雙面鉆孔組合機(jī)床控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

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雙面鉆孔組合機(jī)床控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì) 目 錄摘要1關(guān)鍵詞1Abstract1Key words1引言 21雙面鉆孔組合機(jī)床的總體分析31.1機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)部件31.2雙面鉆孔組合機(jī)床工作過(guò)程31.3 液壓元件的選擇41.3.1液壓閥及過(guò)濾器的選擇41.3.2 油管的選擇5 1.4雙面鉆孔組合機(jī)床液壓系統(tǒng)控制分析5 2雙面鉆孔組合機(jī)床的控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)62.1雙面鉆孔組合機(jī)床主電路設(shè)計(jì)62.2雙面鉆孔組合機(jī)床總控制過(guò)程72.3 PLC控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)介82.3.1 PLC的定義及組成82.3.2 PLC的工作方式與運(yùn)行框圖93 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)113.1 PLC的選型113.2 PLC I/O分配和接線114 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)134.1 PLC的編程方式134.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路144.3 PLC控制程序設(shè)計(jì)及順序功能圖15總結(jié)17參考文獻(xiàn)18致謝19雙面鉆孔組合機(jī)床控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)摘要：新型組合鉆床，屬于機(jī)械加工用鉆床。它由工作臺(tái)、安裝在工作臺(tái)兩端及一側(cè)的導(dǎo)軌，導(dǎo)軌與工作臺(tái)的邊緣平行，鉆架通過(guò)吊鐵和鎖緊螺釘安裝在導(dǎo)軌上；導(dǎo)軌上設(shè)有燕尾，鉆架可在導(dǎo)軌上水平移動(dòng)；鉆架包括溜板、溜板上裝有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，溜板底面上設(shè)有與導(dǎo)軌上的燕尾相配合的燕尾槽，機(jī)械滑臺(tái)上裝有主支撐架，主支撐架上裝有縱向機(jī)械滑臺(tái)及控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)連接一控制活動(dòng)按鈕站，縱向機(jī)械滑臺(tái)上裝有附屬支撐架，附屬支撐架上通過(guò)機(jī)械滑臺(tái)裝有水平方向的鉆削動(dòng)力頭。它解決了現(xiàn)有的鉆床加工大型零部件特別是回轉(zhuǎn)體直徑較大時(shí)操作不方便、加工困難等技術(shù)問(wèn)題。關(guān)鍵詞：PLC；雙面鉆孔；組合機(jī)床；控制系統(tǒng)Analysis and Design of Double Hole Modular Machine Tool Control SystemAbstract：The new combination drilling machine, belongs to the mechanical processing with the drilling machine. It consists of the workbench, installed on both ends of the workbench, and one side of the guide rail, rail is parallel to the edge of the table, the drill stand by hanging and lock screw is installed on the guide rail; Equipped with dovetail guideway, drill stand can move on the guide rail level; Drill stand including actuator mounted on the slip board, slip board, sliding board on the bottom has to match the dovetail on the guide rail of the dovetail groove, mechanical sliding table is equipped with the support frame, the main supporting frame is equipped with longitudinal mechanical sliding table and control system, control system to connect a control activity button station, longitudinal mechanical sliding table is equipped with auxiliary support leg, auxiliary supporting frame through mechanical sliding table equipped with horizontal drilling power head. It solves the existing special drilling machine.Key words: PLC; Double-sided drilling; Combination machine tools; Control system摘要：以雙面鉆孔組合控制機(jī)床為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)主要結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式的探究以及對(duì)機(jī)床的工作過(guò)程和控制要求分析，給出了機(jī)床動(dòng)作循環(huán)圖、液壓元件動(dòng)作表。