【《基于PLC控制的三工位钻床工作台液压控制系统设计》13000字（论文）】

基于PLC控制的三工位钻床工作台液压控制系统设计摘要三工位旋转钻床液压控制系统可以实现工件的自动钻孔流水线作业，三个工位均相隔120°，以实现工件的上料、钻孔、卸料这一流水线过程，通过PLC（可编程控制器）的逻辑控制，工作台得钻孔作业可达到高度自动化。PLC的体积小而且功能强大，在生产制造的自动控制方面有着较为普遍的应用。随着PLC的广泛使用，越来越多的人工作业被自动化系统所取代，大大提高的生产效率和生产速度，缩短了生产周期，减小了工人的劳动强度，促进了生产力的发展。从未来的角度来看，三工位旋转钻床工作台最终将普及到相当部分产业的钻孔生产线，从而达到高度自动化工件钻孔加工，并最终实现无人干涉或者很少有人干涉的自动化生产加工。关键词：三工位钻床；可编程控制器；提高效率；高度自动化；自动钻孔目录TOC\o"1-2"\h\u29243第一章引言 4223761.1课题研究背景及意义 5289111.2国内外研究现状 5270421.3应用价值及应用前景 636811.4主要研究内容 76027第2章总体设计方案 7271442.1总体框图 7276662.2系统信号 928447第三章硬件设计 9105993.1上位机设计 9213633.2PLC模块设计 1084713.3电机模块设计 1644833.4液压模块设计 22159073.5电源模块设计 26247793.6检测模块设计 26227003.7按键模块设计 2813253.8报警模块设计 2926670第四章软件设计 30222254.1编程软件的介绍 3041914.2系统总体流程图 30117784.3工作方式流程图 3197664.4检测系统流程图 3231423第五章系统调试 3330036第六章总结 3720005参考文献 393034附录一：总接线图 4218316附录二：程序清单 43

第一章引言当今社会的生产制造业不断向着自动化方向发展，随着制造业不断高度自动化与选进制造技术、人工智能技术的不断进步完善，人工高强度的劳动作业逐渐被高度自动化的机器所取代，这在一定程度上促进了生产力发展和生产效率的提高，大大减轻了工人的劳动强度，同时也减少了加工工件因人为因素导致生产不合格的现象，一定程度上降低了生产成本，未企业带来了持续而又稳定的经济收入，促进了国内经济发展，在三工位钻床工作台液压控制系统设计当中，通过PLC的逻辑控制，使得工件达到高度自动化钻孔的流水作业，可大大提高企业的生产效率，降低工人的劳动强度。此外，PLC的控制该有以下有点：首先，PLC编程较为简单，逻辑清晰且灵活多变，对适合新手培训学习和应用，对设计者的水平要求相对较低。其次，随着科技的发展，PLC体积越来越小而功能日益强大，逐渐适应绝大多数的不同控制场合。最后，PLC的价格低廉，成本相对较低。综合以上这些因素，使得PLC得以应用于各种工业生产领域。1.1课题研究背景及意义随着制造业不断高度自动化，各大新型钻床脱颖而出，三工位旋转钻床工作台就是其中的一种，其目的主要是提高生产效率，降低生产成本，逐渐用机器取代那些任务量较大的人工工作，降低工人的劳动强度，在本课题中，三工位旋转钻床可以实现工件的自动上料、打孔以及卸料的流水作业。在正常工作过程当中不需要人工干涉或者极少数情况下需要人工干涉，可极大程度上解放生产力，并且有利于提高工件打孔的生产效率，同时也有利于提高钻孔精度，避免了人为因素所造成的工件加工后的参数不合格等现象。1.2国内外研究现状随着机床行业的不断发展，人们对加工精度的要求越来越严格。目前，钻床加工的自动化程度越来越高，研究钻床的自动化十分重要。国内外根据实际加工需求进行负载分析，结合液压系统和PLC对自动化钻床进行了改造设计，并设计了液压原理图，选择了合适的液压元件，同时对控制流程进行了描述，为进一步研究钻床自动化提供了一定的基础REF_Ref15498\r\h[1]。