基于PLC的数控车床电气控制系统设计毕业论文设计

（（word）优秀论文未经允许审核通过切勿外传数控机床是一种机电一体化的数字控制自动化机床。早期的数控机床是依靠继电器逻辑来实现相应的功能。由于继电器逻辑是一种硬接线系统，布线复杂，体积庞大，更改困难，一旦出现问题，很难维修。这样的系统，其可靠性往往也不高，影响正常的生产。本文正是针对这一问题展开工作的。本文介绍了用三菱 FX2N微型可编程控制器对CK9930机床的电气控制部分的改造设计，重点阐述了数控机床 PLC的功能、机床的电气控制原理及相应的PLCPLC控制程序的开发过程。根据数控车床所承担加工任务的特点，可知其操作过程比较复杂。要用PLCPLC及其控制模块和相应的执行元件加以组合。所以在该控制程序的开发过程中，采用了模块化的结构设计方法。本文主要完成了主轴控制、坐标轴控制、自动换刀控制、定时润滑控制以及报警处理等功能的PLC控制程序的开发。并且利用FXGP_WIN-C软件编写了该机床的PLC控制程序，并借助其运行、监控功能，通过相关设备，观察了程序的运行情况。关键词：PLC控制，数控车床，梯形图I第一■章概述 1数控系统的工作原理 112PLC3PLC3PLC3PLC4第二章数控车床的PLC,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 5PLC的信息传递5PLC的功能,6PLC6PLC6PLC实现车床电气控制系统的功能7PLCCK9930数控车床电气控制分析车床主要结构和运动方式车床对电气控制的要求101111第四章PLC控制程序的设计12PLC12

，,,,,,， 8999II.PLC12PLC程序的模块化设计12输入输出分配12

154.4.1154.4.2164.4.3164.4.4174.4.5174.4.6184.4.7184.4.8194.4.9194.4.102121

梯形图总体框图,,,,,,,,,,,,,,,,,,公用程序,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,回原点程序主轴控制程序,,,,,,,,,,,,,,,,,,,坐标轴控制程序,,,,,,,,,,,,,,,,,,报警处理程序,,,,,,,,,,,,,,,,,,,定时润滑控制程序冷却程序,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,自动换刀控制程序需要说明的问题梯形图程序的调试21本章小结山.结 22论 文参 23献V第1 章概述CK9930型数控车床配备的是华中I型数控系统，是一种比较老式的小型简易经济型数控系统。随着数控技术的不断进步与发展，这一数控系统已不能满足加工要求，本课题就是对现有的CK9930数控车床所进行的改造项目的一个组成部分。主要是车床电气控制部分进行改造。车床电气控制系统是控制车床各部分的工作、协调完成车床加工任务的核心部PLC继电器--接触器控制方式。数控系统的工作原理国际信息处理联盟对数控机床做了如下定义定义：数控机床是一种装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序。这里所说的程序控制系统就是数控系统(NumericalControI,NC数控系统都是以计算机作为控制中心，所以称为计算机数控(ComputerizedNumericalControl,CNC)。数控系统的组成CNC1.1所示，CNCCNC控制器，操作面板输入设备

