多工步加工专用机床电气控制系统设计

1、成绩南京工程学院课程设计说明书(论文)题 目多工步加工专用机床电气控制系统设计 课程名称 机电传动控制课程设计 院（系、部、中心） 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 机制121 学生姓名 学 号 设计地点 2-201 指导教师 设计起止时间： 2015年 6 月 8 日至 2015 年 6月 12 日目 录1 任务说明11.1 多工步加工专用机床结构11.2 机床加工零件工艺过程12 任务分析22.1 机床工作方式22.2 机床工作过程32.3 多工步加工专用机床控制系统元件与工作要求32.4 多工步加工专用机床安全稳定工作要求43 控制方案设计43.1 总体方案设计43.

2、1.1多工步加工专用机床控制要求分析43.1.2多工步加工专用机床控制方案43.2 电气系统设计53.3 电气控制系统设计73.3.1电器元件信号与PLC连接的通道分配73.3.2多工步加工专用机床自动工作控制流程设计84 控制流程分析95 控制程序设计96 总结167 参考文献171 任务说明1.1 多工步加工专用机床结构专用机床根据特定工件规定的加工工艺要求而设计制造的一种高效率自动化专用加工设备。常采用多刀（多轴）、多面、多工步同时进行钻、扩、铰、镗、铣等加工工件，并且具有自动工作循环的功能，在机械制造业的成批和大量产品的生产得到了广泛的应用。多工步加工专用机床采用7把刀具按7个工步的要

3、求依次对工件进行加工。机床由转塔刀架，主轴箱及主轴，和走刀机构组成，电动机驱动主轴带动工件旋转，液压系统驱动走刀机构，带动刀架完成进给运动，刀架回转完成换刀操作。机床采用行程开关检测机床是否达到预定位置，机床结构及运动部件工作循环如图1-1所示。图1-1多工步加工专用机床结构与动力部件工作循环图1.2 机床加工零件工艺过程多工步加工专用机床自动加工零件的工艺过程如图1-2所示，由人工将工件放置在主轴端卡盘内夹紧，启动自动加工过程。自动加工中，首先走刀机构带动刀架快速接近工件，然后转为工件慢速进给钻孔，加工完成后快速退回原位，结束一个工步的加工；紧接着刀架夹紧装置松开，刀架转到下一刀具位置，夹紧

4、装置夹紧刀架后，开始第二工步加工；当6把刀具依次完成加工后，人工取出完成加工的零件，结束一次加工循环过程。图1-2多工步加工专用机床加工零件工艺过程2 任务分析2.1 机床工作方式为保证多工步加工专用机床能够处于正常工作，要求机床具备二种工作方式：走刀进给部件能够点动向前调整，以及进给部件不在原位时能够快速复位；走刀机构和刀机能够分别实现自动循环调整过程；整机全自动工作循环加工工作；2.2 机床工作过程机床工作过程是机床在正常加工时整机全自动循环的工作过程，加工过程需要满足如下工作要求：按下启动按钮，液压系统驱动夹紧装置夹紧刀架，夹紧后压力继电器发出夹紧信号；走刀机构快进，并同时启动主轴电机；

5、走刀机构快进达到工件附近后，由快进转为工进，进行钻削加工；加工完毕后，走刀机构停留2秒后，快速退回原位；夹紧装置松开刀架，液压系统驱动刀架转动换刀，同时；刀架夹紧装置夹紧刀架，开始下一工步加工；所有加工工步完成，走刀机构退回原位，主轴电机停。2.3 多工步加工专用机床控制系统元件与工作要求多工步加工专用机床的主轴电机为2.2kw，液压站液压泵电动机为3kw，走刀机构及夹紧装置动作方向通过电磁阀控制。自动循环工作时，所有工作状态切换由行程开关控制。电器元件工作关系如表2-1所示。表2-1 电器元件工作关系表工作状态走刀机构刀架及刀架夹紧装置主令电器YV1YV2YV3M1 YV4YV5YV6夹紧刀

