某组合机床的电气控制系统设计

电气控制与电气控制与 PLCPLC 课程设计说明书课程设计说明书 题题 目 目 某组合机床的电气控制系统设计某组合机床的电气控制系统设计 专业班级 专业班级 自动自动 1206 姓姓 名 名 陈陈 文文 浩浩 学学 号 号 201223911127 指导教师 指导教师 任任 胜胜 杰杰 成绩 指导老师签名 日期 2 目录 1 系统概述 2 2 方案论证 3 3 硬件设计 6 3 1 系统的原理方框图 6 3 2 主电路 6 3 3 I O 分配 10 3 3 I O 接线图 11 3 4 元器件选型 11 4 软件设计 13 4 1 主流程 13 4 2 梯形图 15 5 系统调试 16 设计心得 18 参考文献 19 附电气控制原理图 20 3 1 系统概述系统概述 组合机床是以通用部件为基础 配以按工件特定形状和加工工艺设计的专 用部件和夹具 组成的半自动或自动专用机床 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 并可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 随着 PLC 控制技术日益成熟并得到越来越广泛的应用 利用原有的继电器 接触器控制电路设计 PLC 控制系统 或直接进行 PLC 控制系统的设计 都能 很好地满足组合机床自动化控制的要求 本次设计的要求如下 1 2 SQ1SQ2SQ3SQ4SQ6SQ5 M4M3 M2M1 图 1 1 如图所示为某一组合机床的示意图 左面为 1 箱体移动式动力头 主轴电 机 M1 为 5 5KW 1440 转 分钟 1 箱体的进给电机为 M3 为 1 5KW 1450 转 分钟 工进与快进采用电磁铁 YV1 DC24V 10W 进行切换 右面为 2 箱体 4 移动式动力头 主轴电机 M2 为 5 5KW 1440 转 分钟 2 箱体的工作进给电机 为 M4 为 1 5KW 1450 转 分钟 工进与快进采用电磁铁 YV2 DC24V 10W 进行切换 SQ1 为左动力头的原位限位 SQ3 为左动力 头的快进限位 SQ5 为左动力头的工进限位 SQ2 为右动力头的原位限位 SQ4 为右动力头的快进限位 SQ6 为右动力头的工进限位 具体要求如下 1 左 右两动力头均要求快进 工进 快退的工作循环 2 可使左 右两动力头同时工作 也可进行单独调整 3 加工过程中需要进行冷却 4 应有电源有信号指示 动力头正在工作信号指示 5 应有局部照明必要的保护环节 2 方案论证方案论证 组合机床的电气控制 理论上讲 可以采用继电器接触器电气控制系统 单片 机控制系统和 PLC 控制系统来实现 但是在实际工程中往往选择一种经济 有 效 性能优越的控制方案 考虑到上述几点 PLC 较适合组合机床的电气控制 PLC 与单片机 继电器 接触器控制系统相比具有以下优点 1 PLC 与继电器 接触器相比较 继电器 接触器控制系统自上世纪二十年代问世以来 一直是机电控制的主 流 由于它的结构简单 使用方便 价格低廉 所以使用广泛 它的缺点是动 作速度慢 可靠性差 采用微电脑技术的可编程顺序控制器的出现 使得继电 接触式控制系统更加逊色 PLC 等取代继电接触式控制逻辑 具体如下 1 控制逻辑 继电接触式控制系统采用硬接线逻辑 它利用继电器等的触点串联 并联 串并联 利用时间继电器的延时动作等组合或控制逻辑 连线复杂 体积大 功耗也大 当一个电气控制系统研制完后 要想再做修改都要随着现场接线的 改动而改动 特别是想要能够增加一些逻辑时就更加困难了 这都是硬接线的 缘故 所以 继电接触式控制系统的灵活性和扩展性较差 可编程控制器采用存储逻辑 它除了输入端和输出端要与现场连线以外 5 而控制逻辑是以程序的方式存储在 PLC 的内存当中 若控制逻辑复杂时 则程 序会长一些 输入输出的连线并不多 若需要对控制逻辑进行修改时 只要修 改程序就行了 而输入输出的连接线改动不多 并且也容易改动 因此 PLC 的灵活性和扩展性强 而且 PLC 是由中大规模集成电路组装成的 因此 功耗 小 体积小 2 控制速度 继电器接触式控制系统的控制逻辑是依靠触点的动作来实现的 