龙门刨床刨台运动模拟器的设计(浙江工业大学)毕业设计.docx

浙江工业大学毕业设计（论文）龙门刨床刨台运动模拟器的设计摘 要 龙门刨床作为机械工业中的主要工作机床之一，主要用来加工机床床身、箱体、横梁、立柱、导轨等大型机件的水平面、垂直面、倾斜面以及导轨面等,在工业生产中占有重要的地位。论文主要介绍了龙门刨床工艺对控制系统的要求，主回路电路图、PLC和变频器的外部接线图,变频器的参数的设置方法与范围,故障的检测与诊断,PLC的顺序控制设计的方法,触摸屏的工作原理、画面设计的基本思路、画面的切换关系图和各画面的功能，并给出了主要的画面。关键词：可编程逻辑控制器，龙门刨床，变频器，触摸屏DRAGON HOUSING PLANE TABLE MOTION SIMULATOR DESIGNABSTRACTDragon housing as one of the main work machine in Machinery Industry, it is mainly used to process the horizontal plane, vertical, inclined plane and the guide surface of the mainframes such as the machine tool bed, cabinet, beam, columns, rails and so on. It occupies an important position in industrial production. This paper introduces the requirements of the Dragon housing process to the control system, the schematics of main circuit, the external wiring diagram of PLC and inverter. It also includes the parameter settings method and scope of the inverter, the fault detection and diagnosis, the methods of PLC sequential control design, the working principle and the screen designs basic idea of the touch screen, and the switching diagram of the screen, and gives the main screen.KEY WORDS : dragon housing, plc, converter, touch panel目 录1 绪论11.1课题的研究背景及意义11.2课题的提出11.3 PLC与继电器控制系统的比较21.4 龙门刨床控制系统的发展21.5主要研究内容32. 龙门刨床的结构及电气分析52.1 刨床的作用及分类52.2 龙门刨床的结构52.3龙门刨床的加工工艺特点62.4 龙门刨床的工艺流程对控制系统的要求62.5 刨台变频调速控制系统的组成和控制要求83. 龙门刨床的主回路设计及变频器的选择与参数设定93.1 龙门刨床电力拖动系统主回路设计93.2 主拖动电机的选型103.3 变频器的选择113.3.1 调速系统简述113.3.2 变频器选型113.3.3变频器的基本运行配线图123.4变频器参数设置143.4.1 参数的初始化（n0.02）143.4.2 运转指令的选择（n2.01）143.4.3 多功能输入1/2 功能选择（n4.04）153.4.4 频率指令的选择（n2.00、n2.09、n2.10）153.4.5 变频器参数设置164. PLC的控制接线与I/O扩展单元174.1 龙门刨床PLC控制系统的组成与PLC的选型174.1.1龙门刨床PLC控制系统的组成174.1.2 PLC的选型174.2 PLC的介绍184.3 PLC的输入输出点的分配184.3.1 PLC I/O输入点数分配表184.3.2 PLC I/O输出点数分配表194.4 I/O扩展单元194.5 PLC控制接线图204.6 PLC控制流程215. PLC的控制程序设计235.1 PLC程序设计概述235.2 梯形图编程语言的特点235.3 控制程序设计分析245.3.1 刨台的调速要求245.3.2 刨台变频调速控制系统的组成和控制要求255.3.2 工作台控制程序设计分析265.5程序梯形图编制275.5.1 模拟器梯形图编制275.5.2 控制梯形图编制276. 人机界面设计286.1 触摸屏的工作原理286.1.1 触摸屏概述286.1.2电阻式触摸屏的工作原理286.1.3 触摸屏在工业控制中的应用296.2 MT4300C触摸屏简介306.2.1 MT4300C的基本性能306.2.2 MT4300C通信的设置与操作306.3 触摸屏画面的设计316.3.1 触模屏画面的总体规划316.3.2 主画面的设计317. 