T

CN控制器可编程控制器PLC *主轴控制单

主轴电动机•输出设备 —打印机显示设备

控系统软件

*电气控制单元 机床 ｛电器*速度控制单元进给电动机位置检测

1-1CNC系统的一般结构框图6PAGEPAGE16虽然数控系统种类繁多，但其的基本原理都是相通的。即都是通过运算器进行插补运算，然后对进给轴进行闭环控制，实现机床的数控功能。进给系统控制进给系统的控制大多是通过控制步进电机来实现的。步进电机是一种在外加电脉冲信号的作用下一步一步地运转，将电脉冲信号转换成相应角位移的机电元件。其角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入同步，控制输入脉冲的数量、频率及电机绕组通电顺序，便可获得所需的转角、速度及转动方向；无脉冲输入时，在绕组电源的激励下，气隙磁场使转子保持原来的位置状态。利用这一原理，便可实现加工时纵、横向的进给，并可获得较高精度。开关量控制数控机床的开关量信号控制是通过PLC来完成的。机床的各开关量可通过10口进行信息交换。由于10口可输入信号和输出信号，其输出信号经过逻辑译码电路转换成多路的输出信号，可实现主轴电机、冷却及主轴变速等的控制； 输入口可接受行程限位开关暂停、主轴同步脉冲、选刀回答等信号。从而实现各种状态的检测，最终实现机床的各开关量控制。主轴控制数控系统只对主轴系统进行开关控制。数控装置通过PLC对主轴系统进行起停控制。PLC的硬件与工作原理PLC简介可编程序控制器（ProgrammableController）简称PC,为了不与个人计算机（也简称PC）混淆，通常将可编程序控制器称为 PLC它是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。目前，PLC已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中，成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制装置，并被公认为现代工业自动化的三大支柱(PLC机器人、CADCA)之一。与一般微机控制系统最大的区别是，PLC应能力和广阔的应用范围。PLC的基本结构PLC也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。PLC硬件系统的基本结构如图1.2所示。现场输入开关元件 PLC主控单元 现场被控执行器1-2PLC的基本结构示意图PLC勺软件系统则包括系统软件和用户应用软件。从广义上讲，可编程序控制器PLC一般的计算机具有更强的与工业过程相联接的接口，以及具有更直接的适用于工业控制要求的编程语言。PLC的工作原理PLC勺工作过程PLCh电后，就在系统程序的监控下，周而复始地按一定的顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行，这个过程实质上是按顺序循环扫描的过程。执行一个循环扫描过程所需的时间称为扫描周期，其典型值为工作过程如图1.3所示。1-3PLC的工作过程

1 100msPLC勺用户程序的循环扫描过程PLCCPU勺操作模式有关。CP有两个操作模式：STOP莫式和RUN模式。在扫描周期内，STOP!RUI模式的主要差别是：RUI模式下执行用户STOP!式下不执行用户程序。PLC寸用户程序进行循环扫描可分为三个阶段进行，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。2PLC在数控车床中，位置控制是由位置控制器来实现的。而其它的大部分动作即辅助机械动作的控制如主轴启停、换向，换刀控制、冷却和润滑系统的运行以及报警监测等功能则可由可编程控制器(PLC)来实现。PLC勺信息传递通过PLC来实现车床电气控制系统的各项功能，需要将各种控制和检测信号通按钮和检测元件输入PLC再通过PLC内部程序的运算将结果输出到各种执行设备，完成电气控制系统对于车床的控制。所以就涉及 PLC与数控装置、机床之间的信息交换。可编程控制器与CN(机床的强电、CN数控装置10口的联接可归纳为下列三部分：PLC俞入输出端与机床面板信号联接CNC数控机床操作面板上有按钮、旋钮开关和指示灯等，按钮、旋钮开关直接与可编程控制器的输入端接线柱相连，指示灯直接与

PLC输出端接线柱相连。PLC俞出端与机床强电信号联接PLCCN(机床中的主要作用是控制强电部分，如：架电机正转、润滑电机等。每个电机的运行程序控制逻辑都固化在机床操作面板开关和数控系统软件的控制。PLCCN10口的联接