在国内，随着技术的发展，三工位钻床愈发普及，几乎在各个工业制造行业都有它的身影。在结构上，三工位旋转钻床要比数控机床更为简单，对工人的技术水平要求较低，甚至加工过程当中不需要人工干涉或者很少的人工干预，其性能、可靠性和工作效率要优于其他普通钻床，并逐渐向高度自动化方向迈进。在控制上，三工位旋转钻具备手动控制和自动控制两种方式，其运行方式可以在不同的工作条件下自由切换，极大程度保证了工件钻孔加工的连续性生产。在功能上，通过PLC的逻辑控制，旋转钻床可以按照不同的流水线对工件进行钻孔任务，其工作流程灵活多变，编程工作言简意赅，较为简单，且控制功能强大，符合国内市场需求并逐渐与液压、电机、机械相结合。由于先进制造技术和人工智能技术日益成熟，三工位旋转钻床得到了国内各大生产厂商的青睐，并不断地向其发展方向转型。就国内三工位旋转钻床的发展趋势而言，不同人有着不同看法，相当部分钻床行业厂商认为：工件钻孔的高度自动化加工是当今国内大势所趋，是伴随着先进生产技术的巨大进步，是不可阻挡的一种发展趋势，终将会普及全国钻床行业，从而在一定程度上提高生产效率，降低生产成本，极大限度地保证工件钻孔加工的合格生产。

但也有人有不同意见，有的人认为：近年来研究的三工位旋转钻床虽然有高性能,高效率的特点,但也存在着种种缺点，例如三工位钻床较普通钻床的价格成本高，维修不便且困难，操作工要求有较高的操作技术水平，维修工要具备较高的维修技术水平，硬件上对三工位旋转钻床有深度认识，软件上还要对PLC的编程以及控制熟练掌握，练就过硬本领才能胜任工作岗位，物力、财力、人力都上升了一个台阶。所以由于经济成本的限制，这种三工位旋转钻床不可能完全取代普通传统钻床。另外从国内市场来看，普通钻床同样具有一定的优点，例如普通钻床无上述旋转钻床的种种缺点，成本价格低，操作简单，维修方便。所以受到国内小企业厂商的欢迎。国外钻床达到了高度自动化和高精度制造加工，各大钻床逐渐向着加工中心机床方向发展，在功能上向着最大化迈进，其有着占地面积小，单位面积可以有最大生产效率等优点，同时也可以满足工件加工的苛刻要求。但其也存在种种缺陷，例如加工制造以及维修时对于操作工和维修工技术水平要求较高，存在成本高，投资大，钻床出现故障不易维修等现状。国外钻床的发展现状在某种程度上与国内相反。可见，国外钻床的优点是，技术先进，性能好，功能强大。但缺点就是价格昂贵，维修保养不方便并且费用较高。而国内钻床更加符合我国的市场需求，简单方便，更加实用，并且成本低，能节省许多资源。但缺点就是满足不了特殊的、高技术性的要求。三工位旋转钻床工作台在我国工业生产中的应用还处于发展阶段。三工位旋转钻床工作台主要承担流水作业钻孔工作，其在工业中的应用范围非常广阔，各行各业几乎都有钻孔需求，三工位旋转钻床工作台也因此受到国内外的青睐。1.3应用价值及应用前景随着现代化的实现，科技的飞速发展使制造业对工业产品的要求逐渐提高。三工位旋转钻床工作台在成本上有着很大的优势，而且速度较快，在制造业应用广泛。如果制造工序中并不需要执行多个动作或者要反复执行循环作业，无疑三工位旋转钻床工作台是最好的选择。其主要应用于全自动流水线打孔，所以说三工位旋转钻床工作台的应用于制造业有重要意义。1.4主要研究内容通过PLC的控制实现三工位钻床对于工件自动打孔的流水作业，依据所要实现的功能，给出系统的具体硬件及软件设计方案，研究内容包括以下几个方面：(1)该系统可加工柱形铁块工件打孔工作。(2)完成三个驱动电机的选型。(3)通过工作台的旋转来实现上料、加工和卸料流水作业。(4)完成液压控制系统设计和相应的液压缸参数计算。(5)利用按钮实现手动控制。包括上料进退、卸料进退、工件夹紧和放松、钻头下降和上升、工作台升降与旋转。利用PLC的逻辑编程控制实现工件的自动钻孔操作。(6)上、卸料器、夹紧、钻头升降以及工作台的升降由液压缸驱动，用行程开关加以控制，压力继电器用于检测压力大小。系统采用三台电动机。(7)系统工作异常报警设计。主要是工件上料未到位报警。