毕业实践报告-壳体类零件攻丝组合机床的PLC控制系统.doc

长春汽车工业高等专科学校毕 业 实 践 报 告题目/实践 壳体类零件攻丝组合机床的plc控制系统设计毕业论文中 文 摘 要本文介绍壳体类零件攻丝组合机床的plc控制系统设计，该系统具有自动化程度高，精度高等特点，在工业生产等领域有广泛应用。传统的组合机床采用继电器，精度低，可靠性不高，已不适合社会发展需要。随着plc控制技术的迅速发展，以plc为核心的组合机床控制系统已凸显出其优势。本文首先介绍plc和组合机床的历史与发展，并着重论述了组合机床的结构和运动形式以及控制方式，接着对plc的组成和结构进行了分析，并对plc控制系统的总体设计和程序的表达方式做了概述，然后确定plc型号、分配i/o地址和外部配线，接着根据相关内容画出顺序功能图并利用fxgp-win-c软件画出plc梯形图。在文章的最后还介绍了plc控制系统的安装和维护以及对论文的进一步总结。关键字：plc；三菱fx系列；组合机床；壳体类零件；攻丝abstractthis article introduced that the plc control system design of the shell kind parts tapping combined machine tool, this system has a high degree of automation and precision, and also be widely used in industrial production and other fields. the traditional combined machine tool uses the relays generally, the precision is low, the reliability is not high, did not meet the social development need. along with the plc control technologys rapidly expand, as the core combined machine tool has highlighted its superiority take plc. this paper first introduced that plc and the history and development of the combined machine tools, and emphatically expounds the structure, movement and the control mode of combined machine tools, then the composition and structure of plc is analyzed, besides these, the general arrangement of plc control system and the presentation of program are also given an overview, then we confirm plcs type, distribute i/o address and external wiring. according to the related content we draw sequential function chart and use fxgp-win-c software to draw plc ladder diagram. at the end of the article we also introduced installation and maintenance of plc control system and further summary fo the article.key words: plc ；mitsubishi fx series；combined machine tools； shell kind parts；tapping目录中文摘要abstract第一章 概述11.1 组合机床概述. 11.2 组合机床的发展. 11.3 组合机床装配模型. 11.4 组合机床及其体系结构的发展现状. .21.5 本章小结. 2第二章 plc控制系统设计32.1 plc简介. 32.2plc的结构和工作原理. 42.3plc控制系统的设计步骤.5第三章 plc的编程73.1 概述. 73.2 编程语言的形式.73.3 plc控制的程序设计.9第四章 结论154.1 论文总结. 154.2个人心得. 15参 考 文 献16致 谢16iv 壳体类零件攻丝组合机床的plc控制系统设计第一章 概述1.1 组合机床概述组合机床是以大量通用部件为基础，配以少量专用部件组成的一种高效专用机床。