毕业设计（论文）-C5112B立式车床的PLC改造.doc

专科毕业设计（论文）设计题目： C5112B立式车床的PLC改造 系 部： 电气工程 专 业： 电气自动化（工业企业电气） 班 级： 工业企业电气091301 姓 名： 学 号： 093905130139 指导教师： 职 称： 助教 2012年6月 南京 摘 要立式机床是一种自动化程度要求较高的机械和电气设备，一般用于冶金工业，车辆系统的各类大型工件。它通常用于继电器逻辑控制系统，传统的继电器控制系统中使用的大量的中间继电器，时间继电器，电子控制系统故障率高，检修周期长。立式机床的使用时间久了，电气控制系统线路易老化，继电器故障频繁，维修困难。本文研究了PLC改造立式车床的应用。用PLC 改造传统继电器控制系统是很好的方法。它充分发挥了PLC高可靠性、高抗干扰能力、使用寿命长、检修量少、外部线路结构简单的特点。 本文详细描述了C5112B立式车床的PLC改造过程，并对PLC做了详细的介绍，结合三菱FX0N-80MR-D，把PLC在立式车床的工作过程，设计流程，控制功能做了具体分析。关键词 可编程逻辑控制器，C5112B立式车床，三菱FX2N - 80MR - 001 AbstractVertical machine is an automatic and require a higher degree of mechanical and electrical equipment, generally used in metallurgical industry, vehicle system for all kinds of large-scale workpiece. It is usually used to relay logic control system, the traditional relay control system used in a large number of intermediate relay, time relay, the control contact, electronic control system failure rate is high, long maintenance cycle. Vertical machine tool use date time, electrical control system circuit ageing, relay fault frequently, difficult maintenance. This paper studies the transformation of PLC vertical lathe application. Using PLC to transform the traditional relay control system is a very good method. It can give full play to PLC high reliability, high interference resistance, long service life, less repair, look up the external circuit of simple features.This paper describes the now vertical lathe basic composition, working principle, classification and characteristics of. And on the vertical lathe in PLC is introduced in detail, the PLC vertical lathe work process, it analyzes the design process. Then the vertical lathe C5112B as example, combining the Mitsubishi FX2N - 80MR - 001, describes the PLC design process.Keywords PLC C5112B Vertical Lathe Mitsubishi FX2N - 80MR - 001目 录1、引言12、PLC概述12.1 PLC定义12.2 PLC在车床中的的基本功能22.3 PLC的工作过程33、立式车床33.1 C5112B立式车床概述33.2 机床控制程序的设计流程43.3 PLC应用于立式车床的现实意义64、C5112B立式车床PLC控制系统的设计64.1硬件设计64.2 软件设计84.3程序调试13结论15致谢16参考文献17江苏海事职业技术学院2012届专科生毕业设计1、引言在20世纪中叶，电子技术的迅速发展，自动信息处理、数据处理以及电子计算机的发明，给自动化技术带来了新的发展，用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制，带动了机床自动化的进步。 