到输出信号的状态。如果控制系统的接线和安装完成以后，在现场调试时发现

24、问题可以通过修改所编写的程序来解决，用可编程序控制器控制的系统调试所用的时间要比继电接触器逻辑控制系统少得多，也简单的多。2.2.2 PLC的工作原理PLC采用循环扫描的工作方式： 1、每次扫描工作过程，输入信号采样，执行程序，然后进展刷新输出的信号； 2、在执行程序过程中，要关闭输入端口，此时假设有新状态要输入，新状态则不能被可编程序控制器读入，只有等到进展下一次扫描程序时，新的状态才允许被读入PLC； 3、PLC内部程序执行的过程分为三步：输入扫描采样，程序执行，输出刷新； 4、输入映象存放器的内容不是随着程序的执行变化而变化，而元件映象存放器是的；有以下三条原因来决定一次扫描所用的时间：

25、第一，扫描指令自身所用的时间；第二，所编指令的长短；第三，中央微处理器执行指令的快慢。由于PLC以不断循环扫描方式进展工作，存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。2.3 PLC和变频器在机床中的应用 从1996年前后，我国开场将可编程序控制器和全数字直流调速应用于两工位钻孔攻丝组合机床的主拖动和电气控制系统局部。此系统的特点如下：(1) 用可编程序控制器控制系统取代的原有的控制系统，使控制系统的配线大大减少，也比拟方便对系统进展维护，可靠性也大大提高。(2) 系统本身具有自适应功能，保证了钻孔和攻丝加工的要求。(3) 用可靠性高、编程简单且使用方便的可编程序控制器代替原来继电器控制系

26、统中大量的KA和KT，能完全无误地操作全数字直流调速系统，不但提高了加工质量还加快了工作效率。但是，全数字直流调速系统并不是没有缺点的，它的低速性能不是很好，而且所有的电气参数显示的都是用英文，这样对电气维护人员的英语水平要求较高，使维护和检修的难度大大增加。在1996年左右，交流变频器得到很大的开展，它性能也完善了许多，而且使用极为方便、可通过其外围的少数几个端子进展全*围的控制，内部还有完善的保护措施，不用在其外围线路中设计各种保护电路，所以开场尝试着将变频器运用于拖动系统。许多企业和大学研究院联合试制，将PLC和变频器成功地应用两工位钻孔攻丝组合机床上，使该机床的电气性能和各项技术指标都

27、得到了极大的改善。例如机床的调速*围宽，一般的通用型变频器都可实现0-400HZ*围内无级调速；机械特性好，节能效果显著提高，能够满足各种工艺要求，该系统的另一大优点是变频器的故障代码显示为排除故障提供了大量的信息，大大缩短了故障排除时间。目前，变频器应用在组合机床的开展趋势表现为：一是高性能：根本上所有的变频器都要求矢量掌握方式；二是易掌握性不断提高：好多变频器在构造上考虑到现场安装的要求，同时在软件上参加起动设置工具，通过用户操作从而简化调试进程；三是功能模块化以及智能化，方便了选型、安装、调试等。2.4 改造方案的选取改造方案的选取直接影响整个机床的工作情况。在选择时，要综合分析机床的总

28、体构造,多查阅相关资料，并和有关的工作人员进展讨论，最终确定方案。2.4.1系统的总体构造 根据前面的分析，改造两工位钻孔攻丝组合机床的主拖动部份一般采交流变频调速系统，控制部份采用PLC。由于变频调速系统的各种运行状况和故障情况都可以通过显示器显示，因此得到电气设计人员和维护人员的推崇和喜爱。所以在本设计中对电机的转速控制用交流变频调速技术。第三章 两工位钻孔攻丝组合机床电气控制系统的硬件设计3.1 电力拖动系统主回路设计 在该控制系统中，根据工艺的要求，共选择电机五个，其中M1作为液压电机;M2为控制凸轮电机：M3为钻孔动立头电机；M4为攻丝动力头电机；M5作为冷却泵电机。QS空气开关一个