PLC中，受可编程控制器输出端的通断是由其输入端通断状态及梯形图程序决定的，CNC床数控装置与可编程控制器的联接是通过软开关直接控制 PLC输入端的PLC10情况：10PLC完成相应的动作；另一种是检测PLC10口是输入信号，数控装置根据输入信号的性质做出相应的控制。PLC勺功能PLC对辅助功能的处理目前，数控机床程序中，有关机床坐标系约定、准备功能、辅助功能、刀具功能及程序格式等方面己趋于统一，形成了统一的标准，即所谓的 CNC机床ISO4种功能：一种是准备功能，即所谓的G代码；第二种是辅助M代码；第三种是刀具功能，即所谓的TS代码。其中，G功能主要与联动坐标轴驱动有关，是通过CPU控制数控装置I0接口实现；MT功能与刀具的选择和补偿有关。⑴M功能的处理MM02（程序停止）、M03（主轴顺时针旋转）、M04（主轴逆时针旋转）、M05（主轴停止）、M06（准备换刀）统本身的硬件和软件来实现，PLC相结合来实现。⑵T功能的处理在PLCh实现的主要是刀具选择。当遇到包含某个刀具编码的换刀指令时 ，对应的数控装置10口变成高电平数控系统将T代码指令送给PLC,PLC经过译码令进行译码后，检索刀号，然后控制换刀装置进行换刀。⑶S功能的处理S，常用的有代码法和直接指定法。代码法是S，，而是机床主轴转速数列的S，S1500表示主轴转速是1500rmin。PLC的控制对象数控系统可以分为两部分：控制伺服电动机和主轴电机动作的系统部分 和控制辅助电气部分的PLC数控机床PLC主要完成数控机床的顺序控制，包括对NG机床及操作面板传来的信号进行处理，实施急停及超程信号的监控，并且完成主轴、刀架、冷却、润滑等功能的控制。①操作信号处理接收操作面板上的信号和NC部分传来的数控信号以控制数控系统的运行。②主轴控制控制主轴的启动、停止及正反转。③坐标轴控制控制坐标轴的伺服驱动及限位开关等。④换刀控制实现对程序换刀的控制。⑤冷却控制实现程序控制冷却的启动、停止。⑥润滑控制实现定时润滑的控制。PLC实现车床电气控制系统的功能从本质来讲，基于PLC的机床电气控制系统对机床的控制思路仍然与继电器-接触器控制系统是一致的。只是在控制手段上采用了先进的控制设备。PLC控制系统其优点在于根据加工工艺要求的不同相应的修改程序就可以实现。车床电气控制系统属于广泛的应用系统，不针对特殊的加工工艺，因此PLC的程序只需要相对每个控制按钮发出的信号，做出相应的动作即可。PLC来实现车床电气控制系统的各项功能，需要将各种控制和检测信号通PLCPLCPLC的2-1。图2-1PLC 车床控制系统分解图PLC弋替继电器--接触器控制方式的优越性PLC进行控制后，可维护性好，基本上无需维护。⑵可靠性高PLC的平均无故障工作时间高达300000 chart);梯形图(Ladderdiagram)；⑶功能块图(Functionblockdiagram)；⑷指令表(Instructionlist);结构文本(Structuredtext)。该标准中有两种图形语言一一梯形图（LD）和功能块图（FBD,还有两种文字语言一一指令表（IL）和结构文本（ST）,顺序功能图（SFC是一种结构块控制程序流程图。同其中，梯形图是使用的最多的图形编程语言，有PLC第一编程语言之称。梯形图采用类似于继电器触点、线圈的图形符号，容易理解和掌握。梯形图常被称为程序，梯形图的设计称为编程。梯形图也很适合于开关量逻辑控制。本文也采用梯形图进行程序的编制。4.1.2 PLC程序设计步骤4-1PLC控制系统设计与调试的一般步骤。PLC程序的模块化设计由于车床的操作过程复杂，机加工控制对象每一工作循环周期的控制关系比较复杂，因此，如果将各种控制程序“混合”在一起设计，则各程序间必然会相互“牵连”，从而使设计的难度成倍增大。为此作者决定在PLC用户程序程序设计中，采用模块化设计思想，即对系统按照控制功能进行模块划分，将不同功能的程序放在不同的模块中设计，依次对各控制功能的模块设计梯形图。这样，使得每一部分的程序都可以单独设计和修改，也就是说设计和修改某一部分程序时，不必担心会对另一部分程序造成影响。程序结构清晰，便于调试，还可以根据需要灵活增加其他控制功能。本次设计中，综合车床的特点，在开发该机床的 PLC控制程序的过程中将PLC程序划分为7个模块，即公用程序模块、主轴模块、坐标轴控制模块、润滑控制模块、自动换刀模块、报警模块和冷却控制模块。输入输出分配10分配表。10分配表是设计梯形图程序的基础资料之一，也是PLCPLC4-1输入输出设备与PLC输入输出端子分配一览表输入端输出端输入设备输入端子号输出输出端子4-1输入输出设备与PLC输入输出端子分配一览表输入端输出端输入设备输入端子号输出输出端子旋钮开关X0—X13循环启动Y0循环启动按钮X14进给保持Y1进给保持按钮X15单段Y2单段按钮X16机床锁住Y3机床锁住按钮X17快进Y4主轴正转按钮X20主轴正转Y5主轴反转按钮X21主轴反转Y6主轴停按钮X22主轴停Y7X向退按钮X23X向退Y10X向进按钮X24X向进Y11Z向退按钮X25Z向退Y12Z向进按钮X26Z向进Y13快进按钮X27NC报警Y14急停按钮X30超程报警Y15超程解除按钮X33X回参考点Y16Z正向行程开关X34Z回参考点Y17Z反向行程开关X 正向行程开关X反向行程开关X35X36X37进行润滑润滑故障报警换刀完成Y20Y21Y22冷却开按钮X40刀架正转Y23冷却关按钮X41驱动指示Y24润滑电机起动按钮X42润滑电机起动按钮X42冷却开Y25润滑油路压力继电器X43X轴驱动使能Y261 4号刀到位X44—X47Z轴驱动使能Y27换刀按钮X50在本次程序开发过程中采用的是FXGP_WIN-C编程软件。FXGP_WIN-C是在Windows操作系统下运行的FX系列PLC的专用编程软件，操作界面简单方便，该软件中可通过梯形图、指令表及 SFC符号来编写PLC程序。创建的程序可在串行系统中与PLC进行通讯、文件传送、操作监控以及完成各种测试功能。梯形图总体框图4-2PLC程序、冷却程序、自动换刀控制程序八个部分。4-2PLC程序总体结构最大限度地满足被控对象的控制要求，是 PLC应用程序设计的一大原则。在构思出这个程序主体的框架后，接下来就是以它为主线，逐一编写各子程序公用程序4-3

