结合数控技术的三面铣组合机床控制方案

三面铳组合机床日勺PLC控制系统设计

系别：电子信息与电气工程系

班级：________电气052______________

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座号：___

指导老师：_____________________________

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目录

摘要

一、设计任务及规定

1.设计任务

1.1三面铳组合机床的概述

1.2三面铳组合机床的基本构成

1.3三面铳组合机床的加工过程

1.4三面铳组合机床的液压系统

2.三面铳组合机床的控制规定

3.总体方案确实定

二、硬件设计

1路原理图日勺设计

1.1主电路

1.2PLC外围电路及I/O接线图

三、元器件日勺选择

1.PLC日勺选择

2.接触器的选择

3.热继电器日勺选择

4.熔断器的选择

5.开关的选择

6.主令电器日勺选择

四、软件设计

1.功能表图

2.梯形图

3.程序调试

五、人机界面

1.组态王简介

2.人机界面日勺设计

六、设计小结

七、附录

1.电气原理图

2.PLCI/O接线图

3.功能表图

摘要

可编程控制器以体积小功能强大所著称，它具有可靠性高、抗干

扰能力强，编程简朴、使用以便，功能完善、通用性强，设计安装简

朴、维护以便，体积小、重量轻、能耗低等长处。不仅可以很轻易地

完毕次序逻辑、运动控制、定期控制、计数控制、数字运算、数据处

理等功能，并且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和

图1加工工件示意图

1.2三面铳组合机床的基本构成

机床重要由底座、床身、铳削动力头、液压动力滑台、液压站、工作台、工

件松紧液压缸等构成。机床底座上安放床身，床身上一头安装由液压动力滑台，

工件及夹紧装置放于港台上。床身口勺两边各安装一台铳削头，上方有立铳头，液

压站在机床附近。

1.3加工过程

三面铳组合机床的加工过程如图2所示。操作者将要加工口勺零件放在工作台

口勺夹具中，在其他准备工作就绪后，发出加工指令。工件夹紧后压力继电器动作,

液压动力滑台（工作台）开始快进，到位转工进，同步起动左和右1铳头开始加

工，加工到某一位置，立铳头开始加工，加工又过一定位置右1铳头停止，右2

铳头开始加工，加工到终点三台电动机同步停止。待电动机完全停止后，滑台迅

速退回，工件松开，一种自动工作循环结束。操作者取下加工好的工件，再放上

未加工的零件，重新发出加工指令反复上述工作过程。

YV1YV2YV3YV4YV5BP1BP2

原位—（十）一一——一

夹紧+—一———+

快进(+)—+一——4-

工进(+)—+—+—+

死挡铁停留(+)—+—+++

快退(十)—一+——+

松开一+—————

1.4三面铳组合机床的液压系统

三面铳组合机床中液压动力滑台H勺运动和工件松紧是由液压系统实现的。如

表1为液压系统H勺原理图。

表1液压兀件动作表

2.三面铳组合机床的控制规定

1）有单循环自动工作、单铳头自动循环工作、点动三种工作方式。

2）单循环工作方式如图2所示，油泵电机在自动加工一种循环后不停机。

3）单铳头自动循环工作包括：左铳头单循环工作、右1铳头单循环工作、右

2铳头单循环工作、立铳头单循环工作。单铳头自动循环工作是时，要考

虑各铳头口勺加工区间。

4）点动工作包括：四台主轴电动机均能点动对刀、滑台迅速（快进、快退）

点动调整、松紧液压缸的调整（手动松开夹紧）。

5）五台电动机均为单向旋转。

6）规定有电源、液压泵工作、工件夹紧、加工、原位信号指示。

7）规定快退回来时要对工作台进行润滑。

8）规定有照明电路和必要的连锁环节与保护环节。

3.总体方案确定

三面铳组合机床系统控制的加工部分采用PLC设计，其中自动加工部分采用

次序控制设计法，手动部分采用经验设计法。油泵指示、电源指示、油压指示、

原位指示、照明、快退润滑等在PLC外电路中设计实现。本实习采用菱阳FX系

歹U的PLC,并规定采用I/O口为40点H勺PLC,其中输入端口为24点，输出端口

为16点。上位机采用组态王6.5软件进行设计，实现上下位机间的通讯及控制。

二、硬件设计