29、，KM交流接触器六个，FU熔断器二十一个，FR热继电器五个，变压器一台。根据控制要求绘制出主回路电路原理图，如图3-1所示。 在图 3-1中，QS空气开关一般处于闭合状态，设备运行时合上空气开关 ，非工作时断开。在该控制电路中旋转闭合手动开关SA，HL3指示灯亮，之后可进展手动操作，KA1常闭触点起保护作用；断开手动开关SA之后才能闭合SB，KA1线圈得电，完成自锁同时自动指示灯亮，系统自动对工件进展加工。3.2 变频器及PLC的选型3.2.1变频器的选型 目前，变频器在我国的使用已经越来越多，通常所应用的变频器是指能适用于工业中通常所用得电机和一般的变频电机、一般情况下供电的电压是：单相22

30、0v、三相380v，频率是50hz，用来作为调速控制的变频器。由于这种变频器广泛应用在工业控制领域，所以成为变频器的主流。调速的根本原理来源于以下公式: 式中:n1同步转速(r/min); f1定子供电电源频率(HZ); p磁极对数。 在选择变频器的时候，一定要注意变频器输出电流和功率一定要等于或大于被驱动的异步电动机的电流和功率。由于变频器的超负荷能力赶不上异步电动机的过载能力，如果异步电动机出现过载现象，首先变频器就会被损坏。应用变频器前就要明白变频器的调速原理和过程与机械调速之间存在很大的区别，绝对不可以将异步电动机的机械调速局部变为具有相等功率的变频器，主要是因为功率是由转矩与转速的乘

31、积得到的。 采用机械变速时(如皮带变速、齿转变速)，假设它们的变比为k，在不改变电动机功率情况下，电机转速就会降底k倍，同时转矩就升高了k倍，这种属于恒定功率的负载。然而变频器的转速与转矩之间的关系是：当频率不高于它的额定频率时，运行过程转矩不变，电动机输出转矩也不能被提高；当频率高于它的额定频率时，随着转速的升高转矩就会下降。当电动机在运行过程中低于它的额定频率时，没有增加负载力矩，所以，当电机运行在额定频率以下时，可以根据电动机的功率大小来配置变频器的功率。一些功率不变的负载，转速较低时力矩会有所增加，然而电动机和变频器在低于额定频率时它们的电流都会被限制，也不能增加力矩，所以当用变频器将

32、电机转速调低时可能会造成电动机带不动负载。选择时一定要根据减速时增加力矩的比例，选择的电机和变频器要比原来的电机功率大。例如原来1.5kw电机，负载转矩1kgm,转速1460r/min，机械变速后转速降到720r/min，转矩就可达2kgm，但原来的电机和变频器不可能输出2kgm的转矩。因此，要改变电机和变频器都是1.52=3kw，选用标准功率3.7或4kw的电机和变频器才行。 变频器的选用型号还应根据使用要求而仔细考虑以下因素： (1) 考虑内容是使用是电网电压、所处环境条件、负载的大小以及性质。 (2) 电网电压处于不正常时，变频器可能会受害。电压过高，如对380v的线电压如上升到450v

33、就会造成损坏，因此电网电压超过使用手册规定*围的场合，要使用变压器调整，以确保变频器的平安(3) 为使变频器正常的工作，不但要配置标准的冷却通风系统，而且在选择上要有所增大，这样做是为了应对在额定运行时的温升下降。同时也考虑了，使用时温度一直较高，如果安装在不能通风冷却良好的机柜内时，则变频器寿命一定会缩短。更坏的情况是，那些电子精细器件、最典型是电容电解等器件、在大于一定的标准温度后，寿命会随着每升高10而下降一半。 (4) 使用于不同用途时，选择变频器的系列型号应作分析，对于一般用途的变频器而采用v/f常数得控制模式已可满足，但是对那些数控机床等精细传动等所对应的变频器，显然就不能满足了，

34、要采用闭环控制方式，当然也要包含对应的接口。总体来说这些变频器变化*围大，而且要求比拟高运转精度的时候，典型的是低速并且要求保持一定的速度和负载得能力，那就要选择矢量控制的方式的变频器。总体来说就要综合考虑。(5) 当变频器为降低电动机噪声而将调制频率重新设置得较高并高过出厂时设置的频率时,则会使变频器的损耗加大。设置频率越高，损耗越大，因此要适当减载，不同公司、不同系列会有差异，但趋势是相似的。如果一味增加调制频率，则会造成变频器的过热损坏，或者变频器输不出额定功率。 (6)电动机容量之和一定要小于变频器的容量，所对应的情况是一台变频器来驱动好几台电动机时候，并且只能选择v/f控制模式，矢量