其中大量通用部件包括：单轴工艺切削头（攻螺纹头）、传动装置、动力箱、进给滑台等动力部件，以及用以安装动力部件的支承部件如侧底座、立柱、立柱底座等。1.2 组合机床的发展在我国，组合机床发展已有28年的历史，其科研和生产都具有相当的基础，应用也已深入到很多行业。是当前机械制造业实现产品更新，进行技术改造，提高生产效率和高速发展必不可少的设备之一。组合机床及其自动线是集机电于一体的综合自动化程度较高的制造技术和成套工艺装备。它的特征是高效、高质、经济实用，因而被广泛应用于工程机械、交通、能源、军工、轻工、家电等行业。我国传统的组合机床及组合机床自动线主要采用机、电、气、液压控制，它的加工对象主要是生产批量比较大的大中型箱体类和轴类零件（近年研制的组合机床加工连杆、板件等也占一定份额），完成钻孔、扩孔、铰孔，加工各种螺纹、镗孔、车端面和凸台，在孔内镗各种形状槽，以及铣削平面和成形面等。组合机床的分类繁多，有大型组合机床和小型组合机床，有单面、双面、三面、卧式、立式、倾斜式、复合式，还有多工位回转台式组合机床等。1.3 组合机床装配模型图1-1 组合机床的装配模型1.4 组合机床及其体系结构的发展现状 随着技术的不断进步，一种新型的组合机床柔性组合机床越来越受到人们的青睐，它应用多位主轴箱、可换主轴箱、编码随行夹具和刀具的自动更换，配以可编程序控制器（plc）、数字控制（nc）等，能任意改变工作循环控制和驱动系统，并能灵活适应多品种加工的可调可变的组合机床。由过去的“刚性”机床结构，向“柔性”化方向发展，超高速和超高精度加工技术装备与复合、多功能、多轴化控制设备等深受欢迎。1.5 本章小结 随着可编程控制器在工控领域的广泛应用，plc控制的组合机床渐渐取代了采用继电器控制的组合机床。本文主要介绍了基于壳体类攻丝组合机床的plc控制系统设计。第二章 plc控制系统设计2.1 plc简介plc即可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，是工业控制的核心部分。与传统继电器控制比较plc控制系统有以下优势： 1. 功能强，性能价格比高 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，具有很高的性能价格比。可篇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置供用户选用。用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的系统。楞编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。plc有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。 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。 plc采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，plc已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。 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、计数器等器件，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控制设计方法。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。 plc的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过plc上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。 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，其电路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住处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 对于复杂的控制系统，使用plc后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型plc的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的确1/2-1/10。 