四工位组合机床PLC电气控制系统设计

目录TOC\o"1-2"\h\u22541第一部分设计任务与调研 第一部分设计任务与调研1、毕业设计的主要任务设计一台由双面钻床、双面铣床组合夹紧放松，在一次半自动循环中，工件经过钻、铣两个工位进行加工，两个工位各完成一道加工工序，在加工而成的较型壳体零件的粗加工为对象的四工位组合机床的PLC电气控制系统。2、设计的思路、方法设计思路,依托电工实训中心和自动化设备维修实训中心的钻床、铣床、PLC等实训设备，充分运用所学专业知识和实践技能，详细制定设计方案和阶段进度计划，通过程序设计、模拟调试，建立正确的设计思路，掌握正确的设计方法，修订完善，设计出能实现铣、钻双面四工位加工系统功能的组合机床PLC电气控制系统。设计方法，利用文献检索、图书馆借阅、手册查询、设备选型、PLC编程、PLC实训室程序调试;分析工艺与控制流程、分析控制要求与方式、分析系统设计的原则和方法、确定PLC输入输出设备和I/O点数及选择PLC机型、硬件系统设计、软件程序设计、绘制控制系统接线图、电器元件的选择、程序调试。3、本课题相关的资料图1-1四工位组合机床图1-2四工位组合机床示意图工作台2.主轴3.夹具4.上料机械手5.进料器6.下料机械手4、调研的目的和总结4．1调研的目的起初的组合机床于1911年在美国制成，用于加工汽车零件。1953年，美国福特汽车公司和通用汽车公司与美国机床制造厂协商，确定了组合机床通用部件标准化的原则。初期，各机床制造厂都有各自的通用部件标准。为了提高不同制造厂的通用部件的互换性，便于用户使用和维修。1973年，国际标准化组织（ISO）公布了第一批组合机床通用部件标准。1975年，中国第一机械工业部颁布了中国的第一批组合机床通用部件标准。二十世纪70年代以来，随着可转位刀具、密齿铣刀、镗孔尺寸自动检测和刀具自动补偿技术的发展，组合机床的加工精度也有所提高。铣削平面的平面度可达0.05毫米／1000毫米，表面粗糙度可低达2.5～0.63微米；镗孔精度可达IT7～6级，孔距精度可达O.03～O.02微米。专用机床是随着汽车工业的兴起而发展起来的。在专用机床中某些部件因重复使用，逐步发展成为通用部件，因而产生了组合机床。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，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。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。组合机床的通用部件按功能分为动力部件、支承部件、输送部件、控制部件和辅助部件5类。动力部件为机床提供主运动和进给运动，主要有动力箱（将电动机的旋转运动传递给主轴箱）、切削头（装在各个主轴上，用于各单一工序的加工）、动力滑台（用于安装动力箱或切削头，以实现进给运动）；支承部件用以安装动力滑台，包括各种底座和支架；输运部件用以输送工件或主轴箱至加工工位；控制部件用以控制机床的自动工作循环；辅助部件包括润滑、冷却和排屑装置等。根据配置型式，组合机床可分为单工位和多工位两大类。其中单工位组合机床按被加工面的数量又有单面、双面、三面和四面4种，通常只能对各个加工部位同时进行一次加工；多工位组合机床则有回转工作台式、往复工作台式、中长立柱式和回转鼓轮式4种，能对加工部位进行多次加工。控制部件是用以控制机床的自动工作循环的部件，有液压站、电气柜和操纵台等。