毕业设计（论文）-基于PLC的冲孔加工机控制系统设计

论文题目基于PLC的冲孔加工机控制系统设计(英文)TheDesignOfPunchingMachineControlSystemBasedOnPLC所在学院专业班级学生姓名学号指导教师职称完成日期年月日

基于PLC的冲孔加工机控制系统设计（）2011年12月

摘要传统的冲孔加工系统是由工人将工件放置在冲孔模具上，然后冲压机动作完成冲孔，工人再取出工件。该方法结构简单，但效率低，成本高，易发生事故。针对这种情况，开发一种基于PLC的冲孔加工机控制系统，实现工件补充，气压冲孔，测控与工件搬运四大功能，多个加工进给或检测执行部件同时工作，可实现零件产品一次装、夹完成多道加工或者检测工序，并实现流水作业，提高生产效率，降低生产成本。本控制系统选用三菱FX2D-32MR-DS作为控制器。首先研究了冲孔加工机设备的结构、工作原理。在硬件设计部分，完成PLC的选型和外部低压电器的选用，设计硬件接线图。在软件设计部分，给出程序流程图，编写程序，完成触摸屏设计。最后，进行现场调试与改进。关键词：PLC;旋转工作台；触摸屏

AbstractThetraditionalpunchingsystemprocessisthatworkersplacetheworkpieceonthetable,andthenpunchingmachinestartspunching,finallyworkersremovetheworkpiece.Themethodissimple,butinefficient,highcostandunsafe.Inviewofthissituation,developaPLC-basedpunchingcontrolsystem.Achievefourfunctions：Addworkpiece,punching,testholesandhandling.Atthesametimecompletemulti-channelprocessesortestingprocess,achieveassembly-line,increaseproductivityandreduceproductioncosts.ThecontrolsystemselectstheMitsubishiFX2D-32MR-DSasthecontroller.First,Iamstudiedthestructureofpunchingmachineandworkingprinciple.Inthepartofhardwaredesign,completetheselectionofPLCandlow-voltageelectrical,designofthehardwareconnectiondiagram.Inthepartofsoftwaredesign,drawaprogramflowchart,programmingand.completethedesignoftouchpanel.Finally,commissioningandimprovement.KeyWords:PLC;RotaryTable;TouchPanel

目录TOC\o"1-3"\h\z1引言 -15-1引言随着时代的发展,当今的技术也日趋完善、竞争愈演愈烈;单靠人工的操作已不能满足于目前的制造业前景,也无法保证更高质量的要求和高新技术企业的形象.人们在生产实践中看到,自动化给人们带来了极大的便利和产品质量上的保证,同时也减轻了人员的劳动强度,减少了人员上的编制.在许多复杂的生产过程中难以实现的目标控制、整体优化、最佳决策等,熟练的操作工、技术人员或专家、管理者却能够容易判断和操作,可以获得满意的效果.人工智能的研究目标正是利用计算机来实现、模拟这些智能行为,通过人脑与计算机协调工作,以人机结合的模式,为解决十分复杂的问题寻找最佳的途径[1]。基于PLC的冲孔加工控制系统通过PLC控制回转工作台的旋转，工件的补给、冲孔、检测同时进行，可实现零件产品一次装、夹完成多道工序，实现流水作业，大大提高工作效率，降低生产成本，提高了产品质量，提高了企业的竞争力。旋转工作台在机械上有各种实现方法，具体机械结构不是电气控制所关心的问题。电气控制主要关心旋转工作台的驱动机构，就旋转驱动执行机构而言有气动控制、液压控制、带制动的电机以及步进电机、伺服电机等。结合具有旋转工作台部件的机床设备的PLC电气控制资料查阅，本设计采用带制动电机作为驱动机构。

