某组合机床的电气控制系统设计

电气控制与PLC课程设计说明书题目：某组合机床的电气控制系统设计专业班级：自动1206姓名：陈文浩学号：201223911127指导教师：任胜杰成绩：指导老师签名：日期：目录1系统概述.........................................................32方案论证.........................................................43硬件设计.........................................................73.1系统的原理方框图............................................73.2主电路.....................................................73.3I/O分配...................................................103.3I/O接线图.................................................123.4元器件选型.................................................124软件设计........................................................154.1主流程.....................................................154.2梯形图.....................................................175系统调试.........................................................18设计心得...........................................................19参考文献...........................................................20附电气控制原理图...................................................211系统概述组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定形状和加工工艺设计的专用部件和夹具，组成的半自动或自动专用机床。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。随着PLC控制技术日益成熟并得到越来越广泛的应用，利用原有的继电器—接触器控制电路设计PLC控制系统，或直接进行PLC控制系统的设计，都能很好地满足组合机床自动化控制的要求。本次设计的要求如下：1#2#SQ1SQ2SQ3SQ4SQ6SQ5M4M3M2M1图1.1如图所示为某一组合机床的示意图，左面为1#箱体移动式动力头。主轴电机M1为5.5KW、1440转/分钟，1#箱体的进给电机为M3为1.5KW、1450转/分钟，工进与快进采用电磁铁YV1（DC24V，10W）进行切换；右面为2#箱体移动式动力头。主轴电机M2为5.5KW、1440转/分钟，2#箱体的工作进给电机为M4，为1.5KW、1450转/分钟，工进与快进采用电磁铁YV2（DC24V，10W）进行切换。SQ1为左动力头的原位限位，SQ3为左动力头的快进限位，SQ5为左动力头的工进限位，SQ2为右动力头的原位限位，SQ4为右动力头的快进限位，SQ6为右动力头的工进限位，具体要求如下：1.左、右两动力头均要求快进→工进→快退的工作循环。2.可使左、右两动力头同时工作，也可进行单独调整。3.加工过程中需要进行冷却。4.应有电源有信号指示，动力头正在工作信号指示。5.应有局部照明必要的保护环节。2方案论证组合机床的电气控制,理论上讲,可以采用继电器接触器电气控制系统，单片机控制系统和PLC控制系统来实现。但是在实际工程中往往选择一种经济、有效、性能优越的控制方案，考虑到上述几点，PLC较适合组合机床的电气控制。PLC与单片机、继电器-接触器控制系统相比具有以下优点：1．PLC与继电器-接触器相比较：继电器-接触器控制系统自上世纪二十年代问世以来，一直是机电控制的主流。由于它的结构简单、使用方便、价格低廉，所以使用广泛。它的缺点是动作速度慢，可靠性差，采用微电脑技术的可编程顺序控制器的出现，使得继电接触式控制系统更加逊色。PLC等取代继电接触式控制逻辑。具体如下：(1)控制逻辑继电接触式控制系统采用硬接线逻辑，它利用继电器等的触点串联、并联、串并联，利用时间继电器的延时动作等组合或控制逻辑，连线复杂、体积大、功耗也大。当一个电气控制系统研制完后，要想再做修改都要随着现场接线的改动而改动。特别是想要能够增加一些逻辑时就更加困难了，这都是硬接线的缘故。所以，继电接触式控制系统的灵活性和扩展性较差。可编程控制器采用存储逻辑。它除了输入端和输出端要与现场连线以外，而控制逻辑是以程序的方式存储在PLC的内存当中。若控制逻辑复杂时，则程序会长一些，输入输出的连线并不多。若需要对控制逻辑进行修改时，只要修改程序就行了，而输入输出的连接线改动不多，并且也容易改动，因此，PLC的灵活性和扩展性强。而且PLC是由中大规模集成电路组装成的，因此，功耗小，体积小。(2)控制速度继电器接触式控制系统的控制逻辑是依靠触点的动作来实现的，工作频率低。触点的开闭动作一般是几十毫秒数量级。而且使用的继电器越多，反映的速度越慢，还是容易出现触点抖动和触点拉弧问题。