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基于PLC的立式车床控制系统设计 基于 PLC 的立式车床控制系统设计 摘 要 在国民经济的各条战线上广泛使用着大量的车床、机器、仪器及工具等，这些 工艺装备都是由机械制造工业提供的。 2003 年 4 月 19 日从第七届中国国际机床展获悉，随着科学技术不断发展， 机床的发展也越来越快，机床也正朝着高性能、高精度、高速度、高柔性化和模 块化方向发展。 高性能：随着数控系统集成度的增强，机床也实现多台集中控制，甚至远距离 遥控。高精度：机床本身的精度和加工件的精度越来越高，而精度的保持性要好。 高速度：机床各轴运行的速度将大大加快。高柔性：机床的柔性化将向自动化程 度更高的方向发展，将管理、物流及各相应辅机集成柔性制造系统。模块化：机 床要缩短周期和降低成本，就必然向模块化方向发展，这既有利于制造商又有利 于客户。 我国近几年机床虽然发展较快，但与国际先进水平还存在一定的差距，主要表 现在：可靠性差，外观质量差，产品开发周期长，应变能力差。为了缩小与世界 先进水平的差距，有关专家建议机床企业应在以下六个方面着力研究：1、加大 力度实施质量工程，提高机床的无故障率。 2 、跟踪国际水平，使机床向高效 高精方面发展。 3 、加大成套设计开发能力上求突破。 4 、发挥服务优势，扩 大市场占有率。 5 、多品种制造，满足不同层次的用户。 6 、模块化设计，缩 短开发周期，快速响应市场。 机床使用范围越来越大，国内国际市场容量也越来越大，但竞争也会加剧，我 们只有紧跟先进技术进步的大方向，并不断创新，才能赶超世界先进水平。 本文中所作的工作如下： （1） 介绍了车床、立式车床、可编程控制器的基本概念 （2） 阐述了的系统结构以及其工作原理 （3） 设计了整个控制系统 关 键 字： 立式车床 P L C 2 基于 PLC 的立式车床控制系统设计 Abstract On each front in national economy extensive use a flood of lather, machine, instrument and tool etc.s, these craftses material is all what from machine manufacture industry offering. Knowing from the Chinese international machine bed exhibition on April 19 in 2003, develop continuously along with the science technique, the development of the machine bed is too more and more quick, too positive dynasty in machine bed high performance, high accuracy, super-speed degree, high and gentle turn to turn the direction development with the mold piece. High performance:Control along with the number the system gather the to build up of the degree, the machine bed also realizes many the pedestal concentrates control, even long-distance leave the remote control. High accuracy:Machine bed oneself of accuracy with process a piece the accuracy is more and more high, but the keeping of the accuracy is good friends with. Super-speed degree:The speed that machine each stalk of bed circulate will beconsumedly and quickly. High and gentle:Machine bed of gentle turn to will face to automate the higher direction in degree develop, will manage, logistics and each cowgirl assist the machine gathers gentle manufacturing system. The mold piece turns:The machine bed wants to shorten the period with decline low cost, inevitable turn to mold piece the direction development, this since benefit to the manufactory benefit to the customer again. Our country in the last few years machine bed although development quickly, but