机加工自动线PLC控制系统设计毕业论文.doc

机加工自动线PLC控制系统设计毕业论文目 录第一章 前言11.1 本论文的背景和意义11.2 本论文的主要方法和基本原则11.3 本论文的主要内容21.4 PLC的特点21.4.1 PLC的概念21.4.2 PLC基本结构31.5 方案的选择41.5.1 方案选择41.5.2 PLC的选择5第二章 设计内容分析72.1 机加工自动线的用途以及控制要求要求72.2 机加工自动线的基本组成和工作原理72.2.1控制系统的分析72.2.2 车床CA614072.2.3 刨床B69082.2.4 钻床Z304092.3 多工位自动线控制系统的设计要求112.3.1 工作方式的设计要求112.3.2 全线控制的设计要求112.3.3 各单机控制的设计要求122.3.4信号显示及故障报警的设计要求122.3.5 保护电路的设计要求122.3.6 自动线局部照明的设计要求122.4 各电机控制方案的确定12第三章 PLC硬件的设计133.1 电动机电器控制线路设计133.1.1 PLC控制系统的组成133.1.2 可编程序控制器的选择(PLC )133.1.3 可编程序控制器物理结构的选择133.1.4 可编程序控制器指令功能的选择133.1.5 开关量输入输出点的统计133.2 专用功能模块选择143.2.1液压部分的基本组成和工作原理14第四章 软件设计174.1 软件的总体结构174.2 操作前的准备174.3 全线全自动方式下的操作184.4 全线半自动方式下的操作184.5 单机手动方式下的操作194.6 停止运行的操作19第五章 机加工自动线控制系统的编程及其调试215.1 编程215.2 程序的调试255.2.1 将程序写入PLC的内存中255.2.2 调试26第六章 机加工自动线控制系统的故障诊断27参考文献29致 谢30附录31湖南科技大学潇湘学院本科生毕业设计（论文）第一章 前言1.1 本论文的背景和意义当今世界的各行各业，无论是大型综合性企业，还是小型的私企，都强烈需求高度自动化的生产流水线，用以提高生产效率，来创造更高的生产价值如何提高生产效率成为所有从事生产的人们的共同问题而PLC控制技术作为一种高度自动化的过程控制技术，在生产线系统中得到越来越广泛的应用生产线控制系统自动化程度的小断提升则使得整个工控行业越来越多的开始思考如何利用自动化的生产系统来装各自己、提升整企业的生产水平，通过提高整个生产水平来转化成为盈利，从而创造源源小断的经济效益。PLC作为现在工控界的宠儿，首当其冲成为生产线控制系统的必选我国工控业许多力而都应用了PLC控制技术，然而，我国的PLC产业尚属于发展阶段，许多力而还小够完善，小能够很好的为我国工业发展提供技术保障所以我们更应该努力学习国外的先进的PLC控制技术.小断的完善和创新.以实现我国工控行业的大发展。在机械行业，机械加工自动线己成为一种常见的自动化生产形式，这种自动线由基本工艺设备及工件传送系统、控制系统组成。其控制系统大多采用机械、液压、电气或气动相结合的控制方式。其中，电气控制往往起着中枢联接作用，但传统的电气控制通常采用继电器逻辑控制方式，使用了大量的中间继电器、时间继电器、行程开关等。PLC作为新一代工业控制装置，因其具有通用性好，实用性强，硬件配套齐全，编程方法简单易学等优点而广泛应用于工业领域1。1.2 本论文的主要方法和基本原则 为了确保被控制对象在生产过程中所需要的生产工艺，而使它的工作效率和产品质量达到标准的要求规定，在进行PLC控制系统的设计时，要遵循以下几个设计原则:(1)、使PLC控制系统的功能发挥到最大，从而满足被控制对象的需求。在设计PLC控制系统的过程中，要最大努力地发挥PLC控制系统具有的性能，从而满足在生产工艺上被控制对象的需求，这不仅是PLC控制系统设计的前提要求，还是PLC控制系统中必须遵守的原则。（2）、确保PLC控制系统运行的安全性、稳定性和可靠性。在设计PLC控制系统的过程中，要认真考虑到PLC控制系统长期使用，并且能维持长期安全、稳定、可靠的运行工作，这是在设计PLC控制系统时必须遵循的最主要原则。(3)、PLC控制系统具备经济性高、操作简单、维修方便的特点。在设计一个新的控制系统过程中，首先考虑工业生产投入和支出的经济效益和在工厂生产时自身的工作效率，但这些条件没有使PLC控制系统构成复杂系统，在设计PLC控制系统时既要遵守上述这些原则，而且还必须考虑PLC控制系统通过实际运用后产生的操作问题和维修问题。(4)、PLC控制系统要满足后续发展的要求。随着科学技术的不断发展，使我国控制系统得到大力的推广和使用，而且更新速度也在提升。在设计PLC控制系统时，必须经常考虑PLC控制系统在经过实践运用后，它的可持续发展性和完善性等重要问题。