基于PLC的组合机床液压系统的设计

基于PLC的组合机床液压系统的设计摘要：组合机床是由通用部件和专用部件组成的一种自动化程度较高的机床，动力滑台是组合机床的通用部件，通过液压系统可使滑台完成一定的动作循环。本论文根据给定的工作条件首先完成了组合机床动力滑台液压系统的设计计算，拟定了液压系统原理图，选定了液压元件，并根据液压系统工作原理图完成了电气控制电路设计；再设计了PLC控制程序，绘制出梯形图，通过PLC的输入输出控制液压回路中电磁阀工作，最后以液压实验台为平台实现组合机床液压系统控制。关键词：组合机床，液压系统，电气控制IDesignofhydraulicsystemforhydraulicsystembasedonPLCAbstract:Combinationofmachinetoolsisahighdegreeofautomationbythecommonpartsandspecialcomponentsofthemachinetools,powerslideisacommoncomponentcombinationmachine，slipcanbeallowedtocompletecertainoperationcyclethroughthehydraulicsystem.Inthispaper,accordingtothegivenoperatingconditions，thefirstthingtohavecompletedisthedesignandcalculationofcompositemachinetoolpowerslidinghydraulicsystem.Next,thisdesignstoodoutahydraulicsystemdiagram,selectedhydrauliccomponentsandcompletedtheelectricalcontrolcircuitdesignbasedonthehydraulicsystemsoperatingprinciple;then,thispaperdesignedthecontrolprogramofPLCandmappedouttheladderchart,itmadethehydrauliccircuitsolenoidvalveworknormallybytheinputsandoutputsofPLC,andfinallyasaplatformtohydraulicteststandtocompletethecombinationofhydraulicsystemcontrol.Keywords:Combinedmachinetool，Hydraulicsystem，Electricalcontrol.II目录1前言.11.1组合机床的概述.11.2可编程控制器PLC概述.12组合机床液压系统的设计.32.1明确设计要求给定工作参数.32.2工况分析.32.2.1根据已知条件绘制运动部件的速度循环图.32.2.2进行负载运算.42.3确定液压缸的工作压力和尺寸.52.4拟定液压系统原理图.72.4.1初步模拟液压系统.82.5液压系统的验算.113电气控制及电路设计.153.1电路设计的步骤.153.2设计中的注意事项.153.3绘制电气图.163.4选择电气元件.173.5选用电气元件及建立输入输出变量.184PLC控制系统.204.1PLC液压控制系统在组合机床中的应用简述.204.2PLC控制简述.224.3PLC选择及电器电路的控制设计.244.3.1系统设计的原则.244.3.2选择PLC的型号.244.3.3PLC型号的确定.244.4PLC的工作原理及工作过程.255设计梯形图.285.1程序设计语句表.28III5.2根据电气图画出梯形图.286结论.30参考文献.31致谢.3201前言1.1组合机床的概述组合机床的出现使得近现代机械行业得到迅猛发展。其最早用于汽车零件的加工，各个机床制造厂都有其各自的通用部件标准。二十世纪五十年代才规范了标准的生产部件。组合机床自从诞生之日起，就以其特有的快速多变的重组性、灵活多样的可调性，在机械制造业中发挥着重要的作用，特别是组合机床在车辆、仪表、大型机械制造及军工等部门得到了广泛的应用。组合机床具有结构稳定、工作可靠，使用维修方便，设计和制造周期短，投资少，经济效益好，生产效率高，产品质量稳定，劳动强度低。而且组合机床的通用部件和标准零件可以重复利用，不必另行设计和制造。况且由于组合机床采用专用夹具、刀具和导向装置等，对操作工人的技术要求不高，加工质量靠加工工艺保证，易于连成组合机床自动生产线，很适用于大规模的生产要求。