深孔钻削组合机床PLC控制系统设计
深孔钻削组合机床PLC控制系统设计
本论文以深孔钻削组合机床的研究对象，将机床的控制与PLC结合起来，对其部件动作的实现、电气控制原理和控制方案做了分析和研究。选用西门子公司的S7-200系列PLC，对组合机床进行控制。提出深孔钻削组合机床的控制要求，设计电气控制原理图。设计PLC 的控制方案，对硬件进行设计和分配相应的 I/O 地址，绘制I/O接线图，最后使用STEP7软件编制 PLC 程序，实现了机床全部功能的控制。加大了系统的稳定性，提高了生产效率。
关键词 深孔钻削，PLC，S7-200，STEP7
1 绪论 1
1.1 课题简介 1
1.2 课题研究的意义 1
1.3 课题研究的内容 2
2 深孔钻削组合机床控制系统总体方案设计 2
2.1 深孔钻削组合机床介绍 2
2.2 深孔钻削组合机床控制要求 3
2.3 控制方案的设计 4
3 PLC控制系统硬件设计 5
3.1 PLC控制系统设计的基本原则和步骤 5
3.2 PLC的选型 8
3.3 PLC的I/O分配表 10
3.4 PLC的I/O接线图 11
3.5 主电路图设计 11
4 PLC控制系统的软件设计 12
4.1 编程方法的确定 12
4.2 编程软件的简介 13
4.3 PLC控制程序设计及部分梯形图分析 14
结 论 18
致 谢 19
参 考 文 献 20
附录A 21
附录B 26
1 绪论
1.1 课题简介
本课题来源于工程实践，研究的是深孔钻削组合机床的控制系统，原有的控制系统有些落后，使用可编程逻辑控制器（PLC）可以对其控制系统进行改造升级。而随着机电一体化技术的发展，PLC被越来越多地应用于机械加工设备和其它电气控制系统中。深孔加工是机械制造技术中的难点之一。据有关资料统计，在机械制造行业中孔加工占全部机械加工的三分之一多，而深孔加工又占到40%以上。研究好本课题，在机械制造业中占着举足轻重的地位。
现在人们在工业生产中所使用的机械加工设备，它的控制系统有些已经落后，而使用PLC则可以对其控制系统进行改造升级。经过PLC改造过的机械加工设备，其生产出的产品质量和加工效率会明显提高，降低了设备故障率，能够给企业创造更多的价值。使用深孔钻削组合机床，可以完成一些高精密零件的加工任务。有很多方法可以实现深孔钻组合机床的自动化，采用PLC对深孔钻组合机床进行自动化控制，是一种比较好的控制方式。
1.2 课题研究的意义
通过对深孔加工机床的改造的意义主要有以下几点：
1）节省资金 机床的改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。
2）性能稳定可靠 因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。
3）提高生产效率 机床改造为深孔加工机床后即可实现一床多用（车削，深孔钻削，深孔镗削和深孔珩磨）的优点，自动化效率也可提高。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产制造周期。
本课题研究是深孔钻削组合机床便是其中的一种，对其系统利用PLC改造升级，能够使生产出的产品质量和加工效率会明显提高，降低了设备故障率，能够给企业创造更多的价值。在对深孔钻削组合机床改造设计的过程中，需要综合运用专业理论、知识分析解决实际问题的能力；培养我独立研究与论证的能力；使用计算机的能力；掌握典型机电产品PLC电控系统的设计过程，能对设计过程中可能遇到的问题进行分析，并培养创新能力。这是对我大学里所学专业的一种综合考验。
1.3 课题研究的内容
本课题研究的内容是把深孔钻削组合机床的控制与PLC结合起来，以实现深孔钻削组合机床的自动控制。以前的深孔钻削组合机床使用的是具有结构简单、价格低廉的继电器-接触器电气控制系统，这种传统的控制系统布线比较复杂，灵活性很差，并且容易损坏元器件，可靠性差，经济效益低。基于这种考虑，本文提出了一种基于PLC的控制系统，来代替传统的继电器-接触器控制系统。PLC以软件手段实现各种控制功能，具有灵活性高、抗干扰能力强、编程简单、扩展方便等突出优点。与继电器接触器控制系统相比，极大地提高了灵活性。
深孔钻削组合机床是对深孔进行加工的，需要滑台实现快进、工进、快退等工位动作。其中各个工位之间的转换以及左、右滑台间的避免撞刀是本设计的重点。从设计题目中确定方案即电气控制与PLC控制兼有，接着设计电气控制的电路，可以根据需要进行试验模拟运行。设计的主要任务是：拟订控制系统的总体方案；选择输入、输出设备，统计I/O点；选择PLC，进行I/O定义号分配；编制控制系统软件程序；最后完成梯形图和语句表。
