三面铣组合机床的PLC控制系统设计.docx

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三面铣组合机床的PLC控制系统设计

三面铣组合机床的 PLC 控制系统设计

系别：

电子信息与电气工程系

班级：

电气 052

姓名：

陈其荣孙廷津

座号：

14 号36 号

指导老师：

日期：

摘要

一、设计任务及要求

1. 设计任务

1.1 三面铣组合机床的概述

1.2 三面铣组合机床的基本组成

1.3 三面铣组合机床的加工过程

1.4 三面铣组合机床的液压系统

2.三面铣组合机床的控制要求

3.总体方案的确定

二、硬件设计

1 路原理图的设计

1.1 主电路

1.2 PLC 外围电路及 I/O 接线图

三、元器件的选择

1.PLC 的选择

2.接触器的选择

3.热继电器的选择

4.熔断器的选择

5.开关的选择

6.主令电器的选择

四、软件设计

1.功能表图

2.梯形图

3.程序调试

五、人机界面

1.组态王简介

2.人机界面的设计

六、设计小结

七、附录

1．电气原理图

2．PLC I/O 接线图

3．功能表图

2

摘要

可编程控制器以体积小功能强大所著称，它具有可靠性高、抗

干扰能力强，编程简单、使用方便，功能完善、通用性强，设计安

装简单、维护方便，体积小、重量轻、能耗低等优点。

不但可以很

容易地完成顺序逻辑、运动控制、定时控制、计数控制、数字运算、

数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械

数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。

特别是现

在，由于信息、网络时代的到来，扩展了 PLC 的功能，使它具有很

强的联网通讯能力，从而更广泛地应用于众多行业。

本次课程设计是基于 PLC 的电器控制系统的设计，是 PLC 在

三面铣组合机床控制系统中的应用。

通过 PLC 的电器控制和上位机

的配合，实现上下位机间的通讯，控制。

本次的系统是由四台电机来实现对工件三个面的铣削加工，同

时并可实现手动操作控制和自动控制，有单循环自动工作、单铣头

自动工作和点动三种工作方式。

并用组态王软件设计控制面板，来

实现对机床工作流程的控制。

3

一、 设计任务及要求

1、设计任务

1.1 三面铣组合机床的概述

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

定位面进行铣削加工的一种自动加工设备。

如图 1 所示为加工工件示意图。

图 1加工工件示意图

1.2 三面铣组合机床的基本组成

机床主要由底座、床身、铣削动力头、液压动力滑台、液压站、工作台、

工件松紧液压缸等组成。

机床底座上安放床身，床身上一头安装由液压动力滑

台，工件及夹紧装置放于滑台上。

床身的两边各安装一台铣削头，上方有立铣

头，液压站在机床附近。

1.3 加工过程

三面铣组合机床的加工过程如图 2 所示。

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，液压动力滑台（工作台）开始快进，到位转工进，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，加工到终点三台电动机同时停止。

