T68卧式镗床PLC控制系统设计论文

毕业设计题目T68卧式镗床PLC控制系统设计专业机电一体化班级姓名指导教目录第一部分设计任务与调研 11.1课题背景 11.2课题意义 11.3设计目的 1第二部分设计说明 32.1PLC定义 32.2PLC的主要技术指标 32.2.1I/O(输入/输出)点数 32.2.2应用程序的存储容量 42.2.3扫描速度 42.3PLC的基本结构和工作原理 42.3.1基本结构 42.3.2工作原理 52.4T68卧式镗床工作流程图 63.1主电路分析 83.2控制电路分析 93.2.1.主轴电动机M1的正、反转起动控制 93.2.2.主轴电动机的点动控制 103.2.3.主轴电动机的停车与制动 103.2.4.主运动和进给运动的变速控制 113.2.5.镗头架、工作台快速移动的控制 124.1T68卧式镗床整体设计 134.1.1基本要求 134.1.2T68卧式镗床主要结构和运动形式 134.1.3电力拖动及电气控制设计要求 13第三部分设计成果 151、T68卧式镗床程序流程图 152、PLC的硬件接线图 163、梯形图的设计方法 174、PLC对T68镗床梯形图的设计 17第四部分结束语 18第五部分致谢 19第六部分参考文献 20第18页第19页第一部分设计任务与调研1.1课题背景由现代机器向着高速度高效率高精度方向的发展，对机器制造业也提出了新的要求：机器零件的精度越来越高。同时，结构也日趋复杂，特别是箱体零件具有孔系多的特点，它的加工除了本身又尺寸精度的要求外，还有形状精度和孔系之间相对位置精度的要求。镗床主要用于加工精确的孔和各孔间的距离.镗床加工的特点是：主运动由刀具作旋转来完成，而进给运动是由主轴或工作台的移动来达到，并且可以通过工作台的三个方向移动，很方便、准确地调整切削刀具与工件的相对位置。传统的继电器接触器控制系统存在着复杂性、故障率高、维护工作量大、可靠性差、灵活性差等缺点给生产与维护带来诸多不便，严重地影响生产。所以采用可编程序控制器对镗床电气控制系统的改造设计提高了电气控制系统的可靠性和抗干扰能力。1.2课题意义随着我国机械工业的不断发展与提升，现在对那些机械设备的要求越来越高，由原来的人工化→半自动化→全自动化。由于利用PLC最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制，可以取代传统的继电器控制，用于单机控制、多机控制、生产自动线控制等，所以PLC得到了广泛的应用。本文介绍了一种利用PLC来实现自动控制的T68卧式镗床控制系统。目前我国多数镗床控制系统完全利用继电器来实现自动控制，那么其控制电路会很复杂，也就会造成很大的浪费。由于PLC具有1.可靠性高，抗干扰能里强2.通用性强，控制程序可变，使用方便3.功能强，适用面广4.编程简单，易掌握5.减少了控制系统的设计和施工的工作量6.体积小，重量轻，功耗低，维护方便等优点，所以使其具有很大的优越性。1.3设计目的本设计通过对大学三年的所学知识进行整合，完成一个指定功能、特殊要求的卧式镗床的设计，能够比较好地体现电气自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。目前，在国内的很多工厂的生产线上镗床控制通过继电器控制来完成，这就暴露出来生产方面结构复杂、故障率高这一现象。为了提高生产效率，降低生产成本，并使生产线发展成柔性制造系统，适应现代自动化大生产，针对具体生产工艺来设计，以提高自动控制可靠性。第二部分设计说明2.1PLC定义可编程序控制器（ProgrammableLogicalController,简称PLC)是在继电器控制和计算机控制的基础上，以微机处理器为核心，引入微电子技术、自动控制技术而形成的一代新型工业控制装置。可编程序控制器在系统结构、硬件组成、软件结构、输入/输出（I/O）接口以及用户界面等方面都有独特性。目前，可编程序控制器不仅具有继电器控制系统所能完成的逻辑运算、定时、记数等控制功能，同时还可以进行数据处理、模拟量控制、过程控制、通信联网等功能。图2-1PLC控制系统的基本结构框图2.2PLC的主要技术指标2.2.1I/O(输入/输出)点数如前所述，输入/输出点数是PLC组成控制系统时所能接入的输入/输出信号的最大数量，表示PLC组成系统时可能的最大规模。