机电传动控制课程设计--组合机床加工过程PLC自动控制设计.doc

武汉理工大学机电传动控制课程设计说明书学 号： 0121018700306课 程 设 计 题 目组合机床加工过程PLC自动控制设计学 院物流学院专 业物流工程班 级行政1001班姓 名徐宏华指导教师徐沪萍2013年6月29日课程设计任务书学生姓名： 徐宏华 专业班级： 物流行政1001班 指导教师： 徐泸萍 工作单位： 物流学院 题 目: 组合机床加工过程PLC自动控制设计 初始条件：1.编程环境：Step7v5.5软件2.PLC型号：西门子公司S7系列，S7-300 3.机电传动的相关资料指导书 4.仿真环境：S7-PLCSIM 要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 液压滑台式组合机床在原位启动后，快速向前到设定的位置时转为慢速前进，到达攻丝进给位置时停止前进，转为攻螺纹主轴转动，丝锥能向前攻入，打到规定深度时，主轴快速制动。接着攻螺纹反转退出，回到原位时快速制动，同时滑台能快速退回原位，并在原位停止。时间安排：十八周指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日本科生课程设计成绩评定表姓 名徐宏华性 别男专业、班级物流行政1001班课程设计题目：组合机床加工过程PLC自动控制设计课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日目录摘要0第一章 基本知识介绍11.1 设计的任务要求11.2 组合机床概述21.2.1 组合机床部件分类21.2.2 组合机床的特点21.3 PLC控制系统31.3.1 PLC简介31.3.2 PLC控制系统设计的基本原则41.3.3 PLC控制系统的一般步骤4第二章 总体方案选择和控制方式选择62.1 总体方案选择62.2 控制方式的选择6第三章 电路图的设计63.1 主电路的设计63.2 PLC的I/O地址分配8第四章 控制程序的设计104.1 顺序功能图的设计104.2 梯形图的设计114.3 语句表的设计15第五章 调试及结果分析215.1 硬件组态215.2 仿真结果分析21感想25参考资料书26摘要本次课程设计主要研究的是PLC自动控制液压滑台式自动攻丝组合机床的加工过程。液压滑台式自动攻丝组合机床经系统通电后能自动完成工件的攻丝加工。该机床由床身，液压滑台，夹具，攻螺纹动力头和液压系统组成。液压滑台的移动包括前进，后退和慢速前进，其中滑台前进，后退分别由电磁换向阀YY1，YY3控制；慢速前进由YY1和YY2共同控制。丝锥的电机有正反转，其中正转由继电器KM1控制，反转由KM2控制。本课设需学会使用组态软件和PLC（SIEMENS S7-200）控制系统的连接，通过PLC模拟控制和组态监控，实现滑台的移动，丝锥的攻丝按照规定的时序同步进行。其中可编程序控制器以微处理器为核心，普遍采用依据继电接触器电气原理图编制的梯形图语言进行程序设计。 关键字：组合机床 PLC控制 程序设计第一章 基本知识介绍1.1 设计的任务要求下图为一台液压滑台式自动攻丝组合机床及其工作循环图。该机床的攻螺纹动力头安装在液压驱动的滑台上。滑台在原位启动后，快速向前到设定的位置时转为慢速前进，滑台前进到达攻丝进给位置时停止前进，转为攻螺纹主轴转动。主轴正转，丝锥离开原位向前攻入，攻螺纹到达规定深度时，主轴快速制动，接着反转，丝锥退出，丝锥退到原位即快速制动，同时滑台快速退回，到达原位停下。电气执行元件为：滑台前进后退分别由液压换向阀1YY、3YY控制，滑台慢速向前由1YY与2YY控制，攻螺纹机主轴电动机由1KM、2KM控制正反转。行程开关安排：滑台原位：1SQ 快进终点：3SQ 滑台终点：3SQ 丝锥原位：4SQ 丝锥终点：5SQ1.2 组合机床概述 图1 组合机床1.2.1 组合机床部件分类组合机床通用部件按功能可分为以下五类：(1） 动力部件主要有动力箱、切削头和动力滑台，是为组合机床提供主运动和进给运动的部件。（2）支承部件有侧底座、中间底座、支架、可调支架、立柱和立柱底座等，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。（3）输送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，是用以输送工件或主轴箱至加工工位的部件。（4）控制部件有液压站、电气柜和操纵台等，是用以控制机床的自动工作循环的部件。（5）辅助部件主要就是有润滑装置、冷却装置和排屑装置等。1.2.2 组合机床的特点 组合机床与一般的专用机床一样，是针对特定工序加工要求而设计的。因此，组合机床具有专用，高效，自动化和易于保证加工精度等优点。