2冲孔加工机结构与工作原理多工位旋转工作台机床设备在机械加工、自动焊接、产品检测等自动化机床设备中得到广泛应用。通过控制工作台旋转，多个加工进给或检测执行部件同时工作，可实现零件产品一次多道加工或者检测工序，并能实现流水作业，大大提高了工作效率。本设计采用带制动电机驱动方式，配以合适的减速机，如图2-1:图2-1带制动电机本设计采用3相电机，接线示意图如图2-2:图2-2接线图2.1冲孔加工机结构气压式冲孔加工机由：传送带、旋转台、冲孔机、测控机、位置检测传感器、工件检测传感器、气缸A、气缸B组成。冲孔加工机结构示意图如图2-3:图2-3冲孔加工机结构示意图2.2冲孔加工机工作原理在第1工位上设有转盘定位传感器PH1和工件检测传感器PH0。当PH1有信号时，转盘停止旋转(带制动电机M1)，然后工件补充（电机M0），冲孔（电磁换向阀），测孔（电磁换向阀），搬运（气缸A、气缸B）一起动作。当PH0有信号且各道工序完成，转盘电机启动。在第2工位设有冲孔机，上限位开关SQ2，下限位开关SQ1。当工位上有工件时进行冲孔工序。冲孔机开始下行，当SQ1动作，冲孔完成，冲孔机返回，当SQ2动作，冲孔工序完成。在第3工位设有测孔机，上限位开关SQ4，下限位开关SQ3，气缸A控制的废料箱隔离挡板。当工位上有工件时进行测孔工序。首先测孔机下行，在设定的时间内测孔到底（SQ3动作），为合格品，否则，为不合格。当SQ3动作或测孔设定时间到，测孔机上行，当SQ4动作，测孔工序完成。不合格品由A缸抽离隔离板，不合格工件掉入废料箱。合格工件，送到第4工位。在第4工位设有气缸B控制的包装箱隔离挡板，当工位上有合格工件时，气缸B动作抽离隔离挡板，合格工件落入包装箱。工件的补充、冲孔、测孔和搬运同时进行。

3硬件设计3.1系统总体框图本控制系统以控制器为核心，有传感器、按键、限位开关等输入设备，输出信号控制指示灯、电磁换向阀、电机。如图3-1:图3-1系统总体框图3.2输入输出设备确定对控制系统分析，需要两个常开按钮需2点输入，两个传感器需2点输入，四个限位开关需4点输入，三只电机需3点输出，2个双线圈三位四通换向阀需4点输出，A缸B缸需2点输出，因此共需8点输入，9点输出。3.3PLC选型PLC选型主要从机型、I/O点、内存容量等方面参考选择。系统中有用到传感器作为输入设备，因此需选用直流输入型作为控制设备。本设计选型主要考虑使用I/O点数，系统共使用8点输入，9点输出，考虑10%～20%的备用量后，选用三菱FX2D-32MR-DS控制器，如图3-2：图3-2FX2D-32MR-DSFX2D-32MR-DS是DC24V电源，DC24V输入，继电器输出型PLC，有16点输入，16点输出满足设计要求。3.4PLC的I/O分配输入端子分配，如表3-1所示：表3-1输入端子分配表软元件名注释连接设备X0启动常开按钮X1循环停止常开按钮X2转盘定位PH1传感器X3第1工位工件检测PH2传感器X4冲孔下限位SQ1限位开关X5冲孔上限位SQ2限位开关X6测孔下限位SQ3限位开关X7测孔上限位SQ3限位开关输出端子分配，如表3-2所示：表3-2输出端子分配表软元件名注释连接设备Y0油泵电机中间继电器(KA1)Y1转盘电机中间继电器(KA2)Y2传送带电机中间继电器(KA3)Y3冲孔下行中间继电器(KA4)Y4冲孔上行中间继电器(KA5)Y5测孔下行中间继电器(KA6)Y6测孔上行中间继电器(KA7)Y7A缸中间继电器(KA8)Y10B缸中间继电器(KA9)3.5ACE软件AutoCADElectrical是面向电气控制设计师的AutoCAD软件，专门用于创建和修改电气控制系统图档。该软件除包含AutoCAD的全部功能外，还增加了一系列用于自动完成电气控制工程设计任务的工具，如创建原理图，导线编号，生成物料清单等。AutoCADElectrical提供了一个含有650,000多个电气符号和元件的数据库，具有实时错误检查功能，使电气设计团队与机械设计团队能够通过使用AutodeskInventor软件创建的数字样机模型进行高效协作。AutoCADElectrical能够帮助电气控制工程师节省大量时间。AutoCADElectrical一般制图流程：3.5主电路设计与原理图本设计共有3个动力设备：传送带电机、工作台电机（带制动）、油泵电机。QS1刀开关、QF1自动开关闭合主电路得电；KM1控制油泵电机启停，KM2控制旋转工作台启停，KM3控制传送电机启停；每一路都有熔断器与热继电器，作为短路与过载保护，制动电机接有RC电路有保护接点作用，控制变压器部分，整流器产生DC24V，供PLC与控制电路使用，如图3-3:图3-3主电路原理图3.6PLC控制电路设计与电路图FX2D-32MR-DS是DC24电源，DC24V输入，继电器输出型PLC。24V、0V两点接整流器输出DC24V，GND保护性接地。启动按钮接X0；循环停止按钮接X1；PH1、PH2接X2、X3，使用PLC内部DC24V电源；SQ1-SQ4分别接X4-X7。按照电气设计规范要求，PLC输出接中间继电器通过中间继电器的常开触电去控制接触器的开闭达到电气隔离的目的，输出线圈两端并联二极管防止线圈的断电瞬间存在的过渡过程产生较高的电压破坏电路，线圈两端并联指示灯。Y0输出接KA1线圈（控制油泵电机M2）；Y1接KA2线圈（控制工作台电机M1）；Y2接KA3线圈（控制传送电机）；Y3接KA4线圈（控制三位四通阀使冲孔机下行）；Y4接KA5线圈（控制三位四通阀使冲孔机上行）；Y5接KA6的线圈（控制三位四通阀使测孔机下行）；Y6接KA6的线圈（控制三位四通阀使测孔机上行）;Y7、Y10接KA8、KA9控制A、B缸，如图3-4：图3-4控制电路原理图