系统调试和实验结果337.1 线路的保护和防止干扰337.2 论文总结337.3 展望34结 论35致 谢36参 考 文 献37附 录138附 录243附录3：模拟器的使用说明书44521 绪论1.1课题的研究背景及意义随着现代化工业科学技术的飞速的发展，速控技术的发展在一定的程度上代表了一个国家的先进的科学技术水平，就目前而言，我国机床行业产量世界第一，而产值才达到第三，实是大而不强，技术上仅居世界二流水平。放眼世界，虽然我国科技水平在世界上稍有一席之地，但生产的数控机床的产品竞争力在国际市场中仍处于较低的水平，生产的普通数控机床比重大，生产效率低，而且很大部分采用继电器控制，存在着易故障，难检修等弊端，对加工业的发展有很大的制约和限制性。随着现代化科学技术的飞快发展，推动了工业科技发展的速度，给机械制造业带来了根本性的变化。近几年来，我国在普通机床上的改造方面取得了很大的成就，普通机床的控制系统逐步被PLC控制的高效率，高精度的数控机床所代替，产生了巨大的生产力，然而在机械加工制造中被广泛使用的用来加工大型工件的设备龙门刨床的改造却少之又少，在一定程度上影响着制造业的发展。1.2课题的提出龙门刨床是常见的大型机械加工设备，老式的龙门刨床的主拖动采用交磁放大机-发电机-电动机（JF-D）调速系统，能量损耗高、噪声大。而且继电器控制系统依靠机械触点的动作实现控制，工作频率低，机械触点还会出现抖动问题，很大程度上提高了故障发 生率，且由于使用大量的机械触点，存在机械磨损、电弧烧伤等问题，寿命短，系统的大量连线使得机床的可靠性和可维护性较差。本设计提出通过采用PLC对其传统的龙门刨床进行电气改造改造是因为PLC容易实现比较复杂的控制逻辑，与其传统的继电器实现同样的功能则需要大量的控制继电器，在同种情况下，PLC可以省去大量的控制继电器，节节能降耗，降低运行成本，且改变工艺控制简便易行，而且PLC是无触点电路，反应快、噪音小、寿命长等优点，在实现同样功能的基础上还可以弥补继电器逻辑控制的不足，可以大大提高机床的工作效率，完全可以达到预期电气改造的目的。1.3 PLC与继电器控制系统的比较在PLC出现以前，继电器硬件接线电路是逻辑、顺序控制的唯一执行者，它结构简单、价格低廉，一直被广泛应用。PLC出现之后，在几乎所有方面都大大超过了继电器控制，两者的性能比较如表1-1所示1。 表1-1 PLC与继电器控制系统的比较比较项目继电器控制PLC控制逻辑硬件接线多、体积大、连线复杂软件逻辑、体积小、接线少、控制灵活控制速度通过触电开关实现控制，动作速度受继电器硬件限制，一般十几毫秒由半导体电路实现控制，指令执行时间短，一般为微秒级定时控制由时间继电器控制，精度差由集成电路实现，精度高设计与实施设计、施工、调试必须按照顺序进行，周期长系统设计完成后，施工与程序设计同时进行，周期短可靠性与维护性继电器触点寿命短，可靠性与维护性差无触点，寿命长，可靠性高，有自诊断功能价格使用继电器、接触器等元件，价格低使用大规模集成电路，价格高1.4 龙门刨床控制系统的发展龙门刨床是一种广泛使用的金属切削加工机床，是许多大型企业不可缺少的设备。我国的第一台龙门刨床于1953年4月在济南第二机床厂问世。龙门刨床的电气系统主要分为主拖动和控制系统两部分。就目前而言，龙门刨床的主拖动系统可概括为四类，A-G-M调速系统、晶闸管-直流电动机，SCR-D，模拟直流调速系统、全数字直流系统和交流变频调速系统。控制系统有继电器逻辑控制系统或继电器与PLC结合的控制系统2。20世纪60年代，龙门刨床广泛采用A-G-M调速系统，目前该系统在国有大中型企业仍占有相当大的比重,A-G-M主要通过交换放大机控制直流发电机的励磁电压,励磁电压控制直流发电机的输出电压，从而控制直流电动机的电枢电压，以达到控制直流电动机转速的目的，但是A-G-M龙门刨床的电气系统占地面积大、噪音大、耗电量大、效率低，由于采用的是继电器逻辑控制系统，其故障率高、可靠性差、检修难度大等不足3。20世纪80年代，随着工业生产的快速发展，许多企业对龙门刨床进行了电气改造，用SCR-D模拟直流调速系统取代A-G-M调速系统，虽然进行改造之后系统缩小了占地面积，减少了噪音，在节能等方面有了很大的改善，但由于仍采用的是继电器逻辑控制系统，其故障率仍较大，可靠性低，仍存在维护和检修难度大的问题。随着半导体和计算机技术的不断发展，晶闸管全数字直流调速系统得到推广并成功地应用在工业实践生产中，但由于系统低速性能不好，且所有的电气参数均英文显示，在其应用过程中对工作人员的技术水平提出很高的要求。1996左右，由于变频器性能的不断完善和推广，人们通过变频器在风机和水泵上使用所积累的经验，尝试将变频器运用于拖动系统。