6、架SB2快进SP、SQ1工进SQ2停留SQ3快退KT放松刀架SQ1换刀转位SQ5（下一工步夹紧刀架）SQ4（加工结束）SQ12.4 多工步加工专用机床安全稳定工作要求具有运动部件间安全工作的联锁功能；具有位置保护功能（如极限限位、越位、相对位置保护）；电气控制系统具有短路，电动机过载等保护功能；具有应急操作功能；具有照指示灯辅助功能。3 控制方案设计3.1 总体方案设计3.1.1多工步加工专用机床控制要求分析根据多工步加工机床控制系统设计任务分析，确定设备条件和控制要求如下：电气控制系统的控制对象为一进行自动循环加工零件的机械设备，采用电气-液压-机械组合的传动方式进行驱动和控制。设备位于温带

7、室内车间，工作环境较好，对控制系统无特殊要求；设备安装在机械加工车间，由车间低压电网供电，设备驱动电压380v，供电频率50赫兹；设备电气控制为普通开关量控制，要求自动完成零件切削加工过程，单个运动部件能够独立调整操作，同时设备具有电气保护及联锁保护等功能。3.1.2多工步加工专用机床控制方案由设备条件和控制要求分析结果可确定控制方案如下：多工步加工专用机床控制系统采用开关量控制；基于设备自动工作的要求，选择PLC为主要控制器件构成控制系统，由于控制对象为单机设备，控制系统属于小型系统，因此选用三菱公司型号为FX2N的PLC产品；由工作要求确定，控制系统可运行在3种模式下，即全自动工作循环，半

8、自动循环和手动调整工作；2台电动机直接启动控制，单方向转动；电动机驱动电路三相电源供电，线电压380v；PLC主机工作电源为交流电源，电压220v，交流接触器线圈使用交流电源，电压220v；电磁阀的电磁铁使用24v直流电源，主令控制电器及行程开关等使用24v直流电源；控制系统具有短路和过载保护功能，机床各运动部件具有联锁保护功能；使用信号灯显示机床工作状态。3.2 电气系统设计多工步加工专用机床电气控制系统主要由两个部分组成，即主电路和由PLC设备构成的控制部分，驱动系统通过交流接触器主触点控制电动机电路的接通与断开，采用熔断器和热继电器进行短路与过载保护，同时通过控制变压器，提供满足系统工作

9、以及PLC设备需要的电源电压，主电路图如图3-1所示，PLC端子接线图如图3-2所示，系统使用电器元件明细表如表3-3所示。图3-1主电路图图3-2 I/0接口端子接线图表3-3 电器元件明细表符号名称及用途符号名称及用途M1油泵电动机HL5照明灯M2主轴电动机SB1紧急停止按钮KM1液压泵启动接触器SB2电压泵启动按钮KM2主轴电机启动接触器SB3自动循环开始按钮SQ1SQ3行程开关SB4进入自动循环按钮SQ4换刀到位开关SB5点动向前按钮SQ5放松到位开关SB6复位按钮SP夹紧到位开关SB7工进点动按钮SA1照明灯开关SB8手动换刀按钮SA2自动/手动选择开关SB9一次进刀按钮SA3手动主

10、轴启动SB10自动换刀按钮QFPLC电源开关SB11退出自动循环按钮QS电源隔离开关SB12手动放松按钮TC控制变压器SB13手动夹紧按钮FU1FU5短路保护熔断器YV1YV6电磁阀电磁铁HL1液压泵指示灯FR1FR2电动机过载热继电器HL2自动指示灯VC整流器HL3主轴指示灯HL4手动指示灯3.3 电气控制系统设计3.3.1 电器元件信号与PLC连接的通道分配电器元件信号与PLC通道分配的目的是为每一个需要PLC处理的信号设备信号获得进入PLC的通道和存放信号状态的地址。依据控制方案选定的三菱FX2N系列PLC产品，以及对设备信号分析结果，电器元件信号与PLC连接的通道分配如表3-4所示表3

11、-4电器元件信号与PLC连接的通道分配表输入输出元件通道地址说明元件通道地址说明SB1X000总停按钮SQ1X017原位限位开关SB2X001油泵启动按钮SQ2X020快进限位开关SB3X002开始自动循环按钮SQ3X021工进限位开关SB4X003进入自动循环按钮SQ4X022换刀到位开关SB5X004点动向前按钮SQ5X023放松到位开关SB6X005复位按钮SPX024夹紧到位开关SB7X006工进点动按钮HL1Y001液压泵指示灯SB8X007手动换刀按钮HL2Y002自动指示灯SB9X010一次进刀按钮HL3Y003主轴指示灯SB10X011自动换刀按钮HL4Y004手动指示灯SB1

