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基于PLC的多工位组合机床的控制系统设计论文.doc

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关键词：: 基于 plc 多工位组合机床控制系统设计全套 cad 图纸毕业论文原创资料

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摘要

组合机床及其自动线在当今机械制造业中扮演着越来越重要的角色，其技术性能和综合自动化水平在很大程度上决定着相关部门的发展。随着科学技术的不断发展，传统的以继电器控制为基础的组合机床愈加与先进生产力不相适应，在这种情况下，可编程序控制技术以其灵活性好，可靠性高，通用性强，逐渐取代了继电器控制方式，成为当代工业控制的主要发展方向。

本论文详细叙述了组合机床的PLC控制系统的设计,分析了系统的主电路及控制电路图，并根据系统运行要求，确定了机床及控制系统的元件型号，作出了PLC的外部接线图。

文本利用西门子S7-200PLC分别从全线自动，单机半自动，单机手动三种工作方式对装卸、打中心孔、钻孔、倒角、扩孔以及铰孔加工六工位组合机床的程序的设计。

关键词：组合机床 PLC 程序设计

ABSTRACT

Combination machine tools and automatic line plays a more and more important role in today's machinery manufacturing industry, the technical performance and the comprehensive automation level decides the development of relevant departments in the very great degree. With the development of science and technology, the traditional based on relay control combined machine tool cannot adapt to the advanced productivity, in this case, the programmable control technology for its good flexibility, high reliability, strong universality, gradually replaced the relay control, has become the main direction of development of modern industrial control.

This paper describes the design of the PLC modular machine tool control system, analyzes the main circuit and control circuit diagram, and according to the system operation requirements, the machine and the control system component model, make the external wiring diagram of PLC.

The Siemens S7-200PLC respectively from the automatic, semi-automatic machine, design program of stand-alone manual three kinds of work for loading and unloading, the center hole drilling, drilling, chamfering, reaming and reaming six station combination machine.

Keywords: combination of machine tool of PLC program design

目　录

摘要I

ABSTRACTII

第1章绪论1

1.1 课题研究的意义1

1.2 国内组合机床控制系统的发展现状及趋势2

1.3 PLC技术的发展及趋势3

1.4 本文的设计任务4

第2章组合机床工作原理及方案论证5

2.1 组合机床的工艺流程5

2.2 控制系统体系结构分析6

2.2.1 系统结构分析6

2.3 控制方案论证6

2.4 西门子STEP 7简介9

2.5 本章小结12

第3章组合机床系统硬件设计13

3.1 组合机床控制系统结构组成13

3.2 PLC和I/O扩展模块的选型13

3.4 I/O点及数据储存地址分配13

3.4 系统电气原理图的设计15

3.5 本章小结17

第4章组合机床系统软件设计18

4.1 系统程序设计方法18

4.2 PLC程序的设计19

4.3 PLC程序的说明24

第5章总结与展望28

5.1 总结28

5.2 展望28

参考文献29

致谢30

第1章绪论

1.1 课题研究的意义

机床是制造产品的机械，也称作为工作的母体，是装备制造业的核心设备。最初的机床是由蒸汽机集中提供的能源，此时可以进行车削、钻削、铣削齿轮加工等工艺但是精度和效率都很低，交流电动机的问世，机床开始有电力拖动，通过齿轮变速，因此，大大地改善了机床的效率和精度，此时出现了组合机床，但机床都采用传统的继电器控制，继电器控制方式虽有结构简单，价格便宜的优点，但存在着触头易磨损，寿命短的缺点。特别是在更换产品时更加容易磨损。随着人们对生产要求的进一步的提高，已继电器控制的组合机床已不适应社会的需要。这时出现了以计算机技术和电子机械技术的不断发展，从而缓解了这一现象，此时出现了以PLC控制的组合机床。它是充分利用计算机技术和电子技术与机械电子，以软件代替部分硬件，以电子器件代替部分机械传动，从而提高了机床的性能。

目前一般企业都拥有一定数量的用继电器控制的组合机床。继电器控制方式虽然有结构简单、价格便宜的优点，但存在着接触器触点磨损快、寿命短、可靠性差等缺点。特别是在更换产品而改变动作循环时，需重新设计、安装、调试，不能适应现代生产要求。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。

