多工位回转工作台组合机床PLC控制系统的设计
多工位回转工作台组合机床PLC控制系统的设计
本文以组合机床为研究对象，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，并采用PLC控制系统的设计方法, 完成了系统的硬件连线及软件的设计，列出了PLC的I/O地址分配表，绘制了PLC的I/O分配图，硬件连线包括PLC 的外围接线、主电路及控制电路，软件包括梯形图及指令表。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)，组合机床，控制系统
1 绪论 1
1.1 课题简述 1
1.2 课题研究的背景及意义 1
1.3 课题的设计任务 2
2 多工位回转工作台组合机床控制系统总体方案设计 2
2.1 多工位回转工作台组合机床原理及控制系统的设计要求 2
2.2 多工位回转工作台组合机床控制方案简介 4
2.3 控制系统的总体方案确定 5
3 PLC控制系统硬件部分设计 5
3.1 PLC型号选择 5
3.2 I/O定义号分配 8
3.3 I/O点接线图 9
3.4 电气主接线图设计 10
3.5 多工位回转工作台组合机床液压系统的简介 11
4 PLC程序的设计 13
4.1 编程方法的确定 13
4.2 编程软件介绍 14
4.3 梯形图程序 16
结论 19
致谢 20
参考文献 21
附录A:梯形图 22
附录B：指令表 30
1 绪论
1.1 课题简述
本课题来源于工程实践，主要研究的是以多工位回转工作台组合机床自动电气控制系统为背景，通过采用可编程序控制设备完成对多工位回转工作台组合机床生产的控制[1]。其突出特点表现在可靠性高，抗干扰能力强，系统组合灵活方便，编程语言简单易懂，对生产工艺适应性强等优点。多工位回转工作台组合机床由于控制内容多，自动化程度要求较高其继电器控制系统接线复杂，故障率较高，可靠性较差。应用PLC对其进行技术改造，可以把机械加工设备的功能，效率，柔性提高到一个新的水平，有利于提高产品的加工质量，生产效率，降低设备故障率。同时可以根据工艺要求迅速灵活的改变生产流程和对系统进行扩充。且系统维护简单，使用方便，降低了工人的劳动强度。
1.2 课题研究的背景及意义
多年来，人们用电磁继电器控制顺序型的设备和生产过程[2]，然而现代社会要求制造业对市场需求做出快速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，老式的继电气控制线路已经成为现实这一目标的巨大障碍。显然，需要寻求一种新的控制装置来取代老式的继电器控制系统[3]，使电气控制系统的工作更加可靠、更容易维修、更能适应经常变动的工艺条件，那么，可编程控制器便应运而生了，它是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应运设计。可编程控制器及其有关设备，都是按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充功能的原则设计。
自从PLC的产生之后，各行各业涌现出大批应用可编程控制器改造设备的成果，机械行业生产的设备越来越多地采用可编程控制器做控制装置。传统的组合机床机采用电气、机械联合控制，柔性差，自动化程度不高，影响了组合机床在现代化生产中的应用。因而对其进行PLC改造具有重要的实践意义。
从自身来讲，作为即将毕业的大学生，仅仅学习理论知识不足以使我们立足社会，我们需要通过动手实践做到理论联系实际，提高自己的综合能力。并且研究本课题，通过各个环节的训练，能够培养我调查研究、中外文献检索与阅读的能力；综合运用专业理论、知识分析解决实际问题的能力；独立研究与论证的能力；使用计算机的能力；撰写设计说明书或论文的能力。通过对卧式镗铣组合机床电控系统设计，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。
1.3 课题的设计任务
本设计主要是对多工位回转工作台组合机床动力头自动控制电路的设计，用PLC控制的梯形图和语句表进行表述[4]。多工位回转工作台组合机床的工作台有四个工作位置，每一个工作位置都有一个动力头单独控制带动。每两个相邻工位之间的角度为90°，由油缸的行程控制来实现回转工作台转过的角度的控制。
多工位回转工作台组合机床的四个工作位置中，除了装卸工位外，其他三个动力头的设计是本设计的核心内容，从设计题目中确定总方案，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，如果达到了设计的目标，可以继续。但如果没有达到指标，则要返回重新设计电气控制电路。当电气控制电路设计好了之后，要选择电器，设计中使用到的电器元件要一一进行准确计算后并认真选择[5]。电气部分设计完成之后，要进行PLC控制的设计，首先要编写输入、输出对应元件的地址分配表，要完成它们的梯形图及语句表。
综上所述，具体内容包括：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。
