镗床PLC智能控制系统设计.docx

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镗床PLC智能控制系统设计

毕业设计说明书

镗床PLC智能控制系统设计

专业

自动化

学生姓名

董跃

班级

B自动化081

学号

0810603115

指导教师

张胜超

完成日期

2012年5月26日

镗床PLC智能控制系统设计

摘要：

镗床是一种精密加工车床，主要用于加工工件上的精密圆柱孔。

这些孔的轴心线往往要求严格地平行或垂直，相互间的距离也要求很准确。

镗床本身刚性好，其可动部分在导轨上的活动间隙很小，并有附加支撑。

镗床除了能完成镗孔工序外，还可以进行镗、钻、扩、绞、车及铣等工序，因此，镗床的加工范围很广。

介绍T68型卧式镗床的结构和工作原理，并分析镗床继电器控制系统。

设计基于PLC改造的总体方案,对系统的输入、输出点进行统计，根据PLC的选型相关规定和输入输出的总点数，选用日本三菱公司生产的FX2N-48MR可编程序控制器。

分配PLC的I/O地址，设计PLC的外接线图。

采用逻辑代数设计法设计T68镗床PLC控制系统的程序，并通过GXSimulator6-C软件进行程序仿真。

在此基础上，针对系统调试、安装以及运行过程中出现的问题，进行分析，提出解决办法和注意的事项。

最后从硬件和软件两个方面采取措施，提高了PLC控制系统的抗干扰能力。

PLC控制系统取代原来的T68镗床继电接触控制系统使控制变得简单灵活，性能提高，并增强了其自诊断功能，维修也更加方便。

关键词：

可编程控制器；镗床；智能

DesignofPLCIntelligentControlsystemofBoringMachine

Abstract:

Boringmachineisakindofprecisionlatheprocessing,mainlyforprocessingtheprecisioncylindricalboreintheworkpiece.Theaxesoftheseholesareoftenaskedtobestrictlyparallelorvertical,thedistancebetweeneachofthemalsorequiresveryaccurate.Boringmachineitselfhasgoodrigidity,theactivityspaceofmovablepartontherailissmall,andhastheadditionalsupport.Inadditiontofinishboringprocess,boringmachinecanalsobeusedforboring,drilling,expansion,twisted,carsandmillingprocesses,therefore,theprocessingwithawiderangeofboringmachine.IntroducingthestructureandworkingprincipleofT68typehorizontalboringmachine,andanglicizingrelaycontrolsystemofboringmachine.DesigningoverallreformationschemebasedonPLC.Togatherstatisticsinputandoutputpointsonthesystem.AccordingtothePLCselectionrulesandinputandoutputofthetotalpoints,selectJapaneseMitsubishiCoproductionoftheFX2N-48MRPLC.ToallocatethePLCI/Oaddress,andtodesignPLCexternalwiringdiagram.UsingalgebraoflogicdesignmethodtodesignthePLCcontrolsystemprogramofT68boringmachine,andthroughtheGXSimulator6-Csoftwareforprocesssimulation.Onthisbasis,thesystemdebugging,installationandtheproblemsintherunningprocess,carriesontheanalysis,proposedthemeasuresandmattersneedattention.Finally,fromtwoaspectsofhardwareandsoftwaretotakemeasures,improvedPLCcontrolsystemanti-interferenceability.ToreplacetheoriginalT68boringmachinerelaycontrolsystemwithPLCcontrolsystem,enablesthecontrolissimpleandflexible,improveperformance,andtoenhanceitsselfdiagnosisfunction,repairismoreconvenient.

Keywords:

PLC;boringmachine;intelligent

镗床PLC智能控制系统设计

1概述

1.1课题研究的背景和意义

镗床是一种具有综合加工性能的金属切削机床，是精加工设备之一，冷加工中使用比较普遍的设备。

镗床主要用于加工精确的孔和各孔间的距离要求较为精确的零件，如一些箱体零件（机床变速箱、减速箱），往往需要加工数个尺寸不同的孔。

这些孔的尺寸大，精度要求高，且孔的轴线之间有着严格的同轴度、垂直度、平行度与位置精度的要求，这对于钻床来说是很难实现的。

T68镗床是目前我国机械工厂中使用最为普遍的一种镗床，它广泛用于机修、工具和单件或小手批量生产的车间中。

镗床的可动部分在导轨上活动间隙小，而且还有附加支撑，一般都能满足技术的要求。

在电气控制系统中，故障的查找与排除是非常困难的，这给生产与维护带来诸多不便。

随着工业自动化的发展，生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高的可靠性与灵活性，这就需要使用自动化程度高的控制系统来取代传统的控制系统。