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内容简介：: 本科毕业设计说明书 I 摘要组合机床及其自动线在当今机械制造业中扮演着越来越重要的角色，其技术性能和综合自动化水平在很大程度上决定着相关部门的发展。随着科学技术的不断发展，传统的以继电器控制为基础的组合机床愈加与先进生产力不相适应，在这种情况下，可编程序控制技术以其灵活性好，可靠性高，通用性强，逐渐取代了继电器控制方式，成为当代工业控制的主要发展方向。本论文详细叙述了组合机床的 PLC 控制系统的设计 ,分析了系统的主电路及控制电路图，并根据系统运行要求，确定了机床及控制系统的元件型号，作出了 PLC 的外部接线图。文本利用西门子 S7-200PLC 分别从全线自动，单机半自动，单机手动三种工作方式对装卸、打中心孔、钻孔、倒角、扩孔以及铰孔加工六工位组合机床的程序的设计。关键词：组合机床 PLC 程序设计 nts本科毕业设计说明书 II ABSTRACT Combination machine tools and automatic line plays a more and more important role in todays machinery manufacturing industry, the technical performance and the comprehensive automation level decides the development of relevant departments in the very great degree. With the development of science and technology, the traditional based on relay control combined machine tool cannot adapt to the advanced productivity, in this case, the programmable control technology for its good flexibility, high reliability, strong universality, gradually replaced the relay control, has become the main direction of development of modern industrial control. This paper describes the design of the PLC modular machine tool control system, analyzes the main circuit and control circuit diagram, and according to the system operation requirements, the machine and the control system component model, make the external wiring diagram of PLC. The Siemens S7-200PLC respectively from the automatic, semi-automatic machine, design program of stand-alone manual three kinds of work for loading and unloading, the center hole drilling, drilling, chamfering, reaming and reaming six station combination machine. Keywords: combination of machine tool of PLC program design nts本科毕业设计说明书 III 目录摘要 . I ABSTRACT . II 第 1 章绪论 . IV 1.1 课题研究的意义 . IV 1.2 国内组合机床控制系统的发展现状及趋势 . V 1.3 PLC 技术的发展及趋势 . VI 1.4 本文的设计任务 . VII 第 2 章组合机床工作原理及方案论证 . 8 2.1 组合机床的工艺流程 . 8 2.2 控制系统体系结构分析 . 9 2.2.1 系统结构分析 . 9 2.3 控制方案论证 . 9 2.4 西门子 STEP 7 简介 . 12 2.5 本章小结 . 15 第 3 章组合机床系统硬件设计 . 16 3.1 组合机床控制系统结构组成 . 16 3.2 PLC 和 I/O 扩展模块的选型 . 