基于PLC控制的自动打孔机【毕业作品】

BIYESHEJI(201届)基于PLC控制的自动打孔机PLCControlledAutomaticPunchingMachine所在学院电子信息学院专业班级电气工程及其自动化学生姓名学号指导教师职称完成日期年月日

摘要本次设计的自动打孔机是基于PLC控制的自动打孔机，该打孔机能实现精确打孔操作，并具有可调速功能。该打孔机是基于PLC、步进电机、触摸屏等技术控制，由于PLC可靠性好，抗干扰性强，编程简单，维护方便等。步进电机定位准确，能够达到精确打孔，非常适合用于打孔机的定位控制并且价格合理等优点。触摸屏可由管理员修改相应的数据参数，方便快捷，界面清晰。该打孔机可用于加工各种轴承及有角度偏转的打孔规律性打孔。它解决了传统的半自动半手动打孔机效率低下，精度不高等缺点。关键词：自动打孔机；PLC；步进电机；触摸屏

AbstractAutomaticpunchingmachineofthisdesignisbasedonPLCcontrolledautomaticpunchingmachine,thepunchfunctionforprecisepunchoperations,andhasthespeedcontrolfunction.ThepunchingmachineiscontrolbythePLC,steppermotor,touchscreentechnology,PLCreliability,stronganti-interference,simpleprogrammingandeasymaintenance.Steppermotorpositioningisaccurate,abletoachieveprecisepunchwellsuitedforthepositioncontrolofthepunchingmachineandreasonablepriceadvantages.Thetouchscreencanbeanadministratortomodifythecorrespondingdataparameters,convenientandclearinterface.Thepunchingmachinecanbeusedtoprocessingallkindsofbearingsandangulardeflectionoftheregularityofpunchpunch.Itsolvestheinefficienciesoftraditionalsemi-automaticandsemi-manualpunchingmachine,theaccuracyoftheshortcomings.KeyWords:Automaticpunchingmachine;PLC;Steppermotor;Touchscreen

目录TOC\o"1-3"\h\u49751引言 1292自动打孔机的组成与工作原理 35752.1整个系统的组成： 35842.1.1钻头打孔部分 346232.1.2工件夹持部分 324352.1.3轴向移动部分 4275202.1.4分度旋转部分 4303172.2实现的功能 4259002.3工作流程图 4173533硬件设计 6233183.1硬件的选择 683703.1.1PLC的选择 6323923.1.2触摸屏的选择 695973.1.3步进电机及驱动器的选择 6189213.1.4电磁阀的选择 7165623.2硬件接线 7246673.2.1系统总接线 794113.2.2强电部分接线 879603.2.3PLC步进输出部分接线 911183.2.4打孔+冷却部分接线 958663.2.5升降与夹紧部分接线 1068123.2.6步进电机部分接线图 1156834软件设计 1295604.1总体流程图 12287644.2脉冲计算 13274964.2.1自动部分脉冲计算 13219314.2.2手动部分脉冲 14301094.3触摸屏部分 16263134.3.1界面介绍 1663144.3.2触摸屏地址 18188225系统调试 1980395.1硬件调试 19288215.2软件调试 1982045.2.1调试准备 1957195.2.2手动部分调试 1972505.2.3自动部分调试 20110046总结 2119363致谢 2214446参考文献 2310173附录1实物图 244845附录2程序梯形图 251引言在现代科学技术的许多领域中，为了满足人类的需要，机电一体化起着愈来愈重要的作用，并且，随着生产和科学技术的发展，机电一体化的技术水平也越来越高[1]。目前，滚珠轴承采用人工打孔、开孔、扩孔等操作，工作效率低下，精确度不高，在这种情况下，如何提高生产效率和精确度，减少材料的浪费是一个急需解决的问题。在当今节能减排的大环境下，自动打孔机将在特定的行业中发挥着举足轻重的作用。目前市场上有供应自动打孔机，该类打孔机由电机带动在金属材料上加工出孔的自动化设备。有自动钻孔机、自动扩孔机、自动铣孔机等几种[2]。该类自动打孔机由加工工作台，控制电脑，旋转电机，振动电机，加工工具头，气动装置，自动转盘，固定夹具等组成。主要用于铝制材料，不锈钢合金等材料，但不针对滚珠轴承的，正在研究自动打孔机的有天津市工业自动化仪表研究所、深圳市长亚科技有限公司、深圳科毅达电子科技有限公司等。每个公司研制的核心重点都不同，各有各的特色。深圳科毅达电子科技有限公司研究的重点是以工控机为核心控制器，价格比较昂贵。自动打孔机是适应制造业应用自动化设备替代人手的趋势而发展起来的，用来解决传统打孔、钻孔、扩孔、铣孔等加工环节中的人手打孔问题。随着自动化技术和网络技术的不断发展及应用，自动打孔机逐渐趋向无人值守和远程控制等方面的发展。本设计基于PLC控制的自动打孔机系统就是采用机电一体化应用技术来实现功能的。机电一体化控制技术是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术[3]。它把一个本来由人来判断和手动操作的环节实现了机械自动化。形成一个整体系统构架，并且认真整理相应的资料，统筹方案，选择出最优化合理的方案。研发出的机械设备就大大提高了生产的效率，大大降低了人工量的投入，同时减少了人工成本，而且生产加工整个过程速度快、精度高、安全稳定、报废率低，节约了钢材等原材料[4]。使机电控制技术在该领域又进一步深化发展。