2 多工位回转工作台组合机床控制系统总体方案设计
2.1 多工位回转工作台组合机床原理及控制系统的设计要求
2.1.1 多工位回转工作台组合机床原理
T2
T3 T1
装卸
图2-1 多工位回转工作台组合机床工位示意图
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[6]。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[7]。
本次设计要完成钻、扩、绞多工位加工，由于卧式机床结构布置灵活，特别适合于进给有不同要求的加工表面，所以本次设计是基于卧式结构的钻、扩、绞组合机床。加工工位的布置如图2-1所示，其中T1、T2、T3分别代表钻、扩、绞三个加工工位。
本设计主要考虑电气控制电路的设计，即动力头自动控制电路的设计。动力头由液压油缸带动，可以做前后进给动作。动力头的自动工作循环如图2-2所示：
动力头快进 行程开关2
动力头工进 行程开关3
动力头停止进给
行程开关1 动力头快退 延时停留
图2-2 电气控制系统自动工作循环图
2.1.2 多工位回转工作台组合机床控制系统设计要求
组合机床的控制系统大多采用机械、液压、电器、气压相结合的控制方式[8]。本设计的机床主要由液压回转工作台和液压动力头两个通用部件组合而成，从而进行控制的，如图2-1，T1、T2和T3是通用的动力头，是完成进给运动的动力部件。在动力上可以安装多轴箱，安装各种切削刀具完成钻、扩、铰、镗、刮端面、倒角、铣削和攻丝等工序。工作台是以四个位置旋转，每回转90°为一个工位[9]，工作台面上装有专门的夹具，夹紧被加工的工件。
该组合机床的自动工作循环是：回转台上升→回转台转动→回转台下降→回转台反靠→回转台夹紧。
动力头滑台的自动进给循环是：三个动力头快进→动力头分别工进→动力头延时停留→动力头快退。
2.2 多工位回转工作台组合机床控制方案简介
在现在的多工位回转工作台组合机床中，稳定的控制系统是整个组合机床正常运行的最基本的保障，若是控制系统出现了故障，组合机床也就处于瘫痪的地步，这样就直接影响生产的进行，无疑会给企业造成重大的损失，这对于任何一个企业来说都是不能接受的。控制系统的性能的好坏也关系到组合机床的正常运行，若是控制系统不稳定，或者经常出故障，或是不能够正常的运行，同样都会给企业的生产过程造成困难。因此，我们可以得知控制系统在组合机床中的地位是非常重要的。
然而能够实现这个要求和控制功能的方法很多[10]，如集散控制系统，开放式控制系统，PLC控制系统等。
近些年来由于PLC它具有控制功能强、可靠性高、配置灵活、体积小、重量轻以及使用方便等优点，目前在我国已广泛地适用于自动化控制的各个领域。作为一名机械设计制造及其自动化专业的学生，并在未来致力于成为电气工程技术人员，可编程控制技术已经成为一门必须要掌握的专业技术知识。
可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一种数字运算操作的电子操作系统，转为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC本质上是一台用于控制的专用计算机，主要特点是与控制对象有更强的接口能力，也就是说，它的基本结构主要是围绕着适宜于过程控制的要求来进行设计的。
机械设备电气控制可分为两种控制方式：一种只是以开关量作为转移信号，机械设备是按人们设计的工艺流程一步一步地进行工作的，称为数字量控制。另一种除了具有第一种的功能外，还要进行数据的检测、运算，以运算结果作为反馈信号进行控制，也称为模拟量控制，这两种控制就要利用PLC的功能块进行工作。本设计选择一开关量为转移信号的机械设备的数字量控制。
通过对继电器、PLC、单片机三种控制系统的比较和分析，各有利弊，我将在2.3章具体阐述并确定总体方案。
2.3 控制系统的总体方案确定
能够实现多工位回转工作台组合机床控制要求的方法很多，如继电器、PLC、单片机等[11]。
传统的继电器控制价格低廉，它是针对一定的生产机械、固定的生产工艺而设计，采用硬件接线方法安装而成，为接线程序控制，只能进行开关量的控制，接线多，可靠性差，修改不容易，适应能力差，维修不方便。
单片机控制是程序存储控制，在设计时硬件和软件均要设计，抗干扰性能差，不通用，并且需要有接口电路与之配套。
PLC控制即为可编程控制器控制，有如下优点：
（1）抗干扰能力强，可靠性强。
（2）编程简单，使用方便。
（3）扩充方便，组合灵活。
（4）采用模块化组合式结构，是系统构成十分灵活，可根据需要任意组合，易于维修，易于实现分散式，异地控制。
（5）体积小，重量轻，功耗低。
（6）具有很高的性价比。
通过上述综合比较，继电器控制虽然价格最低，但是它修改不容易，维修不方便；单片机控制虽然能够满足要求，但是它设计复杂，抗干扰性差，在软、硬件开发时对人员技术水平要求较高，一般应具有一定的计算机专业知识，不通用；PLC控制不仅综合了以上两种控制方法的优点，还克服了它们的不足。所以，最终我选择了用PLC来控制。
