桥梁支座孔加工机床电气控制系统设计毕业论文.doc

西华大学毕业设计说明书 桥梁支座孔加工机床电气控制系统设计毕业论文目录1引言11.1课题产生背景11.2 国内外现状及发展趋势21.3 本课题设计的内容任务32 双面钻床电气控制系统总体设计42.1系统总体设计思想42.2 桥梁支座孔加工双面钻床结构特点42.3 机床运动控制原理52.4工作台速度控制方案选择53 双面钻床电气控制系统硬件设计63.1 步进电机控制设计63.2步进电机驱动器控制设计83.3控制面板触摸屏选择123.4 控制系统的I/O点及地址分配143.5 PLC选型163.6 电气元件选型表163.7双面钻床电气控制系统原理图174 双面钻床软件系统设计224.1 STEP7-Micro/WIN软件介绍224.2双面钻床电气控制系统程序设计244.3 PLC程序仿真与调试385 双面钻床监控系统设计395.1力控组态介绍395.2力控组态软件编程415.3建立实时数据库44总结与体会47致谢词48【参考文献】49附录系统程序梯形图50键入文字1引言随着科学技术的发展，自动化控制越来越多，它节省劳动力，降低成本，提高生产效率，其作用显而易见。现代化建设速度也越来越快，桥梁建造也越来越多，桥梁支座这个不可缺少的事物需求越来越大，为了保障工程建设顺利进行，就需要提高桥梁支座生产效率。所以此次设计主要是针对桥梁支座孔的加工，设计一台自动化双面钻床，提高加工生产效率。传统的单个钻床加工方式远远不能满足当今的需求，先提出两面同时进行加工可以缩短加工时间。同时采用自动化PLC控制，实现批量加工，大幅度提高生产效率。1.1课题产生背景我国加入WTO以来，制造业面临机遇与挑战并存。组合机床行业企业适时调整战略采取了积极的应对措施，出现了产、销两旺的良好势头，截至2002年9月份，组合机床行业企业仅组合机床产品一项，据不完全统计产量已达八百余台，产值达三个亿以上，较2001年同比增长10%以上，另外组合机床行业工业增加值、产品销售率、全员工资总额、出口交货值等经济指标均有不同程度的增长，新产品、新技术较上年有大幅度提高，可见行业企业运行状态良好。组合机床及其PLC电气控制系统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、经济适用，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电气控制系统主要采用机、电、液、气控制，他的加工对象主要是生产批量比较大大中型箱体类或轴类零件，完成钻孔、扩孔、较孔，加工各种螺纹、镗孔、车端面和凸台，在孔内镗各种槽，以及削铣平面或成形面等。组合机床分类繁多，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。随着技术的不断发展，一种新型的组合机床柔性组合机床越来越受人们青睐，它应用多为主轴箱、可换主轴箱、编码随行夹具和刀具自动更换，配以可编程控制器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。另外近年来组合机床加工中心、数控组合机床等在组合机床行业占比重越来越多。因此为适应市场要求，适应组合机床由过去的刚性机床结构，向柔性化发展的趋势，我设计了这套双面钻床PLC电气控制系统，希望能够满足用户要求，真正成为刚柔兼备的自动化设备。1.2 国内外现状及发展趋势 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；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。另外，近年来组合机床加工中心、数控组合机床、机床辅机（清洗机、装配机、综合测量机、试验机、输送线）等在组合机床行业中所占份额也越来越大。由于组合机床及其自动线是一种技术综合性很高的高技术专用产品，是根据用户特殊要求而设计的，它涉及到加工工艺、刀具、测量、控制、诊断监控、清洗、装配和试漏等技术。我国组合机床及组合机床自动线总体技术水平比发达国家要相对落后，国内所需的一些高水平组合机床及自动线几乎都从国外进口。工艺装备的大量进口势必导致投资规模的扩大，并使产品生产成本提高。