图4-3 公用程序在正式进行数控加工之前，刀架应当先回零，回零之后刀架在机床坐标系中的位置就定下来了。ub"■rtH X IJRS1 旳帕 ]一11 RST蚀] [RSTM14图4-4 回原点控制梯形图4-4所示为刀架自动回原点的梯形图。拨开回原点起动按钮X12，M14ON,XZXX36ONZZ向限位处时，X34ON,ZM14复位。这时原点条件满足，M0ON，在公用程序中，初始步M0被置位，为以后的工作做好了准备。17PAGEPAGE19444 主轴控制程序X21数控机床主轴控制包括主轴正反转控制和主轴停转控制等。X21反转反转Y6X22主轴停Y7图4-5 主轴控制流程图恥35 X030—1卜XD37

{M11O)XD2

XQ22W1 M1D0

,M100)I：-

0卄MI卜X021

HH ＜哺)Q0 M3n0

(TO

K50〕做 53DTO22

(弋为){T) 俶)35- (W7)图4-6 主轴控制梯形图在梯形图中，主轴正、反转之间有逻辑互锁关系，以免控制功能切换时发生故障。除此之外，必须采用PLC内部的时间继电器进行延时控制，否则会造成正、转接触器同时接通而引起电源短路。这是因为 PLC执行程序的速度要比接触器动作速度快得多。程序中用定时器 T0和T1来完成5s的转换延时。另外,还利用PLC内部的辅助继电器M03和M04作为正反转控制的辅助继电器。坐标轴控制程序坐标轴控制设计的核心是围绕坐标轴驱动允许而展开的程、驱动故障、坐标轴紧停、坐标轴正常停止等的控制。一方面为标轴可以运动的信号，另一方面又控制着电机运行。对驱动器使能、监控硬限位和参考点碰块等的控制逻辑为：

