钻锪组合机床PLC控制系统设计
钻锪组合机床PLC控制系统设计
本文以钻锪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, 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，编写PLC控制程序的梯形图。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 钻锪组合机床，PLC，控制系统
1 引言 1
1.1 课题简介 1
1.2 课题研究的意义 1
1.3 本课题的主要设计内容 1
2 钻锪组合机床控制系统总体方案设计 2
2.1 钻锪组合机床原理及控制系统的设计要求 2
2.2 钻锪组合机床控制系统的简介 3
2.3 控制系统的总体方案确定 3
3 钻锪组合机床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 6
3.3 I/O点接线图 7
3.4 电气主接线图设计 7
3.5 二次进给组合机床的液压系统说明 8
4 PLC程序的设计 10
4.1 PLC的编程语言与编程方法 11
4.2 PLC编程软件概述 13
4.3 PLC控制系统程序设计 13
结 论 16
致 谢 17
参 考 文 献 18
附录A:梯形图 19
附录B:语句表 23
1．1 课题简介
本课题来源于工程实践，主要研究的是以钻锪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钻锪组合机床生产的控制。其突出表现的优点有功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于编程及适应工业环境下应用等。钻锪组合机床由于控制内容多，对于继电器-接触器控制系统，采用物理电子器件和大量而又复杂的硬接线,使得系统的可靠性差,工作效率低,故障诊断和排除困难,严重影响了工厂的生产效率。把PLC技术应用于钻锪组合机床，可以充分发挥其可靠性高、调试方便和使用灵活等优点。进而大大缩短产品的开发周期，降低设计成本，提高成功率和产品的可靠性及生产效率。利用PLC实现对组合机床的自动控制，无疑是今后的发展方向。
1．2 课题研究的意义
原来的机床的控制系统用于大量的继电器控制，可靠性低并且容易产生误动作，故障不易检查，维修频繁，噪声大且耗能，越来越满足不了生产需要[1]。同时可编程控制器作为一种新型的工业自动化装置已在工业控制名个领域广泛应用，具有体积小，功耗低，寿命长，可靠性高，灵活通用，易于编程，纪念版及使用方便等特点。组合机床是一种进行物定加工的高效率，自动化专用设备。它通常采用继电器逻辑控制方式，存在着控制柜体积大，改变控制方式困难，柔性差，设备的电控系统故障率高，检修周期长等缺点。随着技术的进步，这类控制系统已显示出越来越多的弊端。因而对其进行PLC改造具有重要的实践意义。
1．3 本课题的主要设计内容
本课题研究的主要是钻锪组合机床PLC控制系统的设计，用PLC控制的梯形图和语句表进行表述。通过分析机床主要结构和运动形式以及机床的工作过程和控制要求。给出机床动作循环图、液压元件动作表;并采用PLC控制系统的设计方法, 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，编写PLC控制程序的梯形图。
2 钻锪组合机床控制系统总体方案设计
2．1 钻锪组合机床原理及控制系统的设计要求
2.1.1 钻锪组合机床原理
图2.1 钻锪组合机床工件加工示意图
组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定形状和加工工艺设计的专用部件和夹具，组成的半自动或自动专用机床[2]。通用部件按功能可分为动力部件、支承部件、输送部件、控制部件和辅助部件五类。动力部件是为组合机床提供主运动和进给运动的部件，主要有动力箱、切削头和动力滑台。支承部件是用以安装动力滑台、带有进给机构的切削头或夹具等的部件，有侧底座、中间底座、支架、可调支架、立柱和立柱底座等。输送部件是用以输送工件或主轴箱至加工工位的部件，主要有分度回转工作台、环形分度回转工作台、分度鼓轮和往复移动工作台等。控制部件是用以控制机床的自动工作循环的部件，有液压站、电气柜和操纵台等。辅助部件有润滑装置、冷却装置和排屑装置等。
此次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。动力头的具体控制过程是：
图2.2 滑台运动控制具体过程示意图
2.1.2 钻锪组合机床控制系统设计要求
目前，大多数的组合机床控制系统的控制方式由机械、液压、电器、气压相结合的。此次课题设计的机床主要由液压动力滑台和液压动力头两个通用部件组合而成，从而进行控制的。在动力滑台上装有专门的夹具，夹紧被加工的工件。该组合机床的控制具体过程如图2.2所示，滑台从原位SQ1开始，按下起动按钮 滑台带动刀具快进 当进给挡块压下行程开关SQ2 滑台以钻削加工（一次工进）
进给加工到行程开关SQ3位置时 滑台转换成锪孔（二次工进） 当进给挡块压下行程开关SQ4 滑台停止进给，刀具继续转动加工，负责把沉头孔底部加工完整 延时 快退SQ1。一次加工循环过程结束。
另外，工件需要自动夹紧和松开，效率要高；主电动机不需要正、反转和制动，只需要起动和停止控制。
2．2 钻锪组合机床控制系统的简介
在钻锪组合机床中，控制系统对于整个组合机床就像人的大脑对于人一样，稳定的控制系统是保障机床正常运行最基本的要素，一旦控制系统发生了问题，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，任何一个企业都是不能接受这样情况的发生。另外，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。然而随着现代社会的迅速发展，已经有很多方法能够实现这个要求和控制功能，如集散控制系统，开放式控制系统，PLC控制系统等。