4软件设计4.1程序设计GPPWIN为三菱PLC专用编程软件之一，在平台上能实现新建程序、编译、读入或写出程序、监控程序等。在新建时应先确定通信端口和PLC型号，当以梯形图形势输入指令时，应经编译后，才能下载程序。在下载程序时，PLC必须打在STOP状态。运行或监控程序时，PLC状态开关拨到RUN位置。确定PLC型号和通信端口。编程前，先设置通信端口和PLC型号。在“工程”|“新建”窗口确定PLC系列和型号。在“在线”|“传输设置”中确定通信口。编程输入用户程序，用户程序可以通过梯形图也可以通过语句输入。通过工具栏上“梯形图/指令表显示切换”按钮进行梯形图、指令表切换。程序编号后，按F4进行变换。控制程序梯形图见附录2，指令表附录3。脱机运行程序在计算机上仿真运行，并测试所编写程序运行情况。下载用户程序经过转换的程序通过专用下载线（SC-09）下载到PLC的内存RAM，“在线”|“PLC写入”（PLC处于STOP状态）。4.2系统总流程图冲孔加工机控制系统软件设计主要包括工作台复位，工位状态处理，工件补给、冲孔、测量、搬运模块，循环停止，如图4-1：图4-1系统总流程图PLC上电初始化，按启动按钮工作台进入复位流程，复位工作完成后工作台四个工位用四个状态位表示进行状态移位，然后控制系统四个流程并行运行，接着判断是否有循环停止请求，有冲孔机停止，没有冲孔机继续进行冲孔工作。4.3工作台复位流程与复位程序4.3.1复位流程在冲孔加工控制系统启动前对工作台四个工位上可能残余工件进行清除，因此需要循环四次，如图4-2：图4-2复位流程图工作台复位，首先工作台旋转90°，旋转到位，A缸动作及延时2秒，延时完成，计数器加1，共需循环4次，计数器值与4做比较，小于4继续循环，等于4循环结束，复位工作完成，进入下一流程。4.3.2复位程序图4-3复位程序4.4工位状态处理程序工件检测，即检测工位上是否有工件，可以通过安装接近开关实现。工件检测的作用一般有两个，一是作为产品计数，另一个作用是作为检测信号输入给PLC，使得PLC根据各个工位是否有工件，以决定某一工位是否需要执行加工进给动作。如果工位没有工件则该工位执行机构自动进入待机状态。零件检测可以采用每个工位都安装接近开关的方法实现，但这样会增加成本，提高故障率，而且很多情况下，机械结构上或者工艺上不能保证每一个工位上都能安装能检测开关。因此，可采用一只接近开关检测工件，当补给工位转入加工工位前检测其是否有工件。可以采用PLC中位寄存器移位的方法记忆每个工位上的是否有工件来实现这一功能。图4-4工位工件状态4.5补给流程与程序4.5.1补给流程图4-5补给流程图补给流程开始，传送带电机启动，5秒内，工件没有到位，则跳转到步27等待。5秒内，工件到位，则到步26将工件补给标志位置1，然后到步27等待。4.5.2补给程序图4-6补给程序4.6工件冲孔流程图与程序4.6.1工件冲孔流程图图4-7冲孔流程图冲孔开始，判断第二工位有无工件（通过标志位M1），没有工件，则跳转到步30后等待。有工件，则冲孔机下行，当冲孔机接触SQ1限位开关，冲孔机上行，碰到SQ2限位开关，进入步30等待。4.6.2工件冲孔程序图4-8冲孔程序4.7测孔、合格工件搬运流程与程序4.7.1测孔、合格工件搬运流程图4-9测孔流程图测孔流程开始，判断第三工位有无工件（通过标志位M2）。若无工件，则跳转到步34等待。有工件，测孔机开始下行，5秒内测控到底SQ3动作，则进入步35，测孔机上行，SQ4动作进入等待，反之，5秒内SQ3没有动作，进入步32，测孔机开始上行，待SQ4动作，SQ4动作，进入步33，对测孔位工件状态标志置0，A缸动作延时2秒，延时完成，进入步34等待。4.7.2测孔、合格工件搬运程序图4-10测孔程序4.8不合格工件搬运流程图与程序4.8.1不合格工件搬运流程图图4-11不合格工件流程图不合格工件搬运开始，判断第四工位有无工件（通过标志位M3），无工件跳转到步37等待，有工件，B缸动作延时2秒，延时完成进入步37等待。4.8.2不合格工件搬运程序图4-12不合格工件搬运程序4.9循环停止当机床设备要停止工作时，需要输入一个停止信号，这个信号一般由操作者按下一个停止按钮实现。对旋转工作台机床设备，由于设备循环运行，如果工作台旋转时突然停机则再次开机时需要复位，对于某些机械结构的旋转工作台复位比较麻烦，若是金属切削的旋转工作台机床，在刀具进给时突然停机，则会造成刀具损坏、零件报废等问题。因此，应选择在一个加工循环完成时停机较为合适。由于各循环时间上是连贯，人工无法给出准确的瞬间停机信号，则需要在PLC程序上作相应处理。这个停机信号可以在加工的任何时候输入，当机床设备工作完一个循环后，自动停机。对应的按钮叫“循环停止”按钮。4.10人机界面设计4.10.1触摸屏工作原理人机界面组要有文本显示器、操作员面板和触摸屏，具有发命令和监控及显示的功能。操作人员可在触摸屏上组合文字、按钮、指示灯、仪表、图形、表格、测量数字等，来监控管理或显示机器设备的运行状态。人机界面由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存储单元等。不同的编程软件可适用不通的触摸屏，软件不同其编程的方法也不通。本设计使用台达的触摸屏，使用ClientVer1.1编程软件进行设计。4.10.2台达ClientVer1.1编程软件在编程软件中新建画面，设置有关参数，设定连接控制器的型号组态界面编译画面离线模拟4.10.3人机界面设计本设计采用台达DOP-A57BSTD8GRAY触摸屏，设计共有两个画面：启动画面与控制画面。启动画面单击工具栏“元件”|“绘图”|“静态文字”选项，在绘图区域适当位置单击左键进行文本框绘制，再键入文字。单击工具栏“元件”|“按钮”|“换画面”选项，在绘图区域适当位置单击左键绘制按钮，在按钮属性中改变画面选择控制画面，如图4-13:图4-13启动画面控制画面静态文字输入同上。单击工具栏“元件”|“按钮”|“保持型”，在绘图区域适当位置放置按钮。本设计用到9点输入，因此需9个保持型按钮，在按钮属性中设置写入存储器地址为X0-X10。单击工具栏“元件”|“指示灯”|“状态指示灯”，在绘图区域放置指示灯。本设计用到9点输出，因此需绘制9个状态指示灯，在状态指示灯属性中设置读取存储器地址为Y0-Y10,如图4-14:图4-14控制画面