16 3.4 I/O 点及数据储存地址分配 . 16 3.4 系统电气原理图的设计 . 18 3.5 本章小结 . 20 第 4 章组合机床系统软件设计 . 21 4.1 系统程序设计方法 . 21 4.2 PLC 程序的设计 . 22 4.3 PLC 程序的说明 . 27 第 5 章总结 . 31 参考文献 . 32 致谢 . 33 nts本科毕业设计说明书 IV 第 1 章绪论 1.1 课题研究的意义机床是制造产品的机械，也称作为工作的母体，是装备制造业的核心设备。最初的机床是由蒸汽机集中提供的能源，此时可以进行车削、钻削、铣削齿轮加工等工艺但是精度和效率都很低，交流电动机的问世，机床开始有电力拖动，通过齿轮变速，因此，大大地改善了机床的效率和精度，此时出现了组合机床，但机床都采用传统的继电器控制，继电器控制方式虽有结构简单，价格便宜的优点，但存在着触头易磨损，寿命短的缺点。特别是在更换产品时更加容易磨损。随着人们对生产要求的进一步的提高，已继电器控制的组合机床已不适应社会的需要。这时出现了以计算机技术和电子机械技术的不断发展，从而缓解了这一现象，此时出现了以 PLC 控制的组合机床。它是充分利用计算机技术和电子技术与机械电子，以软件代替部分硬件，以电子器件代替部分机械传动，从而提高了机床的性能。目前一般企业都拥有一定数量的用继电器控制的组合机床。继电器控制方式虽然有结构简单、价格便宜的优点，但存在着接触器触点磨损快、寿命短、可靠性差等缺点。特别是在更换产品而改变动作循环时，需重新设计、安装、调试，不能适应现代生产要求。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。而采用 PLC 改造机床，可去掉了机床的中间继电器、时间继电器、顺序控制二极管及电阻，使线路简化。同时，由于 PLC 的高可靠性，输入输出部分还具有信号指示，这不仅使电气故障次数大大减少，而且还能给准确判断电器故障的发生部位提供了很大的方便。控制系统可靠性好、故障率低、工艺参数调整方便等特点。因为可编程控制器的抗干扰能力强，可靠性高，且配置灵活，已在工控领域广泛应用。这不仅可以实现生产过程的自动控制，还可以构成适合工业环境的实时网络。 nts本科毕业设计说明书 V 使用 PLC 控制机床电气系统后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。 1.2 国内组合机床控制系统的发展现状及趋势在我国，组合机床的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，nts本科毕业设计说明书 VI 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。近年来， PLC 在工业中异军突起，特别是在组合机床的运用上，它是充分利用计算机技术和电子技术与机械电子，以软件代替部分硬件，以电子器件代替部分机械传动，从而提高了机床的性能。以其独特的控制优势，广泛地应用在机械制造业中。特别是在组合机床的控制中，以其编程简单、可靠性高、功能齐全、适应性强、输出形式多样等优点，很快取代了传统的继电器控制中的主导地位。 21 世纪， PLC 会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。 1.3 PLC 技术的发展及趋势世界范围内 PLC 应用领域很广，并逐年扩大，它的技术不断升级，结构也在改进和作相应的调整，通过这些变化，现在的控制产品功能越来越强，性价比也慢慢得到人们肯定。（ 1）、产品规模呈现出朝着两极发展的趋势。一方面小型和超小型 PLC得到了重要发展，追求速度更快、性价比更高的产品。另一方面，另一方面，朝着高速，大容量，大型 PLC 的方向迈进。随着复杂系统的开发，控制微处理器和计算机技术改进，所要求的信息处理速度越来越快，同时也需要较大的存储容量。（ 2）、向通信网络化发展 PLC 该领域发展的一个趋势网络控制系统。多台 PLC 之间、与上位计算机的联网通信的应用变得很普遍。 PLC 生产商现在都在研究自家特nts本科毕业设计说明书 VII 有的通信模块和通信软件，目得是加强 PLC 的联网的能力。当然相关厂家之间也在商定某些互通的通信标准，这对网络系统的构建变得更大成为了可能。（ 3）、向模块化、智能化发展适应各种工业自动控制系统产生的种种需求，最近几年， PLC 生产企业先后开发了很多新的器件和模块，例如智能 I/O 模块、温度控制模块和用于检测本体外部故障的专用模块等，它们的开发和应用不但增强了基本功能，同时还增强了系统的可靠性。（ 4）、编程所需工具和语言多样化与标准化生产商制造的硬件和编程工具更换频繁，丰富多彩，同时改善功能，这使得它的基本部件，如 I/O 模块、编程语言和编程工具、通信协议等的技术更为规范化和标准化。 