某组合机床的电气控制系统设计

1、电气控制与PLC课程设计说明书题 目：某组合机床的电气控制系统设计专业班级: 姓 名: 学 号: 指导教师:成绩：指导老师签名:日期：目录1系统概述22 方案论证33硬件设计63.1系统的原理方框图63.2主电路62.3 I/O 分配93.3 I/O接线图113.4元器件选型114软件设计134.1主流程134.2梯形图155系统调试16设计心得 18参考文献 19附电气控制原理图 201 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 2产效率比通用机床高

2、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，

3、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： #21M2M1MM3SQ2SQ6SQ4SQ1SQ3SQ5#箱体移动式动力头。主轴电如图所示为某一组合机床的示意图，左面为1#箱体的进给电机为 M3为1.5KW、14501440转/分钟，1转/5.5KW 机M1为、#箱体2, 10W)进行切换；右面为分钟，工进与快进采用电磁铁YV1 (DC24V#箱体的工作进给电机2/分钟，转M2为5.5KW、1440移动式动力头。主轴电机为 M4，为 1.5KW、1450转/分钟，工进与快进采用电磁铁 Y

4、V2( 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

5、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：3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

6、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， 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

7、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

8、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

9、积小，功耗低。 2PLC 与单片机比较4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

10、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P

11、LC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。3硬件设计3.1系统的原理方框图FU2FU1PLCkM2FR2M2 FU44M1KVYM4 SA照明电路冷却电路2VY主轴电机KM1 31JFR1MK进给电机AC36VM1 M3系统框图图3-13.2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

12、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：主轴电机3-2图KM10KM9、M2正转；当、当KM1KM2的线圈得电吸合分别使 电机M1的输出就可以使不同的接PLC、M2反转。通过的线圈得电吸合分别是 电机M1触器线圈得电，从而使电机的转向不同。右两动力头均根据设计要求 知左、其次看第二部分，快速电机和进给电机。也可进并且左、要求快进工进 f快退的工作循环，右两动力头可以同时工作，、能够正反转，工作进给电机为 M3行单独调整。所以就要求快速电机 M5、M6所示。M4能够正转即可。其主电路如下图3-3

13、3UF3-3快速电机和进给电机图、KM3、因为这4个功率都较小，所以可以直接启动。 M3M4只要接触器线M6分别当接触器KM5、KM6、KM4的线圈得电就会吸合， 就能正转；M5分别得电就反转。、KM8KM7圈得电时正转，当接触器为了警告旁人照明电路和信号指示部分。当机床工作时，最后看第三部分，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。信号所以需有时候指示信号灯3-4图，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3-4如图电压使之6.3V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8 亮。KM1、KM9分别是控制M1的正反转的接触器；KM

14、2、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。照明灯3-5图3.3 I/O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岀地址号信号名称X0左动力头正转启动按钮Y0Ml主轴正转（KM1 ）X1左动力头反转启动按钮Y1Ml主轴反转（KM9）X2左动力头停车按钮Y2M3）工进正转（KM3X3左动力头冷却泵启 动Y3YV1YV1 快进（）X4左动力头快进限位Y4YV2 快退（YV2X5左动力头工进

15、限位Y5左冷却泵（）KM119X6左动力头原位限位Y6）（2主轴正转KM2 MX7 SB1快进动左力头按钮x0x1Y7 Y0KM9转反2主轴M ）KM10X10 SB2SB3SA1退快头动左力按钮x2x3Y10 Y1KM3Y2KM4工进正转）M4X11 SQ3SQ5右动力头正转启动按钮x4x5Y11 YV1Y3YV2KM6) M6 快进)X12SQ1SB4SB5SB6右动力头反转启动按钮 x6x7x10x11Y12Y4KM11Y5KM2Y6）M6快退）KM8X13 SB7SB8右动力头停车按钮x12x13Y13 KM10Y7KM4KM12）右冷却泵）X14SA2SQ4SQ6SQ2右动力头冷却泵

16、启动 x14x15x16x17Y10KM12Y11X15右动力头快进限位x20X16右动力头工进限位X17右动力头原位限位X20进快头力动右按钮X21退动右头力快按钮口地址分配表表3-1 I/O 103.3 I/O接线图X21SB10COM接线图3-6 PLC I/O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SB动力头工作方式选择按钮6SA冷却泵选择开关2SQ行程开关6SB按钮4总计18输出部分输出部分点数接触器12总计12注

