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基于
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基于PLC数控钻床控制系统设计,基于,PLC,数控,钻床,控制系统,设计
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毕业设计开题报告设 计 题 目:基于PLC的数控钻床控制系统设计院 系 名 称:专 业 班 级:学 生 姓 名:导 师 姓 名:开 题 时 间:指导委员会审查意见： 签字： 年 月 日一、 课题研究目的和意义1.1 传统机床的PLC改造必然性20世纪90年代以前我国生产机床的电气控制普遍采用继电控制，这些机床现在依然在各企业中被广泛应用，由于传统继电控制系统使用大量的中间继电器、时间继电器，控制触电多，因此电气控制系统存在一些缺陷：1、故障率高2、可靠性差3、接线复杂不便维修。为了提高机床控制系统的可靠性，降低故障率，提高机床的加工效益，很多企业对传统控制机床的电气控制系统进行了改造。通常这种改造有PLC改造和数控改造两种。1机床的PLC改造和数控改造不同，PLC改造是使用PLC系统替代原有的继电控制系统，机床的操作方式、加工工艺部发生改变，只是提高系统的可靠性。而数控技术改造是在机床上附加控制装置和执行元件，使用合适的机床伺服控制和计算机系统，改变原有机床加工精度低、加工品种单一等问题，使机床实现自动化和精密化，提高原机床的生产效率，降低劳动强度。但是旧机床存在刚度低、抗震性差等缺点，不易进行数控技术改造，并且随着PLC价格的减低，PLC改造的成本也随之降低，由于改造后的系统故障率低，也降低了维修成本，因此，对传统控制机床进行PLC改造已经成为大多数企业的首选。随着我国市场经济的飞速发展，国内外市场竞争日趋激烈，在机械制造行业普遍存在着设备老化的问题，原有的机床设备便的陈旧、落后，已经满足不了产品种类迅速增加和质量不断提高的需求，仅仅购买新设备，所需资金太大，企业往往难以承受。为了节约资金，通过现有技术进行机床设备改造，使一些旧设备能够达到生产要求，提高生产效率，继续加工出具有竞争力的优质产品2。1.2 PLC具有的优点在工作原理方面，可编程序控制器采用周期循环扫描方式，在执行用户程序过程中与外界隔绝，从而大大减小外界干扰；在硬件方面，采用良好的屏蔽措施、对电源及IO电路多种形式的滤波、CPU电源自动调整与保护、CPU与IO电路之间采用光电隔离、输出联锁、采用模块式结构并增加故障显示电路等措施；在软件方面，设置自诊断与信息保护与恢复程序。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性3。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由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了4。配套齐全，功能完善，适用性强。PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。易学易用，深受工程技术人员欢迎。PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合5。体积小，重量轻，能耗低。以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。二、文献综述2.1我国数控技术的现状及发展趋势2.1.1我国数控技术的现状我国数控技术起步于20世纪50年代末期，经历了发展初期的封闭式反正阶段，“六五”、“七五”期间的消化吸收和引进技术阶段，“八五”期间国产化体系阶段，及“九五”期间产业化阶段，基本掌握了现代数控技术，建立了数控开发、生产基地、，培养了一批数控专业人才，初步形成了资金的数控产业。目前较具规模的有广州数控、航天数控和华中数控等。