并采用PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法, 進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì),根據(jù)雙面鉆孔組合機(jī)床的電氣控制要求，本文設(shè)計(jì)了以PLC為核心的主控制系統(tǒng)，系統(tǒng)闡述了控制系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程，并編寫(xiě)出PLC控制程序的梯形圖和指令表,通過(guò)上位計(jì)算機(jī)可對(duì)機(jī)床的現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控和對(duì)工作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而使系統(tǒng)工作達(dá)到最佳狀態(tài)。有效解決了傳統(tǒng)組合機(jī)床生產(chǎn)過(guò)程中故障率高，操作復(fù)雜以及維護(hù)困難等問(wèn)題。使整個(gè)控制系統(tǒng)的操作變得簡(jiǎn)單、方便，大大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和實(shí)用性。引言最早的組合機(jī)床是1911年在美國(guó)制成的，用于加工汽車零件。初期，各機(jī)床制造廠都有各自的通用部件標(biāo)準(zhǔn)。為了提高不同制造廠的通用部件的互換性，便于用戶使用和維修，1953年美國(guó)福特汽車公司和通用汽車公司與美國(guó)機(jī)床制造廠協(xié)商，確定了組合機(jī)床通用部件標(biāo)準(zhǔn)化的原則，即嚴(yán)格規(guī)定各部件間的聯(lián)系尺寸，但對(duì)部件結(jié)構(gòu)未作規(guī)定。在我國(guó)，組合機(jī)床的科研和生產(chǎn)都具有相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)，應(yīng)用也已深入到很多行業(yè)。是當(dāng)前機(jī)械制造業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品更新，進(jìn)行技術(shù)改造，提高生產(chǎn)效率和高速發(fā)展必不可少的設(shè)備之一。組合機(jī)床未來(lái)的發(fā)展將更多的采用調(diào)速電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠等傳動(dòng)，以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、縮短生產(chǎn)節(jié)拍；采用數(shù)字控制系統(tǒng)和主軸箱、夾具自動(dòng)更換系統(tǒng)，以提高工藝可調(diào)性；以及納入柔性制造系統(tǒng)等。工業(yè)生產(chǎn)對(duì)電器控制設(shè)備的可靠行的要求非常高，需具有很強(qiáng)的抗干擾能力強(qiáng)，能在很惡劣的環(huán)境下（如溫度高、濕度大、金屬粉塵多、距離高壓設(shè)備近、有較強(qiáng)的高頻電磁干擾等）長(zhǎng)期連續(xù)可靠地工作，平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)長(zhǎng)，故障修復(fù)時(shí)間短。能適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境。可以說(shuō)，沒(méi)有任何一種工業(yè)控制設(shè)備能夠達(dá)到可編程控制器的可靠性。在PLC的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，采取了精選元器件及多層次抗干擾等措施，使PLC的平均無(wú)故障時(shí)間MTBF通常在10萬(wàn)小時(shí)以上，有些PLC的平均無(wú)故障時(shí)間可以達(dá)到幾十萬(wàn)小時(shí)以上，如三菱公司的F1，F(xiàn)2系列的MTBF可達(dá)到30萬(wàn)小時(shí)，有些高檔的MTBF還要高得多，絕這是其他電氣設(shè)備根本做不到的。本課題介紹了一種全新的自動(dòng)化控制理念，由雙面鉆孔機(jī)床自動(dòng)控制的實(shí)際條件出發(fā)，利用PLC對(duì)雙面鉆孔組合機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)經(jīng)行了改造設(shè)計(jì)。機(jī)床對(duì)面布置兩個(gè)液壓動(dòng)力滑臺(tái)，兩邊的滑臺(tái)上分別固定著左、右刀具電動(dòng)機(jī)，工件定位夾緊裝置裝在中間底座上。雙面鉆孔組合機(jī)床是一種高效自動(dòng)化的裝用加工設(shè)備，它可以用來(lái)在工件兩相對(duì)表面上鉆孔，并取得了良好效果。組合機(jī)床的控制系統(tǒng)大多采用機(jī)械、液壓、氣動(dòng)和電氣控制相結(jié)合的控制方式。組合機(jī)床的控制線路的總體設(shè)計(jì)是由通用部件的典型控制線路和一些基本的環(huán)節(jié)組成。 雙面鉆孔組合機(jī)床是針對(duì)在工件兩相對(duì)表面進(jìn)行鉆孔加工而設(shè)計(jì)的一種高效自動(dòng)化專用加工設(shè)備,其主要結(jié)構(gòu)為：左、右兩個(gè)動(dòng)力滑臺(tái)對(duì)稱布置，安裝在標(biāo)準(zhǔn)側(cè)底座上。左、右刀具電動(dòng)機(jī)分別固定在左、右滑臺(tái)上，中間底座上裝有工件定位、工件夾緊裝置。該雙面鉆孔組合機(jī)床采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)方式，其控制過(guò)程是典型的順序循環(huán)控制。1 雙面鉆孔組合機(jī)床的總體分析組合機(jī)床是一種專用高效自動(dòng)化技術(shù)裝備，目前它仍是大批量機(jī)械產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的關(guān)鍵裝備。顯然，在大批量生產(chǎn)的機(jī)械工業(yè)部門(mén)，大量采用的設(shè)備是組合機(jī)床和自動(dòng)線。