因此，市场要求我们不断开发新技术、新工艺，研制新产品，由过去的“刚性”机床结构，向“柔性”化方向发展，满足用户需求，真正成为刚柔兼备的自动化装备。从2002年年底第21届日本国际机床博览会上获悉，在来自世界10多个国家和地区的500多家机床制造商和团体展示的最先进机床设备中，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。据专家分析，机床装备的高速和超高速加工技术的关键是提高机床的主轴转速和进给速度。该届博览会上展出的加工中心，主轴转速1000020000r/min，最高进给速度可达2060m/min；复合、多功能、多轴化控制装备的前景亦被看好。在零部件一体化程度不断提高、数量减少的同时，加工的形状却日益复杂。多轴化控制的机床装备适合加工形状复杂的工件。另外，产品周期的缩短也要求加工机床能够随时调整和适应新的变化，满足各种各样产品的加工需求。 然而更关键的是现代通信技术在机床装备中的应用，信息通信技术的引进使得现代机床的自动化程度进一步提高，操作者可以通过网络或手机对机床的程序进行远程修改，对运转状况进行监控并积累有关数据；通过网络对远程的设备进行维修和检查、提供售后服务等。在这些方面我国组合机床装备还有相当大的差距，因此我国组合机床技术装备高速度、高精度、柔性化、模块化、可调可变、任意加工性以及通信技术的应用将是今后的发展方向。 1.3 本课题设计的内容任务本次课题主要对桥梁支座孔加工钻床进行设计，由于当今桥梁支座需求越来越大，传统加工方式效率低，不能满足当今需求。因此提出双面钻床加工设计方案。其工作原理如下：双面钻床采用PLC可编程控制器控制，每批工件加工前只需调整专用夹具，根据当前批次工件规格调整好钻削动力头终止的位置，并将两钻削动力头退回到原位。将工件安装于夹具中并夹紧后，通过监控系统设定待加工孔的数目、孔间距以及第一孔与工件定位端面的距离。然后只需按下启动按钮，机床自动进行以下操作：工作台首先前进到零位，然后开始后退，后退到第一个待加工孔位置后停止（工作台预紧由电机完成），两钻孔动力头快进，然后工进开始钻削加工，钻孔动力头前进到终点位置开始快退，快退回原点后停止，工作台前进一孔间距，按照前面的循环开始钻孔加工，直到所有孔加工完成后，工作台退回原位停止。工作台原位也是装卸工件的位置。2 双面钻床电气控制系统总体设计2.1系统总体设计思想 此次设计主要目标是提高加工效率、质量，实现大规模生产，增加产量，满足当前供不应求的局面。因此将传统的单钻模式改进，提出双面同时加工方案，提高效率，另外使用自动化控制实习批量生产。全加工过程采用PLC可编程控制器控制，使用接近开关传感器、步进电机等提高加工精度，通过控制面板设置个参数实现不同种类产品加工的柔性方案。从而达到现代化生产的高效率、高质量、低成本要求。2.2 桥梁支座孔加工双面钻床结构特点2.2.1双面钻床结构简图图2.2.1 桥梁支座成组双面钻床结构示意图桥梁支座成组双面钻床用于桥梁支座两对称侧面加工，其结构主要由工作台、左右两主轴台、控制台以及电机驱动等组成。由于需要两面同时加工，因此采用水平布置方式，针对左右两个面钻孔加工。左右两主轴箱控制同时进行，对称分布。工作台竖直方向放平，采用步进电机准确控制其位置。由于采用了步进电机，因此不得不使用丝杆传动，其中丝杆传动涉及到丝杆间隙存在，因此设计零位传感器达到消除丝杆间隙的目的。双面钻床个部分运动控制均由控制台控制。2.3 机床运动控制原理其工作原理如下：双面钻床采用PLC可编程控制器控制，每批工件加工前只需调整专用夹具，根据当前批次工件规格调整好钻削动力头终止的位置，并将两钻削动力头退回到原位。将工件安装于夹具中并夹紧后，通过监控系统设定待加工孔的数目、孔间距以及第一孔与工件定位端面的距离。然后只需按下启动按钮，机床自动进行以下操作：工作台首先前进到零位，然后开始后退，后退到第一个待加工孔位置后停止（工作台预紧由电机完成），两钻孔动力头快进，然后工进开始钻削加工，钻孔动力头前进到终点位置开始快退，快退回原点后停止，工作台前进一孔间距，按照前面的循环开始钻孔加工，直到所有孔加工完成后，工作台退回原位停止。工作台原位也是装卸工件的位置。