组合机床的主要构成包括床身、底座、工作台、液压动力滑台、液压站、铣削动力头、工件松/紧油缸等。1.2可编程控制器PLC概述随着组合机床的大量使用及其在生产中有着大量的需求，各个公司厂房制造出很多专用型号的机床。而液压系统又在组合机床中得到了大量的运用。使这些机床能够实行数控，可编程控制器的出现，采用可编程控制系统对液压系统进行对接控制，这样在性能和效率上得到大大的提升。因此，采用PLC对机床实行液压控制进行技术改造很有必要。随着计算机技术的发展，存储逻辑开始进入工业控制领域。可编程序控制器作为通用的工业控制计算机，是存储逻辑在工业应用的代表性成果。在PLC的发展初期，由于其价格高于继电器控制装置，使得其应用受到限制。但近十年来，PLC的应用面越来越广，其主要原因：微处理器芯片及有关元件的价格大幅度下降，使得PLC的成本下降；PLC的功能大大增强，也能解决复杂的计算和通1信问题。PLC的应用范围通常可分成五类：顺序控制、运动控制、过程控制、数据处理和通信网络。PLC的技术指标包括硬件指标和软件指标。硬件指标又包括一般指标、输入特性和输出特性。一般指标主要体现在环境温度、环境湿度、使用环境、抗振、抗冲击、抗噪声、抗干扰和耐压等性能上。软件指标主要主要包括程序容量、编程语言、通信功能、运行速度，指令类型、元件种类和数量等。程序容量是指PLC的内存和外存大小，一般从几KB到上百KB。存储器的类型一般为RAM、EEPROM和EPROM.编程语言是指有多少种语言支持编制用户程序。通信功能是指PLC是否具有通信能力，具有何种通信能力。一般可分为远程I/O通信、计算机通信、点对点通信、高速总线、MAP网。当前，通信能力是衡量PLC性能的一项主要指标。运行速度是指操作处理时间的长短，可以用基本指令来衡量，时间越短越好，一般在微妙级以下。指令的功能越强大，说明PLC的性能越好。元件的数量和种类的多少不仅反映了PLC的性能，也说明了PLC的规模。PLC在硬件上的组成由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口、电源、外部设备等。输入单元接受和采集的输入信号一种是限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关等开关量输入信号；另一种是电位器和其他一些传感器传来的模拟量输入信号。本课题主要是为了运用PLC来控制液压系统，通过液压回路能够实现组合机床的正常工作运转。22组合机床液压系统的设计2.1明确设计要求给定工作参数选用型号XK6140的组合机床。工作循环：工作台快进工作台工进工作台快退停止给定运动部件的重量G=2000N，工进速度为0.051m/min，最大行程为400mm,工进行程为200mm，最大切屑力为20000N，采用平面导轨。安全系数为。给1.0定静摩擦系数i=0.2,动摩擦系数d=0.1。启动、制动时间为st25.2.2工况分析2.2.1根据已知条件绘制运动部件的速度循环图如图2.1所示，然后计算出各阶段的负载并绘制负载图。图2.1速度循环图32.2.2进行负载运算液压缸在工作过程中各阶段的负载为：启动阶段F=Fi/=iG/=0.22000/0.9444（N）9加速阶段F=(Fd+Fa)/=(0.12000+2000/9.84/0.2560)/0.9283(N)9快进、快退阶段F=Fd/=0.12000/0.9222(N)9工进阶段F=(Fd+Fc）/=（0.12000+20000）/0.922444（N)9根据上述计算结果，列出液压缸各工作阶段所受的外负载（见表2.1），并画出负载循环图（见图2.2）。图2.2负载循环图4表2.1工况计算公式速度（m/s）有效面积（)负载压力背压p2(MPa)启动p=F/A34440.2加速q=VA2830.11差动快进恒速p=pqV=0.0672A=63.610-142220.1p=(F-p2A)/A21q=VA工进p=pqV=0.00080.017A=35.3102-4224443.50.4启动p=(F+p2A)/A124440.75加速q=VA2830.70快退恒速p=pqV=0.0671A=28.3103-42220.670.32.3确定液压缸的工作压力和尺寸根据负载查表2.2，并类比同类组合机床，取液压缸的工作压力p=3.5MPa。表格2.2机床机床类型磨床组合机床龙门刨床拉床农业机械工程机械工作压力（MPa）235881010162032液压缸的内径为：514mpFD9015.3426取直径为D=90mm。