1.电路原理图的设计

1.1主电路图（见附图）

主电路只要由刀开关Q、熔断器FU、热继电器FR、交流接触器KMRJ主触点

等电器元件及五台电动机构成。

设计思绪：为了保证刀具与工件的安全，在主轴电动机、油泵电动机过载时,

除了本电动机停止外，进给电动机（左右工速电机，左右迅速电机）也要对应的

停止。因此必须把进给电动机并联在主轴日勺熔断帑FU之下（如附图1所示），

使主轴电动机和进给电动机有共同的熔断器FU,保证过载时同步切断。

主电路日勺保护环节：

（1）熔断器重要起短路保护及过载保护；

（2）继电器起自动接通或断开控制电路和保担电力装置欧I作用；

（3）接触器用于远程控制负荷，切断带负荷电路；

1.2PLC外围电路及I/O接线图（见附图）

PLC外控制电路包具有照明电路、油泵指示及电源指示信号。照明灯用个单

独的I开关米控制，油泵指示灯则由KM3接触器时常开牯助触点控制，当油泵打

开时，KM5常开触点闭合，油泵指示灯亮，电源指示灯则由线路日勺总开关来控

制，当开关闭合时，电源指示灯亮。

本次设计的PLC输入点数有18个，输出点数有17个

输入点数确实定：

（1）手/自动共有的：死档铁停留信号BP1、夹紧信号BP2、油压信号BP3、

原位行程开关SQ1、上下位机切换开关SA1。

（2）自动所特有口勺：开始按钮SB5、左铳及右1铳头行程开关SQ2、右2铳

头行程开关SQ3、立铳头行程开关SQ4。尚有用三个点五种状态来实现

单循环自动工作、左铳动力头自动循环工作、右1铳动力头自动循环工

作、右2铳动力头自动循环工作、立系动力自动循环工作之间的切换。

（3）手动加工部分有：快进按钮SB1、快退按钮SB2、夹紧按钮SB3、松开

按钮SB4、左动力头点动按钮SB6、右1动力头点动按钮SB7、右2动

力头点动按钮SB8、立铳动力头点动按钮SB9。

为了尽量减少所需的II/O点数，采用分组输入的措施来减少输入点数。

由于三面铳组合机床系统中有自动和手动两种工作方式，其中动力头目勺电动

输入点可以和自动状态下的相对应的行程开关输入点复用，即X*、X”、

Xl6三个点可以复用，为了防止出现寄生回路，产生错误输入信号，在共用

H勺输入端口串联二极管。

输出点数确实定：

在输出端包具有交流110V线圈：左动力头接触器线圈KM1、右1动力头接

触器线圈KM2、右2动力头接触器线圈KM3、立铳头电动机接触器线圈KM4。

直流24V线圈：夹紧电磁阀线圈YV1、松开电磁阀线圈YV2、快进电磁阀线圈

YV3、快退电磁阀线圈YV4、工讲电磁阀线圈YV5、润滑电磁阀线圈YV6。尚

有交流220V的指示灯：原位指示L1、加工指示L2、工件夹紧指示L3、油压报

警指示L4、夹紧报警指示L5、快进报警指示L6、快退报警指示L7。

在输出（Yio—Yi3）中由于是交流线圈输出，为了防止忽然断电，由于电感

的存在（U=L*di/dt）,会产生高压脉冲，损坏PLC,在输出要并联RC电路，

起续流作用。而输出（Y2—丫7）是直流输出，同样要并联续流二极管，保护PLC。

三、元器件的选择

1.PLC的选择

I/O点数：在满足控制规定的前提下力争使用日勺I/O点至少，但必须留有

一定日勺裕量(1()%~15%)o基于本设计I/O口日勺规定，需18

个输入点，17个输出点，因此我们选择了FX-0N这种型号的PLCo

2.接触器的选择

左、右2铳削头电动机：JO2-41-4,4.0kw,1440r/min,38()v,8.4A

立、右1铳削头电动机：JO2-32-4,3.0kw,1430r/min,38()v,6.5A

液压泵电动机：JO2-22-4,1.5kw,141017min,380v,3.49A

根据以上参数选出接触器日勺型号：KM据KM3的型号CJ20-10,KM2、KM6、

KM1日勺型号CJ20-8

3.热继电器的选择

一般状况下热元件额定电流按电动机额定电流来选择。对于过载能力较差日勺

电动机，热元件额定电流应合适减少。热继电器的额定电流不小于等于热元件的

额定电流，热继电器的J额定电压不小于或等于线路和额定电压，根据三面锌组

合机床的原理图及上述电动机的某些参数其型号可选JR20-10/14R,

JR20-10/13R,JR20-IO/10R等。

4.熔断器的选择

熔体额定电流与负载大小、负载性质有关。对于一般照明电路、电热电路等