这就需要在设计PLC控制系统时，设计人员通过PLC控制系统的输出和输入等模块预留出一定的发展平台，从而满足PLC控制系统对系统后续发展的要求。1.3 本论文的主要内容以PLC为核心，设计一个机加工自动线电气控制系统。设计该控制系统能使机加工自动线具有全线全自动、全线半自动、单机半自动、单机手动和停止运行几种工作方式，且能使各种工作方式不相互发生冲突，能满足机加工自动线机加工自动线可对工件进行铣端面、钻孔、检查、扩孔、镗孔、攻丝、转位、钻深孔等工序进行加工、监测和转位循环抜销和松开的整个工艺过程要求，具有预开、启动、预停、紧急停止、紧急后退和计数功能，具有各动力头、检查机构和转位机构的在线/离线选择功能，具有超节拍保护、短路保护、过载保护、失压保护等功能。设计确定控制系统的总体设计方案，确定PLC的型号规格，确定PLC/0元件，设计电机的电器控制系统原理图，设计机加工自动线的公用程序，单机步程序，全线半自动程序，全线自动回原点程序，上机调试程序；编写设计说明书和使用说明书。 PLC.输入电路、输出电路这三个部分构成了PLC控制系统的电气控制线路。输入电路包括各类开关、人机界面、模拟量等，输出电路包括指示灯、接触器、电磁阀等，它们由PLC为控制核心构成完整的PLC控制系统。PLC控制系统通过输入电路端收到信号，开始执行PLC程序命令，从而操控输出电路端的电器元件，电器元件又起到驱动设备机械结构的作用，最终达到控制对象的目的，完成系统的整体控制。1.4 PLC的特点1.4.1 PLC的概念 它是一种即时系统有别于个人电脑，传统式以继电器为主的电机控制系统中, 每当变更设计时,整个系统几乎都要重新制作, 不但费时又费力;同时由於继电器还有接点接触不良、磨损、体积大之缺点, 因此造成成本升高、可靠性低、不易检修等问题.为了改善这些缺点,美国在1969年首度发表：可程式控制器。程式控制器在发表初期被称为PLC, 最先的目的是取代继电器，从而执行继电器逻辑及其他计时或计数等功能的顺序控制为主, 所以也称顺序控制器,其结构也像一部微电脑,所以也可称为微电脑可程式控制器,直到1976年,美国电机制造协会正式给予命名为，即可程式控制器,简称PC,由于目前个人电脑极为普遍, 加上常与可程式控制器配合使用,为了区分两者, 所以一般都称可程式控制器为PLC 以加以分别.目前市面上之PLC控制器种类繁多,依照制造厂商及适用场所的不同而有所差异, 但是每种厂牌可依机组复杂度分为大、中、小型;而一般工厂及学校通常使用小型PLC, 其中以日系F系列及我国A系列PLC较受国人爱用. 而本CAI将以三菱FX2 PLC控制器 为主加以介绍,望使用者能对PLC有更深的瞭解, 在使用PLC时能更得心应手. 可程式控制器内部基本结构可用下图来表示, 其内部处单元包括CPU、输入模组、输出模组三大部门, PLC控制器的CPU 会经由输入模组取得输入元件所产生的讯号, 再从记忆体中逐一取出原先以程式书写器中输入的控制指令, 经由运算部门逻辑演算後,再将结果通过输出模组加以驱动外在的输出元件。1.4.2 PLC基本结构PLC控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。1、中央处理单元中央处理单元是PLC控制器的控制中枢。它按照PLC控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高PLC控制器的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。2、存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器；存储器的主要功能是存储程序和各种数据，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。存储器是具有“记忆”功能的设备，它采用具有两种稳定状态的物理器件来存储信息。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。用于保存应用程序代码，同时还可以用于保存程序执行时用到的数据。3、电源PLC控制器的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%范围内，可以不采取其它措施而将PLC控制器直接连接到交流电网上去。4、程式输入装置负责提供操作者输入、修改、监视程式用作的功能5、输入输出回路负责接收外部输入元件信号和负责接收外部输出元件信号。1.5 方案的选择1.5.1 方案选择PLC控制系统的特点与优点目前广泛使用的的检测方法有PLC控制，继电器控制，单片机控制等。其中PLC检测控制系统应用最为广泛。因为其具有以下特点：（1）可靠性PLC不需要大量的活动元件和连线电子元件。