PLC本质上是一台用于控制的专用计算机。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。现在，它已广泛地适用于自动化控制的各个领域。
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，另一种是模拟量控制，这两种控制就要利用PLC的功能块进行工作。此次课题设计选择开关量为转移信号的机械设备的PLC控制。
2．3 控制系统的总体方案确定
能够实现钻锪组合机床控制要求的方法很多，如传统继电器、PLC、单片机等。下面简单介绍这几种的方法的比较。
2.3.1 PLC控制与继电器控制的比较
1. 功能强，性价比高
一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性价比。可编程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。
2. 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装备供用户选用。
3. 可靠性高，抗干扰能力强
传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器，时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10--1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。
4. 系统的设计，安装，调试工作量少
PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器，时间继电器，计算机等器件，使控制柜的设计，安装，接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序一般采用顺序设计方法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。
5. 编程方法简单
梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电器符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂。熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。 梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。
6. 维修工作量少，维修方便
PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的故障，迅速的查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。
7. 体积小，能耗低
本文以钻锪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, 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，编写PLC控制程序的梯形图。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 钻锪组合机床，PLC，控制系统
1 引言 1
1.1 课题简介 1
1.2 课题研究的意义 1
1.3 本课题的主要设计内容 1
2 钻锪组合机床控制系统总体方案设计 2
2.1 钻锪组合机床原理及控制系统的设计要求 2
2.2 钻锪组合机床控制系统的简介 3
2.3 控制系统的总体方案确定 3
3 钻锪组合机床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 6
3.3 I/O点接线图 7
3.4 电气主接线图设计 7
3.5 二次进给组合机床的液压系统说明 8
4 PLC程序的设计 10
4.1 PLC的编程语言与编程方法 11
4.2 PLC编程软件概述 13
4.3 PLC控制系统程序设计 13
结 论 16
致 谢 17
参 考 文 献 18
附录A:梯形图 19
附录B:语句表 23
1．1 课题简介
本课题来源于工程实践，主要研究的是以钻锪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钻锪组合机床生产的控制。其突出表现的优点有功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于编程及适应工业环境下应用等。钻锪组合机床由于控制内容多，对于继电器-接触器控制系统，采用物理电子器件和大量而又复杂的硬接线,使得系统的可靠性差,工作效率低,故障诊断和排除困难,严重影响了工厂的生产效率。把PLC技术应用于钻锪组合机床，可以充分发挥其可靠性高、调试方便和使用灵活等优点。进而大大缩短产品的开发周期，降低设计成本，提高成功率和产品的可靠性及生产效率。利用PLC实现对组合机床的自动控制，无疑是今后的发展方向。
1．2 课题研究的意义
原来的机床的控制系统用于大量的继电器控制，可靠性低并且容易产生误动作，故障不易检查，维修频繁，噪声大且耗能，越来越满足不了生产需要[1]。同时可编程控制器作为一种新型的工业自动化装置已在工业控制名个领域广泛应用，具有体积小，功耗低，寿命长，可靠性高，灵活通用，易于编程，纪念版及使用方便等特点。组合机床是一种进行物定加工的高效率，自动化专用设备。它通常采用继电器逻辑控制方式，存在着控制柜体积大，改变控制方式困难，柔性差，设备的电控系统故障率高，检修周期长等缺点。随着技术的进步，这类控制系统已显示出越来越多的弊端。因而对其进行PLC改造具有重要的实践意义。
1．3 本课题的主要设计内容