2.4工作台速度控制方案选择此次设计重点就在于工作台运动控制，如果采用传统的三相异步电机根本无法实现精确控制。根据工作原理分析可知左右两主轴刀具只能水平移动进行孔的加工，然而孔加工位置就需要有工作台来确定。左右主轴刀具位置是不变的，加工孔位置就在两对称刀具中心线上，因此待加工孔位置就必须准确的停在中心线上。若传统的三相异步电机其停止不能准确定位达不到要求，因此必须采用步进电机控制。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。3 双面钻床电气控制系统硬件设计3.1 步进电机控制设计3.1.1 步进电机介绍步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机分类步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB）基本原理基本参数电机固有步距角它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。转矩1、HOLDING TORQUE（保持转矩） 是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。2、DETENT TORQUE（无激磁保持转矩）： 是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。主要特点1一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。 2步进电机外表允许的最高温度。 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。 3步进电机的力矩会随转速的升高而下降。 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 4步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。主要特性1 步进电机必须加驱动才可以运转， 驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候， 步进电机静止， 如果加入适当的脉冲信号， 就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。 2 三相步进电机的步进角度为7.5 度，一圈360 度， 需要48 个脉冲完成。 3 步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。 4 改变脉冲的顺序， 可以方便的改变转动的方向。 因此，目前打印机，绘图仪，机器人，等等设备都以步进电机为动力核心3.1.2 步进电机型号选择根据设计需求需要三相式混合步进电机，步距角为1.2。所以选择型号为：110BYG350DH-0501其参数如下：相数：3步距角：1.2相电流：5.0保持转矩：16转动惯量：17400重量：11.1外形尺寸：110x110x2163.2步进电机驱动器控制设计3.2.1驱动器介绍构成步进电机驱动器系统的专用集成电路： A、脉冲分配器集成电路：如三洋公司的PMM8713、PMM8723、PMM8714等。 B、包含脉冲分配器和电流斩波的控制器集成电路：如SGS公司的L297、L6506等。 C、只含功率驱动（或包含电流控制、保护电路）的驱动器集成电路：如日本新电元工业公司的MTD1110（四相斩波驱动）和MTD2001（两相、H桥、斩波驱动）。 D、将脉冲分配器、功率驱动、电流控制和保护电路都包括在内的驱动控制器集成电路，如东芝公司的TB6560AHQ、MOTOROLA公司的SAA1042（四相）和ALLEGRO公司的UCN5804（四相）等。 “细分驱动”概述： 将“电机固有步距角”细分成若干小步的驱动方法，称为细分驱动，细分是通过驱动器精确控制步进电机的相电流实现的，与电机本身无关。其原理是，让定子通电相电流并不一次升到位，而断电相电流并不一次降为0（绕组电流波形不再是近似方波，而是N级近似阶梯波），则定子绕组电流所产生的磁场合力，会使转子有N个新的平衡位置（形成N个步距角）。