辅助部件有润滑装置、冷却装置和排屑装置等。4．2总结4．2．1组合机床的发展为了使组合机床能在中小批量生产中得到应用，往往需要应用成组技术，把结构和工艺相似的零件集中在一台组合机床上加工，以提高机床的利用率。这类机床常见的有两种，可换主轴箱式组合机床和转塔式组合机床。组合机床未来的发展将更多的采用调速电动机和滚珠丝杠等传动，以简化结构、缩短生产节拍；采用数字控制系统和主轴箱、夹具自动更换系统，以提高工艺可调性；以及纳入柔性制造系统等。4.2．2工艺范围组合机床一般可完成的工艺范围有：铣平面、刮平面、车端面、车锥面、钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、倒角、切槽、以及加工螺纹、滚压、拉削、磨削、抛光等。第二部分设计说明1、理论分析组合机床及其自动线在当今机械制造业中扮演着越来越重要的角色，其技术性能和综合自动化水平在很大程度上决定着相关部门的发展。随着科学技术的不断发展，传统的以继电器控制为基础的组合机床愈加与先进生产力不相适应，在这种情况下，可编程序控制技术以其灵活性好，可靠性高，通用性强，逐渐取代了继电器控制方式，成为当代工业控制的主要发展方向。本论文详细叙述了组合机床的PLC控制接线图、PLC控制程序、电气控制系统图、电气安装布置图,并根据系统运行要求，确定了机床及控制系统的元件型号，作出了PLC接线图。软件设计分别可做半自动循环和手动调整两种工作方式，对钻、铣两个双工位的PLC控制进行了叙述，完成了各工作方式下的电气控制系统图、电气安装布置图、PLC控制接线图、PLC控制程序。组合机床和自动线作为机电一体化产品，是控制驱动、测量、监控、刀具和机械组件等技术的综合反映，其技术性能和综合自动化水平，在很大程度上决定了这些工业部门产品的生产效率，产品质量和企业生产组织的结构，工厂组合机床及其自动线控制系统中传统的继电器控制系统正逐渐被PLC控制系统所取代。使PLC控制系统性能更高、速度更快、容量更大；在模拟量控制方面，除了专门用于模拟量闭环控制的PID指令和只能PID模块，某些PLC还具有模拟量模糊控制、自适应、参数自整定功能，使调节时间减少，控制精度提高；用于监控、管理、和编程的人机接口和图形工作站的功能日益增强；可编程序控制器进一步微型化，并且功能也不断增强；与个人计算机、集散控制系统、CNC等融合，提高了性价比和通用性，增强了数据的运算、处理和分析能力，完善了控制功能，并且使系统显示操作集中、人机界面友好、安装调试方便、运行可靠；智能型I/O子系统的开发，简化了某些控制领域的系统设计和编程，提高了可编程序控制器的适应性和可靠性；与现场总线相结合，使得操作员可以在中央控制室实现远程监控，对现场设备进行参数调整，还可以通过现场设备的自诊断功能预测故障和寻找故障点；基本上已实现通信联网能力，通过将PLC作为下位机，与上位机和同级的PLC进行通信，完成数据的处理和信息的交换，实现了对整个生产过程的信息控制和管理。现在，PLC、CAD/CAM、工业机器人已成为工业自动化的三大支柱，工业控制自动化技术作为20世纪现代制造领域中最重要的技术之一，主要是解决生产效率与一致性问题，虽然自动化系统本身并不直接创造效益，但它对企业生产过程有明显的提升作用。我国工业控制自动化的发展道路，大多是在引进成套设备的同时进行消化吸收，然后进行二次开发和应用。目前我国工业控制自动化技术、产业和应用都有了很大的发展，工业计算机系统行业已经形成。