它的连线打打减少。与此同时，系统的维修简单，维修时间短。PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计。例如：冗余的设计。断电保护，故障诊断和信息保护及恢复。PLC有较高的易操作性。它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不容易发生操作的错误。PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言。编程出错率大大降低。（2）易操作性对PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。程序的输入直接可接显示，更改程序的操作也可以直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或程序寻找，然后进行更改。PLC有多种程序设计语言可供使用。用于梯形图与电气原理图较为接近。容易掌握和理解。PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快找到故障的部位。（3）灵活性PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。编程方法的多样性使编程简单、应用而拓展。操作十分灵活方便，监视和控制变量十分容易。以上特点使用PLC控制系统具有可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强，运行稳定等诸多优点今后PLC控制系统还会得到更广泛的使用。用单片机制作的主控板受制版工艺、布局结构、器件质量等因素的影响导致抗干扰能力差，故障率高，不易扩展，对环境依赖性强,开发周期长。一个采用单片机制作的主控板不经过很长时间的实际验证很难形成一个真正的产品。 PLC控制：优点：PLC是经过几十年实际应用中检验过的控制器，其抗干扰能力强，故障率低，易于设备的扩展，便于维护，开发周期短。所以相比而言机加工自动线PLC控制系统设计选择PLC控制更加合适。1.5.2 PLC的选择PLC系统组成及各部分的功能： 1.CPU运算和控制中心起“心脏”作用。纵：当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。横：输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。组成：CPU由控制器、运算器和寄存器组成。这些电路集成在一个芯片上。CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。2存储器具有记忆功能的半导体电路。分为系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（RAM）组成。用户使用的。断电内容消失。常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为35年。3输入/输出接口（1）输入接口：光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。发光二级管：在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。光电三级管：在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。向内部电路输入信号。也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。（2）输出接口PLC的继电器输出接口电路工作过程：当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。三种类型：继电器输出：有触点、寿命短、频率低、交直流负载晶体管输出：无触点、寿命长、直流负载晶闸管输出：无触点、寿命长、交流负载4编程器编程器分为两种，一种是手持编程器，方便。我们实验室使用的就是手持编程器。二种是通过PLC的RS232口。与计算机相连。然后敲击键盘。通过NSTP-GR软件（或WINDOWS下软件）向PLC内部输入程序。系列是FX系列PLC家族中最先进的系列。由于FX2n系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。三菱的优势在于离散控制和运动控制，三菱的指令丰富，有专用的定位指令，控制伺服和步进容易实现，要实现某些复杂的动作控制也是三菱的强项，而西门子在这块就较弱，没有专用的指令，做伺服或步进定位控制不是不能实现，而是程序复杂，控制精度不高。所以选择FX2N系列的三菱编程器。