基于PLC的四工位组合机床控制系统设计

本科毕业论文（设计）设计题目：基于PLC的四工位组合机床控制系统设计学院：专业：机械设计制造及其自动化班级：学号：学生姓名：指导教师：2014年5月21日贵州大学本科毕业论文（设计）诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名：日期：目录TOC\o"1-3"\h\u27435摘要 III15574Abstract IV23059第一章绪论 517299 570661.2PLC的四工位组合机床控制系统设计的目的和意义 534231.3PLC的四工位组合机床控制系统设计的国内外现状和发展趋势 625650第二章四工位组合机床原理及液压系统 820040 8111422.1.1回转台工作原理 9193872.1.2钻孔工作原理 9255952.1.3扩孔工作原理 937262.2四工位组合机床的液压控制系统 1123306第三章PLC概述与方案论证 13241693.1PLC概述 13290623.1.1PLC基本介绍 1365133.1.2PLC硬件组成 134886 17210973.2.1PLC与继电器-接触器相比较： 17200643.2.2PLC与单片机比较 1812441第四章电气控制系统硬件设计 2015297 20103074.1.1结构选择 2037124.1.2I/O点选取原则 205998 2119680 2229258 24198374.3.1PLC的详细接线图 24172804.3.2电机电气原理图 2619671 2610274 2817406 2827685 2912719第五章部分程序的分析以及程序调试结果 30213765.1以下程序段的分析： 30208495.2此次设计的程序建立以及调试结果分析如下： 3215716第六章设计总结与体会 3422633 3431281 3519968参考文献 3612817致谢 371682附录一 3826974附录二 52

基于PLC的四工位组合机床控制系统设计摘要文章以四工位组合机床为研究对象,四工位主要包括钻孔、扩孔、攻丝、机械手上下料等工位，通过对主要结构和运动形式的探究以及对机床的工作过程和控制要求分析,给出了机床动作循环图、液压元件动作表以及四工位组合机床的液压控制系统;并采用PLC控制系统的设计方法,进行了软硬件设计,列出了PLC的I/O地址分配表,绘制了PLC的I/O分配图和单循环自动工作流程图，编写PLC控制程序的梯形图和指令表;由操作面板组成的人机界面，使整个控制系统的操作变得简单，方便，大大提高了系统的自动化程度和实用性。关键词：可编程控制器(PLC)，四工位组合机床，控制系统，人机界面。

FourlabourmodularmachinetoolcontrolsystemdesignbasedonPLCAbstractCombinationmachinetoolsbasedonfourlocationastheresearchobject,Fourstationmainlyincludedrilling,reaming,tapping,manipulatorup-downmaterialsuchaslocation，andthroughthemainstructureandformofmovementofexplorationandformachinetoolsworkprocessandcontrolrequirementsanalysisispresented,themachineoperatingcyclediagram,hydrauliccomponentsactionlistandfourforthehydrauliccontrolsystemofmodularmachinetool,AndPLCcontrolsystemdesignmethodofsoftwareandhardwaredesign,liststhePLCI/Oaddressallocationworksheets,paintedPLCI/Oassignmentgraphandsingleautomaticworkflowchart,writePLCcontrolprogramladderdiagramandinstructionslist,Composedofman-machineinterfaceoperationpanel,makethewholecontrolsystemoperationsimple,convenient,greatlyimprovedthesystemautomationdegreeandpracticability.Keywords:programmablecontroller(PLC),fourlocationcombinationmachinetools,controlsystem,theman-machineinterface. 第一章绪论组合机床是针对特定工件，进行特定加工而设计的一种高效率自动化专用加工设备，这类设备大多能多刀同时工作，并且具有自动循环的功能。组合机床是随着机械工业的不断发展，由通用机床、专用机床发展起来的。通用机床一般用一把刀具进行加工，自动化程度低、辅助时间长、生产效率低，但通用机床能够重新调整，以适应加工对象的变化。专用机床可以实现的多刀切削，自动化程度较高，结构较简单，生产效率也较高。但是，专用机床的设计，制造周期长，造价高，工作可靠性也较差。专用机床是针对某工件的一定工序设计的，当产品进行改进，工件的结构，尺寸稍有变化时，它就不能继续使用。在综合了通用机床、专用机床优点的基础上产生了组合机床。组合机床通常由标准通用部件和加工专用部件组合构成，动力部件采用电动机驱动或采用液压系统驱动，由电气系统进行工作自动循环的控制，是典型的机电或机电液一体化的自动加工设备。常见的组合机床，标准通用部件有动力滑台各种加工动力头以及回转工作台等，可用电动机驱动，也可用液压驱动。各标准通用动力部件组合构成一台组合机床时，该机床的控制电路可由各动力部件的控制电路通过一定的连接电路组合构成。多动力部件构成的组合机床，其控制通常有三方面的工作要求：第一方面是动力部件的点动和复位控制。第二方面是动力部件的半自动循环控制。第三方面是整批全自动工作循环控制。组合机床具有生产率高、加工精度稳定的优点。因而，在汽车、柴油机、电机、机床等一些具有一定生产批量的企业中得到了广泛应用。目前，组合机床的研制正向高效、高精度、高自动化和柔和性化方向发展。1.2PLC的四工位组合机床控制系统设计的目的和意义目前一般企业都拥有一定数量的用继电器控制的组合机床。继电器控制方式虽然有结构简单、价格便宜的优点，但存在着接触器触点磨损快、寿命短、可靠性差等缺点。特别是在更换产品而改变动作循环时，需重新设计、安装、调试，不能适应现代生产要求。造成了这些企业的生产率低下，效益差，反过来这些企业又没有足够的资金购买新的数控车床。因此，当务之急就是对这些普通车床进行技术改造，以提高企业的设备利用率，提高产品的质量和产量。而采用PLC改造机床，可去掉了机床的中间继电器、时间继电器、顺序控制二极管及电阻，使线路简化。同时，由于PLC的高可靠性，输入／输出部分还具有信号指示，这不仅使电气故障次数大大减少，而且还能给准确判断电器故障的发生部位提供了很大的方便。控制系统可靠性好、故障率低、工艺参数调整方便等特点。因为可编程控制器的抗干扰能力强，可靠性高，且配置灵活，已在工控领域广泛应用。这不仅可以实现生产过程的自动控制，还可以构成适合工业环境的实时网络控制。