基于这些问题，PLC控制系统取代了原来的T68镗床继电接触控制系统，使性能大为改善，自动化程度与生产效率得到了很大提高，并能很好地保证其加工精度。

系统运行稳定、可靠，满足生产工艺的要求。

同时，对其它同类设备的技术该着也有很大的参考价值，在工业上有广泛的应用前景。

1.2课题研究的内容及要求

熟悉T68型卧式镗床的结构和工作原理，并分析镗床继电器控制系统。

设计镗床改造的总体方案，通过比较后选用PLC控制方式。

硬件设计方面，对系统的输入、输出点进行统计，根据PLC的选型相关规定和输入输出的总点数，选用日本三菱公司生产的FX2N-48MR可编程序控制器。

分配PLC的I/O地址，设计PLC的外接线图。

软件设计方面，设计T68镗床PLC控制系统的程序。

此外，还要通过GXSimulator6-C软件进行程序仿真，调试出PLC控制的监控结果。

最后从硬件和软件两个方面采取措施，提高PLC控制系统的抗干扰能力。

2T68卧式镗床结构和工作原理

2.1T68镗床的基本结构

T68型卧式镗床的结构示意图如图2-1所示。

图2-1T68型卧式镗床结构图

1-床身；2-尾架；3-导轨；4-后力柱；5-工作台：

6-镗轴；7-前柱；8-镗头架；9-下溜板；10-上溜板

T68镗床的床身是由整体的铸件制成，床身的一端装有固定不动的前立柱，在前立柱的垂直导轨上装有镗头架，可以上下移动。

镗头架上集中了主轴部件、变速箱、进给箱与操纵机构等部件。

切削刀具安装在镗轴前端的锥孔里，或安装在平旋盘的刀具溜板上。

在工作过程中，镗轴一面旋转，一面沿轴向做进给运动。

平旋盘只能旋转，装在上面的刀具溜板可在垂直于主轴轴线方向的径向做进给运动。

平旋盘主轴是空心轴，镗轴穿过其中空部分，通过各自的传动链传动，因此可独立运动。

在大部分工作情况下，使用镗轴加工，只有在用车刀切削端面时才使用平旋盘。

卧式镗床后立柱上安装有尾架，用来夹持装在镗轴上的镗杆的末端。

尾架可随镗头架同时升降，并且其轴心线与镗头架轴心线保持在同一直线上。

后立柱可在床身导轨上沿镗轴轴线方向上做调整移动。

加工时，工件安放在床身中部的工作台上，工作台在溜板上面，上溜板下面是下溜板，下溜板安装在床身导轨上，并可沿床身导轨移动。

上溜板又可沿下溜板上的导轨运动，工作台相对于上溜板可做回转运动。

这样，工作台就可在床身上做前、后、左、右任一个方向的直线运动，并可做回旋运动。

再配合镗头架的垂直移动，就可以加工工件上一系列与轴线相平行或垂直的孔。

由此可以得出其运动方式如下：

主运动：

主轴的旋转和平旋盘的旋转运动。

进给运动：

主轴在主轴箱中的进出进给，平旋盘上刀具的径向进给，主轴箱的升降，工作台的横向和纵向进给，这些进给运动都可以进行手动或机动。

主运动和进给运动由电动机M1完成拖动。

辅助运动：

工作台的旋转运动、后立柱的水平移动和尾架的垂直运动及各部分的快速移动，由电动机M2完成。

2.2T68镗床的控制要求

A.主运动与进给运动是由一台双速电动机拖动，高、低速可选择。

B.为适应加工过程中调整的需要，要求主轴可以正、反转点动调整，这是通过主轴电动机低速电动来实现的。

同时还要求主轴可以正、反向旋转。

C.由于卧式镗床主轴的制动要求快而准确，所以必须采用效果较好的停车制动，常采用反接制动。

D.主轴变速应用变速冲动环节。

E.快速移动电动机采用正、反转点动控制方式。

F.进给运动和工作台移动两者只能取一，必须互锁。

2.3电气控制线路分析

T68卧式镗床的电气元件表如表2-1所示。