液压缸快进与快退速度相等，采用单活塞杆缸差动连接，d=0.71D,d=0.71D=0.7190=63.9（mm）取标准活塞杆直径，d=60mm。由D=90mm,d=60mm可计算出：液压缸无杆腔有效作用面积152421106.3)(mdA有杆腔有效作用面积4203.5活塞杆面积238)(dA最小稳定流量最小工进速度min/1.inLqsmV/05.inAv1243min0205.液压缸有效作用面积能满足其最低工进速度要求。根据负载循环图、速度循环图和液压缸的有效作用面积，并取工进时的背压0.4MPa，快进时的背压0.3MPa，计算出液压缸在工作循环各阶段的压力、流量和功率，见表11，绘制出液压缸的工况图，如图2.3所示。6图2.3工况图2.4拟定液压系统原理图2.4.1初步模拟液压系统7(1)确定供油方式及调速方式由液压缸工况图（图2.3）可知，本系统功率小，负载变化不大，工进速度低且要求稳定，故选用调速阀节流调速。为获得更低的稳定速度并防止前冲现象，可采用进油节流调速在回油路上加背压阀的调速方案。油路循环的方式采用开式油路。同时从工况图可见，液压缸工进时压力高、流量小，快进、快退时压力小、流量大，为提高系统效率，采用双液压泵的供油方式。(2)速度换接方式的选择采用单活塞杆缸，采用差动快速运动回路。为使快进转工进时位置准确，平稳可靠，选用行程阀控制的速度换接回路。(3)换向回路的选择该系统对换向平稳性要求不高，所以选用电液换向阀控制的换向回路，为了实现液压缸差动连接，选用三位五通电液换向阀。(4)压力控制回路的选择采用双液压泵供油方式，采用液控顺序阀实现低压泵卸荷，而用溢流阀调整高压泵的供油方式。8图2.4液压系统原理图9表2.3液压元件及型号实际流量（L/min）序号名称型号规格快进工进快退1双联泵YB-10/101pNqN10/1023单向阀AF-F10B3a6.310/10启动过程。当按下启动按钮后，液压泵电动机M1运行，由于电磁换向阀4线圈YA1通电，压力油经二位二通阀4流回油箱，各执行液压缸所带动的部件处于原位。2准备过程。当左、右铣头旋转铣削电动机M2、M3开始运行，铣刀旋转，此时应使电磁阀换向使阀4线圈失电，压力油经二位二通阀的通路被阻，油进入各个执行液压工作腔，为顺序动作做好准备。3铣削加工过程。送料电动机M4启动运行，开始送料，送料到位，压和行程开关ST6（送料杆压合），送料电动机M4停止转动，夹紧液压缸带动料块前进，夹具夹紧工件，压合行程开关ST2，滑台快进；压合行程开关ST4，滑台转入工进，当加工完毕，压合行程开关ST5，夹紧液压缸带动料块前进，压合行程开关ST6，送料液压缸带动推料块退回，压合行程开关ST7，滑台快退，回到原位压合行程开关ST1，开始第二次循环。4循环过程。当第一次加工工件的过程结束后，滑台回到原位压合行程开关ST1，ST1的触点信号作为开始第二次循环的起始信号，自动启动系统进入循环加工工作状态。5单步过程。启动手动单步按钮，双面铣床进入单步工作状态，完成一次加工任务，机床各个部件退回原位，等待下一个命令。(3)双面铣床PLC控制系统的设计所有电动机及其他主控部分都应受PLC控制。当液压泵启动后，PLC应能够完成对系统各种动作的控制，包括工件的定位、夹紧、放松，主轴的启动/停止，滑台的工进、快进、快退。运动控制分自动和手动的转换，在操作面板上进行设置。不论是手动还是自动，开始运行时首先启动液压电动机，同时接通I/O回路电源。4.2PLC控制简述通过对双面铣床生产工艺过程的分析，以及双面铣床对PLC电气控制系统的要求，确定系统的输入点数为17个，输出点数为11个。输入回路采用外加24V直流21稳压电源供电，按照PLC设计及控制对象系统的要求，以行程开关、自动开关辅助触点、按钮等开关量为PLC输入控制信号，由PLC输出控制接触器与电磁阀的动作。双面铣床PLC控制系统接线图如图17所示。图4.2PLC的输入/输出点分配:表4.2为PLC控制系统输入（X）点分配表，表4.3为PLC控制系统输出（Y）点分配表。