气动半自动落料机床程序控制系统

燕山大学 课课 程程 设设 计计 说说 明明 书书 机电控制工程课程设计 机电控制工程课程设计 项目名称 项目名称 气控半自动落料机床 程序控制系统 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 35 页 第 1 页 燕山大学课程设计 论文 任务书燕山大学课程设计 论文 任务书 项目名 称 气控半自动落料机床程序控制系统 项目考 察知识 点 通过气动回路设计及调试 可以提高学生对气动元件的运用能力 通过基 础气动元件扩展到与电气控制及传感器相结合的电 气综合回路的训练 提 高学生对电 气技术的运用能力 PLC 气动基本胡流的设计及实现 复杂多 缸无障碍信号电气动回路的设计及实现 PLC 气动回路故障诊断及分析 项目设 计参数 执行元件工况要求 金属棒料先放在有滚轮的导轨上 然后进行机械手抓 紧 送料 夹紧 进刀 退刀等动作 1 要求每分钟落料 7 个工件 8 57s 工件 对各气缸要求如下 名称 抓料缸 送料缸 夹紧缸 进刀缸 输出力 daN 40 40 150 行程 mm 40 70 20 60 2 工作环境为室内加工无特殊要求 3 要求切割时进刀动作平稳 4 其他要求 系统工作可靠 造价低 易于操作 项目实 施内容 设计气动控制回路 包括纯气动控制 电气控制及 PLC 选择气动元件和设计气源 绘制气压系统原理图 1 张 A2 气压传动系统设计计算说明书一本 含电气任务书 不少于 15 页 绘制气缸装配图 1 张 A1 活塞零件图 A2 编写 PLC 控制程序 项目试 验内容 完成纯气动控制系统的模拟实现 完成电气控制气动回路的模拟实现 完成 PLC 控制程序和 PLC 控制气动系统的模拟实现 项目结 题须提 交材料 气压控制系统原理图一张 A1 气压传动系统设计计算说明书一本 含 电气任务书 不少于 15 页 气缸装配图 1 张 A1 活塞零件图 A2 PLC 控制程序 实验报告 心得体会 项目实 施时间 节点要 求 第一周末 设计计算 系统草图 元件选择 第二周末 绘图 编写 PLC 程序 第三周末 完成说明书 实验 和全部技术文件 第四周末 准备 PPT 答辩 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 35 页 第 2 页 摘 要 对半自动落料机床多缸多往复程序控制系统分别设计采用了纯气动控制 系统 电气控制系统 及 PLC 程序控制系统 并各自完成了模拟实验 对纯气动控制系统的设计 执行元件的选择 系统的设计计算 控制元 件和辅助元件的选择 并进行了模拟实现 对电气控制系统的设计 控制电路的设计 并进行了模拟实现 对 PLC 控制系统的设计 PLC 控制程序的编写 PLC 控制电路的设计 关键词关键词 纯气动控制 电气控制 PLC 控制 系统设计 电路设计 程序编写 模拟实现 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 35 页 第 3 页 目目 录录 小组分工及贡献小组分工及贡献 2 摘摘 要要 3 第第 1 章章 绪论绪论 5 1 1 课题背景 5 第第 2 章章 落料机床气控回路设计落料机床气控回路设计 5 2 1 工作程序及控制要求 5 2 2 选择系统压力确定执行元件 6 2 3 系统耗气量计算 7 2 4 拟定系统原理图 8 2 5 元件选择 11 2 6 确定管道直径 验算压力损失 12 第第 3 章章 电气电磁阀控制系统设计电气电磁阀控制系统设计 14 3 1 电控气动原理图 14 3 2 电路设计 15 第第 4 章章 电气电气 PLC 控制系统设计控制系统设计 17 4 1PLC 使用说明 17 4 2PLC 气动原理图 24 4 3PLC 程序设计 24 第第 5 章章 气缸的设计气缸的设计 28 5 1 气缸 送料缸 的设计图 28 5 2 气缸 送料缸 的零件设计图 29 结论结论 2 心得心得 1 3 参考文献参考文献 7 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 35 页 第 4 页 第 1 章 绪论 1 1 课题背景 在一些生成过程中 需要将金属棒料按要求切成一定长度再进行加工或 获得成品 这一过程即为落料 落料的自动化过程可通过多种方式实现 气 动技术即为其中一种 而气动的自动化控制又可以通过多种方式实现 如气 控 电控 PLC 程序控制 其中 每一种控制方式都有各自的特点及优缺点 第 2 章 落料机床气控回路设计 2 1工作程序及控制要求工作程序及控制要求 一 工作程序 工作时首先由人工将金属棒材放在带有滚轮的导轨上 再由机械手抓料 送料 夹紧 松料 送料退回 进刀 退刀 松夹等完成一次工作循环 机床连续作业 要求进刀平稳 