因此，組合機(jī)床及自動(dòng)化的技術(shù)性能和綜合自動(dòng)化水平，在很大程度上決定了這些工業(yè)部門(mén)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)生產(chǎn)組織的結(jié)構(gòu)，也在很大程度上決定了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力和企業(yè)的發(fā)展前景1。1.1 機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)部件 機(jī)床主要由底座、床身、主軸箱及鉆頭、工件定位及夾緊裝置、動(dòng)力滑臺(tái)、工作臺(tái)、油缸、多種液壓閥等組成。床身的兩邊各安裝左、右高速鋼椎柄麻花鉆頭，可以同時(shí)對(duì)定位于中間工件進(jìn)行雙面加工。兩個(gè)動(dòng)力滑臺(tái)對(duì)面布置并安裝在標(biāo)準(zhǔn)側(cè)底座上，刀具電動(dòng)機(jī)M2、M3分別固定在左、右動(dòng)力滑臺(tái)上，中間底座上裝有工件定位夾緊裝置2。機(jī)床主要結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1-1所示。圖1-1 雙面鉆孔組合機(jī)床主結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1.側(cè)底刀；2.刀具電動(dòng)機(jī)；3工件定位夾緊裝置；4.主軸箱及鉆頭； 5.動(dòng)力滑臺(tái)；1.2 雙面鉆孔組合機(jī)床工作過(guò)程 機(jī)床的電氣控制要求：液壓泵電動(dòng)機(jī)先啟動(dòng)，系統(tǒng)正常供油后，其它控制電路通電工作；左、右刀具電動(dòng)機(jī)在滑臺(tái)進(jìn)給循環(huán)開(kāi)始時(shí)啟動(dòng)，滑臺(tái)退回到原來(lái)位置后停機(jī)。冷卻泵電動(dòng)機(jī)可手動(dòng)控制啟停，也可在左、右滑臺(tái)工作時(shí)，進(jìn)給自動(dòng)提供油液。其控制過(guò)程是典型的順序控制，所以當(dāng)把工件裝入夾緊裝置后，按下啟動(dòng)按鈕SB3，機(jī)床便開(kāi)始進(jìn)行自動(dòng)循環(huán)的過(guò)程，其循環(huán)過(guò)程如圖1-2所示。圖1-2 機(jī)床動(dòng)力頭工作循環(huán)示意圖1.3 液壓元件的選擇1.3.1 液壓閥及過(guò)濾器的選擇 根據(jù)液壓閥在系統(tǒng)中的最高工作壓力與通過(guò)該閥的最大流量，可選出這些元件的型號(hào)及規(guī)格。本例所有閥的額定壓力都為56310Pa，額定流量根據(jù)各閥通過(guò)的流量，確定為10L/min，25L/min和63L/min三種規(guī)格，所有元件的規(guī)格型號(hào)列于表1-1中，過(guò)濾器按液壓泵額定流量的兩倍選取吸油用線隙式過(guò)濾器。表1-1液壓元件明細(xì)表序號(hào)元件名稱最大通過(guò)流量/L。min-1型號(hào)1雙聯(lián)葉片泵22.5YB-A26B2單向閥12I-25B3三位五通電磁閥3235D-63BY4二位二通電磁閥3222D-63BH5調(diào)速閥0.32Q-10B6壓力繼電器-DP-63B7單向閥16I-25B8液控順序閥0.16XY-25B9背壓閥0.16B-10B10液控順序閥（卸載用）16XY-25B11單向閥12I-25B12溢流閥4Y-10B13過(guò)濾器45XU-BU2*10014壓力表開(kāi)關(guān)-K-6B15減壓閥20J-63B16單向閥2024D-40B17而維思通電磁閥20XI-63B18單向順序閥-DP-63B19壓力繼電器-DP-63B20壓力繼電器-1.3.2 油管的選擇 根據(jù)選定的液壓閥的連接油口尺寸確定管道尺寸。液壓缸的進(jìn)、出油管按輸入、排出的最大流量來(lái)計(jì)算。由于本系統(tǒng)液壓缸差動(dòng)連接快進(jìn)快退時(shí)，油管內(nèi)通油量最大，其實(shí)際流量為泵的額定流量的兩倍達(dá)45L/min，則液壓缸進(jìn)、出油管直徑d按產(chǎn)品樣本，選用內(nèi)徑為10mm，外徑為18mm的冷拔鋼管。1.4 雙面鉆孔組合機(jī)床液壓系統(tǒng)控制分析 機(jī)床動(dòng)力滑臺(tái)和工件定位、夾緊裝置由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。定位裝置和夾緊裝置用液壓系統(tǒng)控制，傳感器傳遞信號(hào)完成工件的定位和夾緊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工。鉆孔滑臺(tái)的前進(jìn)后退和鉆孔動(dòng)力頭的動(dòng)作用由PLC控制，行程開(kāi)關(guān)傳出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)鉆孔加工量的調(diào)整和鉆孔加工。電磁閥線圈YV9和YV10控制定位銷液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)方向；YV1和YV2控制夾緊裝置液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)方向；YV3、YV4和YV7為左機(jī)滑臺(tái)油路中電磁閥換向線圈；YV5、YV6和YV8為右機(jī)滑臺(tái)油路中電磁閥換向線圈，電磁閥動(dòng)作狀態(tài)見(jiàn)表1-2。