许多企业和大学研究院联合试制，将PLC和变频器成功地应用于龙门刨床，使龙门刨床的电气性能和各项技术指标都得到了极大的改善。例如大连机车车辆厂用变频技术和PLC改造的龙门刨床的机械特性好、调速范围宽，节能效果显著，能够满足各种工艺要求。该系统的另一大优点是变频器的故障代码显示为排除故障提供了大量的信息，大大缩短了故障排除时间。1.5主要研究内容（1）学习、掌握龙门刨床的基本结构和工作原理。学习加工过程中充龙门刨床各部分的动作过程以及速度运行的变化，理解手动加工和自动加工不同的操作方法。 （2）了解龙门刨床自控系统的总体设计方案，分析、掌握控制程序的功能。学习已有的总体设计方案，理解欧姆龙SYSMAC CP1E-N40DR-A的控制程序并会使用其进行设备控制。（3）利用MT4300C 触摸屏界面建立龙门刨床刨台的动态模型。学习使用EV5000软件各部分功能的使用，最后能通过软件建立龙门刨床刨台运动的动态模型。 （4）连接控制器，测试仿真模型的功能。利用EV5000，来建立监控画面和参数输入画面的设计，达到现场控制。（5）在仿真模型的基础上，完善控制程序。将完成的PLC控制程序下装到EV5000仿真程序中，在手动输入各参数和自动运行两种情况下观察仿真设备的运行情况，由此来找出其中的不足，达到完善PLC控制程序的目的。2. 龙门刨床的结构及电气分析2.1 刨床的作用及分类刨床是用刨刀对工件的平面、沟槽或成形表面进行刨削的直线运动机床。使用刨床加工，刀具较简单，但生产率较低（加工长而窄的平面除外），因而主要用于单件，小批量生产及机修车间，在大批量生产中往往被铣床所代替。牛头刨床是用来刨削中、小型工件的刨床，工作长度一般不超过lm。工件装夹可调整的工作台上或夹在工作台上的平口钳内，利用刨刀的直线往复运动（切削运动）和工作台的间歇移动（进刀运动）进行刨削加工的。龙门刨床是用来刨削大型工件的刨床，有些龙门刨床能够加工长度为几十米甚至几十米以上的工件，如B2063型龙门刨床，工作台面积为6.3m20m，对于中、小型工件，它可以在工作台上一次装夹好几个，还可以用几把刨刀同时刨削，生产率比较高。龙门刨床主要加工大型工件或同时加工多个工件。与牛头刨床相比，从结构上看，其形体大，结构 复杂，刚性好，从机床运动上看，龙门刨床的主运动是工作台的直线往复运动，而进给运动则是刨刀的 横向或垂直间歇运动，这刚好与牛头刨床的运动相反。龙门刨床由直流电机带动，并可进行无级调速， 运动平稳。龙门刨床的所有刀架在水平和垂直方向都可平动。龙门刨床主要用来加工大平面，尤其是长而窄的平面，一般可刨削的工件宽度达1米，长度在3米以 上。龙门刨床的主参数是最大刨削宽度。2.2 龙门刨床的结构龙门刨床作为机械工业中的主要工作机床之一，主要用来加工机床床身、箱体、横梁、立柱、导轨等大型机件的水平面、垂直面、倾斜面以及导轨面等,在工业生产中占有重要的地位。 刨床设备的基本结构分为七个部分：床身、刨台、横梁、刀架、立柱、龙门顶和自动控制系统(电气系统)。如下图所示：其机械结构主要由六部分组成，如图2-1所示。图2-1龙门刨床结构图龙门刨床横梁上的刀架，可在横梁导轨上作横向进给运动，以刨削工件的水平面；立柱上的侧刀架，可沿立柱导轨作垂直进给运动，以刨削垂直面。刀架亦可偏转一定角度以刨削斜面。横梁可沿立柱导轨上下升降，以调整刀具和工件的相对位置。龙门刨床主要用于加工大型零件上的平面或沟槽，或同时加工多个中型零件，尤宜于狭长平面的加工。龙门刨床上的工件一般用压板螺栓压紧。 在龙门刨床上，有一套复杂的电气设备和路线系统，工作台的运动可无级调速。从整体上看，工作加工过程较为简单。2.3龙门刨床的加工工艺特点龙门刨床主要用来加工大型工件的各种平面、斜面、槽，特别适宜于加工大型的、狭长的机械零件，但加工精度要求不高，且机械加工制造业中广泛使用的大型工件加工设备。 其加工工艺特点是，被加工的工件固定在工作台上，工件连同工作台频繁地进行往复运动，工件的切削加工仅在工作进程内进行，而返回进程只作空运转。刀架的进给运动是在工作台于返回行程到工作行程地换向期间内进行的，故龙门刨床的主运动是工件连同工作台的纵向往复，辅助运动是刀架的进给，抬刀、落刀和快速移动，横梁的夹紧、放松和升降，以及工作台的步进、步 退等辅助动作。2.4 龙门刨床的工艺流程对控制系统的要求龙门刨床对电力拖动的技术要求，龙门刨床是频繁往复运动的生产机械，它的工作方式为循环方式。前进进程是切削行程，后退不作切削，只让工作台为下一步切削做准备，工作台运动示意图如图2-2所示。图2-2 工作台运动示意图刨削加工时，工作台应能自动往复运动。切削速度较高时，为减小刀具切入工件时的冲击而使工件边沿崩溃，工作台应降低速度使刀具慢速切入；在刀具离开工件之前，为防止工件边缘剥裂，工作台速度应降低，使刀具慢速切出。由于返回行程比工作行程速度高，为减小反向冲击和停车的超程，也要求在工作行程和返回行程的末尾，先减速，然后反向升到高速或停车，这样既准确又可以减少对机械和电机的冲击。