本文以组合机床为研究对象，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，并采用PLC控制系统的设计方法, 完成了系统的硬件连线及软件的设计，列出了PLC的I/O地址分配表，绘制了PLC的I/O分配图，硬件连线包括PLC 的外围接线、主电路及控制电路，软件包括梯形图及指令表。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)，组合机床，控制系统
1 绪论 1
1.1 课题简述 1
1.2 课题研究的背景及意义 1
1.3 课题的设计任务 2
2 多工位回转工作台组合机床控制系统总体方案设计 2
2.1 多工位回转工作台组合机床原理及控制系统的设计要求 2
2.2 多工位回转工作台组合机床控制方案简介 4
2.3 控制系统的总体方案确定 5
3 PLC控制系统硬件部分设计 5
3.1 PLC型号选择 5
3.2 I/O定义号分配 8
3.3 I/O点接线图 9
3.4 电气主接线图设计 10
3.5 多工位回转工作台组合机床液压系统的简介 11
4 PLC程序的设计 13
4.1 编程方法的确定 13
4.2 编程软件介绍 14
4.3 梯形图程序 16
结论 19
致谢 20
参考文献 21
附录A:梯形图 22
附录B：指令表 30
1 绪论
1.1 课题简述
本课题来源于工程实践，主要研究的是以多工位回转工作台组合机床自动电气控制系统为背景，通过采用可编程序控制设备完成对多工位回转工作台组合机床生产的控制[1]。其突出特点表现在可靠性高，抗干扰能力强，系统组合灵活方便，编程语言简单易懂，对生产工艺适应性强等优点。多工位回转工作台组合机床由于控制内容多，自动化程度要求较高其继电器控制系统接线复杂，故障率较高，可靠性较差。应用PLC对其进行技术改造，可以把机械加工设备的功能，效率，柔性提高到一个新的水平，有利于提高产品的加工质量，生产效率，降低设备故障率。同时可以根据工艺要求迅速灵活的改变生产流程和对系统进行扩充。且系统维护简单，使用方便，降低了工人的劳动强度。
1.2 课题研究的背景及意义
多年来，人们用电磁继电器控制顺序型的设备和生产过程[2]，然而现代社会要求制造业对市场需求做出快速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，老式的继电气控制线路已经成为现实这一目标的巨大障碍。显然，需要寻求一种新的控制装置来取代老式的继电器控制系统[3]，使电气控制系统的工作更加可靠、更容易维修、更能适应经常变动的工艺条件，那么，可编程控制器便应运而生了，它是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应运设计。可编程控制器及其有关设备，都是按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充功能的原则设计。
自从PLC的产生之后，各行各业涌现出大批应用可编程控制器改造设备的成果，机械行业生产的设备越来越多地采用可编程控制器做控制装置。传统的组合机床机采用电气、机械联合控制，柔性差，自动化程度不高，影响了组合机床在现代化生产中的应用。因而对其进行PLC改造具有重要的实践意义。
从自身来讲，作为即将毕业的大学生，仅仅学习理论知识不足以使我们立足社会，我们需要通过动手实践做到理论联系实际，提高自己的综合能力。并且研究本课题，通过各个环节的训练，能够培养我调查研究、中外文献检索与阅读的能力；综合运用专业理论、知识分析解决实际问题的能力；独立研究与论证的能力；使用计算机的能力；撰写设计说明书或论文的能力。通过对卧式镗铣组合机床电控系统设计，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。
1.3 课题的设计任务
本设计主要是对多工位回转工作台组合机床动力头自动控制电路的设计，用PLC控制的梯形图和语句表进行表述[4]。多工位回转工作台组合机床的工作台有四个工作位置，每一个工作位置都有一个动力头单独控制带动。每两个相邻工位之间的角度为90°，由油缸的行程控制来实现回转工作台转过的角度的控制。
多工位回转工作台组合机床的四个工作位置中，除了装卸工位外，其他三个动力头的设计是本设计的核心内容，从设计题目中确定总方案，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，如果达到了设计的目标，可以继续。但如果没有达到指标，则要返回重新设计电气控制电路。当电气控制电路设计好了之后，要选择电器，设计中使用到的电器元件要一一进行准确计算后并认真选择[5]。电气部分设计完成之后，要进行PLC控制的设计，首先要编写输入、输出对应元件的地址分配表，要完成它们的梯形图及语句表。
综上所述，具体内容包括：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。
2 多工位回转工作台组合机床控制系统总体方案设计
2.1 多工位回转工作台组合机床原理及控制系统的设计要求