表1-2 電磁閥動(dòng)作狀態(tài)表序號(hào)動(dòng)作名稱定位夾緊左機(jī)右機(jī)卸荷左電機(jī)右電機(jī)液壓泵切削液電機(jī)YV9YV10YV1YV2YV3YV4YV7YV5YV6YV8YV11M1M2M3M41啟動(dòng)-+-+-2工件定位+-+-3工件夾緊+-+-+-4快進(jìn)+-+-+-+-+-+-5工進(jìn)+-+-+-+-+6快退+-+-+-+-+-7松開(kāi)夾緊+-+-+-8拔銷-+-+-9緊急停止-從表1-2中可以看出，電磁閥YV9線圈通電時(shí)，機(jī)床工件定位裝置將工件定位；當(dāng)電磁閥YV1通電時(shí)，機(jī)床工件夾緊裝置將工件夾緊；當(dāng)電磁閥YV1、YV3通電時(shí)，左機(jī)滑臺(tái)快速移動(dòng)；當(dāng)電磁閥YV1、YV5通電時(shí)，右機(jī)滑臺(tái)快速移動(dòng)；當(dāng)電磁閥YV1、YV7或YV1、YV8通電時(shí)，左機(jī)滑臺(tái)或右機(jī)滑臺(tái)工進(jìn)；當(dāng)電磁閥YV1、YV4或YV1、YV6通電時(shí)，左機(jī)滑臺(tái)或右機(jī)滑臺(tái)快速后退；當(dāng)電磁閥YV2通電時(shí)，松開(kāi)定位銷；當(dāng)電磁閥YV10通電時(shí)，機(jī)床撥開(kāi)定位銷；定位銷松開(kāi)后，撞擊行程開(kāi)關(guān)SQ1，機(jī)床停止運(yùn)行3。液壓控制程序系統(tǒng)及各工步轉(zhuǎn)換主令、電磁閥線圈通電狀態(tài)如圖1-3所示。 圖1-3 液壓系統(tǒng)原理圖1液壓泵；2溢流閥；3電磁閥；4減壓閥；5過(guò)濾器；6換向閥；7調(diào)速閥；8單向閥；9定位液壓缸；10溢流閥；11壓力繼電器；12換向閥；13節(jié)流閥；14單向閥；15夾緊液壓缸；16節(jié)流閥；17換向閥；18換向閥；19液壓缸；20液壓缸；21換向閥；22節(jié)流閥；23換向閥；雙面鉆孔組合機(jī)床左、右機(jī)液壓滑臺(tái)控制要求完全相同，都是完成“快進(jìn)工進(jìn)快退停止”循環(huán)過(guò)程，可采用順序程序設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)。2 雙面鉆孔組合機(jī)床控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1 雙面鉆孔組合機(jī)床主電路設(shè)計(jì) 本機(jī)床采用四臺(tái)電動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)方式，其中電動(dòng)機(jī)M2，M3分別帶動(dòng)左、右主軸箱的刀具主軸提供切削運(yùn)動(dòng)，而左、右動(dòng)力滑臺(tái)和工件定位夾緊裝置則由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，M1為液壓泵的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，M4為冷卻泵電動(dòng)機(jī)。 生產(chǎn)實(shí)踐中很多機(jī)械（如龍門(mén)刨床、導(dǎo)軌磨床等）的工作臺(tái)需要往復(fù)運(yùn)動(dòng)，利用行程開(kāi)關(guān)可實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制。雙面鉆孔組合機(jī)床的左，右鉆頭的旋轉(zhuǎn)，分別由交流電機(jī)帶動(dòng)，而左右滑臺(tái)的移動(dòng)由液壓缸通過(guò)電磁閥實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，控制主電路如圖2-1所示。液壓泵電動(dòng)機(jī) 左刀電機(jī) 右刀電機(jī) 切削液電機(jī) M1 3 M1 3 M3 3 M4 3L1L2L3QSFU1FU2FU3FU4KM1KM2KM3KM4FR1FR2FR3FR4圖2-1 雙面鉆孔組合機(jī)床主電路原理圖2.2 雙面鉆孔組合機(jī)床總控制過(guò)程 （1）系統(tǒng)啟動(dòng)：按下系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕SB3接觸器KM1啟動(dòng)并自鎖液壓泵電動(dòng)機(jī)M1啟動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)。（2）液壓回路啟動(dòng)：按下液壓回路啟動(dòng)按鈕SB2啟動(dòng)液壓回路。（3）工件定位：當(dāng)啟動(dòng)液壓回路后由于KM1自鎖電磁鐵YV9得電，液壓缸工作實(shí)現(xiàn)工件定位。（4）工件的夾緊：當(dāng)工件定好位后遇到定位行程開(kāi)關(guān)SQ2接通電磁鐵YV1，液壓缸夾緊工件。工件夾緊后壓力繼電器KP閉合電磁鐵KM2、KM3通電左機(jī)刀具電動(dòng)機(jī)M2,右機(jī)刀具電動(dòng)機(jī)M3接通，電機(jī)工作。 KM2、KM3通電后自鎖使電磁鐵KM4得電切削液電動(dòng)機(jī)M4啟動(dòng)。（5）滑臺(tái)快進(jìn)：工件定位后接通中間繼電器KA3電磁鐵YV3得電左機(jī)滑臺(tái)液壓缸快進(jìn)或者KA6接通電磁鐵YV5得電右機(jī)滑臺(tái)液壓缸快進(jìn)。（6）滑臺(tái)工進(jìn)：當(dāng)快進(jìn)結(jié)束時(shí)碰到左機(jī)滑臺(tái)快進(jìn)結(jié)束行程開(kāi)關(guān)SQ3YV3失電，電磁閥YV7得電左機(jī)滑臺(tái)液壓缸工進(jìn)或者遇到SQ6右機(jī)滑臺(tái)快進(jìn)結(jié)束行程開(kāi)關(guān)YV5失電，電磁閥YV8得電右機(jī)滑臺(tái)工進(jìn)。（7）滑臺(tái)快退：當(dāng)工進(jìn)結(jié)束時(shí)遇到左機(jī)滑臺(tái)工進(jìn)結(jié)束行程開(kāi)關(guān)SQ4電磁鐵YV7失電，電磁鐵YV4得電左機(jī)滑臺(tái)液壓缸快退或者遇到右機(jī)滑臺(tái)工進(jìn)結(jié)束行程開(kāi)關(guān)SQ7電磁鐵 YV8YV8失電結(jié)束工進(jìn)，電磁鐵YV6得電右機(jī)滑臺(tái)快退。（8）松開(kāi)工件：當(dāng)左機(jī)滑臺(tái)快退結(jié)束遇到行程開(kāi)關(guān)SQ5和右機(jī)滑臺(tái)快退結(jié)束遇到行程開(kāi)關(guān)SQ8時(shí)電磁鐵YV4,YV6失電結(jié)束快退電磁鐵YV2得電液壓缸松開(kāi)工件。（9）拔定位銷：當(dāng)松開(kāi)工件后，同時(shí)回到原位遇到工件壓緊原位行程開(kāi)關(guān)SQ1電磁鐵YV10得電液壓缸拔出定位銷完成一次加工過(guò)程。