5接线和调试5.1接线根据前面设计的原理图在控制柜上接线，SB1（常开按钮）接X0；SB2接X1；SB3模拟PH1转盘定位传感器接X2；SB4模拟PH2第1工位工件检测传感器接X3；SB5模拟冲孔机下限位开关SQ1接X4；SB6模拟冲孔机上限位开关SQ2接X5；SB7模拟测孔机下限位开关SQ3接X6；DL1（指示灯）指示油泵电机工作状态接Y0；DL2指示转盘电机（M1）状态接Y1；DL3指示传送电机（M0）状态接Y2；DL4指示冲孔机下行状态接Y3；DL5指示冲孔机上行状态接Y4；DL6指示测孔机下行状态接Y5；DL7指示测孔机上行状态接Y6；DL8指示A缸状态；DL9指示B缸状态，如图6-1:图6-1接线图5.2调试首先对编好的程序进行离线模拟，模拟通过后进行在线调试。打开GPPWIN软件，再打开编写好的程序，进行通信端口和PLC型号设置，进行编译后，进行程序写入（下载程序是必须在STOP状态）。运行或程序监控使，控制器开关拨到RUN位置。计算机编写好的组态程序通过RS-232通信电缆下载到触摸屏（COM1），触摸屏通过RS-422来监控PLC运行状况。首先要对环境和模组参数进行设定，然后对画面进行编译，再进行下载。经过调试，设计项目达到预期要求。以下是生产一个合格品工件的在线调试。调试监控画面如图6-2:图6-2调试监控画面按下启动按钮X0，油泵电机启动Y0有输出并一直保持。2秒后，转盘电机启动Y1有输出。按下转盘定位按钮X2（模拟定位传感器输出信号），A缸动作Y7有输出，从步骤（2）开始循环4次。4次循环完成，经过2秒后，转盘启动Y1有输出，指示灯显示如步骤（2）。按下定位按钮X2，开始4道工序，此时冲孔、测孔、搬运工位均无工件都不动作，只进行工件补给，因此，传送电机动作Y2有输出。按下X3（模拟工件检测传感器输出信号）工件补给到位，工作台旋转Y1有输出，指示灯状态如步骤（2）所示。按下定位按钮X2,此时，冲孔位有工件，因此补给、冲孔两道工序同时进行，Y2，Y3（冲孔下行）有输出。按下X3工件补给到位、X4（模拟SQ1动作）冲孔完成，Y4（冲孔上行）有输出。按下X5（模拟SQ2工作）冲孔机退回到位，工作台旋转Y1有输出，指示灯状态如步骤（2）所示.按下X2，此时冲孔、测孔工位均有工件，这时补给、冲孔、测孔3道工序同时进行，Y2、Y3、Y5（测孔机下行）有输出。按下X3、X5、X6（模拟SQ3动作）测孔到位，此时Y4、Y6（测孔机上行）。按下X5、X7（模拟SQ4动作）测孔机退回到位，Y1有输出，指示灯状态如步骤（2）所示。按下X2,冲孔、测孔、搬运都有工件，4到工序同时进行，Y2、Y3、Y10（B缸动作）有输出。2秒后，按下X3、X4、X6，Y4、Y6有输出，指示灯状态如步骤（11）所示。按下X5、X7，Y1有输出，生产一个合格品工件的流程就完成了。经测试其它状况下，测试结果与预期结果均相同，基本达到本次的要求。