1.4 本文的设计任务（ 1）阐述组合机床的 PLC 控制系统设计目前研究的意义，同时简单介绍可编程控制器的发展，确定其在组合机床控制系统中的可行性。（ 2）多种动作控制的研究。熟悉它的工作过程和条件。最后确定其控制方案。（ 3） PLC 程序的设计，其中包含几种模块的选择、 I/0 接口的确定、模块的选取，功能程序的编写与设计。 nts本科毕业设计说明书 8 第 2 章组合机床工作原理及方案论证 2.1 组合机床的工艺流程六工位组合机床可完成工件装卸、打中心孔、钻孔、倒角、扩孔以及铰孔加工。具体加工过程为 : 回转工作台上升在工位拆卸和装夹零件回转工作台回转到工位下降工位对零件进行打中心孔回转工作台上升回转到工位下降工位钻孔加工回转工作台上升回转到工位下降工位倒角加工回转工作台上升回转到工位下降工位扩孔加工回转工作台上升回转到工位下降工位铰孔加工 ,如此循环实现对不同零件、不同工位的同步加工。控制系统共有连续全自动工作循环、单机半自动循环和手动循环三种工作方式。手动控制方式主要用于检查和维修。半自动方式也可以用于维修和单个零件的修复加工。每按一次启动按钮 ,回转工作台回转一个工位。控制对象为 :油泵电动机、冷却泵电动机和五个刀具电动机。五个工作滑台采用带终点停留一次工进加工方式。因为各控制对象所处位置比较集中 ,各个工位之间相隔 60 ,且相互之间的动作存在一定的顺序关系 ,所以采用集中式控制系统 ,用一台 PLC控制多台设备。其加工工艺图如下图 2-1所示： nts本科毕业设计说明书 9 图 2-1 加工工位布置示意图 2.2 控制系统体系结构分析 2.2.1 系统结构分析该六工位组合机床主要控制包括回转工作台的自动回转控制和各个工位上液压滑台、动力头的控制。由于工件在各个工位上刀具的快进、工进、快退的距离可能各不相同，进给速度也可能各不相同，所以每个动力头需要采用不同的液压控制系统，协同控制来完成。回转工作台及 5 个液压滑台的液压系统驱动完成。 2.3 控制方案论证 2.3.1 PLC 与继电器控制器的比较如今，继电器控制已逐步被 PLC 所代替，它已无法满足与适应工业控制的要求和发展，与 PLC 相比，存在着质的差别。 PLC 与继电器控制器的比较见表 2-1。 nts本科毕业设计说明书 10 表 2-1 PLC 与继电器控制器的比较从以上几个方面的比较可知，PLC在性能上比继电器控制系统优异，特别是可靠性高。 2.3.2 PLC 与计算机控制的比较 20 世纪 60 年代，计算机技术开始应用与工控领域，但其在很多方面远远不如 PLC 的功能强大，两者之间比较见表 2-2。比较名称 PLC 继电器控制器控制功能的实现通过编程实现所需的控制要求通过对继电器进行硬接线完成相应的控制功能对生产工艺变化的适应性只需对程序修改，适应性强需进行重新设计与接线，适应性差可靠性采用大规模集成电路，采用抗干扰措施，可靠性高元器件多、触点多，易出现故障灵活性和柔韧性有种类齐全的扩展单元，扩展灵活，灵活性好差控制的实时性微处理器控制，实时性好机械动作时间常熟大，实时性差占有空间与安装体积小，重量轻，安装工作量小体积大，笨重。安装工作量大复杂控制能力很强极差使用寿命长短价格较高低维护简单复杂 nts本科毕业设计说明书 11 表 2-2 PLC 与计算机控制的比较比较名称 PLC 计算机控制编程语言助记符语句表、梯形图等汇编语言、高级语言工作方式扫描方式中断方式工作环境可在较差的环境下工作要求很高对使用者的要求语言易学需进行专门的培训才可掌握系统软件功能专用，占用存储空间小功能强大，占用存储空间很大可靠性工业级，有很多种特殊设计，包括监视计时器功能商业级要求价格较低高应用领域工业控制办公、管理、科学计算等 2.3.3 PLC 与集散控制装置的比较集散控制装置是专门为工业过程控制设计的过程控制装置，其与 PLC比较见表 2-3。 nts本科毕业设计说明书 12 表 2-3 PLC 与集散控制系统的比较 PLC 是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用工业自动控制装置。它是一种具有很强的抗干扰能力、高可靠性、高性价比且编程简单的控制设备。因此，我们在设计组合机床的时候选用 PLC 作为控制元件。由于市面上的 PLC 种类繁多，经比较发现 S7-200 的 PLC 是一款经济型的设备，其结构简单紧凑，易于扩展，不仅价格低廉，而且功能强大，可靠性高，运行速度快，具有很高的性价比。 2.4 西门子 STEP 7 简介 2.4.1 STEP 7 基本功能 STEP 7-Micro/Win（简称 STEP 7）是作为 S7-200 系列 PLC 的专用编程软件，功能强大，且可以实现全中文程序编辑操作。 