12、1X012退出自动循环按钮KM1Y005液压泵电机接触器SB12X013手动放松按钮KM2Y006主轴电机接触器SB13X014手动夹紧按钮YV2Y010电磁阀电磁铁SA1X015手动/自动选择YV3Y011电磁阀电磁铁SA3X016主轴启动按钮YV4Y012电磁阀电磁铁YV1Y007电磁阀电磁铁YV5Y013电磁阀电磁铁YV6Y014电磁阀电磁铁3.3.2多工步加工专用机床自动工作控制流程设计由于控制系统选择三菱系列PLC，该产品具有顺序控制的特殊用法，即步进控制。步进控制采用状态转换的方式简化控制条件，使得控制程序设计简洁方便，多工步加工专用机床工作过过程为典型顺序控制，因此采用步进控制，

13、其控制流程采用与控制流程图功能一致的状态转移图（功能图）描述。设计完成的设备自动工作控制状态转移图如图3-5所示。3-5多工步加工专用机床流程图4 控制流程分析多工步加工专用机床功能图图中，使用选择开关SA1选择机床自动加工工作或手动调整工作，依据选择不同，可以进入不同的工作状态，触发状态器S20进入自动工作状态，触发状态器S29进入手动调整状态。进入自动工作状态后，先进行夹紧。确定夹紧后，由行程开关控制当前工作状态（快进、工进、停留、快退）。其中，停留时间由时间继电器控制。待快退到位后，放松刀架并进行换刀。由计数器判断是否完成了一次加工循环，若未完成且确定仍旧使用自动加工，则返回并触发状态器

14、S20,再进行一次工步。若完成了一次工作循环程序结束返回等待。若放弃自动加工则转移至S29状态器进行手动调整。手动调整中可选择相应开关进行前后调整、返回原点以及手动换刀等，也可选择进行加工动作，手动完成一个工步。5 控制程序设计多工步机床设备控制程序设计是编制输入PLC主机，实现控制功能的程序，程序编制依据控制功能图（状态转移图）的结构和控制信号关系，使用梯形图或指令表的方法编制。由于梯形图能够图形化地表达控制逻辑关系，同时编程软件可以自动将梯形图程序与指令表程序进行转换，因此工业污水处理设备控制程序采用梯形图方法，机床控制梯形图如图4-1所示，以及程序指令代码图4-2。在步进控制中，当前状态

15、转移到下一状态时，当前状态中所有输出将自动关闭，对于需要在多个状态中保持接通的输出电器，必须采用强制置位（SET）和复位（RST）的方法保证电器能够正常接通和断开。设计完成的控制系统中，完成工作控制的plc程序是否能正确完成所有的控制要求，需要给予检验，以防止安装实际设备后不能满足控制要求。程序检验采用仿真设备进行，仿真设备由输入设备，输出信号显示设备、plc设备和plc程序输入设备构成，各组成部分使用快速连接接头连接，可以依据仿真程序要求进行搭接。程序调试与仿真工作内容包括使用程序输入设备（计算机及编程软件）输入编制的控制程序，编制输入/输出信号与工作状态关系表，依据设备要求搭接仿真控制系统，仿真检验程序以及修改程序。图4-1 多工步加工专用机床控制梯形图程序 4-2 程序指令代码图6 总结经过这一周的实习，以下问题得到了解决：1. 通过查阅资料以及教学视频，了解了使用GX Developer编写SFC图的方法；2. 通过讨论，学会了自锁的相关应用；3. 通过查阅资料，了解了CAD绘制电路图的相应方法。限于所学的知识、时间以及环境，仅有关键的问题得到了解决，还有部分已知或未知的细小问题有待发现和解决。通过相关资料以及不断深入的学习以及实践，一定能够循序渐进的完成更加符合要求的设计。7 参考文献1 宋伯生.PLC编程