第二章 设计内容分析2.1 机加工自动线的用途以及控制要求要求机加工自动线可对工件进行机加工自动线可对工件进行铣端面、钻孔、检查、扩孔、镗孔、攻丝、转位、钻深孔等工序进行加工。由于机加工自动线各动力头具有“在线/离线”选择功能，故可对加工工件进行其中一种或几种甚至全部工序的加工，因此，机加工自动线适用的加工范围广泛。另外，机加工自动线拥有全线单周/连续循环、单机半自动/手动和全线自动回原点五种工作方式，用户可根据需要选择其中工作方式运行机加工自动线，这样就大大增加了对机加工自动线操作的灵活性。2.2 机加工自动线的基本组成和工作原理本系统由计算机仿真子系统、接口子系统、PLC控制系统、操作台及模拟显示屏几部分构成。为了叙述方便，今后就称机加工自动线控制系统为PLC控制系统。由于PLC控制是电气工程及其自动化专业学习的重点。因此，PLC控制、操作台、模拟显示屏与生产实际基本一致。 大型生产企业，要求使用多工位自动生产线，要求生产质量过关，效率高。而自动生产线性能的好坏除了取决其机械装备本身的性能外，还取决于其控制系统性能的好坏，因此，为自动生产线选择一个先进的控制系统方案，制作一个性能优良的控制系统，对提高自动生产线整体性能的改进至关重要。2.2.1控制系统的分析此端盖的加工过程分为四个步骤，需要的设备分别为车床CA6140、刨床B690,钻床23040。可见这些机床都是普通机床，由继电器控制的，并且是纯手动机床。因此，为了能够高效率、高质量的完成加工要求，我们将这些机床用PLC进行改造，将其改造成为一个高性能、高效率的多工位自动生产线。2.2.2 车床CA6140 CA6140是一种，是在原C620基础上加以改进而来，C代表车床 A代表改进型号 6代表卧式 1代表基本型 40代表最大旋转直径，是机械设备制造企业的是所需设备之一。 CA6140型卧式车床CA6140型卧式车床主要由床身、主轴变速箱、溜板箱、进给箱、溜板、丝杠、光杆与刀架等几部分组成。机床是由主轴电动机通过带传动到主轴变速箱再旋转的，其主传动力是主轴的运动，工件的进给运动也由主轴传递，刀架快速移动由刀架快速移动电动机带动。 床身上最大工件回转直径为400mm。刀架上最大工件回转直径为210mm。最大棒料直径47mm。最大工件长度分别为750 mm, 1000 mm, 1500 mm, 2000 mm 最大加工长度分别为650mm, 900 mm, 1400 mm, 1900 mm。主轴转速范围:正转101400r/min ( 24级)反转141580 r/min ( 12级)。进给量范围为:纵向0.0286.33mm/r(共64级);横向0.0143.16 mm/r(共64级)。标准螺纹加工范围为:公制t=1192mm (44种);英制a=224牙/in ( 20种);模数制m=0.2548mm (39种);径节制DP=196牙/in (37种)。 CA6140型卧式车床电气控制， CA6140卧式车床的机床是由主轴电动机通过带传动到主轴变速箱再旋转的，其主传动力是主轴的运动，工件的进给运动也由主轴传递，刀架快速移动由刀架快速移动电动机带动。实物图如下图2.1：图2.1车床CA6140实物图2.2.3 刨床B690一、简介 B690型液压牛头刨床由床身、滑枕、进给箱、刀架、工作台与横梁等主要部件组成，主要适用于平面和成形面的加工。如装上特殊虎钳或分度头，还可加工轴类和长方体零件的端面和等分槽。2.滑枕 主要用来带动创刀作往复直线运动(即主运动)，前端装有刀架，共内部装有丝杆螺母传动装置，可用于改变滑枕的往复行程位置。3.刀架 主要用来夹持创刀。松开刀架上的手柄，滑板可以沿转盘上的导轨带动刨刀上下移动;松开转盘上两端的螺母，扳转一定的角度，可以加工斜面以及燕尾形零件。抬刀板可以绕刀座的轴转动。使刨刀回程时，可绕轴自由上抬，减少刀具与工件的摩擦。 4.工作台 主要用来安装工件。台面上有T形槽，可穿入螺栓头装夹工作或夹具。工作台可随横梁上下调整，也可随横梁作横向间歇移动，这个移动我们称为进给运动。二、技术参数 B690型液压牛头刨床的技术参数如下: 最大刨削长度为500mm 滑枕底面至工作台面最大距离为370mm。工作台最大移动距离为:水平500mm;垂直300mm。工作台最大回转角度为:无虎钳90。有虎钳55。刀架最大垂直行程为110mm。滑枕每分钟往复次数分别为15,24,37,51,64,80,102,126 times/min。棘轮转动一格时垂直0.0845mm;水平1.33mm。棘轮转动十格时垂直0.845mm;水平1.33mm。电动机为3 kW 1420r/min。虎钳尺寸(长*宽*钳口最大距离)240 *64 *215mm。机床外形尺寸为(长*宽*高)1943*1160 * 1533mm。 