3.2.2 驱动器型号选择根据步进电机型号选择驱动器型号为D306三相混合式步进电机驱动器。3.2.3 D306三相式混和步进电机驱动器介绍性能简介混合式步进电机采用稀土永磁材料制造，与反应式步进电机相比具有电磁损耗小，转换频率高，动态特性好等优点。混合式电机运行时相对平稳、噪音小，输出力矩大。混合式电机取代反应式电机是经济型数控系统的发展趋势。D306型号三相伺服混合式步进电机驱动器，具有以下特点：1、采用交流伺服控制原理，在控制方式上增加了全数字式电流环控制，三 相正弦电流驱动输出，使三相混合式电机低速无爬行，无共振区，噪音小。2、驱动器功放级的电压达到DC325伏，步进电机高速运转时仍然有高转矩 输出。3、具备短路、过压、欠压、过热等完善保护功能，可靠性高。4、具有细分和半流功能。有多种细分选择，最小步距角可设为0.036。5、适用面广，通过设置不同相电流可配置各种电机。电气技术参数输入电源AC220V -15% +10% 50/60Hz 5.8A(MAX)输出相电流1.2A-5.8A适配电机三相混合式步进电机工作环境050 1585%RH 不结露。无腐蚀性、易燃、易爆、导电性气体，液体和粉尘存放环境-2570 1585%RH 不结露驱动方式PWM（脉宽调制）恒流斩波，三相正弦电流输出步距角0.006、0.072、0.09、0.36、0.45、0.6、0.72、0.9对应电机每转脉冲6000、5000、4000、1000、800、900、500、400步距角设定DIP开关（DIP5、DIP6、DIP7）设定输入信号CP+/CP-；CW+/CW-；FREE+/FREE-；FINE输入电平5V 510mA 12V时串入1K电阻，24V时串入2.2K电阻。位置脉冲输入方式单脉冲方式：CP（脉冲）+CW（方向）脉冲宽度2.5S,脉冲频率200KHz（100000P/r时）输出信号ERR（报警提示）集电极开路输出状态指示红色LED-报警指示灯 蓝色LED-电源指示灯 绿色LED-脉冲指示灯 表3.2.1 电气技术参数接口信号定义表3.2.2接口信号定义接口信号说明：CP+/CP-（脉冲信号）：每个脉冲上升沿使电机转动一步，最小脉宽2.5S,最高接收频率200KHz。CW+/CW-（方向信号）：单脉冲控制方式时为方向控制信号输入接口，若CW为低电平，电机顺时针旋转，CW为高电平，电机逆时针旋转。双脉冲控制方式时为反转步进脉冲信号输入接口。方向信号切换时间10S。改变电机旋转方向可通过互换电机任意两相接线。FREE+/FREE-（脱机信号）脱机信号输入接口，脱机+与脱机-之间分别加高低电平，电机无相电流，电机转子处于不稳定的自由状态（脱机状态）；反之脱机+与脱机-之间分别加相同电平和不接，电机处于锁定状态。Vin外部电源输入端（仅需接ERR和FINE时所需）ERR报警信号输出接口。FINE当FINE为高电平时，细分功能有效，当FINE为低电平时，细分功能无效。当细分功能为无效时，电机每转的脉冲数为细分功能有效时的1/10。外观尺寸 图3.2.1 D306三相混合式步进电机驱动器外观尺寸3.2.4 步进电机与驱动器接线设计接线图 图3.2.2 步进电机与驱动器接线图 三相混合式步进电机 三个端子分别跟驱动器A.B.C相连，驱动器的AC端口接交流电源220V。3.3控制面板触摸屏选择3.3.1 触摸屏特点特点： 包含了较强功能且价格适中的触摸屏产品。 基于 Windows CE 操作系统适应未来的发展趋势。 可通过 MPI 及profibus-DP 与SIMATIC S7/M7 控制器相连，同时也可与基于PC 系统的WinAC 相连接。 免维护设计，背光管寿命高达50，000 小时。 可采用包括中文在内的全世界多种文字显示。 利用 SIMATIC ProTool/Lite V5.2 及以上版本和STEP7 Micro/Win 进行组态。 组态级定可直接移植到其它类似的SIMATIC 人机界的产品。3.3.2 触摸屏选择及介绍根据此次设计需要，选择TP170A型号的触摸屏。