[10]。它包括超PLC给出坐限位开关 超程自保持复位 驱动故障超程 驱动允4.7

驱动允许紧停 轴停坐标轴控制逻辑设计20图4-9 一种可能的坐标轴运动流程图报警处理程序21在PLC控制系统发生事故、故障时都应发出报警信号，一般是声光报警信号。此处用PLC基本逻辑指令实现报警功能,其梯形图如图4.10所示当反向行程开关X35X37被碰到时，继存器M13接通。同时，特殊继存器M8013周期性的通断，与之相连的报警指示灯闪烁，当按下“超程解除” 按钮X33,继存器M12接通，报警指示灯熄灭。另外，当反向行程开关接通报警后，将会控制整个机床停止运动。说明：行程开关又称限位开关，用于控制机械设备的行程及限位保护。将行程开关安装在预先安排的位置，当运动部件上的挡块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。定时润滑控制程序对于机床润滑系统的改造可加装润滑泵，通过设定润滑时间的方法进行，这样可降低手工润滑的劳动强度，提高设备可靠性。正常情况下按规定的时间间隔周期性自动启动，每次按给定时间润滑。润滑系统的控制过程如下：在正常工作时，按下润滑电机起动按钮后，系统即开始进行润滑，运行10秒后停止，停止30分钟后重新开始进行润滑，如此循环往复下去。同时，PLC还对润滑系统的状态进行监测。PLC在润滑系统开始进行润滑后即通过润滑油路压力继电器检查润滑油路中润滑油的流动是否正常，若压力继电器530时如果油路中还有油，说明油路有泄露。在这两种情况下，PLC都会报警，润滑就22会停止定时润滑的控制流程如图4-11否是是否图4-11 定时润滑控制流程图使用FXGP_WIN-软件编写的梯形图程序如图4.12M?S卄噬 T5II E*^17017 卄

L12Sme

<15 KIDOJMF

K50 )W0 K180C?：■-W-17

0)K50{XQ21)1836

图4-12 润滑控制梯形图冷却是根据加工任务来选用的，通过操作面板上的冷却启动和停止按钮来进行控制。在急停生效时，冷却输出禁止。23图4-13冷却控制梯形图自动换刀控制程序数控机床要求能够准确、快速地换刀。为提高换刀的效率和定位精度，满足在一次装夹下完成多工序加工的需要，采用电动刀架替换原有的手动刀架。电动刀架可实现刀架的自动回转和自动换刀，因而可提高加工效率和刀具的重复定位精度。此处选择结构简单、体积小、刚性好、价格便宜的四刀位电动刀架。另外，采用电动刀架，也可使机械结构简单，省去大量液压管路。选用自动转位电动刀架，刀架上同时安装四把不同的车刀，可在一个工序中依次用四把车刀自动完成几个表面的加工。这对于加工形状复杂、加工表面较多、相对位置精度要求较高的零件是特别适宜的。自动换刀的控制流程如图4.14。是否是否4-14自动换刀控制流程图该控制的设计充分利用了PLC具有丰富的数据功能指令的优点，用数据指令来进行判断比较。假设T0，T1为待换刀号。数据寄存器D6存放实际刀号，D5D7存放待换刀号与实际刀号的差值。CMP进行数据比较。比较结果使M仃，M18，MD5D6时，M仃接通；D5D6时，M18接通；D5D6时，M佃接通。在程D5D6中存放的值进行比较，判断是否到位。24D5=D6时，表示刀号相符；当D5D6D5—D6D8D5vD6D5—D6+4D8D8中存放的是旋转刀位数，将它作为计数器的计数值，由计数器对转过的刀位进行计数，当计数值到，表示换刀结束X050旳拠]RSICO旳拠]RSICO]1-0--06]V II05][SUB 05 0607]{CMP 防 06Ml7]L10J D7QB]{*00网07OS]U173C—Ib■字IH44X05DIH—IH

V022

2232550W46卄X1M757 <C006 )CD61 仆

{PST

(W2}他3 ]