随着科学技术和社会生产的发展，机械产品的形状和结构不断改进，对零件加工质量的要越来越高，由于产品改型频繁，目前在一般机械加工中，单件、小批量的产品约占70%～90%。为了保证产品的质量，提高生产率和降低成本，要求组合机床及其自动线不仅要具有较好的通用性和灵活性，而且加工过程实现自动化。组合机床是针对某些特定工件,按特定工序进行批量加工的专用设备。随着PLC的广泛应用和机床电控技术的不断发展,利用PLC实现对组合机床的自动控制,无疑是今后的发展方向,而针对这种控制的PLC程序设计也显得尤为重要。这种控制属于顺序逻辑控制,有多种编程方法与语言可供选择。2、设计方案设计一台由双面钻床、双面铣床组合夹紧放松，在一次半自动循环中，工件经过钻、铣两个工位进行加工，两个工位各完成一道加工工序，在加工而成的较型壳体零件的粗加工为对象的四工位组合机床的PLC电气控制系统。组合机床为卧式，工作台设置为液压滑动力，四个工位工作台的电机采用行程控制和液压传动，可做半自动循环和手动调整，工件的夹紧与放松，采用具有油路失真紧松功能的液压控制系统，被加工零件可过程中每个工位能够相互协调；电动机之间的配合与联锁必须符合双面钻床、双面铣床组合机床的工艺要求。在操作时，工件的夹紧与放松铣前要求工件快进，到规定位置进工件的夹紧与放松加工；工件的夹紧与放松完成后第二次快进，到规定位置后第二次进至停留。此时钻头以快进转工进的工艺流程对工件钻削，钻削完成后必须在两钻头全部退回原位，钻头确实已离开工件后才允许工作台快速退回。控制回路除了电气基本保护外，还应设置“电隔离保护”，以提高安全性。机床电气控制系统应能满足半自动循环加工工艺和手动调整工艺的需要。各电动机和工作台的运动在工艺上都应具备必要的配合和联锁。本系统指示灯电路电压为交流6.3V；电压24V，直流控制电路为桥式全波整流；控制电路电压为110V；主电路供电电压为交流380V。进行PLC硬件系统设计时应考虑必要的硬件联锁及不同电压种类和等级的分组。3、设计过程机床的主电路由7台Y系列三相交流异步电动机及控制元器件组合而成，由于各电动机均在7kw以下，允许采用直接起运控制。液压工作台通过模拟调试，调试时可采用模拟调试开关板和灯泡进行，调试时应有必要的记录。两钻和两铣组合机床是由双面钻床、双面铣床组合而成，具体加工对象是对较大型壳体零件的粗加工。设计一台由双面钻床、双面铣床组合夹紧放松，在一次半自动循环中，工件经过钻、铣两个工位进行加工，两个工位各完成一道加工工序，在加工而成的较型壳体零件的粗加工为对象的四工位组合机床的PLC电气控制系统。组合机床为卧式，工作台设置为液压滑动力，四个工位工作台的电机采用行程控制和液压传动，可做半自动循环和手动调整，工件的夹紧与放松，采用具有油路失真紧松功能的液压控制系统，在加工零件过程中每个工位能够相互协调，两个工位各完成一道加工工序。第一工位为双面铣床，左右两个铣头安装在工作台的两边，铣刀作旋转运动，在工作台由快进转为工进时对夹紧在工作台上的工作铣削加工。第二工位为双面钻床，由左右两个钻头箱构成，钻孔过程分为两个工步。双铣头铣削后，工作台携夹紧的工件继续前进至死挡铁停止。此时工作台不动，左右钻头箱各两台电动机先由快速进给电动机进行空操作的快进，继而快进电动机断电并由电磁制动器制动，钻头电动机得电，对夹紧固定在工作台上的工件进行工进钻削，加工完毕后钻头电动机断电，快速电动机反相序得电，电磁制动器松开制动，电动机反转带动钻头箱快速退回。只有当左、右钻头箱全部退到原位后，才允许液压工作台快速退回原位。液压工作台快速退回原位后，工人松开并卸下工件后，进行第二个壳体零件的加工，整个控制系统采用行程和压力控制。被加工零件的夹紧（放松）由具有油路失电夹紧功能的液压控制系统完成。手动调整的特点是按住某个调整按钮后，系统相关环节动作，松开后关断。组合机床工艺流程(如图2-1所示)。双面二工位铣钻组合机床采用机械、液压、电气相结合的控制方式。其中机械设计是机床的基础，液压控制保证了工作台的进给和被加工工件的夹紧放松，电气控制设计起着神经中枢的作用。使机械、液压、电气结合成为可能。液压控制回路电磁阀及压力继电器动作表如表2-1a所示。SQ4（SQ7）SQ4（SQ7）原位2SP·3SP·4SP钻头箱快退SQ5（SQ8）SQ6·SQ9滑台快退钻头工进钻削钻头箱快进滑台工进Ⅱ滑台快进Ⅱ滑台快进ⅠSQ10图2-1组合机床工艺流程图表2-1

