四工位组合机床21219.docx
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四工位组合机床21219
摘要
机床是机械制造业中的主要加工设备,它的质量、自动化程度以及应用先进技术的状况,直接反应了机械工业的发展水平,机床加工自动化对提高生产率、改进产品质量和减轻体力劳动都起着重要的作用。
近几年,随着各类技术的不断发展,在机床控制系统中运用可编程序控制器(PLC)进行控制是工业发展的一大特点。
用PLC模块、变频驱动技术、操控监控设备等组成电气数字控制系统,以实现编程输入、人机交互、自动化加工的控制方式,扩大加工能力,减少故障,提高效率,已成为企业进行机床控制的有效途径。
在众多PLC中,S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛,覆盖所有与自动检测,自动化控制有关的工业及民用领域,包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
本论文首先对组合机床进行了概述,包括其背景、研究及发展现状和研究的意义等,然后说明了用PLC控制机床的优点。
其次,对PLC尤其是西门子S7-200系列PLC进行了大致介绍说明,通过对四工位机床工作原理的控制要求说明研究,采用S7-200CPU226及扩展模块EM222进行了四工位机床控制系统的设计,包括电气接线图的设计、PLC梯形图控制程序的设计等。
最后,采用S7-200仿真软件对所编制的程序和设计的结构进行了仿真验证。
仿真结果表明,该四工位控制系统能满足现场要求,能稳定、快速、全自动的完成对工件的加工。
关键词:
四工位机床;PLC;梯形图;电气控制
Abstract
Machinetoolisthemainprocessingequipmentinthemachinerymanufacturing.Itsquality,thedegreeofautomationandadvancedtechnologyapplicationstatusreflectthedevelopmentlevelofmechanicalindustrydirectly.Machinetoolprocessingautomationplaysanimportantroletoincreaseproductivity,improveproductqualityandreducethemanuallabor.Thismethodhasbecomeaneffectivewayforenterprisestocontrolmachinetool.InnumerousPLC,S7-200seriesgivefullplaytoitspowerfulfunctionindistributionautomationsystem.Itsrangecoversthereplacementofsimplecontrolwithrelaytomorecomplexautomationcontrol.Theapplicationfieldisextremelywide,coveringallautomaticdetection,automaticcontrolrelatedtoindustrialandcivilfields,includingmachinetools,machinery,electricpowerfacilities,civilianfacilities,environmentalprotectionequipmentandsoon.
Thispaperfirstdiscussesthemodularmachinetool,includingitsbackground,thepresentsituationofresearchanddevelopmentandthesignificanceofthestudy,andthenillustratestheadvantagesofusingPLCcontrolmachinetool.Secondly,thePLCespeciallySiemensS7-200seriesPLCareintroducedindetailandstudied,thenIhaveacertainunderstandingonitsworkingprinciple.Then,basedonthefourworkingpositionsmodularmachinetoolresearch,S7-200seriesPLCareusedtocontrolthefourworkingpositionsmodularmachinetool,includingelectricalwiringdiagramdesign,PLCladderdiagramprogramdesign,etc.Finally,theS7-200simulationsoftwareisusedtosimulatetheprogramandstructure.Thesimulationresultsshowthatthefourworkingpositionsmodularmachinetoolcontrolsystemcanmeettherequirementsandcanbestable,rapidandautomatictocompletetheprocessing