这里有个问题要注意，在总的点数中，输入点与输出点总是按一定比例设置的，往往是输入点数大于输出点数，且输入和输出点数不相互代替。2.2.2应用程序的存储容量应用程序的存储容量是存放用户程序的存储趋的容量。通常用K字（KW），K字节（KB）或K位（Kb）来表示，1K=1024。也有的PLC直接用所能存放的程序量表示。2.2.3扫描速度扫描速度一般以执行1000条基本指令所需的时间来衡量，单位为毫秒/千步，也有以执行一步指令时间的，如微妙/步。以下是扫描速度参考值：由目前PLC采用的CPU主频考虑，扫描速度比较慢的为2.2ms/K逻辑运算程序和60ms/K数字运算程序；较快的为1ms/K逻辑运算程序和10ms/K数字运算程序；更快的能够达到0.75ms/K逻辑运算程序。另外，可编程控制器的可扩展性、可靠性、易操作性及经济性等指标也是用户关心的问题。2.3PLC的基本结构和工作原理2.3.1基本结构世界各国生产的可编程控制器外观各异，但作为工业控制计算机，其硬件结构大体相同，主要由中央处理器、存储器、I／O接口、电源及编程设备几大部分构成。1.中央处理器（CPU）中央处理器是可编程控制器的核心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统内部各部分工作任务。可编程控制器中采用的CPU一般有三大类，一类为通用微处理器，如80286、80386等；一类为单片机芯片，如8031、8096等；另外还有为处理器，如AMD2900、AMD2903等。2.存储器存储器是可编程控制器的存放系统程序、用户程序及运算数据的单元。和一般计算机一样，可编程控制器的存储器有只读存储器(ROM)和随机读/写存储器（RAM）两大类。只读存储器是用来保存那些需永久保存的程序的存储器，即使机器掉电后其保存的数据也不会丢失，一般为掩膜只读存储器和可编程电擦写只读存储器。只读存储器用来存放系统程序。随机读/写存储器的特点是写入与擦除都很容易，但在掉电情况下存储的数据就会丢失，一般用来存放用户程序及系统运行中产生的临时数据。3.输入/输出接口输入/输出接口是可编程控制器和工业控制现场各类信号连接的部分。输入口是用来接受生产过程的各种参数。输出口是用来送出可编程控制器运算后得出的控制信号，并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。主要有以下几中：（1）开关量输入接口。（2）开关量输出接口。（3）模拟量输入接口。（4）模拟量输出接口。（5）智能输入/输出接口。4．电源可编程控制器的电源包括可编程控制器各工作单元供电的开关电源及为掉电保护电路供电的后备电源，后者一般为电池。5.外部设备(1)编程器。可编程控制器的特点是它的程序是可变更的，能方便的加载程序，也可方便地修改程序，因此编程设备就成了可编程控制器工作中不可缺少的部分。可编程控制器的编程设备一般有两类，一类专用编程器，有手持的，也有台式的，另一类是个人计算机，在个人计算机上运行可编程控制器相关的编程软件即可完成编程任务，借助软件编程比较容易，一般是编好了以后再下载到可编程控制器中去。（2）其他外部设备。PLC还可能配设其他一些外部设备。①盒式磁带机，用以记录程序或信息。②打印机，用以打印程序或制表。③EPROM写入机，用以将程序写入用户EPROM中。④高分辨率大屏幕彩色图形监控系统，用以显示或监视有关部分的运行状态。2.3.2工作原理与普通微机类似，PLC也是由硬件和软件两大部分组成的。在软件的控制下，PLC才能正常地工作。软件分为系统软件和应用软件两部分。PLC的基本工作如下:(1)输入现场信息:在系统软件的控制下，顺次扫描各输入点的状态;(2)执行程序:顺次扫描用户程序中的各条指令，根据输入状态和指令内容进行逻辑运算:(3)输出控制信号:根据逻辑运算的结果，输出状态寄存器向各输出点并行发出相应的控制信号，实现所要求的逻辑控制功能。上述过程执行完后，又重新开始，反复地执行。每执行一遍所需的时间称为扫描周期。PLC就这样不断反复循环，实现对机器的连续控制，直到接收到停机命令，或因停电、出现故障等才停止工作。