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PLC在组合机床中的应用郑州轻院轻工职业学院专科毕业设计（论文） 题 目 PLC在组合机床中应用学生姓名 李家重 专业班级 07电子信息（三）班 学 号 07010301105 系 别 机电工程系 指导教师(职称) 王梅 完成时间 2010年4月11日 PLC在组合机床中的应用摘 要为了充分发挥设备效能，迅速提升加工技术与精度，越来越多的企业每年投入大量资金和技术对传统老式组合机床进行技术改造，取得了良好的效果。用PLC模块、变频驱动技术、操控监控设备等组成电气数字控制系统，以实现编程输入、人机交互、自动化加工的控制方式，扩大加工能力，减少故障，提高效率，已成为企业进行技术改造的有效途径。论文以A7-39组合机床的数控化改造为背景，概述了组合机床数控化改造的设计方案与应用技术，并对PLC的发展与应用作了简要介绍。论文介绍了PLC编程特点和方式，重点以三菱FX2N型PLC为例，介绍了PLC编程环境，并对A7-39组合机床应用编程作了阐述。论文还进一步阐述了PLC接口与通信技术，介绍了FX2N系列PLC的网络协议，另外对人机界面HMI也做了论述。关键词： PLC/编程技术/组合机床 PLC for Machine Tool ApplicationsABSTRACTMore and more financing and technology are plough into the tradition machine for exerting efficiency and prompting precision rapidly, acquire well impression. Now it become efficiency approach for corporation reconstructive，by numeric control systemcomposing PLC module frequency and conversion control and inspect equipment carry out programme import and automatization control，to reduce trouble and improve efficiency.The paper summarize the design project and application technology in machine numeric control system, and introduce the PLC development and application in simply, by the machine numeric control system reconstructive.The paper introduce the PLC programme specialty and mode，emphases the STEP7- Micro/Win 32 design project and application technology for example FX2N PLC. Combined to apply the plait distance to make to elaborate to A7-39 pair pillarses sign type lathe.And the paper introduces the PLC interface technology，network protocol FX2N and the HMI.KEY WORDS: PLC/programming/ Modular Machine Tool目 录1概述 12 组合机床的简介1 2.1 组合机床概述 12.2 组合机床的特点 12.3 组合机床装配模型32.4 组合机床及其体系结构的发展现状62.5 组合机床结构 62.6 组合机床的基本配置73 电气控制系统设计7 3.1 PLC简介.73.2 PLC的产生.73.3 PLC的特点 83.4 PLC的结构和工作原理93.5 PLC程序的表达方式113.6 PLC模块选型及介绍 123.7 元件功能及 I/O地址分配 164 PLC控制系统设计 164.1 系统设计的主要内容 164.2 系统设计的基本步骤 174.3 PLC设计的基本原则204.4 PLC的型号及I/O分配表214.5 PLC控制的程序设计224.6 PLC 控制梯形图 23致谢 26结束语参考文献 271概述为了充分发挥设备效能，迅速提升加工技术与精度，越来越多的企业每年投入大量资金和技术对传统老式组合机床进行技术改造，取得了良好的效果。