（10）點(diǎn)動(dòng)按鈕：在加工過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)控制： SB5左刀具電動(dòng)機(jī)M2點(diǎn)動(dòng)按鈕； SB6右刀具電動(dòng)機(jī)M3點(diǎn)動(dòng)按鈕； SB7夾緊松開(kāi)點(diǎn)動(dòng)按鈕； SB8左機(jī)快進(jìn)點(diǎn)動(dòng)按鈕；SB9左機(jī)快退點(diǎn)動(dòng)按鈕； SB10右機(jī)快進(jìn)點(diǎn)動(dòng)按鈕；SB11右機(jī)快退點(diǎn)動(dòng)按鈕。綜上，雙面鉆孔組合機(jī)床的工作過(guò)程為，啟動(dòng)液壓泵電動(dòng)機(jī)M1,按下啟動(dòng)按鈕SB3，KM1自鎖接通KM1，液壓泵電動(dòng)機(jī)工作按下液壓回路啟動(dòng)按鈕SB2工件定位電磁閥YV9得電，工件定位碰上工件定位結(jié)束行程開(kāi)關(guān)SQ2工件夾緊電磁閥YV1得電，同時(shí)斷開(kāi)定位電磁閥YV10接觸器KA3、KA6通電并自鎖同時(shí)接通左機(jī)快進(jìn)電磁閥YV3和右機(jī)快進(jìn)電磁閥YV5，實(shí)現(xiàn)快進(jìn)碰上左機(jī)快進(jìn)結(jié)束行程開(kāi)關(guān)SQ3，斷開(kāi)YV3，工進(jìn)電磁閥YV7工作；同時(shí)遇到右機(jī)結(jié)束行程開(kāi)關(guān)SQ6，YV5失電，YV8工作，實(shí)現(xiàn)工進(jìn)碰到左機(jī)工進(jìn)結(jié)束行程開(kāi)關(guān)SQ4，右機(jī)工進(jìn)結(jié)束行程開(kāi)關(guān)SQ7，電磁閥YV7，YV8斷電，結(jié)束工進(jìn)過(guò)程KM7斷電，YV3失電，同時(shí)YV4、YV6通電，滑臺(tái)快退遇到SQ5，SQ8快退結(jié)束行程開(kāi)關(guān)，結(jié)束快退過(guò)程YV4、YV6失電，同時(shí)YV2得電松開(kāi)工件工件壓緊原位行程開(kāi)關(guān)SQ9，YV10得電并拔定位銷完成工作過(guò)程。2.3 PLC控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介2.3.1 PLC的定義及組成 PLC是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置，即可編程控制器（Programmable Logic Controller）。在1987年國(guó)際電工委員會(huì)頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì)PLC做了這樣的定義：一種基于數(shù)字運(yùn)算操作的、專為在工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的電子控制系統(tǒng)。PLC英文全稱Programmable Logic Controller，中文全稱為可編程邏輯控制器，它采用了存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)邏輯運(yùn)算、順序控制、計(jì)數(shù)、定時(shí)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)模擬或數(shù)字式I/O控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程4。PLC是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)。它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型機(jī)械的生產(chǎn)過(guò)程；而有關(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)系統(tǒng)連成一個(gè)整體，易于擴(kuò)散其功能的原則設(shè)計(jì)。PLC的發(fā)展經(jīng)歷了五個(gè)階段：初始階段、崛起階段、成熟階段、飛速發(fā)展階段、開(kāi)放性，標(biāo)準(zhǔn)化階段。PLC總的發(fā)展趨勢(shì)是向高集成度、小體積、大容量、高速度、易使用、高性能、信息化、軟PLC、標(biāo)準(zhǔn)化、與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)機(jī)密結(jié)合等方向發(fā)展。由于微處理器芯片及有關(guān)元件的價(jià)格大大降低使得PLC的成本下降；隨著計(jì)算機(jī)、芯片、軟件、控制等技術(shù)的飛速發(fā)展，也使得PLC的功能大大增強(qiáng)。它不僅能更好的完成原來(lái)得心應(yīng)手的順序邏輯控制任務(wù)，也能處理大量的模擬量，解決復(fù)雜的計(jì)算和通信連網(wǎng)問(wèn)題。在當(dāng)前最熱的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中，主站何從站幾乎都有PLC的身影，PLC的通信技術(shù)又往前發(fā)展了一大步。現(xiàn)在開(kāi)放式、標(biāo)準(zhǔn)化的PLC也已走向前臺(tái)，為適應(yīng)現(xiàn)在和未來(lái)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展要求做好了準(zhǔn)備5。PLC專為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，與計(jì)算機(jī)的組成十分相似。從硬件結(jié)構(gòu)看，它也有中央處理器（CPU）、電源、儲(chǔ)存器和專門(mén)設(shè)計(jì)的輸入/輸出接口電路等組成，PLC的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2所示。圖2-2 PLC結(jié)構(gòu)框圖2.3.2 PLC的工作方式與運(yùn)行框圖 PLC的工作原理類似于計(jì)算機(jī)工作原理，是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。