第2章总体设计方案2.1总体框图2.1.1工作系统示意图本次设计中三工位旋转工作台系统的动作依次是：上料、工作台旋转120°、工件夹紧、钻孔、工件松开、工作台再次旋转120°、卸料，如此循环。PLC控制器发出动作指令后，各个驱动器动作，带动相应的电机转动，工作台电机通过控制减速器作用达到固定角度的旋转，使工作台每个工位完成后旋转120°，使其开始进行钻孔任务，钻孔任务完成后，后续工件依次循环进行钻孔任务。示意图如图2-1所示。图2-1三工位旋转工作台动作示意图工位1：上料器液压活塞杆伸出，将工件推入工位一，伸出一定长度触发行程开关，其活塞杆退回，退回到一定程度后再次触发行程开关，活塞杆停止后退，进入等待状态。工位2：夹紧装置液压活塞杆伸出，夹紧工件，触发行程开关后停止伸出，进入保压状态。随后主轴钻头向下进给，开始工件的打孔工作。钻孔到达一定深度后，触发行程开关停止进给，其退回电磁阀得电，主轴钻头向上退回，退回到一定程度后再次触发行程开关，进入等待状态。工位3：卸料器液压活塞杆伸出，将工件推出工位三，伸出一定长度触发行程开关，其活塞杆退回，退回到一定程度后再次触发行程开关，活塞杆停止后退，进入等待状态。2.1.2控制系统框图本设计以PLC控制器为核心，由上位机、检测系统、按键模块、电机驱动模块、液压模块、报警模块组成，上料器、卸料器、工件夹紧、工作台升降通过液压系统的控制。工作台的转动、钻头的高速旋转、液压系统的驱动通过电机驱动，从而使系统能够完成工件钻孔的流水作业任务，三工位旋转工作台动作系统框图如图2-2所示。图2-2三工位旋转工作台动作系统框图2.2系统信号本系统信号设计有两大主要设计，一是PLC程序设计，二是液压控制原理图设计。本系统选用PLC作为核心控制器，系统涉及到的信号如下所示：（1）输入信号①2个系统点动总开关（启动、停止）②2个运行方式选择开关（全自动，手动）③11个行程开关④1个压力继电器触点。⑤11个手动按钮（上料器的进退，工件夹紧和放松，钻头升降，卸料器的进退，工作台升降和旋转）。（2）输出信号①11个电磁阀。②3个电动机接触器（工作台电机，主轴电机，液压泵电机）。第三章硬件设计3.1上位机设计3.1.1人机界面设计根据设计要求，着眼实际，考虑设备安装调试和后期维护，钻床的动作由自动控制和手动控制两部分组成，用档位开关切换REF_Ref13621\r\h[3]。通过登录界面进入主界面，上位机监控界面框图如图3-1所示。图3-1上位机监控界面（1）自动控制画面：主要应用于工件自动钻孔的开始、暂停、结束操作。（2）手动控制画面：用来单独控制上料器的进退，工件夹紧和放松，钻头升降，卸料器的进退，工作台升降和旋转。（3）参数设定画面：参数设定画面可以对钻头钻孔深度、钻头进给量进行设置。（4）故障显示画面：当工件上料未到达工作台工位的准确位置指示灯会发出报警信号，故障信息显示在监控界面上。3.1.2上位机通讯设计上位机与PLC之间的通信采用CAN总线方式。基于CAN总线的分布式控制系统属于现场总线和串行通信网络。它具有实时数据传输、开发周期短、应用前景广阔等优点。上位机通过适配卡接口与CAN总线交换信息，PLC通过具有CAN接口的串行芯片与CAN总线相连。上位机负责整个CAN总线系统的监控和管理。具有系统参数设置、监控状态设置、数据传输、数据请求、本地状态请求、节点状态查询、数据管理中断等功能模块。上位机向下位机发送命令。PLC检测并执行相应的写入过程。3.2PLC模块设计3.2.1PLC的选型离散运动控制是三菱的优势，三菱PLC具有丰富的指令，伺服和步进的控制容易在三菱PLC中实现，而西门子在复杂控制方面较弱，在实现伺服或步进的控制，需要比较复杂的程序，控制精度不高。通过三菱系列PLC与西门子系列PLC的对比，可知三菱系列PLC较西门子系列PLC具有以下优点：1、系统配置即固定又灵活；2、编程简单；3、备有可自由选择，丰富的品种；4、使用于多种特殊用途；5、外部机器通讯简单化；从输入和输出点的数量以及编程的难易程度的角度考虑，选用三菱系列PLC能够满足设计要求。PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置REF_Ref18561\r\h[4]。它具有体积小、功能强、可靠性高、灵活通用与维护方便等优点，在机械制造、冶金、化工等领域已得到广泛应用。由于系统的输入和输出信号较多，所以选用的PLC需要具备多个接口。已知系统需要输入输出信号分别为27和14个，总计41个。另外，PLC接口要有余量，所以可以考虑具有输入输出点各32个的FX2N系列PLC，其有高速、强大的基本性能，方便扩展，所占空间体积小，适用于一般逻辑控制以及其他广泛用途，最终选定PLC型号为FX2N-64MR。其实物图如图3-2所示。图3-2PLC的型号FX2N-64MR该型号的PLC主要参数与特点如表3-3所示：表3-3PLC参数表类型FX2N-64MRI/O口32个输入，32个输出CPU运算速度0.08μS所用电源交流电储存器最大扩展16K3.2.2PLC的硬件结构PLC的硬件系统主要由电源、中央处理器、输入输出接口、外设接口、I/O扩展接口与存储器组成。在不同的使用条件下可以将其进行整体化和模块化，以便适用与各大应用场合。必要时，也可以对PLC的硬件及结构进行替换，以达到所需要的功能。PLC结构框图如3-4所示。图3-4PLC的硬件系统框图3.2.3PLC工作流程图3-5PLC的工作流程3.2.4PLC的I/O地址分配三工位旋转钻床所用PLC的I/O分配表如表3-6所示。表3-6PLC的I/O地址分配输入信号名称外部元件内部地址输出信号名称外部元件内部地址系统启动SB0X000上料推进电磁阀1YAY000上料推进SQ1X001上料退回电磁阀2YAY001上料退回SQ2X002工件夹紧电磁阀3YAY002工件松开SQ3X003工件松开电磁阀4YAY003钻头下降SQ4X004钻头下降电磁阀5YAY004钻头上升SQ5X005钻头上升电磁阀6YAY005卸料推进SQ6X006卸料推进电磁阀7YAY006卸料退回SQ7X007卸料退回电磁阀8YAY007工作台抬起SQ8X010工作台抬起接触器9YAY010工作台落下SQ9X011工作台落下接触器10YAY011工作台旋转SQ10X012工作台电动机转动接触器KM1Y012压力继电器触点SP1X013钻头电动机转动接触器KM2Y013手动上料推进SB1X014液压泵电机KM3Y014手动上料退回SB2X015报警KM4Y015手动工件夹紧SB3X016手动工件放松SB4X017手动钻头下降SB5X020手动钻头上升SB6X021手动卸料推进SB7X022手动卸料退回SB8X023手动工作台抬起SB9X024手动工作台落下SB10X025手动工作台旋转SB11X026手动钻孔SB1X027系统停止SB13X030手动控制SA1X031自动控制SA2X032上料到位检测X0333.2.5PLC端口接线图该设计系统的PLC外部接线如图3-7所示：图3-7PLC接线图3.3电机模块设计由于电机的转速相对较高且工作台每次要求旋转120°，因此工作台电机需要外加减速器，要求运行平滑且相应速度快，所以工作台选用步进电机。对于主轴电机和液压泵电机来说，由于其需要保持高速旋转，对于电机转速控制没有要求，所以不必选用价格比较昂贵的额伺服电机，三相异步电动机便可满足条件。工作特点如下表3-8所示：表3-8三种电机特点步进电机伺服电机三相异步电动机过载特性过载时会失步可3~10倍过载（短时）过载时电流很大响应速度一般快一般耐振动好一般（旋转变压器型可耐振动)较好温升运行温度高一般一般维护性基本可以免维护较好较好价格低高低3.3.1电机选型电机根据设定的系统参数选型，工作台系统各项参数如表3-9所示。表3-9系统参数的设定机械结构参数设定数值工作台直径D工作台厚度L工作台材质密度ρ工件材质密度ρ工件直径D工件厚度L工件数量n=3工作台中心至工件几何中心的距离r=0.16m定位角度θ=120°定位时间t=2s工作台电机转速n减速机减速比i=6工作物转动惯量J工作台电机选型工作台质量mT