用PLC模块、操控监控设备等组成电气数字控制系统，以实现编程输入、人机交互、自动化加工的控制方式，扩大加工能力，减少故障，提高效率，已成为企业进行技术改造的有效途径。普通车床是应用非常广泛的金属切削工具，目前采用传统的继电器控制的普通车床在中小型企业仍大量使用。由于继电器系统接线复杂，故障诊断与排除困难，并存在：触点易被电弧烧坏而导致接触不良，机械方式实现的触点控制反映速度慢，继电器的控制功能被固定在线路中，功能单一、 灵活性差等缺点。因而造成了这些企业的生产率低下，效益差，反过来这些企业又没有足够的资金购买新的数控车床。因此，当务之急就是对这些普通车床进行技术改造，以提高企业的设备利用率，提高产品的质量和产量。由于可编程控制器（PLC）具有：通用性、适应性强，完善的故障自诊断能力且维修方便，可靠性高及柔性强等优点，且小型PLC的价格目前亦很便宜，因此在普通车床的控制电路改造中发挥了及其重要的作用。2 组合机床的简介2.1 组合机床概述组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。由于通用部件已经标准化和系列化，可根据需要灵活配置，能缩短设计和制造周期。因此，组合机床兼有低成本和高效率的优点，在大批、大量生产中得到广泛应用，并用以组成自动生产线组合机床一般用于加工箱体类或特殊形状的零件。加工时，工件一般不旋转，由刀具的旋转运动和刀具与工件的相对进给运动，来实现钻孔、扩孔、锪孔、铰孔、镗孔、铣削平面、切削内外螺纹以及加工外圆和端面等。有的组合机床采用车削头夹持工件使之旋转，由刀具作进给运动，也可实现某些回转体类零件(如飞轮、汽车后桥半轴等)的外圆和端面加工。2.2 组合机床的特点2.2.1组合机床的配置形式组合机床的形式很多，根据工件的不同加工要求，采用各种结构的通用部件和专用部件，就可灵活的组合成各种不同配置形式的组合几床。按工位数的不同，组合机床可分为单工位组合机床和多工位组合机床两大类。2.2.2.1单工位组合机床图2.1为单工位配置的组合机床。在这种机床上加工时工件安装在机床的固定夹具里不动，由动力部件移动来完成各种加工。这类机床能保证较高的位置精度，适用于大、中型箱体类零件的加工。图2.1 单工位组合机床2.2.2.2多工位组合机床 图2.2为多工位配置的组合机床。加工时，工件借助夹具顺次地由一个工位输送到下一个工位。多工位组合机床适用于大批、大量生产中加工较复杂的中、小型零件。 图2.2 多工位组合机床组合机床最适宜于加工各种大中型箱体类零件，如气缸体、气缸盖、变速箱箱体、电机座及仪表壳等零件，也可用来完成 轴套类、转盘类、叉架类和盖板类零件的部分或全部工序的加工。目前组合机床主要用于平面加工和孔加工2类工序。平面加工包括铣平面、锪（刮）平面、车端面；孔加工包括钻、扩、铰、镗孔及倒角、切槽、攻螺纹、锪沉孔、液压孔等。随着自动化的发展，组合机床的工艺范围已扩展到车外圆、行星铣削等工序。组合机床具有如下特点： 主要用于加工箱体类零件和杂件的平面和孔； 生产率高； 加工精度稳定； 研制周期短便于设计、制造和使用维护，成本低； 自动化程度高，劳动强度低； 配置灵活。 2.3 组合机床装配模型装配模型是一种描述整个产品信息的数据结构，它能反映产品的功能需求、结构装配关系以及参数约束等各方面的信息，不仅能支持产品设计，还能支持产品的制造、装配等后续的各种生产环节。2.3.1组合机床功能需求分析和描述所设计的组合机床功能主要反映在它所完成的加工工艺上，因而，组合机床的功能需求可通过加工工艺信息进行描述。组合机床的加工工艺信息包括加工工艺面、工艺类型、精度要求，以及各加工工艺面中各个加工元素的几何形状和位置信息等。这里所说的加工工艺面不是通常所指的几何表面，而是指几何表面上所完成的工艺内容，这样一个几何表面可能会有铣削、钻削、攻螺纹等多个加工工艺面。这种加工工艺面能与机床结构中的加工单元建立起一一对应的关系，如铣削加工工艺面、孔加工工艺面、攻螺纹工艺面等。组合机床功能除了需完成的工艺内容之外，还包括工件的装夹、照明、冷却等辅助功能，它们也将与组合机床的夹具和其它的辅助装置建立一一对应的关系。2.3.2装配关系描述机械产品是由具有层次关系的零部件所组成的系统。一个部件可以分解成若干零件或子部件，子部件还可再分解成若干更下层的零件和子部件。表现在装配次序上，就是先由零件组装成部件，然后参与整机的装配。这种层次性的装配关系可用如图1所示的装配树进行表示。由图2.3可见，一台组合机床可由若干个加工单元和电气、液压、夹具等主辅部件组成，各个加工单元又可分为侧底座、滑台、动力箱等部件。装配关系树中的连线表示父结点与子结点之间的隶属关系，而结点表示各个加工单元或零部件的具体描述。