Keywords:
fourworkingpositionsmodularmachinetool;PLC;ladderdiagram;electricalcontrol
目录
第1章绪论1
1.1组合机床概述1
1.1.1组合机床的特点1
1.1.2组合机床的分类2
1.2组合机床的研究现状及发展方向2
1.2.1我国机床电气控制技术的发展状况2
1.2.2组合机床采用PLC控制的优点3
第2章PLC简介7
2.1PLC概述7
2.2PLC分类7
2.3西门子S7-200简介9
2.3.1PLC的基本结构9
2.3.2S7-200系列PLC的工作原理10
2.3.3S7-200系列PLC的特点11
2.3.4S7-200系列PLC程序的表达方式12
第3章四工位组合机床控制系统的硬件设计14
3.1机床及工艺过程简介14
3.2PLCI/O点数的确定15
3.3PLC型号选择16
3.3.1S7-200主机单元17
3.3.2扩展模块的选择18
3.3.3控制点分布19
3.3.4四工位组合机床电气控制原理20
第4章四工位组合机床控制系统程序设计23
4.1控制流程图说明23
4.2梯形图程序设计24
4.2.1上料过程的程序设计24
4.2.2加工过程的程序设计27
4.2.3下料过程的程序设计29
第5章程序仿真调试31
5.1仿真软件介绍31
5.2仿真调试过程32
5.2.1上料过程的仿真调试36
5.2.2加工过程的仿真调试37
5.2.3下料过程的仿真调试38
结论40
致谢41
参考文献42
附录A英文原文43
附录B中文译文50
附录C梯形图55
第1章绪论
1.1组合机床概述
1.1.1组合机床的特点
组合机床是用按系列化标准设计的通用部件和按被加工零件的形状及加工工艺要求设计的专用部件组成的专用机床。
具有通用机床的特点,便于产品更新;具有专用机床的特点,容易实现最合理的加工工艺;机床生产率高,便于组织自动化生产;零件精度由机床控制,且较稳定,能保证加工质量;工作可靠,维护方便;设计制造周期短,投资少,成本低,见效快。
经济性好组合机床是由万能机床和专用机床发展来的,它既有专用机床、结构简单的特点,又有万能机床能够重新调整,以适应新工件加工的特点。
组合机床的通用部件有如下积累:
动力部件——动力头,动力箱和动力滑台。
支承部件——侧底座、中间底座、支架、可调支架、立柱和立柱底座等。
输送部件——分度回转工作台、环形分度回转工作台分度鼓轮和往复移动工作台等。
控制部件——液压站、电气柜和操纵台等。
与万能机床和专用机床相比,有如下特点:
(1)组合机床上的通用部件和标准零件约占全部机床零、部件总量的70~80%,因此设计和制造的周期短,投资少,经济效果好。
(2)由于组合机床采用多刀加工,并且自动化程度高,因此比通用机床生产效率高,产品质量稳定、劳动强度低。
(3)组合机床的通用部件是经过周密设计和长期生产实践经验的,又有厂成批制造,因此结构文帝、工作可靠,使用和维修方便。
(4)在组合机床上加工零件时,由于采用专用夹具、刀具和导向装置等,加工质量靠工艺装备保证,对操作工人水平要求不高。
(5)当被加工产品更新时,采用其他类型的专用机床时,其大部分件要报废。
用组合机床时,其他通用部件和标准零件可以重复利用,不必另行设计和制造。
(6)组合机床易于联成组合机床自动线,以适应大规模生产需要。
机身、立柱、中间底座等式组合机床的支承部件,起着机床的基础骨架作用。
组合机床的刚度和部件之间的精度保持性,主要是由这些部件保证。
1.1.2组合机床的分类
1、按通用部件按功能可分为动力部件、支承部件、传输部件、控制部件和辅助部件五类。
动力部件是组合机床提供主运动和进给运动的部件。
主要有动力箱、切削头和动力滑台。
支承部件是用以安装动力滑台、带有进给机构的切削头或夹具等的部件,有侧底座、中间底座、支架、可调支架、立柱和立柱底座等。
输送部件是用以传输工件或主轴箱至加工工件的部位,主要有分度回转工作台、环形分度回转工作台分度鼓轮和往复移动工作台等。
控制部件是用以控制机床的自动循环工作的部件,有液压站、电气柜和操纵台等。
辅助部件有润滑装置和排屑装置等。
2、根据选用的通用部件的规格大小以及结构和配置形式等方面的差异,将组合机床分为:
大型组合机床,小型组合机床,微型组合机床,自动换刀、换箱数控组合机床。
大型组合机床分为:
单工位大型组合机床和多工位大型组合机床。
单工位大型组合机床分为:
(1)卧式组合机床:
刀具主轴水平布置,动力部件沿水平方向进给,按加工要求的不同,可配置成单面、双面或多面形式。
(2)立式组合机床:
刀具主轴垂直布置,动力部件沿水平方向进给,一般只有单面配置一种形式。