三个工作物质量mm工作台和工件总质量m工作台和工件所受重力G工作台转动惯量J工件转动惯量J总负载惯性J负载转矩T工作台转速n工作台角速度ω工作台线速度V工作台切向加速度ε工作台总转矩M工作台旋转阻力f综上选择钻头电机选型钻头切削力矩M=0.21D——钻头直径(mm)f——每转进给量(mm)KP——修正系数，钻头切削阻力F=钻头电机功率P=FV=F考虑到钻头电机效率和带传动效率，取P=11KW,选用YE2-160L-6三相异步电机.液压泵电机选型初选液压泵电机功率P取液压泵和液压缸的效率依次为0.93和0.93P考虑其他负载因素，最终取液压缸功率为P则液压泵电机型号为YS6324-250V。表3-11三台电机参数总表型号电压（V）功率（KW）转速（RPM）工作台电机2200.110钻头电机YE2-160L-6380111200液压泵电机YS63243800.251200（4）减速器选型由于工作台电机的转速较高，如果其电机主轴直接连接工作台，就会导致工作台在很短的时间内拥有很大的角速度，而工作台要求在一定时间内每次旋转120°，要求的角速度要比工作台电机转子角速度小得多，这是就有必要在连接处安装减速器。通过减速器使得传递到工作台转轴上的角速度降低，从而满足要求。以下是两种常见减速器。方案一：RV减速器。在传递相同扭矩和功率时，RV减速器体积较小。其中摆线针轮传动为硬面多齿啮合，这决定了摆线针轮传动本身的性能，而且在传动机构的构造过程中，摆线针轮传动置于行星齿轮架的主库中，大大减少了传动的总体积。但RV减速器由于承受较大的扭矩，所以其内部结构相对复杂，生产制造成本相对较高，且在高速运转时容易引起轴承疲劳磨损，大大缩短了RV减速器的使用寿命，因此不适宜本次设计。方案二：谐波减速器。用于负载小的工作轴上，谐波减速器由刚性轮、柔性轮、轴承和轴发电机组成。由于多齿啮合同时存在多个齿，即多齿啮合对误差有相互补偿，动态精度高。以齿轮为例，齿轮径向运动均匀，即使输入转速高，齿轮的相对滑动速度仍然很低，传动功率也很高。由于其精度相对较高，可以保证一定的减速比，使得工作台的固定旋转角度容易实现。本设计要求三工位钻床的工作台转动平稳，输出速度较低，且出于成本考虑，故选用谐波减速器。如图3-10所示。图3-10谐波减速器结构示意图3.3.2电动机主电路图3-11驱动控制电路在该电路中，主轴电机控制钻头高速旋转，实现钻孔过程。L1、L2、L3为三相电源线，QF为断路开关，主要作为控制系统中的主开关，具有低压保护功能。KM是接触器，主要用来开启和关闭发动机控制系统。KM闭合时，电机运行。FR是一种热继电器，用于保护电机不过载。KM1、KM2和KM3为三台电机开关。开关闭合，则相应的电机马达开始工作。3.3.2控制回路步进电机控制器采用ma860h型号，接触器采用正泰CJX2-1210的380V接触器其控制回路如图3-12所示。图3-12控制回路3.4液压模块设计3.4.1液压驱动原理工作台正常工作时，首先上料器将工件推入工位一，当其接触行程开关，则回油阀打开，活塞杆返回，再次接触行程开关时回油阀关闭，液压阀处于中位，进入等待状态。随后工作台转动120°，工件到达工位二，活塞杆夹紧工件后保压，工位二中的夹紧动作，除了采用液压阀之外，还要使用压力继电器REF_Ref25461\r\h[2]。上述动作完成之后，主轴电动机钻头开始向下进给，进行钻孔工作。当钻孔深度达到预设定的尺寸时，钻头触发行程开关，上升继电器得电使得主轴电机退回，而后再次触发行程开关，上升继电器失电且主轴电机停止运转。之后夹紧装置电磁阀失电，其活塞杆退回，碰到行程开关时停止并进入等待状态。最后，工作台转动120°，当工件到达工位二时。卸料器活塞杆伸出，卸料后活塞杆退回，碰到行程开关后进入等待状态。如此循环，使得流水作业持续进行。