系统工作效率高 工作可靠 造价低廉 易于操作 为提高工作效率 在保证加工顺序的前提下对前面讲述的工序作如下调 整 夹具松开和机械手抓料同时在第一拍内完成 夹具夹紧棒料和机械手松 料同时在第三拍内完成 而在第四拍内完成切断棒料和机械手退回两个动作 经调整后的工序见图 1 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 35 页 第 5 页 图 1 工序图 二 控制要求 1 要求每分钟落料 7 个工件 8 57s 工件 对各气缸要求如下 名称 抓料缸 送料缸 夹紧缸 进刀缸 输出力 daN 40 40 150 行程 mm 40 70 20 60 2 工作环境为室内加工无特殊要求 3 要求切割时进刀动作平稳 4 其他要求 系统工作可靠 造价低 易于操作 2 2选择系统压力确定执行元件选择系统压力确定执行元件 1 系统压力和执行元件 本系统为一般的气动系统 故选择系统压力 为 0 4Mpa 根据工作要求抓料选择单作用缸 靠弹簧力返回 送料缸和夹紧 缸选用双作用缸 落料要求进刀平稳 进刀缸采用气液阻尼缸 2 执行元件主要规格确定 内径 D D 取 F 0 7 2 4 FpF 1 送料缸 DB 0 0426mm 2 7 0 10 4 0 14 3 400 4 6 2 夹紧缸 DC 0 0426mm 2 7 0 10 4 0 14 3 400 4 6 3 进刀缸 DD 0 0826mm 2 7 0 10 4 0 14 3 1500 4 6 4 查气动元件样本 各执行元件选择如下 抓料缸 QCJZ 系列单作用微型气缸 单作用弹簧压回 S 双耳坐型 D 内径 16mm 行程 40mm 送料缸 LCZ 系列双作用气缸 内径 50mm 活塞杆直径 20mm 行程 70mm 夹紧缸 QGHJ 系列双作用夹紧缸 内径 50mm 活塞杆直径 36mm 行程 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 35 页 第 6 页 20mm 进刀缸 QGHZ 系列气液阻尼缸 内径 100mm 活塞杆直径 44mm 行程 60mm 2 3系统耗气量计算系统耗气量计算 由 q1 D2S 4t1 V 2 5 q2 D2 d2 S 4t2 V 2 6 取 V 0 9 其中 q1 q2气缸伸出和退回时的耗气量 t1 t2分别为气缸伸出和退回 所花的时间 根据动作要求初定各缸伸出和退回所花时间如图 2 图 2 工序图 计算各缸的耗气量如下 抓料缸 A 缸 qA1 DA2SA 4tA1 V 3 14 0 0162 0 04 4 0 2 0 9 2 68 10 3m3 min 2 7 送料缸 B 缸 qB1 DB2SB 4tB1 V 3 14 0 0502 0 07 4 1 0 9 9 1610 3m min 2 8 qB2 DB2 dB2 S 4tB2 V 3 14 0 0502 0 020 2 0 07 4 0 5 0 9 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 35 页 第 7 页 9 61 10 3m3 min 2 9 夹紧缸 C 缸 qC1 DC2SC 4tC1 V 3 14 0 052 0 02 4 0 37 0 9 7 07 10 3m3 min 2 10 qC2 DC2 dC2 S 4tC2 V 3 14 0 0502 0 036 2 0 02 4 0 15 0 9 8 40 10 3m3 min 2 11 进刀缸 D 缸 qD1 DD2SD 4tD1 V 3 14 0 12 0 06 4 4 5 0 9 6 98 10 3m3 min 2 12 qD2 DD2 dD2 S 4tD2 V 3 14 0 12 0 044 2 0 06 4 2 5 0 9 10 13 10 3m3 min 2 13 整个系统在一个工作周期内的平均自由空气耗气量为 QV qA1tA1 qB1tB1 qB2tB2 qC1tC1 qC2tC2 qD1tD1 qD2tD2 P 0 1013 0 1013T 2 68 0 2 9 16 1 9 61 0 5 7 07 0 37 8 40 0 15 6 98 4 5 10 13 2 5 0 4 0 1013 8 57 0 1013 m3 min 0 62 m3 min 2 14 2 4拟定系统原理图拟定系统原理图 根据装置所在的工作环境和系统的动作要求 考虑用气控行程顺序控制 方式 为此 1 列出气动执行元件的动作程序及程序循环图 图 1 2 画 X D 状态线图 程序的 X D 线图如图 3 3 逻辑原理图如图 4 4 画气动系统原理图如图 5 根据工作要求抓料选择单作用缸 靠弹簧力返回 送料缸和夹紧缸选用 双作用缸 落料要求进刀平稳 进刀缸采用气液阻尼缸 并用可通过的行程 