另外使用PLC控制机床电气系统后为了充分发挥设备效能，迅速提升加工技术与精度，越来越多的企业每年投入大量资金和技术对传统老式组合机床进行技术改造，取得了良好的效果。用PLC模块、变频驱动技术、操控监控设备等组成电气数字控制系统，以实现编程输入、人机交互、自动化加工的控制方式，扩大加工能力，减少故障，提高效率，已成为企业进行技术改造的有效途径。因此设计性价比较高的基于PLC的四工位组合机床控制系统设计显得尤其重要。1.3PLC的四工位组合机床控制系统设计的国内外现状和发展趋势在我国，组合机床的科研和生产都具有相当的基础，应用也已深入到很多行业。是当前机械制造业实现产品更新，进行技术改造，提高生产效率和高速发展必不可少的设备之一。组合机床及其自动线是集机电于一体的综合自动化程度较高的制造技术。在工艺装备方面；它的特征是高效、高质、经济实用，因而被广泛应用于工程机械、交通、能源、军工、轻工、家电等行业。我国传统的组合机床及组合机床自动线主要采用机、电、气、液压控制，它的加工对象主要是生产批量比较大的大中型箱体类和轴类零件（近年研制的组合机床加工连杆、板件等也占一定份额），完成钻孔、扩孔、铰孔，加工各种螺纹、镗孔、车端面和凸台，在孔内镗各种形状槽，以及铣削平面和成形面等。组合机床的分类繁多，有大型组合机床和小型组合机床，有单面、双面、三面、卧式、立式、倾斜式、复合式，还有多工位回转台式组合机床等；随着技术的不断进步，一种新型的组合机床——柔性组合机床越来越受到人们的青睐，它应用多位主轴箱、可换主轴箱、编码随行夹具和刀具的自动更换，配合可编程序控制器（PLC），能任意改变工作循环控制和驱动系统，并能灵活适应多品种加工的可调可变的组合机床。另外，近年来组合机床加工中心、数控组合机床、机床辅机（清洗机、装配机、综合测量机、试验机、输送线）等在组合机床行业中所占份额也越来越大。

由于组合机床及其自动线是一种技术综合性很高的高技术专用产品，是根据用户特殊要求而设计的，它涉及到加工工艺、刀具、测量、控制、诊断监控、清洗、装配和试漏等技术。我国组合机床及组合机床自动线总体技术水平比发达国家要相对落后，国内所需的一些高水平组合机床及自动线几乎都从国外进口。工艺装备的大量进口势必导致投资规模的扩大，并使产品生产成本提高。因此，市场要求我们不断开发新技术、新工艺，研制新产品，由过去的“刚性”机床结构，向“柔性”化方向发展，满足用户需求，真正成为刚柔兼备的自动化装备。

近年来，PLC在工业中异军突起，特别是在组合机床的运用上，它是充分利用计算机技术和电子技术与机械电子，以软件代替部分硬件，以电子器件代替部分机械传动，从而提高了机床的性能。以其独特的控制优势，广泛地应用在机械制造业中。特别是在组合机床的控制中，以其编程简单、可靠性高、功能齐全、适应性强、输出形式多样等优点，很快取代了传统的继电器控制中的主导地位。