图2.3组合机床装配树2.3.3零部件间参数约束关系的描述零部件间参数约束关系可以反映在两个方面：其一为零部件相互位置约束关系，其二为零部件间的可配套约束关系。对于零部件间位置约束关系的描述首先需要确定一个基准件，该基准件应是与其它零件部件发生关系最多的一个零件或部件。以该基准件为核心，分别描述其它零部件的位置关系，便可建立该产品各个零部件之间位置约束关系模型。对于组合机床整机而言，各个加工单元都是相对于中间底座或工作台布置的，因而可将中间底座作为基准件来处理；而对于各个加工单元来说，则可以侧底座或立柱底座作为基准件来描述该加工单元内各零部件之间位置约束关系。组合机床标准化、系列化程度较高，在组合机床设计标准中，提供了各通用部件间可供选择的配套关系表。利用该配套关系表作为组合机床的配套性约束，以它作为正确选择所需零部件的导航准则。2.3.4面向对象的组合机床装配模型的定义面向对象的技术是用计算机分析和解决问题的一种新方法，它具有封装、继承和重载等特性，为产品装配模型的描述和定义提供了一个新的思路。面向对象的技术将具有相同的结构、相同的操作，并遵循相同约束规则的对象构成一个类，在同一类中的各个对象都具有相同的属性。因而，可将组合机床定义为一个类，而所设计的每一台具体机床则是该类的一个对象。这种组合机床类是一个复杂的类，它由各种不同的属性所构成。每种属性又包含不同的子类，子类又有子类，形成一种类的层次关系。下面是以类定义的组合机床装配模型，在该装配模型中包含如下的属性：组合机床类管理属性：机床名称、图号、设计者、设计说明、日期等；工件属性：工件名称、材料、材料特性、定位基准，CGS文件指针；功能属性：加工工艺面类标识、方位、工艺类型，加工孔类标识、坐标、孔类型、形状参数等；装夹、冷却、照明及其它辅助功能；工艺属性：切削用量类；刀具类；支承导向类；结构属性：加工单元类标识、方位，部件类；装配关系和位置约束；工作台或中间底座类；夹具类；辅助装配类；装配关系和位置约束；(1)管理属性：包括机床名称、图号、设计者、设计说明等；(2)工件属件：工件是组合机床设计的基础，也是产生工序图的依据，除了工件名称、材料等特性之外，还应包括工件造型的CSG文件指针、定位基准等信息；(3)功能属性：如第3.1节所述，这里主要以加工工艺面类描述所设计机床的功能需求；(4)工艺属性：工艺属性包括切削用量、切削刀具以及刀具的支承导向等工艺内容。工艺属性和功能属性具有某种对应关系，例如：工艺面中每一加工元素(譬如加工孔)，都应有相应的刀具、切削用量，以及支承导向与之对应。(5)结构属性：该属性应能反映出整个机床的配置、布局和装配约束关系。对于机床整体而言，包含有各加工单元、工作台或中间底座、夹具、电气液压系统和其它辅助装置，以及它们之间的装配关系和约束关系；而对于每一加工单元，则又有各个通用和专用部件组成，这些部件又有自身的装配和约束关系，每个部件又有多种零件组成，从而构成了一个具有层次结构的装配树。2.4 组合机床及其体系结构的发展现状2.4.1 行业企业产品结构的变化组合机床行业企业主要针对汽车、摩托车、内燃机、农机、工程机械、化工机械、军工、能源、轻工及家电行业提供专用设备，随着我国加入WTO后与世界机床行业进一步接轨，组合机床行业企业产品开始向数控化、柔性化转变。从近两年的企业生产情况看，数控机床与加工中心的市场需求量在上升，而传统的钻、镗、铣组合机床则有下降趋势，中国机床工具工业学会的机床工具行业企业主要经济指标报表的统计数据显示，仅从几个全国大型重点企业生产情况看，2000年生产数控机床590台，产值10?731万元，生产加工中心118台，产值4?601万元； 2001年生产数控机床685台，产值17?969万元，生产加工中心129台，产值5?760万元；而2002年，截至9月份，数控机床、加工中心产量、产值已接近2001年全年水平，故市场在向数控、高精制造技术和成套工艺装备方面发展。2.4.2 行业企业体制的快速转变 “九五”后期，在组合机床行业企业的50余家组合机床分会会员中，仅有两家企业实行了股份制改造，一家企业退出国有转为民营，其余都是国有企业。而从2001年至今，不到两年的时间里，就先后有十几家企业实行股份制改造，一些小厂几乎全部退出国有转为民营，现在一些国家重点国有企业也在酝酿股份制改造，转制已势不可挡，“民营经济在经历了从被歧视、被藐视到不可小视和现在的高度重视4个阶段后，焕发勃勃生机。”组合机床行业企业正在以股份制、民营化等多种形式快速发展。2.5 组合机床结构 通用部件按功能可分为动力部件、支承部件、输送部件、控制部件和辅助部件五类。动力部件是为组合机床提供主运动和进给运动的部件。主要有动力箱、切削头和动力滑台。支承部件是用以安装动力滑台、带有进给机构的切削头或夹具等的部件，有侧底座、中间底座、支架、可调支架、立柱和立柱底座等。