三、B690型液压牛头刨床的电气控制 B690型液压牛头刨床由床身、滑枕、进给箱、刀架、工作台与横梁等主要部件组成，主要适用于平面和成形面的加工。B690型液压牛头刨床电气控制线路如图2.2所示。图2.2 刨床B690原理图2.2.4 钻床Z3040 一、简介 Z3040摇臂钻床是一种用途广泛的万能机床，适用于加工中小零件，可以进行钻孔、扩孔、铰孔、刮平面及改螺纹等多种形式的加工，增加适当的工艺装备还可以进行钟孔。主要有底座、内外立柱、摇臂、主轴箱、主轴及工作台等部分组成。Z3040摇臂钻床的工作原理:Z3040摇臂钻床采用4台电动机拖动，他们分别是主轴电动机，摇臂升降电动机，液压泵电动机和冷却泵电动机。主轴电动机控制钻床的进给运动;摇臂升降电动机要求能正反向旋转，可用手动操作;摇臂和主轴之间的夹紧、发松可用电气、液压、机械来实现，液压电动机需可正反转，摇臂的移动严格按照摇臂松开一移动一摇臂夹紧的程序进行。因此摇臂的夹紧与摇臂升降按自动控制进行。冷却泵电动机带动冷却泵提供冷却液，只要求单向旋转。系统具有连锁与保护环节以及安全照明、信号指示电路。 二、技术参数 Z3040摇臂钻床的技术参数如下: 主要技术参数为Z3040x10/13。最大钻孔直径为:钢件32 mm;铸件40 mm主轴中心线至立柱母线距离为290-1320mm。主轴端面至底座工作面距离为140-1100mm。主轴行程为220mm。主轴转速为75-1220r/min。摇臂回转角度为360 电机功率为2.2KW。净重1800kg。机床轮廓尺寸(长*宽*高)为:1500*705*20201700*720*2300mm。三、Z3040摇臂钻床的电气控制 Z3040电路中的主电路、控制电路、信号电路的电源均采用低压断路器引入，交流接触器KM1是主电动机M1接通或断开的接触器，FR1为主电动机过载保护用热继电器。摇臂的升降、立柱的夹紧与放松都要求电动机正、反转，所以M1和M2电动机分别有两个接触器，它们为KM2, KM3和KM4, KM5。摇臂升降电动机M2和冷却泵电动机M4均为短时工作，不设过载保护。实物如下图2.3：图2.3 钻床Z3040实物图2.3 多工位自动线控制系统的设计要求2.3.1 工作方式的设计要求 本多工位自动线要求能对工件进行铣端面、钻孔、检查、扩孔、镗孔、攻丝、转位、钻深孔等工序的加工，自动线开始工作必须具备的初始条件为: (1)输送带在原位; (2)所有动力头、检查头和转位装置都己分别加工、检查、转位完毕，并己退回原位; (3)所有工位上的随行夹具都己松开并拔出定位销; (4)在装料工位己装上待加工工件，在卸料工位己卸去加工好的工件; (5)检查工位没有发出“故障”信号(即检查头检查合格); (6)没有发出自动线“预停”信号。 当上述条件全部具备后，按下自动线起动按钮，控制系统既发出“输送带向前”主令，于是输送带向前，将工件送入加工工位。当工件被送入加工工位后，控制系统发出定位夹紧主令，各工位的定位夹紧装置(通过随行夹具)对工件进行定位夹紧(但检查与转位工位只需对工件定位)。定位夹紧后，控制系统发出动力头、检查头向前、转位机构抬起、输送带向后主令，各动力头、检查头向前，转位机构抬起，进行各自的循环，而输送带则向后，为将下一个工件送入加工工位作准备。当各动力头加工完成退回原位、检查头检查完毕退回原位，转位机构转位完毕退回原位后，控制系统发出拔销松开主令，各工位的定位夹紧装置拔销松开，当各定位夹紧装置都己拔销松开后，自动线的一个工作循环即告结束。此后，若装料工位又装上了新的待加工工件，且卸料工位又卸下了加工好的工件，则自动线又可进行下一个循环的加工。如下图2.4：铣端面 钻孔 检查 扩孔 镗孔 攻丝 转位 钻深孔图2.4 机加工自动线平面 图.42.42.3.2 全线控制的设计要求 本自动线控制系统应能对自动线进行预开、启动、预停、紧急后退等操作;应能对输送带和各个工位的单机进行在线/离线的设置;应具有失压保护、短路保护和电动机过载保护等功能。同时它还应该有以下的要求: (1）各工位夹紧时应该有一定的夹紧力，当失去夹紧力时，应该有紧急保护环节; (2)应有紧急停止环节和预停环节;(3)应有完整的信号显示，以保证自动线工作时能进行可靠的监视，并能为迅速查明故障原因和维修创造条件。2.3.3 各单机控制的设计要求 各动力头的主轴电机在其动力头快进转为工进时，应能自行起动;并在动力头退回原来位置时自动停止运转。2.3.4信号显示及故障报警的设计要求 本多工位自动线PLC控制系统的信号显示应有:工作信号显示和报警信号显示。对它们的要求分别是工作信号能显示出自动线正在进行的工作步。而报警信号则是当自动线某个地方发生故障，故障报警信号能及时作出显示，以便及时通知工作人员自动线出现了故障。而信号显示灯均采用绿灯作为灯泡，故障报警灯均采用红灯作为灯泡。2.3.5 保护电路的设计要求 该系统必须有短路保护、过载保护、失压保护功能。