1、 课 程计设学校：洛阳理工学院系别：电气工程与自动化系专业：电气自动化技术姓名：xxxPLC 三面铣组合机床及控制系统的课程设计前言随着时代的发展，科技在发生着日新月异的变化，这就体现在科学技术的发展。应用组合机床加工大批量零件，快捷高效，生产效率高是机械加工的发展方向。本次设计任务是把 PLC 应用在组合机床中实现自动化控制的加工工艺、组合机床工序的工装设计、控制系统设计、PLC 的程序设计。在工艺制定过程中，通过生产批量的分析确定组合机床结合件的加工方案，并寻求最佳的工艺方案，借此说明了工艺在生产过程中的重要性；在三面铣组合机床的工装设计过程中，结合实例，介绍了铣刀设计方法，特别是对毛坯工
2、件的加工精度进行了探讨；在 PLC 控制系统设计过程中，以三面铣组合机床为对象，依据机床系统设计的基本原理，拟出合理的组合机床系统图。通过系统主要参数的计算确定了铣刀及其他元件的规格；在组合机床设计过程中，结合具体实例和设计经验, 阐述了通用件( 如编程器，铣刀等) 的选取及专用部件（如机床）的设计计算。一、 目录二、 一、课程设计的目的3二、课程设计的内容概述3（一）三面铣组组合机床的控制概述三、 （二）三面铣组合机床的控制要求四、 （三）设计的任务及要求三、具体设计8（一）控制系统的设计五、 1 、PLC 的选取六、 （二）硬件设计七、 1 系统主电路的设计 八、 2 系统控制回路的设计九
3、、 （三）软件的设计有语句表和梯形图十、 四、课程设计的心得体会24五、参考文献26十一、 课程设计的目的 1进一步巩固本课程所学知识； 2掌握一般生产机械 PLC 控制系统的设计与调试方 法； 3掌握一般生产机械电气线路的施工设计； 4培养查阅图书资料、工具书的能力； 5培养工程绘图、书写技术报告的能力。 二、 课程设计的内容概述（一）三面铣组合机床概述 1.1 基本结构 三面铣组合机床主要由底座、床身、铣削动力头、机械动力滑台、工件松紧油缸等组成。机床底座上安放有床身，床身上一头安装有动力滑台，工件及夹紧装置放于滑台上。床身的两边各安装有一台铣销头，上方有立铣头。 1.2 机械动力滑台 机
4、械动力滑台由滑台、滑座和双电机（快速及进给电机）传动装置三部分组成。快速进给电动机用来拖动滑台快进和快退运动，工进电动机拖动滑台工作进给运动，在工进时，只允许工进电机单独工作，快速进给电机由制动器制动。滑台的自动工作循环是靠传动装置将动力传递给丝杠来实现的。 1.3 工件的加工过程 三面铣组合机床是用来对 Z512W 型台式钻床主轴箱的 80、90 孔端面及定位面进行铣销加工的一种自动加工设备。加工工件的示意图如图 1-1 所示。 1.4 三面铣组合机床的加工过程操作者将要加工的零件放在工作台的夹具中，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，动力滑台（工作台）开始快进，到
5、位转工进，同时起动左和右 1 铣头开始加工，加工到某一位置，立铣头开始加工，加工又过一定位置右 1 铣头停止，右 2 铣头开始加工，加工到终点三台电机同时停止。待电机完全停止后，滑台快退回原位，工件松开，一个自动工作循环结束。操作者取下加工好的工件，再放上未加工的零件，重新发出加工指令重复上述工作过程。 （二）三面铣组合机床的控制要求2.1 组合机床的介绍组合机床是一种在制造领域 中用途广泛的半 自动专用机床，由通用部件(如动力头、动力滑台、床身立柱等)和专用部件(如专用动力箱、专用夹具等) 组成。这种机床既可以单机使用，也可以多机配套组成加工 自动线，用于大批量机械 产品的高效自动化生产，如