return with international advanced level the certain margin in esse, express pr- -imarily at:The dependable is not very good , the external appearance quantity is not very good, product development period long, adapt to changes ability is not very good.For contracting to have something to do with advanced horizontal margin in world, the expert suggests machine bed business enterprise should at below 6 put forth effort the research: 1. The enlargement dint degree puts into practice quantity engineering, increase the machine bed have no the breakdown rate. 2. follow the international level, make the machine bed face the efficiently high 精 aspect development. 3 . enlargement a design development ability ascend beg the breakthrough. 4 . develop the service advantage, extend the market share. 5 .many specieses makes, satisfying the customer of the different level of structure. 6 .the mold piece turns the design, shortenning the week! The machine bed uses the scope more and more big, the local and international market capacity is too more and more big, but the competition also will turn worse, we only follow close behind the main 3 基于 PLC 的立式车床控制系统设计 direction that advanced technique progresses, and continuously creative, then can rush through the advanced level in super world. The work made in this text is as follows: 1 Introduced the basic concept of the lather, three-dimensional lather, programmable controller 2 System construction and its work principles that expatiated 3 Designed whole control system Key Words: three-dimensional lather P L C 4 基于 PLC 的立式车床控制系统设计 目 录 引言7 第一章：车床8 第一节：车床的用途8 第二节：车床的运动8 第三节：车床的分类8 第二章：立式车床 11 第三章：可编程控制器 15 第一节：可编程控制器概述 16 第二节：典型的PLC产品 16 第三节：PLC 在我国的发展 19 第四节：PLC 发展的重点 19 第四章：PLC 控制方案设计 21 第一节：方案选择 21 第二节：PLC选型 21 第三节：软件设计 22 5 基于 PLC 的立式车床控制系统设计 结束语 33 致谢 34 参考文献 35 6 基于 PLC 的立式车床控制系统设计 引 言 机床在我国生产机械中占有举足轻重的地位，没有机床，许多生产无法进行。 一个性能优越的机床可以提高生产效率，增加产量，为国家节约人力，从而提高 国民经济。 立式车床的主轴垂直安装，与主轴相联的用于安装工件的圆形部件称作工作 台，工作台面处于水平平面内，使得工件的装夹和找正比较方便；而且工件和工 作台得重量可均匀地作用在工作台导轨和推力轴承上，没有颠覆力矩，能长期地 保持机床工作精度。因此，立式车床适用于加工重量较大得大工件。同时立式车 床通常采用继电器逻辑控制方式,设备的电控系统故障率高,检修周期长。随着技 术的进步,这类控制系统已显示出越来越多的弊端。 PLC 作为自动化工业控制器，其紧凑的设计、强大的指令、低廉的价格以及 良好的扩展性，使它几乎可以近于完美地满足小规模工业系统设计的要求。目前， PLC 已有了很大的发展，其输入输出点数可达 1024 点，通过扩展可写入程序语 句256K步；而且，PLC货源充足，象日本的MITSUBISHI，OMRON，德国的SIMENS 等，均生产高性能的PLC。 近年来 PLC 机在工业自动控制领域中应用愈来愈广,它在控制性能、组机周 期和硬件成本等方面所表现出来的综合优势,是其它工控产品难以比拟的。