早在40年代，美国北密支安一个小飞机工业承包商派尔逊斯采用数字技术进行机械加工，在制造飞机和旋转翼直升机，使用数字电子计算机对机翼加工路径进行数据处理，并考虑到刀具直径对加工路线的影响，使加工精度达到当时最高水平。随着电气技术的快速发展，PLC控制技术被广泛的应用于工业控制的各大领域，通过用户程序控制生产工艺过程，具有较高的稳定性、可靠性，交流伺服以独特的定位精度和调速方式，在机床的应用更具有代表性。目前PLC已经广泛应用于所有的工业部门，PLC因其具有可靠性高，抗干扰能力强；配套齐全，功能完善，适用性强；易学易用；系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造；体积小，重量轻，能耗低等显著特点，因此运用PLC控制数控机床（立式车床）已越来越成为一种趋势。2、PLC概述2.1 PLC定义PLC即可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，是一种基于微处理器的通用自动控制装置。它一般以顺序控制为主，闭环调节为辅，可以完成逻辑，顺序，定时，计数和算术运算等功能。近年来PLC 技术发展很快，每年都推出不少新产品。PLC的功能也在不断增长，主要表现在以下几方面：1）系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。 2）使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。 3）能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。在数控机床上采用 PLC 代替继电器控制，能使数控机床结构更紧凑，功能更丰富，响应速度和可靠性大大提高。在数控机床、加工中心等自动化程度高的加工设备和生产制造系统中，PLC 是不可缺席的控制装置。2.2 PLC在车床中的的基本功能PLC 是一种工作原理完全不同的顺序控制装置，基本功能如下。(1) PLC是由计算机简化而来的。为适应顺序控制的要求，PLC省去了计算机的一些数字运算功能，而强化了逻辑运算控制功能，是一种功能介于继电器控制和计算机控制之间的自动控制装置。PLC 系统的基本功能结构框图如图1所示。传感器和执行件的接口通信功能人机接口功能编程和调试功能应用程序执行操作系统功能应用程序储存数据储存外部供电电源功能外部设备操作者应用程序设计机床控制过程图1 PLC系统的基本功能结构框图(2) 用户的指令和专用于存储用户程序的存储器。适用于控制对象动作比较复杂，控制逻辑要变更较快的地方。(3)PLC程序大多使用图形符号和逻辑顺序关系的梯形图编辑器。梯形图，直观，易于理解和掌握的工作原理(4) PLC可以与专用设备连接，可以很方便地实的显示、编辑、诊断、存储和传送程序。(5) 可编程控制器没有继电器接触，接触焊，耐磨和线圈烧坏故障。在运行中无振动，无噪音，并且具有较强的抗干扰能力，可在环境条件下的稳定性差，工作可靠。(6)PLC具有结构紧凑，体积小，易于安装在机器工具或电器箱，便于实现数控机床机电一体化。PLC的开发利用，为数控机床提供了一个新的顺序控制装置，并很快在实际应用中显示了强大的生命力。现在已成为机床是一个基本的控制装置。PLC机床结构更加紧凑，功能多，工作可靠。对于车削加工中心，加工中心制造系统和其他机械运动是复杂的，自动化程度高的加工设备和制造系统，这是必要的控制装置。2.3 PLC的工作过程PLC在立式车床中的工作过程，和通常的PLC工作过程基本上是一致的，分为以下几个步骤：（1）输入采样：就是PLC以顺序扫描的方式读入所有输入端口的信号状态，并将此状态，读入到输入映象寄存器中。（2）程序执行：程序执行系统将处理特定的顺序扫描，并同时读取输入图像输出图像存储区中的相关数据，将计算结果存入输出图像存储区域供输出的下一步操作。（3）出刷新阶段：在指令执行完成后，输出图像的存储区域的所有继电器输出状态输出刷新阶段转移到输出锁存器中，通过特定的输出，驱动外部负载。