数控机床的机械传动装置设计毕业设计

毕业设计（论文）设计论文题目数控机床的机械传动装置设计目录摘要IIABSTRACTIII1引言12主传动方案的拟定621初定传动方案622方案的选择63动力计算1231齿轮的计算计算过程参考文献2第八章1232电磁离合器的选择和使用204轴的设计和验算2241轴的结构设计2242轴的强度校核以轴为例2243轴的刚度校核以轴为例265主轴变速箱的装配设计2951箱体内结构设计的特点2952设计的方法296滚动导轨的结构3261导轨结构的设计327PLC概述3771PLC的发展历程3772PLC的发展趋势3873PLC的应用3974PLC的硬件结构4075PLC的工作原理418PLC控制系统设计4381确定IO的点数4382选择适用的PLC机型4383输入输出点的分配4384PLC接线图4485PLC控制程序梯形图设计4486改造中必须注意的几个问题44结论45参考文献46致谢47数控机床的机械传动装置的设计摘要本文研究的主要是数控机床的机械传动装置的设计，传动装置在各外界因素和自身因素的影响下传动精度会大大降低，例如几何精度与变形产生的误差、机床的热变形以及运动间的摩擦和传动间隙等因素。这些都是影响数控机床传动精度的重要因素，我也是从这入手，从各个方面着手提高数控机床的传动精度。我完成的设计主要包括一些原始数据的拟定，再根据拟定的参数，进行传动方案的比较，确定传动方案。然后计算各传动副的传动比及齿轮齿数，再估算齿轮的模数和各轴的轴径，并对齿轮和轴的强度、刚度进行校核。除此之外，还要对箱体内的主要结构进行设计，一些零件的选型，从而完成对整个机械传动系统的设计。关键词数控机床传动系统精度设计CNCMACHINETOOLS,MECHANICALTRANSMISSIONDESIGNABSTRACTTHISSTUDYMAINLYCNCMACHINETOOLSMECHANICALTRANSMISSIONDESIGN,MECHANICALTRANSMISSIONGEARUNDERTHEINFLUENCEOFEXTERNALFACTORSANDTHEFACTORSDRIVINGACCURACYWILLGREATLYREDUCETHEACCURACY,SUCHASGEOMETRICACCURACYANDDEFORMATIONOFTHETHERMALDEFORMATIONOFMACHINETOOLS,ASWELLASTHEMOVEMENTBETWEENTHEFRICTIONANDTHETRANSMISSIONGAPTHESEARETHETRANSMISSIONACCURACYOFCNCMACHINETOOLS,IAMALSOFROMTHISSTARTBEGINTOIMPROVETHETRANSMISSIONACCURACYOFCNCMACHINETOOLS,FROMALLASPECTSICOMPLETEDTHEDESIGNINCLUDETHEFORMULATIONOFSOMEOFTHERAWDATA,ACCORDINGTOTHEPARAMETERSOFTHEPROPOSEDTRANSMISSIONSCHEMECOMPAREDTODETERMINETHETRANSMISSIONSCHEMETHENCALCULATETHETRANSMISSIONRATIOOFTHEPAIRANDGEAROFTHETRANSMISSION,ANDTHENESTIMATETHEMODULUSOFTHEGEARANDTHEAXISOFTHESHAFT,ANDGEARANDSHAFTSTRENGTHANDSTIFFNESSOFTHECHECKINADDITION,WEMUSTDESIGNTHEMAINSTRUCTUREOFCABINETS,SOMEPARTSOFTHESELECTION,THUSCOMPLETINGTHEDESIGNOFTHEMECHANICALDRIVESYSTEMASAWHOLEKEYWORDSACCURACYOFCNCMACHINETOOLDRIVESYSTEMDESIGNKEYWORDSNCMACHINETOOLDRIVINGSYSTEMACCURACY；DESIGN1引言11数控机床的发展及现状数控机床是数字控制机床（COMPUTERNUMERICALCONTROLMACHINETOOLS）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作数控折弯机并加工零件。