输送部件是用以输送工件或主轴箱至加工工位的部件，主要有分度回转工作台、环形分度回转工作台、分度鼓轮和往复移动工作台等。控制部件是用以控制机床的自动工作循环的部件，有液压站、电气柜和操纵台等。辅助部件有润滑装置、冷却装置和排屑装置等。 2.6 组合机床的基本配置 组合机床的通用部件按功能分为动力部件、支承部件、输送部件、控制部件和辅助部件5类。动力部件为机床提供主运动和进给运动，主要有动力箱（将电动机的旋转运动传递给主轴箱）、切削头（装在各个主轴上，用于各单一工序的加工）、动力滑台（用于安装动力箱或切削头，以实现进给运动）；支承部件用以安装动力滑台，包括各种底座和支架；输运部件用以输送工件或主轴箱至加工工位；控制部件用以控制机床的自动工作循环；辅助部件包括润滑、冷却和排屑装置等。根据配置型式，组合机床可分为单工位和多工位两大类。其中单工位组合机床按被加工面的数量又有单面、双面、三面和四面4种，通常只能对各个加工部位同时进行一次加工；多工位组合机床则有回转工作台式、往复工作台式、中长立柱式和回转鼓轮式4种，能对加工部位进行多次加工。 组合机床一般可完成的工艺范围有：铣平面、刮平面、车端面、车锥面、钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、倒角、切槽、以及加工螺纹、滚压、拉削、磨削、抛光等。3 电气控制系统设计 3.1 PLC简介在组合机床自动线中，一般根据不同的加工精度要求设置三种滑台（1）液压滑台，用于切削量大，加工精度要求较低的粗加工工序中；（2）机械滑台，用于切削量中等，具有一定加工精度要求的半精加工工序中；（3）数控滑台，用于切削量小，加工精度要求很高的精加工工序中。可编程控制器（简称PLC）以其通用性强、可靠性高、指令系统简单、编程简便易学、易于掌握、体积小、维修工作少、现场接口安装方便等一系列优点，被广泛应用于工业自动控制中。特别是在组合机床自动生产线的控制及CNC机床的S、T、M功能控制更显示出其卓越的性能。PLC控制的步进电机开环伺服机构应用于组合机床自动生产线上的数控滑台控制，可省去该单元的数控系统使该单元的控制系统成本降低7090%，甚至只占用自动线控制单元PLC的35个I/O接口及键两次，即可显现出侦错号码，另外亦可由D1004来显示值。侦错号码请参考功能说明。 CPU错误指示：ERROR灯亮。 当cpu因外来噪声或异物侵入而失控，或程序执行时间超过0.1秒时，CPU，ERROR将点亮。在PLC电源0N状况下，插拔内存卡匣也会使CPU-LED点亮。 关掉电源一会儿再打开电源，然后再使PLC运转。若此时PLC可正常运转，请检查可能发生的噪声源，或PLC内部有否异物侵入。 PLC接地线至少2平方 (AWG14)尽量使接地线长度缩短，建议采用Class接地(接地阻抗低于100?如果因接地不正确而使PLC功能不正常请将接地线自端子拆除，此时需将主机与扩充机之接地端子连接在一起。 当地线自PLC拆除时，若错误指示由CPU-LED变成PROG.E时，请查看程序之执行周期时间是否过长(超过100ms以上)?执行周期时间存放在资料缓存器D1012。 （7）输入信号显示： 输入信号ON/OFF状态由输入指示灯显示，也可由Hpp或计算机联机画面叫出监控。 当输入开关之ON定格电流过大时，输入开关会发生接触不良的情况请注意。 输入开关并接指示灯作输入显示时，请注意当开关OFF时，PLC仍会因为并皆知指示灯之残余电流的关系，造成PLC输入点无法OFF而形成误动作。 凡是比程序执行时间短之外部输入点ON/OFF，CPU无法有效的抓取。 PLC主机或I/0扩充机座上之DC24V电源供应端过负载或短路时，内部保护回路会自动的将电压降低而造成PLC停机。此种情况下，请将24+之配线全部拿开再检查配线。 千万不要在输入端外加电压，尤其是AC 110V/220V将造成输入回路烧毁。 主机与I/O扩充机座之输入端子台是可自由插入/拔除的。 （8）输出信号显示。若输出负载未能依LED状态的ON/OFF动作可能原因有： 输出接点因过载或短路造成接点损坏或不良。 主机或扩充机端子台是可拆式，有可能接触不良，重新再锁紧。 外加之电源线路有问题。 3.6.2.2日常维护检查 （1）锂电池寿命约5年，需更换。 （2）输出接点电流较大或O N/OFF频繁者要注意接点寿命，检查更换。 （3）PLC使用于振动机械上时要注意端子的松动现象。 （4）注意Plc的外围温度( O-55方)湿度(35-85%RH不结露)及粉尘。 （5）锂电池电压太低，面板上BATT.low灯会亮，虽然程序尚可保持一月以上。 （6）更换电池方法步骤：切电源、取下上盖板、拔下旧电池、30秒内插上新电池、固定新电池并盖好上盖板。