图3.3.1 TP170A触摸屏消息系统：消息数目1000个 消息长度1X70 每条消息过程值数目8个 消息缓冲器：循环缓冲，128个消息过程界面：文本对象250个 每个画面的变量1000个文本元素 图形对象：位图、图标、背景图画 动态对象：柱形统计图表变量：500个用户访问保护：多达32个在线语言：5种传送组态：串行/MPI应用“触摸你所看到的，就能得到您所需要的!”通过TP170A 触摸屏，您可以直接在屏幕上进行过程控制。操作简便、图形按钮及自解释说明等特点使您操作更加方便。特点TP170A 对图形进行快速响应 高对比度的STN 显示 CCFL 背光显示， 寿命超过4000060000 小时 可适用中文组态软件 CPI 和直接控制键可用为快速响应 可显示汉字 可组态的触摸按钮用于文本、状态指标、图形及图形状态指示 在Windows环境下使用ProTool软件进行组态 IP65 保护等级 可与多种 PLC 进行连接3.4 控制系统的I/O点及地址分配3.4.1 输入信号I/O点地址分配名称 代码 地址编号工作台零位传感器 BG1 I0.0工作台原位传感器 BG2 I0.1自动启动按钮 SF1 I0.2紧急停止按钮 SF2 I0.3工作台前进 SF3 I0.4工作台后退 SF4 I0.5左滑台前进 SF5 I0.6左滑台后退 SF6 I0.7右滑台前进 SF7 I1.0右滑台后退 SF8 I1.1左主轴电机启动 SF9 I1.2右主轴电机启动 SF10 I1.3选择点动 SF11 I1.4选择自动 SF11 I1.5工作台限位开关 BG11 I1.6左滑台快进/快退电机过载保护 FA1 I2.0右滑台快进/快退电机过载保护 FA2 I2.1左滑台工进电机过载保护 FA3 I2.2右滑台工进电机过载保护 FA4 I2.3左滑台主轴电机过载保护 FA5 I2.4右滑台主轴电机过载保护 FA6 I2.5左滑台超程保护限位开关 BG3 I2.6设备使能按钮 SF12 I2.7左滑台前限位开关 BG4 I3.0左滑台原位开关 BG5 I3.1左滑台快进转工进限位开关 BG6 I3.2右滑台前限位开关 BG7 I3.3右滑台原位开关 BG8 I3.4右滑台快进转工进限位开关 BG9 I3.5停车按钮 SF13 I3.6右滑台超程保护限位开关 BG10 I3.73.4.2 输出信号I/O点地址分配名称代码地址编号步进电机脉冲信号CPQ0.0步进电机方向信号CWQ0.1使能指示灯PG1Q0.4报警故障指示灯PG2Q0.5加工完成指示灯PG3Q0.7左滑台工进电机QA4Q1.0右滑台工进电机QA3Q1.1左滑台快进电机QA7Q1.2右滑台快进电机QA5Q1.3左滑台快退电机QA8Q1.4右滑台快退电机QA6Q1.5左主轴电机QA2Q2.0右主轴电机QA1Q2.23.5 PLC选型从上面分析可知系统共有开关量输入31个，开关量输出13个。参照西门子S7-200产品目录及市场实际价格，选用主机CPU224（14DC输入/10DC输出），扩展一个输入/输出混合扩展模块EM223（16DC输入/16继电器输出）和一个输入扩展模块EM221（8DC输入）。3.6 电气元件选型表序号代号名称型号数量描述1FA1-FA6熔断器触点GV2-ME08C62BG1-BG11接近开关ZCDEP20113SF11选择开关ALSS-22-214SF1-SF10启动按钮XB2-BA31C10绿色5SF11停车按钮XB2-BA41C1红色6PG1电源指示灯XB2-BVM3PC1绿色7PG2报警指示灯XB2-BVB4C1红色8PG3加工完成灯XB2-BVY3C1黄色9PG4使能指示灯XB2-BVM3PC1绿色10MA1步进电机110BYG350DH-0501111D306步进电机驱动器D306112CPU224可编程控制器CPU224 DC/DC113EM223扩展模块16DC/16继电器114EM221扩展模块8DC115LB电源滤波器ZYH-E116QA1-QA9交流接触器L01-A0910M5C117TP170A触摸屏6AV6545-0BA15-28X0118DY直流电源DYFY-1130124V19R电阻R42.2K3.7双面钻床电气控制系统原理图3.7.1 电气原理图 图3.7.1 电气原理图根据设计需求分析，需要6个三相异步电机和一个步进电机驱动，上图从右到左分别为：右滑台主轴电机、左滑台主轴电机、右滑台工进电机、左滑台工进电机、右滑台快进/快退电机、左滑台快退/快进电机、工作台步进电机，其中步进电机需要驱动器驱动。