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 35 页 第 8 页 阀 短信号阀 做 D 缸回到终端的信号阀 以消除 I 型障碍 在工作中应工件的变化 常要调整机床的刀具和夹具 因此系统中要有 手动调整 在工作循环结束时 可通过式行程阀处在释放状态 为了再次启 动的需要 要把启动信号和 C0相 与 控制第一节拍动作 A1 可得到变动后 的各执行元件动作的逻辑表达式为 A1 C0 q C0 d0 B1 a1 A0 b1 C1 b1 SKC1 B0 c1 b1 D1 c1 b1 D0 d1 SKD0 根据上述各执行元件动作的逻辑表达式画出落料气控回路图图 5 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 35 页 第 9 页 图 3 X D 线图 图 4 逻辑原理图 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 35 页 第 10 页 图 5 气控原理图 在系统接通气源并给出启动信号 q 后 C 缸首先退回使得夹紧装置松开 做好夹料准备与此同时单作用缸 A 也伸出带机械手的手指抓紧棒料并由行程 阀发出信号 a1 在第二节拍里 B 缸推动机械手把棒料送入夹紧装置 在第三 节拍内控制信 b1 指挥 C 缸伸出夹紧棒料得也同时也命令 A 缸退回使得机械手 松开 这样就完成了上料工作 上料完成后气液阻尼缸带动刀具前进切断棒 料 在行程终端发出 d1 控制信号 与该动作并行的事 B 缸活塞杆收缩带动机 械手复位 最后是 d1 信号控制 D 缸带动刀具复位 至此完成一个工作循环 系统中设置手动控制阀 SKC1 和 SKD0 以便于夹具和刀具调整 该机床可实现 自动工作循环 2 5元件选择元件选择 1 空压机的选择 由以上算得的一台设备四汽缸的自由空气耗气量 QV 0 62 m3 min 如无现成气源系统借用 则单独设置的气源中空压机可按供气压力 pg 0 5MPa 流量 0 62 m3 min 查有关产品样本 今选用 W 0 9 7A 型压缩机 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 35 页 第 11 页 该空压机的额定排气压力为 0 7 MPa 设定排气量为 0 62 m3 min 2 阀类元件和辅助元件的选择 阀类元件 根据系统的工作压力 0 4 Mpa 和通过阀的实际流量 初选 各控制阀如下 主控换向阀 选用 JQ 手动换向阀 q 选用 Q23R1SC L8 M5 6H 手动换向阀 SKD0 与 SKC1 选用 Q23R1C L3 行程发讯器 d0 选用可通过式行程阀 23JC4 L3 行程发讯器 a1 b1 c1 d1 均选用杠杆滚轮式行程阀 23JC3 L3 梭阀 选用 QS L3 减压阀和其他辅件 选用 QTY 8 减压阀 通径 8mm 和 QSL 8 型分水 滤气器 QIU 8 型油雾器 在两只主控阀和气缸排气口 分别配以 KXY 8 和 KXY 8 型消声器 如孔 口螺纹尺寸和消声器不相配 应考虑制造过度接头 2 6确定管道直径 验算压力损失确定管道直径 验算压力损失 1 确定管道直径 按管道直径与气动元件通径相一致的原则 确定主回路 8mm 控制回 路 3mm 2 验算压力损失 初步估算 并取 k p 1 3 pb pd pg pj 2 p 2 15 式中 pb pd为流经分水滤气器 油雾器的压力损失 pg pj为流经截止式换向阀和减压阀的压力损失 为使系统气压 减压阀输出压力 稳定 减压阀输入 输出压力应有 一定的差值 若此处取 pj 0 1 Mpa 其余元件的损失按表 5 3 取为 pb 0 02 Mpa pd 0 015 Mpa pg 0 015 Mpa 则 0 1 0 02 0 015 0 015 0 15 Mpa 2 2 p 16 k p 1 3 0 15 Mpa 0 195 Mpa 2 2 p 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 35 页 第 12 页 17 因此 供气压力 p 0 4 0 195 0 595 Mpa 取 p 0 6 Mpa 此值由 贮气罐处的压力继电器调定 也可由点接点压力表调定 若不算减压阀 上压降 则 k p 1 3 0 05 0 065 p 0 1 2 2 p 18 由此可见 系统压力损失可以为压缩机接受 一般也为规定值所允许 如要精确知道管路系统压力损失 则可在确定管道布局的基础上 计算管系 的沿程损失 局部损失 从而计算出包括元 辅件在内的系统压力损失 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 35 页 第 13 页 第 3 章 