2.3.6 自动线局部照明的设计要求 多工位自动线PLC控制系统一般要求加工的精度高，为了保证生产出的产品的质量，同时也为了保证操作人员的人身安全，不会被机器伤害，必须在局部安装一台照明灯。2.4 各电机控制方案的确定液压泵电机、冷却泵电机及各工位动力头主轴电机由电动机拖动，对这些电机可采用简单的起保停电路进行控制，而自动线的输送带、各动力头的滑台、定位机构则是由液压传动系统拖动，这些设计部分的工作过程复杂，相应的控制过程也复杂，如果用继电器来控制，则需要用到很多的继电器，因此，也决定采用PLC来控制。第三章 PLC硬件的设计3.1 电动机电器控制线路设计 要进行硬件设计，首先应将整个控制系统的电气原理图设计出来，然后再进行PLC控制系统的设计，现在有三台机床，各自具有不同的功能，可以说功能分散，且控制分散。因此，我们要对其进行改造，使其达到控制集中的目的。首先，分别研究下整个系统的电气原理图。3.1.1 PLC控制系统的组成 用PLC来控制组合机床的运行，除了油泵电机和冷却电机单独控制以外，其余均由PLC来完成。显然这里既有各工位快进、工进。快退、以及定位、拔销、夹紧、松开等工步的运行控制、同时还有记数、定时等参数的设定，为此采用以下元件组成控制系统: （1）输入设备控制方式选择开关，凸轮系列控制接近开关，位置检测元件，控制单元检测元件以及热继电器，压力继电器等等。 (2）输出设备电磁阀线圈执行元件，接触器线圈执行元件，蜂明器及信号指示灯等。3.1.2 可编程序控制器的选择(PLC )PLC的产品的品种很多，他们的性能价格比各有不同。因此，根据被控对象的控制过程的要求，应合理选择PLC 、PLC的选择包括:CPU主机、开关量的输入输出设备、模拟量输入输出设备、专用功能模块和存储器的选择等。3.1.3 可编程序控制器物理结构的选择 根据物理结构，可以将可编程序控制器分为整体式和模块式，整体式每一I/O点的平均价格比模块式的便宜，小型控制系统一般使用整体式可编程序控制器。模块式可编程续控制器的功能扩展方便灵活，1/O的点数的多少，输入点数与输出的点数的比例，1/O模块的种类和块数等的选择，比整体式可编程续控制器灵活的多，模块式可编程续控制器还备有多种特殊的控制任务，在判断故障反和维修时更换模块等也很方便，因此较复杂的要求较高的系统一般采用模块式可编程续控制器。3.1.4 可编程序控制器指令功能的选择现代的可编程序控制器的指令功能越来越强，内部编程元件的个数越来越多，任何一种可编程序控制器都可以满足开关量控制系统的要求。3.1.5 开关量输入输出点的统计在一般情况下，PLC的规模主要取决于输入输出点的需求量。对于输入信号作为信号来源的每一个按扭、限位开关、继电器点都占用PLC的一个输入点。输入接口电路。可采用本机提供的直流24伏电源，也可采用外部引入的交流的220伏电源。根据输入接口的电路的结构不同，有的4个输入点对一个公共点，有的8个输入点对应一个公共点，有的一个输入点对应一个公共点。因此，在统计输入点时，必须根据电源电压和能否直接到一个公共点等情况归类统计。 对输出点，同样需要考虑电源电压和公共点的问题，同时应考虑输出点的容量，大型接触器和电磁阀的线圈一般不易作为PLC的直接负载。在实际安装、调试和应用中，还可能会出现一些未预见的因素，因此在统计输入输出点应留余量。3.2 专用功能模块选择 现代的PLC备有多种专用功能模块，如模拟量输入、输出模块、P1D模块、模糊推理模块、高速计数模块、位置控制模块等。因此，当控制任务复杂，含有模拟信号处理、数值计算、位置控制等内容时，可选用上述专用的功能模块。存储器容量的估算: 小型PLC的用户存储器是固定的，不能随意扩充的选择因此，选用PLC时，要注意它的用户存储器容量是否够用。 用户程序占用内存的多少与多种因素有关。例如，输入、输出点的数量和类型，输入、输出量之间的关系的复杂程度，需要进行运算的次数、处理量的多少、程序结构的优劣等，多与内存容量有关。因此，在用户程序编写、调试好之前，很难估算出PLC所用的存储器的容量。一般只能根据输入输出点数及其类型，控制的繁简程度加以估算。一般粗略的估计方法是:(输入点数+输出点数)*(1012 ）=指令语句数。估算后。通常在增加15%20%的备用量，作为选择PLC的内存容量的依据。根据根据己知条件，选择了三菱公司的可编程控制器基本模块FX2-80MR，数量为1个;输入输出扩展模块FX-32ER，数量为1个。不需要任何其他它专用功能模块。3.2.1 液压部分的基本组成和工作原理机加工自动线的液压泵电机和冷却泵电机直接由接触器控制，其余电动机由PLC（经接触器）控制。机加工自动线各电动机的主电路、液压泵电机和冷却泵电机的控制电路和PLC负载的电源控制电路如图3.1所示，机加工自动线控制系统的PLC I/O分配如图3.2所示，外部接线图如附录图1所示。