在实际工作中为了提高生产的效率，返回行程的速度大于前进切削速度。由于不同的金属材料和不同的加工工艺，必须要求控制系统具备： （1）工作台传动具有比较宽的调速范围和较硬的机械特性；（2）工作台前进切削和后退的过程中运行平稳，不振荡，速度能单独地作无级调速，无须停车； （3）运动方向地改变要平滑、迅速、冲击力小，动作反应快；（4）在低速范围内切削力基本保持恒定状态，静差率小于3%；（5）前进与后退行程的末尾工作台自动减速，反向准确；（6）传动效率高，耗电量小；（7）控制系统简单，可靠安全，易于维修保养。本设计将根据龙门刨床加工工艺的特点，以及控制系统所具备的要求，运用所学的电气控制方面的专业知识，采用PLC对其B2010A型龙门刨床传统的控制系统进行简单的改造，以达到投资小、改造周期短、节能降耗等目的，弥补继电器控制的不足，充分发挥PLC的优势，以提高龙门刨床的生产效率4。2.5 刨台变频调速控制系统的组成和控制要求为了实现刨台往复运动的自动控制，需组成刨台运动控制系统，其结构如图2-3 所示。控制器采用欧姆龙 CP1E-N40DR-A，刨台拖动电机为异步电动机，采用欧姆龙SYSDRIVE 3G3MZ 系列变频器实现电机的变频调速。工作时，PLC 根据操作面板上的发令元件（如启动按钮）及刨台位置传感器的状态，结合控制逻辑发出控制指令到变频器，使变频器驱动刨台拖动电机按照期望的速度运转。电机通过传动机构拖动刨台往复运动，满足刨床的自动加工要求。图2-3 控制流程图3. 龙门刨床的主回路设计及变频器的选择与参数设定3.1 龙门刨床电力拖动系统主回路设计龙门刨床主要涉及的有：主拖动、油泵、风机、横梁升降、横梁夹紧，垂直及左、右侧刀架等电机。油泵和风机只有在主拖动电机启动运行时才可启动，其余电机在正反向运行之间形成电气互锁，主回路设计如图3-1所示。图3-1电力拖动系统主回路设计 本次设计当中主要涉及到的是龙门刨床刨台的控制系统，所以我们主要对其主拖动电机部分进行了改造。如图3-2所示。图3-2 主电路部分3.2 主拖动电机的选型龙门刨床原直流调速系统的直流电机型号是ZBD-93-BL,功率为60KW,额定转速为1000r/min,额定转矩为： (1)(1)式中P为功率(KW)；T为转矩(Nm )；n为转速(r/min)6。通过计算比较,与直流电动机参数比较接近的交流电机式55KW的6极电机,其额定转矩为525.53Nm。由于变频器的低速调速性能不是很好,为了提高实际使用的变频器最低频率,决定选用55KW的8极变频电动机,其额定转矩为700.7Nm。为了解决低速时电动机的散热问题，变频电动机上还安装配备了一个风机，变频电动机工作时风机处于运转状态。通过以上计算，55KW的8极变频电动机的转矩比原来的直流电动机大，能够满足系统调速范围的要求。3.3 变频器的选择3.3.1 调速系统简述龙门刨床的主拖动采用最初50年代的A-G-M调速系统，即电机扩大机，直流发电机，直流电动机组系统，如图3-3所示。采用的是机械比2：1和电气调速范围为10：1的机电联合调速系统。图3-3 A-G-M调速系统图电机扩大机-直流发电机-直流电动机（A-G-M）调速系统，它涉及电机多，占地面积大、噪声污染严重、调速范围很窄，尤其交流电动机拖动发电机浪费电能很严重，而且电控部分采用继电器逻辑控制，线路复杂，故障率高，检修、维修困难。随着科技的进步，电力电子技术和微电子技术得到飞速的发展，以及矢量控制技术的完善，A-G-M调速系统在技术方面远远落后于日新月异的变频调速技术，使得变频调速技术被广泛使用在调速方面。3.3.2 变频器选型根据前述龙门刨床拖动系统的工作要求，结合实验室相关设备条件和通过查阅有关资料，与多种同类变频器反复比较论证后，决定选用3G3MZ系列变频器。SYSDRIVE 3G3MZ 系列变频器是由日本OMRON集团生产的一种搭载矢量控制的高性能变频器，具有高品质、多功能、低噪音等功能，优越性主要表现在：（1）通过无传感器矢量控制的强大转矩对应丰富应用在0.5Hz 运转时，可以输出电机额定值的150的转矩。（2）标准搭载RS485 通信，能简单地与可编程逻辑控制器（PLC ）等上位机连接。另外，可搭载选件还能对应DeviceNet Profibus CANopen选项单元等各种现场总线。（3）对应各种输入，扩展I/O 板可增设变频器输入/ 输出，对应有各种输入以对应丰富应用。另外使用扩展I/O 板( 开发中) 便可再次增加I/O 。模拟输入2 点：电压输入0 10V ，电压输入4 20mA （可变更为电压输入）计数器输入1 点：计数250Hz 以下的脉冲，可用于简易定位等。多功能输入6 点：请选择搭载功能使用。多功能输出2 点：搭载继电器输出和晶体管输出2 点。模拟输出1 点：可按输出频率和输出电流的比例输出模拟电压。PTC 热敏输入：可在电机的加热保护中使用PTC 热敏保护来对应。