2自动打孔机的组成与工作原理2.1整个系统的组成：图2-1系统组成示意图2.1.1钻头打孔部分由气泵、电磁阀、气缸、气管、节流阀、钻头组成，PLC控制继电器吸合与断开，进而控制电磁阀线圈吸合与断开。气泵与电磁阀的进气孔连接，电磁阀的一个正动作气孔与一个反动作气孔分别与气缸的两个口连接，使气缸完成上下运动整个过程，气管是连接气泵、电磁阀、气缸的，用节流阀可以控制气缸进气的大小[5]。2.1.2工件夹持部分由电磁阀、气管、气缸、机械夹头组成，PLC控制继电器吸合与断开，进而控制电磁阀线圈吸合与断开，当电磁阀线圈通电时，气泵中的气通过气管给气缸充气，气缸推动机械夹头，使工件被夹紧[6]。2.1.3轴向移动部分由轴进步进电机、步进电机驱动器、螺旋轴、组成，步进电机驱动器在PLC的控制下，驱动步进电机按固定的步距角旋转，步进电机旋转之后，开始带动螺旋轴旋转，由于钻孔台与螺旋轴耦合，所以工作台也随着螺旋轴转动而移动。2.1.4分度旋转部分由分度步进电机、步进电机驱动器、皮带、传动齿轮组成，步进电机驱动器在PLC的控制下，驱动分度步进电机按固定的步距角旋转，带动下传动齿轮旋转，从而通过皮带带动上齿轮旋转，由于上传动齿轮装在机械夹头上，机械夹头也随着旋转，最终使固定在机械夹头上的工件旋转，从而完成分度的过程。2.2实现的功能手动自动可转换；能完成整个自动打孔的循环过程；工件每圈孔位数可赋值，每排孔位数可赋值；轴进步进电机进给速度可调节，分度步进电机旋转分度可调节；主轴头分为可旋转和分度复合，都有抱闸功能；钻头部分可调速，行程可调，进给速度可调；尾座顶针可调，可对各种长度和直径的工件进行加工；平面部分钻孔可用钻头不动工件动，与雕刻机相反的方式；能自行设置和调节工件零位和机器零位的位置；在加工过程中可以用触摸屏进行监控。2.3工作流程图本次设计主要完成的是自动打孔的过程，需要的主要步骤是，参数的设定，分度步进电机按固定的步距角旋转，轴进步进电机按固定的步距角进给与后退，钻头的上升和下降，完成打孔的整个过程。参数的设定中需要设定产品零位、每圈孔数、排数、进给距离、后退距离、偏角度数，加工的工件先进行零位加工，之后完成一圈的打孔，每排孔之间有个偏转角度，在一圈孔打完后需要一个偏角判定，之后进行轴进的移动，在轴进移动后继续下一圈孔的加工，当轴进完成后，表示整个零件加工完成。最后钻孔台后退到初始状态，方便工人取下工件，当换好下个加工的工件后，继续完成上面的循环，如下图所示：分度开始分度开始钻头进位钻头退位否是否零位下限位否产品零位调整机械零位钻头进位钻头退位否是否零位下限位否产品零位调整机械零位否是否分度否是否分度一圈是是轴进轴进是否完成轴是否完成轴进结束结束图2-2工作流程图