35、控制模式不予采用。(7) 能够比拟正确地运用矢量控制的方式，则驱动前，对应的变频器对这些电机的一些参数进展自动输入或者自动识别还是有必要的。 矢量控制方式却只能对应一台变频器而驱动一台电机，电动机的额定电流一定不能太大于在实际运用的电流(不低于变频器额定电流的1/8)。 通过对各主要生产厂家的产品的性能价格比分析，选用*富士电机公司的变频器。富士的变频器有以下4种控制方式： (1) 无PG脉冲编码器矢量控制。 (2) 带PG 矢量控制。 (3) 无PG V/f控制。 (4) 带PG V/f控制。V/f 是压频比的缩写，变频器一般用 PG 作为速度反响装置，来实现速度闭环控制，其效果比测速发电机

36、好得多，并且价格适中，安装方便，测量精度完全能满足要求。矢量控制分别独立控制磁场电流和力矩电流，可以像直流电动机调速一样，对电磁力矩进展控制。对调速*围要求不高的主拖动系统，可以选择无 PG 的开环控制。调速*围要求宽的系统，应选择速度闭环控制。带 PG 矢量控制方式的调速*围宽广，速度控制精度高，可以用于各种伺服驱动、高精度速度控制和力矩控制。但是带有 PG 矢量控制功能的变频器的价格相当高，其价格是没有这一功能的系列的价格的1.5倍。为减少本钱，并且钻孔攻丝机床对于速度的要求不是太高，所以可以用开环控制方式。基于一上各种因素，本次设计决定选取变频器的型号为FRENIC-MEGA系列无PG

37、V/f控制方式。3.2.2变频器参数的设置 本次选取的变频装置是用于控制三相异步电动机的变速运转装置。变频器在控制时只要对其参数进展设定即可，钻孔攻丝组合机床所用的参数设置如下：1 F00设置为3。功能为有数据保护，有数字设定保护。2 F01频率设定为1。功能为模拟电压输入DC010v。3 F02设置为1。外部信号时，运转，操作。3.2.2 PLC 的选型PLC的电源应选择220VAC电源，与国内电源电压一致。根据所需的 PLC 的输入/输出点数，并留有一定的余地。选择PLC时，应该考虑性能价格比，输入输出点数对价格有直接的影响，每增加一块输入输出卡件就需要增加一定的费用，所以在估计和选择时应

38、充分考虑这一点。本次设计的机床所用的输入为10点，输出为13点，选择 PLC 的根本单元的型号为 F*2N-32MR-001，输入输出点数总和为32，其中16点输入，16点输出，M是根本单元，R表示继电器输出，001表示适用于中国，选用该型号的PLC已足够。3.3 控制柜及控制面板的设计3.3.1控制柜的设计 根据控制局部的电路原理图和所需要的的电气元件来组装电气控制柜。在组装过程中元件的排列顺序一定要合理，否则会使控制系统杂乱无序，操作和检修都很困难。 由于可编程序控制器是整个控制系统的核心局部，且在运行过程中会产生热量，所以将可编程序控制器放在控制柜的左上角，装在这个位置除了有利于程序的读

39、写之外，散热效果还非常好，降低了PLC工作时产生的热量。在电气控制原理图中，电气元件的连接是有一定顺序的，通常是按照以下顺序排列的：保险、空气开关、接触器、中间继电器、所以只需将上述原件按次序排列。由于变压器和变频器的体积和重量都较大，所以在安装时将其安放在控制柜的中间位置。与外界相连接的输入输出端子要放在柜子的下侧，这样有利于这些端子与外界的导线相连。另外输入、输出的端子的数量要多些，以便为公共端留下位置。 在选线时，为了易于区分，主电路的配线全部选用黑色。并且线的型号要根据所带电动机的功率选取，而且还要留有一定的余量，防止当有较大电流流过导线时，导线承受不了而烧坏。在控制回路中，火线采用红