所有电机过载保护均采用熔断器保护。另外选择CPU224作为主机，扩展一个EM223混合输入输出扩展模块（16DC/16继电器）和一个EM221输入扩展模块(8DC)。选择TP170A型号触摸屏作为控制面板，整个电气图中所有限位开关均为接近开关。设计显示灯有：电源显示灯、报警显示灯、加工完成显示灯、使能指示灯。3.7.2 左右滑台快进快退电机接线图图3.7.2 左右滑台快进快退电气图左边一个为右滑台快进快退电机，右边是左滑台电机，当QA5、QA7接触器闭合时，左右滑台快进；当QA6、QA8接触器闭合时，左右滑台快退。此次采用正反转电路实现。3.7.3 左右滑台工进控制图3.7.3 左右滑台工进图图中左边为右滑台工进电机,右边为左滑台工进电机。当QA3、QA4闭合时左右两滑台工进。3.7.4 快进转工进左右两滑台快进转工进，分别通过两个电机实现。首先接触器QA5/QA7闭合，左右滑台快进，当压下快进转工进接近开关BG6/BG9时，接触器QA5/QA7断开，接触器QA3/QA4闭合工作台工进。需要注意的是快进电机和工进电机存在一定的差异，快进电机功率要大于工进电机。3.7.5 左右主轴电机转动下图中左边为右主轴电机，右边为左主轴电机。当QA1、QA2闭合后，电机开始旋转工作图3.7.4 左右两主轴电机3.7.6工作台步进电机驱动 步进电机三端分别与驱动器A/B/C相接，驱动器接交流电源220V，其中驱动器CP端输出脉冲信号，CW端为输出方向信号，高电平时正向，低电平时反向，FREE端为脱机信号，VIN为外部电源，FINE为细分信号。 当接触器QA9闭合时，驱动器接通，若控制CW为高电平，CP端输出信号，则步进电机正转，反之反转。若CP端部输出脉冲则步进电机停止。图3.7.5 步进电机4 双面钻床软件系统设计4.1 STEP7-Micro/WIN软件介绍STEP7-Micro/WIN是在WINDOWS平台上运行的S7-200系列PLC的专用编程软件，操作界面简单方便，能解决复杂的自动化任务，可快速进入，节省编程时间，其主要功能及特点如下。程序结构简单，通过一个主程序调用其他子程序或中断程序，保证了程序结构的清晰；可以用语句表(STL)和梯型图(LAD)编程；可以进行符号编程；通过符号表分配符号和绝对地址，并可打印输出；支持三角函数，开方，对数运算功能；指令集易学，指令由容易记的缩写组成。相同的指令只需稍加修改就可用于不同的功能(例如指令MOVE根据传送的方式不同有不同的形式)；易于使用的组态向导，包括文本显示器，PID控制器，CPU间的数据传输的通讯功能，高速计数器；可用于CPU硬件设置，包括扩展模块设置，输入延时，实时时钟设置，口令分配，通讯系统的网络地址设置等；二进制运算功能，包括移位、循环移位、转换、与、或、异或等逻辑运算，计数器、定时器设置，16位、32位整数运算，浮点数运算，比较指令运算，数值转换等；可在线、离线编程；通过键盘的快捷键可编辑全部功能，语句和程序段可使用剪切、粘贴和插入功能，可取消上一次操作，在用户程序中还可以查找文字和操作等6。进行PLC控制逻辑程序设计应遵循以下几个基本步骤。(1)分解被控对象或机器把要控制的对象或机器分解成相互独立的部分，这些分解将影响功能描述及资源的分配。(2)建立功能规范写出被控对象或机器的每部分的描述，它包括输入/输出点(I/O)、操作的功能描述、每个执行器(线圈、电机、驱动器等)的允许状态(执行前要满足的状态)、操作接口的描述、与被控对象或机器的其他部分的接口。(3)安全电路的设计控制设备在不安全的状态下出现故障，会造成不希望的启动或机器操作的变化。当不希望的或不正确的机器操作会造成人身伤害或严重的财产损失时，应该考虑采用和CPU独立的机电冗余来防止不安全的操作。在安全电路设计中应该考虑下面的任务：防止会造成危害的不适合的执行器操作；识别那些保证不危险操作的条件，并决定如何独立于CPU检测这些条件；当控制对象得电或断电时CPU和I/O如何影响控制对象；设计独立于CPU的手动或机电冗余来阻止危险的操作；向CPU提供独立电路的适当的状态信息，以便于程序员和操作界面得到所需要的信息；识别其它的和控制对象安全操作有关的安全要求。