数控机床有如下特点对加工对象的适应性强，适应模具等产品单件生产的特点，为模具的制造提供了合适的加工方法；加工精度高，具有稳定的加工质量；可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的35倍）；机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；有利于生产管理的现代化数控机床使用数字信息与标准代码处理、传递信息，使用了计算机控制方法，为计算机辅助设计、制造及管理一体化奠定了基础；对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高；可靠性高。数控机床是由美国发明家约翰帕森斯上个世纪发明的。随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程，而中国从20世纪80年代开始起步，仍处于发展阶段。美国政府重视机床工业，美国国防部等部门因其军事方面的需求而不断提出机床的发展方向、科研任务，并且提供充足的经费，且网罗世界人才，特别讲究“效率”和“创新”，注重基础科研。因而在机床技术上不断创新，如1952年研制出世界第一台数控机床、1958年创制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首创开放式数控系统等。由于美国首先结合汽车、轴承生产需求，充分发展了大量大批生产自动化所需的自动线，而且电子、计算机技术在世界上领先，因此其数控机床的主机设计、制造及数控系统基础扎实，且一贯重视科研和创新，故其高性能数控机床技术在世界也一直领先。当今美国生产宇航等使用的高性能数控机床，其存在的教训是，偏重于基础科研，忽视应用技术，且在上世纪80代政府一度放松了引导，致使数控机床产量增加缓慢，于1982年被后进的日本超过，并大量进口。从90年代起，纠正过去偏向，数控机床技术上转向实用，产量又逐渐上升。德国政府同样重视机床工业的重要战略地位，在多方面大力扶植。，于1956年研制出第一台数控机床后，德国特别注重科学试验，理论与实际相结合，基础科研与应用技术科研并重。企业与大学科研部门紧密合作，对数控机床的共性和特性问题进行深入的研究，在质量上精益求精。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别重视数控机床主机及配套件之先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能部件，在质量、性能上居世界前列。如西门子公司之数控系统，均为世界闻名，竞相采用。至于日本政府对机床工业之发展重视的程度我们也可想而知，他们通过规划、法规如“机振法”、“机电法”、“机信法”等引导发展。在重视人才及机床元部件配套上学习德国，在质量管理及数控机床技术上学习美国，甚至青出于蓝而胜于蓝。自1958年研制出第一台数控机床后，1978年产量7,342台超过美国5,688台，至今产量、出口量一直居世界首位2001年产量46,604台，出口27,409台，占59。战略上先仿后创，先生产量大而广的中档数控机床，大量出口，占去世界广大市场。在上世纪80年代开始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。日本FANUC公司战略正确，仿创结合，针对性地发展市场所需各种低中高档数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。该公司现有职工3,674人，科研人员超过600人，月产能力7,000套，销售额在世界市场上占50，在国内约占70，对加速日本和世界数控机床的发展起了重大促进作用。随着各国数控机床的发转，我国的数控行业从20世纪80年代开始起步，仍处于发展阶段。“十五”期间，中国数控机床行业实现了超高速发展。其产量2001年为17521台，2002年24803台，2003年36813台，2004年51861台，2004年产量是2000年的37倍，平均年增长39；2005年国产数控机床产量59639台，接近6万台大关，是“九五”末期的424倍。“十五”期间，中国机床行业发展迅猛的主要原因是市场需求旺盛。固定资产投资增速快、汽车和机械制造行业发展迅猛、外商投资企业增长速度加快所致。2006年，中国数控金切机床产量达到85756台，同比增长328，增幅高于金切机床产量增幅184个百分点，进而使金切机床产值数控化率达到378，同比增加23个百分点。此外，数控机床在外贸出口方面亦业绩骄人，全年实现出口额334亿美元，同比增长6314，高于全部金属加工机床出口额增幅1858个百分点。2007年，中国数控金切机床产量达123,257台，数控金属成形机床产量达3,011台；国产数控机床拥有量约50万台，进口约20万台。2008年10月，中国数控机床产量达105,780台，比2007年同比增长296。长期以来，国产数控机床始终处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。