2 深孔钻削组合机床控制系统总体方案设计
2.1 深孔钻削组合机床介绍
组合机床是由一些通用部件和专用部件组成的高效率自动化专用加工设备。组合机床中使用的通用部件，按其功能可分为：动力部分、传递部分、支撑部件、控制部件和辅助部件等。动力部件指用来实现主运动和进给运动的部件，包括动力头和动力滑台，在动力部件中，能同时完成加工刀具的切削及进给运动的称为动力头；而只能完成进给运动的动力部件称为动力滑台。
深孔钻削组合机床为卧式机床，采用双面进给的工作方式。在大批量生产中，常常采用分级进给的方法，即让钻头钻进一段距离即退出一次，以便排屑和冷却。孔的深度越大，反复循环的次数就越多，控制越复杂。深孔钻削组合机床两面进给的工作示意图如图2.1所示。
图2.1 两面进给深孔钻削加工示意图
2.2 深孔钻削组合机床控制要求
1） 该机床按要求有手动和自动两种控制方式。加工工件是在自动方式下进行的，动力头和动力滑台的调整有时需要用手动方式。
2）自动加工循环过程如下：滑台原位起动→快进→进给挡块压下行程开关→滑台工进→进给到分级退处→滑台快退→快退到退离线处→滑台再快进→到距离未加工部分一定距离，压下行程开关→滑台再工进→以此下去。滑台这样循环往复，一直加工到孔深的位置压下加工终点开关，滑台快退回原位。其自动循环过程如2.2所示。
图2.2 左右滑台自动工作循环图
3）在工作循环过程中，动力头电动机必须先起动，进给电动机才能起动，保证切削时刀具已经转动起来。
4）两边刀具的总进给行程相当，但必须避免两把刀具同时到达中间位置时的相撞。
5）保证在工进夹紧后才能进行进给加工。
2.3 控制方案的设计
本课题的控制方案的设计方法有很多，例如有工业计算机控制、继电器控制、PLC控制等。下面简单介绍这几种控制系统并与PLC控制系统进行比较[13]。
2.3.1 PLC控制系统与工业计算机控制系统的比较
工业计算机是在以往计算机与大规模集成电路的基础上发展起来的，其品种兼容性强，软件资源丰富，硬件结构总线标准化程度高等优势。PLC在结构上采用了整体密封或插件组合型，并采用了一系列抗干扰措施，在工业现场有很高的可靠性。PLC控制系统与工业计算机控制系统的比较如下表2.1所示。
本论文以深孔钻削组合机床的研究对象，将机床的控制与PLC结合起来，对其部件动作的实现、电气控制原理和控制方案做了分析和研究。选用西门子公司的S7-200系列PLC，对组合机床进行控制。提出深孔钻削组合机床的控制要求，设计电气控制原理图。设计PLC 的控制方案，对硬件进行设计和分配相应的 I/O 地址，绘制I/O接线图，最后使用STEP7软件编制 PLC 程序，实现了机床全部功能的控制。加大了系统的稳定性，提高了生产效率。
关键词 深孔钻削，PLC，S7-200，STEP7
1 绪论 1
1.1 课题简介 1
1.2 课题研究的意义 1
1.3 课题研究的内容 2
2 深孔钻削组合机床控制系统总体方案设计 2
2.1 深孔钻削组合机床介绍 2
2.2 深孔钻削组合机床控制要求 3
2.3 控制方案的设计 4
3 PLC控制系统硬件设计 5
3.1 PLC控制系统设计的基本原则和步骤 5
3.2 PLC的选型 8
3.3 PLC的I/O分配表 10
3.4 PLC的I/O接线图 11
3.5 主电路图设计 11
4 PLC控制系统的软件设计 12
4.1 编程方法的确定 12
4.2 编程软件的简介 13
4.3 PLC控制程序设计及部分梯形图分析 14
结 论 18
致 谢 19
参 考 文 献 20
附录A 21
附录B 26
1 绪论
1.1 课题简介
本课题来源于工程实践，研究的是深孔钻削组合机床的控制系统，原有的控制系统有些落后，使用可编程逻辑控制器（PLC）可以对其控制系统进行改造升级。而随着机电一体化技术的发展，PLC被越来越多地应用于机械加工设备和其它电气控制系统中。深孔加工是机械制造技术中的难点之一。据有关资料统计，在机械制造行业中孔加工占全部机械加工的三分之一多，而深孔加工又占到40%以上。研究好本课题，在机械制造业中占着举足轻重的地位。
现在人们在工业生产中所使用的机械加工设备，它的控制系统有些已经落后，而使用PLC则可以对其控制系统进行改造升级。经过PLC改造过的机械加工设备，其生产出的产品质量和加工效率会明显提高，降低了设备故障率，能够给企业创造更多的价值。使用深孔钻削组合机床，可以完成一些高精密零件的加工任务。有很多方法可以实现深孔钻组合机床的自动化，采用PLC对深孔钻组合机床进行自动化控制，是一种比较好的控制方式。
