PLC对SPJX-4PZ型四工位组合机床的设计

1、目 录摘要IAbstractII引言11 绪论1 1.1 组合机床概述1 1.2 PLC概述2 1.3 组合机床采用PLC的优点32 设计方案要求5 2.1 控制流程5 2.2 对电动机设计要求5 2.3 对工作方式要求5 2.4 对操作的设计要求5 2.5 对特殊环节的设计要求53 电气控制系统硬件设计5 3.1 选择PLC机型6 3.2 设计输入输出信号地址表6 3.3 设计PLC控制系统电气原理图8 3.4 设计PLC控制系统操作面板104 控制系统软件设计11 4.1 设计PLC控制系统工作循环流程图11 4.2 设计PLC控制系统初始化梯形图程序12 4.3 设计PLC控制系统手动及

2、显示梯形图程序12 4.4设计PLC控制系统状态转移图与梯形图程序13结论18参考文献19致谢20 ContentAbstractIIIntrouduction11 Summary1 1.1 Machine tools overview1 1.2 PLC overview2 1.3 The advantage of using PLC in machine tools32 Design requirements5 2.1 Control flow5 2.2 The motor design requirement5 2.3 Requirement for the wwork5 2.4 Desi

3、gn requirements for operation5 2.5 Design requirements for special link53 The hardware design of the control system of electrical5 3.1 Select the plc type6 3.2 The design of input and output signal address table6 3.3 The design of plc conrol system electrical schematic8 3.4 The design of plc control

4、 system operation panel104 Design of control system software11 4.1 Design of control system software11 4.2 The design of plc control system initialization ladder12 4.3 Design of plc system manual display program12 4.4 Design of plc state transition diagram and ladder program13Conclusion18References1

5、9Acknowledgement20 PLC对SPJX-4PZ四工位数控机床的设计 【摘要】: 目前,可编程控制器（PLC）广泛应用于数控机床等工业控制中。可编程控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统，它采用一种可编程程序的存储器，在其内部存储执行逻辑算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式、模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备和生产过程。组合机床是针对特定工件，进行特定加工而设计的一种高效率自动化专用加工设备，这类设备大多能多刀同时工作，并且具有自动循环的功能。组合机床通常由标准通用部件和加工专用部件组合构成，动力部件采用电动机驱动或采用液压系统

6、驱动，由电气系统进行工作自动循环的控制，是典型的机电或机电液一体化的自动加工设备。关键词：可编程控制器 组合机床 自动循环 Design PLC in four numerical control machine tool of SPJX-4PZ Abstract: at present, the programmable logic controller (PLC) is widely used in CNC machine tools and other industrial control. CNC machine tool control parts can be divided in

7、to control and sequence control components, control parts include the axis position control, which controls including the spindle start/stop/reverse and, tool change, Chuck clamping and releasing, cooling, tailstock, swarf and other auxiliary movement control. Modern CNC machine tools PLC instead of

8、 relay control to complete the logical control NC machine tool structure is more compact, more fully featured, responsiveness and reliability greatly improved! Programmable controllers are designed for application in the industrial environment of digital operation of the electronic system, which use

9、s a programmable program memory, store its internal execution logic, order, control, timing, counting, and arithmetic operations such as directives, through digital and analogue inputs and outputs to control various types of machinery, equipment and production processes. Modular machine tool is for

10、a particular job, the specific processing and design of an efficient automated processing equipment, such equipment can be more than one cutter at work, and you have an automatic cycle functions. Combined machine tools are usually formed by a standard generic parts and processing for combinations, d

11、ynamic parts with motor-driven, or driven by hydraulic system, controlled by the electrical systems of automatic work cycle, is the typical mechanical and electrical or mechanical-electrical-hydraulic integration of automated processing equipment。 Keywords: programmable sequence control operating in