21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。第二章四工位组合机床原理及液压系统此次设计的组合机床对零件进行钻孔,扩孔,攻丝等工序的加工,采用回转工作台传送零件,按照工艺流程分三个加工工位,并安排一个装卸工位来装卸工件，即四个工位的组合机床。

当用人工将一个工件安装在夹具上,且三个加工工位的动力头已加工完成,并退回到原位后,回转工作台自动微抬，抬起到位,回转工作台自动回转到加工位置后,自动定位夹紧.夹紧后,即向各工位发出向前主令,各工位动力头按自己的程序进行加工.与此同时回转机构自动复位,为下次转位做准备.各工位加工完成,向系统汇报完成信号.同时各工位动力头自动退回原位,回到原位后，即向系统汇报原位信号.当所有工位动力头都回到原位,装卸工位又装好了新的工件时,则系统又开始进行下一个循环的加工。该组合机床的俯视示意图如图2.1.1所示：1.工作台2.主轴3.上，下料机械手4.夹具2.1.1回转台工作原理按下回转台工作按钮后，电磁阀S01通电，使得回转台微抬，碰到行程开关SQ02，电磁阀S01,S03通电，回转台开始快速回转，当碰到行程开关SQ03，电磁阀S01,S03,S05通电，使得回转台低速回转；离开行程开关SQ03电磁阀S01,S04,S05通电，回转台反转；碰到行程开关SQ04,电磁阀S02通电，回转台夹紧；当压力继电器KP1发出信号，电磁阀S02,S06通电，回转台脱离；碰到行程开关SQ05，电磁阀S02,S04,S06通电，回转台返回；碰到行程开关SQ01，回转液压缸返回原位等待下一次循环。具体动作见四工位组合机床的控制方案顺序功能图以及液压控制系统图。2.1.2钻孔工作原理按下钻孔工作按钮，电磁阀6YA通电，钻孔工位快进；当碰到行程开关SQ12,电磁阀6YA,12YA通电,调速阀调速，钻孔工位转为工进，接触器线圈KM3通电，同时钻孔电动机启动；当碰到行程开关SQ13，电磁阀7YA通电，钻孔工位快退；当碰到行程开关SQ11,接触器线圈KM3断电，钻孔电动机停止，钻孔工位返回到了原位，具体动作见液压控制系统图。2.1.3扩孔工作原理当工作台夹紧后，S05、1DP发出信号，电磁阀10YA得电，扩孔液压杆快进，碰到行程开关S22，电磁阀10YA，13YA带电，调速阀调速液压杆工进，接触器线圈KM2通电，同时扩孔电动机启动。碰到行程开关S23，10YA、13YA断电，11YA带电，液压杆快退。碰到S21,11YA断电，扩孔工位回原位，具体动作见液压控制系统图。2.1.4攻丝工作原理

按下攻丝工作按钮，电磁阀20YA通电，攻丝工位快进；碰到行程开关SQ32,工位停止，接触器线圈KM1通电，攻丝电动机正传开始；碰到行程开关SQ33，接触器线圈KM4通电，KM1与KM4触头改变任意两相相序，攻丝电动机反转；碰到行程开关SQ34，攻丝电动机停止，电磁阀21YA通电，工位快退；碰到行程开关SQ31,攻丝工位返回原位停止，等待下次循环，具体动作见液压控制系统图。由以上分析知四工位组合机床的控制方案顺序功能图如图2.1.2所示：依次完成微抬，快速回转，慢回，反向定位，夹紧之后由相应的限位开关及控制指令完成钻孔，扩孔，攻丝三道工序，之后由下料机械手完成下料。每道工序之间存在等待时间，这要根据具体要求确定加工时序，依次重复上述步骤完成相应工件的加工。（备注：S0—S54是为了画功能图方便特意添加的辅助继电器AR对应的注释说明，不是指继电器的名称，具体详见梯形图部分。）2.2四工位组合机床的液压控制系统因为液压控制系统具有以下优点：1、可以在运行过程中实现大范围的无机调速。