（4）内置对应CE规格的噪音滤波器，无需担心对自外围设备的噪音影响，并有效对应CE规格。由于是内置噪音滤波器，因此无需控制柜内的噪音滤波器空间，实现控制柜的小型化、效率化（5）Side by side 设置提高控制柜效率，使用环境温度保持在0 40时，便可进行Side By Side设置（相邻距离0）。变频器间或外围设备间的距离为0 且配合上述中所提到的内置噪音滤波器，便能大幅实现控制柜的小型化以及效率化。（6）充分搭载使用简单的便利功能，在已往变频器的基础上，充分搭载使用简单的丰富功能。PID 控制功能和PID 控制休眠功能：搭载能更有效使用变频器的PID 控制。还增加了在控制效果低下时能自动休眠的功能。内部输入功能：无需进行变频器控制端子的配线，通过内部的参数设定便能控制变频器输出输入的功能。在电源ON的状态下单体动作时有效。载波频率设定：可设定至15kHz 以降低电机的噪音（但变频器的额定输出电流也会降低）。外部制动器输出：控制电机停止的外部制动器的时间输出，可以通过这个功能进行设定。简单更换风扇：无需拆开变频器，轻轻一触便可拆卸、安装7。 3.3.3变频器的基本运行配线图变频器的基本运行配线图如图3-4所示。图3-4 变频器的基本运行配线端子功能介绍：（1） 控制回路端子显示为初始设定的NPN配线。可通过时序输入方法切换SW 的设定变更为PNP 输入。（2）多功能模拟输入显示为初始设定的电流输入（4 20mA）。可通过多功能模拟输入方法切换 SW 和参数设定变更为电压输入（0 10V ）。（3） RS485 的配线请用标准Ethernet 用连接器配线。（4） 模拟输入和模拟输出共用模拟公共端。3.4变频器参数设置3.4.1 参数的初始化（n0.02）首先，为了不受过去设定的参数的影响，请先进行参数初始化。如表3-1所示：表3-1 n0.02范围n0.02参数写入禁止选择参数初始化寄存器No.0002运转中的变更设定范围0 10设定单位1出厂时的设定0本变频器有“9”（最高频率 50Hz时的初始化）和“10”（最高频率 60Hz时的初始化），因此可以使用的电机的额定频率进行初始化。我们模拟使用的是50Hz三相异步电动机，所以设置参数为“9”，可禁止全部参数的写入。请勿设定未使用的设定值（2 8）。设定值的说明如表3-2所示：表3-2 n0.02设定值说明设定值内容0适用于所有的参数设定和参照。1仅可设定n0.02（参数写入禁止选择参数初始化）。其它所有参数仅可参照。即使变更禁止写入参数的设定值，也显示Err设定值会被忽略不计。28（未使用）请勿设定未使用的设定值。9最高频率50Hz时的初始化以n1.00（最高频率）和n1.01（最大电压频率）为50.00Hz 进行初始化。10最高频率60Hz时的初始化以n1.00（最高频率）和n1.01（最大电压频率）为60.00Hz 进行初始化。3.4.2 运转指令的选择（n2.01）如表3-3所示为n2.01范围：表3-3 n2.01范围n2.01运转指令的选择寄存器No.0201运转中的变更设定范围04设定单位1出厂时的设定0设定值的说明如表3-4所示：表3-4 n2.01设定值设定值内容0操作器中的RUN/STOP 键有效1控制回路端子（2 线序及3 线序）有效（操作器中STOP 键也有效）2控制回路端子（2 线序及3 线序）有效（操作器中STOP 键为无效）3来自RS485 通信的运转指令有效（操作器中STOP 键也有效）4来自RS485 通信的运转指令有效（操作器中STOP 键为无效）3.4.3 多功能输入1/2 功能选择（n4.04）如表3-5所示为n4.04范围表3-5 n4.04范围n4.04多功能输入 1/2 功能选择 ( 输入端子 S1/S2)寄存器No. 0404运转中的变更设定范围02设定单位1出厂时的设定0设定值的说明表3-6所示：表3-6 n4.04设定值设定值内容02线序（S1端子：正转/ 停止、S2端子：反转停止）12线序（S1端子：运转停止、S2端子：正转反转）23 线序11.通过n4.043设定3线序的话，便使多功能输入3（n4.05）的设定无效，而分配为3线序。如图3-5为变频器内部接线图图3-5 内部连线图 3.4.4 频率指令的选择（n2.00、n2.09、n2.10）如表3-7所示为n2.00、n2.09范围表3-7 n2.00、n2.09范围n2.00频率指令的选择寄存器No.0200运转中的变更设定范围04设定单位1出厂时的设定1n2.09第二频率指令的选择寄存器No.0209运转中的变更设定范围04设定单位1出厂时的设定2选择向变频器输入频率指令的方式。在第二频率指令的选择 (n2.09) 时，请设定第 2 条频率指令的输入方式。第二频率指令可使用以下2 种方式。（1）过n2.10( 第二频率指令的动作选择) 作为频率指令的辅助输入。（2）在多功能输入(n4.05 n4.08) 中设定“22( 第二频率指令) ”，并切换使用频率指令和第二频率指令。