2.4T68卧式镗床工作流程图分析镗床T68机械结构、明确控制要求分析镗床T68机械结构、明确控制要求制定电气控制方案确定输入/输出设备及信号特点选择PLC型号输入输出点地址分配控制电路PLC模拟调试调试正常程序错误N技术文件整理移交图2-2T68卧式镗床工作流程图图2-3T68卧式镗床PLC电气控制图图2-4T68镗床主电路控制图3.1主电路分析主轴电动机M1由6个接触器控制。其中接触器KM1和KM2控制主轴电动机M1的正反转；接触器KM3在主轴电动机正常运行时短接电阻；接触器KM4和KM5、KM8控制主轴电动机M1的低、高速运行。R为反接制动限流电阻。熔断器FU1和热继电器FR分别作主轴电动机M1的短路保护和过载保护。与主轴电动机M1同轴相连的速度继电器KS用于反接电气制动。快速电动机M2由接触器KM6和KM7控制其正、反转，用熔断器FU2作其短路保护。图2-5T68镗床辅电路控制图3.2控制电路分析3.2.1.主轴电动机M1的正、反转起动控制合上电源开关QS，指示灯HL亮，表明电源接通。当主运动和进给运动都处于非变速状态时，各自的变速手柄使行程开关SQ1、SQ3受压，而行程开关SQ2、SQ4不受压。当要求主轴低速运行时，将速度选择手柄置于低速挡，此时与速度选择手柄有关联的行程开关SQ不受压，SQ触头断开。若使主轴电动机M1正向运行，可按下正转起动按钮SB2，此时，中间继电器KA1通电并自锁，KA1常开触头闭合，使接触器KM3通电，短接电阻R，KA1常开触头闭合，使得接触器KM1，KM4相继通电。主轴电动机M1在△接法下全压起动并运行（低速）。此时，KA1，KM1，KM3，KM4通电。KM1线圈的通电电流通路为：1→FU3(1-2)→2FR(2-3)常闭触点常开触点→3→SQ5(3-4)常闭触点→4→SB1（4－5）常闭触点→5→KM3（5－18）常开触点→18→KA1（18－15）常开触点→15→KM2（15－16）常闭触点→16→KM1线圈→PE。KM4线圈的通电电流线路为：1→FU3（1－2）→2→FR（2－3）常闭触点→3→SQ5（3－4）常闭触点→4→KM1（4－14）常开触点→14→KT（14－23）常闭触点→23→KM5（23－24）常闭触点→24→KM4线圈→PE。主轴电动机M1低速反向启动时，按下反转起动按钮SB3（5－8），此时，中间继电器KA2通电并自锁，过程与正向起动类似。若要求主轴高速运行时。将速度选择手柄置于高速挡，此时行程开关SQ压下，使SQ触头（12－13）闭合。这样，在接触器KM3通电的同时，时间继电器KT也通电。于是，主轴电动机M1在低速挡起动并经过一段延时后，时间继电器通电延时时常闭触头KT（14－23）断开，通电延时闭合触头KT（14－21）闭合，分别使接触器KM4断电，接触器KM5、KM8通电。从而使主轴电动机M1由低速△接法自动切换成高速YY接法。构成了双速电动机按低速挡起动再自动切换成高速挡运行的自动控制环节。正向高速运行时，KT,KA1,KM1,KM3,KM5,KM8通电。KM5,KM8线圈的通电电流通路为：1→FU3(1-2)→2→FR(2-3)常闭触点→3→SQ5（3－4）常闭触点→4→KM1（4－14）常开触点→14→KT（14－21）常开触点→21→KM4常闭触点→22→KM5,KM8线圈→PE。3.2.2.主轴电动机的点动控制主轴电动机M1由正、反转点动按钮SB4（5－15），SB5（5－19），接触器KM1,KM2和低速接触器KM4构成正、反转低速点动控制时，由于接触器KM3未通电，所以电动机串入电阻接成△低速起动。正转点动时，按SB4,KM1,KM4接通，接触器KM1线圈的通电电流通路为：1→FU3（1－2）→2→FR（2－3）常闭触点→3→SQ5（3－4）常闭触点→4→SB1（4－5）常闭触点→5→SB4（5－15）常开触点→15→KM2（15－16）常闭触点→16→KM1线圈→PE。此时，KM4线圈的通电电流通路为：（同上）4→KM1（4－14）常开触点→14→KT（14－23）常闭触点→23→KM5（23－24）常闭触点→24→KM4线圈→PE。点动按钮松开后，电动机自然停车。3.2.3.主轴电动机的停车与制动主轴电动机M1在运行中，可以通过按下停止按钮SB1来实现主轴电动机M1的自然停止或反接制动（将SB1按到底）。