图3.1 机加工自动电动机电气控制线路原理图图3.2 I/O分配第四章 软件设计4.1 软件的总体结构为了满足生产的需要，多工位组合机床的PLC控制系统设置了五种工作方式:全线全自动、单机工步、单机点动和自动回原点，这几种工作状态的必须在程序中实现。因此，本自动线PLC系统的软件由公用程序、全线连续循环/单机手动程序、全线自动回原点程序和故障报警程序等部分组成。如下图4.1图 4.1 软件总体结构图4.2 操作前的准备 (1) 接通计算机电源，启动计算机。用鼠标器双击“MICS”快捷图标。以运行自动线仿真软件，此时会打开自动线仿真窗口。单击该窗口的复位按钮，使窗口中自动线的各单机都回到各自的原位。(2) 依次闭合实验桌电源板上的刀开关QS、机加工自动线控制台内的自动开关QF1和QF2，以接通机加工自动线控制系统的电源。(3) 闭合接口装置的电源开关，以接通机加工自动线接口子系统的电源，使之处于工作状态。(4) 在控制台的操作面板上，按下PLC的电源启动按钮SB4和冷却泵电机启动按钮SB6，以接通PLC电源、启动油泵电机(使自动线液压系统(虚拟)启动运行)和启动冷却电机(使冷却液(虚拟)循环，为各工位进行金属切削加工作准备)。在完成上述准备工作后，即可对机加工自动线进行各种操作。4.3 全线全自动方式下的操作(1) 根据自动线所要加工的工件件数m，用编程器给PLC的计数器C100设定K值，使K=m+9其中“9”表示每个工件要经过9个工位(即自动线要经过9次工作循环)后，才能从上料工位到达卸料工位。(2) 根据工件所要进行的加工工序，确定应在线的动力头和应离线的动力头，将应在线的各动力头的“在线离线”选择开关旋至“在线”位置，将应“离线”的各动力头的“在线/离线”选择开关旋至“离线”位置。最后将“模拟有料”开关旋至“有料”应置。(3) 将自动线工作方式选择开关SA2旋至“回原点”位置，再将PLC运行开关SA1由“停止”位置旋至“运行”位置，以使 PLC投入运行。 自动线单周连续循环程序的活动状态回到初始步。 计数器C100复位。(4) 将自动线工作方式选择开关SA2旋到“连续”位置。(5) 启动运行：按下“预开”按钮SB1，电铃BE响，表示自动线开始工作的六个条件(如前所述)都已具备，且油泵电机和冷却泵电机都已启动，此时，可按下启动按钮SB2，使机加工自动线启动运行。通过计算机显示屏或控制台的模拟显示屏，可以清楚地观察到机加工自动线运行的全过程。在正常情况下，当自动线加工完要求的工件件数时，会自动停止运行。(6) 预停：在自动线全线全自动运行过程中，若自动线发生轻微故障，但不影响人身设备安全，则可按下预停按钮SB3，使自动线在完成了本次循环剩余的工作并回到原点后自动停止运行，以检查和排除自动线故障。(7) 紧急停止：在自动线全线全自动运行以及以其他任何一种方式运行的过程中，当发现自动线有严重故障，将危及人身或设备安全时，可按下紧急停止按钮SB4，使自动线立即停止运行。(8) 在自动线紧急停止并使SB4复位后，可视具体情况和需要进行下述操作： 在故障排除后，可按下启动按钮SB2使自动线接下去继续循环运行。 也可按下急退回原点按钮SB5，使自动线各动力头退回原位并停止。 还可同时按下SB4和SB5，然后依次使SB4和SB5复位。再将自动线工作方式选择开关SA2旋至回原点位置，并按下急退回原点按钮SB5，使自动线全线自动回原点。(9) 在自l动线按全线全自动或全线半自动或单机半自动方式运行的过程中，按下急退回原点按钮，可使各动力头、检查头立即后退，退回原位后自动停止。4.4 全线半自动方式下的操作(1) 将自动线工作方式选择开关SA2旋至“单周”位置。(2) 根据自动线对工件加工工序的要求，将自动线各动力头的“在线/离线”选择开关旋至要求的位置。(3) 将PLC的运行开关SA1旋至“运行”位置。(4) 此后，自动线的启动、紧急停止、紧急后退的操作方法以及自动回原点的操作方法与自动线连续循环方式下的相应操作方法相同，此处不再复述。4.5 单机手动方式下的操作(1) 将自动线工作方式选择开关SA2旋至“手动”位置。(2) 将单机选择开关SA3或SB4旋至需按手动方式运行的单机位置，以选中该单机。(3) 将PLC运行开关旋至“运行”位置。(4) 根据所要手动运行的某个步，按下手持式按钮盒上SB6SB11中控制该步运行的某一按钮，所选单机即按该步的运行；当松开该按钮时，所选单机将立即停止该步的运行；在未松开该按钮的情况下，若所选单机运行完该步，则将自动停止运行。单机手动程序的总体梯形图结构如下 图4.2图4.2 单机手动程序的总体梯形图结构 4.6 停止运行的操作(1) 关闭机加工自动线仿真子系统：用鼠标器单击“机加工自动线工艺流程及布置画面”窗口中的“退出”按钮，即可关闭机加工自动线仿真子系统。