与一般专用机床比较，组合机床具有以下特点：(1)设计组合机床只需要选用通用零部件和设计执照少量专用零部件，所以时间与制造周期短，经济效果好(2)组合机床的通用部件是经过长期实践考验的，因此结构稳定，工作可靠，使用和维修方便，通用部件可以成批制造，成本较低（3） 当被加工的零件变换时，组合机床的通用 部件和标准零件可以重复使用，不必重新设计和制作（4） 组合机床易于联成组合机床自动线，以适应大规模生产的需要1.3 PLC控制系统1.3.1 PLC简介PLC（Programmable logic Controller）可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统。可编程控制器是计算机家族中的一员，它使用了可编程序的记忆以存储指令，用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数和演算等功能，并通过数字或模拟的输入和输出，以控制各种机械或生产的过程。其有以下等特点：（1）可靠性高，抗干扰能力强电气控制设备的一个关键性能就是高可靠性。PLC的I/O采用了隔离措施，并应用大规模集成电路，故能适应各种恶劣的环境，能直接安装在机器设备上运行。（2）编程简单，易学易用PLC作为通用工业控制计算机的一种，是面向工矿企业的工控设备。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，具有一定的电工和工艺知识的人员可在短时间学会并应用自如。（3）配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。不同的控制对象，可以采用相同的硬件，只需编制不同的软件，就可实现不同的控制。（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短。PLC一般采用模块结构，又具有自诊断功能，判断故障迅速方便，维修时只需更换插入式模块，因而维修十分方便。更重要的是使同一设备经过改变程序来改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 （5）体积小，容量大，重量轻，能耗低 ，成本低目前新出产的超小型PLC品种底部尺寸小于100MM，重量小于150g，功耗仅数瓦。它可以完成相当于200500个继电器组成的系统的控制功能，而其成本仅相当于相同功能继电器系统的（1030），由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。1.3.2 PLC控制系统设计的基本原则在实际设计过程中，设计原则会涉及很多方面，其中最基本的设计原则可以归纳为以下4点。 (1)可靠性原则确保控制系统的可靠性。(2)完整性原则最大限度的满足工业生产要求或机械设备的控制要求。(3)经济型原则力求控制系统简单、实用、合理。(4)发展性原则适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在I/O接口、通信能力等方面留有余地。1.3.3 PLC控制系统的一般步骤PLC控制系统设计包括硬件设计和软件设计。所谓硬件设计，是指PLC外部设备的设计，而软件设计即PLC应用程序的设计。整个系统的设计分以下6步进行。（1）熟悉被控对象这一阶段必须对被控对象所有功能全面的了解，对对象的各种动作及动作时序、动作条件、必要的互锁与保护;电气系统与机械、液压、气动及各仪表等系统间的关系;PLC与其他设备的关系，PLC之间是否通信联网;系统的工作方式及人机界面，需要显示的物理量及显示方式等。（2)评估控制任务根据系统所需完成的控制任务，对被控对象的生产工艺及特点进行详细分析，特别是从以下几个方面给以考虑。可靠性要求：当I/O点数在20甚至更少时，就趋向于选择PLC控制了。数据处理速度：若数据处理程度较低，而主要以工业过程控制为主时，采用PLC控制则非常适宜。工艺复杂程度：若工艺要求比较复杂时,PLC控制具有更大的优越性.控制规模：一个控制系统的控制规模可用该系统的I/O设备总数来衡量。当控制规模较大时,特别是开关量控制的I/O设备较多时，最适合采用PLC控制。(3)硬件选择系统I/O设备的选择。输入设备包括按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等。输出设备包括继电器、接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等。选择PLC。PLC选择包括对PLC的机型、I/O模块、容量、电源等的选择。计数器、定时器及内部辅助继电器的地址分配。绘制PLC外围硬件线路图。画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。(4)编写应用程序 根据控制系统的要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。程序通常应包括以下内容： 初始化程序。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。 