STEP 7是在 Window 平台上编辑用户应用程序，它主要完成下列任务。（ 1）在离线方式下（计算机不直接与 PLC 联系）可以实现对程序的创建、编辑、编译和系统组态。由于没有联机，所有的程序都存储在计算机的存储器中。（ 2）用在线（联机）方式下通过联机通信的方式上传和下载用户程序比较名称 PLC 集散控制装置工作方式扫描方式按用户的程序指令工作包含中断方式采样速度每个采样点的采样速度相同根据被检测对象的特征决定存储器容量大多采用逻辑运算，所需的存储器容量小大多采用大量的数学运算，所需的存储器容量较大应用场合开关量的逻辑控制连续量的模拟控制运算速度开关量的速度较高模拟量的速度较低设计方法根据现场环境并按照安装在控制室而设计根据现场工作环境要求设计 nts本科毕业设计说明书 13 及组态数据，编辑和修改用户程序。可以直接对 PLC 进行各种操作。（ 3）在编辑程序过程中进行语法检查。为避免用户在编辑过程中出现的一些语法错误以及数据类型错误，软件会进行语法检查。使用梯形图编辑时，在出现错误的地方会自动加红色波浪线。使用语句表编程时，在出现错误的语句行钱自动画上红色叉，且在错误处加上红色波浪线。（ 4）提供对用户程序进行文档管理、加密处理等工具功能。（ 5）设置 PLC 的工作方式和运行参数，进行监控和强制操作等。 2.4.2 软件界面及其功能介绍 1. 软件界面启动 STEP 7 编程软件中文界面如图 2-2 所示图 2-2 STEP 7 中文界面 2. 界面功能 STEP 7 编程软件的中文界面一般分为菜单条、工具条、浏览条、输出窗口、状态栏、编辑窗口、局部变量表和指令树等几个区域，这里分别对这几块区域进行介绍。（ 1）菜单条文件：如新建、打开、关闭、保存文件、上传或下载用户程序，打印nts本科毕业设计说明书 14 预览，页面设置等操作。编辑：程序编辑工具。可进行复制、剪切、粘贴程序块和数据块以及查找、替换、插入、删除等操作。 PLC：用于选择 PLC 的类型，改变 PLC 的工作方式，查看 PLC 的信息，进行 PLC 通信设置等功能。窗口：可以打开一个或者多个窗口，并进行窗口之间的切换，设置窗口的排放方式等。（ 2）工具条工具条的功能是提供简单的鼠标操作，将最常用的操作以按钮的形式安放在工具条中。（ 3）浏览条通过选择【查看】 /【浏览条】命令打开浏览条。浏览条的功能是在编辑过程中进行窗口的快速切换。各种窗口的快速切换是由浏览器中的按钮控制的，单击任何一个按钮，即可将主窗口切换到该按钮对应的编程窗口。（ 4）输出窗口该窗口用来显示程序编译的结果信息，如个程序块（主程序、中断程序或子程序）的大小、编译结果有无错误、错误编码和位置等。（ 5）状态栏状态栏也称任务栏，与一般的任务栏功能相同。（ 6）编辑窗口编辑窗口分为 3 部分：编辑器、网络注释和程序注释。编辑器主要用于梯形图、语句表或功能图编写用户程序，或在联机的状态下从 PLC 下载用户程序进行读程序或修改程序。网络注释是对本网络的用户程序进行说明。程序注释用于对整个程序说明解释，多用于说明程序的控制要求。（ 7）局部变量表每个程序块都对应一个局部变量表。在带参数的子程序调用中，局部变量表用来进行参数传递。（ 8）指令树可通过选择【查看】 /【指令树】命令打开，用于提示编程时所用到的全部 PLC 指令和快捷操作命令。 nts本科毕业设计说明书 15 2.5 本章小结本章主要介绍了组合机床系统所要达到的功能控制效果、原理、控制核心的选取和三种方案的论证与对比。 nts本科毕业设计说明书 16 第 3 章组合机床系统硬件设计 3.1 组合机床控制系统结构组成本次设计中的组合机床控制系统硬件是主要由 S7-200 PLC、数字量输入输出模块、继电器、接触器、电机，指示灯，传感器等组成。 3.2 PLC 和 I/O 扩展模块的选型选择合适的 PLC 是本次设计能达到所需控制目的的关键。选用的原则从下面几个因素考虑：机型类别、容量大小、输入 /输出模块数量。本组合机床输入分配： 38 个点，输出分配： 29 个点。本次设计所选用的是由西门子公司制造的小型整体式 PLC，具体型号为 S7-200 CPU226，此型号输入点 24 点，输 16 点，不能满足了本次设计的控制需求。因此需要添加扩展模块。本次设计选用 EM223 数字量 I/0 模块，其输入点为 16点，输出点为 16 点，正好能够满足本次设计的要求。 3.4 I/O 点及数据储存地址分配对于开关量来说， I/O 分配实际是把 PLC 的 I/O 分配给实际的元件给实际的元件赋予一定的 PLC 地址，其输入输出点与与控制对象的输入输出信号之间一一对应 I/O 点分配见表 3-1。