以主轴电动机M1运行在低速正转状态为例，此时中间继电器KA1、接触器KM3,KM1,KM4均通电吸合，速度继电器的常开触头KS1-1（14－19）闭合，为正转反接制动作准备。当需要自然停止停车时，轻按下停止按钮SB1（4－5），其常开触头断开，使中间继电器KA1、接触器KM3,KM1,KM4相继断电释放，切断了主轴电动机M1正向电源。主轴电动机M1自然停止。当需要反接制动时，将停止按钮SB1（4－5），而另一常开触头SB1（4－14）闭合，经速度继电器常开触头KS1-1（14－19）使接触器线圈KM2通电，KM2（4－14）闭合使接触器线圈KM4通电，于是主轴电动机M1定子串入反接制动电阻进行反接制动。KM2线圈的通电电流通路为：1→FU3（1－2）→2→FR（2－3）常闭触点→3→SQ5（3－4）常闭触点→4→KM2（4－14）常开触点→14→KS1-1（14－19）常开触点→19→KM1（19－20）常闭触点→20→KM2线圈→PE。此时，KM4线圈通电电流通路为：1→FU3（1－2）→2→FR（2－3）常闭触点→3→SQ5（3－4）常闭触点→4→KM2（4－14）常开触点→14→KT（14－23）常闭触点→23→KM5（23－24）常闭触点→24→KM4线圈→PE。当电动机转速降低至速度继电器KS的释放值(n<100r/min)时，其常开触头KS1-1（14－19）断开，使接触器 KM2,KM4相继断电，反接制动结束。若主轴电动机M1已运行在高速正转状态下，按下停止按钮SB1,可实现自然停车和反接制动停车，反接制动时，SB1（4－5）断开，中间继电器KA1、接触器KM3、时间继电器KT、接触器KM1、接触器KM5,KM8相继断电，SB1（4－14）闭合则使接触器KM2通电，接触器KM4通电。于是主轴电动机M1串入反接制动电阻，绕组接成△接法，进行低速反接制动，直至速度继电器常开触头KS1-1（14－19）释放，反接制动结束。电流通路同上。要注意的是：在进行制动停车操作时，应该将停止按钮SB1按到底，否则将无法接通反接制动回路，只能实现自然停车。3.2.4.主运动和进给运动的变速控制T68型卧式镗床主运动和进给运动的变速，是通过变速操纵盘实现的。他急既可以在主轴和进给电动机未起动前预选速度，也可以在运行中进行变速。1.主轴变速时，首先将变速操纵盘上的主轴变速操纵手柄向外拉出，然后转动主轴变速盘，选择所需要的速度，最后将变速操纵手柄推回原位。在拉出变速操纵手柄的时候，行程开关SQ2受压，而行程开关SQ1释放。推回手柄时的情况正好相反。若主轴在正转运行中需要变速，可将主轴变速操纵手柄向外拉出，这时行程开关SQ1不在受压，其常开触头SQ1（5－10）断开接触器KM3,KM1,接触器KM2经行程开关SQ1（4－14）的常闭触头、速度继电器常开触头KS1-1（14－19）而通电吸合，使主轴电动机M1定子串入电阻R进行反接制动。接触器KM2线圈的通电电流通路为：1→FU3（1－2）→2→FR（2－3）常闭触点→3→SQ5（3－4）常闭触点→4→SQ1-1（4－14）常开触点→14→KS1-1（14－19）常开触点→19→KM1（19－20）常闭触点→20→KM2线圈→PE。若主轴电动机M1原来运行在低速挡，则此时接触器KM4仍保持通电，接触器KM3,KM1断电，接触器KM2通电，主轴电动机M1接成△，串入电阻R进行反接制动。若主轴电动机M1原来运行在高速挡，则此时有时间继电器KT的触头将绕组YY接自动切换成△接法，低速串入电阻R进行反接制动。随后转动变速盘，选择所需要的速度，最后将变速操纵手柄推回原位。如果变速齿轮不能啮合而造成变速手柄推不动，则此时行程开关SQ2受压，其常开触头SQ2（17－15）闭合，接触器KM1经速度继电器常闭触头KS1-1（14－17）、行程开关SQ1常闭触头（4－14）接通电源，同时接触器KM4通电，使主轴电动机M1定子串入电阻R,绕组接成△在低速挡起动。接触器KM1线圈的通电电流通路为：1→FU3（1－2）→2→FR（2－3）常闭触点→3→SQ5（3－4）常闭触点→4→SQ1（4－14）常闭触点→14→KS1-2（14－17）常闭触点→17SQ2（17－15）常开触点→15→KM2（15－16）常闭触点→16→KM1线圈→PE。