检测、故障诊断和显示等程序。保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的部分，它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱。 (5)程序调试程序调试分为模拟调试和现场调试2个阶段。程序模拟调试是模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。 硬件模拟法是使用一些硬件设备（如用另一台PLC或一些输入器件等）模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。 软件模拟法是在PLC中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。现场调试：当控制台及现场施工完毕，程序模拟调试完成后，就可以进行现场调试，如不能满足要求，须重新检查程序和接线，及时更正软硬件方面的问题。（6)编写技术文件技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、PLC程序、电气元件明细表以及使用说明书等。第2章 总体方案选择和控制方式选择2.1 总体方案选择（1） 按下启动按钮SB1，系统通电，假设液压滑台在原位SQ1动作，且液压系统压力正常。（2）同时，液压电磁换向阀YY!得点，液压滑台开始快速向右移动。到达指定位置时，限位开关SQ2动作，电磁换向阀YY2得点。此时，滑台开始慢速向右移动。滑台前进到达攻丝进给位置，限位开关SQ3动作，YY1和YY2同时断电。滑台停止前进。（3）同时KM3闭合，启动冷却泵电动机M供给冷却液。同时，启动攻丝动力头电动机M正转，即KM1闭合。丝锥离开原位开始向右攻入，攻螺纹到达规定的深度时，限位开关SQ5动作，制动电磁铁DL得点，攻丝动力头制动（4）延迟3秒后攻丝动力头电动机M反转，即KM2闭合，同时丝锥推出。退到丝锥原位时，限位开关SQ4动作，攻丝动力头电动机M制动，即制动电磁铁得点，电机制动，停止转动。延迟3秒后，液压电磁换向阀YY3得电，滑台快速退回，到达原位，当滑台原位限位开关SQ1动作，滑台停止。整个加工过程结束2.2 控制方式的选择PLC控制系统：（1） 它的继电控制系统设计周期短，更改容易，接线简单，成本低。（2） 它能把计算机的许多功能和继电系统结合起来，但编程比计算机简单易学，操作方便。（3） 系统通用性强。所以，本设计使用PLC控制系统。第3章 电路图的设计3.1 主电路的设计根据题目的设计要求和总体方案，主电路图如图2所示 图2 主电路图（1） 攻螺纹动力头电机M正转由KM1控制，反转由KM2控制。其中，电路图中有长期过载保护和短路保护。（2） 冷却泵电动机由KM3控制，有长期过载保护和短路保护（3） 滑台的快速前进，慢速前进，快速后退的液压装置如图3，它的电动机受启动开关控制，配有长期过载保护和短路保护。 图3 滑台进退液压供给控制系统 当启动按钮按下时，滑台控制电机启动，单向定量液压泵想电路供油。由于控制电路中YY1得电，三位四通换向阀打到左边，液压泵开始向双作用单杆液压缸供油，滑台快速向右移动。到达快进终点SQ2时，控制电路YY2得电，因为回油路有节流阀，速度下降，滑台慢速向右移动，到达SQ3，YY1和YY2断电，液压回路返回中位。同时，冷却泵的控制电路中KM3得电闭合，冷却泵开始工作。同时KM1得电闭合，丝锥电机正转，当丝锥攻入SQ5时，DL1得电，开启能耗制动模式，其能耗制动工作原理图如图4所示。3秒后，电路中KM2得电，丝锥电机反转退出，当其退至SQ4时，DL2得电，启动能耗制动模式。3秒后，控制电路的YY3得电，三位四通换向阀打到右边，液压泵向液压缸的右侧供油，滑台快速退回原位。然后开始新一轮的组合机床加工过程 图4 能耗制动工作电路原理图3.2 PLC的I/O地址分配本控制系统的PLC的输入、输出点数的确定是根据控制系统设计要求和所需控制的现场设备数量加以确定。（1）PLC的输入端口包括总启动按钮SB1、总停按钮SB2、限位开关SQ系列。（2）PLC的输出端口包括继电器、中间继电器、液压电磁换向阀，还包括电动机的热保护继电器FR输出，输出形式是热继电器的常闭触点。本系统由S7-300来控制。根据组合电机控制系统的要求，结合S7-300系列PLC特点，对应PLC的I/O地址分配如下表PLC I/O地址分配输入信号输出信号名称代号地址名称代号地址启动按钮SB1I0.0攻螺纹电机M正转接触器KM1Q0.0停止按钮SB2I0.1攻螺纹电机M反转接触器KM2Q0.1滑台原位限位开关SQ1I0.2冷却泵电机接触器KM3Q0.2快进终点限位开关SQ2I0.3液压电磁换向阀1YY1Q0.3滑台终点限位开关SQ3I0.4液压电磁换向阀2YY2Q0.4丝锥原位限位开关SQ4I0.5液压电磁换向阀3YY3Q0.5丝锥终点限位开关SQ5I0.6制动电磁铁DL1Q0.6初始化按钮SB3I0.7制动电磁铁DL2Q0.7 中间继电器KAQ1.0外部接线图设计PLC外部接线图，输入端主要由一个启动开关SB1、一个闭合开关SB2、一个初始化按钮SB3、五个行程开关SQ1-SQ5。