40、色的；零线采用蓝色的；可编程序控制器上的输入、输出为信号线，一般选用细蓝线就可以；地线用黄色的。 在接主电路的线路时，一定要将线头压紧，因为主电路产生的电流很大，如果线头压的不紧，当通电时可能会因为产生的电火花而使该点烧坏。在接PLC的输入/输出线时一定要小心，因为这局部的线很多，如果因粗心而将线接错会给调试带来很大的困难。在接PLC的输出线时一定要注意以下因素： 输如局部的+24V电源端子不能与外界电源相连，否则会造成PLC的烧坏。 (1) 输出局部的黑点端子代表内部公共端子，一定不能与外部相连，否则可能损坏PLC。 (2) 在配接触器和中间继电器的线时一定要分清常开、常闭、线圈端子的位置，

41、如果不清楚一定要查询说明书，切不可凭感觉而接线。根据电气原理图和以上的接线要求，将配电柜即可安装好。3.3.2控制面板的设计 本控制面板是根据加工工艺的过程以及机械生产过程对机床性能的指标要求，利用可编程序控制器设计开发的，整个控制过程的设计用的是梯形图程序的顺序控制设计法来完成的。控制面板设置了电源的启动和停顿自动手动选择开关及对应的指示灯，各种控制按钮等输入输出信号。这个控制面板有利于操作者灵活方便地控制机床的各种动作，实现了机床的手动操作，该控制面板还可以显示机床的各个工作状态。在配置控制面板时，首先根据机床的功能确定所用按钮的型号及数量。其次，要根据PLC的地址表及控制柜上的接线，将相

42、应的线引到控制面板上的控制按钮上。在接线时要严格按照地址表进展，否则会造成控制按钮所示功能与机床的实际功能不符。另外，在配线时，还要留出备用的线，因为操作面板上的信号线是最容易坏的，以便在更换导线时可以方便的进展。为了屏蔽外界信号的干扰，在连接控制面板和控制柜的接线时，要选用电缆线，并且要给相应的导线用导线管标出线号，以方便检修。控制面板局部信号功能介绍: 总停：该按钮控制着整个操作过程的电源的接通和断开，当控制柜上电后，往上拉下该按钮，控制面板控制操作过程上电;当遇到紧急情况时，按下该按钮，操作过程会立即停顿运动。 电源指示：当翻开操作面板上的总停开关时，电源指示灯亮。表示系统已经上电，可以

43、进展加工操作。 手动-自动：该按钮在手动时，可以单独的对机床的单个动作进展操作；在自动时，按下SB系统启动，即可完成所有的机床动作。图3-1 两工位钻孔攻丝组合机床主电路图3.3 I/O 分配I/O的分配有助于我们更好的理解工作过程，使编程简单易懂。表3-1: I/O分配表输入元件输入点编号输出元件输出点编号压力检测PV*000原点指示HL1Y000系统启动钮SB*001液压泵电机M1(KM1)Y001夹紧限位SQ4*002凸轮电机M2(KM2)Y002钻孔滑台终点SQ5*003夹紧电磁阀YV1Y003钻孔滑台原位SQ2*004钻孔动力头M3(KM3)Y004攻丝工位SQ6*005工作台右移电

44、磁阀YV2Y005攻丝滑台终点SQ7*006攻丝动力头电机M4正转(KM4)Y006攻丝滑台原位SQ3*007制动DLY007钻孔工位SQ1*010攻丝动力头电机M4反转(KM5)Y010放松限位SQ8*011工作台左移电磁阀YV3Y011液压泵启动SB1手动控制放松电磁阀YV4Y012凸轮电机启动SB2冷却泵电机M5(KM6)Y013钻孔SB3手动控制电源Y014攻丝正转SB4攻丝反转SB5冷却泵启动SB6夹紧SB7工作台右移SB8工作台左移SB9放松SB103.4硬件接线图的设计由两工位钻孔攻丝组合机床的加工工艺的要求可知，其加工过程为一顺序控制过程，所以可运用状态编程的思想，采用步进控制