液压控制回路电磁阀及压力继电器动作表元件工步1YV2YV3YV4YV5YV6YV7YV8YV1SP2SP3SP原位工件夹紧++-+--++滑台快进Ⅰ+-+++-+--++滑台工进Ⅰ+--++-+-+++滑台快进Ⅱ+-+++-+--++滑台工进Ⅱ+--++-+-+++死挡铁+--++-+--++滑台快退-+-++-+--++工件松开+-+-+4、双面二工位铣钻组合机床电动机及控制方式根据大型壳体零件加工要求，双面钻床、双面铣床组合机床需要配置床身、左右铣削头、移动工作台、夹具、左右钻头箱、中间底座8个部分。根据生产工艺要求，组合机床工作台设置为液压滑动力，采用行程控制和液压传动，可做半自动循环和手动调整，工件的夹紧与放松，采用具有油路失真紧松功能的液压控制系统，被加工零件可过程中每个工位能够相互协调；总计设置7台电动机。（1）液压泵电动机M1

液压泵采用连续运转工作方式，电动机M1的控制方式为单向连续工作制。液压泵电动机轻载起动，且只有4kW，可直接全压起动。用一只交流接触器来控制液压泵电动机M1，设为KM1。（2）左右铣削头电动机M2、M3

由于左、右铣削头电动机起动时，铣削头尚未铣削，属空载，故可直接全压起动，各用一只交流接触器对左右铣削头电动机M2、M3进行单向连续运行控制，设为KM2、KM3。（3）左、右钻头电动机M5、M7

当M5、M7起动时，钻削头尚未钻削，属空载起动，设置起动方式为直接全压起动，各用一只交流接触器控制。设为KM6、KM9。（4）左、右钻头箱快速进给电动机M4、M6

左、右钻头箱快速进给电动机M4、M6的功率只有1.1kW，但必须满足钻头箱的快进、快退要求，电动机须设置正反向控制，每台电动机设置两个交流接触器。左钻头箱快速电动机的正、反转接触器设为KM4、KM5；右钻头箱快速电动机的正、反转接触器设为KM7、KM8。由于M4、M6电动机都有制动要求，故分别设置两只电磁制动器1YB、2YB。电磁制动器为断电制动型，钻头箱快进时得电松开，快进转工进时断电制动，快退时得电松开，回到原位时制动。双面二工位铣钻组合机床配置的电动机均在7kW以下，满足电动机直接起动的要求，可采用直接起动，除钻头箱快速进给电动机有正反向控制的要求外，其余电动机均为单方向起停控制。考虑到短路保护、过载保护、零电压和欠电压保护等电气控制电路的基本保护。在图3-1中，设置自动空气断路器QF为双面二工位铣钻组合机床电源开关，电源开关本身具有短路和过载的保护功能，使控制系统形成双重保护，FU1~FU8为各电动机短路保护用熔断器。FR1~FR7为各电动机过载保护用热继电器，零压和欠压保护通过电动机电源接触器KM1~KM9的电磁机构来实现。5.双面钻床、双面铣床组合机床PLC原则、方法、控制要求PLC在工业生产中的应用和设计的具体做法就是选用合适的PLC机型，在了解设备的控制要求，确定了被控对象和元件之间的逻辑控制关系后，把PLC的各种指令进行组合嵌套，利用各种控制结果及逻辑关系，完成信号相互传递、联锁、转换等逻辑控制，设计也PLC控制系统梯形图。然后将PLC与现场必要的外围设备连起来，构成一个硬件系统，写入编制好的用户程序，对生产设备的生产过程进行控制，实现被控对象的工艺要求。PLC不但可以直接把电器元件接在I/O端，而且还有很强的驱动能力。可直接驱动接触器和电磁阀等执行元件工作，在工业控制中具有广泛的通用性。利用PLC的强大的指令系统和灵活的编程方法，可使设计PLC控制系统非常方便，PLC控制的软硬件系统设计可同时进行。5.1PLC控制系统设计的原则和方法对于电气控制设备，任何PLC控制系统的设计都是在控制方式和电动机技术数据确定以后进行的，是设备控制要求和工艺流程的具体化。PLC控制系统设计应该遵循以下原则：（1）应最大限度地满足生产机械的工艺要求，并能根据需要方便地进行修改。（2）整个PLC控制系统及控制电路安全可靠，简单，具有较高的性能价格比。（3）合理地选择PLC机型及电器元件。（4）容易掌握，便于操作和维修。5．2双面二工位铣钻组合机床PLC控制系统的控制要求（1）机床开始工作时，首先起动液压泵电动机M1，且每次工作循环结束时M1并不停止；（2）机床具有半自动循环和手动调整两种工作方式。两种工作方式由方式选择开关SA2切换，SA2-1为半自动循环，SA2-2为手动调整；（3）能实现半自动循环工艺流程；（4）能用按钮实现工作台、电动机、电磁阀等所有功能的点动调整；（5）进行“电气隔离”及必须的电路基本保护；（6）设置照明灯及必要的工作批示灯。6.双面二工位铣钻组合机床PLC硬件系统设计6.1控制电源的设计