3、立式车床3.1 C5112B立式车床概述C5112B 立式车床电气系统采用的是常规继电控制系统, 由于该车床使用频率高、线路复杂、耗电量大，元器件老化严重故障率高，运行质量低且对电网和机械的冲击很大，维修麻烦。已无法满足现代生产的需求，因此对电气控制系统进行全面的技术改造，因此选用了可编程控制(PLC) 技术来进行电气系统的技术改造。 C5112B立式车床有7台主拖动电机,它们分别是: a）液压泵电机。该电机控制工作台变速与启动、横梁升降机构放松等,也同时给润滑系统提供润滑油;b）工作台(主轴) 电机。采用星型三角形降压方式启动及能耗制动;c）垂直刀架快移电机;d）垂直刀架进给电机。刀架进给时运动采用双速电机;e）侧刀架快移电机;f）侧刀架进给电机。刀架进给时运动采用双速电机;g）横梁升降电机。 相对应的控制部分有:a）电路工作准备状态;b）工作台的启停、制动和点动,以及变速控制;c）横梁上下运动控制;d）刀架上下、左右运动(垂直刀架、侧刀架)控制 ;e）照明和工作指示等辅助部分。 C5112B立式车床的动作流程如图2所示:图2 立式车床动作流程图3.2 机床控制程序的设计流程机床控制程序的设计流程如图3.2所示（1）首先要确定所控制的机床与PLC的之间的输入、输出信号，确定哪些机床信号需输入给PLC，哪些信号需从PLC输出给数控机床，从而计算出对于PLC的输入、输出线的数目。特别要注意：从机床直接送至NC的信号线也应包括到从机床到PLC的输入线的数目中。图3 机床控制程序的流程图（2）根据所控制的机床，估算出所需求的PLC的存贮器的容量大小。存储器容量大小视机床的复杂程度而确定。（3）根据所确定的输入、输出线的数目和所估算的PLC存贮器量，还有所选用的数控系统，选用适合的PLC。不同的数控系统与之配用的PLC也有不同。（4）制作PLC的地址表。根据PLC所给定的地址范围，对每个和PLC控制有关的信号赋予专用的信号名和地址。输入给PLC的信号均称之为PLC的输入，从PLC输出的信号均称之为PLC的输出。根据这个原则可以制作PLC的输入和输出地址表。（5）制作梯形图。根据PLC所指定的表达方式和对机床的控制要求，制作顺序控制图（梯形图）。（6）编写顺序程序。即用PLC的指令来表达梯形图的内容，便于把梯形图上的顺序程序写入到存贮器中。（7）写入顺序程序。（8）在确定顺序程序写入无误后，把顺序程序写入到EPROM中。（9）然后把写有顺序程序的EPROM插到PLC板的指定位置上。（10）调试顺序程序。这里可以用模拟装置代替机床，根据机床的状态，用开关状态的闭合与断开来模拟机床的输入信号，用灯的亮或灭来检查PLC的输出信号。（11）经调试后，认为程序无误，则机床的控制程序的设计就完成了，若程序有误，则应该修改程序后，再从上面第7步开始重复调试，直到认为程序无误为止。3.3 PLC改造立式车床的现实意义现在PLC已经广泛应用于几乎所有的工业部门，因其性能价格比的不断提高，PLC的应用范围不断扩大，发展也十分迅速，在工业自动控制系统中占有极其重要的地位。它的主要优点有如下几点：（1）可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC采用大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺，内部电路采用先进的抗干扰技术，具有高可靠性。（2）适用性强，功能完善，应用广泛PLC发展到今天，已经形成了各种规模的系列产品。可用于各种大型工业控制场合。除了逻辑处理功能，PLC具有完整的数据处理能力，可用于各种数字控制领域。（3）简单易学，方便使用PLC接口容易，便于工程技术人员接受。梯形图语言符号与表达方式和继电器电路图想接近，对于那些谁不擅长电子电路，不懂计算机原理与汇编语言的人在工业控制上开辟了便捷的方法。（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用储存逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备的外部连线，使控制系统设计和建造周期缩短，同时维护容易得多。（5）体积小，重量轻，能耗低以超小型可编程控制器为例，底径小于100 mm，重量小于150克，耗电量只有几瓦。由于规模较小，容易加载到内部机械，是机电一体化的理想设备。4、C5112B立式车床PLC控制系统的设计4.1硬件设计PLC是20世纪70年代以来以微处理器为核心，被广泛应用于各个领域，因为它具有几个突出的特点：可靠性高，抗干扰强；编程简单，易于掌握；功能完善，灵活方便；体积小，质量轻，功耗低。 