即通過(guò)執(zhí)行用戶程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且在執(zhí)行過(guò)程中反映控制要求6。CPU是按分時(shí)操作方式來(lái)完成各項(xiàng)任務(wù)的，計(jì)算機(jī)在同一時(shí)間只能做一件事，所以程序?qū)儆诖泄ぷ鞣绞剑前闯绦蝽樞蛞来瓮瓿上鄳?yīng)各電器的動(dòng)作7。 PLC工作的整個(gè)過(guò)程可用圖2-3所示的運(yùn)行框圖來(lái)表示。整個(gè)運(yùn)行流程可大致分為三個(gè)部分： 第一，接通電源的過(guò)程。機(jī)器上電后對(duì)PLC系統(tǒng)進(jìn)行一次初始化工作，包括輸入/輸出模塊配置檢查，硬件初始化，停電保持范圍設(shè)定及其他初始化處理等。第二，掃描過(guò)程。PLC在上電完成以后進(jìn)行。在完成輸入任務(wù)以后，再完成與其他外設(shè)的通信處理，依次進(jìn)行時(shí)鐘、特殊寄存器等更新。當(dāng)CPU處于STOP方式時(shí)，轉(zhuǎn)入執(zhí)行自診斷檢查。當(dāng)CPU處于RUN方式時(shí)，還要完成用戶程序的執(zhí)行和輸出處理，再轉(zhuǎn)入執(zhí)行自診斷檢查7。第三,錯(cuò)誤處理。每個(gè)PLC掃描時(shí)執(zhí)行一個(gè)自我診斷檢查來(lái)確定行動(dòng)的PLC是否正常,如果電池電壓、程序內(nèi)存、CPU、I / O、通訊不正?；驒z查異常,在CPU上面板的異常繼電器將被激發(fā)，并且將錯(cuò)誤代碼存儲(chǔ)在專用的寄存器中。當(dāng)一個(gè)致命錯(cuò)誤發(fā)生時(shí),CPU是被迫停止模式,所有掃描隨即停止。 概括而言，PLC是按集中輸入、集中輸出，周期性循環(huán)掃描的方式進(jìn)行工作的。每一次掃描所用的時(shí)間稱做掃描周期或工作周期。圖2-3 PLC工作運(yùn)行框圖3 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)以PLC為控制核心，采用電氣控制與液壓控制相結(jié)合的方法，取代傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制方法，完成系統(tǒng)雙面切削的要求。PLC輸出控制對(duì)象主要是控制電路中的執(zhí)行器件，如接觸器、電磁閥等，我們可以通過(guò)設(shè)計(jì)程序完成對(duì)硬件系統(tǒng)的操作，使它們按照我們的需求完成相應(yīng)的操作以達(dá)到設(shè)計(jì)目的。3.1 PLC的選型根據(jù)雙面鉆孔組合機(jī)床的工作特點(diǎn),采用以可編程控制器(PLC) 作下位機(jī)、計(jì)算機(jī)(PC) 作上位機(jī)的分布式控制系統(tǒng)。不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)量信號(hào)的邏輯控制,還能實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)之間的通信。系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、工藝參數(shù)修改方便、擴(kuò)充性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn),完全能夠滿足機(jī)床的控制要求。系統(tǒng)以三菱公司的FX2N - 48MR 型PLC 為控制核心8。FX2N是三菱PLC是FX家族中最先進(jìn)的系列。具有高速處理及可擴(kuò)展大量滿足單個(gè)需要的特殊功能模塊等特點(diǎn)，為工廠自動(dòng)化應(yīng)用提供最大的靈活性和控制能力。FX2N系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相當(dāng)于FX系列中最高檔次的超小形程序裝置，48代表有24個(gè)輸入與24個(gè)輸出，M代表基本單元（就是沒(méi)有特殊功能模塊的），R代表繼電器輸出。3.2 PLC I/O分配和接線本控制系統(tǒng)的PLC的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)的確定是根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和所需控制的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)量加以確定。（1）PLC的輸入端口包括自動(dòng)循環(huán)工作按鈕、點(diǎn)動(dòng)按鈕、油泵啟動(dòng)、總停按鈕、SAI等，還包括電動(dòng)機(jī)的熱保護(hù)繼電器輸入，輸入形式是熱繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)。（2）PLC的輸出端口包括運(yùn)行指示燈、交流接觸器、繼電器等。 PLC輸入輸出點(diǎn)分配表如表3-1，分配圖如圖3-1所示。表3-1PLCI/O地址分配PLC端口地址代號(hào)功能PLC端口地址代號(hào)功能X000SB1總停X027-工件夾緊檢測(cè)X001SB2液壓系統(tǒng)啟動(dòng)Y000KM1液壓泵電機(jī)控制X002SB3液壓泵啟動(dòng)Y001KM2左刀具電機(jī)控制X003SB4液壓泵停止Y002KM3右刀具電機(jī)控制X004SB5左刀具點(diǎn)動(dòng)Y003KM4冷卻電機(jī)控制X005SB6右刀具點(diǎn)動(dòng)Y004KA1工件夾緊X006SB7夾具松開(kāi)Y005KA2工件松開(kāi)X007SB8左機(jī)點(diǎn)動(dòng)快進(jìn)Y006KA3左滑臺(tái)快進(jìn)X010SB9左機(jī)點(diǎn)動(dòng)快退Y007KA4左滑臺(tái)工進(jìn)X011SB10右機(jī)點(diǎn)動(dòng)快進(jìn)Y010KA5左滑臺(tái)快退X012SB11右機(jī)點(diǎn)動(dòng)快退Y011KA6右滑臺(tái)快進(jìn)X013SA1左機(jī)接通Y012KA7右滑臺(tái)工進(jìn)X014SA2右機(jī)接通Y013KA8右滑臺(tái)快退X015SA3工作方式選擇Y014KA9工件定位X016SQ1拔定位銷Y015KA10拔定位銷X017SQ2工件夾緊Y016HL1左機(jī)工作指示X020SQ3左機(jī)滑臺(tái)快進(jìn)Y017HL2右機(jī)工作指示X021SQ4左機(jī)滑臺(tái)工進(jìn)Y020HL3手動(dòng)指示X022SQ5左機(jī)滑臺(tái)快退Y021HL4自動(dòng)指示X023SQ6右機(jī)滑臺(tái)快進(jìn)Y022HL5原位指示X024SQ7右機(jī)滑臺(tái)工進(jìn)X025SQ8右機(jī)滑臺(tái)快退X026SQ9工件松開(kāi) 