6结论本设计按照任务书要求进行设计，基本达到预期目的，可以实现工作台启动、循环停止操作。毕业设计不仅是对所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。这次设计使我明白自己的知识面太过狭窄，自己所要学习的东西还有很多。此次的设计给我带来了液压气动方面的知识、学会了ACE制图，也使编程能力有了一定的提高。通过此次设计，使我了解到学会查找资料、阅读资料的重要性，也懂得了一个控制系统设计的一般流程。想要很好的设计一个控制系统，就先得了解控制设备的工作原理。在了解设备工作原理的时候，就需要许多机械方面的知识。一个好的控制系统需要不断的调试修改，才能达到预期目标。现实的控制系统比我们想象的复杂，需要考虑很多因素，只有更多的实践自己才有更多的提升。

致谢本次设计是在指导老师郑子含的精心指导下完成的。她在我的毕业设计的选题、开题以及撰写过程中始终严格要求，及时地给我指导和指正。从大二开始，她在学习、生活上给了我很大的帮助和支持，至此论文完成之际，我向郑子含老师致以最诚挚的感谢和深深的敬意！通过此次设计，一方面让我认识到自己的不足，发现了学习中的错误之处；另一方面又积累丰富的知识，吸取别人好的方法和经验，增强对复杂问题的解决能力，摸索出一套解决综合问题的方法，为自己以后的工作和学习打下坚实的基础。在此，我还要感谢一起过大学生活的每个同学和老师，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成！鉴于本人所学知识有限，经验不足，在此过程中难免存在一些错误和不足之处，恳请各位老师给予批评和指正。

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