负载：可按负载电流大小来确定熔体的额定电流。对于电动机负载：单台：INP

=(1.5-2.5)INM；多台：INP=(1.5-2.5)INMmax+ElNM

5.开关选择

5.1刀开关

参数选择：极数，额定电流，额定电压，通断能力等

5.2组合开关

参数选择：位数（2〜4）,极数（1~4）,额定电流，额定电压，通断能

力等。

5.3万能转换开关

参数选择：位数，接线图编号，额定电流，额定电压，通断能力等。

6.主令电器的选择

6.1控制按钮的选用

参数选择：额定电压，额定电流，圆形头或方形头、安装尺寸，构造形式,

动作方式等。

6.2行程开关时选择

参数选择：操作头的构造，自动复位或非自动复位，长挡铁与短挡铁，触

点日勺数量。

6.3控制变压器的选择

变压器一、二次电压应与交流电源电压、控制电路电压与辅助电路电压规

定相符。

电器元件清单

一

序

号名称符号型号规格数量备注

1按钮SB1LA20-11J1SB1用于急停

SB2、SB3、SB4、SB5、

2按钮SB6、SB7、SB8、SB9、LA2O-119

S310

SQKSQ2、SQ3、SQ4、

3行程开关SQ5、SQ6、SQ7、SQ8、LX19-11110

SQ9、SQ1O

SAKSA3、SA4、

4转换开关HZ1O-1O/15

SA5、SA6

5转换开关SA7HZ10-10/21

6转换开关SA2LW5-I5D1

7组合开关QSHK1-601

1.5*8.4+8.4+3*3+3+4.9+4.9

8熔断器FU1RL6-63/501

=39.8熔体额定电流取50A

Q熔断器FU2RL6-25/611.5*3=4.5Q6A

10熔断器FU3、FU5RL6-25/2521.5*8.4+3+4.9=20.5弋25A

11熔断器FU4,FU6RL6-25/1221.5*4.9+3=10.5=12A

12熔断器FU7、FU8、FU11、FU12RL6-25/24

1.1*1.5+1.1+0.6*10=8.75^

13熔断器FU9、FU1ORL6-25/102

10

KMKKM3、KM4、KM5、

14接触器CJ20-6.37或CJ20T0

KM7、KM8、KM9

15接触器KM2、KM6CJ20-102

16热继电器FR1、FR3、FR6JR20-10/9R3整定范围:2.6〜3.2〜3.8/A

17热继电器FR4、FR7JR20-10/11R2整定范围：4〜5〜6/A

18热继电器FR2、FR5JR2O-1O/14R2整定范围：7〜8.6〜1O/A

19信号灯HLh1IL2ADI-30/1112额定电压:XZ36-1.5WE10/13

20信号灯HL3、HL4ADI-30/1112额定电压：220V-5WE14

21照明灯ELKEL2JC1-12额定电压：36V额定功率35W

22变压器TBK-15001380-220/127/36-6.3

四、软件设计

1.功能表图（见附图）

发出加工指令（按下按钮），YV1得电工件自动夹紧，压力继电器BP2动作,

YV3得电工作台快进抵达行程开关SQ2处，YV5得电转为工进，左、右1铳头开

始工作，工作台运动到SQ3处时立铳头开始工作，运动到SQ4时，右1动力头停

止，右2动力头得电工作，直到工作台运动到终点时，碰到死档铁停留，压力继

电器BP1动作，所有的动力头都停止，同步，YV4得电快退回原位，YV2得电松

动工件，•种工作循环结束。

功能表图思绪遵照加工过程为：上电后输入油压信号，先判断滑台与否在原

位，不是原位跳到S35待夹紧信号来是退回原位。若在原位，原位指示灯亮，再

判断是手动还是自动，若为手动则，转手动程序，若为自动，按下开始按钮到

S22使工件夹紧，待夹紧信号Xi来时，进入下一步S23使工作台快进，同步夹紧

信号灯和加工信号灯亮，接下来要进行工作方式的选择，当条件给定为单循环自

动工作方式时，进入S24、S25、S26,死档铁停留油压继电器BP1动作时退回。

当条件给定为左动力头单循环工作方式时，进入S28,死档铁停留油压继电器BP1

动作时退回。当条件给定为右1动力头工作方式时进入S29,碰到行程开关SQ4

时退回。当条件给定为右2动力头单循环工作方式时进入S3。，死档铁停留油压

继电器BP1动作时退回。当条件给定为立铳头单循环工作方式时S3I,死档铁停