表2-1电气元件表

电气元件

名称及用途

电气元件

名称及用途

M1

主电动机

FU

短路保护熔断器

M2

快速移动电动机

R

限流电阻

KM1、KM2

主电动机正、反转接触器

SB1、SB2

主电动机正、反转控制按钮

KM3

限流电阻短路接触器

SB3、SB4

主电动机正、反转点动控制按钮

KM4、KM5

主电动机高速转接触器

SB5

主电动机停止按钮

KM6

主电动机低速转接触器

SQ1、SQ2

主轴变速行程开关

KM7、KM8

快速移动电动机正、反转接触器

SQ3、SQ4

进给变速行程开关

KA1、KA2

中间继电器

SQ5、SQ6

快速电动机行程开关

KS

速度继电器

SQ7、SQ8

主轴箱、工作台与主轴进给互锁行程开关

FR

热继电器

TC

控制变压器

KT

通电延时继电器

SQ

高、低速转换行程开关

T68镗床卧式镗床的主电路和控制电路图如图2-1所示。

图2-2主电路和控制电路图

A.主电路说明

主电动机M1具有高、低转速。

当主电动机作低速运行时，接触器KM1（反转时KM2）、KM3及KM6得电，主电动机M1为三角形接线。

作高速运行时，M1先作低速起动，然后切换到KM1（反转时KM2）、KM4、KM5得电，KM6断开，M1为双星形接线，转速提高。

制动时为反接制动，KM3断开，接入限流电阻。

M1的运动通过传动机构分别带动主轴、工作台作进给运动。

快速电动机M2可以正、反方向旋转，通过手柄改变机械传动链，然后带动主轴或工作台作快速运动。

B.控制电路说明

a.主电动机的起动控制

主电动机的点动分为正、反向点动，分别由点动按钮SB3、SB4控制。

按钮SB3闭合时，接触器KM1得电吸合，KM1常开接点闭合，使得接触器KM6得电，主电动机M1在低速下正向旋转，SB3断开时，电动机断电停止动作。

反向点动动作过程与正向点动类似，变成点动按钮SB4、接触器KM2、KM6配合完成。

主电动机的正、反向旋转控制有按钮SB1、SB2操作。

当要求电动机低速运行时，行程开关SQ触点断开，SQ1、SQ3闭合。

SB1按下时，中间继电器KA1得电。

KA1有三组动合触点，第一组触点用来接通自锁回路，第二组触点使接触器KM3得电动作，KM3的主触点将限流电阻R短路，KM3的辅助触点闭合，同时第三组触点闭合将接触器KM1线圈自锁。

KM1触点的动作又使接触器KM6得电吸合，由于KM1、KM3、KM6动作，主电动机M1在全压、定子绕组三角形联结下直接起动而低速运行。

当要求电动机作高速旋转时，通过变速机构和机械机作，将行程开关SQ的常开触点闭合，这时按下起动按钮SB1后，中间继电器KA1得电吸合，与低速运行时一样，KM1、KM3、KM6动作。

同时，已闭合的KA1的动合触点与SQ的动合触点接通了时间继电器的KT线圈，经延时后KT的动断延时断开触点打开，KM6断电。

KT延时动合触点闭合，使得接触器KM4、KM5得电动作。

KM4、KM5的主触点将电动机的绕组联结成双星形并重新接入电源，使电动机从低速转为高速旋转。

反向旋转的起动过程与正向起动相同，相关电气元件为按钮SB2，中间继电器KA2，时间继电器KT，接触器KM2、KM3、KM5及KM7、KM8。

b.主电动机的反接制动控制

当电动机正转时，速度继电器的正转动合触点KS-3闭合，而动断触点KS-1断开；当电动机反转时，速度继电器的反转动合触点KS-2闭合，为电动机在正转或反转时的反接制动做好准备。