究其原因，国内本土数控机床企业大多处于“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了510年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了1015年。同时中国在应用技术及技术集成方面的能力也还比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。同时，中国的数控机床产业目前还缺少完善的技术培训、服务网络等支撑体系，市场营销能力和经营管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展。国外公司在中国数控系统销量中的80以上是普及型数控系统。如果我们能在普及型数控系统产品快速产业化上取得突破，中国数控系统产业就有望从根本上实现战略反击。同时，还要建立起比较完备的高档数控系统的自主创新体系，提高中国的自主设计、开发和成套生产能力，创建国产自主品牌产品，提高中国高档数控系统总体技术水平。“十一五”期间，中国数控机床产业将步入快速发展期，中国数控机床行业面临千载难逢的大好发展机遇，根据中国数控车床19962005年消费数量，通过模型拟合，预计2009年数控车床销售数量将达89万台，年均增长率为165。根据中国加工中心19962005年消费增长模型，预计2009年加工中心消费数量将达28万台，较2005年年均增长率为178。12数控机床的发展趋势1、数控金切机床的构成比逐渐趋于合理。数控机床工序集中的加工特点，将使具有复合功能的高效数控机床的需求增长，这将导致数控机床拥有量和市场消费量中各类数控机床的构成比不同于传统的机床构成比。数控机床的应用由单机向单元（系统）方向发展。目前欧、美、日等国应用DNC已很普遍，柔性制造单元已占数控机床销售量的30以上。而我国FMC、FMS和FML的拥有量不足50套，相当于日本80年代的水平，占数控机床消费额不到5。出口前景良好。1998年及前几年我国机床工具的出口额徘徊在5亿美元左右，2000年上升到785亿美元，随着东南亚经济复苏和我国出口多极化市场的形成和巩固，以及我国加入WTO，今后几年我国机床出口将实现平稳、持续增长。预计到2005年出口创汇可达到12亿美元。2、加入WTO后，外资对我国机械工业的结构性冲击也大大加强主要表现在1）、部分行业发展主导权有可能受到冲击。在以下行业将表现得更为突出一是在国内处于市场成长期、外方掌握专有技术并处于垄断地位的技术密集型行业，如燃气轮机、直流输电关键设备、半喂入式水稻联合收割机、机电一体化的汽车发动机附配件等；二是单靠有限市场难以发挥企业生产能力、迫切需要全球市场支撑的行业，如高压开关、大型变压器高档科学仪器、高档数控系统、智能化工业控制系统等；三是国内外制造成本相差较大、外方享有明显的品牌优势、在华设厂可以在世界市场获取丰厚利润的劳动密集型或易于流通的装配型产品行业，如照相机、复印机、部分工业和民用仪表、高品质低压电器等。2）、工程成套行业将面临更严峻的竞争。随着服务贸易领域对外开放，实力雄厚的国外公司可能更积极地到国内举办由其控制的、以工程承包为主要业务的工程公司，以其母公司产品为后盾，以熟悉国内情况的中方雇员为业务骨干，与我内资企业展开激烈的竞争。3）、我国机械工业自主技术创新的积极性有可能被抑制。由于外资在华机械企业主要承担制造车间的角色，技术来源主要依靠其母公司，而原本就实力有限的内资企业在完全开放的市场竞争中坚持自行研制开发将冒很大风险，为了节省投入，提高产品的形象，多数内资企业将尽可能与外方合作，采用国际同行的技术进行生产。4、处于幼稚期的自主产业的成长环境趋于严峻。由于国外企业将更加不愿转让技术，更愿意通过在华举办由他们控制的企业来与内资机械企业争夺中国用户的订单，国内用户也有了更多的便利采购外资产品，从而部分处于成长初期的重要产品自主产业的培育壮大将更困难。3、高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势，近几年来，在实用化和产业化等方面取得可喜成绩。主要表现在1机床复合技术进一步扩展随着数控机床技术进步，复合加工技术日趋成熟，包括铣车复合、车铣复合、车镗钻齿轮加工等复合，车磨复合，成形复合加工、特种复合加工等，复合加工的精度和效率大大提高。“一台机床就是一个加工厂”、“一次装卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。2数控机床的智能化技术有新的突破，在数控系统的性能上得到了较多体现。如自动调整干涉防碰撞功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测和自动补偿学习功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。