液压原理图如图3-13示。图3-13液压系统动动作原理图上料卸料、工件夹紧放松、工作台升降、钻头的升降液压驱动特点如下表3-16所示：表3-14液压驱动特点内容液压驱动输出力压力大，输出力大控制性能控制精度较高响应速度很高安全性能防爆性能好结构性能及体积结构适当，体积小对环境影响易漏油，环境污染应用范围重载、低速成本高3.4.2升降液压缸参数计算（1）载荷的确定支架反力为压力的2倍，钻头压力为500N，则液压缸理论推力F=1000N。（2）工作压力计算负荷小于50kg时，液压缸筒体直径按1MPa计算。根据数据，如果工作压力为1000N，最小气缸直径必须为40mm。（3）液压缸的排量要求钻孔深度80mm，为了确保孔深达标，初选液压缸的行程为100mm。（4）检查液压缸的稳定性1）检查液压缸的直径已知P工作＝1MPa，FD取D=60mm2)液压缸及活塞杆计算由公式：F带入数值得F液压缸=1826N＞1000N，符合要求。由于P工作＝1MPa，查阅资料，初取d=12mm，由公式：4F对d开始验证，查表知F许用=则3.46mm＜d＜12mm，符合要求。3）确定活塞杆长度L活塞杆行程大于等于2L，活塞杆受力小于等于所能最大压力Fcr，考虑到n≥nst，查阅公式nst=FCR/F工作，nst=4。查阅资料得FI为截面惯性矩：I=π铰链摩擦系数：μ弹性模量：E查阅资料知，活塞杆杆弹性模量为210将F工作F则：Fl=得2×100mm≤L≤215mm，取L=215mm，符合要求。4）液压缸筒壁计算查阅资料可知，其可用薄壁桶壁厚公式计算δ=DP式中：δ—壁厚D—缸内径Pp—实验压力，取Pp=2P工作=2×10许用应力σ=2.4MPa带入得出壁厚为2.5mm算出缸外径D=60+2×2.5=65mm5）确定液压缸参数由计算确定D缸=60mm，D杆3.5电源模块设计本设计中三台电机由220V和380V电压进行驱动，而PLC和传感器则需要24V电压驱动工作。220V家用电和380V三相电，生活中常用到，可满足电动机的使用要求，不需要进行整改。但24V电源的获得需要对220V电源进行整改转换，根据资料，可选用超薄型LRS25W～350W系列中的LRS-100-24开关电源，其主要参数如表3-15所示。表3-15开关电源参数表参数数值输入范围AC85~264V输入电压DC24V输出电流4.5A额定功率100W尺寸129×97×30LRS-100-24型开关电源电路图如图3-16所示：3-16开关电源电路图3.6检测模块设计三工位钻床的检测系统主要用来检测工作台上料状态，其主要由传感器进行检测，将其始终固定在工作台外圆的工位一和工位二附近，对工件所处位置进行检测，从而来确保工作台处于正常工作状态。若工件所处位置不符合预定位置，则传感器动作，将检测结果转化为电信号传达给PLC，PLC发出相应指令使得系统停机或者暂停，以便工作人员排查错误，起到安全保护作用。3.6.1传感器的选择由于需要对系统自动工作时工件的所处位置状态进行检测，由于工件本身不透光且为实体，所以可以考虑两种传感器，即位移传感器和光电传感器。方案一：位移传感器。位移传感器的原理是磁致伸缩位移传感器通过非接触式测控技术检测主动磁环的位置，测量被测产品的实际位移值。该运动传感器的主要特点是：一是具有广泛的应用和测量范围，能够适应不同的环境和不同的机械运动测量；其次，测量精度和可靠性高，误差小于0.01%，性能稳定，使用寿命长，在成千上万的实际应用中得到了普遍的应用。方案二：对射式光电传感器将光源发射器和光源接收器固定在被测物体的两侧，对物体的实时位置状态进行检测。正常情况下光源发射器发出的光会被接收器接收，物体未进入传感器的检测范围，此时光电开关不动作。当物体进入对射式光电传感器的检测范围，即当工件上料未到位时，发射光被不透明工件阻挡，接收器接收不到发射光，传感器输出异常信号传送给PLC，触发报警系统。方案三：接触式限位传感器在系统固定的某一位置安装接触式限位传感器，当物体到达一定位置后与限位开关接触，限位传感器动作，使得控制电路发生切换或者切断控制电路。