而可编程控制器是由程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度相当快。通常，一条用户指令的执行时间在微秒数量级。由于PLC内部有严格的同步，不会出现抖动问题，更不会出现触点拉弧问题。(3)定时控制和计数控制：继电接触式控制系统利用时间继电器的延时动作来进行定时控制。用时间继电器实现定时控制会出现定时的精度不高，定时时间易受环境的湿度和温度变化而影响。有些特殊的时间继电器结构复杂，维护不方便。而可编程程序控制器使用半导体集成电路作为定时器，时基脉冲由晶体震荡器产生，精度相当高并且定时时间长，定时范围广。(4)可靠性和维护性。继电接触式控制系统使用了大量的机械触点，连线也多。触点在开闭时会受到电弧的损坏，寿命短。因而可靠性和维护性差。PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，可靠性高。PLC还配备了自检和监控功能，能自诊断出自身的故障，并随时显示给操作人员，还能动态的监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。总之，PLC在性能上均优越于继电接触式控制系统，特别是控制速度快，可靠性高，设计施工周期短，调试方便，控制逻辑修改方便，而且体积小，功耗低。2．PLC与单片机比较单片机具有结构简单，使用方便，价格比较便宜等优点，一般用于数据采集和工业控制。但是，单片机不是专门针对工业现场的自动化控制而设计的，所以它与PLC比较起来有以下缺点：(1)单片机不如PLC容易掌握使用单片机来实现自动控制，一般要使用微处理器的汇编语言编程。这就要求设计人员要有一定的计算机硬件和软件知识。对于那些只熟悉机电控制的技术人员来说，需要进行相当长一段时间系统地学习单片机的知识才能掌握。而PLC采用了面向操作者的语言编程，如梯形图、状态转移图等，对于使用者来说，无需了解复杂的计算机知识，而只要用较短时间去熟悉PLC的简单指令系统及操作方法，就可以使用和编程。(2)单片机不如PLC使用简单使用单片机来实现自动控制，一般要在输入输出接口上做大量的工作。例如，要考虑工程现场与单片机的连接，输出带负载能力、接口的扩展，接口的工作方式等。除了要进行控制程序的设计，还要在单片机的外围进行很多硬件和软件工作，才能与控制现场连接起来，调试也较繁琐。而PLC的输入/输出接口已经做好，输入接口可以与无外接电源的开关直接连接，非常方便。输出接口具有一定的驱动负载能力，能适应一般的控制要求。而且，在输入接口、输出接口，由光电耦合器件，使现场的干扰信号不容易进入PLC。(3)单片机不如PLC可靠使用单片机进行工业控制，突出的问题就是抗干扰性能较差。而PLC是专门用于工程现场环境中的自动控制，在设计和制造过程中采取了抗干扰性措施，稳定性和可靠性较高。通过上面的比较，针对组合机床的电气控制系统，虽然PLC的价格高一些，但良好的稳定性和高度的可靠性可确保机床在加工零件时的精度，所以决定采用PLC控制系统来实现。3硬件设计3.1系统的原理方框图PLC进给电机主轴电机照明电路冷却电路图3-1系统框图3.2主电路根据设计要求，主电路大致分为三个部分。首先看第一部分，主轴电机。主轴电机工作方式有两种：正转、反转。根据不同的工作要求，主轴电机的转向不同。因主轴电机的功率较小，故可以直接启动。其主电路图如下3-2所示：M1M2FR1FR2KM1KM2FU1FU2图3-2主轴电机当KM1、KM2的线圈得电吸合分别使电机M1、M2正转；当KM9、KM10的线圈得电吸合分别是电机M1、M2反转。通过PLC的输出就可以使不同的接触器线圈得电，从而使电机的转向不同。其次看第二部分，快速电机和进给电机。根据设计要求知左、右两动力头均要求快进→工进→快退的工作循环，并且左、右两动力头可以同时工作，也可进行单独调整。所以就要求快速电机M5、M6能够正反转，工作进给电机为M3、M4能够正转即可。其主电路如下图3-3所示。M3KM3FU3M4KM4FU4YV1YV2图3-3快速电机和进给电机因为这4个功率都较小，所以可以直接启动。M3、M4只要接触器KM3、KM4的线圈得电就会吸合，就能正转；M5、M6分别当接触器KM5、KM6线圈得电时正转，当接触器KM7、KM8分别得电就反转。最后看第三部分，照明电路和信号指示部分。当机床工作时，为了警告旁人不要误动作，故要有信号指示说明，告诉别人正在进行工作，不要误动作。信号指示也能显示机床是否是在正常工作、有无问题。有时候需要晚上工作，所以需要必要的照明。图3-4指示信号灯如图3-4，其指示着组合机床的工作状态，指示灯分别与与之对应的接触器的常开触点连接，当接触器的线圈得电，其常开触点闭合，通过6.3V电压使之亮。KM1、KM9分别是控制M1的正反转的接触器；KM2、KM10分别是控制M2的正反转的接触器；KM3、KM4分别是控制左右工进电机正转的接触器；KM5、KM7，KM6、KM8分别是左右快进快退电机。这样就可以把所有的电机的状态显示出来。照明灯如下图3-5所示。SAAC36V图3-5照明灯3.3I/O分配因采用PLC控制，需分配其I/O点，它决定着系统如何工作。输入地址号信号名称输出地址号信号名称X0左动力头正转启动按钮Y0M1主轴正转（KM1）X1左动力头反转启动按钮Y1M1主轴反转（KM9）X2左动力头停车按钮Y2M3工进正转（KM3）X3左动力头冷却泵启动Y3YV1快进（YV1）X4左动力头快进限位Y4YV2快退（YV2）X5左动力头工进限位Y5左冷却泵（KM11）X6左动力头原位限位Y6M2主轴正转（KM2）X7左动力头快进按钮Y7M2主轴反转（KM10）X10左动力头快退按钮Y10M4工进正转（KM4）X11右动力头正转启动按钮Y11M6快进（KM6）X12右动力头反转启动