3硬件设计3.1硬件的选择3.1.1PLC的选择三菱FX2N-32MT-001PLC外部结构美观、体积小、功能强、内部资源丰富、可靠性高、抗干扰能力强、通用性强、控制程序可变、使用方便、适应面广、编程简单、容易掌握、减少了控制系统的设计及施工的工作量、维护方便等特点[7]。其I/O点最大可扩展到256点。它有27条基本指令，其基本指令的执行速度超过了很多大型PLC。并且有多种RS-232C/RS-422/RS-485串行通讯模块。价格合理，性价比较高。该型号的PLC符合本设计中对PLC的要求。故选择三菱FX2N-32MT-001PLC。3.1.2触摸屏的选择触摸屏有操作方便，可以代替按钮开关及键盘等，可以通过触摸屏设定参数，实现实时监控等特点。本次设计需要对工件的参数设置等，需要用触摸屏完成。台达DOP-B05S100触摸屏有易于使用、坚固耐用、反应速度快、节省空间等特点其价格低，性能稳定，相对于其他品牌的触摸屏来说性价比较高[8]。该型号的满足本设计对触摸屏的要求，故选择台达DOP-B05S100触摸屏。3.1.3步进电机及驱动器的选择步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个固定角度即步距角。它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的[9]。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差的特点。FHB311112三相混合式步进电机采用稀土永磁材料制造，与反应式步进电机相比具有电磁损耗小、转换效率高、动态性能好等优点。该型号的步进电机运行时相对平稳，噪声小、输出力矩大且不易失步。该步进电机能够满足本设计对步进电机的要求。故采用FHB311112三相混合式步进电机。根据FHB31112产品说明可知，选择GSKDY3E-30步进电机驱动器。3.1.4电磁阀的选择电磁阀是用于控制气泵给气缸充气推动钻头打孔的器件，电磁阀是由PLC控制其通断的，本设计的电磁阀线圈电压等级是选用直流24v型，需要外接一个24V直流电压。UNID4V210-08型号的电磁阀符合本设计的需求，故选UNID4V210-08型号的电磁阀。3.2硬件接线3.2.1系统总接线380v的三相电，接入一个三相空气开关，即总电源开关。为了安全考虑并联上一个接触器和急停按钮，便于突发情况下的急停操作。之后接一个380v-220v的变压器把380v的电压转换成220v接步进电机驱动器的L和N端，用于给步进电机驱动器供电。在变压器的220v端后，接一个单相空气开关接到PLC的L和N两端，给PLC供电。直流24V是用于给接近开关供电，保证接近开关能够正常的工作，PLC的输出的负载均采用直流24V供电。如图3-1为系统总接线图。图3-1系统总接线图3.2.2强电部分接线三相电源通过空气开关—380-220V变压器—熔断器--连接到三相混合型步进电机驱动器，步进电机驱动器一定要接地，以免金属外壳的驱动器带电。如图3-2为强电部分接线图。图3-2强电部分接线图3.2.3PLC步进输出部分接线PLC的输出端，通过电阻R连接到步进电机驱动器的脉冲出入端通过PLC的脉冲输出控制步进电机驱动器，使步进电机按固定的步距角选转，电阻R是起到限流的作用。如图3-3为PLC步进输出接线图。图3-3PLC步进输出接线图3.2.4打孔+冷却部分接线如图3-4为钻孔正转、反转、冷却泵的接线图，当PLC的Y10输出为“1”时，钻头正转，当PLC的Y11输出为“1”时，钻头反转。图3-4打孔冷却部分接线图3.2.5升降与夹紧部分接线PLC的Y14端接电磁阀的线圈,当PLC的Y14输出为“1”时，电磁阀的线圈吸合，电磁阀开，给气缸充气，完成夹紧的工作。如图3-5所示。图3-5升降与夹紧部分接线图3.2.6步进电机部分接线图步进电机驱动器输出端接步进电机，步进驱动器接受PLC输出的脉冲后，控制步进电机的运动。其中Y0为分度脉冲输出，Y1为轴进脉冲输出；Y2为分度方向，Y4为轴进方向；Y3为分度使能，Y5为轴进使能。使能端一定要为“1”，步进电机驱动器才能工作[10]。如图3-6所示。图3-6步进电机接线图