设定值的说明如表3-8所示：表3-8 n2.00、n2.09、n2.10 设定值设定值内容0操作器增加/ 减少键输入有效1操作器的频率指令旋钮有效 12频率指令输入A1端子（电压输入010V ）有效 23多功能模拟输入A2端子（电流输入420mA）有效 34来自RS485 通信的频率指令有效1.将旋钮调到MAX时，变为最高频率（FMAX ）。2.以10V 输入时，为最高频率（FMAX ）。3.以20mA 输入时，为最高频率（FMAX ）。3.4.5 变频器参数设置 根据以上各个参数的解释，最后根据设计的要求所设定的参数如下： 参数n0.02=9；最高频率50Hz时的初始化； 参数n2.01=1；控制回路端子（2 线序及3 线序）有效（操作器中STOP 键也有效）； 参数n4.04=1；2线序（S1端子：运转停止、S2端子：正转反转）； 参数n2.00=2；频率指令输入A1端子（电压输入010V ）有效89。4. PLC的控制接线与I/O扩展单元4.1 龙门刨床PLC控制系统的组成与PLC的选型4.1.1龙门刨床PLC控制系统的组成龙门刨床PLC控制系统构成主要有，主传动调速换向控制，刀架进给、抬刀和快速移动控制，以及横梁的移动、夹紧、放松、升降等部分组成。本实验由于时间问题所以仅仅做了主传动调速换向控制的设计。龙门刨的刨削过程是工件与刨刀相对运动的过程。因此工作台与工件必须频繁地进行往复运动，切削加工只在正向工作行程中，返回行程刨刀提起，工作台快速返回。在切削过程中刀架没有进给运动，只有在返回行程中才有刀架的进给运动。其中，工作台与工件间的往复运动称为主运动，横梁、刀架的运动称作辅助运动。本设计的目的是实现刨台的自动往复运动。4.1.2 PLC的选型目前，国内外众多生产厂家提供了多种系列功能各异的PLC产品，但不管选择那种系列的PLC，要以满足系统功能需要为宗旨，不可以盲目贪大求全，以免造成投资和设备资源的浪费。机型的选择应以几个方面考虑：（1）对输入/输出点的选择 盲目选择点数多的机型会造成一定的浪费，要先弄清控制系统的输入/输出点数，再按实际所需点数的15%20%留以备用量，为系统的改造留有余地，且一般同时接通的输入点不得超过总输入点的60%。 （2）对存储容量的选择 一般按估算容量的50%100%留有裕量，对缺乏经验的设计者选择容量时留有裕量要大一些。 （3）按输入/输出响应时间选择 对开关量的系统，PLC的输入/输出响应时间一般都满足实际工程的要求，可不必考虑响应问题，但对模拟量控制的系统特别是闭环系统就要考虑这个问题。本设计通过以上几方面的考虑和比较，根据所需PLC的输入/输出点数，并留有一定的余地，选择PLC的基本单元的型号为OMRON SYSMAC CP1E-N40DR-A。SYSMAC CP1E 可编程控制器是一种由欧姆龙制造的设计用于简单应用的集成式PLC 。 CP1E 包含了通过基本、移动、算术和比较指令能够用于标准控制操作的E 型CPU 单元（基本型号），以及支持连接到可编程终端、变频器和伺服驱动的N 型CPU 单元（应用型号）。CP1E-N40DR-A系列是CP1E系列中功能最强CP1E-N40DR-A的电源电压为AC220V，最大I/O点数160个，内置I/O点数40，24个 输入，16 个输出8 10。4.2 PLC的介绍本次实验使用的PLC是CP1E-N40DR-A具体各个配置说明如图4-1所示：图4-1 CP1E CPU 单元的型号配置 在设计中，我们使用的是CP1E的应用型，40点I/O容量，DC输入，继电器输出，电源为AC的可编程逻辑控制器15。4.3 PLC的输入输出点的分配4.3.1 PLC I/O输入点数分配表如表4-1所示为I/O输入点数分配：表4-1 PLC I/O输入点数分配名称代码地址位置检测接近开关1S1W0.01位置检测接近开关2S2W0.02位置检测接近开关3S3W0.03位置检测接近开关4S4W0.04手自动切换开关S50.02点动前进按钮PB11.00点动后退按钮PB21.014.3.2 PLC I/O输出点数分配表如表4-2所示为I/O输出点数分配表4-2 PLC I/O输出点数分配名称代码地址过零检测XTW1.00手动反正SRW0.06启动和停止ST100.00指示灯1X1100.04指示灯2X2100.05指示灯3X3100.06指示灯4X4100.07反转SX100.014.4 I/O扩展单元 在这次设计中我们所使用的I/O扩展单元为CPM1A-MAD02-CH，CPM1A-MAD02四入一出模拟量输入输出单元，具体输入与输出端子如表4-3、4-4表4-3 输入端子公共输入41211电流输入4电压输入4109公共输入3电流输入387电压输入3公共输入265电流输入2电压输入243公共输入1电流输入121电压输入1表4-4 输出端子未使用4公共输出3电流输出2电压输出1CPM1A-MAD01的设置方法，在第一个扫描周期把设置字写入n+1通道设置字如下表4-5所示：表4-5 