(4)详细说明操作站根据功能描述的要求建立操作站的配置图，包括：与控制对象或机器有关的每个操作站的位置总图、操作站的设备机械图(显示、开关、指示灯等)、与CPU或扩展模块有关的电气图。(5)建立PLC配置图根据功能描述的要求建立控制设备的配置图，包括控制对象或机器有关的每个CPU的位置图、CPU和扩展I/O模块的机械布局图(包括控制柜和其他设备)、每个CPU和扩展模块的电气图(包括设备型号，通讯地址和I/O地址)。(6)建立符号名表如果选择了符号名寻址，需要对绝对地址建立一个符号名表。符号名表不仅包括物理输入输出信号，也包括程序中用到的其他元件。为完成广泛的自动化任务，S7-200CPU提供许多类型的指令。在S7-200CPU中有两类基本指令:SIMATIC和IEC1131-3，当选用SIMATIC指令集时，用户可通过选择语句表(STL)编辑器、梯形图(LAD)编辑器、功能块图(FDB)编辑器来编辑程序。 IEC指令集不提供语句表编辑器7。利用梯形图编辑器可以建立与电气接线图等价的类似程序。梯形图程序让CPU仿真来自电源的电流通过一系列的输入逻辑条件，根据结果决定逻辑输出的允许条件。逻辑通常被分解成小的，容易理解的片，这些片通常被称为“梯级”或“段”，程序一次执行一个段，从左到右，从上到下，一旦CPU执行到程序的结尾，又从上到下重新执行程序。梯形图用图形符号表示的指令包括三个基本形式：触点代表逻辑“输入”条件，例如，开关，按钮，内部条件等；线圈通常代表逻辑“输出”结果，例如，灯，电机启动器，中间继电器，内部输出条件等；盒代表附加指令，例如，定时器，计数器或数学运算指令。梯形图易于理解，世界通用，直观性好，调试程序时各触点通断及输出线圈状态均可通过程序一眼看出。 利用功能块图编辑器可以可以查看到像普通逻辑门图形的逻辑盒指令。它没有梯形图编辑器中的触点和线圈，但是有与之等价的指令，这些指令是作为盒指令出现的。程序逻辑由这些盒指令之间的连接决定。也就是说，一个指令(例如AND盒)输出可以用来允许另一条指令（例如定时器），这样可以建立所需要的控制逻辑8。图形逻辑门表示格式有利于程序流的跟踪。4.2双面钻床电气控制系统程序设计4.2.1 双面钻床电气系统流程图 图4.2.1 自动启动系统流程图首先启动系统包括输入加工孔数目、孔间距、第一孔到定位端面距离，启动后工作台前进到零位，当压下零位传感器，工作台后退到第一个待加工孔位置（工作台由步进电机控制），当到达位置时左右滑台快进，当左右滑台压下快进转工进开关时，左右滑台工进，同时左右两主轴电机旋转，开始钻孔加工。当左右滑台压下前进限位开关时，立刻停止前进，左右滑台开始快退。当左右滑台快退压下原位传感器时，左右两主轴电机停止运转，待加工孔数目减一，同时系统判断是否为零。若为零，则表明加工完成，工作台退回到原位，设备停止运转。若不为零，则继续加工，工作台前进一孔间距，然后左右滑台快进继续加工，重复上面动作，直到加工完成。4.2.2 电气控制系统自动点动选择程序图4.2.2 点动自动选择程序图V1.5为自动选择按钮，V1.4为手动按钮。M0.1 与 M0.2分别为相应辅助继电器动作输出，他们两个相互锁，只能选择其中一种方式。4.2.3 工作台点动前进图4.2.3 工作台电动前进程序其中P为取上升沿，V0.4为工作台前进点动，没按一次，取一次上升沿，PLC开始输出脉冲，工作台前进一定距离；N为取下降沿，当松开按钮时，下降沿到来，PLC停止输出脉冲，工作台停止前进。从而实现点动控制。4.2.4 工作台点动后退图4.2.4 工作台点动后退程序工作台后退与前进一样也是通过取上升沿，PLC输出脉冲工作台后退；下降沿时，PLC停止输出脉冲，工作台停止。其中工作台的前进与后退按钮互锁，保证其只能实现一个方向动作，不会两个方向同时动作。4.2.5 左滑台快进/工进图4.2.5 左滑台快进工进程序V0.6为左滑台快进按钮，当按下V0.6时，其值为ON，M0.3为ON，Q1.2也为ON，此时左滑台快进电机接通滑台实现快进，当左滑台压下快进转工进传感器时左滑台变成工进，当压下限位开关V3.2时，滑台停止前进。