当转速升到速度继电器KS1的动作值时，其常闭触头KS1-2（14－17）断开，使接触器KM1断电释放；另一速度继电器常开触头KS1-1（14－19）闭合，使接触器KM2通电吸合，对主轴电动机M1进行反接制动，使转速下降。当到达速度继电器KS1的释放值时，其常开触头KS1-1（14－19）断开，常闭触头KS1-2（14－17）闭合，反接制动结束。若此时变速操纵手柄仍然推不回去，则控制电路继续重复上述过程，从而使主轴电动机M1处于间歇起动和制动状态，获得变速时的低速冲动，利于齿轮啮合，直到变速操纵手柄能推回原位为止。当手柄推回原位后，压下行程开关SQ1,而行程开关SQ2释放，整个变速过程完成。此时行程开关SQ2的常开触头（17－15）断开上述瞬动控制电路，而行程开关SQ1的常开触头（5－10）闭合，使接触器KM3,KM1相继通电吸合，主轴电动机M1自行起动，拖动主轴在新选定的转速下旋转。2.在进给变速时，首先将进给变速操纵手柄向外拉出，然后转动进给变速盘，选择所需要的进给速度，最后将变速操纵手柄推回原位。在拉出变速操纵手柄时，行程开关SQ3释放，而行程开关SQ4受压。推回手柄时的压合情况正好相反。如果变速齿轮不能啮合而造成进给变速手柄推不动，则主轴电动机M1处于间歇起动和制动状态，获得变速时的低速冲动，直到变速操纵手柄能推回原位为止。整个过程和主轴变速控制相同，其控制电路不再另行分析。由于变速过程中KA1或KA2一直保持自锁，从而记忆了变速前的主轴方向，保证变速后M1仍按原来的方向起动运转。3.2.5.镗头架、工作台快速移动的控制镗头架和工作台等部件各方向的快速移动由快速移动电动机M2拖动，通过快速移动操作手柄来控制，而移动方向则由位于工作台前方的操作手柄进行预选。当扳动快速操作手柄时，行程开关SQ7或SQ8被压合，接触器KM7或KM6通电，使快速移动电动机M2旋转而实现快速移动。当快速操作手柄复位时，行程开关SQ7或SQ8不再受压，接触器KM7或KM6断电释放，快速移动电动机M2停止旋转，快速移动过程结束。4.1T68卧式镗床整体设计4.1.1基本要求满足自动控制能够快速、准确地进行孔加工这一条件，就要求它们具有高精度、反应快速、承载能力强、工作空间够大和自由度灵活及在指定位置都能自动定位等特点。4.1.2T68卧式镗床主要结构和运动形式镗床的床身是一个整体铸件，在它的一端固定有前立柱，在前立柱的垂直导轨上又安装有镗头架，镗头架可沿垂直导轨上下移动。在镗头架里集中里装有主轴、变速箱、进给箱和操纵机构等部件。切削刀具一般安装在镗轴前端的锥形孔里，或安装在花盘的刀具溜板上。在切削过程中，镗轴一面旋转，一面沿轴向作进给运动，而花盘只能旋转，装在他上面的刀具溜板可作垂直主轴轴线方向的径向进给运动，镗轴和花盘轴分别通过各自的传动链传动，可以独立转动。后立柱位于镗床床身的另一端，后立柱上的尾座用来支撑装夹在镗轴上的镗杆末端，它与镗头架同时升降，两者的轴线始终在同一水平直线上。根据镗杆的长短，可通过后立柱沿床身水平导轨的移动来调整前、后立柱之间的距离。有以上分析可知，T68型卧式镗床运动形式为：（1）主运动镗轴和花盘的旋转运动（2）进给运动镗轴是轴向进给、花盘上刀具的径向进给、镗头架的垂直进给、工作台的横向和纵向进给。（3）辅助运动工作台的回转、后立柱的轴向水平移动、尾座的垂直移动及各部分的快速移动。4.1.3电力拖动及电气控制设计要求T68型卧式镗床由两台电动机拖动：主轴电动机M1和快速转动电动机M2。主轴电动机M1用来驱动镗轴或花盘的旋转，并通过变速箱的传动产生镗轴、花盘：工作台及镗头架的进给运动。调整尾座或工作台相对位置的快速移动电动机M2来拖动。T68型卧式镗床的电气控制设计要求如下：（1）为了扩大调速范围和简化机床的传动装置，本机采用机电联合调速，使用双速笼型异步电动机M1作为主拖动电动机，其绕组接法为△/YY。（2）主轴或进给变速时，为了便于齿轮之间的啮合，要有变速冲动。（3）为了适应调整的需要，要求主轴电动机能够进行正、反向旋转及点动操作（4）为了快速准确地停车，要求主轴电动机具有制动过程，本机床采用反接制动方式。第三部分设计成果1、T68卧式