4软件设计4.1总体流程图本设计自动部分采用步进控制，步进控制是设计PLC顺序控制程序的一种有力工具，并且状态转移图具有直观、简单的特点。如图4-1为步进状态转移图。图4-1状态转移图4.2脉冲计算4.2.1自动部分脉冲计算1、孔间脉冲分度细分设置为0.06°步距角，360/0.06°计算出分度步进电机旋转一圈需要6000个脉冲，夹持部分上下传动齿轮比为26/18[11]，所以，工件转动需要脉冲为8666个脉冲,D408定义为一圈的孔数，K8666/D408为每个孔之间分度需要的脉冲数，即为孔间脉冲数，定义D200为孔间脉冲数。如图4-2所示。图4-2孔间脉冲2、偏角脉冲分度细分设置为0.06°步距角，上下传动齿轮比为26/18，18/26*0.06=0.0415°即真正的分度细分步距角。所以需要的脉冲应该为设定分度/真正的细分即D410/0.0415也就是D415偏度数*10000/415=D204偏角脉冲。其中定义D410为偏度数，定义D204为偏角脉冲。如图4-3所示。图4-3偏角脉冲3、进给脉冲因为螺旋杆螺距为5mm，进给细分设置为0.6°步距角，所以旋转一圈的脉冲数为360/0.6=600个。所以进给所需的脉冲=进给距离（mm）/5（mm）*600，即为D412进给距离*600/5=D210进给脉冲。其中定义D412为进给距离，D210为进给脉冲。如图4-4所示。图4-4进给脉冲4、零位脉冲零位移动是轴进方向移动，由于螺旋杆为5mm，进给细分设置为0.6°步距角，所以零位脉冲应该为零位距离（mm）/5（mm）*600。即D416零点设定*600/5=D214零位脉冲。其中定义D416为零位设定，D214零位脉冲。如图4-5所示。图4-5零点脉冲4.2.2手动部分脉冲1、手动距离反馈脉冲在手动控制左移或右移之后，会启动计算，因为手动距离可能为小数，所以需要十进制到二进制的转换，DFLTD2转换成D100中把360/0.06*0.5=120变成二进制，由于DFLT指令不能对数值直接转换，所以把K120赋值给D102，DFLD102即120转换成二进制数D104。手动距离反馈脉冲=D2/120,也就是D100/D104=D84手动距离反馈脉冲。其中定义D2为手动距离，定义D84为手动距离反馈脉冲。如图4-6所示。图4-6手动距离反馈脉冲2、手动距离显示当左移M2为“1”时，计数器C202开始计数，并进行自加运算，D244=0+D84+D84+D84+……当右移M3为“1”时，计数器C202开始计算，并进行自减运算D244=0-D84-D84-D84-……其中定义D244为手动距离显示。如图4-7所示。图4-7手动距离显示3、自定义脉冲PLC通电，M8000接通，定时器T127工作，定时器计数为“1”时，T127触点动作，在上升源的瞬间，计数器C10计数，1次后C10闭合，输出M500，使得上面M500的常闭触点断开，M500得电闭合后，常开触点闭合，使C10计数器清零，0.005s完成一个周期，即200hz的自定义脉冲。如图4-8所示。图4-8自定义脉冲4、高速脉冲当M200分度状态为“1”，或M201偏角状态为“1”时，左右限位开关M40和M41为“0”时，步进禁止M1040为“0”，暂停开关M103为“0”的情况下，高速脉冲输出指令PLSR输出D350分度脉冲变量中的脉冲数[12]。当M202进给状态为“1”或M204产品零位状态为“1”时，左右限位开关M40和M41为“0”时，步进禁止M1040为“0”，暂停开关M103为“0”的情况下，高速脉冲输出指令PLSR输出D360轴进脉冲变量中的脉冲数。如图4-9所示。图4-9高速脉冲4.3触摸屏部分4.3.1界面介绍1、主界面主界面由自动运行、手动调整、手动测试、参数设置4个按钮组成，主界面主要起到换页的功能，触摸屏刚开启时，就显示主界面。如图4-10所示。图4-10主界面2、自动运行界面自动运行界面由启动、暂停、计数清零、返回按钮以及孔数、排数、产量数值显示组成。在触摸屏上点击启动，打孔机就开始运行自动打孔操作；暂停按钮能使打孔机在自动打孔的过程中能够按照操作人员的控制，对其进行中断。计数清零是给计数器C0、C1；数值显示中，孔数、排数、产量都是可以设置的，操作员可以按照工件的要求自行设置[13]。如图4-11所示。图4-11自动运行界面3、手动调整界面手动调整界面由分度进、钻头正转、钻头反转、工件松夹、轴进、轴退、钻头进、钻头退、复位返回按钮组成。利用这些按钮能够完成对工件的手动调整。如图4-12所示。图4-12手动调整界面4、手动测试界面手动测试界面包含按钮、指示灯、数值输入、数值显示。其中按钮有轴向增、轴向减、分度增、分度减、存入、开启、返回等；指示灯有零位指示灯；数值输入有轴向设置、分度设置；数值显示有轴向监视、分度监视、存入显示组成。如图4-13所示。图4-13手动测试界面5、参数设置界面如图为参数设置界面在这个界面主要用来设置产品所需的参数，包括：每圈孔数、偏角度数、后退距离、进给距离、排数、产品零位六个参数。每个参数对不同的工件设值是不同的。如图4-14所示。图4-14参数设置界面4.3.2触摸屏地址如表4-15所示，是在触摸屏中设置的所有元件的地址，把自动运行、手动调整、手动测试、参数设置中的地址栏都分开，便于查看与核对。每个元件的地址都是不同的，都是不能重复的。表4-1触摸屏地址自动运行手动调整手动测试参数设置启动M107分度进M0轴向增M2每圈孔数D408暂停M103钻头正转M8轴向减M3偏角度数D410计数清零M21钻头反转M9分度增M0后退距离D418孔数显示C1工件松夹M4分度减M1进给距离D412排数显示C2轴进M2存入M22排数D414产量显示C126轴退M3开启M12产品零位D416钻头进M6零位指示X1钻头退M5轴向设置D80复位M20分度设置D70轴向监视D244分度监视D234存入显示D246