2.1.1 多工位回转工作台组合机床原理
T2
T3 T1
装卸
图2-1 多工位回转工作台组合机床工位示意图
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[6]。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[7]。
本次设计要完成钻、扩、绞多工位加工，由于卧式机床结构布置灵活，特别适合于进给有不同要求的加工表面，所以本次设计是基于卧式结构的钻、扩、绞组合机床。加工工位的布置如图2-1所示，其中T1、T2、T3分别代表钻、扩、绞三个加工工位。
本设计主要考虑电气控制电路的设计，即动力头自动控制电路的设计。动力头由液压油缸带动，可以做前后进给动作。动力头的自动工作循环如图2-2所示：
动力头快进 行程开关2
动力头工进 行程开关3
动力头停止进给
行程开关1 动力头快退 延时停留
图2-2 电气控制系统自动工作循环图
2.1.2 多工位回转工作台组合机床控制系统设计要求
组合机床的控制系统大多采用机械、液压、电器、气压相结合的控制方式[8]。本设计的机床主要由液压回转工作台和液压动力头两个通用部件组合而成，从而进行控制的，如图2-1，T1、T2和T3是通用的动力头，是完成进给运动的动力部件。在动力上可以安装多轴箱，安装各种切削刀具完成钻、扩、铰、镗、刮端面、倒角、铣削和攻丝等工序。工作台是以四个位置旋转，每回转90°为一个工位[9]，工作台面上装有专门的夹具，夹紧被加工的工件。
该组合机床的自动工作循环是：回转台上升→回转台转动→回转台下降→回转台反靠→回转台夹紧。
动力头滑台的自动进给循环是：三个动力头快进→动力头分别工进→动力头延时停留→动力头快退。
2.2 多工位回转工作台组合机床控制方案简介
在现在的多工位回转工作台组合机床中，稳定的控制系统是整个组合机床正常运行的最基本的保障，若是控制系统出现了故障，组合机床也就处于瘫痪的地步，这样就直接影响生产的进行，无疑会给企业造成重大的损失，这对于任何一个企业来说都是不能接受的。控制系统的性能的好坏也关系到组合机床的正常运行，若是控制系统不稳定，或者经常出故障，或是不能够正常的运行，同样都会给企业的生产过程造成困难。因此，我们可以得知控制系统在组合机床中的地位是非常重要的。
然而能够实现这个要求和控制功能的方法很多[10]，如集散控制系统，开放式控制系统，PLC控制系统等。
近些年来由于PLC它具有控制功能强、可靠性高、配置灵活、体积小、重量轻以及使用方便等优点，目前在我国已广泛地适用于自动化控制的各个领域。作为一名机械设计制造及其自动化专业的学生，并在未来致力于成为电气工程技术人员，可编程控制技术已经成为一门必须要掌握的专业技术知识。
可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一种数字运算操作的电子操作系统，转为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC本质上是一台用于控制的专用计算机，主要特点是与控制对象有更强的接口能力，也就是说，它的基本结构主要是围绕着适宜于过程控制的要求来进行设计的。
机械设备电气控制可分为两种控制方式：一种只是以开关量作为转移信号，机械设备是按人们设计的工艺流程一步一步地进行工作的，称为数字量控制。另一种除了具有第一种的功能外，还要进行数据的检测、运算，以运算结果作为反馈信号进行控制，也称为模拟量控制，这两种控制就要利用PLC的功能块进行工作。本设计选择一开关量为转移信号的机械设备的数字量控制。
通过对继电器、PLC、单片机三种控制系统的比较和分析，各有利弊，我将在2.3章具体阐述并确定总体方案。
2.3 控制系统的总体方案确定
能够实现多工位回转工作台组合机床控制要求的方法很多，如继电器、PLC、单片机等[11]。
传统的继电器控制价格低廉，它是针对一定的生产机械、固定的生产工艺而设计，采用硬件接线方法安装而成，为接线程序控制，只能进行开关量的控制，接线多，可靠性差，修改不容易，适应能力差，维修不方便。
单片机控制是程序存储控制，在设计时硬件和软件均要设计，抗干扰性能差，不通用，并且需要有接口电路与之配套。
PLC控制即为可编程控制器控制，有如下优点：
（1）抗干扰能力强，可靠性强。
（2）编程简单，使用方便。
（3）扩充方便，组合灵活。
（4）采用模块化组合式结构，是系统构成十分灵活，可根据需要任意组合，易于维修，易于实现分散式，异地控制。
（5）体积小，重量轻，功耗低。
（6）具有很高的性价比。
通过上述综合比较，继电器控制虽然价格最低，但是它修改不容易，维修不方便；单片机控制虽然能够满足要求，但是它设计复杂，抗干扰性差，在软、硬件开发时对人员技术水平要求较高，一般应具有一定的计算机专业知识，不通用；PLC控制不仅综合了以上两种控制方法的优点，还克服了它们的不足。所以，最终我选择了用PLC来控制。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/jdgc/1967.html