CPM1A-MAD01的设置方法设置字模拟输入1信号范围模拟输入2信号范围模拟输出信号范围FF00010V010V010V或420mAFF01010V010V-10V10V或420mA FF0215V或420mA010V010V或420mAFF0315V或420mA010V-10V10V或420mAFF04010V15V 或420mA010V 或420mAFF05010V15V 或420mA-10V10V或420mAFF0615V 或420mA15V 或420mA010V 或420mAFF0715V 或420mA15V 或420mA-10V10V或420mA例如图4-2：图4-2 CPM1A-MAD01 设置示意图CPM1A-MAD02与CPM1A-MAD01的使用方法类似，不同的是设置字不在n+1，而是n+2；如果后面还有CPM1A-MAD02扩展，则后者的输出在n+3，设置字在n+416。4.5 PLC控制接线图PLC控制接线如图4-3所示：图4-3 PLC控制接线4.6 PLC控制流程刨台首先判断刨台是否为往复运动，如果是，则刨台前进，SQ4=1，刨台以V0的速度切入，准备进行加工；然后碰到行程开关SQ3=1，是刨台加速到VF，当刨台脱离了SQ4后，碰到了SQ2，使SQ2=1后，刨台开始减速到V0；当刨台脱离了SQ3后，碰到了SQ1，使SQ1=1后，刨台减速到0后，进行换向；然后直接加速至VF快速返回，在脱离SQ2后，碰到SQ3，使SQ3=1，减速至V0；然后脱离SQ3碰到SQ4，刨台继续减速至0，实现脱离刨台，再按一次启动可进行往复运动。如图4-4所示。图4-4 PLC控制流程图5. PLC的控制程序设计5.1 PLC程序设计概述设计PLC程序有3种方法：经验设计法、继电器电路转换法和顺序控制设计法。经验设计法是在一些典型电路的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，不断修改、完善和调试，最后才能得到一个满意的结果。这种设计方法没有规律可循，最后的结果不是惟一的，设计所用的时间和质量与设计者的经验有很大的关系，该方法一般只用于较简单的梯形图设计。继电器电路图转换法用于将继电器控制系统改造为PLC控制。由于原有的继电器控制系统经过长期的使用和考验，已被证明能完成系统要求的控制功能，因此可以将继电器电路图“翻译”成梯形图，即用PLC的外部硬件接线图和梯形图程序实现继电器系统的功能。顺序控制设计法是建立在顺序功能图基础上的“标准化”的编程方法。用它设计出的程序很容易调试、修改和阅读。对于控制要求很复杂的系统，使用该方法可以节约大量的时间，获得满意的设计效果。本论文采用比较简单，并容易编程的继电器电路转换法，这种方法用于将继电器控制系统改造为PLC控制。由于原有的继电器控制系统经长期的使用和考验，已被证明能完成系统要求的控制功能，因此可以将继电器电路图“翻译”成梯形图，即用PLC的外部硬件接线图和梯形图程序实现继电器系统的功能。5.2 梯形图编程语言的特点梯形图编程语言是最常用的一种编程语言。它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图得到了广泛的应用，主要有以下特点： （1）与电气操作原图相对应，具有直观性和对应性；（2）与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于掌握和学习；（3）与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的能流不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器。（4）与布尔助记符编程语言有一一对应关系，便于相互的转换和程序的检查。5.3 控制程序设计分析 5.3.1 刨台的调速要求不同系列龙门刨床的调速范围各异，通常的调速范围为 1030。刨台在刨削过程中不断地作往复周期运动，往复一次为一个加工周期。一个周期中速度的变化情况如图5-1所示。图中画出了刨台在6 个特征时刻(t1t6) 的位置，以及工件与刀具的位置关系。下面的速度曲线（纵坐标为速度V，横坐标为位置X）描述了刨台运动过程中，刨台在不同位置及运动方向时速度的变化轨迹。 为了实现自动控制，在刨台下方设置了4 个接近开关 S1S4 ，用来检测刨台的位置。接近开关的动作规律如下：当刨台运动到接近开关上方时，开关动作，输出为高电平，图中用填充的矩形来表示。当刨台离开接近开关后，开关复位，输出为低电平，图中用空心的矩形来表示。4 个接近开关将刨台的运动行程划分为5 个区间，在速度曲线中用 15 来表示。在刨台的左端定义了一个参考点，用圆点表示。将参考点所在的区间定义为刨台所处的区间。在上述定义基础上，一个工作周期中，刨台的运动特点和调速要求如下： （1）t1 t2 段：刨刀切入工件阶段。