待电动机完全停

止后，滑台快速退回，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。

4

YV1

YV2

YV3

YV4

YV5

BP1

BP2

原位

-

（+）

-

-

-

-

-

夹紧

+

-

-

-

-

-

+

快进

（+）

-

+

-

-

-

+

工进

（+）

-

+

-

+

-

+

死挡铁停留

（+）

-

+

-

+

+

+

快退

（+）

-

-

+

-

-

+

松开

-

+

-

-

-

-

-

1.4 三面铣组合机床的液压系统

三面铣组合机床中液压动力滑台的运动和工件松紧是由液压系统实现的。

如

表 1 为液压系统的原理图。

表 1 液压元件动作表

2.三面铣组合机床的控制要求

1）有单循环自动工作、单铣头自动循环工作、点动三种工作方式。

2）单循环工作方式如图 2 所示，油泵电机在自动加工一个循环后不停机。

3）单铣头自动循环工作包括：

左铣头单循环工作、右 1 铣头单循环工作、右

2 铣头单循环工作、立铣头单循环工作。

单铣头自动循环工作是时，要考

虑各铣头的加工区间。

4）点动工作包括：

四台主轴电动机均能点动对刀、滑台快速（快进、快退）

点动调整、松紧液压缸的调整（手动松开夹紧）。

5）五台电动机均为单向旋转。

6）要求有电源、液压泵工作、工件夹紧、加工、原位信号指示。

7）要求快退回来时要对工作台进行润滑。

8）要求有照明电路和必要的连锁环节与保护环节。

3.总体方案确定

三面铣组合机床系统控制的加工部分采用 PLC 设计，其中自动加工部分采用

顺序控制设计法，手动部分采用经验设计法。

油泵指示、电源指示、油压指示、

5

原位指示、照明、快退润滑等在 PLC 外电路中设计实现。

本实习采用菱阳 FX

系列的 PLC，并规定采用 I/O 口为 40 点的 PLC，其中输入端口为 24 点，输出

端口为 16 点。

上位机采用组态王 6.5 软件进行设计，实现上下位机间的通讯及

控制。

二、 硬件设计

1. 电路原理图的设计

1.1 主电路图（见附图）

主电路只要由刀开关 Q、熔断器 FU、热继电器 FR、交流接触器 KM 的主触

点等电器元件及五台电动机组成。

设计思路：

为了确保刀具与工件的安全，在主轴电动机、油泵电动机过载

时，除了本电动机停止外，进给电动机（左右工速电机，左右快速电机）也要

相应的停止。

因此必须把进给电动机并联在主轴的熔断器 FU 之下（如附图 1 所

示），使主轴电动机和进给电动机有共同的熔断器 FU，保证过载时同时切断。

主电路的保护环节：

（1）熔断器主要起短路保护及过载保护；

（2）继电器起自动接通或断开控制电路和保护电力装置的作用；

（3）接触器用于远程控制负荷，切断带负荷电路；

1. 2PLC 外围电路及 I/O 接线图（见附图）

PLC 外控制电路包含有照明电路、油泵指示及电源指示信号。

照明灯用个

单独的开关来控制，油泵指示灯则由 KM5 接触器的常开辅助触点控制，当油泵

打开时，KM5 常开触点闭合，油泵指示灯亮，电源指示灯则由线路的总开关来

控制，当开关闭合时，电源指示灯亮。

本次设计的 PLC 输入点数有 18 个，输出点数有 17 个

输入点数的确定：

（1）手/自动共有的：

死档铁停留信号 BP1、夹紧信号 BP2、油压信号