表 3-1 I/O 点分配表电气元件逻辑元件作用电气元件逻辑元件作用 SB1 I0.0 起动按钮 KM1 Q0.0 打中心孔动力头控制 SB2 I0.1 复位按钮 KM2 Q0.1 钻孔动力头控制 SB3 I0.2 液压泵起动按钮 KM3 Q0.2 倒角动力头控制 SB4 I0.3 液压泵、冷却泵停止按钮 KM4 Q0.3 扩孔动力头控制 SB5 I0.4 动力头电机停止按钮 KM5 Q0.4 铰孔动力头控制 SB6 I0.5 动力头电机起动按钮 KM6 Q0.5 液压泵控制接触器 SB7 I0.6 回转工作台转动控制按钮 KM7 Q0.6 冷却泵控制接触器 nts本科毕业设计说明书 17 SB8 I0.7 冷却泵起动按钮 YA1 Q0.7 打中心孔前进电磁铁 SA3 I1.0 全自动工作循环、单机半自动循环模式切换开关 YA2 Q1.0 打中心孔工进电磁铁 SB9 I1.1 液压滑台手动控制 YA3 Q1.1 打中心孔后退电磁铁 SA1 I1.2 液压滑台自动手动转换开关 Q1.2 SA2 I1.3 液压滑台总控开关 YA5 Q1.3 回转台微抬 SA4 I1.4 打中心孔单循环开关 YA6 Q1.4 回转台夹紧 SQ1 I1.5 打中心孔滑台原位 YA7 Q1.5 回转台回转 SQ2 I1.6 打中心孔滑台快进到位 YA8 Q1.6 回转台返回 SQ3 I1.7 打中心孔滑台工进到位 YA9 Q1.7 低速回转 SQ5 I2.0 微抬到位 YA10 Q2.0 离合器脱开 SQ6 I2.1 回转到位 YA11 Q2.1 钻孔前进电磁铁 SQ7 I2.2 回转台反靠到位 YA12 Q2.2 钻孔工进电磁铁 SQ8 I2.3 离合器脱开 YA13 Q2.3 钻孔后退电磁铁 I2.4 回转缸原位行程开关 YA14 Q2.4 倒角前进电磁铁 SA5 I2.5 钻孔单循环开关 YA15 Q2.5 倒角工进电磁铁 SQ10 I2.6 钻孔滑台原位 YA16 Q2.6 倒角后退电磁铁 SQ11 I2.7 钻孔滑台快进到位 YA17 Q2.7 扩孔前进电磁铁 SQ12 I3.0 钻孔打中心孔滑台工进到位 YA18 Q3.0 扩孔工进电磁铁 SA6 I3.1 倒角单循环开关 YA19 Q3.1 扩孔后退电磁铁 nts本科毕业设计说明书 18 SQ13 I3.2 倒角滑台原位 YA20 Q3.2 铰孔前进电磁铁 SQ14 I3.3 倒角滑台快进到位 YA21 Q3.3 铰孔工进电磁铁 SQ15 I3.4 倒角打中心孔滑台工进到位 YA22 Q3.4 铰孔后退电磁铁 SA7 I3.5 扩孔单循环开关 SQ16 I3.6 扩孔滑台原位 SQ17 I3.7 扩孔滑台快进到位 SQ18 I4.0 扩孔打中心孔滑台工进到位 SA8 I4.1 铰孔单循环开关 SQ19 I4.2 铰孔滑台原位 SQ20 I4.3 铰孔滑台快进到位 SQ21 I4.4 铰孔打中心孔滑台工进到位 KP I4.5 回转台压力继电器 3.4 系统电气原理图的设计三相线制是本系统所采用的供电方式。它的电源等级为 AC380V5， 50Hz，系统 PLC 输入接线图、输出接线图和主电路图如图 3-2 到 3-4所示。 nts本科毕业设计说明书 19 图 3-2 PLC 接线图图 3-3 输出接线图 nts本科毕业设计说明书 20 如图 3-2， 3-3 所示， PLC 的供电为 220V 交流电，输入端开关量信号一端接 PLC 的 M 端和开关电源 +24V 端，一段接输入端口，输出段 L 接开关电源 +24V 端，辅助继电器一端接开关电源 0V 端，一端接 PLC 输出端。图 3-4 变频接线图变频电路采用三相供电，通过 QS 断路器控制电机是否通电，利用接触器控制电机的启动和停止，利用热继电器 FR 保护电机。 3.5 本章小结本章主要介绍组合机床系统硬件的选型和 I/O 点分配，同时设计出本次控制系统的电气原理图。 nts本科毕业设计说明书 21 第 4 章组合机床系统软件设计 4.1 系统程序设计方法工程设计中，可编程控制器的应用设计的一般方法，有三种方法，也是最常用的方法。这些方法的应用，设计者可以随不同层次的技术差异和习惯。这里是一些常见的设计方法，为设计以下几个应用一个清晰的认识，也使读者更加了解设计方法及可编程控制器技术。 4.1.1 经验设计经验设计又称为尝试法。在一些典型控制环节和电路设计，基于被控对象，根据经验法则的控制系统选择的具体要求。这种方法设计一些简单的控制系统是更有效的凑，可以得到快速，简单的影响。但它没有遵循的一般规则，一些试探性和随机性，最终的结果是不是唯一的设计时间，多少的设计质量和设计的经验。经验设计法的具体步骤如下：（ 1）确定输入 /输出电器；（ 2）确定输入和输出点的个数、选择 PLC 机型、进行 I/O 分配；（ 3）做出系统动作工程流程图；（ 4）选择 PLC 指令并编写程序；（ 5）编写其它控制控制要求的程序；（ 6）适当地把每个环节编写的程序联系在一起，就可以获得一个符合控制要求的程序。 