整个控制系统的具体接线图如图5。图5 PLC外部接线图设计第4章 控制程序的设计4.1 顺序功能图的设计M0.0根据I/O地址的分配和PLC的外部接线，以及组合机床自动加工过程，其顺序功能图如： I0.7 注： I0.0 I0.2 I0.7:初始化Q0.3M0.1 I0.0：启动 I0.1：停止 I0.2：滑台原位 I0.3 I0.3：快进终点Q0.4M0.2Q0.3 I0.4：滑台终点 I0.5：丝锥原位 I0.4 I0.6：丝锥终点Q0.0Q0.2M0.3 Q0.0：攻螺纹电 机正转启动 Q0.1：攻螺纹电 I0.1 I0.6 机反转启动T37Q0.6M0.4 Q0.2：冷却泵电 机启动 Q0.3滑台快进 T37 Q0.4：与Q0.3 同时控制慢进M0.5Q0.1 Q0.5：滑台后退 Q0.6 Q0.7：能耗制动 Q1.0:中间继电器 I0.5 T37：定时2s后电机反转T38Q0.7 T38：定时2s后滑台后退 M0.6 M0.7 T38 Q0.5 I0.2Q1.04.2 梯形图的设计由顺序功能图以及装配系统动作要求过程，其梯形图设计方案如下：图6 初始化按下初始化按钮，给程序一个脉冲图7 快速滑动按下启动按钮，电磁换向阀YY1得电并形成自锁，滑台从原位开始快速向右移动 图8 慢速滑动到达快速终点限位时，限位开关SQ2闭合，电磁换向阀YY2得电并形成自锁，并与YY1共同工作，滑台开始慢速向右移动图9 攻螺纹运动，冷却泵运行到达滑台终点时，限位开关SQ3闭合，攻螺纹正转接触器得电闭合并形成自锁，开始攻入，同时冷却泵接触器得电闭合，对滑台进行冷却处理图10 丝锥制动，停止到达丝锥终点限位时，制动电磁铁得电闭合开始进行能耗制动，同时，定时器开始计时图11 攻螺纹反转推出当计时时间打到2s时，延时开关闭合，攻螺纹反转接触器得电并形成自锁，开始退出图12 丝锥制动，停止到达丝锥原位限位时，制动电磁铁得电并形成自锁，开始进行能耗制动。同时，定时器开始计时图13 快速后退当定时器定时时间到达时，电磁换向阀得电并形成自锁，滑台开始快速向左移动。图14 原位停止打到滑台原位时，限位开关SQ1闭合，中间继电器Q1.0得电并且形成自锁，在图7中，M0.1得电自锁，开始新一轮循环。每个输入和输出都有对应的符号表示，装配生产线控制系统的梯形图符号编辑如图15：图15 梯形图符号4.3 语句表的设计程序1(初始化)LD I0.7= M0.0程序2（快速右移）A(A I0.0A I0.2O M0.1O Q1.0)AN I0.1AN M0.3= M0.1= Q0.3程序3(慢速右移)A(A I0.3A M0.1O M0.2)AN M0.3= M0.2= Q0.4程序4（丝锥正转，冷却泵工作）A(A I0.4A M0.2O M0.3)AN M0.4= M0.3= Q0.0= Q0.2程序5(制动定时)A(A I0.6A M0.3O M0.4)AN M0.5= L20.0= L20.0BLD 102= M0.4= M0.4A L20.0BLD 102= Q0.6A L20.0L S5T#3SSD T37NOP 0NOP 0NOP 0NOP 0程序6(丝锥反转退出)A(A T37A M0.4O M0.5)AN M0.6= M0.5= Q0.1程序7(制动定时)A(A I0.5A M0.5O M0.6)AN M0.7=L20.0=L20.0BLD 102= M0.6A L20.0BLD 102= Q0.7A L20.0L S5T#3SSD T38NOP 0NOP 0NOP 0NOP 0程序8(快速后退)A(A T38A M0.6O M0.7)AN Q1.0= M0.7= Q0.5程序9(停止新循环)A(A I0.2A M0.7O Q1.0)AN M0.1= Q1.0 第五章 调试及结果分析5.1 硬件组态 硬件组态的过程是：先建立站点，然后进入HW config界面，创建机架，插槽1放置电源PS 307 2A，插槽2放置CPU314，插槽3空着，插槽4放置数字量输入模块DI32XDC24V，插槽5放置数字量输出模块DO32XDC24V/0.5A。具体的硬件组态如图16所示。图16 硬件组态5.2 仿真结果分析根据设计好的梯形图程序，应用step7仿真模块，对整个装配生产线控制系统进行模拟仿真，仿真结果如图17，18，19，20，21，22图17I0.7,I0.0,I0.2都为1时，Q0.3，M0.0，M0.1同时动作,即快进并自锁图18I0.7,I0.0,I0.2,I0.3都为1时，Q0.3，Q0.4,M0.0，M0.1,M0.2同时动作,即慢进并自锁图19I0.7,I0.4都为1时，Q0.0,Q0.2,M0.0,M0.3动作，即丝锥正转，冷却。同时Q0.3,Q0.4停止图20I0.7,I0.6为1时，Q0.6,M0.0,M0