5系统调试5.1硬件调试在硬件接线完成后，首先用手拉下各个接线头，检查是否有虚接的情况；用万用表检测各条线路是否都导通；把空气开关都打到OFF的位置，在熔断器中加入合适的熔体，插上电源，拉上总电源的空气开关，步进电机驱动器应该马上启动，并有风扇声发出；等待几分钟，检查变压器与步进电机驱动器是否有异常发热的现象；上拉PLC电源，检查PLC是否有异常发热的现象；按动各个按钮开关，检查按钮开关与PLC连接是否正常；触动接近开关，检查与PLC之间的连接是否正常；按下急停开关，检查急停开关是否有效；检查触摸屏与PLC的通讯是否正常；检查电磁阀工作是否正常。5.2软件调试5.2.1调试准备1、插上电源，把各个空气开关都上拉。2、插上PLC与电脑的通讯线，打开三菱编程软件把电脑上的PLC程序下载到PLC中。3、插上电脑与触摸屏的通讯线，打开台达触摸屏软件把电脑上的触摸屏界面下载到触摸屏中。4、接上触摸屏与PLC的通讯线。5.2.2手动部分调试1、控制柜上选择手动状态，按控制柜上各个按钮“左移”、“右移”、“分度”、“夹持”，检查是否有相应的动作。2、分别按控制柜的“左移”和“右移”按钮，使机器处于限位位置，检查左右限位是否有效。3、在触摸屏主界面上选择手动调整，按动触摸屏手动调整界面的各个按钮，检查是否都有相应的动作。4、在触摸屏主界面选择手动测试，在轴向设置上，设置为1.00mm分度设置为10°。点击轴向“加”“减”按钮，检查机器运动方向是否正确，查看轴向监视计算显示是否正确；点击分度“增”“减”按钮，检查机器是否分度正确，查看分度监视计算显示是否正确。5、点击机械零位时，查看机器是否正确归零，并且查看指示灯是否亮起。6、点击存入按钮，检查存入数值显示是否正确。5.2.3自动部分调试1、控制柜上选择自动状态，触摸屏主界面点击参数设置，设置每圈孔数15，偏角度数6°，后退距离15mm，进给距离6mm，排数9，产品零位5mm。2、在触摸屏的主界面选择自动运行，点击触摸屏或者控制柜的“启动”按钮，看机器是否启动，测量钻头当前位置是否与机械零位时相差是否为5mm。3、钻头打孔之后，检测分度是否正确，查看触摸屏“孔数”显示是否为1。4、当15个孔完成后，在触动上下限位。检查是否有偏角，测量偏角是否为5°5、查看轴向进给，检查进给距离是否为5mm，触摸屏上“排数”显示是否为1。6、当完成第9排，第15个打孔后，查看是否有后退距离，测量后退距离是否为15cm。7、按触摸屏或者控制柜的“启动”按钮，检查机器是否继续归零，开始下个工件的加工。8、按住“暂停”按钮，触动上下限位，机器应不能继续工作，放开后，机器继续正常工作。

6总结经过了长达一个多月努力，本人圆满完成了自动打孔机的设计。通过这次设计，我接触到了一个系统性的知识，让我学到了很多知识点，对三菱PLC有了