留油压继电器BP1动作时退回。由S27、S32、S34为迅速退回部分。

手动与自动H勺切换，只需一种转换开关SA2就可以实现，手动部分无需点开

始按钮，直接对对应的按钮进行操作即可。在手动程序中还包括了，油压报警，

未夹紧报警程序，快进程序报警和快退程序报警。

2.梯形图

2.1初始化程序

为了使程序能正常的运行，必需在启动PLC时使So被激活，否则程序无

法运行，同步也要考虑到，忽然断电时，必需时所有口勺步复位，因此采用入下

图的程序：

一_M8002-

0—||---------------------------------------------------------------------[ZRSTSOS35]

---------------------------------------------------------------------------------[SETSO]

2.2判断与否在原位的程序

若在原位则输入继电器X4动作常开触点闭合，转入自动程序步，若不在

原位则输入继电器X4不动作使用其常闭触点，使其转入手动程序步，使得输

出继电器丫2得电夹索，待夹紧信号一来，跳到快退程序步。其梯形图程序如

下其中X5为手动与自动转换触点，当输入继电器X5不得电时可用X5常闭触

点做为自动连接触点，当输入继电器X5得电时，常闭触点打开，断开其自动

程序：

2.3切换到手动状态的程序

同理，可用输入继电器X5日勺常开触点做为，手动程序步的连接触点，当

输入继电器X5得电时，常开触点闭合，转入手动程序，梯形图如下：

X005

27―||--------------------------------------------------------------------------------------[SETS33]

2.4工作方式的切换程序

对于工作方式的切换，我们用了PLC输入的三个点X17、X20、X21来组合5

种状态：单循环自动工作、左铳动力头自动循环工作、右1铳动力头自动循环

工作、右2铳动力头自动循环工作、立系动力自动循环工作之间的切换。多种

工作状态的工作区间可以用行程开关和压力继电器BP1来判断，例如，立铳头

的工作区间可以用行程开关SQ3和压力继电器BP1来确定，即Xi6、Xo其梯形

图如下:

X013X017X02OX021

—II—___\X._____\X.-___\X.________________

4211XIzI___________________[SETS24J

X013X017X02OX021

___II_____II____L才____________________________________________rsPT

481111Y\S28一

X013X017X02OX021

___II_____IZ____II______\X.________________

5411II___________________TSETS29]

X015X017X02OX021

___I|__|/L_\y____II____________________

6011y\II___________________rSFTS30

X016X017X02OX021

___II_____II____L彳___II____________________

6611IIII___________________TSETS31一

2.5迅速退回程序

单每个循环工作结束时，要停留2s待动力头停稳后再迅速退回，这样不

会损伤工件表面，同步退回H勺过程要进行润滑，当退回原位时，要自动松开，

最终是将所有的电磁阀断电原位指示灯亮，这就要使最终的程序回到So。梯形

图如下：

Y005K20

212—必----------------------(T2)

T2Y005

216Tl——井---------------(Y021)

X004

219Tl-----------------{SETS32]

147------------------------S32

148-----------------------{Y003)

X001K20

<TO)

TO

153Tl----------------

2.6手动程序

手动程序中包括，快进点动，快退点动，手动夹紧，手动松开以及各个动

力头的点动操作其梯形图如下:

1RA___________________________________________________________TSTLS33二

Y002Y003X001

_1|L才/VAIA

15711>1II\1VIV

Y016

X004

___II_____________

162II_/Y014)

X005X013YOUY012Y013

164___II________II_______IX_______MI/E____________________________________________________fYOlO)

X005X014Y010Y012Y013

___II________II_______|/t_______l/E_______\Z__________________________________

170IIIIM___fYOll)

X005X015Y010YOUY013

176IIII____IX_______|Z_______\X______________________________________rvoi2)

X005X016Y010YOUY012

___II________II_______|/t_______l/E_______l/t________________________________________

182IIII>1_/Y013

X005

204—苏------------------------------------------[SETSO]

2.7报警程序

这部分程序重要包括油压报警、夹紧报警、快进报警、快退报警，当油压忽

然消失时要使油压报警灯闪烁，没有松开时也要使夹紧报警灯闪烁，当快进时

间超过一定是时间，要使快进报警灯闪烁，同理快退也时同样，梯形图如下:

X001Y004K20

231TI——(T3)

T3

236II(Y021)

238{END?

3.程序调试

调试环节:

（1）打开GXDeveloper,创立新工程。

（2）输入梯形图程序，输入好后点击程序变换/编译按钮

（3）将程序写入PLC。点击［在线］,［PLC写入］,选择［MAIN］,点击［执

行］。若程序有错，PLC上有指示灯提醒，修改错误，点击［诊断］,

［PLC诊断］,修改好错误后重新写入。

若PLC输出成果与实际规定成果不一样，必须从逻辑上修改程序。

梯形程序出错改正日勺：

梯形程序中手动程序必须有电气互琐，例如快进口勺常开触点要串联快退的常

闭触点，否则会产生冲突，程序必须有自琐保持信号的。程序开始时必须对继电

器复位ZRSTS0S35,程序的背面要有返回的程序SETSo。

输入程序时会出现漏行，漏触点，逻辑错误笔状况，都轻易产生错误，以致

调试成果不符合，补齐程序，修改程序后成果才能符合。

五、人机界面

1.组态王简介

1.1概述

伴随工业自动化水平口勺迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工

业自动化的规定越来越高，种类繁多口勺控制设备和过程监控装置在工业领域的应

用，使得老式的工业控制软件已无法满足顾客的多种需求。通用工业自动化组态

软件口勺出现很好地处理老式工业控制软件存在的种种问题处理实际工程出现的

问题，例如开发周期长，反复使用率低，价格非常昂贵等，使顾客能根据自己的

控制对象和控制目的日勺任意组态，完毕最终欧I自动化控制工程。

1.2组态软件

组态就是用应用软件中提供日勺工具、措施、完毕工程中某一详细任务日勺过程。

组态软件是指某些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控

层一级欧I软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为顾客提供迅速构建工业

自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件能支持多种工控设备

和常见的通信协议，并且一般应提供分布式数据管理和网络功能。组态软件是一

种使顾客能迅速建立It己日勺人机接口软件HMI日勺软件工具，或开发环境。

1.3组态软件重要特点

（1）延续性和可扩充性（2）封装性（易学易用）（3）通用性

1.4组态软件的系统构成

按照系统环境划分，组态软件由如下两大部分构成的：

1）系统开发环境：是自动化工程设计工程师为实行其控制方案，在蛆东软

件的I支持下进行应用程序H勺系统生成工作所必须依赖日勺工作环境。通过建立一系

列顾客数据文献，生成最终的图形目口勺应用系统，供系统运行环境运行时使用。

系统开发环境由若干个组态程序构成，如图形界面组态程序、实时数据库组态程

序等。

2）系统运行环境：在系统运行环境下，目口勺应用程序被装入计算机内存并

投入实时运行。系统运行环境由若干个运行程序构成，如图形界面运行程序、实

时数据库运行程序和I/O驱动程序等。其中I/O驱动程序是组态软件中必不可少

口勺构成部分，用于和I/O设备通讯，互相互换数据。

2.人机界面设计

2.1人机界面简介

人机界面设计是指通过一定日勺手段对顾客界面有目的和计划的一种创作活

动.人机界面一般也称为顾客界面。人机界面设计重要包括三个方面：

（1）设计软件构件之间的接