2、在同等输出功率下，液压传动装置的体积小、重量轻、运动惯量小、动态性能好。

3、采用液压传动可实现无间隙传动，运动平稳。

4、便于实现自动工作循环和自动过载保护。

5、由于一般采用油作为传动介质，因此

液压元件有自我润滑作用，有较长的使用寿命。

6、液压元件都是标准化、系列化的产品，便于设计、制造和推广应用。因为此次设计的基于PLC的四工位组合机床控制系统在四个工位加工工件是受力较大，采用普通的电气系统在此工况下加工误差较大，结合以上液压控制系统优点，因此此次设计在电机移动与工具夹紧和上料、下料机械手模块采用液压系统，其它模块采用常规电气系统进行控制。虽然液压控制系统具有：损失大、效率低、发热大、不能得到定比传动、当采用油作为传动介质时还需要注意防火问题、液压元件加工精度要求高、造价高等缺点，但是合理设计液压控制系统还是不错的选择；因此受力较大的模块我们依然选择液压系统控制。本次设计的四工位组合机床的液压控制系统包含用三个液压缸完成钻孔，扩孔，攻丝三个电机的动作，通过行程开关分别控制相应的电磁换向阀得电，完成钻孔，扩孔，攻丝三道工序，而电机的转动则通过PLC进行控制。在反馈元件的反馈下精确完成以上三道工序，而对于另一道工序回转台的动作则通过相应行程开关以及电磁换向阀进行动作，并且完成通过离合器完成工件的夹紧以及装卸工件，而上料、下料机械手传递工件则是通过行程开关控制3YA,4YA,5YA的得失电情况来控制油缸ABC的动作，达到完成上料、下料功能；压力继电器2DP的安装位置决定上料、下料机械手的行程，根据加工工件尺寸以及机床高度决定，并且通过节流阀13可以调节机械手的移动速度，该液压系统还具有相应保护装置，防止发生一些不必要事故，其他像冷却装置则不需要用液压系统，直接采用电气系统进行控制，因此此次设计的基于PLC的四工位组合机床控制系统设计的液压控制系统如下图2.2.1所示。第三章PLC概述与方案论证3.1PLC概述3.1.1PLC基本介绍可编程控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统，它采用一种可编程程序的存储器，在其内部存储执行逻辑算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式、模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备和生产过程。可编程控制器及其有关设备的设计原则是它应该易与工业控制联成一个整体且具有扩充功能。PLC产品能直接在工业环境中应用，对环境的适应能力强。PLC体积小、功能强、速度快，可靠性高，又具有较大的灵活性和扩展性。PLC还有一个重要特性是它具有在线修改功能。它借助于软件来实现重复的控制，软件本身具有修改性，所以PLC具有灵活性。从而使PLC具有广泛的工业通用性，同时简化了硬件电路，也提高了PLC系统的可靠性。据不完全统计，FX系列PLC平均故障间隔大于20000~50000h，而平均修复时间则小于10min；PLC机能处理工业现场的强电信号，如交流220V、直流24V，并可直接驱动功率部件，可长期工作在严酷的工业环境能够中。编程采用传统的继电器符号语言，便于工程技术人员掌握，PLC是在按钮开关，限位开关和其它传感器等发出的监控输入信号作用下进行工作。根据信号，控制器就会作出反映，通过用户编程的内部逻辑便产生输出信号，而且这些输出信号可直接控制外部的控制系统负载，如电机，接触器，指示灯，电磁阀等。PLC的控制系统省去了传统的继电器控制接线和拆线的麻烦。用PLC的编程逻辑提供了能随要求而改变的“间接网络”，这样生产线的自动化过程就能随意去改变，这种性能使PLC具有较高的经济效益。目前PLC已经广泛应用于化工、机械、电子、电力、轻工、建筑建材、交通等几乎所有的工业控制领域。3.1.2PLC硬件组成—1所示。仅有主机没有扩展机的构成方式称为基本构成，带有扩展机的构成方式称为扩展机构方式。-1主机（CPU模块）在主机内部，由微处理器（MPU）通过数据总线、地址总线、控制总线以及辅助电路连接存储器、接口及I/O单元，诊断PLC的硬件状态；借助编程器接收用户键入的程序和数据；读取、解释并执行用户程序；按规定的时序接收输入状态、刷新输出状态，与外部设备交换信息等。总之，由主机实现对整个PLC的控制和管理。PLC配有开关式稳压电源，电源的交流输入端一般接有尖峰脉冲吸收电路，以提高抗干扰能力。小型PLC电源的交流输入电压范围一般较宽，如有的小型PLC可在l60VAC~260VAC范围内正常工作。3.输入／输出模块-2所示：在该模块中，R1为限流电阻，R2和C构成滤波电路，可过滤掉输入信号的高频抖动，D为输入指示灯，T为直流式光耦合器，输入模块的外接直流电源极性任意。当输入开关闭合时，经R1、T、D构成通路，输入指示灯D亮，表示该路输入的开关量状态为ON。输入信号经T隔离后，再经滤波器滤波，转换成5V的直流输入信号，经输入选择器与CPU总线相连接，将外部输入开关的状态输入到PLC内部；完成PLC的信号输入。各输入信号回路有一个公共点，即图中的COM点，这种输入模块称为汇点式输入模块。各输入信号回路相互独立的输入模块，称为分隔式输入模块，另外有的输入模块不需要外接电源，称为无源式输入模块。此次设计采用的是汇点式输入模块。图-2-3所示：继电器输出模块采用继电器进行驱动放大，它采用继电器触点的形式输出，外加负载电源根据负载的情况确定，可为交流也可为直流电源。继电器输出模块为有触点开关式输出模块，使用寿命相对于无触点输出模块而言较短，开关动作一般为五千万次左右，但其使用比较灵活，因此，此次设计输出动作要求不是很频繁的场合选择继电器输出模块是可行的。