当M1低速正转时，KA1、KM1、KM3、KM6线圈得电吸合，KS-3常开触点闭合。

此时按下停止按钮SB5，KA1、KM1、KM3线圈断电。

与此同时，常开触点SB5闭合，通过KS-3、KM1，使得线圈KM2得电动作，常开触点KM2闭合，将线圈KM2、KM6自锁。

当SB5断开后，KM2、KM6线圈继续得电。

KM2、KM6的得电，使三相电源经过的KM2主触点、限流电阻R和KM6主触点反接给电动机，电动机进行反接制动。

当电动机转速降低到速度继电器的复位转速时，速度继电器的正转常开接点断开，切断了KM2的通电回路，KM6也随之断电，切断了电动机电源，电动机制动结束。

反向旋转的制动过程和正向旋转类似，此时相关动作的电气元件是速度继电器的反转动合触点KS-2、接触器KM1和KM6。

c.主运动和进给运动点动变速

当主轴变速时将变速孔盘拉出，这时使SQ1动断触点断开，KM3断电，在主回路中接入了限流电阻R，并且KM3触点断开，KM1断电释放，从而使主电动机脱离电源。

所以该机床可以在主电动机开动的情况下调速，电动机能自动停止转动。

这时旋转盘孔，选好合适的转速后，将盘孔推入，在此过程中，如果滑移齿轮的齿和固定齿轮的齿发生顶撞，则孔盘不能推回原位。

这时SQ1、SQ2没有受压，SQ1动合触点闭合，SQ2动断触点闭合，从而接通了瞬时点动控制电路，线圈KM1得电动作，同时由于SQ1行程开关闭合，使得KM6通电动作，所以主电动机经限流电阻在低速下正向起动。

当主电动机起动后，速度继电器的停转触点KS-1断开，而正转动合触点KS-3转为闭合，使KM1线圈断电释放。

KM2线圈得电动作，因而主电动机又反接制动。

当主电动机的转速制动到速度继电器的复位转速后，速度继电器正转动断触点又转为闭合，从而又接通了瞬时点动线路而重复上诉过程。

这样间歇的起动与制动使电动机缓慢的旋转，以利于齿轮进入正确的啮合状态。

一旦孔盘推回原位后，行程开关SQ1、SQ2被压下，将SQ1、SQ2的动断触点断开，切断了瞬时点动线路。

这时，SQ1的动合触点闭合，使得KM3线圈得电，KM3常开触点闭合，使得KM1线圈得电，主电动机在新的转速下重新启动。

在进给变速时，瞬时点动的控制原理和主轴变速时相同，相关动作的行程开关由SQ1、SQ2变为SQ3、SQ4。

d.轴箱、工作台或主轴的快速移动

机床各部件的快速移动由快速手柄操纵配合快速电动机M2拖动来完成。

快速手柄扳到正向转速位置时，行程开关SQ5被压动，接触器KM7得电，快速电动机M2正转。

快速手柄扳到反向位置时，行程开关SQ6被压动，接触器KM8得电，M2反转。

e.轴进刀与工作台互锁

为了防止机床或刀具的损坏，主轴箱和工作台的机动进给在电路上必须互相联锁，即不能同时接通，通过行程开关SQ7、SQ8来实现。

当同时有两种进给时，SQ7、SQ8都被压下，切断了控制回路电源，避免了机床或刀具的损坏。

3T68镗床控制系统改造方案

3.1控制方式的选择

比较常用的控制方式主要有：

数控、单片机和PLC控制。

方案一：

数控

数控优点：

加工更改的适应性强；加工精度高；生产效率高；自动化程度高；良好的经济效益；有利于生产管理的现代化。

数控缺点：

由于费用昂贵，不利于加工大批量零件；系统复杂，维护费用高。

因此，数控不适合镗床的改造。

方案二：

单片机控制

单片机适用于小型自动控制领域及无线控制领域，其体积小价格便宜。

编程设备繁琐，程序算法和可靠性验证困难。

而且单片机控制机床的话，其维修繁琐，要更改硬件。

因此，单片机控制也不适用。

方案三：

PLC控制

PLC是生产商将其功能模块化，并提供专用的编程软件，主要用于开关量的控制，其可靠性比较高。

镗床原有的电气控制为继电控制，其接触点多，导致故障多，操作维修麻烦，机械使用率低。

对镗床采用PLC控制，取代继电控制，克服了以上缺点，并使性能大为改善，自动化程度与生产效率得到了很大提高，增强了其自诊断功能，维修也更为方便。

所以，PLC符合镗床的改造。

通过上述比较，T68镗床改造选择PLC控制。

3.2PLC的工作原理

PLC采用循环扫描工作方式，在PLC中，用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符号后又返回第一条，如此周而复始不断循环。