之后，按一定的操作路径即可安全地关闭计算机。(2) 关闭机加工自动线接口子系统：只要将接口装置上的电源开关断开，即可关闭机加工自动线接口子系统。(3) 关闭机加工自动线控制系统：将控制台操作面板上的PLC运行开关SA1旋至“停止”位置依次按下PLC电源停止按钮SB1、油泵电机停止按钮SB3和冷却泵电机停止按钮SB5依次断开自动开关QF2和QF1断开实验桌电源板上的刀开关QS，在完成上述操作后，机加工自动线控制系统即被关闭。第五章 机加工自动线控制系统的编程及其调试5.1 编程（1）机加工自动线扩孔机构按单周方式运行部分的流程图图5.1 机加工自动线扩孔机构按单周方式运行部分的流程图 （2）机加工自动线扩孔机构按单周方式运行部分的顺序功能图图5.2 机加工自动线扩孔机构按单周方式运行的顺序功能图（3）机加工自动线实现扩孔加工工序的梯形图图5.3 机加工自动线实现扩孔加工工序的梯形图图5.4 机加工自动线实现扩孔加工工序的梯形图 （4）机加工自动线扩孔机构按单周方式运行部分的指令表LD X045 OUT M1 LD M4 ANI M10 ANI M12 AND X046 LD X016 AND X057 OUT M8 OUT M11AND X047 AND M1 AND X060 LD M8 LD M6AND X050 OR M2 OR M5 AND X101 AND M11AND X053 ANI M3 ANI M6 OR M9 OR M12AND X056 OUT M2 OUT M5 ANI M10 ANI M0AND X100 OUT Y007 OUT Y010 OUT M9 OUT M12ANI X116 LD M2 LD M5 LD M8 RST Y011ANI X117 AND X051 AND X047 AND X034 RST Y013ANI X123 AND X052 AND X050 LD M9 OUT Y012OUT M100 LAI X01 OR M6 LD X102 OUT Y014LD M12 AND M1 ANI M12 OR X034 LD M10AND X053 ORB OUT M6 ANB OR M9AND X056 OR M3 LD M4 ORB OUT Y003OR M8002 ANI M4 AND X057 OR M10 LD M8OR M0 OUT M3 AND X060 ANI M11 OR 10ANI M1 SET Y011 OR M7 OUT M10 OUT Y032OUT M0 LD M3 ANI M8 OUT Y031 ENDLD X031 AND X054 ANI M11 LD M10AND M100 AND X055 OUT M7 AND X100AND M0 OR M4 LD M7 LD M7OR M1 ANI M5 AND X023 ANI X032ANI M2 OUY M4 OR M8 ORB ANI M3 SET Y013 ANI M9 OR M115.2 程序的调试 程序的调试由程序写入PLC内存和程序的调试两步组成。5.2.1 将程序写入PLC的内存中要想将程序写入PLC的内存中，首先得将低压断电器（自动开关）打开、按下PC电源开、油泵启动、冷却泵启动，其次将PC运行拨至停止，再用鼠标单击菜单栏的PLC/传送/写出，接着弹出一个对话框，我们应该选中范围，将我们所编写程序的步数写入终止步，起始步为零，最后按确定即可将程序写入PLC内存中。5.2.2 调试调试运行工作应在有目的、有计划、有步骤的前提下进行。在调试运行前，应先拟定一个调试运行步骤，这个步骤可参照上述各项调试运行任务的排列顺序拟定。凋试运行时，待一项调试运行任务完成后，再完成下一项调试运行任务。在凋试用户程序时最好按手动程序单机半自动程序全线单周循环动程序全线连续循环程序自动回原点程序的顺序进行调试，这种从简到繁的调试顺序的步骤可以使调试工作少走弯路，易于一次凋试成功。由于用户设计不当，电器元件安装接线不正确，定时数、计数器、压力继电器的设定值设定得不合理，行程开关的安装位置不准确，都有可能导致调试过程中发生一些电路短路、机械碰撞等安全事故，因此，调试前应在电路中采取一些相应的保护措施如在电路中设置短路保护、过载保护、失压保护、过压力保护、互锁环节、联锁环节等，并熟悉控制台操作面板上的自动线的紧急停止按钮，各动力头的紧急后退按钮的颜色、形状及具体的安装位置，熟悉各故障指示灯的安装位置。这样，在调试过程中，一旦发现故障，可迅速按下紧急停止按钮或紧急后退按钮，避免故障的进一步扩大。第六章 机加工自动线控制系统的故障诊断机加工自动线仿真与控制装置可提供控制系统中的所有行程开关和压力继电器的故障设置、分析与排除方面的训练，但在故障分析与排除中