4.2.5 左滑台快退图4.2.6 左滑台快退程序V0.7为快退按扭，当按下V0.7时，Q1.4为ON，反转电机接通左滑台快退。其中快进与快退不能同时进行，因此需要互锁。4.2.6 右滑台快进/工进图4.2.7 右滑台快进/工进程序右滑台快进/工进与左滑台相同4.2.7 右滑台快退右滑台快退与左滑台相同图4.2.8 右滑台快退程序4.2.8 左右主轴电机工作图4.2.9 左右主轴电机工作程序V1.2、V1.3分别为左右主轴电机控制按钮，当按下按钮时，Q2.0、Q2.2为ON，点击旋转开始工作。4.2.9故障指示灯Q0.5为报警指示灯，当V2.0-V3.0中任意一个闭合时,报警指示灯亮。即当电机过载是就会产生报警。图4.2.10 报警程序4.2.10 自动启动梯形图图4.2.11 自动启动梯形图4.3 PLC程序仿真与调试程序的模拟调试 将设计好的程序写入PLC后，首先逐条仔细检查，并改正写入时出现的错误。用户程序一般先在实验室模拟调试，实际的输入信号可以用钮子开关和按钮来模拟，各输出量的通断状态用PLC上有关的发光二极管来显示，一般不用接PLC实际的负载(如接触器、电磁阀等)。可以根据功能表图，在适当的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号，如限位开关触点的接通和断开。对于顺序控制程序，调试程序的主要任务是检查程序的运行是否符合功能表图的规定，即在某一转换条件实现时，是否发生步的活动状态的正确变化，即该转换所有的前级步是否变为不活动步，所有的后续步是否变为活动步，以及各步被驱动的负载是否发生相应的变化。 在调试时应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、有选择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。发现问题后应及时修改梯形图和PLC中的程序，直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。 如果程序中某些定时器或计数器的设定值过大，为了缩短调试时间，可以在调试时将它们减小，模拟调试结束后再写入它们的实际设定值。 在设计和模拟调试程序的同时，可以设计、制作控制台或控制柜，PLC之外的其他硬件的安装、接线工作也可以同时进行。5 双面钻床监控系统设计5.1力控组态介绍5.1.1 组态软件的概念 组态软件是完成数据采集与过程控制的专用软件，它以计算机为基本工具，为实施数据的采集、过程监控、生产控制提供了基础平台和开发环境。组态软件功能强大，使用方便，其预置了各种软件模块可以非常容易的实现监控层的各项功能，并可以向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，使用组态软件可以方便的，快速的进行系统的集成，构建不同需求的数据采集与监控系统9。5.1.2 力控组态软件的组成 力控组态软件由以下几部分组成： 工程管理器 用于创建、删除、备份、恢复、选择、管理当前工程的功能。 开发系统（Draw） 开噶系统是一个集成环境，可以创建工程画面、配置各种系统数据、启动力控其他程序组件。 界面运行系统（view） 界面运行系统是用来运行由开发系统Draw创建的画面、脚本、动画连接等工程。 实时数据库（DB） 实时数据库是力控软件系统的数据处理核心，构建分布式应用系统的基础。它负责实时数据处理，历史数据存储、统计数据处理、报警处理、数据服务请求处理。 I/O驱动程序（I/O Server） I/O驱动程序负责力控与I/O设备的通信。它将I/O设备寄存器中的数据读出后，传送到力控的数据库，然后在界面运行系统的画面上动态显示。 网络通信程(NetClient/NetServer) 网络通信程序采用TCP/IP通信协议，可以利用Intranet/Internet实现不同网络节点上力控之间的数据通信。 通信程序（PortServer） 通信程序支持串口、电台、拨号、移动网络通信。通过力控在两台计算机之间使用RS232接口，实现一对一的通信；如果使用RS485总线，还可实现一对多的通信，同时