这个工作过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行和输出处理五个阶段。

全过程扫描一次所需的时间称为一个扫描周期。

A.内部处理阶段

在内部处理阶段,PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器工作是否正常等。

B.通信操作服务阶段

在通信操作服务阶段，PLC与一些智能模块通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等。

当PLC处于停止（STOP）状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。

在PLC处于运行（RUN）状态时，从内部处理、通信操作，到程序输入、程序执行、程序输出，始终处于循环扫描工作状态。

C.输入处理又叫输入采样

在此阶段，顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。

在此输入映象寄存器被刷新，接着进入程序执行阶段。

在程序执行时，输入映象寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映象寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。

D.程序执行阶段

在此阶段，根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右，先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。

但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序跳转地址。

当用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器的当前状态，根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件的寄存器中。

对每个器件而言，器件映象寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。

E.输出处理

输出处理也叫输出刷新，当程序执行完毕后，将输出映象寄存器（即器件映象寄存器）中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。

3.3PLC类型比较及选择

PLC主要用来代替继电器来实现逻辑控制，现在PLC的功能强大，质量优良，品牌很多，特点各异。

其中有三菱、西门子、欧姆龙等PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

A.三菱系列的PLC

三菱PLC在中国市场常见的有以下型号：

FR-FX1N、FR-FX1S、FR-FX2N、FR-FX3U、FR-FX2NC、FR-AFR-Q。

其中FX2N系列是三菱PLC在FX家族中最先进的系列，具有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特点，为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。

B.西门子系列PLC

西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。

西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。

S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。

C.欧姆龙系列PLC

欧姆龙PLC是一种功能完善的紧凑型PLC，能为业界领先的输送分散控制等提供高附加值机器控制；它还具有通过各种高级内装板进行升级的能力，大程序容量和存储器单元，以Windows环境下高效的软件开发功能。

欧姆龙PLC的主要特点是：

结构灵活；传输质量高、速度快、带宽稳定；范围广；低成本；适用面广。

通过以上比较，此次设计选用三菱PLC中FX2N系列代替原有的镗床继电器控制。

4T68卧式镗床PLC改造的硬件设计

4.1PLC的选型

对T68镗床的输入、输出信号进行统计，PLC输入端共有18个输入信号，输出端共有8个输出信号。

满足其输入、输出点数的继电器可选FX2N-48MR型，该继电器输入、输出点数均为24。

4.2I/O点分配

镗床PLC控制系统的I/O点分配如表4-1所示。

表4-1I/O点分配表

电气元件

逻辑元件

名称及用途

电气元件

逻辑元件

名称及用途

FR

X0

热继电器触点

KS-2

X20

速度继电器反转触点

SB1

X1

正转旋转按钮

KS-3

X21

速度继电器正转触点

SB2

X2

反正旋转按钮

KM1

Y0

主电动机正转接触器

SB3

X3

正向点动按钮

KM2

Y1

主电动机反转接触器

SB4

X4

反向点动按钮

KM3

Y2

限流短路接触器

SB5

X5

主电动机停止按钮

KM4

Y3

主电动机高速转接触器

SQ

X6

高、低速转换开关

KM5

Y4

主电动机高速转接触器

SQ1

X7

主轴变速行程开关

KM6

Y5

主电动机低速转接触器

SQ2

X10

主轴变速行程开关

KM7

Y6

快速电动机正转接触器

SQ3

X11

进给变速行程开关

KM8

Y7

快速电动机反转接触器

续表4-1

SQ4

X12

进给变速行程开关

KT

T0

通电延时继电器

SQ5

X13

快速电动机行程开关

KA1

M1

中间继电器

SQ6

X14

快速电动机行程开关

KA2

M2

中间继电器

SQ7

X15

主轴箱、工作台与主轴进给互锁行程开关

M3

主电动机瞬时点动

SQ8

X16

主轴箱、工作台与主轴进给互锁行程开关

M4

主电动机反转反接制动

KS-1

X17

速度继电器停转触点

M5

主电动机