在继电器输出模块中，D1为输出指示灯，J1为输出驱动放大继电器。当对应J1的内部继电器为ON时，D1指示灯亮，J1得电吸合，其触点闭合，负载L1得电；当对应J1的内部继电器为OFF时，D1指示灯灭，J1失电，其触点断开，负载L1失电。PLC先将输出锁定在输出锁存器里，之后控制输出驱动放大继电器完成驱动相应负载的任务。图-3功能模块除开关量输入/输出外，PLC的其他输入/输出功能由功能模块来实现。一个功能模块占用多个输入／输出通道，因此在组合式PLC中对功能模块的使用数量存在限制，而对开关量输入/输出模块的数量不加限制。一般地，除编程器以外的外部设备需经功能模块才能与主机总线连接。因此，对应于各种外设以及PLC要完成的特殊输入／输出功能，有多种功能模块。5．扩展口扩展口是PLC的总线接口。主机与近程扩展机之间利用扩展口相连接。编程器编程器是PLC最常用的外设，也是PLC中唯一不需要通过功能模块而直接与总线相连接的外设。编程器上的方式选择开关，可依次实现以下三种位置方式：编程位置：PLC主机处于编程方式。用户可通过编程器向PLC输入、查询、修改用户程序，但PLC不运行用户程序；监控位置：PLC主机处于监控方式。PLC已运行用户程序，用户不能输入和修改用户程序，但可查询用户程序，干预户程序运行。运行位置：PLC主机处于运行方式。PLC运行用户程序，用户不能输入和修改用户程序，也不能干预用户程序的运行情况，只能查询用户程序并监视其状态。其他外设PLC可带打印机、CRT显示器、键盘等外设，这些外设需通过相应的功能模块与PLC连接。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。PLC与单片机、继电器-接触器控制系统相比具有以下优点：3.2.1PLC与继电器-接触器相比较：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。由于它的结构简单、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的内存当中。若控制逻辑复杂时，则程序会长一些，输入输出的连线并不多。若需要对控制逻辑进行修改时，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是由中大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。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内部有严格的同步，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行定时控制。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结构复杂，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，定时范围广。(4)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。3.2.2PLC与单片机比较单片机具有结构简单，使用方便，价格比较便宜等优点，一般用于数据采集和工业控制。但是，单片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比较起来有以下缺点：(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，需要进行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。除了要进行控制程序的设计，还要在单片机的外围进行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可靠使用单片机进行工业控制，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。通过上面的比较，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，所以采用PLC控制系统来实现组合机床设计显得更合适，更体现出本次设计的实际意义。第四章电气控制系统硬件设计合理选择PLC的型号，对于提高PLC控制系统的技术经济指标起着重要作用。选择机型的基本原则是在功能满足要求的前提下，保证可靠，维护使用方便以及最佳功能性价比。4.1.1结构选择PLC种类很多，其实现的功能、内存容量、控制规模、外形等方面存在较大的差异。PLC按结构形式主要有整体式和模块式。整体式PLC：整体式PLC将CPU、存储器、输入、输出安装在同一个机箱内，每一个点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对小，一般用于系统工艺过程较为固定，环境条件较好，维修量较小的小型控制系统中。模块式PLC：模块式PLC为总线结构。其总线做成总线板，上面有若干个总线槽，每个总线槽上可安装一个PLC模块，不同的模块实现不同的功能，PLC的CPU、存储器和电源等做成一个模块，该模块在总线板上的安装位置一般来说是固定的，而且该模块也是构成模块式PLC所必需的，其它的模块可根据PLC的控制规模和实现的功能选取，安装在总线板的其他任一总线槽上。该种PLC具有功能扩展灵活方便。在点数上，输入点数，输出点数的比例，模块的种类方面选择余地大，且维修方便，可构成具有不同控制规模和功能的PLC，一般用于较复杂的控制系统；但是价格较高。