(3)倾斜式组合机床:
动力部件倾斜布置,沿倾斜方向进给。
可配置成单面双面或多面形式,以加工工件上的倾斜表面。
(4)复合式组合机床:
具有卧式、立式、倾斜式两种或三种形式的组合。
多工位大型组合机床分为:
夹具固定式、工作台移动式、工作台回转、鼓轮式、中央立柱式组合机床。
1.2组合机床的研究现状及发展方向
1.2.1我国机床电气控制技术的发展状况
随着科学技术的发展,生产工艺不断提出新的要求,机床电气控制装置也不断更新。
在控制方法上主要从手动控制到自动控制;在控制功能上,从简单到复杂;在操作上由笨重到轻巧;从控制原理上,从单一的有触点硬接线继电器控制系统转为以微处理器为中心的软件控制系统。
随着新的控制理论和新型电器及电子器件的出现,不断地推动着机床电气控制技术的发展。
特别是在70年代出现了用软件手段来实现各种控制功能,以微处理器为核心的新型工业控制器——可编程序控制器,这种器件完全能够适应恶劣的工业环境。
由于它兼备了计算机控制和继电控制系统两方面的优点,故目前世界各国已作为一种标准化通用设备普遍应用于工业控制,其中数控机床和数控系统就是典型的例子。
尤其是随着计算机技术的迅速发展,数控机床的应用日益广泛,进一步推动了数控系统的发展,因此产生了自动编程系统、计算机数控系统(CNC)、计算机群控系统(DNC)和柔性制造系统(FMS)。
FMS是把一群数控机床与工件、刀具、夹具等用自动传递线连接起来,并在计算机的统一控制下形成一个管理和制造相结合的生产整体。
这就组成了计算机群控自动线,或称为柔性制造系统。
当今兴起了计算机集成制造系统(CIMS)。
设计制造一体化(CAD/CAM)是机械制造自动化的高级阶段,可实现产品从设计到制造的全部自动化。
随着我国工业自动化水平的不断提高,对组合机床的自动化程度也提出了更高的要求。
以往的多工位机床控制多采用继电器控制电路实现控制要求,机械触点多,可靠性差,控制设备体积大。
近年来我国企业的四工位机床占有率逐年上升,在大中企业已有较多的使用,在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。
在这些四工位机床中,除少量机床以FMS模式集成使用外,大都处于单机运行状态,并且相当部分处于使用率不高,管理方式落后的状态。
我国出口的四工位机床品种以中低档为主。
在机床行业中,四工位机床由于其工步及动作多,控制较复杂,采用传统的继电器控制时,需要的继电器多,接线复杂,因此,故障多、维修困难,费工费时,不仅加大了维修成本,而且影响了设备的工效。
PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便的优点而设计制造和发展的,这就使得PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点,可靠性高、搞干扰能力强、通用性强、使用方便、采用模块化结构,使系统组合灵活方便,编程语言简单、易学,便于掌握,系统设计周期短,对生产工艺改变适应性强安装简单、调试方便、维护工作量小。
1.2.2组合机床采用PLC控制的优点
组合机床的电气控制理论上讲可以采用继电器电气控制系统,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电串联、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电的动作来实现的,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。
用户可以根据需要在程序中设定定时值。
PLC根据给定的定时值,由软件和硬件计数器来控制制定时间,定时精度高、定时时间不受环境的影响,并且一旦调好,不会变化。
并且PLC可以完成计数功能,而继电接触系统通常没有计数功能。
(4)设计与施工:
使用继电接触式控制系统完成一项控制工程,设计施工,调试必须顺序进行,周期长,而且修改困难而使用PLC来完成一项控制工程。
设计完成以后,现场施工和控制逻辑的设计可以同时进行,周期短,而且调试和修改均很方便。
(5)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。
这就要求设计人员遇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。
第2章PLC简介
2.1PLC概述
二十世纪六十年代以前,对工业生产进行自动控制的先进装置就是继电控制盘,它对当时生产力的发展确实发挥了很多的作用。
但当人类历史跨入20世纪60年代以后,工业生产随着市场的转变,开始由大批量少品种的生产转变为小批量多品种的生产。
在这种转换过程中,继电控制系统的许多固有弊端越发显得突出,成为了生产转换的一大障碍。
如继电器控制系统中,使用了大量的机械触点,系统的可靠性较差;功能局限性大、体积大、耗能多,特别是生产工艺要求发生变化时,控制柜内的元件和接线也必须要做相应的变动,这种变动的工期长,费用高,有的用户宁愿扔掉控制柜,另外制作一台新的控制柜。