设一个工作周期从 t1 时刻开始，此时刨台处于整个行程的最右端。从t1 时刻开始，刨台前进，接近刨刀，为防止工件被崩坏，采用低速V0。 （2）t2 t3 段：刨削段。刨刀切入工件后，为提高加工效率，可将刨台运动速度提高为刨削速度VF。 （3）t3 t4 段：刨刀退出工件的阶段。为防止将工件带坏，采用低速V0。 （4）t4 t5 段：返回段。返回过程属于空行程，为了节省返回时间，提高工作效率，返回速度应尽可能高些，采用高速VR。（5）t5 t6 段：缓冲段。刨台返回结束位置前，为了减小冲力，使再次反向进入下一周期时能够比较平缓，应将速度降至V0。之后，便进入下一周期，重复上述过程。图5-1 刨台工作周期示意图5.3.2 刨台变频调速控制系统的组成和控制要求刨台变频调速控制系统的控制要求如下：（1）工作方式选择 利用操作面板（在模拟器上）上的开关S5实现工作方式选择功能：自动方式和手动方式。 （2）自动方式下的控制要求 在自动方式下，用操作面板上的PB1 和PB2 按钮来控制系统的启动和停止。系统启动后，PLC 根据刨台上接近开关的位置检测信号及刨台的调速要求，用开关量输出来选择变频器的频率给定源，从而调节电机的速度，实现刨台往复周期运动。根据调速要求，可将速度控制的逻辑关系归纳为表5-1。表5-1 刨台运行状态与接近开关的关系变频器的频率设定方式为：V0 设定好后，刨台工作时不做实时调整。而VF 和VR的设定值在加工过程中，应能够根据不同的工艺要求做实时调节。所以，可采用模拟器上的电位器P1和P2来设定和调节这两个频率设定值。 （3）手动方式下的控制要求 在手动方式下，用模拟器上的PB1 和PB2 按钮来控制电机点动正转和点动反转，从而手动调整刨台的位置。点动运行时频率设定值一般较低（10Hz 以下），设定好后不需实时调整。 （4）状态指示和报警信息 自动方式下，系统启动后，操作面板上 L1 指示灯亮，停止时，L1 灭。若系统启动后，变频器未进入运行状态，延时 5S 后，L6 指示灯亮，表示系统报警。系统正常运行时或停止时，L6灭。 （5）远程监控的要求 利用触摸屏设计远程监控系统，实现对“刨台变频调速控制系统”运行状态的监视及远程控制。5.3.2 工作台控制程序设计分析龙门刨床工作台主要控制方式分为点动和自动循环两种，点动包括点进和点退，目的是调整工作台到达合适的位置，以便摆放、固定加工工件。点进、点退阶段是工件加工前的准备阶段，工作台点进和点退时，不能压住前进换向行程S4和后退换向行程S1。工作台的自动往返运动是对工件进行加工的过程，是龙门刨床的主运动，它是由装在床身的六只行程开关来控制的。在工作台自动运行的开始阶段，要求工作台处于前进减速行程S2和后退减速行程S3之间，如果工作台没有在该范围内，要点动调整到该范围。 工作台工作时，工作台先低速切入，W1.00和W0.01输出，然后至加工速度，Q100.00输出，碰到S2，工作台减速，W0.03输出，碰到S1后，工作台换向并高速空车返回，W1.00和Q100.01输出，碰到S3后，工作台减速，W0.02输出，在后退减速过程中完成刀架回到动作，碰到S4后，工作台换向并低速切入，W0.01输出，如此反复工作台就能实现自动循环11。5.5程序梯形图编制5.5.1 模拟器梯形图编制在设计编制控制程序时，不仅要满足工艺流程的控制需要，除此之外，还要考虑到上一小节所分析的常见故障，在编写过程中将以上故障程序渗透到控制程序中，使编制的控制程序能够满足龙门刨床工作运行及控制要求。在编制时考虑了工作刀架的运行方式，我们编制一个自动反馈的系统来完成刨台运行的模拟工作，我们使用了PLC的模拟量利用模拟输出端口对变频器给出型号，使电动机运转，然后利用变频器上AM端口的反馈型号，反馈回到PLC的模拟输入单元3号端口，进行程序的纠正，这样就形成了自动反馈模拟控制，具体梯形图如附录1。5.5.2 控制梯形图编制 再有了模拟器以后，我们需要对涉笔进行控制，比如点动、自动的切换，刨台的启动与停止做了一系列的控制程序来实现这些工作，控制程序的梯形图图附录1所示。6. 人机界面设计6.1 触摸屏的工作原理6.1.1 触摸屏概述随着计算机技术的普及，在90年代初，出现了一种新的人机交互技术触摸屏技术。利用这种技术，使用者只要用手指轻轻地触碰计算机显示屏上的图符或文字，就能实现对主机的操作或查询，这样就摆脱了键盘和鼠标操作，从而大大地提高了计算机的可操作性。触摸屏是一种最直观的操作设备，只要触摸屏幕上的图形对象，计算机便会执行相应的操作。人的行为和机器的行为变得简单、直接、自然，达到完美的统一。触摸屏具有方便直观、图像清晰、坚固耐用和节省空间等优点。触摸屏的基本原理如下：用户用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏时，所触摸的位置的坐标被触摸屏控制器检测，并通过通信接口