具有中国特色的经济型、普及型数控系统经过几十年的发展，产品的性能有了较大的提高，它们逐渐被用户认可，在市场上站稳了脚跟6。我国现有数控机床生产厂家100多家，生产数控产品几千种以上。产品主要分为3种类型：经济型、普及型和高档型。在CIMT2003上，中国内地共展出机床700多台，在600多台金属切削机床和近100台金属成形机床展品中，数控机床分别占75%和54%。这既体系了中国机床市场的需求趋势，也反映了中国在数控机床产业化方面取得了突破性进展。虽然我国在数控产品的研究开发、产品各方面有了较大的进步，但我们仔细分析可以发现，目前我们占有市场的产品主要集中在经济型产品上，而在中档、高档产品上市场比例仍然很小，与国外一些先进产品相比，在可靠性、稳定性和速度、精度等方面均存在较大差距。2.1.2数控技术的发展趋势目前，世界各国经济发展速度、工业化水平等不尽相同，因此对数控技术、产品的需求也不一样。但送的来说，发达国家对中、高档数控产品需求多，发达国家对低、中档需求较多并需要少量的高档产品。目前，发达国家的低、中、高档数控产品之比分别为20:70:10，而发展中国家约为80:17:3，两者之间的劳动产品率相差悬殊。因此，发展中高档产品仍大势所趋7。(1)高可靠性、稳定性从“数控系统千人调查”分析报告可以看出，无论经济型、普及型还是高档型数控系统，在“影响选择数控系统因素”的排序中，排在第一位的都是可靠性稳定性。由此可见，产品的质量性能在用户选购数控系统的过程中占有重要的位置。我国的产品要想占据国内国际市场，应把可靠性、稳定性作为数控产品研究的头等大事。产品因素可靠性稳定性品牌价格服务经济型33163021普及型37192321高档型31281823不同档次数控系统购买因素8(2)高速度、高精度化速度和精度是数控产品的两个重要指标，它直接关系到产品零件加工的销量和质量。速度影响产品的生产周期，精度直接影响到工作性能、寿命、能耗和噪声等。因此数控产品的高速、高精化是市场需求和技术发展的必然结果。智能化现代数控技术的智能化包括两个方面含义：（1）现代数控产品部应仅仅是某些专业技术人员才能操作使用，它应发展成为个个可操作，人人会使用。（2）现代数控产品应能够通过对影响加工精度和效率的因素进行自动检测、比较、补偿，准确快速地做出决策，使产品的加工处于最佳状态。(3)复合化如果能够在一台机床上实现或尽可能完成一个复杂的产品从毛坯至成品的全部加工，实现数控技术的复合化。这样就可以保证工件的加工精度，提高产品的质量，减少在不同数控机床间进行工序的转换而引起的待工时间及多次上下料等时间，提高加工效率，节约了产品生产的周期，赢得了市场9。(4)数控编程自动化随着计算机技术的发展，CAD、CAM、CAPP技术的广泛应用，可实现数控编程的自动化。操作者只需根据需要绘制零件加工样图，计算机就能够根据样图进行数据处理，自动编程加工10。(5)网络化实现数控技术的网络化，进行远程控制和无人化操作。通过数控机床的联网，可在任何一天机床上对其他机床进行编程、设定和操作。不同机床的画面可同时显示在每一台机床屏幕上，实现资源共享，科学管理。减少人力物力，降低了成本，提高了效率。三、基本内容、拟解决的主要问题钻床是一种孔加工的机床。可用来钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻螺纹及修刮断面等多种形式的加工，因此要求钻床的主轴晕和进给运动有较宽的调速范文。钻床的种类很多，按用途和结构可分为立式钻床、台式钻床、多轴钻床、摇臂钻床及其他专用钻床等。在各类钻床镇南关，摇臂钻床操作方便、灵活，应用范围广，具有典型性，适合于在大、中型零件上进行钻孔、扩孔、铰孔及攻螺纹等工作，在具有工艺装备的条件下海可以进行镗孔；特别使用于单位或批量生产中带有多孔的大、中型零件的加工：是一般机械加工车间最常见的机床。台钻和立钻的应用也较为广泛，但是其电气线路比较简单，其他形式的钻床在控制系统上也大同小异11。