接触式限位传感器是一种根据所移动的部件行程所动作的元件，在工业生产中具有广泛的应用。因为本设计只需要对工件上料是否到位进行检测，而无需检测工件的相对位移量，因此对射式光电传感器适用工件位置的实时检测，并将其置于工作台工位一和工位二外圆边沿中。本次设计选用PNP型E3F-20C1直流三线NPN常开的对射式光电传感器。其在没有阻挡物的时候正常工作，当有工件上料未到位时阻挡物出现，光源发射器发出的光束无法被接收器接收，接收器输出电信号传达至PLC，从而产生报警信号。图3-17对接射型光电传感器3.6.2检测电路设计本设计选用NPN三线常开交流6～36V电压检测传感器，而24V正好在可用电压范围区间，这里为了使得检测电路电压与PLC所用电压一致，减少工作量，则棕线和蓝线分别接正、负24V电压，黑线接PLC输入端。光电传感器接线图如图3-18所示。图3-18光电传感器接线图3.7按键模块设计由于设计任务要求三工位旋转钻床要具备自动控制和手动控制两种操作方式，那么对于手动控制来说，按键模块设计就显得尤为必要，根据三工位旋转钻床的流水作业动作要求，可设置以下16个点动按钮来实现系统各项单一动作的手动控制。系统启动按钮系统停止按钮自动控制按钮手动选择按钮手动工件夹紧按钮手动工件放松按钮手动钻头上升按钮手动钻头下降按钮手动上料器推进按钮手动上料器退回按钮手动卸料器推进按钮手动卸料器退回按钮手动工作台上升按钮手动工作台下降按钮手动工作台和旋转按钮手动钻孔按钮按键模块接线图如图3-19所示。图3-19按键模块接线图3.8报警模块设计报警模块主要由传感器、检测电路、PLC和蜂鸣器组成。当三工位旋转钻床在工作过程中工件未达到工作台指定工位上的准确位置时，传感器开始动作并将检测信号转化为电信号传达给PLC，控制器发出指令使得整个系统运行停止且蜂鸣器处于报警状态，同时报警指示灯（红灯）点亮，报警动作完成。报警电路不仅可以保护系统部件和工作人员的安全，还可以及时提醒工作人员维修，减少不合格加工工件的产量，降低了生产成本，消除了不必要的浪费，因此报警模块的设置尤为必要。第四章软件设计4.1编程软件的介绍本设计采用三菱PLC，所以选用GX-Works2编程软件进行编程，GX-Works2具有简单工程和结构化工程两种编程方式。4.2系统总体流程图三工位钻床开始工作时，首先要进行各个环节的系统初始化，以保证运行后系统可以按照预设动作依次顺序进行。其次在流水作业的打孔运行过程中传感器对工件是否上料到位进行实时监测，若工件上料存在异常，检测电路将电信号传达给PLC，PLC发出系统停止运行指令使得工作台停机，经过故障排查后，再次检测工件是否上料到位，如果已到位且正在执行打孔任务，则检测电路持续工作实时监测，随时对异常情况进行报警，如果未检测到异常上料且任务完成，则系统复位，开始循环进行。若在任务执行的整个期间内有上料未到位情况，则再次报警并排除故障，之后打孔任务继续执行并再次进行工件位置检测，直到检测通过，任务完成，系统重新复位。系统总流程图如图4-1所示。图4-1系统总流程图4.3工作方式流程图三工位旋转钻床工作台分自动手动两种打孔方式，按下总电源开关后系统各个环节和部件均复位，复位完成后需要根据生产要求人工选择手动或者自动打孔方式。若选择手动运行，则在生产加工工件过程中需对工作台各个动作依次按照加工顺序经行点动按钮操作，直至钻孔任务完成。若选择自动运行，则系统直接调用PLC程序实现无需人工干涉的全自动工件打孔任务，直至钻孔任务完成，进入下轮循环。工作方式流程图如图4-2所示。图4-2工作方式流程图4.4检测系统流程图检测系统的工作流程主要为，当三工位钻床每次转动到位且夹紧到位时，位于工位一和工位二外圆上的对射式光电传感器开始工作，发射器发射光束，当接收器接收不到正常工作状态时的发射光信号时，表明发射光线被不透明工件所阻挡，则工件未上料到位，光电传感器会转变出电信号反馈给PLC，从而进行报警。