17、：照明不需要接入PLC，只需要选择开关就可以11所以选用FX32MR加扩展单元FX32ER, FX32MR含有32个I/O点2N2N2N（16入，16出），FX 32ER为含有32点扩展单元。2N下面是电器元件选择。代 号名 称型号及规格用途数量5.5KW 380VJO3-802-6三相交流异步电动 1 M1 主电动机1440r/min机 JO3-802-6 5.5KW 380V三相交流异步电动 1 M2 主电动机1440r/mi n机 JO3-802-6 1.5KW 380V三相交流异步电动 1 M3 快速工进电动机 1450r/mi n机 JO3-802-6 1.5KW 380V三相交流异

18、步电动 1 M4 快速工进电动机 1450r/mi n机 5.5KW 380VJO3-802-6 三相交流异步电动 1 M5左冷却泵1440r/mi n机 5.5KW 380VJO3-802-6三相交流异步电动 1 M6右冷却泵1440r/min机主电动机过载保 1 15A FU1 RL1 -15 熔断器 护主电动机过载保 1 15A FU2 RL1 -15 熔断 器护快速工进电动机 1 15A RL1 -15 FU3 熔断器 过载保护快速工进电动机 1 FU4 RL1 -15 15A 熔断器 过载保护左冷却泵过载保 1 15A RL1 -15 FU5 熔断器 护右冷却泵过载保 1RL1 -1

19、5 FU6 15A 熔断器 护1 KM1控制 线圈电压220V M1正转 交流接触器 CJ10-75A1 KM2正转控制交流接触器线圈电压 CJ10-40A 220V M21 KM3线圈电压 CJ10-40A220V工进 交流接触器 M31 KM4 M4线圈电压交流接触器CJ10-40A 220V 工进1 KM9 反转M1控制线圈电压 CJ10-40A 交流接触器 220V1 KM10 反转 M2 线圈电压 CJ10-40A 220V控制 交流接触器1 DC24V,10W YV1 M3电磁铁控制快进 1 YV2 DC24V ,10W 控制快进电磁 铁 M41 FR1 JR10 -6052.5A

20、 过载保护 热继电器 M11JR10-60 52.5A FR2 热继电器过载保护M21JR10-10 7.20A*14 FR3过载保护 热继电器M3 12FR4 JR10-10 *14 7.20A 1过载保护 M4热继电器152.5A FR5 JR10-60 M5 过载保护热继电器 1 52.5AJR10-60 FR6 热继电器 M6过载保护1 SB1 按钮正转M1黑色1 SB2 黑色 按钮 M1反转1 SB3 M2按钮正转1 SB4 M2反转 黑色 按钮1 SB5 工进 按 钮黑色 M31 SB6 黑色 M3 按钮 快进 1 SB7 按钮黑色 M4 工进1 SB8 按钮 黑色 M4 快进 1

21、 SB9 按钮 黑色 左冷却泵 1 SB10 按钮右冷却泵 黑色 6 SQ位置开关 LA2 黑色 电器元件数量、型号表图4 软件设计4.1 主流程根据要求知需使左、右两动力头均要求快进T工进T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 13c限位左快进限位 YY右动力头工进左动力头工进 NN右工进限位左工进限位 YY右主轴电机停右快进左主轴电机停左快退NN右原位限位左原位限位 YY停止设计流程图图4-1144.2梯形图KQLOXG06001NXT003卄T0CH5415TOOZX0L1TOOTK0L3卄YCOSTOOTT卜JC0t5TOO

22、DT卜TOO lT FIZTOOSTOOfi”XOill卄xoie卄twtT0t3梯形图图4-2系统调试5和三菱的仿真软件，建立一个新工程，将梯形图输入到GX Developer安装工程中，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=1XO=O,X仁1Y1=1X2=0Y0=0,Y1=0X3=1Y5=1X3=0Y5=0X7=1,X0=1,X1=0/X7=1, X0=0,X1=1Y0=1,Y3=1/Y1=1,Y3=1X4=1Y2=1,Y3=0X5=1Y2=0,Y4=1,Y0=0/Y1=0X6=0Y4=0X10=1Y4=1X11=1,X12=0Y6=1X11=0,X12=1Y7=1X13=1Y6=0,Y7=0X14=1Y13=116X20=1,X11=1,X12=0/X20=1,X11=0,X12=11MK泵冷Y11=1,Y6=1/Y11=1,Y7=1X15=1Y10=1,Y11=0X16=1Y10=0,Y