总之,20世纪60年代后期,市场所需的“柔性”生产呼唤新型控制系统的诞生。
由于种种原因诞生了可编程控制器(简称PLC)。
可编程控制器是专为在工业环境下应用而设计的工业计算机,其出现后就受到普遍重视,发展也十分迅速,在工业自动控制系统中占用极其重要的地位。
可编程控制器(ProgrammableController)是计算机家族中的一员,是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController),简称PLC,它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展,这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围,因此,今天这种装置称作可编程控制器,简称PC。
但是为了避免与个人计算机(PersonalComputer)的简称混淆,所以将可编程控制器简称PLC。
PLC产品能直接在工业环境中应用,对环境的适应能力强。
PLC体积小、功能强、速度快,可靠性高,又具有较大的灵活性和扩展性。
PLC还有一个重要特性是它具有在线修改功能。
它借助于软件来实现重复的控制,软件本身具有修改性,所以PLC具有灵活性。
PLC的控制系统省去了传统的继电器控制接线和拆线的麻烦。
用PLC的编程逻辑提供了能随要求而改变的“间接网络”,这样生产线的自动化过程就能随意去改变,这种性能使PLC具有较高的经济效益。
2.2PLC分类
PLC产品种类繁多,其规格和性能也各不相同。
对PLC的分类,通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。
1.按结构形式分类
根据PLC的结构形式,可将PLC分为整体式和模块式两类。
(1)整体式PLC。
整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内,具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。
小型PLC一般采用这种整体式结构。
整体式PLC由不同I/O点数的基本单元(又称主机)和扩展单元组成。
基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口,以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。
扩展单元内只有I/O和电源等,没有CPU。
基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。
整体式PLC一般还可配备特殊功能单元,如模拟量单元、位置控制单元等,使其功能得以扩展。
(2)模块式PLC。
模块式PLC是将PLC各组成部分,分别作成若干个单独的模块,如CPU模块、I/O模块、电源模块(有的含在CPU模块中)以及各种功能模块。
模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。
模块装在框架或基板的插座上。
这种模块式PLC的特点是配置灵活,可根据需要选配不同规模的系统,而且装配方便,便于扩展和维修。
大、中型PLC一般采用模块式结构。
还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来,构成所谓叠装式PLC。
叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块,但它们之间是靠电缆进行联接,并且各模块可以一层层地叠装。
这样,不但系统可以灵活配置,还可做得体积小巧。
2.按功能分类
根据PLC所具有的功能不同,可将PLC分为低档、中档、高档三类。
(1)低档PLC。
具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能,还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。
主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。
(2)中档PLC。
除具有低档PLC的功能外,还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。
有些还可增设中断控制、PID控制等功能,适用于复杂控制系统。
(3)高档PLC。
除具有中档机的功能外,还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。
高档PLC机具有更强的通信联网功能,可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统,实现工厂自动化。
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