根据立式车床运行控制技术要求,该机床系统的I/O点数有67个，其中输入信号占34 个, 输出信号占33 个。因此该设备可选用三菱FX2N-80MR- 001可编程控制器。该PLC有40个输入点和40个输出点，满足控制要求。其I/ O 分配如表1所示，PLC 外围接线图如图4.1 所示。 表1 输入、输出信号及地址编号表输入信号输出信号名称功能编号名称功能编号SB1总停止与油泵停止按钮X0KM1油泵启动接触器Y0SB2油泵启动按钮X1KM2主轴工作接触器Y1SB3主轴停止按钮X2KM3主轴运行接触器Y2SB4主轴启动按钮X3KM4主轴Y 运行接触器Y3SB5主轴点动按钮X4KM5主轴制动接触器Y4SB6主轴变速按钮X5KM6垂直刀架快移接触器Y5SB7垂直刀架快移按钮X6KM7垂直刀架进给一速接触器Y6SB8垂直刀架进给停止按钮X7KM8垂直刀架进给二速接触器Y7SB9垂直刀架进给启动按钮X10KM9垂直刀架进给二速接触器Y10SB10侧刀架快移按钮X11KM10垂直刀架向上运动接触器Y11SB11侧刀架进给停止按钮X12KM11垂直刀架向下运动接触器Y12SB12侧刀架进给启动按钮X13KM12侧刀架快移接触器Y13SB13横梁上升按钮X14KM13侧刀架进给一速接触器Y14SB14横梁下降按钮X15KM14侧刀架进给二速接触器Y15SQ1主轴变速行程开关X16KM15侧刀架进给二速接触器Y16SQ2垂直刀架左限位行程开关X17KM16侧刀架向上运动接触器Y17SQ3侧刀架上限位行程开关X20KM17侧刀架向下运动接触器Y20SQ4横梁放松行程开关X21KM18横梁向上运动接触器Y21SQ5横梁上限位行程开关X22KM19横梁向下运动接触器Y22SQ6横梁下限位行程开关X23KA1垂直刀架进给离合器Y23SA1-1垂直刀架一速转换开关X24KA2垂直刀架垂直运动离合器Y24SA1-2垂直刀架二速转换开关X25KA3垂直刀架水平制动离合器Y25SA2-1垂直刀架向上运动十字开关X26KA4垂直刀架垂直制动离合器Y26SA2-2垂直刀架向下运动十字开关X27KA5垂直刀架水平运动离合器Y27SA2-3垂直刀架向左运动十字开关X30KA6侧刀架进给离合器Y30SA2-4垂直刀架向右运动十字开关X31KA7侧刀架垂直运动离合器Y31SA3-1侧刀架一速转换开关X32KA8侧刀架水平制动离合器Y32SA3-2侧刀架二速转换开关X33KA9侧刀架垂直制动离合器Y33SA4-1侧刀架向上运动十字开关X34KA10侧刀架水平运动离合器Y34SA4-2侧刀架向下运动十字开关X35KA11主轴变速锁杆电磁阀Y35SA4-3侧刀架向左运动十字开关X36KA12横梁放松电磁阀Y36SA4-4侧刀架向右运动十字开关X37HL1油泵指示Y40SA5垂直刀架制动转换开关X40HL2变速指示Y41SA6侧刀架制动转换开关X414.2 软件设计（1）电路工作准备状态合上电源，接通变压器，电源指示信号灯亮，说明电源已接入。按下按钮SB2，X001 接通，Y000 线圈得电并自我保护，使KM1吸合，油泵电动机启动，同时Y000常开点闭合，接通整个控制回路，并且接通Y040 线圈，油泵信号指示灯HL1亮。前提须保证机床在有润滑的前提下工作。按下按钮SB1，X000接通，Y000 线圈失电，油泵停止，同时切断控制回路。故SB1又兼起机床总停作用。根据如上所述画出油泵启停和PLC外部接线图。图4 油泵启停和PLC外部接线图（2）主轴起动与停止要启动时，按下按钮SB4，X003 接通M1 线圈，M1得电自锁，同时时间继电器T1 开始计时， M1 常开点闭合使Y001、Y003动作，接触器KM2、KM4吸合。主轴电机在星形接线状态下启动。一定延时时间（5-7s）后，T1 常闭触点断开Y003， KM4 断电，主轴电机断电；T1 常开触点闭合接通Y002线圈， KM3 吸合，使主轴电机进入三角形接线状态下运转。制动时，按SB3，使X002 常开触点闭合，接通线圈T2，T2 开始计时，经过12s，T2 常开触点闭合，Y004 线圈得电，KM5 吸合，KM5常开触点闭合，对主轴电机绕组进行能耗制动；松开按钮SB3 制动解除。调整T2 的延时时间长短就可调整制动的快慢。停车时，按下SB3，X002 常闭触点断开，使M1、T1以及Y001、Y002 断开， KM2、KM3断电，主轴电机断电，处于停车状态。如图5所示主轴启停的主电路和PLC接线图。