45、法对其进展控制。虽然该控制为自动循环顺序控制，考虑到具体情况，还需要设置手动控制环节，为了减少输出点，简化程序，将按钮或转换开关接在驱动回路上，可实现各工步的手动操作。在PLC外部输出电路的电源供电线路上装设电源接触器，用按钮SB21/SB20控制接通/断开，当外部负载需要紧急断开时，只需按下按钮SB20就可将电源断开，与PLC无关。另外，电源在停电后回复，PLC不能马上启动，只有在按下启动按钮SB21才会启动。当输出端的负载短路时，PLC的输出元件和印刷电路板将被烧坏，因此应该在输出线路中加装熔断器，熔丝电流应该选择适当大于负载电流。当输出端接的是感性元件时，要加装保护，直流输出时，元件两端

46、并接续流二极管；交流输出时，元件两端并接阻容吸收电路，这样可以抑制由于输出触点断开时电感线圈感应出的尖峰电压对输出触点的危害及对PLC的干扰，电路可选0.5W、100-120的电阻和0.1pF的电容。图3-1:PLC的外部接线图第四章 PLC 控制程序设计4.1PLC控制系统的设计流程图图4-1：PLC系统设计步骤4.2 PLC 程序设计方法4.2.1 PLC 程序设计方法概述 当今，PLC程序的设计有3种方法：经历设计法、顺序控制设计法和逻辑设计法。 经历设计法是在已有的一些典型图形图的根底上，根据被控对象对控制系统的具体要求，进展不断的修改和完善，还有反复调试梯形图，最后得到一个比拟满意的

47、结果。这种设计方法实际上是没有规律可以遵循的，设计者的能力和经历关系到整个设计的质量和所用的时间，因此这种方法一般只用于一些简单的梯形图设计。 根据继电器的电路图设计梯形图的程序是用于将继电接触器逻辑控制系统改造为可编程序控制器控制系统。在编辑程序之前要了解被控对象的加工工艺过程以及电气元件的动作情况，然后再分析继电接触器控制系统的电路图，熟练掌握这种控制系统的工作原理。将这种控制系统直接改写成梯形图，即用可编程序控制器的梯形图程序和它的外部硬件接线图实现继电接触器逻辑控制系统的功能. 顺序控制设计法也称为是步进控制设计法，这种设计方法比拟先进，不仅设计速度快，有利于程序的修改与调试，而且简单

48、易学易懂。对于那些被控对象的控制系统比拟复杂的，使用这种设计方法可以节约大量的时间，设计效果相当不错。4.2.2 顺序功能图的介绍 SFC为顺序功能图简称，它是采用顺序控制设计法的思想来描述控制系统的整个控制过程、特性和功能的一种图形，也是一种经常使用的技术语言，是设计可编程序控制器的顺序控制程序的工具之一，可以供不同专业的人员之间进展编程方面的技术交流之用。SFC主要由步、动作、有向连线、转换条件、转换5个根本要素和组成。1. 步把控制系统的一个工作周期分成假设干个按顺序相连的局部，每一个局部称为步。它是根据输出量的状态划分的，一般表示*一个执行元件的状态变化，可以用编程元件(例如状态存放器

49、S和辅助继电器M )代表各步。在任何一步工作时，步内的输出量ON/OFF状态保持不变，但是工作步与相邻两步的输出量状态总是相反的。采用这种方式使编程元件运行状态与输出量运行状态之间的逻辑关系变得极为简单。在SFC中用一个方框表示一步，一般情况下用表示该步的编程元件的元件号作为这一步的代号。 2. 初始步 初始步就是与控制系统的初始状态相对应的步，是整个控制系统运行的起点。初始步用两个方框表示，每一个控制系统至少要有一个初始步。 3. 工作步 根据系统是否正在执行，每一个工作步都是有两种状态的：活动步和静止步。活动步就是系统正在运行的阶段，如果步处于活动状态下，则与步相应的动作都被执行；静止步就

50、是指当前没有运行的步，处于静止步时，与步相对应的不具有存储功能的动作会被停顿执行。 4. 有向连线 在绘制顺序功能图时，按控制顺序把表示各步的方框排列起来，并用带有方向的线段将它们连接起来。控制系统的工作过程在顺序功能图中的进展方向一般都是从上到下或从左至右，按照这两个顺序的有向连线上的箭头可以不画。 5. 转换 用一个有向连线来表示转换的方向，用有向连线中间的一段横线表示转换，转换实际上是将相邻的两步分开的。控制系统运行的进展是由转换来完成的。 6. 转换条件 在顺序功能图中，由当前运动步进入下一步的条件称为转换条件，它可能是可编程序控制器内部产生的信号，也可能是外部的输入信号；如控制按钮、