12、structions modular machine tool numerical control automatic cycle引言 近年来，PLC在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势是其它工控产品难以比拟的。随着PLC技术的发展, 它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。在机床的实际设计和生产过程中，为了提高数控机床加工的精度，对其定位控制装置的选择就显得尤为重要。永宏FBs系列PLC的NC定位功能较其它PLC更精准，且程序的设计和调试相当方便。本文提出的是如何应用永宏PLC的NC定位控制实现机床数控系统控制功能的方法来满

13、足控制要求，在实际运行中是切实可行的。整机控制系统具有程序设计思路清晰、硬件电路简单实用、可靠性高、抗干扰能力强，具有良好的性能价格比等显著优点，其软硬件的设计思路可供许多企业的相关数控机床设计改造借鉴。1 绪论1.1 组合机床概述组合机床是针对特定工件，进行特定加工而设计的一种高效率自动化专用加工设备，这类设备大多能多刀同时工作，并且具有自动循环的功能。组合机床随着机械工业的不断发展，由通用机床、专用机床发展起来的。通用机床一般用一把刀具进行加工，自动化程度低、辅助时间长、生产效率低，但通用机床能够重新调整，以适应加工对象的变化。专用机床可以实现的多刀切削，自动化程度较高，结构较简单，生产效

14、率也较高。但是，专用机床的设计，制造周期长，造价高，工作可靠性也较差。专用机床是针对某工件的一定工序设计的，当产品进行改进，工件的结构，尺寸稍有变化时，它就不能继续使用。在综合了通用机床、专用机床优点的基础上产生了组合机床。组合机床通常由标准通用部件和加工专用部件组合构成，动力部件采用电动机驱动或采用液压系统驱动，由电气系统进行工作自动循环的控制，是典型的机电或机电液一体化的自动加工设备。常见的组合机床，标准通用部件有动力滑台各种加工动力头以及回转工作台等，可用电动机驱动，也可用液压驱动。各标准通用动力部件组合构成一台组合机床时，该机床的控制电路可由各动力部件的控制电路通过一定的连接电路组合构

15、成。多动力部件构成的组合机床，其控制通常有三方面的工作要求：第一方面是动力部件的点动和复位控制。第二方面是动力部件的半自动循环控制。第三方面是整批全自动工作循环控制。组合机床具有生产率高、加工精度稳定的优点。因而，在汽车、柴油机、电机、机床等一些具有一定生产批量的企业中得到了广泛应用。目前，组合机床的研制正向高效、高精度、高自动化和柔和性化方向发展。本文所用组合机床为SPJX-4PZ四工位组合机床，该机床由四个滑台，各载一个加工动力头，组成四个加工工位，除了四个加工工位外，还有夹具，上下料机械手和进料器，四个辅助装置以及冷却和液压系统共14个部分。机床的四个加工动力头同时对一个零件的四个端面以

16、及中心孔进行加工，一次加工完成一个零件，由上料机械手自动上料，下料机械手自动取走加工完成的零件，零件每小时可加工80件。该机床的俯视示意图如下：工位液压系统液压系统工位工位工位 1-工作台 2-主轴 3-夹具 4-上料机械手 5-进料装置 6-下料机械手 图 1 四工位十字轴加工组合机床示意图 1.2 PLC概述可编程控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统，它采用一种可编程程序的存储器，在其内部存储执行逻辑算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式、模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备和生产过程。可编程控制器及其有关设备的设计原则是它应该易与工业控制

17、联成一个整体且具有扩充功能。PLC产品能直接在工业环境中应用，对环境的适应能力强。PLC体积小、功能强、速度快，可靠性高，又具有较大的灵活性和扩展性。PLC还有一个重要特性是它具有在线修改功能。它借助于软件来实现重复的控制，软件本身具有修改性，所以PLC具有灵活性。从而使PLC具有广泛的工业通用性，同时简化了硬件电路，也提高了PLC系统的可靠性。据不完全统计，FX系列PLC平均故障间隔大于2000050000h，而平均修复时间则小于10min；PLC机能处理工业现场的强电信号，如交流220V、直流24V，并可直接驱动功率部件，可长期工作在严酷的工业环境能够中。编程采用传统的继电器符号语言，便于