工作频率 低 触点的开闭动作一般是几十毫秒数量级 而且使用的继电器越多 反映的 速度越慢 还是容易出现触点抖动和触点拉弧问题 而可编程控制器是由程序指令控制半导体电路来实现控制的 速度相当快 通常 一条用户指令的执行时间在微秒数量级 由于 PLC 内部有严格的同步 不会出现抖动问题 更不会出现触点拉弧问题 3 定时控制和计数控制 继电接触式控制系统利用时间继电器的延时动作来进行定时控制 用时间 继电器实现定时控制会出现定时的精度不高 定时时间易受环境的湿度和温度 变化而影响 有些特殊的时间继电器结构复杂 维护不方便 而可编程程序控 制器使用半导体集成电路作为定时器 时基脉冲由晶体震荡器产生 精度相当 高并且定时时间长 定时范围广 4 可靠性和维护性 继电接触式控制系统使用了大量的机械触点 连线也多 触点在开闭时会 受到电弧的损坏 寿命短 因而可靠性和维护性差 PLC 采用微电子技术 大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成 可 靠性高 PLC 还配备了自检和监控功能 能自诊断出自身的故障 并随时显示 给操作人员 还能动态的监视控制程序的执行情况 为现场调试和维护提供了 方便 总之 PLC 在性能上均优越于继电接触式控制系统 特别是控制速度快 可靠性高 设计施工周期短 调试方便 控制逻辑修改方便 而且体积小 功 耗低 2 PLC 与单片机比较 6 单片机具有结构简单 使用方便 价格比较便宜等优点 一般用于数据采 集和工业控制 但是 单片机不是专门针对工业现场的自动化控制而设计的 所以它与 PLC 比较起来有以下缺点 1 单片机不如 PLC 容易掌握 使用单片机来实现自动控制 一般要使用微处理器的汇编语言编程 这就 要求设计人员要有一定的计算机硬件和软件知识 对于那些只熟悉机电控制的 技术人员来说 需要进行相当长一段时间系统地学习单片机的知识才能掌握 而 PLC 采用了面向操作者的语言编程 如梯形图 状态转移图等 对于使 用者来说 无需了解复杂的计算机知识 而只要用较短时间去熟悉 PLC 的简单 指令系统及操作方法 就可以使用和编程 2 单片机不如 PLC 使用简单 使用单片机来实现自动控制 一般要在输入输出接口上做大量的工作 例 如 要考虑工程现场与单片机的连接 输出带负载能力 接口的扩展 接口的 工作方式等 除了要进行控制程序的设计 还要在单片机的外围进行很多硬件 和软件工作 才能与控制现场连接起来 调试也较繁琐 而 PLC 的输入 输出接口已经做好 输入接口可以与无外接电源的开关直 接连接 非常方便 输出接口具有一定的驱动负载能力 能适应一般的控制要 求 而且 在输入接口 输出接口 由光电耦合器件 使现场的干扰信号不容 易进入 PLC 3 单片机不如 PLC 可靠 使用单片机进行工业控制 突出的问题就是抗干扰性能较差 而 PLC 是专门用于工程现场环境中的自动控制 在设计和制造过程中采取 了抗干扰性措施 稳定性和可靠性较高 通过上面的比较 针对组合机床的电气控制系统 虽然 PLC 的价格高一些 但良好的稳定性和高度的可靠性可确保机床在加工零件时的精度 所以决定采 用 PLC 控制系统来实现 7 3 硬件设计硬件设计 3 1 系统的原理方框图系统的原理方框图 PLC 进给电机 主轴电机 照明电路 冷却电路 图 3 1 系统框图 3 2 主电路主电路 根据设计要求 主电路大致分为三个部分 首先看第一部分 主轴电机 主轴电机工作方式有两种 正转 反转 根据不同的工作要求 主轴电机的转 向不同 因主轴电机的功率较小 故可以直接启动 其主电路图如下 3 2 所示 8 M1M2 FR1FR2 KM1 KM2 FU1FU2 图 3 2 主轴电机 当 KM1 KM2 的线圈得电吸合分别使电机 M1 M2 正转 当 KM9 KM10 的线圈得电吸合分别是电机 M1 M2 反转 通过 PLC 的输出就可 以使不同的接触器线圈得电 从而使电机的转向不同 其次看第二部分 快速电机和进给电机 根据设计要求知左 右两动力头 均要求快进 工进 快退的工作循环 并且左 右两动力头可以同时工作 也 可进行单独调整 所以就要求快速电机 