2.2plc的结构和工作原理plc硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成主要包括电源、中央处理单元、存储器、输入输出接口电路、功能模块、通信模块。plc的工作原理可以简单地表述为：在系统程序的管理下，通过运行应用程序，对控制要求进行处理判断，并通过执行用户程序来实现控制任务。但是，在时间上，plc执行的任务是按串行方式进行的，其具体的运行方式与继电器-接触器控制系统及计算机控制系统都有着一定的不同。当plc投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。当plc开始上电运行时，首先清除i/o映像区的内容，然后进行自诊断，确认正常后开始扫描。对每个程序，cpu从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，因此，plc的工作方式是一种串行循环工作方式。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，plc的cpu以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。2.3plc控制系统的设计步骤1.确定方案 如果被控制对象环境较差，系统工艺复杂，且输入/输出量以开光亮为主，则考虑用plc控制系统。若控制简单，如电动机正、反转，就可考虑用继电器控制系统。 用plc控制，首先要了解体统的工作过程以及所有功能要求，从而分析被控对象的控制过程，输入/输出量是开光量还是模拟量，明确控制要求，绘制出控制系统的流程图2.选择plc机型一般来说，plc在可靠性上是没有问题的，机型的选择主要是考虑在功能上满足系统的要求。要对控制对象进行估测：有多少输入量、电压分别是多少、有多少输出量、输出功率有多大、现场对系统的响应速度有何要求、控制室与现场的距离有多远等。3.选择i/o设备，列出i/o地址分配表根据生产设备现场需要，确定控制按钮、行程开关、接近开关等输入设备和接触器、电磁阀、信号灯等输出设备的型号和数量。根据plc型号，列出输入/输出设备与plc的i/o地址对照表，以便绘制接线图及编程。 分配i/o地址时应注意以下几点：(1)把所有按钮、行程开关等集中配置，按顺序分配i/o地址；(2)每个i/o设备占用一个i/o地址；(3)同一类别的i/o设备点应尽量安排在同一区；(4)彼此有关的输出器件，如电动机正反转，其输出地址应连续分配4.设计电器线路图(1)绘制电动机的主电路及plc外部的其他控制电路图。(2)绘制plc的i/o接线图。注意：接在plc输入端的电器元件一律为常开触点，如停止按钮等。(3)绘制plc及i/o设备的供电系统图。输入电路一半由plc内部提供电源，输出电路根据负载的额定电压外接电源。5.程序设计与调试程序设计可用经验设计法或功能表设计法，或者是两者的结合。6.总装调试接好硬件线路，把程序输入plc中，联机调试.第三章 plc的编程3.1 概述梯形图和指令语言是plc的主要编程软件。可编程控制器的内部编程等效元件是程序设计的重要基础概念。不同厂家、不同系列的plc，其内部软继电器（编程元件）的功能和编号也不同。fx2n列的plc的等效编程元件包括输入继电器x、输出继电器y、定时器t、计数器c、辅助继电器m、状态继电器s、数据寄存器d、变址寄存器v/z、指针、常数等。3.2 编程语言的形式plc的用户程序是设计人员根据控制系统的工艺控制要求，通过plc编程语言的编制设计的。根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准（iec1131-3）。plc的编程语言包括以下五种：梯形图语言（ld）、指令表语言（il）、功能模块图语言（fbd）、顺序功能流程图语言（sfc）及结构化文本语言（st）。 1、梯形图语言（ld） 梯形图语言是plc程序设计中最常用的编程语言。它是与继电器线路类似的一种编程语言。由于电气设计人员对继电器控制较为熟悉，因此，梯形图编程语言得到了广泛的欢迎和应用。 梯形图编程语言的特点是：与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；与原有继电器控制相一致，电气设计人员易于掌握。 梯形图编程语言与原有的继电器控制的不同点是，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，应用时，需要与原有继电器控制的概念区别对待。2、指令表语言（il） 指令表编程语言是与汇编语言类似的一种助记符编程语言，和汇编语言一样由操作码和操作数组成。在无计算机的情况下，适合采用plc手持编程器对用户程序进行编制。同时，指令表编程语言与梯形图编程语言图一一对应，在plc编程软件下可以相互转换。图3就是与图2plc梯形图对应的指令表。