3机器人使柔性化组合效率更高机器人与主机的柔性化组合得到广泛应用，使得柔性线更加灵活、功能进一步扩展、柔性线进一步缩短、效率更高。机器人与加工中心、车铣复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激光加工机床、水切割机床等组成多种形式的柔性单元和柔性生产线已经开始应用。4精密加工技术有了新进展数控金切机床的加工精度已从原来的丝级（001MM）提升到目前的微米级（0001MM），有些品种已达到005M左右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到005M左右，形状精度可达001M左右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级（0001M）。通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代。5）功能部件性能不断提高功能部件不断向高速度、高精度、大功率和智能化方向发展，并取得成熟的应用。全数字交流伺服电机和驱动装置，高技术含量的电主轴、力矩电机、直线电机，高性能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件推广应用，极大的提高数控机床的技术水平。4、体现在新技术的广泛应用和企业效益的明显改善。目前机床行业的消费主流是数控机床。从国内外市场对数控机床的需求来看，以后数控机床市场具有以下特征一是经济型数控机床是以后的主流产品。二采用新技术，降低成本，提高产品稳定性是企业生存的关键。随着数控技术的发展，考虑到它的控制方式和使用特点，才对机床的生产率、加工精度和寿命提出了更高的要求。13设计目的数控机床是高度自动化机床,其生产效率和加工精度也越来越高，但是由于机械结构（如机床床身、导轨、工作台、刀架和主轴箱等）的几何误差、加工过程机床的热变形、运动间的摩擦、传动间隙等因素的影响，数控机床的加工精度和加工效率还有一定的提升空间，本次设计的目的就是最大程度的提高数控机床的加工精度。2主传动方案的拟定21初定传动方案传动机构是将机器原动机的运动和动力传递给机器执行机构的中间环节,传动机构中各传动件因设计、制造和装配不准确及运行中产生的磨损、受外力、温度变化引起的变形等因素会影响传动机构的精度,所以对传动机构的设计要求较高。常见的变速方式有三种通过齿轮结构变速、通过带传动变速、有调速电机直接驱动。这三种传动各有优缺点。1齿轮结构变速齿轮调速机构可以通过少数几对齿轮减速，扩大了输出扭矩，以满足主轴对输出扭矩特性的要求。以获得强力切屑时所需要的扭矩。而且齿轮传动的经度较高，但是这种结构几何尺寸较大，而且对制造精度、安装精度要求高。2通过皮带传动的主传动带传动可以缓和冲击和振动，而且带传动中心距不受限制，只要陪以合适的紧链结构，理论上中心距可以达到很大。当设备承受载荷过大时可以通过打滑，提高设备的防过载能力。但带传动传递效率较低，易出现皮带打滑造成皮带磨损剧烈，而且传动比也不明确。所以带传动一般和齿轮传动一起进行传动。3由调速电机直接驱动的主传动电机的旋转速度之所以能够自由改变，是因为感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地确决于电机的极数和频率。由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。由于该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以一般不适和通过改变该值来调整电机的速度。另外，频率能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度。改变频率和电压是最优的电机控制方法但如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电机出于过电压（过励磁），导致电机可能被烧坏。因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。输出频率在额定频率以上时，电压却不可以继续增加，最高只能是等于电机的额定电压。因此电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小，难以保证低速时主轴的转矩。综合上述所有问题的考虑，本次设计采用齿轮传动和带传动相结合的传动方式。这种传动方式不但能够保证低速时的转矩，还能使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中专有较小的比重，更容易控制传动的精度。