为了在设计中符合“电隔离保护”的技术要求，在双面二工位铣钻组合机床PLC控制系统中设置了控制变压器TC。TC的一次侧为交流380V周到次侧为交流电110V；28V（整流后24V）；36V和6.3V四个轴头。其中交流110V电压提供给接触器KM1-KM9；直流24V电压提供给电磁阀线圈1YV-8YV以及电磁制动器1YB、2YB；36V提供给照明灯EL；交流6.3V提供给按钮指示灯半自动循环指示灯、手动状态指示灯等。由于电磁阀线圈是电感性负载，自身有滤波作用，故整流电路中不再设置滤波电容。整流采用全波整流形式，控制电源电路如图3-3所示。6．2液压泵电动机控制电路液压泵电动机控制电路不进PLC控制程序，由于组合机床采用液压传动，所以一旦液压泵电动机失电，加工过程应立即自动停止，PLC断电。考虑到PLC的调试及液压泵电动机的点动调整，液压泵电动机控制回路设置SA、SA1两个手动开关，具体电路如图3-2所示。6．3照明及显示电路设计照明灯EL1、EL2采用交流36V安全电压供电，受各自的灯开关控制。

SB1-SB21的按钮指示灯采用交流6.3V电压，当合上QF以后即被点亮半自动循环状态指示灯HL1和手动状态指示灯HL2也由交流6.3V供电，控制中可根据相关程序点亮。6．4PLC输入/输出接线端子外接线图PLC输入端子外电路共接33个输入点，分别连接旋钮、按钮、行程开关压力继电器等主令元件及检测元件，电源由PLC内部提供。输出端子外电路按执行电器的电源类别分别组成不同的端子组，公用端子COM端加装熔断器作短路保护，必要时可并联放电二极管以利PLC输出继电器触点的来弧。PLC的电源进线串入液压泵电动机的电源接触器KM1的辅助触点进行顺序控制及欠压和零压保护，并联的SA1可以在调试时不起动液压泵电动机也能让PLC受电工作。PLC输入/输出接线端子外接线电路如图3-3所示；零压保护，并联的SA1可以在调试时不起动液压泵电动机也能让PLC受电工作；PLC输入/输出接线端子外接线电路如图3-3所示。双面二工位铣钻组合机床电器元件与PLC软继电器数据选型对照表如表3-1b所示。第三部分设计成果1．设计成果图3-1控制电源电路图3-2PLC输入/输出接线端子外接线电路图3-3PLC输入/输出接线端子外接线电路