图4-15 自动换刀控制梯形图一般而言，PLC应用程序通常还应包括初始化程序，用来将计数器进行清零、对某些输出量置位或复位等，以防止系统发生误动作。考虑到本控制系统中各模块之间差异较大，没有专门编制这一子程序，而是将这些内容穿插在相关的子程序中。梯形图程序的调试调试是PLC控制程序开发过程中的一个重要环节。所编写的用户程序在实验室进行了模拟调试，实际的输入信号用按钮来模拟，各输出量的通断状态则用有关的发光二极管来显示。在适当的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号，如限位开关的接通和断开。通过调试，确实发现了一些关键的问题，有的是对于某些指令的含义的理解存在偏差，有的是程序的结构设计不合理，还有则是对于程序在实际执行中可能现的问题考虑不周。对于调试中出现的问题逐一进行了排除 ，其中的部分程序更是“从头再来”，采取新的逻辑关系重新进行设计，经过不断的调整和完善调试中所发现的问题都得到了解决。从上述过程可以看出，程序设计完成后，调试是检验其正确性的必要手段。在调试中，对所遇到的各类问题予以处理解决，不仅对程序设计进行了检验修正，同时还可从实际运行中改进、优化、完善整个程序的设计工作26PAGEPAGE31总之，通过调试这个环节，进一步提高了程序的正确性和可靠性，也使自己对于某些指令的理解更加全面，并且学到了一些难得的程序设计经验。本章小结PLC作为先进的自动控制装置，可以应用于多种自动化控制系统中。在车床电PLC的一种典型控制。系统的设计过程也是PLC统设计思想的典型应用。在这一章中，采用模块化设计思想，分八个模块详尽地展示了 PLC控制程序的开发过程。各模块的程序设计方法也是各不相同的， PLC控制程序设计中的经验设计法、顺序设计法和继电器控制线路移植法这三种常用方法都根据不同情况有所采用。程序编写完以后，通过调试，除了可以判断程序的正误外，还能在实践中进一步提高程序的正确性和可靠性。结论实现机床数控化是我国当前正在机械行业进行的一项大的信息化工程，这对于提升我国工业装备水平有着重要的意义。所以开展此类有关机床改造的技术方案的研究从而切实有效地推进这项工程，很有意义。本文完成的主要工作CK9930PLC空制程序的开发中完成了以下工作：① 法和应用，并重点分析了该车床的电气控制电路，熟悉了被控对象的工作原理。② PLC勺工作原理、特点及控制系统的设计方法。③ PLCPLC--制方式。④为了进一步完善控制系统，在保留原有控制功能基础上，增加了自动换刀、定时润滑等功能。⑤完成了程序的修改、调试、运行等工作。⑥了解了机床数控改造的相关知识。机床的电气控制系统经过改造后，在保留原有控制功能基础上，提高了整个控制系统的稳定性和可维护性，对机械性能良好而电气控制系统落后且容易出现问题的机床来说，是一种较好的改造方案。利用PLC寸普通机床进行改造不仅提高了机床的性能，而且利用了原有的设备，节约了资源。程序设计体会：PLC3个元素：线圈、触点和时间继电器（器）。① 线圈。一般，电气控制原理都比较复杂，各部分之间的相互关系错综复杂，要想理顺整个控制过程和动作顺序相当麻烦。而线圈（无论是继电器还是接触器）在梯形图中只能出现一次，所以设计程序时要抓住它。当决定了它出现在梯形图的哪一个网络后，针对这个特定线圈的所有依属关系都要出现在这个网络内。这时只要将电气原理图中相应的触点从和连接线引入这个网络即可。②将控制原理图中的按钮开关变换为输入触点。中间继电器或接触器PLC连接好。③PLC控制梯形图设计中就恰到好处地使用它来实现或取代了一些功能，其简捷、准确的控制功能是其他控制方式所难以比拟的。通过对此项目的设计研究、调试运行，我的收获很大：①我对机床，特别是车床有了深刻的了解，对车床的工作原理、组成结构、电气控制等方面的知识进行了全面的学习。②PLCPLC术资料，为今后从事控制系统设计工作奠定了基础。训练了综合运用知识的能力，锻炼了实践操作能力。总之，有了这次的设计改造经验，我今后的学习与工作发展