22方案的选择参照数控机床的发展趋势以及对一些典型机床的分析，可初定步将此数控机床的主轴转速分为高低两档,共有12级转速其中高低两档各有6级转速，低速档时340R/45R/MIN高速档时1800R/MIN，235R/MIN；MAXNINMAXNMIN电机的转速和功率分别为1500R/MIN，55KW。已知主轴的转速分为12级，参考文献1，可将机床的转速分为高低两档，其中高档最大转速为1800R/MIN，最小转速为235AXINR/MIN；R1/1800/235766,R1MNINZ当机床处于低速档时,转速范围MINAX45307556。，即RNR1Z1499，取1449,已知45,查标准数列表见参考文献11ZNR5677061MIN第6页从表中找到45,就可每隔六个数取得一个数,得低速档的6级转速分别为MIN45,67,103,154,230,340R/MIN当机床处于高速档时,主轴共有6级，转速范围7659。，即NR235180NR1Z150,取150,已知1800,查标准数列表见参考文献11ZNR5697701MAX第6页从表中找到1800,就可每隔六个数取得一个数,得高速档的6级转速分别为MAX236,354,543,815,1200,1800R/MIN。基本参数确定后，就可以根据需要确定具体的传动方式了，首现确定数控机床的主传动方式。数控机床的主传动要求传递给一定的功率，要求主轴转速可以按加工要求在一定的转速范围内作有级机速，并且要求转速的转换要迅速可靠，并能满足寿命要求。221齿轮变速机构的设计由于整个装置为级变速，传动副数由于结构的限制以2或3为合适，即变速级数Z应为2和3的因子Z3。可以有两种方案A2方案一12232图21主轴箱传动方案1传动齿轮数目2（232）14。传动轴数目为4根。操纵机构较为简单两个滑移齿轮和一个三联滑移齿轮，可单独也可集中操纵。方案二1234图22主轴箱传动方案2传动齿轮数目14个。传动轴数目为3根。两方案结构非常相似，运用的齿轮数量相当但方案二中，中间轴上齿轮较多，所承担负载较大，对轴的刚度要求过高，负载时轴的变形过大影响机床加工的精度。相对来说方案一轴的数目较多，但结构还是比较清晰，没根轴上的载荷分配比较均匀，受载时变形较少，有利于提高传动精度。综合各方面因素选用方案一较为合适。222各级传动比的计算假设结构如图图23传动比分配图由于已经设计了各轴之间的相对位置关系，由传动系统草图知共有六个传动比。分别设齿轮1和齿轮4之间的传动比为,齿轮2和齿轮5之间的传动比为,齿轮8和14I25I齿轮9之间的传动比为,齿轮3和齿轮6之间的传动比为,齿轮7和齿轮10之间的89I36I传动比为,带轮传动比为。710I轮带设其中1M/MIN时，则许用压强取02MPA。对于所选导轨在不加塑料板时，平均压强和最大许用压强都能满足要求，而当要镶入塑料板时许用压强则PAV025MPA，而设计滑行速度为2M/MIN时PAV02MPA，则不能符合要求，则必须对导轨参数进行重新选择。但是对于数控钻床来讲，工件进给过程中并不受切削力，则加上镶入塑料导轨板时的平均压力可以适当的增加，取这种情况下的许用平均压强在0608MPA，故导轨的平均许用压强PAV035MPA0608MPA，故选择导轨符合要求。由MINAX21PPAVMFPAXMFMIN即ALFAV在此可确定令不变，则AB005M,则重取接触长度L，即AVPP20AZRF得L05MLAV53或得L01MMP012要求使贴塑料板的导轨平均压力取02MPA,导轨面的接触长度必须取L05M500MM,则或AF2MPAPF045013或MALMPYY360571622ALYY1262FMAXPYINAV1221MINAX或MPAPMYF08140MAXPINAV22121INA则各条件符合许用压力和平均压力的参数。Y轴向移动导轨的预选结构与前面的相同。参数选择H20B70B112A400H12H1H05B6（平）验算滚动导轨对于数控多工位的钻床的导轨受力分析为图64图64Z轴导轨分析图（1）各外力对坐标轴取矩轴3502WFEMFX其中W取500KGMBE7401539X519585250769585NM或401534920XM2519585NMMYMZ0（2）支反力计算各导轨面的支反力分别为RA、RB、RCARZ314905则有NZA286或0C（3）牵引力对于钻床来说，FF进给力很小或为0。导轨压强按线形分布的导轨压强ALPZFAB值007L035M（接触强度）上导轨的宽度基本上等于下导轨的接触长度。（根据工作台大小和导轨长度初步确定）ZAR或MPAPF2403579816MPAF0235708941或ALXMX5822PALPXX713589622或MPAPAV24037821540MINMPAV0271920MINAX则各条件符合许用最大压强和许用平均压强的参数。