6、汽车零部件制造中的许多生产线三面钻组合机床由三个液压动力滑台和液压传动的工作台组成。左、右动力头和后动力头分别由其主轴电机拖动，左、右动力头滑台和后动力滑台由液压缸驱动前进或后退。工件通过液压夹具安装在工作台上。左、右动力头和后动力头同时工作、依次工作或选择其中任意一个滑台进行一轮自动加工循环。 2.2 三面铣组合机床控制系统现状分析 目前，三面铣组合机床动力滑台及夹紧机构的控制传统上普遍采用液压结合电气控制，电气控制采用传统的继电器(RLC)硬布线逻辑控制。这种控制方式具有很大的局限性即一种控制系统只能控制特定的对象。当控制对象变化时需要重新设计、重新布线；另外，这种控制系统可靠性差 ，需经
7、常维修。而可编程控制器(PIE )是工业控制当中的通用设备，当控制对象变化，只需改变程序软件就能满足控制要求同时，PLC相对于 RLC 具有可靠性高、抗干扰能力强、性能价格比高、硬件配套齐全，适应性强、用户使用方便等优势。因此，随着近年来数控技术、电子技术、计算机技术等的发展，在三面铣组合机床的控制系统中用 PIE 代替传统的 RLC 是必然的趋势。 三、具体设计3.1 控制系统的设计 3.11 PLC 的选取 由于 PLC 的品种、型号、规格、功能各不相同，综合多种因素考虑，本控制系统的主控设备选用西门子公司的 s7200 系列小型可编程序控制器。s7200 型是一个小型模块化的 PIE 系
8、统，它能满足中等性能要求的应用，具有功能完善、结构紧凑、使用方便、易于掌握、性价比高等特点。并且具有多种功能模块和人机界面可供选择 ，可以很容易地组成 PLC 网络，它同时具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，非常适用于本系统 。 3.2 硬件设计3.2.1 系统主电路的设计控制系统的主电路主要由刀开关 、熔断器、接触器的主 触点、热继电器的热元件和电动机构成。对于三面铣组合机床来说，机床上有四台电动机：液压泵电动机 M1(对整个系统提供油液)、左刀具电动机 M2、右刀具电动机 M3、后刀具电动机 M4(对工件进行钻孔加工)。各电动机的控制如下：液压泵电动机
9、 Ml 由接触器 KM1 控制左动力头电动机 M2 由接触器 KM2 控制；右动力头电动机 M3 由接触器 KM3 控制 ；后动力头电动机 M4 由接触器 KM4 控制。四台电动机功率不是很大，启动电流不大，无须采用降 压启动，同时也无正反转要求，均为直接起动，单向旋转。 图 1 为三面钻组合机床控制系统的主电路图。 3.2.2 系统控制回路的设计PLC 控制系统中的控制回路，是指由继电器、接触器等低压电器构成的强电控制回路。在常见的控制系统中，控制回路一般有 AC220V 与 DC24V 两种 。具体设计步骤如下：a)控制系统的 IO 点数的确定对三面钻组合机床的要求进行分析，可以确定的输入
10、/输出量有：液压泵启动停止按钮、系统启动按钮、工件夹紧/放松按钮、工作台前进后退点动按钮、滑台前进后退点动按钮、动力头电机启动停止按钮 、急停按钮、手动自动选择开关、自动工作模式选择开关 、滑台选择开关 、工作台选择开关以及各执行元件的位置检测行程开关等输入量。四个电机的接触器线圈、工作台前进后退电磁阀、夹具夹紧电磁阀、左右后滑台的快进工进快退电磁阀、指示灯等输出量。 M11213 M1 23 4 4FR1 FR2 FR3 FR4Km1 Km2 Km3 Km4Fr1 Fr2 Fr3 Fr4具体分配如表 1 所示。表 1 三面铣组合机床部分 I/O 定义表液压泵启动按钮 SB1 1 四电动机接触
11、 器线圈 KMIKM4液压泵停止按钮 SB2 2 工作台前进电磁 阀 YA1 系统启。动按钮 SB3 3 工作台后退电磁 阀 YA2 液压夹具夹紧按钮 SB4 4 夹具夹紧电磁阀 YA3 液压 夹具松开按钮 SB5 5 左滑 台快进电磁阀 YA6 主轴电机启动按钮 SB6 6 左滑台工进电磁阀 YA5 7 主轴电机停止按钮 SB7 7 左滑台快退电磁阀 YA6 8 工作台前进点动按钮 SB8 8 右滑台快进电磁阀 YA7 9 工作台后退点动按钮 SB9 9 右滑 台工进电磁阀 YA8 10 滑台前进点动按钮 SB10 10 右滑 台后退电磁阀 YA9 b)中央处理单元和扩展单元扩展单元EM21