51、定时器、限位开关的常开触点的接通等，另外转换条件还有可能是许多个信号的逻辑控制组合。 利用转换条件来控制表示每一步的编程元件，使它们的运行状态按设计好的顺序变化，之后用表示各步的编程元件来控制可编程序控制器的各种输出量，这是顺序功能控制的重点之一。4.2.3在 SFC中实现转换的根本规则 1. 实现转换的条件 在SFC中，控制系统运行状态的进展是由实现转换来完成的。完成转换必须同时要满足以下两个条件：第一是此转换所有的前级步是活动步；第二是满足活动步与下一步之间的转换条件。 2. 实现转换完成的局部 有向连线上端或左端由活动步变为静止步，有向连线下端或右端由静止步变成活动步。实现转换的根本规则

52、是根据利用SFC设计梯形图，在该梯形图中，使用表示每一步的编程元件来代表每一步，当*一步为活动步时，与这一步相对应的编程元件的状态置1。4.2.4 程序设计方法的选择用顺序控制设计法设计出的程序很容易调试、修改和阅读，而且设计简单，对于控制要求很复杂的系统，使用该方法可以节约大量的时间，获得满意的设计效果。顺序控制系统的程序设计常用方法有四种：逻辑方程法、步进控制法、位移控制阀和以转换为中心法，本次设计采用的是步进控制法。步进梯形指令简称为STL指令，在可编程序控制器中RET指令是使STL指令复位的。利用STL与RET这两条指令，可以很容易地编制出顺序控制的梯形图程序。SFC中的每一步都一段程

53、序与之相对应，每一步都是独立的，与其他各步都不相连。在运行过程中，活动状态转移到下一步，上一步就会自动复位。4.3 机床加工工步顺序表在整个加工过程中，组合机床按照一定的顺序进展加工，组合机床的加工工步顺序如表4-1所示：表4-1：机床加工工步顺序表工步1234567891011通电启动液压泵各局部在原位进展夹紧后启动机床凸轮电机钻孔加工钻孔滑台退原位工作台右移到攻丝工位攻丝加工攻丝滑台到终端制动延时0.3s攻丝工作头反转后退攻丝滑台到原位延时3s工作台左移工作台到钻孔工位放松放松完成原位指示灯亮输入及检测元件液压压力检测PV1钻孔工位SQ111111钻孔滑台原位SQ211111111钻孔滑台

54、终点SQ51攻丝滑台原位SQ31111111启动按钮SB1夹紧限位SQ41111111攻丝工位SQ61111攻丝滑台终点SQ71放松限位SQ811驱动元件液压泵电机M11111111111凸轮电机M21111111夹紧电磁阀YV11111111钻孔动力头M31冷却泵电机M511111工作台右移电磁阀YV21攻丝动力头电机M4正转1攻丝动力头制动DL1攻丝动力头电机M4反转1工作台左移电磁阀YV31放松电磁阀YV41原位指示HL1114.4顺序功能图的设计 顺序功能图是一种容易理解，易于构思的设计程序的工具之一，它有着流程图的直观，又有利于比拟复杂的逻辑控制系统的分解与综合，它具有以下几个特点：

55、 1、可以将复杂的控制过程分解成假设干个简单的程序； 2、各工序的任务明确而具体； 3、各工序间的联系清楚，工序间的转换条件直观； 4、容易理解，可读性很强，能清晰的反映整个控制过程，能带给编程人员清晰的编程思路。以下便是该设计的顺序功能图，见图4-2：图4-2 顺序功能图4.5 梯形图设计梯形图的设计整体反映了编者的思想，使我们更清楚的理解程序的作用及用途，它是由状态图进一步转化而来，结合PLC控制将会使程序浅显易懂，以下便是该设计的梯形图：原理：系统上电后，给M8002一个初始脉冲，使M8002变成ON状态，激活初始步S0,辅助继电器M01变为ON状态；S20变成活动步，自动启动液压泵电机