如果 用PLC控制技术对这些系统实施改造,则具有普遍的技术及经济意义。 7 基于 PLC 的立式车床控制系统设计 第一章 车 床 1.1 车床的用途 车床是用车刀进行切削加工的机床，主要用于加工零件的各种回转表面，如内 外圆柱表面、内外圆锥表面、成形回转表面以及回转体的端面等，有些车床还能 车削螺纹面。由于大多数机械零件都具有回转表面，并且大多需要用车床来加工， 因此，车床是机械制造业中使用最广泛的一类机床。 在车床上，除使用车刀进行加工外，还可以使用各种孔加工刀具（如钻头、铰 刀等）进行孔加工或者用镗刀加工较大的内孔表面。 1.2 车床的运动 车床依靠车刀和工件之间的相对运动，来形成被加工零件的表面。 （一）表面成形运动 1. 工件的旋转运动 这是车床的主运动，使工件得到所需要得切削速度，主运动的速度较高，消 耗功率最大。 2. 刀具得直线移动 这是车床得进给运动。车外园时，车刀沿平行于工件轴线的方向移动称纵向 进给运动；车端面时，车刀沿垂直于工件轴线方向的移动称横向进给运动。 车削螺纹时，工件的旋转运动和刀具的直线移动形成复合的成形运动螺 旋运动。 （二）辅助运动 车床还有切入（吃刀，进刀）运动，使刀具相对工件切入一定深度，达到工 件所需的尺寸。此外，有的还有刀架纵、横向的快移运动。 1.3 车床的分类 为了适应不同的加工要求，车床分很多种类，按其结构和用途的不同，主要 可分为以下几类。 1）卧式车床及落地车床； 2 ）立式车床； 3 ）转塔车床； 4 ）仪表车床； 5 ）单轴自动和半自动车床； 6）多轴自动和半自动车床； 8 基于 PLC 的立式车床控制系统设计 7）防形车床及多刀车床； 8 ）专门化车床，如凸轮轴车床、曲轴车床、活塞车床及铲齿车床等。 图CD 系列 A 型普通车床 图CD 系列 B 型普通车床 图CDL 系列普通车床 9 基于 PLC 的立式车床控制系统设计 在大批大量生产中，还使用各种专门车床。此外，各类数控车床及车削中心也 在越来越多的投入使用。 10 基于 PLC 的立式车床控制系统设计 第二章 立式 车床 在车床上经常需要加工大而重的工件，这种工件在卧式车床上加工很不方便， 因此，可用立式车床来进行加工。 立式车床的主轴垂直安装。与主轴相联的用于安装工件的圆形部件称作工作 台，工作台面处于水平平面内，使得工件的装夹和找正比较方便；而且工件和工 作台得重量可均匀地作用在工作台导轨和推力轴承上，没有颠覆力矩，能长期地 保持机床工作精度。因此，立式车床适用于加工重量较大得大工件。 立式车床分单柱式和双柱式两类。单柱式立式车床只有一个立柱，工作台较 双力柱式得要小一些，一般只用于加工直径不太大得工件。 立式车床得工作台装在底座上，工件安装在工作台上并由工作台带动旋转作 主运动。进给运动由垂直刀架和侧刀来实现。侧刀架可在立柱的导轨上移动作垂 直进给，还可沿刀架滑座的导轨作横向的进给。垂直刀架可在横梁的导轨上移到 作横向进给，同样，其滑板也可以沿刀架滑座的导轨作垂直进给运动。 由于大直径工件上很少由螺纹，因此，立式车床没有车削螺纹传动链，一般 不能加工螺纹。 图 数控立式车床 TAC16 11 基于 PLC 的立式车床控制系统设计 主要技术参数： 项目 单位 规格 型号 - TAC-16 工作台直径 mm 1600 主轴回转直径 mm 2000 最大切削直径 mm 2000 最大车削高度 mm 1600 最大工件重量 kg 8000 最大扭矩 N.m 18600 垂直移动量 mm 900 水平移动量 mm 200 滑枕截面尺寸 mm 200200 刀杆截面尺寸 mm 4040 刀库容量 把 12 每把刀夹最大重量 kg 45 切削进给速率 mm/s 0.01-50 快速进给速率 mm/min 10 工作台转速 r/min 1-256 工作台变速档数 档 2档AC主电机调节 横梁垂直移动量 mm 2503 四档 主电机功率 kW AC45/55 水平进给电机 - 30/1200 FANUC 垂直进给电机 - 30B/1200 FANUC 液压装置电机功率 kW 5.5 润滑装置电机功率 kW 0.75 动力电源 - 380V/50Hz 控制系统型号 - FANUC 0TC 机床重量 kg 26000 机床轮廓尺寸 长宽高 mm 700050005500 表 12 基于 PLC 的立式车床控制系统设计 图立式车床 图 立式车床 1516 13 基于 PLC 的立式车床控制系统设计 立车 1516 主要技术参数： 落地刀架：1个 上部回旋刀架最大位移：水平位移：950mm；垂直位移：700mm 落地刀架最大位移：水平位移：630mm；垂直位移：1000mm 卡盘直径：1400mm 横臂最大位移：660mm 加工直径：1600mm 加工高度：1000 加工重量：6.3吨 机床体积：3170mmX3030mmX4100mm 机床重量：20000KG 14 基于 PLC 的立式车床控制系统设计 第三章. 可编程控制器 随着科学技术的发展，电气控制技术在各领域中得到越来越广泛的应用。可 编程控制器（Programmable Logic Controller ）的应用使电气控制技术发生了根本 的变化。PLC 是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体技术、自动控制 技术、数字技术、和网路通讯技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。