根据以上分析，对于此次组合机床，选用整体式PLC较好。因为性价比高，且体积小，另外该组合机床的加工工艺是固定的，环境条件较好，其控制系统并不是很复杂，因此直接选择整体式PLC较好。4.1.2I/O点选取原则PLC平均的I/O点价格比较高，因此应合理选用PLC的I/O点数量，在满足控制要求的前提下力争使用的I/O点最少，但必须留有一定余量。通常I/O点数是根据被控制对象的输入输出信号的实际需要，再加上10%-20%的余量来确定。由PLC组成的四工位组合机床控制系统有输入信号37个，均为开关量。电控制系统有输出信号15个，具体输入/输出信号见I/O表，根据I/O点数的选取原则考虑10%-20%的I/O点数余量输入点数可选取60个点的PLC。欧姆龙PLC系列中CPM1A与CPM2A是小型整体式PLC，市场上应用也比较广泛，资料也比较丰富，指令丰富，处理速度快，而CPM2A是CPM1A的改进型，有4种不同I/O点数（20点,30点,40点,60点）的CPU主机箱，还有扩展模块，内置RS232通信接口，可构成计算机—PLC网络，可实现1：1的PC链接和PLC—PT（可编程终端）链接。，此次设计我采用欧姆龙CPM2A-60CDR-A型号的PLC作为控制器控制四工位组合机床的电气系统，因为该型号的PLC主机的输入点为36个小于37个，还需要选择一个20点的扩展模块这样共有输入点48个（36+12）。共有输出点32个（24+8）。因为该系列的PLC最多可以扩展3个单元，扩展连接方式如图4.1所示：每个单元是固定的20点，其中输入12点，输出8个点，因此此次选择的CPM2A-60CDR-A及其扩展一个单元足够可以满足37个输入，15个输出的要求，而且留有一定余量，方便以后其它功能的扩展；且输出形式依然选择继电器输出。因为CPM系列的I/O区分配的通道号为000—019，其中000—009为输入通道，010—019为输出通道。000和001通道用作CPU主机的输入通道，002用于1号进程扩展机的输入通道，003用于2号进程扩展机的输入通道，004用于3号进程扩展机的输入通道；010和011通道用作CPU主机的输出通道，012用于1号进程扩展机的输出通道，013用于2号进程扩展机的输出通道，014用于3号进程扩展机的输入通道。内部辅助继电器区有32个通道200—231，共计512点，用于一般内部继电器，另外，输入、输出继电器区未被使用的通道也可作为一般内部辅助继电器使用。根据以上分析输入主要用，输出主要用表示，根据输入信号与输出信号分析，需要输入信号37个，均为开关量。输出信号17个，因此输入为—0.15（16个）、1.00-1.15（16个）与—（4个）以及1号进程扩展机的输入（1个）；输出为10.00-19.15。表4.2I/O分配输入点输出点手动攻丝反转微抬启动夹紧快速回转快速回转反向开关反向定位反靠开关慢回离合器开关钻孔快进2DP压力继电器钻孔快退1DP压力继电器扩孔快进手动攻丝正转扩孔快退工位原点钻孔工进已快进扩孔工进已工进攻丝快进手动攻丝快进攻丝快退手动钻孔快退攻丝正转手动扩孔快进攻丝反转反向攻丝钻孔齿条原位扩孔工位原点已快进已工进手动回原点半自动手动扩孔快退停止工位原点已快进及正向攻丝反向攻丝已快退手动攻丝快退微抬手动回转手动反向手动夹紧手动返回手动钻孔快进手动钻孔工进4.3.1PLC的详细接线图I/O接口图它反映的是PLC输入输出模块与现场设备的连接。PLC的输入点大部分是共点式，即所有输入点具有一个公共端COM。输出点共用COM1与COM2，该PLC采用交流220V进行供电，具有紧急停车按钮，提供安全保障。为了清楚简约的表现出CPM2A-60CDR-A及其扩展模块的接线，此次设计画接线图时将它们合并在一起了，因此输入用0.00、1.00等表示，输出用10.00等表示，加深了程序的可读性，输出继电器与相应的KM电机相连接，实现电机的转动，而电机的移动通过液压系统进行控制，PLC控制相应电磁阀的得、失电情况，达到控制电机的目的，最终完成PLC对四工位组合机床的控制，因此最终PLC的I/O电气接口图如图4.3.1所示：CPM2A-60CDR-A扩展4.3.2电机电气原理图由液压控制系统图知，液压系统控制相应电机移动，电气系统控制相应电机转动，KM3触点控制电机M3完成钻孔工序，KM2触点控制电机M2完成扩孔工序，而触点KM1与KM4分别控制电机M1的正反转，完成攻丝工序，KM1与KM4是通过改变任意两相相序达到电机正发转效果。至于上，下料工序则通过液压系统控制上，下料机械手进行操作。因此此次设计的组合机床电机电气原理图如图4.3.2所示：我们知道数控机床操作面板是数控机床的重要组成部件，是操作人员与数控机床（系统）进行交互的工具，主要有显示装置、NC键盘、MCP、状态灯、手持单元等部分组成。数控车床的类型和数控系统的种类很多，以及各生产厂家设计的操作面板也不尽相同，但操作面板中各种旋钮、按钮和键盘的基本功能与使用方法基本相同。因此此次设计的基于PLC组合机床设计的操作面板也非常重要，它虽然不像数控机床那样智能化，但是它具有半自动化，因此我设计了半自动，手动以及回到原点的旋钮，各种按键可以很方便的实现所需要的加工功能，具体介绍如下图4.4所示：该操作面板还具有紧急停车按钮，相应的指示灯等，结构清晰简单，功能丰富，操作方便，给我们提高了很好的人机界面，便于人和设备之间的信息交换。操作面板手动手动回原点半自动回原点半自动负载电源负载电源微抬快速回转手动返回钻孔快进钻孔工进钻孔快退扩孔快进 扩孔工进扩孔快退攻丝快进攻丝正转攻丝反转攻丝快退启动 扩孔工进扩孔快退攻丝快进攻丝正转攻丝反转攻丝快退启动紧急停车因为工作功率不是相差很大，故选择三个型号相同的电机。