18、工程技术人员掌握，PLC是在按钮开关，限位开关和其它传感器等发出的监控输入信号作用下进行工作。根据信号，控制器就会作出反映，通过用户编程的内部逻辑便产生输出信号，而且这些输出信号可直接控制外部的控制系统负载，如电机，接触器，指示灯，电磁阀等。PLC的控制系统省去了传统的继电器控制接线和拆线的麻烦。用PLC的编程逻辑提供了能随要求而改变的“间接网络”，这样生产线的自动化过程就能随意去改变，这种性能使PLC具有较高的经济效益。1.3 组合机床采用PLC的优点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、

19、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：1PLC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

20、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，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。

21、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

22、，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。2PLC与单片机比较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

23、，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

24、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

25、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。2 设计方案要求2.1 控制流程 当按下启动按钮后，上料机械手向前，将零件送到夹具上，夹具夹紧零件，进料装置进料，然后四个工作滑台向前，四个加工动力头同时加工，加工完成后，各工作滑台退回原位，接下来下料机械手向前抓住零件，夹具松开，下料机械手带料退回原位并松开，完成一个工作循环,流程图如下四工位工作上料机械手后退夹具夹紧上料机械手前进开始 进料装置进料下料机械手后退下料机械手前进2.2 对电动机设计要求 其中液压电机、冷却泵电机、扩孔电机、钻孔电机在整个工作过程中

26、不需要“启动”与“停止”的经常转换，也不需要正反转，只要在工作人员在自动线现场时启动运行，在人员离开自动线现场时停止。只要能实行“起、保、停”控制即可。2.3 对工作方式要求 要求该控制系统能使金属切削机械具有全机全自动、全机半自动、单机半自动和单机手动、全机自动回原点五种工作方式。全机全自动方式是设计中最重要的部分，它用来实现在无人参与的情况对成批工件进行自动地连续加工。 全机半自动方式主要用于自动线组装或检修完成后，以及工人交接班时对产品的的单件检查。 单机半自动方式主要用来检查或调整各单机一个工作循环的运行状态。2.4 对操作的设计要求 具有预开、预停、紧急停止、紧急后退和计数功能。 预

27、开：各项准备做好，按该钮，若开机条件具备，电铃响，提醒人员离开；预停：出现超节拍或者是有异常、不会引起严重后果，但长此下去会造成故障时按该钮，会在本工作周期完后再停止；紧急停止：出现紧急故障时起保护作用。2.5 对特殊环节的设计要求这里所说的特殊环节只针对润滑和冷却部分，对其他部分不做过多要求。钻床针对的大多数是金属等硬材料，这些零件对钻头的损害非常巨大，缓解的方法是加入润滑液减小钻头与零件之间的摩擦。另一方面机床加工零件时有摩擦产生大量的热，如果热量聚集散不出去就会由于热应力对零件的精度产生误差，因此必须考虑到冷却系统。3 电气控制系统硬件设计3.1 选择PLC机型合理选择PLC的型号，对于

28、提高PLC控制系统的技术经济指标起着重要作用。选择机型的基本原则是在功能满足要求的前提下，保证可靠，维护使用方便以及最佳功能价格比。(1) 结构选择PLC主要有整体式和模块式。整体式PLC：整体式PLC的每一个点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对小，一般用于系统工艺过程较为固定，环境条件较好，维修量较小的小型控制系统中。模块式PLC：模块式PLC功能扩展灵活方便。在点数上，输入点数，输出点数的比例，模块的种类方面选择余地大，且维修方便，一般用于较复杂的控制系统。对于组合机床，选用整体式PLC较好。(2) I/O点选取原则PLC平均的I/O点价格比较高，因此应该合理选用PLC的I/O点数量，在