PLC 以其可靠性高、灵活性强、使用方便的优越性，迅速占领了工业控制领域。从单 机自动化到生产线自动化及至工厂自动化，从工业机器人、数控设备到柔性制造 系统（FMS ），从集中控制系统到大型集散控制系统，PLC 均充当着重要角色， 并展现出了强劲的态势。PLC 作为先进的、应用势头最强的工业控制器风靡全球。 PLC 技术、CAD/CAM 技术和工业机器人成为现代工业控制的三大支柱。 3.1 可编程控制器概述 PLC 的由来 在 PLC 问世之前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。继电器控制系 统有着十分明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适 应性差，尤其当生产工艺发生变化时，就必须重新设计、重新安装，造成时间和 资金的严重浪费。为了改变这一现状。1968 年美国最大的汽车制造商通用汽车 公司（GM ），为了适应汽车型号不断更新的要求，以在激励竞争的汽车工业中占 到优势，提出要研究一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置，为此，特 拟定了十项公开招标的技术要求，即： 1）编程简单方便，可在现场修改程序; 2 ）硬件维护方便，最好是插件式结构; 3 可靠性要高于继电器控制装置； 4 ）体积小于继电器控制装置； 5 ）可将数据直接送入管理机算机； 6 ）成本上可与继电器柜竞争； 7 ）输入可以是交流 115V； 8 ）输出为交流 115V，2A 以上，能直接驱动电磁垡； 9 ）扩展时，原有系统只需做很小的改动； 10）用户程序储存器容量至少可以扩展到4KB 。 1、在制造工业（以改变几何形状和机械性能为特征）和过程工业（以物理 变化和化学变化将原料转化成产品为特征）中，大量的开关量顺序控制，它按照 逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散 量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968 年美国 GM （通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数 字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，使得电气控制功能实现的 程序化，这就是第一代可编程序控制器，英文名字叫 Programmable Controller （PC ）。 2 、随着电子技术和计算机技术的发生，PC 的功能越来越强大，其概念和内 涵也不断扩展。 3、上世纪 80 年代，个人计算机发展起来，也简称为 PC ，为了方便，也为 15 基于 PLC 的立式车床控制系统设计 了反映或可编程控制器的功能特点，美国 A-B 公司将可编程序控制器定名为可 编程序逻辑控制器 Programmable Logic Controller （PLC ），并将“PLC”作为其产 品的注册商标。现在，仍常常将PLC 简称 PC 。 4 、上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直 保持为 3040% 。在这时期，PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口 能力和网络能力得到大幅度提高，PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取 代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS 系统. 5、近年，工业计算机技术（IPC ）和现场总线技术（FCS ）发展迅速，挤占 了一部分 PLC 市场，PLC 增长速度出现渐缓的趋势，但其在工业自动化控制特 别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。 6、目前，世界上有 200 多厂家生产 300 多品种 PLC 产品，主要应用在汽车 （23% ）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/ 造纸（11.3%）等行业。 3.2、典型的 PLC 产品 、国外 施耐德公司， Quantum 、Premium 、Momentum 等； 罗克韦尔（A-B 公司），SLC、MicroLogix 、Control Logix 等； 西门子公司， SIMATIC S7-400/300/200 系列； GE 公司 日本欧姆龙、三菱、富士、松下等。 16 基于 PLC 的立式车床控制系统设计 三菱 PLC FX2N 17 基于 PLC 的立式车床控制系统设计 、国内 PLC 生产厂约 30 家，但没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，还有一 部分是以仿制、来件组装或“贴牌”方式生产. 18 基于 PLC 的立式车床控制系统设计 3.3、PLC 在我国的应用 虽然我国在 PLC 生产方面非常弱，但在 PLC 应用方面，我国是很活跃的， 近年来每年约新投入 10 万台套 PLC 产品，年销售额 30 亿人民币，应用的行业 也很广。 