表4.2PLC控制系统输入（X）点分配表序号输入地址功能序号输入地址功能1X000M1液压泵电动机停止10X011快进行程开关2X001M1液压泵电动机启动11X012工进行程开关3X002左、右铣头旋转铣前电动机M2、M3停止12X013送料行程开关4X003左、右铣头旋转铣前电动机M2、M3启动13X014送料复位行程开关5X004送料电动机M4停止14X015滑台快退行程开关6X005送料行程开关信号15X016工件松开行程开关7X006送料电动机M4启动16X017手动、自动行程开关8X007总控制开关17X020手动启动9X010滑台原位行程开关表4.3PLC控制系统输出（Y）点分配表序号输入地址功能序号输入地址功能1Y0001YD控制接触器KM17Y006滑台快进电磁阀2Y0012YD控制接触器KM28Y007滑台工进电磁阀3Y0023YD控制接触器KM39Y010送料电磁阀4Y0034YD控制接触器KM410Y011滑台快退电磁阀225Y004工件夹紧电磁阀11Y012系统卸荷阀6Y005工件松开电磁阀4.3PLC选择及电器电路的控制设计4.3.1系统设计的原则所有的电气控制系统都为满足被控对象的工作要求，以此来提高产品质量和生产效率。PLC也要满足此要求。PLC系统设计遵循的原则包括：最大限度的满足被控对象的控制要求；考虑控制系统是否安全、稳定、可靠；能够适应发展及要经济实用。4.3.2选择PLC的型号PLC的种类繁多，其控制的产品也是多种多样。选择被控系统的同时也要选定PLC机型。从选机型的角度，控制系统可分单机控制小系统、慢过程大系统和快速控制大系统。其中单机控制的小系统一般使用一台PLC就能完成控制要求。这类系统选择机型需注意三种情况。一是设备集中，设备的功率较小。二是设备分散，设备的功率较大。三是有专门要求的设备。4.3.3PLC型号的确定选用S7-200PLCS7-200的程序结构有两种，即线性结构和分块结构，在程序设计中叫线性程序设计和分块程序设计。S7-200PLC程序的设计方法有图解法编程、经验法编程、计算机辅助设计编程。其中图解法设计主要有梯形图法、逻辑流程图法、时序流程图法和步进顺序控法。S7-200PLC程序设计分以下几个步骤：(1)对系统任务分块；(2)编程控制系统的23逻辑关系图；(3)绘制各种电路图；(4)编制PLC程序并进行模拟调试；(5)制作控制台与控制矩；(6)现场调试；(7)编写技术文件并现场试运行。4.4PLC的工作原理及工作过程PLC是一种工业控制计算机，它的工作方式属于串行。程序的执行是按程序顺序依次完成相应各电器的动作。PLC的工作方式是按集中输入、集中输出、不断地周期性循环扫描的方式进行工作的。执行用户程序时，需要各种现场信息，这些现场信息已接到PLC的输入端，PLC采集现场信息就是采集输入信号有两种方式：（1）集中采样输入方式。一般在扫描周期的开始或结束将所有输入信号（输入元件的通/断状态）采集并存放到输入映像寄存器中。执行用户程序所需要的输入状态均在输入映像寄存器中取用，而不能直接到输入端或输入模块中去取。（2）立即输入方式。随程序的执行需要到哪一个信号就直接从输入端或输出端模块取用这个输入状态。24图4.325图4.4265设计梯形图5.1程序设计语句表LDI0.1LPP=Q0.5LDI0.5LDQ0.5OQ0.4LPSALDLDQ0.4=Q0.4OQ0.1LDQ0.2ALDAQ0.3=Q0.1OM0.1LRD=M0.1LDI0.2LDNQ0.3OQ0.2=M0.2ANQ0.4LDQ0.1ALDAQ0.4=Q0.20M0.3LRD=M0.3LDI0.3OQ0.2ANI0.4ALD=0.35.2根据电气图画出梯形图27图5.1(1)按下启动按钮I0.1和I0.4，Q1.1和Q1.2得电，液压缸快进(2)按下按钮I0.3，I0.3失电，Q1.3失电，液压缸工进(3)按下按钮I0.5，Q1.1得电，Q1.4得电，液压缸快退(4)按下按钮I0.6，系统停止286结论本次设计的题目是基于PLC的组合机床的液压系统的控制。本次设计的目的是要用可编程控制器PLC控制液压元件完成组合机床的工作动作。选定组合机床的类型后，给定了工作参数进行工况分析并且能够计算出工作所需的压力。根据工作压力及流量选定阀类元件的型号。然后进行液压系统的拟定，连接泵与各类阀类元件形成完整的液压系统回路图并进行多次的调试，确保液压系统能够正常运行工作。又因为计算中可能存在许多误差，所以要对其进行验算。设计其间要注意选择阀类元件时考虑到尽量的低成本，而且要使用广泛、维修方便。在液压系统完成后，要通过已设计的液压系统来设计出相应的电气图。在液压系统进行启动、快进、工进、快退和停止的顺序过程时选用相对的按钮来进行控制。最后画出梯形图并进行调试，实现对组合机床的程序控制。29参考文献1史宜巧，孙业明.PLC技术及应用项目教程M.机械工业出版社.2009,1.2周美兰.PLC电气控制与组态设计M.科学出版社.2003.3王宇，任思璟，李忠勤.PLC电气控制与组态设计J.电子工业出版社.2010.05.4刘艳梅.三菱PLC基础与系统设计J.机械工业出版社.2009.5祝红芳.PLC及其