29、满足控制要求的前提下力争使用的I/O点最少，但必须留有一定余量。通常I/O点数是根据被控制对象的输入输出信号的实际需要，再加上10%-20%的余量来确定。 由PLC组成的四工位组合机床控制系统有输入信号42个，均为开关量。其中检测元件17个，按钮开关24个，选择开关1个。电控制系统有输出信号27个，其中电磁阀16个，六台电动机的接触器和5个指示灯。根据I/O点数的选取原则考虑10%-20%的I/O点数余量输入点数可选取46-50个输出点数可选取29-33个。（3） 确定PLC机型及扩展模块。根据（1）（2）及实际PLC机型点数，选用FX2N-64MR主机和一个16点的输入扩展模块（FX-16E

30、X）这样共有输入点（32+16）。输出点就是主机的32。足够可以满足42个输入，27个输出的要求，而且留有一定余量。3.2 设计输入输出信号地址表输入输出信号地址表是将输入输出列成表，给出相应的地址和名称，以备软件编程和系统调试时使用的一种表。由本设计可知控制电路中的按钮，行程开关，检测元件等触点都属于PLC的输入设备，PLC的输出控制对象主要是控制电路中的执行元件，本设计主要是接触器，电磁阀，指示灯。根据电控系统的输入输出信号表知：1 输入元件数量行程开关 12个,按钮24个,选择开关1个,检测元件5个.2 输出元件数量电磁阀16个,接触器6个,指示灯5个.根据本设计选用的PLC机型，将输入

31、输出元件分配到PLC的输入输出接口。根据本文所给的输入输出元件可列下表3-1表3-1 输入输出信号地址表 输入信号 输出信号 名称 功能 编号 名称 功能 编号 1SQ 滑台原位 X0 1YV夹紧Y0 2SQ 滑台终点 X1 2YV 松开Y1 3SQ 滑台原位 X2 3 YV滑台进Y24SQ 滑台终点 X3 4YV 滑台退 Y35SQ 滑台原位 X4 5YV 滑台进 Y46SQ 滑台终点 X5 6YV 滑台退 Y57SQ 滑台原位 X6 7YV 上料进 Y68SQ 滑台终点 X7 8YV上料退Y79SQ 上料器原位 X10 9YV下料进Y1010SQ 上料器终点 X11 10YV下料退Y121

32、1SQ 下料器原位 X12 11 YV滑台进Y1312SQ 下料器终点 X13 12 YV滑台退Y141YJ 夹紧 X14 13 YV滑台进Y152YJ 进料 X15 14 YV滑台退Y163YJ 放料 X16 15 YV放料Y174YJ 润滑压力 X17 16 YV进料Y205YJ 润滑液面开关 X20 1 KM主轴Y211SB 总停 X21 2 KM主轴Y222SB 启动 X22 3 KM主轴Y233SB 预停 X23 4 KM主轴Y244SB 润滑故障撤除 X24 5 KM冷却电动机Y251SA 选择开关 X25 6 KM润滑电动机Y265SB 滑台进 X26 1 HL润滑显示Y276S

33、B 滑台退 X27 2 HL、工位滑台原位 Y307SB 主轴点动 X30 3 HL、工位滑台原位 Y318SB 滑台进 X31 4 HL上料原位 Y329SB 滑台退 X32 5 HL下料原料 Y3310SB 主轴点动 X3311SB 滑台进 X3412SB 滑台退 X3513SB 主轴点动 X3614SB 滑能进 X3715SB 滑台退 X4016SB 主轴点动 X4117SB 夹紧 X4218SB 松开 X4319SB 上料器进 X4420SB 上料器退 X4521SB 进料 X4622SB 放料 X4723SB 冷却开 X5024SB 冷却停 X513.3 设计PLC控制系统电气原理图