M5 M6 能够正反转 工作进给电机为 M3 M4 能够正转即可 其主电路如下图 3 3 所示 9 M3 KM3 FU3 M4 KM4 FU4 YV1 YV2 图 3 3 快速电机和进给电机 因为这 4 个功率都较小 所以可以直接启动 M3 M4 只要接触器 KM3 KM4 的线圈得电就会吸合 就能正转 M5 M6 分别当接触器 KM5 KM6 线圈得电时正转 当接触器 KM7 KM8 分别得电就反转 最后看 第三部分 照明电路和信号指示部分 当机床工作时 为了警告旁人不要误动 作 故要有信号指示说明 告诉别人正在进行工作 不要误动作 信号指示也 能显示机床是否是在正常工作 有无问题 有时候需要晚上工作 所以需要必 要的照明 图 3 4 指示信号灯 10 如图 3 4 其指示着组合机床的工作状态 指示灯分别与与之对应的接触器 的常开触点连接 当接触器的线圈得电 其常开触点闭合 通过 6 3V 电压使之 亮 KM1 KM9 分别是控制 M1 的正反转的接触器 KM2 KM10 分别是控制 M2 的正反转的接触器 KM3 KM4 分别是控制左右工进电机正转的接触器 KM5 KM7 KM6 KM8 分别是左右快进快退电机 这样就可以把所有的电 机的状态显示出来 照明灯如下图 3 5 所示 SA AC 36V 图 3 5 照明灯 3 3 I O 分配分配 因采用 PLC 控制 需分配其 I O 点 它决定着系统如何工作 输入地址号信号名称输出地址号 信号名称 X0左动力头正转启动 按钮 Y0 M1 主轴正转 KM1 X1左动力头反转启动 按钮 Y1 M1 主轴反转 KM9 X2左动力头停车按钮Y2M3 工进正转 KM3 X3左动力头冷却泵启Y3YV1 快进 YV1 11 动 X4左动力头快进限位Y4YV2 快退 YV2 X5左动力头工进限位Y5左冷却泵 KM11 X6左动力头原位限位Y6 M2 主轴正转 KM2 X7左动力头快进 按钮 Y7 M2 主轴反转 KM10 X10左动力头快退 按钮 Y10M4 工进正转 KM4 X11右动力头正转启动 按钮 Y11M6 快进 KM6 X12右动力头反转启动 按钮 Y12M6 快退 KM8 X13右动力头停车按钮Y13右冷却泵 KM12 X14右动力头冷却泵启 动 X15右动力头快进限位 X16右动力头工进限位 X17右动力头原位限位 X20右动力头快进 按钮 X21右动力头快退 按钮 表 3 1 I O 口地址分配表 12 3 3 I O 接线图接线图 x0 x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x10 x11 x12 x13 x14 x15 x16 x17 x20 x21 SB9 SB1 SB2 SB3 SA1 SQ3 SQ5 SQ1 SB4 SB5 SB6 SB7 SB8 SA2 SQ4 SQ2 SQ6 SB10 COM Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y10 Y11 KM1 KM9 KM3 YV1 YV2 KM11 KM2 KM10 KM4 KM12 图 3 6 PLC I O 接线图 接触器的线圈通过接 110V 电压与 PLC 的输出端和 COM 端相连 按钮和 开关与输入端和 COM 端相连 3 4 元器件选型元器件选型 首先是 PLC 的选择 统计组合机床 PLC 输入元器件 执行元器件及 I O 点 数 输入部分 输入部分 点数 动力头工作方式选择按钮 SB6 冷却泵选择开关 SA2 行程开关 SQ6 按钮 SB 4 总计 18 13 输出部分 输出部分点数 接触器12 总计 12 注 照明不需要接入 PLC 只需要选择开关就可以 所以选用 FX2N 32MR 加扩展单元 FX2N 32ER FX2N 32MR 含有 32 个 I O 点 16 入 16 出 FX2N 32ER 为含有 32 点扩展单元 下面是电器元件选择 代 号名 称型 号 及 规 格用 途数量 M1 三相交流异步电动 机 JO3 802 6 5 5KW 380V 1440r min 主电动机1 M2 三相交流异步电动 机 JO3 