检测系统流程图如图4-3所示。4-3检测系统流程图第五章系统调试5.1组态王仿真本设计使用6.55版本组态王仿真。新建工程命名为“三工位加工机床”，点击保存。然后使得硬件与三菱PLC建立联系并对变量进行设定，其中包括变量名、变量类型、ID等，具体各项设定如图5-1和5-2所示。图5-1定义变量如图5-2数据词典三工位旋转钻床各项参数设定后，还需要对整个控制系统的点动按钮进行设定，首先需要确定总的启动与停止按钮，其次需要确定两种运行方式按钮，即手动或自动按钮，最后设定上、卸料器伸缩、钻头头升降和旋转、夹紧装置的夹紧松开、工作台的升降与旋转按钮。另外还需对工作台总体框架和模型进行画面组建。各个按钮的设定与分布以及系统初始化状态如图5-3所示。图5-3控制系统的点动按钮其次分别双击每个按钮和每个开关指示灯，在弹出来的参数设定表中对各个按进行动画链接，对各个指示灯进行灯光颜色设置，完成一系列的连接工作后点击确认。图5-4按钮参数设置各项参数设定好之后，首先开始对系统手动运行方式进行仿真验证，点击“启动”按钮，按下“手动”按钮，系统开始运行，此时画面依然处于静止状态，之后分别点击其他按钮对其进行仿真动画测试，每按下一个按钮，其所对应的相应部件开始动作，例如，钻头静止状态下其本身在动画在呈现灰黑色，点击“钻孔”按钮之后，动画中钻头呈现绿色，表示钻头开始工作。以此类推，触发其他按钮之后，对应功能得以实现。手动控制夹紧状态下的钻孔状态仿真动画演示如图5-5所示。如图5-5手动钻孔仿真动画最后对三工位旋转钻床进行自动控制动画仿真。点击“启动”按钮，按下“自动”按钮，系统开始运行，依次按照上料、工作台转动120度、夹紧、钻孔、工作台转动120度、卸料的流程依次按照顺序进行，当工件上料异常时，对射式光电传感器动作，其将点信号传达给PLC，控制器发出指令，使得整个系统停止工作，达到保护工作人员和设备的作用。图5-6自动钻孔仿真打孔动画5.3调试遇到的问题及解决办法此次设计中基于PLC的三工位旋转钻床液压控制系统的基本框架和整体思路已经全部完成。其中在PLC编程问题上出现的错误较多，第一种情况是程序不能运行或者运行出错，第二种情况是程序虽然可以运行，但不符合预期。对此方面知识薄弱的我不得不请教指导老师和身边的编程学霸，经过几番周折，终于在他们的细心讲解下顺利写出了正确的程序。再一个就是传感器的选型以及安装位置，由于工作台的每次旋转，位移传感器可能会检测到非工件以外的其他物体的位移，导致系统误报警，所以我果断更换了对射式光电传感器，并将其固定于工作台工位一和工位二的外圆边沿，使得上料到位的工件最外端母线刚好通过检测光线，如此一来只要工件上料未到位发射光线就会被不透明的工件截挡，此时就可以通过检测电路触发报警，完成检测任务。第六章总结在设计之初我选择了三工位旋转钻床同时加工三个工件的工作方式进行设计。其加工效率高，可以减少生产周期。但也存在着一些缺陷，例如设计过程和编程复杂和编程，设计时容易出现意想不到的漏洞，且工位二钻孔所消耗时间比上料和卸料时间长，使得工位一和工位三在完成动作之后不得不进行长时间的等待。虽然设计过程较为复杂，但却很好的锻炼了我处理复杂问题的思维能力和设计能力，而且我的专业能力素养得到了很大的提高，且看清了理论与实际的差距。设计中由于遇到很多知识盲区，比如说我对设计当中的液压设计参数计算领域知识几乎没有涉猎，遇到这种棘手问题毫无设计思路，但我并没有灰心，遇到困难要随时想着去解决而不是逃避，于是我查找一切我能够在图书馆得到的关于液压设计的方面的资料，在加上指导老师的耐心提示与讲解，我最终还是克服了重重困难，上天不负有心人，在我的努力下困难问题迎刃而解。这次毕业设计极大程度上培养了我的耐心和科研素质，使我科研的道路上迈出了一大步。毕设当中我时常因为没有设计思路而导致进度停留在原地，但在指导老师细心帮助下，我得以能够设计出一个合理的解决方案。虽然毕业设计还不算完美，但基本实现的毕业设计的各项要求，论文的写