12、116 点 DC 输入 扩展单元EM2238DC 输入 8 继电器输出扩展单元EM2234DC 输入4DC 输出主机单元CPU224DC/AC 继电器图 2 PLC 系统配置从上表的分析可以知道 ，系统共有开关量输入点 38 个 ，开关输出点 19 个 ；无模拟量 的输入和输 出点 ，因此可以选择 CPU224 PLC 作为主机单元。参照西门子 s7200 产品目录及市场实际价格 ，选用主机为 CPU224(14 输人10 输出 )一台，加上一台纯输入模块 EM221(16DC 输入)，一台混合扩展模块 EM223(8DC 输入8 继电器输出)和一台混合扩展模块 EM223(4DC 输入 4D
13、C 输出)。这样的配置是最经济的。整个 PLC 系统的配置如图 2 所示。 c)确定 PLC 输入输出PLC 输入输出回路设计非常简单 ，只是按照系统的要求与模块的 IO 情况 ，对各模块的 IO 点进行功能分配与相对均匀的分配而已，这些分配不仅需要考虑 PLC 的负载均匀 ，而且 同时要求考虑 PLC 程序设计方面的需要因此 ，在三面钻组合机床 I O 点的确定以及 PLC 选型完成后 ，便可以分配 IO 点，然后确定出 PLc 输入输 出回路 O 点分配情况如表 2 和 3 所示。 其中，选择开关 SA2 打到 130 时为同时工作模式，打到 I31 为选择工作模式，都断开时表示为顺序工作
14、模式。选择开关 SA3 都断开时表示滑台全选，SA4 都断开时表示主轴 电机全选。这样 的选择有利于节省点数。 表 2 部分输入点分配 SBI 液压泵启动 l00 SA4 主轴电机选择( 右) I4SB2 液压泵停止 101 SA4 主轴电机选择(后) I4SB3 系统启动 102 SQl 左快进结束行程开关 I3SB4 夹具夹紧 104 SQ2 左工进结束行程开关 I3SB5 夹具松开 105 s93 左原位行程开关 13SB6 主轴电机启动 106 SQ4 右快进结束行程开关 I2SB7 主轴电机停止 IO7 SQ5 右工进结束行程开关 I2SB8 工作台前进点动 I10 SQ6 右原位行
15、程开关 12SB9 工作台后退点动 l11 SQ7 后快进结束行程开关 I2SB10 滑台前进点动 II2 sQ8 后工进结束行程开关 I2 表 3 输出点分配 KM1 液压泵电机 Qo0 YA7 右滑台快进电磁阀 Q2KM2 左主轴电机 Q01 YA8 右滑台工进电磁阀 Q2KM3 右主轴电机 Q02 YA9 右滑台快退电磁阀 Q2KM4 后主轴电机 Q03 YA10 后滑台快进电磁阀 Q2YAI 工作台前进电磁阀 QO4 YA11 后滑台工进电磁阀 Q2 YA2 工作台后退电磁阀 Qo5 YA12 后滑台快退电磁阀 Q2 YA3 液压夹具电磁阀 Qo6 HL1 系统压力正常指示灯 Q2YA
16、4 左滑台快进电磁阀 QO7 H 夹紧压力正常指示灯 Q2 YA5 左滑台工进 电磁 阀 Q10 HL3 报警指示灯 Q3YA6 左滑台快退电磁阀 Q11 在分配好 IO 点后，便可以连接 PLC 输入输出回路。3.3 软件设计 三面铣组合机床的控制是比较复杂的，要满足多位置 、多控制的要求。但是其运行还是有规律可循的，它总是按照一定的程序性 ，重复地进行动作 ，循环过程为 ：夹紧一工作台前进一滑台快进一工进一滑台快退一工作台后退一放松。 由三面铣组合机床的控制要求可知 ，该控制系统需要实现 3 个控制功能 ： 执行元件的点动 、复位控制 ； 动力滑台的单机自动循环控制； 整机全自动工作循环控