802 6 5 5KW 380V 1440r min 主电动机1 M3 三相交流异步电动 机 JO3 802 6 1 5KW 380V 1450r min 快速工进电动机1 M4 三相交流异步电动 机 JO3 802 6 1 5KW 380V 1450r min 快速工进电动机1 M5 三相交流异步电动 机 JO3 802 6 5 5KW 380V 1440r min 左冷却泵1 M6 三相交流异步电动 机 JO3 802 6 5 5KW 380V 1440r min 右冷却泵1 FU1熔断器RL1 15 15A 主电动机过载保 护 1 FU2熔断器RL1 15 15A 主电动机过载保 护 1 FU3熔断器RL1 15 15A快速工进电动机1 14 过载保护 FU4熔断器RL1 15 15A 快速工进电动机 过载保护 1 FU5熔断器RL1 15 15A 左冷却泵过载保 护 1 FU6熔断器RL1 15 15A 右冷却泵过载保 护 1 KM1交流接触器CJ10 75A 线圈电压 220V控制 M1 正转1 KM2交流接触器CJ10 40A 线圈电压 220V控制 M2 正转1 KM3交流接触器CJ10 40A 线圈电压 220VM3 工进1 KM4交流接触器CJ10 40A 线圈电压 220VM4 工进1 KM9交流接触器CJ10 40A 线圈电压 220V控制 M1 反转1 KM10交流接触器CJ10 40A 线圈电压 220V控制 M2 反转1 YV1电磁铁DC24V 10W控制 M3 快进1 YV2电磁铁DC24V 10W控制 M4 快进1 FR1热继电器JR10 60 52 5AM1 过载保护1 FR2热继电器JR10 60 52 5AM2 过载保护1 FR3热继电器JR10 10 14 7 20AM3 过载保护1 FR4热继电器JR10 10 14 7 20AM4 过载保护1 FR5热继电器JR10 60 52 5AM5 过载保护1 FR6热继电器JR10 60 52 5AM6 过载保护1 SB1按钮黑色M1 正转1 SB2按钮黑色M1 反转1 SB3按钮M2 正转1 SB4按钮黑色M2 反转1 SB5按钮黑色M3 工进1 SB6按钮黑色M3 快进1 SB7按钮黑色M4 工进1 SB8按钮黑色M4 快进1 15 SB9按钮黑色左冷却泵1 SB10按钮黑色右冷却泵1 SQ位置开关LA2 黑色6 图 3 4 3 电器元件数量 型号表 4 软件设计软件设计 4 1 主流程主流程 根据要求知需使左 右两动力头均要求快进 工进 快退的工作循环和可 使左 右两动力头同时工作 也可进行单独调整 故设计的流程图如下图 4 1 所示 16 开机 右主轴电机启动右主轴电机启动 Y 左快进按钮是否按下右快进按钮是否按下 左动力头快进右动力头快进 左快进限位右快进限位 左动力头工进右动力头工进 左工进限位右工进限位 左主轴电机停左快退右主轴电机停右快进 左原位限位右原位限位 停止 N Y Y Y Y Y Y Y YY N N N N N N N N N 图 4 1 设计流程图 17 4 2 梯形图梯形图 18 图 4 2 梯形图 5 系统调试系统调试 安装 GX Developer 和三菱的仿真软件 建立一个新工程 将梯形图输入到 工程中 完成后将其转换 再启动梯形图逻辑测试 选择软元件测试 输入不 同的软元件 改变其状态 观察输出的改变 软元件的改变输出的改变 X0 1 X1 0Y0 1 X0 0 X1 1Y1 1 X2 0Y0 0 Y1 0 X3 1Y5 1 X3 0Y5 0 X7 1 X0 1 X1 0 X7 1 X0 0 X1 1Y0 1 Y3 1 Y1 1 Y3 1 X4 1Y2 1 Y3 0 X5 1Y2 0 Y4 1 Y0 0 Y1 0 X6 0Y4 0 X10 1Y4 1 X11 1 X12 0Y6 1 X11 0 X12 1Y7 1 X13 1Y6 0 Y7 0 19 X14 1Y13 1 X20 1 X11 1 X12 0 X20 1 X11 0 X12 1Y11 1 Y6 1 Y11 1 Y7 1 X15 1Y10 1 Y11 0 X16 1Y10 0 Y12 1 Y6 0 Y7 0 X17