62步进电机的选择考虑到传动精度的提高，选用BF磁阻式步进电机，其最大静转矩为4NM，布距角为078度，则可计算出丝杠导程为0008MM7PLC概述可编程序控制器（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER,缩写PLC）是以微处理器为基础，综合计算机、通信、联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置。可编程序控制器是随着技术的进步与现代社会生产方式的转变，为适应多品种小批量生产的需要，生产发展起来的一种新型的工业控制装置。PLC从1969年问世以来，虽然至今还不到40年，但由于其具有通用灵活的控制性能简单方便的使用性能，可以适应各种工业环境的可靠性，因此在工业自动化各领域取得了广泛的应用。有人将它与数控技术、CAD/CAM技术工业机械人技术并称为现代工业自动化技术的四大支柱。可编程序控制器在我国的发展与应用已有30多年的历史，现在它已经广泛应用于国民经济的各个工业生产领域，成为提高传统工业装备水平和技术能力的重要设备和强大支柱。随着全球一体化经济的发展，努力发展可编程序控制器在我国的大规模应用，形成具有自主知识产权的可编程序控制器技术，应该是广大技术人员努力的方向。71PLC的发展历程以及电器为主导，但有笨重的电气控制系统，可靠性低，在发现和排除故障的缺点，特别是它连接复杂的，难以改变，适应较差的生产技术困难。1968年通用汽车公司（GM），以车型，以适应不断更新，不断变化的生产过程，实现小批量的需求，多品种生产，我希望能有一个新型的工业控制器，它可以被重新设计，以尽量减少和控制系统和电气线路更换，以降低成本，缩短周期。因此，要想象一个电脑功能强大，灵活，多功能和电气控制系统具有良好的简单易懂，结合廉价的优势，共同控制设备制造，设备控制过程为导向，面向问题的“自然语言”规划，使人们谁不熟悉的电脑可以快速掌握使用。1969年，数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司这一要求，是世界上第一个可编程逻辑控制器的研制成功，并在通用汽车公司的汽车组装线，尽量取得好成绩。自那时以来，该技术发展迅速。早期的可编程控制器唯一合乎逻辑，定时，计数等顺序控制功能，但只以取代传统的继电器控制，通常称为可编程逻辑控制器（可编程逻辑控制器）。随着微电子技术和计算机技术，20世纪中叶，70微处理器技术给PLC，PLC的不仅是逻辑控制功能，还增加了算术运算，数据传输和数据处理功能。经过80到20世纪，随着大型化，大规模集成电路，几年如微电子技术的飞速发展，16位和32位微处理器采用可编程控制器，使PLC的快速发展。PLC控制，不仅在同一时间增强功能提高了可靠性，功耗，减小体积，降低成本，编程和故障检测更为灵活方便，而且通信和网络，数据处理和图像显示功能，使PLC真正成为一个逻辑控制，过程控制，运动控制，数据处理，网络通信和一个真正的多功能控制器等功能。PLC的发展过程大致可以分为如下几个阶段1970到1980年期间是PLC的结构定型阶段。在这一阶段期间，由于PLC控制技术刚诞生，各种类型的顺序控制器不断的出现，但被淘汰的速度也是非常的快。最终以微处理器为核心的现有PLC结构形成，取得了市场的认可，得以迅速发展推广。PLC的原理、结构、软件、硬件趋向统一与成熟，PLC的应用领域由最初的小范围、有选择使用、逐步向机床、生产线扩展。1980到1990年期间PLC的普及阶段。在这一阶段，PLC的生产规模日益扩大，价格不断下降，PLC被迅速普及。各PLC生产厂家产品的价格品种开始系列化，并且形成了固定I/O点型、基本单元加扩展块型、模块化结构型这三种延续至今的基本结构模型。PLC的应用范围开始向顺序控制的全部领域扩展。比如三菱公司本阶段的主要产品有FF1F2小型PLC系列产品,K/A系列中、大型PLC产品等。1990到2000年期间，PLC的高性能与小型化阶段。在这一阶段，随着微电子技术的进步，PLC的功能日益增强，PLC的CPU运算速度大幅度上升、位数不断增加，使得适用于各种特殊控制的功能模块不断被开发，PLC的应用范围由单一的顺序控制向现场控制拓展。此外，PLC的体积大幅度缩小，出现了各类微型化PLC。三菱公司本阶段的主要产品有FX小型PLC系列产品，AIS/A2US/Q2A系列中，大型PLC系列产品等。2000年至今PLC的高性能与网络化阶段。在本阶段，为了适应信息技术的发展与工厂自动化的需要，PLC的各种功能不断进步。一方面，PLC在继续提高CPU运算速度，位数的同时，开发了适用于过程控制，运动控制的特殊功能与模块，使PLC的应用范围开始涉及工业自动化的全部领域。