17、制。 由此可首先设计出该组合机床的顺序功能图，再由顺序功能图最终设计出符合要求的控制梯形图。分析三面铣组合机床的加工过程，可知系统的工作条件是在液压泵启动且系统压力达到指定值后，执行元件才能工作， 这就相当于整个系统的启停控制 ，而设备有 “自动手动”两种工作方式 ，其控制程序由系统主程序、“自动”控制程序、“ 手动”控制程序三个模块组成。各模块 程序分开编写，结构简单，层次清楚，便于调试和修改 。下面就以系统主程序为例 ，说明程序的设计 。 18 LD TO 19 SET LD TO 20 STL S21 21 OUT Y00022 OUT Y00123 OUT TI D024 LD T12
18、5 sET S22 26 STL27 OUT YO01 28 OUT TO DO 29 LD TO 30 sET s23 31 sTL s2332 OUT Y001 33 OUT Y002 34 OUT T1 D1 35 LD T1 36 SET S2437 OUT Y002 38 LD T1 39 OUT TO D0 40 LD T041 SET $25 42 sTL s2543 OUT Y002 44 OUT Y00045 OUT T1 D0 46 LD T1 47 OUT SO 48 RET49 END程序图Comment 微微微微1: 梯形图从左到右的电器原件是：注：上图为梯形图。 从
19、左到右的电器原件一次为；M0.0 、 M0.1 Q0.0、 Q0.0 、 Q0.0 、 M4.3、 Q2.6、 M2.2、 M2.5 M2.7、 M3.4、 Q0.1、 Q0.2、 Q0.3 、 Q0.6 、 M7.0 M1.5、 SM0.1、 M1.5、 M1.4 、 EN 、 M1.5 、 M1.4 EN 、 M0.3、 Q3.0、 M4.5、 M4.6、 M4.7如图 3所示。当按下液压泵启动按钮 100 时，液压泵电机启动 ，系统压力逐渐升高，直到达到工作要求时，压力继电器 I43(ON)，指示灯 Q26 亮，当夹紧压力继电器 I44(ON)，指示灯 Q27 亮，当 4个电机过载时，指
20、示灯 Q3O 亮。系统主程序包含系统的起、停控制和指示灯等部分。 本程序经模拟调试 ，完全符合三面铣组合机床的电气控制要求，使用效果良好。在使用过程中，还可以根据不同的控制要求，在不改动接线或改动很少的情况下，通过改变程序来实现不同要求 ，大大节省了安装调试时间，提高了效率。 四、 课程设计心得体会步进电动机用 PLC控制通电脉冲，硬件接线简单 ，程序编制也很容易。如要实现步进电动机的反转只要改变电动机的通电顺序即可采用 PLC直接控制步进 电机技，减少了系统设计的工作量，大大缩短了开发研制周期定范围内，有较高的推广和实用价值。本文在对三面铣组合机床控制系统现状分析的基础上 ，提出了一种基于西
21、门子公司 S7200 系 Nd,型可编程序控制器作为主控设备的控制系统，并完成了硬件设计和软件设计。经模拟调试 ，完全满足相关控制要求，同原有控制系统相比具有稳定性高 、适应性强 、成本低等优点。为组合机床控制系统智能化、知识化、小型化的发展提供 了有利的参考。 五、 文献参考 1 王永华现代电气控制技术及 PLC 应用技术北京：北京航空航天大学出版社，2003 9 2 西门子技术服务中心用户手册(上、下)成都：四川省机械 设计研 究院，2000 3 许廖电气控制与 PLC 应用M北京：机械工业出版社，2005124 贾德胜PLC 应用开发实用子程序M北京：人民邮电出版社邓星钟主编 机电传动控制 M武汉：华中科技大学出版社，廖常初可编程序控制器应用技术M重庆：重庆大学出版社，赵红顺，朱长卿，李华步进电动机的PLc 控制J机床电器，晋小莉，王立莹PLc 直接控制步进电机系统J小型内燃机与