56、M1并保持，当钻孔滑台在原位, 工作台在钻孔工位,攻丝滑台在原位，夹具在放松限位(即SQ2、SQ1、SQ3、SQ8动作)，并且液压系统压力正常，压力继电器PV动作时，S21变成活动步，原点指示灯HL1亮，将要加工的工件放到工作台上，之后按下系统启动按钮SB，S22变成活动步，夹紧电磁阀得电并保持，夹具由液压系统控制着将待加工工件夹紧，当夹紧限位SQ4动作即说明工件已经被夹紧，紧接着S23变成活动步，控制凸轮的电机M2启动运转并保持，钻孔动力头电机M3得电并保持，冷却泵电机M5也启动运转并保持，钻孔滑台是由控制凸轮的电机M2运转前移进展钻孔加工的。当SQ5动作时说明钻孔滑台已到达终点，此时S24

57、变成活动步，钻孔滑台由凸轮控制着自动后退，同时钻孔动力头电机M3复位停顿。等到钻孔滑台回到原位SQ2后，S25变成活动步，右移电磁阀YV2得电，工作台由液压系统控制着右移，当SQ6动作时说明工作台已到达攻丝工位，此时工作台停顿右移。接着S26变成活动步，启动攻丝动力头电机电机M4正转，同时攻丝滑台由凸轮控制前移，进展攻丝加工，当攻丝终点限位SQ7动作时，S27变成活动步，制动电磁阀DL得电，攻丝动力头开场制动，同时计时器T1开场计时，0.3S后S28变成活动步，M4开场反转，同时攻丝滑台将自动后退。退到原来的位置时，SQ3动作，S29变成活动步，凸轮电机M2复位停顿，冷却泵电机也复位停顿，同时

58、计时器T2开场计时，3S后进入S30步，控制工作台向左移的电磁阀YV3通电，工件台开场左移，同时加紧电磁阀复位，钻孔工位SQ1动作时左移停顿，放松工件的电磁阀得电后开场放松工件，当放松限位SQ8动作后，停顿放松。原位指示灯亮时即可取下工件，整个加工过程到此完成。4.6程序的仿真本次对程序进展仿真采用的是与G* Developer编程软件相对应的G* Simulator 6-C仿真软件。具体过程如下：按下梯形图的逻辑测试启动按钮后，PLC开场写入，当完全写入后，开场进展测试，内部给M8002一个初始脉冲，满足转换条件，SO置1.步进指令SO也置1.当M1满足转化条件时，S20步变成ON状态，SO

59、步变成OFF状态，此时液压泵得电并保持。 手动闭合*000、*010、*004、*007、*011，使转换条件满足，S21步变成ON状态，S20步变成OFF状态，但是在S20步中表示液压泵的输出Y001由于有SET指令，一直保持ON状态。在S21步中表示原点指示灯的Y000得电。 按下启动按钮*001，S22步变成ON状态，S21步变成OFF状态，这时候表示夹紧电磁阀的输出Y003通电并保持。 当表示夹紧限位SQ4的*2闭合时，S23步变成ON状态，S22步变成OFF状态。此时，冷却泵电机、钻孔动力头电机、控制凸轮电机都得电并保持。 表示钻孔滑台终点SQ5的*4闭合后，S24步变成ON状态，S

60、23步变成OFF状态，但冷却泵电机、控制凸轮电机仍然运动，由于S24步中有一条让Y4复位的指令RST Y004，所以Y004的状态变成OFF。 钻孔滑台到达原位SQ2,也就是*4闭合，S25步变成ON状态，S24步变成OFF状态。工作台开场右移。 以下仿真局部不再一一解释,在仿真过程中，输入局部的信号都是有开关的通断控制，假设输出状态是ON时，程序中就会有蓝色表示。这次仿真不仅是对程序的一种检测，还使我对整个控制过程有了进一步的了解。第5章 机床调试5.1 机床调试的工作过程5.1.1 调试准备根据相关的资料和技术指标完成实际操作的主电路与控制回路之间的接线,一定要保证接线没有错误;按照设计对