与此同时，PLC的网络与通信功能得到迅速发展，PLC不仅可以连接传统的编程与通入/输出设备，还可以通过各种总线构成网络，为工厂自动化奠定了基础。三菱公司本阶段的主要产品有FX小型PLC系列产品（包括最新的FX3U系列产品），QN,QNPH系列中，大型PLC系列产品等。72PLC的发展趋势从当前产品技术性能来看，PLC发展趋势仍然主要体现在体积的缩小与性能的提高两大方面。体积小型化。电子产品体积的小型化是微电子技术发展的必然结果。现代PLC无论从内部元件组成还是硬件、软件结构都已经与早期的PLC有了很大的不同，PLC体积被大幅度缩小。性能的提高。PLC的性能主要包括CPU性能与I/O性能两大方面。可编程序控制器在我国的发展状况如下可编程逻辑控制器和不同的国际化发展，从研究，开发，生产和应用可编程控制器的国际发展，我们的设备是进口的发展，从可以可编程控制器应用，消化移植，联合引进生产和广泛应用。可分为以下三个阶段基本可编程序控制器阶段（70年代末至80年代初）的可编程逻辑控制器的国际发展，在国内工程界的极大兴趣的首要原因，我国的了解，可编程序控制器的认识开始于70年代末到80年代初引进的设备，当上海宝钢一期工程的项目数在十几个型号引进200多个可编程控制器成套设备。对原料的高炉，轧钢，钢和其他钢铁冶炼加工，整条生产线，取代了传统的继电器逻辑系统可编程控制器端子，并部分取代了模拟音量控制和小DDC系统。继宝钢第一阶段，该国的许多厂商纷纷推出具有一个可编程逻辑控制器的应用范围包括电站，石化，汽车制造，港口，码头和其他领域的装备和生产线的设备大部分。它是在对成套设备引进过程中，我们打开了眼界，结识了可编程逻辑控制器，这也有助于在我国的发展到PLC。在可编程控制器应用和消化移植相介绍（80年代初至90年代初）80年代初以来，随着改革开放的不断深入，而成套设备引进，国外原版可编程控制开始涌入国内市场。许多部门和单位引进有自己的PLC和控制系统组件的设计，扩大了其适用范围扩大到建材，轻工，煤炭，水，食品，制药，造纸，橡胶和精细化工等行业。进入90年代的一个发展阶段的PLC宽范围（90年代初至今），中国已经进入主要表现在以下几个方面的可编程逻辑控制器的发展阶段广泛73PLC的应用731PLC的应用领域PLC的初期由于其价格要比继电器控制装置高的多，使其应用受到很大的限制。但是在过去的十年中，越来越广泛的应用PLC的一面，主要的原因是作为微处理器芯片价格几个相关的组件之一显着下降，使得成本下降的PLC，另一方面，大大提高了PLC的功能，还可以解决复杂的计算和通信。PLC是目前在国内外已广泛应用于钢铁，矿山，水泥，石油，化工，电力，机械制造，汽车，处理，造纸，纺织，环保，娱乐等行业。PLC的应用范围大致可以分为以下5种类型（1）PLC的顺序控制，是使用最广泛的领域，PLC是最合适的地区使用。它是用来取代传统的继电器顺序控制。PLC在单机控制，多组控制，自动生产线控制。例如塑料机械，印刷机械，包装机械，造纸机械，机床，研磨，装配生产线，电镀线及升降机的控制。（2）运动控制PLC制造商提供了在大多数情况下，拖动步进电机或伺服电机单或多轴位置控制模块，PLC来描述目标的位置数据传送到模块，移动轴输出或到目标位置的数据。每个轴的位置控制模块，以维持适当的位置和加速度，以确保平稳运动。（3）过程控制PLC还能控制大量的过程参数，例如温度、流量、压力、液位和速度。PID模块提供了使PLC具有闭环控制的功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。当过程控制中某个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定植上。（4）数据处理在机械加工中，PLC作为主要的控制和管理系统用于CNC和NC系统中，可以完成大量的数据处理工作。（5）PLC的通信网络，包括主机和远程通讯的I/O通讯的PLC之间，PLC与其它智能控制设备的多种通信（如电脑，逆变器，数控设备）的通信。PLC与其它智能控制装置在一起，形成了“集中管理，分散控制，“分布式控制系统。732PLC在我国的应用虽然中国是在PLC生产相对薄弱，但在PLC中的应用，中国十分活跃，近年来，每年投资约1000万套，新的PLC产品，超过30亿元的年销售，该行业的应用非常广阔。在我国，一般按I/O点数将PLC分为以下级别（但不绝对，国外分类有些区别）微型32I/O小型256I/O中型1024I/O大型4096I/O巨型8192I/O在我国应用的PLC系统中，I/64点以下PLC销售额占整个PLC的47，64点256点的占31，合计占整个PLC销售额的78。74PLC的硬件结构PLC是本质上是一种专用的工业控制计算机硬件结构基本上是由微型计算机的各点的结构，PLC是分为固定式和模块化（模块化）两种。