4.1.2 逻辑设计法工业电气控制电路，许多继电器等电气元件来实现。继电器，交流接触器触点只有两个状态，即：开放式和封闭式的，因此逻辑代数设计电气控制线路的“ 0”和“ 1”是两个值是完全可能的。该方法是一种在数字电子设计方法的逻辑依据设计 PLC 程序的方法，它使用描述逻辑表达式的问题。获取逻辑表达式后，根据绘制出梯形逻辑表达式。因此，逻辑设计方法也可以应用于 PLC 应用程序的设计。 4.1.3 顺序控制法这些系统来控制顺序动作，理想的使用顺序编程控制设计方法。顺序控制的行为规律性强，虽然程序是相当长的，但是程序结构清晰，可读性nts本科毕业设计说明书 22 强。当采用顺序控制设计方法，功能图是非常重要的工具。顺序功能图清楚地转换和功能的基本步骤示范工作条件的转换，及步骤间的步骤。功能图由流程步、有向线段、转移和动作组成，它的使用规则具体如下：（ 1）步与步之间必须用转移隔开；（ 2）转移与转移之间必须用步隔开；（ 3）采用有向线段将转移与步之间连接，从上至下或从左至右是正常顺序功能图的绘图方向。按照正常顺序画图时，有向线段可以不加箭头，否则必须加箭头。（ 4）一个顺序功能图中至少有一个初始步。可编程控制器的设计语言也有很多形式，从继电器对其发展的基础，所以他们中的大多数是基于开关控制。许多表现形式也在使用电气符号，或直接使用。因此 PLC 有不同的形式。梯形图语言是设计中最常用的，以及作为一个流程图，语句表，它提供了一种阅读电气方面的工程人员阅读程序的不同形式的方法，同时也为电子工程人员参考使用。本控制系统采用逻辑控制法实现其功能。 4.2 PLC 程序的设计本控制系统采用逻辑控制法编写的主程序如下图 4-1 所示，子程序如图 4-2 和 4-3 所示： nts本科毕业设计说明书 23 nts本科毕业设计说明书 24 图 4-1 主程序 nts本科毕业设计说明书 25 nts本科毕业设计说明书 26 图 4-2 SBR-0 子程序 nts本科毕业设计说明书 27 图 4-3 SBR-1 子程序 4.3 PLC 程序的说明本控制系统采用逻辑控制法编写的主程序如下图 4-1 所示，子程序如图 4-2 和 4-3 所示： 4.3.1 主电动机起停控制液压泵的起停控制：按下按钮 SB3输入继电器 I0.2 为 ON输出继电器 Q0.5 线圈逻辑回路接通接触器 KM6 线圈得电并自锁液压泵电动机 M6 主电路接通工作为液压系统提供液压油按下按钮 SB4输入继电器 I0.3 为 ON I0.3 的常闭触点断开 Q0.5 线圈逻辑回路断开接触器KM6 线圈断电液压泵电动机停止转动。动力头电动机的起停控制 :按钮 SA3 未按下输入继电器 I4.4 为 OFF动力头为全自动循环控制模式按下按钮 SB6输入继电器 I0.5 为 ON输出继电器 Q0.0、 Q0.1、 Q0.2、 Q0.3、 Q0.4 线圈逻辑回路接通接触器KM1、 KM、 KM3、 KM4、 KM5 线圈得电并自锁 5 个动力头电动机 M1、M2、 M3、 M4、 M5 转动。按下按钮 SA3输入继电器 I4.4 为 ON动力头为单机半自动循环控制模式按下按钮 SB6输入继电器 I0.5 为 ON分别按下按钮SA4/SA5/SA6/SA7/SA8输入继电器 I1.2/I2.3/I2.7/I3.3/I3.7分别为 ON输出继电器 Q0.0/Q0.1/Q0.2/Q0.3/Q0.4 线圈逻辑回路分别接通接触器KM1/KM/KM3/KM4/KM5 线圈分别得电并自锁动力头电动机M1/M2/M3/M4/M5 转动。按下按钮 SB4 或 SB5输入继电器 I0.3、 I0.4 为 ON I0.3、 I0.4 的常闭触点断开输出继电器 Q0.0、 Q0.1、 Q0.2、 Q0.3、 Q0.4 线圈断开接触器 KM1、 KM2、 KM3、 KM4、 KM5 线圈断电动力头停止转动。 nts本科毕业设计说明书 28 冷却泵电动机的控制：系统启动冷却泵电动机就启动。 4.3.2 液压滑台的控制为了能够实现回转工作台和液压滑台的分开调整和循环过程的自动衔接控制，设置有一个子程序 SBR-0，当转换开关 SA2 断开，输入继电器 I1.1为 ON，接通子程序 SBR-0，液压滑台才能工作。当转换开关 SA2 断开，输入继电器 I1.1 为 OFF，则液压滑台相关的电磁换向阀的电磁铁所对应的输出继电器线圈逻辑回路无法导通，滑台不能工作。这时，可以单独控制回转工作台的转动。