本课题研究的主要是钻锪组合机床PLC控制系统的设计，用PLC控制的梯形图和语句表进行表述。通过分析机床主要结构和运动形式以及机床的工作过程和控制要求。给出机床动作循环图、液压元件动作表;并采用PLC控制系统的设计方法, 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，编写PLC控制程序的梯形图。
2 钻锪组合机床控制系统总体方案设计
2．1 钻锪组合机床原理及控制系统的设计要求
2.1.1 钻锪组合机床原理
图2.1 钻锪组合机床工件加工示意图
组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定形状和加工工艺设计的专用部件和夹具，组成的半自动或自动专用机床[2]。通用部件按功能可分为动力部件、支承部件、输送部件、控制部件和辅助部件五类。动力部件是为组合机床提供主运动和进给运动的部件，主要有动力箱、切削头和动力滑台。支承部件是用以安装动力滑台、带有进给机构的切削头或夹具等的部件，有侧底座、中间底座、支架、可调支架、立柱和立柱底座等。输送部件是用以输送工件或主轴箱至加工工位的部件，主要有分度回转工作台、环形分度回转工作台、分度鼓轮和往复移动工作台等。控制部件是用以控制机床的自动工作循环的部件，有液压站、电气柜和操纵台等。辅助部件有润滑装置、冷却装置和排屑装置等。
此次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。动力头的具体控制过程是：
图2.2 滑台运动控制具体过程示意图
2.1.2 钻锪组合机床控制系统设计要求
目前，大多数的组合机床控制系统的控制方式由机械、液压、电器、气压相结合的。此次课题设计的机床主要由液压动力滑台和液压动力头两个通用部件组合而成，从而进行控制的。在动力滑台上装有专门的夹具，夹紧被加工的工件。该组合机床的控制具体过程如图2.2所示，滑台从原位SQ1开始，按下起动按钮 滑台带动刀具快进 当进给挡块压下行程开关SQ2 滑台以钻削加工（一次工进）
进给加工到行程开关SQ3位置时 滑台转换成锪孔（二次工进） 当进给挡块压下行程开关SQ4 滑台停止进给，刀具继续转动加工，负责把沉头孔底部加工完整 延时 快退SQ1。一次加工循环过程结束。
另外，工件需要自动夹紧和松开，效率要高；主电动机不需要正、反转和制动，只需要起动和停止控制。
2．2 钻锪组合机床控制系统的简介
在钻锪组合机床中，控制系统对于整个组合机床就像人的大脑对于人一样，稳定的控制系统是保障机床正常运行最基本的要素，一旦控制系统发生了问题，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，任何一个企业都是不能接受这样情况的发生。另外，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。然而随着现代社会的迅速发展，已经有很多方法能够实现这个要求和控制功能，如集散控制系统，开放式控制系统，PLC控制系统等。
PLC本质上是一台用于控制的专用计算机。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。现在，它已广泛地适用于自动化控制的各个领域。
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，另一种是模拟量控制，这两种控制就要利用PLC的功能块进行工作。此次课题设计选择开关量为转移信号的机械设备的PLC控制。
2．3 控制系统的总体方案确定
能够实现钻锪组合机床控制要求的方法很多，如传统继电器、PLC、单片机等。下面简单介绍这几种的方法的比较。
2.3.1 PLC控制与继电器控制的比较
1. 功能强，性价比高
一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性价比。可编程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。
2. 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装备供用户选用。
3. 可靠性高，抗干扰能力强
传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器，时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10--1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。
4. 系统的设计，安装，调试工作量少
PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器，时间继电器，计算机等器件，使控制柜的设计，安装，接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序一般采用顺序设计方法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。
5. 编程方法简单
梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电器符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂。熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。 梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。
6. 维修工作量少，维修方便
PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的故障，迅速的查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。
7. 体积小，能耗低
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