PLC的CPU板，包括固定，I/O板，显示面板，内存块，电源，这些因素都成为一个不可移动的整体结合。模块化PLC包括CPU模块，I/O模块，内存，电源模块，背板，或底盘，这些模块可以组合根据配置一定的规则。其结构如下图。图71PLC的结构图中央处理单元（CPU）是唯一的PLC控制中心，它被赋予与PLC的系统程序功能的程序员接收并存储用户程序和数据类型，检查电源，内存，I/O和定时器按照警戒状态，而在程序的用户语法错误也可以被诊断出来。当进入运行时间PLC，首先它会扫描现场接收各种输入设备和数据状态，分别到I/O映像区域，然后由用户程序逐一读取用户程序存储器，经过命令解释器，根据指令规定的逻辑或算术运算到I/O映像区的结果或数据寄存器和用户程序的全部完成，最后的I/O映像区输出在国家内部或输出寄存器数据到相应的输出设备，依此类推，直到它停止运行。75PLC的工作原理PLC的CPU的运行方式是采用了顺序逻辑扫描用户程序的方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点包括其常开或常闭触点不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。考虑到继电器控制装置各种触点的动作时间基本都在在100MS以上，而PLC用户程序扫描时间一般小于100MS，因此，PLC采用微型计算机是由正常的经营模式不同扫描技术。让I/要求不高的情况下，PLC和继电器控制装置响应的结果没有什么不同。当PLC投入运行，其工作过程基本上分为三个阶段，第一阶段输入采样，第二阶段用户程序执行和第三阶段输出刷新。完成这三个阶段称为一个扫描周期。在整个程序行动中，PLC的CPU以一定的扫描速度重复扫描上面所述的三个阶段1输入采样阶段在输入采样阶段，所有输入状态和数据被PLC以扫描方式依次地读入，并将这些数据存入I/O映象区的相应单元内。此阶段结束后，进入到程序执行和输出刷新阶段。在上面这两个阶段中，即使这些输入状态和数据发生变化，已经进入到I/O映象区的相应单元的状态和数据也不会发生改变。这样，一旦输入是脉冲信号，此脉冲信号的宽度必须得大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入数据均能被读入。2用户程序执行阶段在程序执行阶段，PLC总是由上而下地扫描用户程序。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。3输出刷新阶段在扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，按照I/O映象区内对应的状态和数据CPU刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设，这样就完成了整个过程的扫苗。PLC的扫描工作过程如图72、图73所示图72PLC的扫描工作过程图输入刷新程序执行输出刷新一个扫描周期输入刷新图73PLC的扫描周期图用户输出设备输入端子输入锁存器输入映象寄存器输出映象寄存器输出锁存器输出端子程序执行用户输入设备写读8PLC控制系统设计81确定IO的点数根据Z3040型摇臂钻床电气控制要求，其输入输出均为开关量。在改造中尽可能使用原有电器，根据原有控制电路来计算I/O点数。其中,需要PLC检测的输入信号按钮6个、行程开关6个，共计输入点数12个；而PLC的输出控制信号接触器5个、电磁阀线圈1个、指示灯3个电源指示灯HL接线保持不变，共计输出点9个。表81输入输出点输入点SB1SB2SB3ST41ST2ST3ST4输出点KM1KM2KM3KM4KM5KM6L1L282选择适用的PLC机型根据确定的I/O点数，考虑留有一定的上裕量，即一般在选机型时，要考虑到PLC输人输出点数要留有10余量。选择三菱公司的FX1S30MR型PLC，此型号PLC输入点数为6个，输出点数为8个，继电器输出，使用电源为ACIOO240。83输入输出点的分配表82输入输出点IO分配序号输入信号输入端子输出信号输出端子1启动按钮SB1I01灯泡L1控制Q002主轴电机M4启动按钮SB2I02灯泡L2控制Q013X轴行程开关ST1I04X轴正转控制接触器KM1Q024X轴行程开关ST2I05X轴反转控制接触器KM2Q035Y轴行程开关ST3I06Y轴正转控制接触器KM3Q046Y轴行程开关ST4I07Y轴反转控制接触器KM4Q05I08主电机控制接触器KM5Q06I09离合器控制接触器KM6Q0784PLC接线图输出电路中，电机正反转接触器互锁，并接入热继电器保证安全；输出电路接外接电源以确保灯亮和接触器的正常吸合。完全参考西门子PLC硬件接线手册，具体见附录。85PLC控制程序梯形图设计再设计PLC控制系统梯形图时，起初我