指令表表编程语言的特点是：采用助记符来表示操作功能，具有容易记忆，便于掌握；在手持编程器的键盘上采用助记符表示，便于操作，可在无计算机的场合进行编程设计；与梯形图有一一对应关系。其特点与梯形图语言基本一致。3、功能模块图语言（fbd） 功能模块图语言是与数字逻辑电路类似的一种plc编程语言。采用功能模块图的形式来表示模块所具有的功能，不同的功能模块有不同的功能。 功能模块图编程语言的特点：功能模块图程序设计语言的特点是：以功能模块为单位，分析理解控制方案简单容易；功能模块是用图形的形式表达功能，直观性强，对于具有数字逻辑电路基础的设计人员很容易掌握的编程；对规模大、控制逻辑关系复杂的控制系统，由于功能模块图能够清楚表达功能关系，使编程调试时间大大减少。4、顺序功能流程图语言（sfc） 顺序功能流程图语言是为了满足顺序逻辑控制而设计的编程语言。编程时将顺序流程动作的过程分成步和转换条件，根据转移条件对控制系统的功能流程顺序进行分配，一步一步的按照顺序动作。每一步代表一个控制功能任务，用方框表示。在方框内含有用于完成相应控制功能任务的梯形图逻辑。这种编程语言使程序结构清晰，易于阅读及维护，大大减轻编程的工作量，缩短编程和调试时间。用于系统的规模校大，程序关系较复杂的场合。图5是一个简单的功能流程编程语言的示意图。 顺序功能流程图编程语言的特点：以功能为主线，按照功能流程的顺序分配，条理清楚，便于对用户程序理解；避免梯形图或其他语言不能顺序动作的缺陷，同时也避免了用梯形图语言对顺序动作编程时，由于机械互锁造成用户程序结构复杂、难以理解的缺陷；用户程序扫描时间也大大缩短。5、结构化文本语言（st）结构化文本语言是用结构化的描述文本来描述程序的一种编程语言。它是类似于高级语言的一种编程语言。在大中型的plc系统中，常采用结构化文本来描述控制系统中各个变量的关系。主要用于其他编程语言较难实现的用户程序编制。 结构化文本编程语言采用计算机的描述方式来描述系统中各种变量之间的各种运算关系，完成所需的功能或操作。大多数plc制造商采用的结构化文本编程语言与basic语言、pascal语言或c语言等高级语言相类似，但为了应用方便，在语句的表达方法及语句的种类等方面都进行了简化。 结构化文本编程语言的特点：采用高级语言进行编程，可以完成较复杂的控制运算；需要有一定的计算机高级语言的知识和编程技巧，对工程设计人员要求较高。直观性和操作性较差。 不同型号的plc编程软件对以上五种编程语言的支持种类是不同的，早期的plc仅仅支持梯形图编程语言和指令表编程语言。目前的plc对梯形图（ld）、指令表（stl）、功能模块图（fbd）编程语言都以支持。比如，simaticstep7microwinv3.2。 在plc控制系统设计中，要求设计人员不但对plc的硬件性能了解外，也要了解plc对编程语言支持的种类。3.3 plc控制的程序设计一.plc程序的设计方法1.梯形图的经验设计法在plc发展的初期，沿用了设计继电器电路图的方法来设计比较简单的plc的梯形图，即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，不断地修改和完善梯形图。有时需要多次反复地调试和修改梯形图，增加一些中间编程元件和触点，最后才能得到一个较为满意的结果。梯形图的经验设计法师目前使用比较广泛的一种设计方法，该方法的核心时候输出线圈，这是因为plc的动作就是从线圈输出的（可以称为面向输出线圈的梯形图设计方法）。2.梯形图的“翻译”设计法plc的梯形图是在继电器控制系统的基础上发展起来的，如果用plc改造继电器控制系统，根据继电器电路图来设计梯形图是一条捷径。这是因为原有的继电器控制系统经过长期使用和考验，已经被证明能完成系统要求的控制系统，而继电器电路图又与梯形图有很多相似之处，因此可以将继电器电路图“翻译”成梯形图，即用plc的外部硬件接线和梯形图软件来实现继电器系统的功能，这种方法习惯上也称为翻译法。将继电器控制系统电路图转换为功能相同的plc的外部接线图和梯形图的步骤如下：（1）了解和熟悉被控设备的工艺过程和机械的动作情况，根据继电器电路图分析和掌握控制系统的工作原理，这样才能做到在设计和调试控制系统时心中有数。（2）确定plc的输入信号和输出负载，以及与它们对应的梯形图中的输入位和输出位的地址，画出plc的外部接线图。（3）确定与继电器电路图的中间继电器、时间继电器对应的梯形图中的存储器位（m）和定时器（t）的地址。这两步建立了继电器电路图中的元件和梯形图中的位地址之间的对应关系。（4）根据上述对应关系画出梯形图。3.梯形图的时序设计法对于输出的变化完全是按时间书序动作的系统，可以用多个计时器的“接力赛”来实现其功能，此法称之为时序设计法。它有规律可循，基本步骤为，1.了解控制要求。2.设置定时器。3.