34、I/O接口图它反映的是PLC输入输出模块与现场设备的连接。PLC的输入点大部分是共点式，即所有输入点具有一个公共端COM。I/O电气接口图如下图3-1FX2N-64MRFX系列PLCFX2N-16X 图3-1 I/O电气接口图3.4 设计PLC控制系统操作面板控制系统的操作面板是向PLC控制系统发布控制命令的主令元件组合而成的。本设计中，输入元件共42个其中按钮SB 24个、检测元件YJ 5个、行程开关SQ 12个，选择开关1个，基于对机床工作方式的控制要求，面板上应设有选择开关1SA、预停按钮；鉴于手动调整方式下，相应按钮发出控制命令，驱动组合机床相应部件运动，因此面板上应设相应按钮5SB-

35、24SB，鉴于对组合机床的启动，停止及润滑故障的处理控制，应在操作制面板上设有启动按钮2SB、总停按钮1SB、润滑故障切除按钮4SB、其他输入元件均为检测元件，不在操作面板中设置，由上面综述，可得控制系统操作面板如下图3-2所示 图3-2 控制系统操作面板图4 控制系统软件设计4.1 设计PLC控制系统工作循环流程图根据本设计的控制与工艺要求，按机床的动作顺序及每步所完成的任务，可得工作循环流程图如图4-1S231向前加工X1S241退S33延时T0S342向前X3S352退S444向前X7S454退S533向前X5S543退S63冷却S2M8044M8041初始状态驱动条件X11X16X10

36、S22上料器退 放料S31进料S21夹具夹紧上料器进S20 图4-1 PLC控制系统工作循环流程图4.2 设计PLC控制系统初始化梯形图程序初始化程序主要用来处理组合机床的各种号，如启动，预停，总停以及各种的原始信号，机床启动前应具备的各种初始信号，工作方式选择信号，各种复位信号，并将处理结果作为机床启动，停止，程序转换的依据，初始化程序一般用经验法设计。根据控制要求，采用STL指令，来定义相应的工作方式，手动，自动，利用预停按钮来控制全自动与半自动工作状态的切换，并利用定时器设定了润滑电动机间歇时间，初始化程序见下图4-2。4.3 设计PLC控制系统手动及显示梯形图程序本设计的手动程序与显示

37、程序均为用经验法设计的梯形图。手动程序：主要在调整和检修时使用。为了对滑台的进退、上料器的进退、夹具的加紧松开等进行调整与控制，设计了相应的手动程序，设计手动程序时应注意互锁的设计。显示程序：根据机床的工作状态，驱动相应指示灯显示。如手动及显示梯形图程序图4-3。4.4设计PLC控制系统状态转移图与梯形图程序状态转移图，它是完整地描述控制系统的工作过程，功能和特性的一种图形，是分析和设计电路系统控制程序的重要工具。本设计的状态转移图按下列几步进行的1 按组合机床的控制要求与加工工艺画出状态转移图。2在画出的状态转移图上以PLC输入点或其他元件定义状态转换条件。3按照电控系统提供的电气执行元件功

38、能表，在状态流程图上对每个状态和动作命令配画上实现该状态或动作命令的控制功能的电气执行元件，并以对应的PLC输出点的编号定义这些电气执行元件。由状态转移图易的相应的梯形图程序，它们二者是一一对应关系，梯形图程序请见图4-4图4-2 设计PLC控制系统初始化梯形图程序手动调整程序图4-3 PLC控制系统手动及显示梯形图程序组合机床自动/半自动程序 结论多工位机床已成为流行的组合机床，对于能从四个方位加工零件四工位机床，基本能满足大多数钻床的要求，对实际应用具有重大的意义.PLC作为新一代的工业控制装置，具有开发柔性好，接线简单，安装方便，抗干扰性强等特点，用它来控制四工位组合机床这样复杂的生产设备，是理想的选择。PLC 的采用,降低了机床的故障率,节省了大量的维修费用,提高了整机的可靠性，保证了工件的精度要求。本次设计采用三菱系列的典型PL