按钮 SA3 未按下，输入继电器 I4.4 为 OFF,按下按钮 SA1输入继电器 I1.0 为 ON液压滑台为全自动循环工作模式按下 SA2输入继电器I1.1 为 ON由于各个滑台均位于循环的起点输入继电器 I1.3、 I2.4、 I3.0、I3.4、 I4.0 为 ON输出继电器 Q0.7、 Q2.1、 Q2.4、 Q2.7、 Q3.2 的逻辑回路导通驱动电磁铁 YA1、 YA11、 YA14、 YA17、 YA20 负载回路接通五个液压滑台的液压缸做快进运动。当液压滑台运动到触动滑台快进到位的行程开关，输入继电器 I1.4、 I2.5、 I3.1、 I3.5、 I4.1 接通，则滑台转换到工进阶段。若按下 SA1，则手动控制液压滑台前进。不考虑液压滑台的初始位置。按钮 SA3 被按下，输入继电器 I4.4 为 ON,按下按钮 SA1输入继电器I1.0 为 ON液压滑台为单机半自动循环工作模式按下 SA2输入继电器 I1.1 为 ON滑台位于循环的起点输入继电器 I1.3、 I2.4、 I3.0、 I3.4、I4.0 其中某个或若干个为 ON分别按下按钮 SA4/SA5/SA6/SA7/SA8 输入继电器 I1.2/I2.3/I2.7/I3.3/I3.7 分别为 ON 输出继电器Q0.7/Q2.1/Q2.4/Q2.7/Q3.2 的逻辑回路导通驱动电磁铁YA1/YA11/YA14/YA17/YA20 负载回路接通对应液压滑台的液压缸做快进运动。当液压滑台运动到触动滑台快进到位的行程开关，输入继电器I1.4/I2.5/I3.1/I3.5/I4.1 接通，则对应滑台转换到工进阶段。若按下 SA1，则手动控制液压滑台前进。不考虑液压滑台的初始位置。液压滑台快进到位触动对应行程开关 SQ2、 SQ11、 SQ14、 SQ17、 SQ20输入继电器 I1.4、 I2.5、 I3.1、 I3.5、 I4.1 为 ON电磁铁 Q1.0、 Q2.2、Q2.5、 Q3.0、 Q3.3 接通液压滑台做工进运动。 nts本科毕业设计说明书 29 当液压滑台工进到达终点，分别压下行程开 SQ3、 SQ12、 SQ15、 SQ18、SQ21输入继电器 I1.4、 I2.5、 I3.1、 I3.5、 I4.1 分别为 ON输出继电器Q1.1、 Q2.3、 Q2.6、 Q3.1、 Q3.4 得电接通快退液压回路滑台后退当液压滑台退回起点位置，行程开关 SQ1、 SQ10、 SQ13、 SQ16、 SQ19 被压下输入继电器 I1.3、 I2.4、 I3.0、 I3.4、 I4.0 为 ON其常闭触点为 OFF输出继电器 Q1.1、 Q2.3、 Q2.6、 Q3.1、 Q3.4 断电快退结束。当 I4.4 为 ON，且 I1.0 为 ON，可以通过 I0.0 45 手动控制液压滑台的动作。 4.3.3 回转工作台的回转控制当动力头循环结束都停留在起点位置，行程开关 SQ1、 SQ10、 SQ13、SQ16、 SQ19 都被压下，输入继电器 I1.4、 I2.5、 I3.1、 I3.5、 I4.1 为 ON，为回转工作台回转做好了准备。按下按钮 SB7输入继电器 I0.6 为 ON输出继电器 Q1.3 线圈逻辑回路得电（若按钮 SA3 未按下，输入继电器 I4.4为 ON，则不需要按下 SB7，输入继电器 Q1.3 线圈逻辑回路得电）电磁铁 YA5线圈电路接通液压系统驱动回转工作台抬起压下行程开关 SQ5输入继电器 I1.6 为 ON输出继电器 Q1.5 线圈得电电磁铁 YA7 得电液压系统驱动液压缸 3G 移动工作台回转回转以后的控制受到主控元件 I2.2 的常闭出点控制，如果 SQ9 断开，则 I2.2 的常闭触动为 ON，后面的程序可以执行，反之，则不能执行。其作用是当行程开关 SQ9 被压下，表示回转结束。在正常回转后， SQ9 还没有被压下，回转到下一个分度位置前后，压下行程开关 SQ6输入继电器 I1.7为 ON辅助继电器 M0.0得电并自锁输出继电器 Q1.7线圈得电电磁铁 YA9得电液压系统驱动 3G减速移动回转工作台低速转动继续回转行程开关 SQ6 松开输入继电器 I1.7断电为 OFF I1.7 触点取反后为 ON，驱动辅助继电器 M1.0 回路导通输出继电器 Q1.6回路导通电磁铁 YA8得电液压缸 3G左移返回带动回转工作台反靠反靠到位，压下行程开关 SQ7输入继电器 I2.0 得电为ON辅助继电器 M0.2 线圈得电 M0.2 的常开触点使输出继电器 Q1.4 线圈电路导通得电负载电磁铁 YA6 得电液压缸 1G 动作，锁紧工作台锁紧压力逐步增加，超过一定值压力继电器 KP 常开触点闭合输入继nts本科毕业设计说明书 30 电器 I3.7 为 ON辅助继电器 M0.1 线圈得电 M0.1 的常开触点驱动输出继电器 Q2.0 线圈回路闭合电磁铁 YA

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