3.1总体设计技术要求数控钻床的控制要求为:（1）回转工作台加紧与松开，转速、转向控制（2）动力滑台进给控制。（3）机床电气图设计。（4）控制电路设计。（5）控制程序设计。3.2具体实施方案摇臂钻床的内立柱固定在底座的一端，在它的外面套有外立柱，外立柱可绕内立柱回转360。摇臂的一端为套筒，它套装在外立柱上，并借助丝杠的正反转可沿外立柱做上下移动；由于该丝杠于外立柱连成一体，并且升降螺母固定在摇臂上，所以摇臂不能绕外立柱转动，智能于外立柱以前绕内立柱回转。主轴箱是一个复合部件，它有主传动电动机、主轴和主轴传动机构、进给和变速机构以及机床的操作机构等部分组成，主轴箱安装在摇臂的遂平导轨上，可通过手轮操作使其在水平导轨上沿摇臂移动。档进行加工时，由特殊的加紧装置有主轴箱紧固在摇臂导轨上，外立柱紧固在内立柱上，摇臂紧固在外立柱上，然后进行钻削加工。钻削加工时，钻头一面进行旋转切削，一面进行纵向进给12。摇臂钻床的电气控制和PLC控制13传统数控钻床结构示意图主电路摇臂钻床的主轴旋转运动和进给运动由一台交流异步电动机M1拖动，主轴的正反向旋转运动是通过机械转换实现的。故主电动机只有一个旋转方向。通常情况下主轴的调速范围为50:1，正转最低转速为40r/min，最高为2000r/min，进给范围为（0.05-1.6）r/min。它的调速是通过三相交流异步电动机和变速箱来实现的。也有的是采用多速异步电动机拖动，这样可以简化变速机构。摇臂钻床除了主轴的旋转和进给运动外，还有摇臂的上升、下降及立柱的加紧和放松。摇臂的上升和下降由一台交流异步电动机M2拖动，立柱的夹紧和放松由另一台甲流电动机M4拖动。控制电路主轴电动机控制。主轴电动机M1为单向旋转，由按钮和接触器实现启动停止控制。主轴的正反转则由M1电动机拖动齿轮泵送出压力油，通过液压系统操纵机构，配合正反转摩擦离合器驱动主轴正反转。摇臂上升、下降控制。摇臂钻床在加工时，要求摇臂处于夹紧状态，才能保证加工精度。但在摇臂需要升降时，又要求摇臂处于松开状态，否则电动机负载大，机械磨损严总，无法升降工作。摇臂上升或下降时，其动作过程是升降指令发出，先使摇臂于外立柱处于松开状态，而后上升或下降时，待升降到位时自动重新夹紧。由于松开和夹紧工作是由液压系统实现，因此，升降控制必须于松紧机构液压系统紧密配合14。四、技术路线或研究方法研究了解PLC钻床的发展现状和趋势查阅相关资料并选择适合本课题的技术确定PLC的技术路线实现PLC控制系统设计的基本要求并设计出PLC的控制程序依照自己的设计做出总体布局设计完成PLC控制系统设计流程图绘制编写毕业论文五、进度安排2012年2月27日-2012年3月4日接受任务，市场调查；2012年3月5日-2012年3月18日查阅文献、收集资料，撰写并提交开题报告；2012年3月19日-2012年4月1日确定控制方案，设计控制系统框图；2012年4月2日-2012年4月15日器件选型；2012年4月16日-2012年4月29日系统硬件设计；解决问题，修改完善2012年4月30日-2012年6月3日程序编制与调试；2012年6月4日-2012年6月10日撰写设计说明书并用计算机绘图；2012年6月11日-2012年6月15日完成说明书及图纸的打印，准备答辩。六、主要参考文献1、段明忠王婷婷武汉工程职业技术学院学报 2007-2 12 19(4)G2、关榆军河北理工学院学报 2000-9第22 (3) G3、彭永忠中国制造信息化 2010-3第39 (5) G4、袁海霞湖南农机 2010-1 第37卷 1(4) G5、梁伟王先桂林航天工业高等专科学院学报 2010-3 第9 (2) G6、肖丽辽宁师专学报 2009-12 第11卷 4期G7、张新喜李伟波李宁农机使用与维修 2008-4 第9 (6) G8、潘钟键刘晓红机械电子 2011-2 第11 (4) G9、赵良，PLC控制技术在自动机床扩切记中的应用，工
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