1.2 课题研究的意义
通过对深孔加工机床的改造的意义主要有以下几点：
1）节省资金 机床的改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。
2）性能稳定可靠 因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。
3）提高生产效率 机床改造为深孔加工机床后即可实现一床多用（车削，深孔钻削，深孔镗削和深孔珩磨）的优点，自动化效率也可提高。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产制造周期。
本课题研究是深孔钻削组合机床便是其中的一种，对其系统利用PLC改造升级，能够使生产出的产品质量和加工效率会明显提高，降低了设备故障率，能够给企业创造更多的价值。在对深孔钻削组合机床改造设计的过程中，需要综合运用专业理论、知识分析解决实际问题的能力；培养我独立研究与论证的能力；使用计算机的能力；掌握典型机电产品PLC电控系统的设计过程，能对设计过程中可能遇到的问题进行分析，并培养创新能力。这是对我大学里所学专业的一种综合考验。
1.3 课题研究的内容
本课题研究的内容是把深孔钻削组合机床的控制与PLC结合起来，以实现深孔钻削组合机床的自动控制。以前的深孔钻削组合机床使用的是具有结构简单、价格低廉的继电器-接触器电气控制系统，这种传统的控制系统布线比较复杂，灵活性很差，并且容易损坏元器件，可靠性差，经济效益低。基于这种考虑，本文提出了一种基于PLC的控制系统，来代替传统的继电器-接触器控制系统。PLC以软件手段实现各种控制功能，具有灵活性高、抗干扰能力强、编程简单、扩展方便等突出优点。与继电器接触器控制系统相比，极大地提高了灵活性。
深孔钻削组合机床是对深孔进行加工的，需要滑台实现快进、工进、快退等工位动作。其中各个工位之间的转换以及左、右滑台间的避免撞刀是本设计的重点。从设计题目中确定方案即电气控制与PLC控制兼有，接着设计电气控制的电路，可以根据需要进行试验模拟运行。设计的主要任务是：拟订控制系统的总体方案；选择输入、输出设备，统计I/O点；选择PLC，进行I/O定义号分配；编制控制系统软件程序；最后完成梯形图和语句表。
2 深孔钻削组合机床控制系统总体方案设计
2.1 深孔钻削组合机床介绍
组合机床是由一些通用部件和专用部件组成的高效率自动化专用加工设备。组合机床中使用的通用部件，按其功能可分为：动力部分、传递部分、支撑部件、控制部件和辅助部件等。动力部件指用来实现主运动和进给运动的部件，包括动力头和动力滑台，在动力部件中，能同时完成加工刀具的切削及进给运动的称为动力头；而只能完成进给运动的动力部件称为动力滑台。
深孔钻削组合机床为卧式机床，采用双面进给的工作方式。在大批量生产中，常常采用分级进给的方法，即让钻头钻进一段距离即退出一次，以便排屑和冷却。孔的深度越大，反复循环的次数就越多，控制越复杂。深孔钻削组合机床两面进给的工作示意图如图2.1所示。
图2.1 两面进给深孔钻削加工示意图
2.2 深孔钻削组合机床控制要求
1） 该机床按要求有手动和自动两种控制方式。加工工件是在自动方式下进行的，动力头和动力滑台的调整有时需要用手动方式。
2）自动加工循环过程如下：滑台原位起动→快进→进给挡块压下行程开关→滑台工进→进给到分级退处→滑台快退→快退到退离线处→滑台再快进→到距离未加工部分一定距离，压下行程开关→滑台再工进→以此下去。滑台这样循环往复，一直加工到孔深的位置压下加工终点开关，滑台快退回原位。其自动循环过程如2.2所示。
图2.2 左右滑台自动工作循环图
3）在工作循环过程中，动力头电动机必须先起动，进给电动机才能起动，保证切削时刀具已经转动起来。
4）两边刀具的总进给行程相当，但必须避免两把刀具同时到达中间位置时的相撞。
5）保证在工进夹紧后才能进行进给加工。
2.3 控制方案的设计
本课题的控制方案的设计方法有很多，例如有工业计算机控制、继电器控制、PLC控制等。下面简单介绍这几种控制系统并与PLC控制系统进行比较[13]。
2.3.1 PLC控制系统与工业计算机控制系统的比较
工业计算机是在以往计算机与大规模集成电路的基础上发展起来的，其品种兼容性强，软件资源丰富，硬件结构总线标准化程度高等优势。PLC在结构上采用了整体密封或插件组合型，并采用了一系列抗干扰措施，在工业现场有很高的可靠性。PLC控制系统与工业计算机控制系统的比较如下表2.1所示。
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