电气电磁阀控制系统设计 电气控制线路设计的一般要求 电气控制线路的设计是在传动形式及控制方案选择的基础上进行的 是 传动形式与控制方案的具体化 此次任务主要是实现实验室中的电控模拟 针对工作要求 有如下几点 工作 3 1电控气动原理图电控气动原理图 系统原理图如图 7 图 6 搭建气控回路实验台 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 35 页 第 14 页 图 7 电气控制系统原理图 3 2电路设计电路设计 控制电路图如图 8 图 8 控制电路图 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 35 页 第 15 页 电磁控制工作过程如下 设置初始状态为 抓料松开 送料退回 夹紧缸松夹 进刀缸退回 1 总开关 SA 闭合 线圈 KA1 得电 KA1 动合触点闭合 电磁阀 YA1 得 电 抓料 同时 KA1 动断触点断开 使线圈 KA6 不能在线圈 KA3 得电之前得 电 2 抓料完成 SQ1 动合触点闭合 线圈 KA2 得电并自锁 KA2 动合触点 闭合 电磁阀 YA2 得电 送料 3 送料完成 SQ2 动合触点闭合 线圈 KA3 得电并自锁 KA3 动合触点 闭合 电磁阀 YA3 得电 夹紧 同时 KA3 动断触点断开 线圈 KA1 失电 电磁阀 YA1 断电 抓料缸退回 4 夹紧完成 SQ3 动合触点闭合 线圈 KA4 得电并自锁 KA4 动合触点闭 合 电磁阀 YA4 得电 进刀 同时 KA4 动断触点断开 线圈 KA2 失电 电 磁阀 YA2 断电 送料缸退回 5 进刀终点 SQ5 动合触点闭合 线圈 KA5 得电并自锁 同时 KA5 动断 触点断开 线圈 KA4 失电 退刀 同时 KA5 动合触点闭合 6 退刀终点 SQ4 动合触点闭合 线圈 KA6 得电并自锁 KA6 动断触点断 开 线圈 KA3 失电 KA3 各触点复位 电磁阀 YA3 断电 夹紧缸退回 线圈 KA5 失电 同时 执行第 1 步 依次循环动作 注 1 工作过程中 转动总开关 SA 控制线路完成当前循环后结束 2 若要进行刀具调整 按下刀具调整按钮 SKD0 线圈 KA4 失电 电磁阀 YA4 失电 刀具一直处于退刀状态 3 若要进行夹具调整 先按下刀具调整按钮 SKD0 使刀具不能进刀 在 按下夹具调整按钮 SKC1 使线圈 KA3 一直处于得电状态 即电磁阀 YA3 得电 夹具一直夹紧 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 35 页 第 16 页 第 4 章 电气 PLC 控制系统设计 4 1PLC 使用说明使用说明 这次编写程序我们主要用到了 PLC 的梯形图 所以在此我对梯形图的使 用做详细说明 4 1 14 1 1 什么是什么是 IndraLogicIndraLogic IndraLogic是可编程逻辑控制PLC 的完整开发环境 IndraLogic是 Controlled Developement System的缩写 在PLC 程序员编程时 IndraLogic为强大的IEC 语言提供了一个简单的方法 系统的编辑器和调试 器的功能是建立在高级编程语言的基础上 如visual c 4 1 24 1 2 L40L40的硬件及配置的硬件及配置 图 9 搭建的电控回路试验台 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 35 页 第 17 页 图10 L40的配置 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 35 页 第 18 页 图11 功能描述 PLC主体有8个输入 8个输出接口和4个扩展输入 4个扩展输出接口 24V电源用于向 L40提供电源 主电路可以从其它电路段分离出来 互相 独立 如果这样的话 主电路为所有这些段提供主电压 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 35 页 第 19 页 4 1 34 1 3程序的编写过程程序的编写过程 编写程序之前 首先要确定被控系统的运行过程 确定系统的逻辑关系 如气动半自动落料机床的功能图如下 图12 气动落料机床功能图 IX0 0 退刀行程开关 QX0 1 电磁阀1 IX0 1 抓料行程开关 QX0 2 电磁阀2 IX0 2 送料行程开关 QX0 3 电磁阀3 IX0 3 夹紧行程开关 S1 抓料 夹具松 IX0 4 进刀行程开关 S2 送料 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 35 页 第 20 页 IX0 5 夹具调整开关 S3 夹紧 抓料松 IX0 6 刀具调整开关 