3.7 元件功能及 I/O地址分配PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA0-20mA）、电压型（0-10V0-5V-10-10V）等，按精度分，有12bit14bit16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。4 PLC控制系统设计4.1 系统设计的主要内容 （1）拟定控制系统设计的技术条件。技术条件一般以设计任务书的形式来确定，它是整个设计的依据； （2）选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构； （3）选定 PLC 的型号； （4）编制 PLC 的输入 / 输出分配表或绘制输入 / 输出端子接线图； （5）根据系统设计的要求编写软件规格说明书，然后再用相应的编程语言（常用梯形图）进行程序设计； （6）了解并遵循用户认知心理学，重视人机界面的设计，增强人与机器之间的友善关系；（7）设计操作台、电气柜及非标准电器元部件； （8）编写设计说明书和使用说明书； 根据具体任务，上述内容可适当调整。 4.2 系统设计的基本步骤 可编程控制器应用系统设计与调试的主要步骤，如图 1 所示。 图 1 可编程控制器应用系统设计与调试的主要步骤 （1）深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求 a 被控对象就是受控的机械、电气设备、生产线或生产过程。 b 控制要求主要指控制的基本方式、应完成的动作、自动工作循环的组成、必要的保护和联锁等。对较复杂的控制系统，还可将控制任务分成几个独立部分，这种可化繁为简，有利于编程和调试。 （2）确定 I/O 设备 根据被控对象对 PLC 控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯、电磁阀等。 （3）选择合适的 PLC 类型 根据已确定的用户 I/O 设备，统计所需的输入信号和输出信号的点数，选择合适的 PLC 类型，包括机型的选择、容量的选择、 I/O 模块的选择、电源模块的选择等。 （4）分配 I/O 点 分配 PLC 的输入输出点，编制出输入 / 输出分配表或者画出输入 / 输出端子的接线图。接着九可以进行 PLC 程序设计，同时可进行控制柜或操作台的设计和现场施工。 （5）设计应用系统梯形图程序 根据工作功能图表或状态流程图等设计出梯形图即编程。这一步是整个应用系统设计的最核心工作，也是比较困难的一步，要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。 （6）将程序输入 PLC 当使用简易编程器将程序输入 PLC 时，需要先将梯形图转换成指令助记符，以便输入。当使用可编程序控制器的辅助编程软件在计算机上编程时，可通过上下位机的连接电缆将程序下载到 PLC 中去。 （7）进行软件测试 程序输入 PLC 后，应先进行测试工作。因为在程序设计过程中，难免会有疏漏的地方。因此在将 PLC 连接到现场设备上去之前，必需进行软件测试，以排除程序中的错误，同时也为整体调试打好基础，缩短整体调试的周期。 （8）应用系统整体调试 在 PLC 软硬件设计和控制柜及现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，如果控制系统是由几个部分组成，则应先作局部调试，然后再进行整体调试；如果控制程序的步序较多，则可先进行分段调试，然后再连接起来总调。调试中发现的问题，要逐一排除，直至调试成功。 （9）编制技术文件 系统技术文件包括说明书、电气原理图、电器布置图、电气元件明细表、 PLC 梯形图。4.3 PLC设计的基本原则4.3.1.最大限度地满足被控对象的控制要求 充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。 4.3.2 保证PLC控制系统安全可靠 保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。 4.3.3力求简单、经济、使用及维修方便 一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。 4.3.4适应发展的需要 由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。4.4 PLC的型号及I/O分配表根据组合机床的电气控制、液压系统原理，设备要求的输入/输出均为开关量，分析输入、输出点数，选择了日本OMRON公司的CPM1A-40CDR型的P