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：32 I/O 小型： 256 I/O 中型：1024 I/O 大型：4096 I/O 巨型：8192 I/O 在我国应用的 PLC 系统中，I/O 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% 。 在我国应用的 PLC ，几乎涵盖了世界所有的品牌，呈现八国联军的态势，但 从行业上分，有各自的势力范围。大中型集控系统采用欧美 PLC 居多，小型控 制系统、机床、设备单体自动化及 OEM 产品采用日本的 PLC 居多。欧美 PLC 在网络和软件方面具有优势，而日本 PLC 在灵活性和价位方面占优势。 我国的 PLC 供应渠道，主要有制造商、分销商 （代理商）、系统集成商、OEM 用户、最终用户。其中，大部分 PLC 是通过分销商和系统集成商达到最终用户 的。 3.4、PLC 发展的重点 1、人机界面更加友好 PLC 制造商纷纷通过收购或联合软件企业、或发展软件产业，大大提高了其 软件水平，多数 PLC 品牌拥有与之相应的开发平台和组态软件，软件和硬件的 结合，提高了系统的性能，同时，为用户的开发和维护降低了成本，使更易形成 人机友好的控制系统，目前，PLC 网络IPC CRT 的模式被广泛应用。 2 、网络通讯能力大大加强 PLC 厂家在原来 CPU 模板上提供物理层 RS232/422/485 接口的基础上，逐 渐增加了各种通讯接口，而且提供完整的通讯网络。由于近来数据通讯技术发展 很快，用户对开放性要求很强烈，现场总线技术及以太网技术也同步发展。如罗 克韦尔 A B 公司主推的三层网络结构体系，即EtherNet 、ControlNet、DeviceNet ， 西门子公司在 Profibus-DP 及 Profibus-FMS 网络等。 3、开放性和互操作性大大发展 19 基于 PLC 的立式车床控制系统设计 PLC 在发展过程中，各 PLC 制造商为了垄断和扩大各自市场，处于群雄割 据的局面，各自发展自己的标准，兼容性很差，这给用户使用带来不便，并增加 了维护成本。开放是发展的趋势，这已被各厂商所认识，形成了长时期妥协与竞 争的过程，并且这一过程还在继续。开放的进程，可以从以下方面反映： 1）IEC 形成了现场总线标准，这一标准包含 8 种标准，虽然有人说，多种 标准就是没有标准，但必竟是一个经过困难的争论与妥协的成果。标准推出后， 各厂商纷纷将自己的产品适应这些标准，或者开发与之相应的新产品。 2 ）IEC 制订了基于 Windows 的编程语言标准IEC61131-3 ，它规定了指令表 （IL ）、梯形图（LD ）、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD ）、结构化文本（ST） 五种编程语言。这是以数字技术为基础的可编程序逻辑控制装置在高层次上走向 开放性的标准化文件。虽然 PLC 开发上各工具仍不兼容，但基于这些标准的开 发系统，使用户在应用过程中，可以较方便地使用不同品牌的产品。 3 ）OPC 基金会推出了 OPC （OLE for Process Control ）标准，这进一步增强 了软硬件的互操作性，通过 OPC 一致性测试的产品，可以实现方便的和无缝隙 数据交换。目前，多数 PLC 软件产品和相当一部分仪表、执行机构及其它设备 具有了 OPC 功能。OPC 与现场总线技术的结合，是未来控制系统向 FCS 技术发 展的趋势。 4 、PLC 的功能进一步增强，应用范围越来越广泛。PLC 的网络能力、模拟 量处理能力、运算速度、内存、复杂运算能力均大大增强，不再局限于逻辑控制 的应用，而越来越应用于过程控制方面，有人统计，除石化过程等个别领域，PLC 均有成功能应用，PLC 在相当多的应用取代了昂贵的 DCS ，从而使原来PLC （顺 序控制）DCS （过程控制）的模式变成 PLC IPC 模式。 5、工业以太网的发展对PLC 有重要影响。以太网应用非常广泛，与工业网 络相比，其成本非常低，为此，人们致力于将以太网引进控制领域。目前的挑战 在于：1）硬件上如何适应工业恶劣环境；2 ）通讯机制如何提高其可靠性。以太 网能否顺利进入工控领域，还存在争论。但以太网在工控系统的应用却日益增多， 适应这一过程，各 PLC 厂商纷纷推出适应以太网的产品或中间产品。 20 基于 PLC 的立式车床控制系统设计 第四章 PLC 控制方案设计 4.1 方案选择 本设计是以立式车床1516为研究设计对象，1516立式机床是一种自动化程度 要求较高的机电设备,一般应用于冶金行业,车制各种大型工件;它通常采用继电 器逻辑控制方式,设备的电控系统故障率高,检修周期长。随着技术的进步,这类 控制系统已显示出越来越多的弊端。近年来PLC机在工业自动控制领域中应用愈 来愈广,它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出来的综合优势,是其 它工控产品难以比拟的。如果用 PLC 控制技术对这些系统实施改造,则具有普遍 的技术及经济意义。 原设备为手动操作,在设计方案上维持改造前设备人机界面 即操作台工作 方式 的原始性,这样可以有效减少设备使用人员的误操作,不致于使设备的事故 率在技术改造后有所增加。 系统的工作台变速单一依靠液压电磁阀来实现,并由机械传动部件不断地改变 传输比,达到改变工作台转速目的。其变速操作相当繁琐, 必须先让主机停车, 选好速度后,微动使齿轮重新咬合再挂挡,最后重新启动。根据现场负载计算与理 论分析,保留主拖动方式,用一台 FRN15