所以热继电器、接触器、和熔断器额型号都相同。(1)电动机的选择：估算液压泵的功率：P上式中：p：液压泵的工作压力q：液压泵的实际流量电动机名称M1M2M3电动机名称M1M2M3电机型号JQ2-64-4JQ2-64-4JQ2-64-4电机型号JQ2-64-4JQ2-64-4JQ2-64-4功率17KW17KW17KW功率17KW17KW17KW额定电流32.9A32.9A32.9A额定电流32.9A32.9A32.9A额定转速1460r/min1460r/min1460r/min额定转速1460r/min1460r/min1460r/min额定效率89%89%89%额定效率89%89%89%启动电流/额定电流7A7A7A启动电流/额定电流7A7A7A热继电器的选择：热继电器名称FR1FR2FR3热继电器名称FR1FR2FR3型号LR1-D4053LR1-D4053LR1-D4053型号LR1-D4053LR1-D4053LR1-D4053额定电流40A40A40A热元件号（规格数）2种2种2种热元件号（规格数）2种2种2种电流调节范围23—40A23—40A23—40A（2）接触器的选择：接触器名称KM1KM2KM3接触器名称KM1KM2KM3型号B65B65B65型号B65B65B65约定发热电流80A80A80A约定发热电流80A80A80A额定工作电压380V380V380V额定工作电压380V380V380V额定工作电流65A65A65A额定工作电流65A65A65A熔断器的选择：熔断器的名称FU1FU2FU3熔断器的名称FU1FU2FU3型号NT1NT1NT1型号NT1NT1NT1额定电压500V500V500V额定电压500V500V500V额定电流250A250A250A额定电流250A250A250A名称型号吸油过滤器YCX型箱外自封式过滤器限压式变量泵YBP型10MPa直通式单向阀AD型直通式单向阀减压阀YJF3溢流减压阀顺序阀X2F直控式顺序阀溢流阀YF溢流阀三位五通电磁换向阀DSG型两位四通电磁换向阀DSG型液压缸C—LA—1—125—C—中压—R第五章部分程序的分析以及程序调试结果5.1以下程序段的分析：—AR3.07具有以下意义：AR3.00:手动AR3.01:回原点AR3.02:单步AR3.03：单周期（半自动）AR3.04：连续运行（全自动）AR3.05:回原点起动AR3.06:自动操作起动AR3.07:停止相应的工作方式由1.04、1.05、1.06来确定。1.04、1.05、1.06是由一个三个触点的转换开关来实现的。同时只能有一个工作方式，故后面编程时特意加入了互锁。分别实现了控制面板上的手动、回原点、半自动功能。此次设计程序初始化后，辅助记忆继电器（AR）用于系统状态标志作用的AR0.00、AR0.01、AR0.11和下列特殊辅助继电器被自动指定为以下功能，PLC运行过程中，这些元件的功能仍保持不变：（备注：为了画功能图方便特意添加的辅助继电器AR对应的注释说明，不是指继电器的名称，只是功能代号。除了以下三个功能代号，其它辅助继电器均按照先后顺序设置功能代号，具体结合功能图与梯形图进行分析）AR0.00：手动操作的初始转太继电器（注释功能代号为S0）AR0.01:回原点操作的初始状态继电器（注释功能代号为S1）AR0.11:自动操作的初始状态继电器（注释功能代号为S2）232.00：原点条件232.01:回原点完成标志232.02:转换起动（从初始状态的转换被允许）如果改变了当前选择的工作方式，在“回原点完成”—HR0.08八个保持继电器，分别保持不同状态下的相关条件，也即是该支路满足条件时，就可以执行下一步操作，简化了程序的梯形图。以上程序原点条件初始化后，进入各个功能的选择，通过控制面板选择不同的功能，该程序段是手动操作状态下，微抬按钮按下后，输出继电器输出微抬信号，完成工作台的微抬动作，之后在手动回转信号下实现快速回转动作，依次运行PLC程序，完成组合机床的加工功能。5.2此次设计的程序建立以及调试结果分析如下：进入CX—Programmer的主界面后，新建一个新的文件，此时屏幕上出现一个对话框，如图5.2.1所示，在“设备名称”中填入新工程的名称，然后进行PLC机型、网络类型的设置，之后点击确定开始PLC编程，编程界面如图5.2.2所示；依次按照编程步骤进行编程，并且尽量为每条语句添加注释，增强程序的可读性，最后输入END指令，至此整个梯形图程序编写完毕。程序编写完毕还需要进行程序的初步调试，在调试时才发现存在一些错误和警告，在老师的指导下经过几天的修改，查阅了大量欧姆龙编程资料，最终程序通过调试，不存在错误，完成此次设计的PLC编程，程序还生成了指令表，具体见附件二。该程序调试结果如图5.2.3所示：第六章设计总结与体会本次承担的课题是基于PLC的四工位组合机床控制系统设计，作为典型的机电或机电液一体化的自动加工设备，作者全面负责了基于PLC的四工位组合机床控制系统设计工作。总结本课题的设计内容，作者主要就以下几个方面开展了工作：(1)四工位组合机床控制系统总体方案的确定比较以往组合机床的相关资料，拟定了控制系统总体方案，对组合机床采用电液一体化总体设计，提出预期实现的功能并初步绘制了流程图，同时对四工位组合机床的工作原理进行详细说明；(2)四工位组合机床的液压系统设计分析了四工位组合机床对零件进行钻孔,扩孔,攻丝等工序的加工以及一个装卸工位来装卸工件。绘制四工位组合机床的液压系统设计总图一张，并对液压系统图进行详细说明。