图2-4双面二工位组合机床的PLC控制系统程序功能表图2.作品特点2.1四工位组合机床优点：（1）承载能力大，液压传动易于获得很大的力和转钜，因此，广泛用于压制机、隧道掘进机等；（2）传动平稳，在液压传动装置中由于油液的压缩量小，在通常压力下可以认为不可压缩，依靠油液的连续流动进行传动有叶，油液有吸振能力，在油路中还可以设置液压缓冲装置，是传动十分平稳，别于实现频繁的换向；（3）质量体积小，液压传动与机械、电力等传动方式相比，在输出同样功率的条件下，体积和质量可以减少很多，因此，习惯性小、动作灵敏这对液压仿形、液压自动控制和要求减轻质量的机器来说是特别重要的；（4）液压元件能够自动润滑，由于采用液压油作为工作介质，使液压传动装置能自动润滑，因此元件的使用寿命较长；（5）操作简单，调整控制方便，易于实现自动化。特别是和机、电联合使用时，能方便地实现复杂的自动工作循环。（1）液压系统便于实现过载保护，使用安全、可靠。由于各液压元件中的运动件均在油液中工作，能自行润滑，故元件的使用寿命长。（1）液压元件易于实现系列化、标准化和通用化，便于设计、制造、维修和推广使用。2.2液压传动的缺点：（1）油的泄漏和液体的可压缩性会影响执行元件运动的准确性，故无法保证严格的传动比。（2）对油温的变化比较敏感，不宜在很高或很低的温度条件下工作。（3）能量损失较大，传动效率较低，也不适宜作远距离传动。（4）系统出现故障时，不易查找原因。（5）液压元件制造精密度要求高，由于元件的技术要求高和张佩比较困难使用维护比较严格。表3-1b

组合机床器件对照表电动机的选择名称型号功率（KW）转速（r/min）电流（A）电压（V）个数（台）液压泵电动机M1Y112M-4414408.83801左右铣削电动机M2M3Y132S-45.5144015.43802左右钻头进给箱电动机M4M61.114402.73802左右钻头电动机M5M7Y100L-4314206.83802接线端子的选择：名称型号电压电流标记座端盖主回路接线端子TZ1-4038040TZ1-40BTZ1-10B控制回路端子TZ1-1038010TZ1-40GTZ1-10G交流接触器的选择：名称型号电流（A）吸引线圈电压（V）消耗功率（VA）个数（个）液压泵电动机M1的交流接触器CJXI-12（3TB41）12110221左右铣削电动机M2M3的交流接触器CJX1-22（3TB43）22110322左右钻头进给箱电动机M4M6的交流接触器CJX1-9（3TB40）9110114左右钻头电动机M5M7的交流接触器CJXI-12（3TB41）12110222左右钻头电动机M5M7的交流接触器CJXI-12（3TB41）12110222导线的选择：名称型号截面积（mm2）环境温度（℃）电压（V）准许载流值（A）实际载流值（A）主回路的电线BVR-49/0.5210403805728.5控制回路电线BVR-7/0.43140380147熔断器的选择：名称型号熔体最大电流（A）个数（台）液压泵电动机M1熔断器RL1-60253左右铣削电动机M2M3熔断器RL1-60406左右钻头快进电动机M5M7熔断器RL41-15106左右钻头电动机M5M7熔断器RL1-60206液压电动机控制电路熔断器RT18-3223接触线圈组熔断器RT18-3247电磁阀线圈熔断器RT18-3268信号灯熔断器BHC41PLC电源熔断器BHC21照明灯熔断器RT18-3221热继电器的选择：名称型号整定电流（可调）（A）个数（个）液压泵电动机M1热继电器3VA5000-1J6.3-101左右铣削电动机M2M热继电器3VA5200-21312.5-202左右钻头快进电动机M5M7热继电器3VA5000-1D2-3.22左右钻头电动机M5M7热继电器3VA5000-1J6.3-102照明灯的选择：JC2型交流36V40W指示灯的选择：ZSD型交流6.3V0.25A按钮的选择：LA19型380V内设交流6.3V0.15A指示灯行程开关10个压力继电器3个第四部分结束语大学知识的天堂，学习无处不在，这次毕业设计，我的专业知识得到提高，以前我认为毕业设计就是对大学所学的知识做一个简单总结，通过这次毕业设计让我明白了，毕业设计不是那么简单，这次的设计让我发现了，自己在知识方面和思维