圖3-1 PLC端子輸入/輸出端子分布圖4 PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)根據(jù)機(jī)床各執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)和操作特性，系統(tǒng)在以模塊化的程序設(shè)計(jì)思想上，雙面鉆孔組合機(jī)床的電氣化控制程序采用了PLC的編程軟件編寫(xiě)，其核心部分包括狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖、梯形圖、語(yǔ)句表的設(shè)計(jì)，最后以此設(shè)計(jì)來(lái)編寫(xiě)運(yùn)行的程序指令，以達(dá)到程序化自動(dòng)控制的目的。4.1 PLC的編程方式編程語(yǔ)言是PLC的重要組成部分，PLC為用戶提供了完整的編程語(yǔ)言，以適應(yīng)編制用戶程序的各種要求9。PLC提供的編程語(yǔ)言通常有梯形圖和語(yǔ)句表等。不同PLC生產(chǎn)廠家的編程語(yǔ)言也存在或大或小的差異，這種差異限制了PLC的開(kāi)放性、可復(fù)用性和互換性。編程語(yǔ)言基本上可歸納為字符表達(dá)方式（即用文字符號(hào)表達(dá)程序，如語(yǔ)句表程序表達(dá)方式）和圖形符號(hào)表達(dá)方式（即用圖形符號(hào)表達(dá)程序，如梯形圖程序表達(dá)方式）兩種，也可以將這兩種方式結(jié)合起來(lái)表示PLC程序。（1）梯形圖：梯形圖是最早使用、并且也是現(xiàn)在最常使用的PLC編程語(yǔ)言，直觀、清晰是梯形圖的最大特點(diǎn)。它在繼電器控制系統(tǒng)原理圖的基礎(chǔ)上演變，繼承了繼電器控制系統(tǒng)中的基本工作原理和電氣邏輯關(guān)系的表示方法，梯形圖與繼電器控制系統(tǒng)梯形圖的基本思想是一致的，只是在使用符號(hào)和表達(dá)方式上有一定區(qū)別，所以得到了廣泛的使用。（2）功能塊圖：功能塊圖是另外一種圖形式的PLC編程語(yǔ)言。使用功能塊圖的好處是用戶可以編制出自己的函數(shù)或功能塊。它使用像電子電路中的各種門(mén)電路，加上輸入、輸出模塊，通過(guò)一定的邏輯連接方式來(lái)完成控制邏輯，可以把函數(shù)和功能塊連接到電路中，完成各種復(fù)雜的功能和計(jì)算。較早的PLC沒(méi)有提供功能塊圖編程功能，另外由于使用習(xí)慣問(wèn)題，在我們國(guó)家使用的功能塊圖人不多。（3）順序功能圖：順序功能圖，亦稱功能圖，是一種真正的圖形化的編程方法。使用它可以對(duì)具有并發(fā)、選擇等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)進(jìn)行編程，特別適合在復(fù)合的順序控制系統(tǒng)中使用。在順序功能圖中，最重要的三個(gè)元素是狀態(tài)、和狀態(tài)相關(guān)的動(dòng)作、轉(zhuǎn)移。它的轉(zhuǎn)移條件可以使用多種語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，另外還提供了和步有關(guān)的多種元素供用戶使用。（4）結(jié)構(gòu)化文本：對(duì)目前使用PLC的人來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)化文本是一種較新的編程語(yǔ)言。使用結(jié)構(gòu)化文本可以編程出非常復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理或邏輯控制程序。原來(lái)學(xué)習(xí)過(guò)PASCAL或C語(yǔ)言的人都知道結(jié)構(gòu)化編程的好處，結(jié)構(gòu)化就是這樣的一種用于PLC的結(jié)構(gòu)化方式編程的語(yǔ)言。（5）指令表：指令表也是一種比較早的PLC的編程語(yǔ)言，它使用一些邏輯和功能指令的縮略語(yǔ)來(lái)表示相應(yīng)的指令功能，類似于計(jì)算機(jī)中的助記符語(yǔ)言，是用一個(gè)或幾個(gè)容易記憶的字符來(lái)代表PLC的某種操作功能，按照一定的語(yǔ)法和句法編寫(xiě)出一行一行的程序，來(lái)實(shí)現(xiàn)所要求的控制任務(wù)的邏輯關(guān)系或運(yùn)算。4.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路 根據(jù)控制要求，機(jī)床在啟動(dòng)并且初始化之后，都要進(jìn)行自動(dòng)和手動(dòng)控制工作方式的選擇。二者之間通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)SA實(shí)現(xiàn)切換，分別對(duì)應(yīng)不能同一時(shí)間接通的輸入端口X0和輸出端口Y0。系統(tǒng)會(huì)在進(jìn)入自動(dòng)控制方式后按順序執(zhí)行控制指令。首先柴油機(jī)缸蓋由機(jī)床夾具動(dòng)作夾緊，然后液壓左滑臺(tái)、右滑臺(tái)同一時(shí)間快速向前行進(jìn)，在轉(zhuǎn)為工進(jìn)之前，按下行程開(kāi)關(guān)SQ3和SQ6，并按預(yù)先設(shè)定的工件精度和工件的加工參數(shù)完成兩端的螺栓通孔、導(dǎo)管通孔和定位孔的加工工序。工序結(jié)束后，滑臺(tái)快退，工件沿著程序線進(jìn)入下一道加工工序。加工過(guò)程中的精確點(diǎn)定位主要由手動(dòng)程序來(lái)完成，以及機(jī)床維修時(shí)便于技術(shù)人員點(diǎn)動(dòng)控制。狀態(tài)圖如圖4-1所示。