图5 主轴启停的主电路和PLC接线图（3）主轴电机点动按下SB5，X4 接通Y001、Y003线圈， KM2、KM4 吸合，使主轴电机在星形状态下运动。松手即停止。（4）主轴电机变速变速时，须先将变速装置旋转到所需要的转速位置上。然后按下变速按钮SB6，使X005 接通。于是T4线圈接通，开始1.5s 延时，以给变速机构一个缓冲过程；计数器C1 的复位条件、充足（图M7为常闭触点），迅速复位。当T4的定时1.5s 到了后，T4 的常开触点关闭，M7得电， M7常闭触点就会断开， C1的复位端断开，C1 开始计数，计数T3 触点接通的次数（就是变速次数）；M7 常开触点就会闭合，接通Y35，锁杆电磁阀被吸合，SQ1被压下，X016接通，变速伺服开始。Y035常开触点闭合，Y041动作，指示灯HL2 亮。X016、M7 的接通，Y001、Y003 线圈先后接通， KM2、KM4吸合，主轴电机在星形接线下伺服运转。常开触点X016、Y001 闭合，T3 动作并开始计时，1s 后T3 常开触点闭合，C1计数一次。在第一次伺服变速实现后，操作者松开SB6再按下，开始第二次的伺服变速。当T3 常开触点再闭合一次，C1 又计数一次，由于C1设定值为2，所以此时C1 动作，常闭触点断开，信号指示灯HL2会熄灭，变速完成。控制过程中之所以采用两次变速伺服，因为立式车床变速伺服时，有时一次不一定会成功，因此做此改进。（5）横梁运动按下SB13 或SB14，X014 或X015动作，M6常开触点闭合，接通Y036，横梁放松电磁阀会吸合，压合横梁放松开关SQ4， X021 动作，根据程序线圈Y021或Y022接通，输出使KM18或KM19吸合，横梁电机得电转动，带动横梁进行上升或下降运动。松手即会停止。X022、X023对应横梁上、下限位SQ5、SQ6。X020对应侧刀架向上限位开关SQ3。画出如下图6所示的横梁电机和PLC外部接线图。图6 横梁电机和PLC外部接线图（6）刀架运动因为各个刀架运作程序相似，下面用垂直刀架向左快速、向右进给为例说明:垂直刀架向左快速：十字开关SA2向左。X030动作，M2得电，M2常开触点闭合，接通Y011、Y027，使KM10和水平运动电磁离合器吸合。按下按钮SB7，X006动作，接通Y005 线圈，KM6吸合。垂直刀架快速电机拖动立刀架快速的向左运动，松开即会停止。垂直刀架向右进给：进给在主轴工作时进行的，必须在KM1常开触点闭合情况下，才能接通进给回路。进给时根据需要将选速开关SA1 旋至一速（I）或二速（II）位置上。以SA1 处于“I”位为例。SA2 旋至右边，X31动作，M3得电，M3常开触点闭合，接通Y012 和Y027， KM11 和水平运动电磁离合器吸合。按下SB9，X010 动作，Y006 线圈接通并自保， KM7吸合，垂直刀架进给电动机启动。Y006常开触点接通Y023 线圈，进给电磁离合器被吸合。垂直刀架进给运动在一速或二速下进行。按下SB8，进给停止动作。SA5、SA6为离合器制动开关，工作时应该合上，在手动进给的时侯断开。C5112B 立式车床PLC控制的梯形图程序,如图7所示。油泵启停控制三角形运转主轴点动主轴正转变速伺服主轴控制部分横梁上升横梁下降放松电磁阀横梁控制部分变速计数延时制动星形启动变速伺服星形点动垂直刀架向左快速进给二速进给一速快移垂直刀架控制部分变速指示变速电磁阀锁杆侧刀架控制部分垂直刀架垂直制动垂直刀架水平运动垂直刀架水平制动垂直刀架垂直运动垂直刀架进给侧刀架垂直制动侧刀架水平运动侧刀架水平制动侧刀架垂直运动侧刀架进给侧刀架向下侧刀架向上图7 PLC梯形图程序4.3程序调试打开FXGPWIN软件，点击文件子菜单新文件或点击常用工具栏 弹出PLC类型设置对话框，供选择机型。本实验使用的为FX2N机型，点击 确认，就可马上进入编辑程序状态。注意这时编程软件会自动生成一个SWOPC-FXGP/WIN-C-UNTIT*文件名，在这个文件名下可编辑程序。将图7所示的梯形图程序编辑完成后，然后成指令表程序。再把程序PLC，在写入PLC时PLC应处于停止状态，当程序写入PLC后就可以在PLC中运行了。先将PLC处于“RUN”状态，再通过系统的输入开关给PLC输入给定信号，观察输出状态，可以验证程序的正确性。如果有问题，可以通过FXGPWIN提供的调试工具来确定问题的所在。结 论传统的继电器控制机床中使用了大量的中间继电器，时间继电器，控制继电器，电子控制系统故障率高，检修周期长。立式机床的使用日期时间，电气控制系统，线路老化，继电器故障频繁，维修困难。本文研究了PLC改造立式车床的应用。因为以上缺点，所以本文用PL