根据时序图设计输出继电器的表达式。4.设计梯形图。4.梯形图的状态编程法状态编程法也叫功能表图法，是程序编制的重要方法及工具。fx2n系列可编程控制器的步进顺控指令及大量的状态软元件就是为状态编程法安排的。状态转移图(sfc)是状态编程的重要工具，包含了状态编程的全部要素。进行状态编程时，一般先绘出状态转移图，再转换成状态梯形图（stl）或指令表。（1）顺序功能图的组成顺序功能图是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形, 也是设计plc 的顺序控制程序的有力工具。顺序功能图并不涉及所描述的控制功能的具体技术, 它是一种通用的技术语言, 可以供进一步设计和不同专业的人员之间进行技术交流之用步顺序控制设计法最基本的思想是将系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的阶段, 这些阶段称为步, 并用编程元件(例如辅助继电器m) 来代表各步。步是根据输出量的状态变化来划分的, 在任何一步之内, 各输出量的on/ off 状态不变, 但是相邻两步输出量总的状态是不同的步的这种划分方法使代表各步的编程元件的状态与各输出量的状态之间有着极为简单的“与”逻辑关系。与系统的初始状态相对应的步称为初始步, 初始状态一般是系统等待起动命令的相对静止的状态。初始步用双线方框表示, 每一个顺序功能图至少应该有一个初始步。用与相应的步的符号相连的矩形框表示动作或命令, 并用框中的文字或符号来说明它们。当系统正处于某一步所在的阶段时, 叫做该步处于活动状态, 称该步为“活动步”。步处于活动状态时, 相应的动作被执行; 处于不活动状态时,相应的非存储型动作被停止执行。有向连线在顺序功能图中, 随着时间的推移和转换条件的实现, 将会发生步的活动状态的进展, 这种进展按有向连线规定的路线和方向进行。在画顺序功能图时,将代表各步的方框按它们成为活动步的先后次序顺序排列, 并用有向连线将它们连接起来。步活动状态习惯的进展方向是从上到下或从左至右, 在这两个方向有向连线上的箭头可以省略。如果不是上述的方向,应在有向连线上用箭头注明进展方向。步间转换用有向连线上与有向连线垂直的短划线来表示。转换条件步的活动状态的进展是由转换的实现来完成的。使系统由当前步进入下一步的信号称为转换条件, 转换条件可能是外部输入信号, 也可能是plc内部定时器、计数器产生的, 转换条件还可以是若干个信号的与、或、非逻辑组合。转换条件一般用x来表示，普通的梯形图设计方法实际上是试图用输入信号x直接控制输出信号y, 驱动处理驱动处理指每一步对应的工作内容，也用方框表示，它直接与相应步的矩形框相连。有的步根据需要可以不驱动任何负载，称之为等待步。顺序控制设计法是用输入量x 控制代表各步的编程元件(如辅助继电器m) , 再用它们控制输出量y。步是根据输出量y的状态划分的, m 与y之间具有很简单的“与”逻辑关系, 输出电路的设计极为简单。任何复杂系统代表步的辅助继电器控制电路, 其设计方法都是相同的, 并且很容易掌握, 所以顺序控制设计法具有简单、规范、通用的优点。由于m 是依次顺序为on/ off 状态的, 实际上已经基本上解决了经验设计法中的记忆、联锁等问题。（2）状态转移图（sfc）的建立状态转移图是状态编程法的重要工具。状态编程法的一般设计思想是：将一个复杂的控制过程分解为若干个工作状态，弄清各工作状态的工作细节（状态功能、转移条件和转移方向），再依据总的控制要求，将这些工作状态联系起来，就构成了状态转移图，简称为sfc图。sfc图可以在北邮a7php/hgp等图示图像外围设备和与其对应编程软件的个人计算机上编程。根据sfc图进而可以编绘出状态梯形图。主要步骤：了解控制要求。建立sfc图。1）整个过程按工序要求分解2）对每个工序分配状态元件3）sfc转换成状态梯形图（stl）、指令表程序二.顺序功能图的绘制根据组合机床控制功能要求，可见该控制完全按步进进行，所以采用步进指令编程最适合。根据组合机床控制功能要求列出的i/o分配表3-2绘制顺序功能图，其中涉及并行分支与会和，具体见图4-1，如图所示。注意：状态s20之后，有一个选择序列的合并，还有一个并行序列的分支。在状态s31之前，有一个并行序列的合并，还有一个选择序列的分支。在并行序列中，两个子序列中的第一个状态s21和s26是同时变为活动状态的，两个子序列的最后一个状态s25和s30不是同时变为不活动状态的。当状态s20是活动状态，并且转移条件t0为on时，状态s21和s26同时变为活动状态，两个序列开始同时工作。在梯形图中，用s20的stl触点和t0的常开触点组成的串联电路来控制set指令对s21和s26同时置位，系统程序将前级状态s20变为不活动状态。图中并行序列合并处的转移有两个前级状态s25和s30，根