圖4-1 機(jī)床加工狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程圖4.3 PLC順序功能圖 雙面鉆孔組合機(jī)床控制要求中M1應(yīng)先啟動(dòng)，控制程序的啟動(dòng)應(yīng)滿足一個(gè)條件，即滿足液壓系統(tǒng)控制電動(dòng)機(jī)和其他電動(dòng)機(jī)在系統(tǒng)正常供油后才能啟動(dòng)10。組合機(jī)床的運(yùn)行方式包括有手動(dòng)工作和自動(dòng)工作方式?？梢酝ㄟ^(guò)開(kāi)關(guān)SA選擇不一樣的工作方式，假設(shè)SA斷開(kāi)時(shí)，機(jī)床以自動(dòng)工作方式工作；SA閉合時(shí)，工作于手動(dòng)工作方式。根據(jù)以上雙面鉆孔組合機(jī)床控制系統(tǒng)的總過(guò)程分析過(guò)程，可設(shè)計(jì)出鉆孔組合機(jī)床PLC控制系統(tǒng)的總順序功能圖，如圖4-2所示。圖4-2 PLC控制系統(tǒng)總順序功能圖總結(jié)對(duì)于本次設(shè)計(jì)，成功采用PLC控制多個(gè)電機(jī)的工作，完成了本次設(shè)計(jì)任務(wù)的基本要求。PLC具有可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)，以及編程簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，通訊靈活等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)這次設(shè)計(jì)，使我對(duì)自動(dòng)控制設(shè)計(jì)有了更深刻的認(rèn)識(shí)，也使自己的動(dòng)手能力和方案設(shè)計(jì)的思路有了更進(jìn)一步的提高，同時(shí)也更加熟悉了本專業(yè)的設(shè)計(jì)軟件。對(duì)PLC的功能也有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，了解了三菱的FX2N - 48MR以及相關(guān)的編程軟件。在完成這個(gè)題目的過(guò)程中，我遇到了一些困難，也走了很多彎路。但通過(guò)不斷的努力和同學(xué)們的大力支持，以及指導(dǎo)老師的悉心教導(dǎo)，我克服了困難完成了本次設(shè)計(jì)，同時(shí)我也獲得了很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)，學(xué)到了很多新的知識(shí)。參考文獻(xiàn)：1 周慧玲.組合機(jī)床控制系統(tǒng)數(shù)控化改造的研究與應(yīng)用J.機(jī)電工程，2005,22（9）:22.2 孟淑華.機(jī)械制圖M.1版.北京：高等教育出版社，2001:22-26.3 劉延俊.液壓與氣壓傳動(dòng)M.北京:清華大學(xué)出版社，2010.4 王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007. 5 鐘肇新. 可編程控制器原理及應(yīng)用M. 廣州:華南理工大學(xué)出版社,2002. 6 江漢秀等.可編程序控制器原理及應(yīng)用M.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2003.7 張進(jìn)秋，陳永利，張中民.可編程序控制器原理及應(yīng)用舉例M.北京:機(jī)械工程出版社，2003：24-25.8 趙華.用PLC改造雙面鉆孔組合機(jī)床控制系統(tǒng)J.機(jī)械加工工藝與裝備，2006，（8）:65-66.9 馬順忠.PLC在組合機(jī)床電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用J.機(jī)床電器，2008，（3）:33-39.10 熊幸明，王新輝.基于PLC的二工位組合組合機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2004，（6）：24-25.致謝 本課題在選題及研究過(guò)程中得到任老師的悉心指導(dǎo)。任老師一絲不茍的作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度，踏踏實(shí)實(shí)的精神，不但教會(huì)我知識(shí)，更教會(huì)了我怎樣做人，雖然只有三年，卻對(duì)我產(chǎn)生巨大的影響。對(duì)任老師的感激之情是不能用言語(yǔ)表達(dá)的。 由于設(shè)計(jì)課題內(nèi)容覆蓋面相對(duì)較廣，涉及到機(jī)械、液壓、電氣控制等多門(mén)主干課程，也是因?yàn)樽约簩I(yè)課程學(xué)習(xí)的不夠扎實(shí)，設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到了大量的問(wèn)題，有的通過(guò)查閱資料得到了解決，但更多的是向任老師求助，是任老師的不辭辛苦讓我順利地完成了這次畢業(yè)設(shè)計(jì)。向老師求助的那些問(wèn)題，既有任老師所教授的課程，也有他并不熟知的方面，盡管如此，任老師還是耐心的去幫我找方法解決，這包括問(wèn)老師、查資料。在任國(guó)軍老師的幫助下，我也逐漸學(xué)會(huì)了怎樣通過(guò)查資料解決學(xué)習(xí)問(wèn)題，更重要的還有對(duì)待知識(shí)的認(rèn)真，一絲不茍的態(tài)度。幾個(gè)月來(lái)，任老師在指導(dǎo)我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中那種兢兢業(yè)業(yè)、孜孜不倦、無(wú)怨無(wú)悔的精神給我留下了深刻的印象，使我們明白了很多書(shū)本上學(xué)不到的道理。在此謹(jǐn)向我的指導(dǎo)老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。 愿老師身體健康，工作順利！感謝在大學(xué)期間教授我各種知識(shí)的各位老師，是你們的教育才有我學(xué)業(yè)的進(jìn)步和做人的成長(zhǎng)，感謝你們！感謝在一起愉快的度過(guò)大學(xué)生涯的同學(xué)，感謝你們?cè)趯W(xué)習(xí)和生活上給予我的幫助。19