(3)完成PLC的选型及PLC接线图设计针对此次四工位组合机床的功能得出PLC的IO点数，根据IO点数以及实用性、稳定性、性价比、自己的熟悉程度等原因选择了欧姆龙CPM2A系列PLC，并且完成PLC接线图的设计。(4)四工位组合机床控制系统软件设计采用CX—One软件进行欧姆龙PLC梯形图的编写；由于受到一些实际条件的制约、个人能力有限和时间的关系，整个系统还存在不足之处：（1）针对不同的工况，程序还需要完善和优化，以达到更好的控制效果。（2）由于硬件条件限制，对于此次设计梯形图没有通过硬件调试进行验证，只通过软件进行模拟调试，但是具体加工精度是否满足要求，还有待优化。PLC作为新一代的工业控制装置，具有开发柔性好，接线简单，安装方便，抗干扰性强等特点，用它来控制四工位组合机床这样复杂的生产设备，是理想的选择。PLC的采用,降低了机床的故障率,节省了大量的维修费用,提高了整机的可靠性，保证了工件的精度要求。通过此次毕业设计使我加深了对PLC的理解，了解了其型号规格并能正确使用。掌握了PLC的基本原理及编程方法，能够根据工艺过程和控制要求进行系统设计和编制应用程序。熟悉了典型设备电气控制系统，具有了从事电气设备安装调试、维修管理等方面的能力。提高了设计和改进一般机械设备电气控制的基本能力。参考文献范次猛.可编程控制器原理与应用.北京理工大学出版社.2006.8.第1版廖常初.PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社.2012王立权、王宗义、王淑钧、徐景.可编程控制器原理与应用.哈尔滨工业大学出版社.2005.1.第1版工厂常用电气手册（下册）.水利电力出版社.1986.5.第1版孙同景.陈桂友.PLC原理及工程应用.机械工业出版社.2013.3.第1版组合机床设计（第三册电气部分.机械工业出版社.1976.3.第1版谢家赢.组合机床设计简明手册.机械工业出版社2012.5重印大连组合机床研究所.组合机床设计参考图册.机械工业出版社.1975.11欧姆龙CPM2A系列PLC使用说明书欧姆龙plc编程软件使用手册

致谢此毕业设计是在X老师的悉心指导下完成的。梁刚师