S4 进刀 IX0 7 总开关开关 S5 退刀 接下来是正式的编程过程 1 首先打开应用程序 如图13 2 选择文件 新建 工程 3 将L20的模块拖到新建的工程中 图14 4 出现如图15的对话框 依次继续 图 13 程序图标 图 14 将 L20 的模块拖到新建的工程中 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 35 页 第 21 页 5 点击新建 选择图示设备 如图16 6 将图示IP地址改为192 168 1 10 如图17 7 点击结束 完成 图 15 设置过程 图 16 设备选择 图 17 修改 IP 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 35 页 第 22 页 8 打开L20 DP 打开logic 图 19 打开 logic 9 选择LD梯形图 图 18 设置结束 图 20 选择 LD 梯形图 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 35 页 第 23 页 10 定义步的名称 进行编程 绿色文字为注释 图 21 步的定义 图 22 编程过程 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 35 页 第 24 页 4 2PLC 气动原理图气动原理图 图 23 PLC 气动原理图 4 3PLC 程序设计程序设计 输入设备对应输入点号输出设备对应输出点号 行程开关 SQ4 常开 IX0 0 电磁阀 YA1 夹 抓 QX0 1 行程开关 SQ1 常开 IX0 1 电磁阀 YA2 送 QX0 2 行程开关 SQ2 常开 IX0 2 电磁阀 YA3 刀 QX0 3 行程开关 SQ3 常开 IX0 3 行程开关 SQ5 常开 IX0 4 夹具调整 SKC1 常开 IX0 5 刀具调整 SKD0 常开 IX0 6 总开关 常开 IX0 7 道具调整后继续工作触点 SKD00 IX1 0 表 1 I O 地址分配表 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 35 页 第 25 页 气动半自动落料机床控制 PLC 外部接线图 图 9 图 24 气动半自动落料机床控制 PLC 外部接线图 运行程序 进行程序调试 注 调试程序时 先不要使系统与气源相通 用手推 拉 气缸 观察 各电磁阀的得失电的顺序正确与否 若不正确 进行修改 最终得到正确的 运行程序 最终编写的程序 PROGRAM PLC PRG VAR Step 0 BOOL TRUE 空操作 Step A1C0 BOOL 抓料松夹 Step B1 BOOL 送料 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 35 页 第 26 页 Step C1A0 BOOL 夹紧抓料松 Step D1 BOOL 进刀 Step B0 BOOL 送料退 Step D0 BOOL 退刀 0 0 SQ4 0 1 SQ1 0 2 SQ2 0 3 SQ3 0 4 SQ5 0 5 夹具调整 0 6 刀具调整 0 7 总开关 1 0 退刀调整后进入循环 QX0 1 抓料夹紧控制阀 QX0 2 送料控制阀 QX0 3 刀具控制阀 END VAR 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 35 页 第 27 页 图 25 程序图 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 35 页 第 28 页 第 5 章 气缸的设计 5 1气缸 送料缸 的设计图气缸 送料缸 的设计图 抓料缸装配图如图 26 1 前端盖 2 钢筒 3 活塞杆 4 密封圈 5 活塞 6 后端盖 7 螺母 8 弹簧垫圈 9 密封圈 10 弹簧垫圈 11 双头螺柱 12 螺母 图 26 气缸设计图 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 35 页 第 29 页 5 2气缸 送料缸 的零件设计图气缸 送料缸 的零件设计图 图 27 气缸活塞零件图 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 35 页 第 2 页 结论结论 1 气动回路速度很快 要实现气缸速度的控制需在排气侧安装单向节流阀 按设计要求对气缸进行调速 2 气控回路搭接方便 用机控行程开关容易实现对回路的顺序控制 但容 易产生有干涉的控制信号 为了消除障碍信号 我们使用的方法是选择 别的控制信号作为制约信号 如 B0 c1b1 若要使抓料缸退回 必须在 送料至终点和夹紧缸夹紧