BP3、原位行程开关 SQ1、上下位机切换开关 SA1。

（2）自动所特有的：

开始按钮 SB5、左铣及右 1 铣头行程开关 SQ2、右 2 铣

头行程开关 SQ3、立铣头行程开关 SQ4。

还有用三个点五种状态来实现

单循环自动工作、左铣动力头自动循环工作、右 1 铣动力头自动循环

工作、右 2 铣动力头自动循环工作、立系动力自动循环工作之间的切

换。

6

（3）手动加工部分有：

快进按钮 SB1、快退按钮 SB2、夹紧按钮 SB3、松

开按钮 SB4、左动力头点动按钮 SB6、右 1 动力头点动按钮 SB7、右

2 动力头点动按钮 SB8、立铣动力头点动按钮 SB9。

为了尽量减少所需的 I/O 点数，采用分组输入的方法来减少输入点数。

由于三面铣组合机床系统中有自动和手动两种工作方式，其中动力头的电

动输入点可以和自动状态下的相对应的行程开关输入点复用，即

X13、X15、X16 三个点可以复用，为了防止出现寄生回路，产生错误输入信

号，在共用的输入端口串联二极管。

输出点数的确定：

在输出端包含有交流 110V 线圈：

左动力头接触器线圈 KM1、右 1 动力头

接触器线圈 KM2、右 2 动力头接触器线圈 KM3、立铣头电动机接触器线圈

KM4。

直流 24V 线圈：

夹紧电磁阀线圈 YV1、松开电磁阀线圈 YV2、快进电

磁阀线圈 YV3、快退电磁阀线圈 YV4、工进电磁阀线圈 YV5、润滑电磁阀线圈

YV6。

还有交流 220V 的指示灯：

原位指示 L1、加工指示 L2、工件夹紧指示

L3、油压报警指示 L4、夹紧报警指示 L5、快进报警指示 L6、快退报警指示

L7。

在输出（Y10—Y13）中由于是交流线圈输出，为了防止突然断电，由于电

感的存在（U=L*di/dt），会产生高压脉冲，损坏 PLC，在输出要并联 RC 电路，

起续流作用。

而输出（Y2—Y7）是直流输出，同样要并联续流二极管，保护

PLC。

三、 元器件的选择

1.PLC 的选择

I／O 点数：

在满足控制要求的前提下力争使用的 I／O 点最少，但必须留

有一定的裕量（10％~15％ ）。

 基于本设计 I/O 口的要求，需

18 个输入点，17 个输出点，因此我们选择了 FX-0N 这种型号的

PLC。

2.接触器的选择

左、右 2 铣削头电动机：

JO2-41-4，4.0kw，1440r/min，380v，

8.4A

立、右 1 铣削头电动机：

JO2-32-4，3.0kw，1430r/min，380v，

6.5A

液压泵电动机：

JO2-22-4，1.5kw，1410r/min，380v，3.49A

根据以上参数选出接触器的型号：

KM1、KM3 的型号 CJ20-10

7

，KM2、KM6、KM1 的型号 CJ20-8

3.热继电器的选择

一般情况下热元件额定电流按电动机额定电流来选择。

对于过载能力较差

的电动机，热元件额定电流应适当降低。

热继电器的额定电流大于等于热元件

的额定电流，热继电器的额定电压大于或等于线路和额定电压， 根据三面铣组

合机床的原理图及上述电动机的一些参数其型号可选 JR20-10/14R，JR20-

10/13R， JR20-10/10R 等。

4.熔断器的选择

熔体额定电流与负载大小、负载性质有关。

对于一般照明电路、电热电路

等负载：

可按负载电流大小来确定熔体的额定电流。

对于电动机负载:

单台:

INP =（1.5~2.5）INM；多台:

INP =（1.5~2.5）INMmax+∑INM

5.开关选择

5．1刀开关

参数选择：

极数，额定电流，额定电压，通断能力等

5．2组合开关

参数选择：

 位数（2 ~ 4 ），极数（1 ~ 4），额定电流，额定电压，通断

能力等。

5．3万能转换开关

参数选择：

位数，接线图编号，额定电流，额定电压，通断能力等。

6.主令电器的选择

6．1控制按钮的选用

参数选择：

额定电压，额定电流，圆形头或方形头、安装尺寸，结构形

式，动作方式等。

6．2行程开关的选择

参数选择：

操作头的结构，自动复位或非自动复位，长挡铁与短挡铁，

触点的数量。

6．3控制变压器的选择

变压器一、二次电压应与交流电源电压、控制电路电压与辅助电路电压

要求相符。

8

序

号

名称

符号

型号规格

数量

备注

1

按钮

SB1

LA20-11J

1

SB1 用于急停

2

按钮

SB2、SB3、SB4、SB5、

SB6、SB7、SB8、SB9、

SB10

LA20-11

9

3

行程开关

SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、

SQ5、SQ6、SQ7、SQ8、

SQ9、SQ10

LX19-111

10

4

转换开关

SA1、SA3、SA4、

SA5、SA6

HZ10-10/1

5

5

转换开关

SA7

HZ10-10/2

1

6

转换开关

SA2

LW5-15D

1

7

组合开关

QS

HK1-60

1

8

熔断器

FU1

RL6-63/50

1

1.5*8.4+8.4+3+3+3+4.9+4.9

=39.8 熔体额定电流取 50A

9

熔断器

FU2

RL6-25/6

1

1.5*3=4.5≈ 6A

10

熔断器

FU3、FU5

RL6-25/25

2

1.5*8.4+3+4.9=20.5≈25A

11

熔断器

FU4、FU6

RL6-25/12

2

1.5*4.9+3=10.5≈12A

12

熔断器

FU7、FU8、FU11、FU12

RL6-25/2

4

13

熔断器

FU9、FU10

RL6-25/10

2

1.1*1.5+1.1+0.6*10=8.75≈

10

14

接触器

KM1、KM3、KM4、KM5、

CJ20-6.3

7

或 CJ20-10

电器元件清单

9

KM7、KM8、KM9

15

接触器

KM2、KM6

CJ20-10

2

16

热继电器

FR1、FR3、FR6

JR20-10/9R

3

整定范围：

2.6～3.2～3.8/A

17

热继电器

FR4、FR7

JR20-10/11R

2

整定范围：

4～5～6/A

18

热继电器

FR2、FR5

JR20-10/14R

2

整定范围：

7～8.6～10/A

19

信号灯

HL1、HL2

AD1-30/111

2

额定电压：

XZ36-1.5W

E10/13

20

信号灯

HL3、HL4

AD1-30/111

2

额定电压：

220V-5W E14

21

照明灯

EL1、EL2

JC1-1

2

额定电压：

36V 额定功率 35W

22

变压器

T

BK-1500

1

380-220/127/36-6.3

四、 软件设计

1. 功能表图（见附图）

发出加工指令（按下按钮），YV1 得电工件自动夹紧，压力继电器 BP2 动作，

YV3 得电工作台快进到达行程开关 SQ2 处，YV5 得电转为工进，左、右 1 铣头开

始工作，工作台运动到 SQ3 处时立铣头开始工作，运动到 SQ4 时，右 1 动力头

停止，右 2 动力头得电工作，直到工作台运动到终点时，碰到死档铁停留，压

力继电器 BP1 动作，所有的动力头都停止，同时，YV4 得电快退回原位，YV2 得

电松开工件，一个工作循环结束。

功能表图思路遵循加工过程为：

上电后输入油压信号，先判断滑台是否在

原位，不是原位跳到 S35 待夹紧信号来是退回原位。

若在原位，原位指示灯亮，

再判断是手动还是自动，若为手动则，转手动程序，若为自动，按下开始按钮

到 S22 使工件夹紧，待夹紧信号 X1 来时，进入下一步 S23 使工作台快进，同时

夹紧信号灯和加工信号灯亮，接下来要进行工作方式的选择，当条件给定为单

循环自动工作方式时，进入 S24、S25、S26，死档铁停留油压继电器 BP1 动作时

退回。

当条件给定为左动力头单循环工作方式时，进入 S28，死档铁停留油压继

电器 BP1 动作时退回。

当条件给定为右 1 动力头工作方式时进入 S29，碰到行

程开关 SQ4 时退回。

当条件给定为右 2 动力头单循环工作方式时进入 S30，死

档铁停留油压继电器 BP1 动作时退回。

当条件给定为立铣头单循环工作方式时

S31，死档铁停留油压继电器 BP1 动作时退回。

由 S27、S32、S34 为快速退回部

分。

手动与自动的切换，只需一个转换开关 SA2 就可以实现，手动部分无需点

10

开始按钮，直接对相应的按钮进行操作即可。

在手动程序中还包含了，油压报

警，未夹紧报警程序，快进程序报警和快退程序报警。

2. 梯形图

2.1 初始化程序

为了使程序能正常的运行，必需在开启 PLC 时使 S0 被激活，否则程序无

法运行，同时也要考虑到，突然断电时，必需时全部的步复位，因此采用入

下图的程序：

2.2 判断是否在原位的程序

若在原位则输入继电器 X4 动作常开触点闭合，转入自动程序步，若不在

原位则输入继电器 X4 不动作使用其常闭触点，使其转入手动程序步，使得输

出继电器 Y2 得电夹紧，待夹紧信号一来，跳到快退程序步。

其梯形图程序如

下其中 X5 为手动与自动转换触点，当输入继电器 X5 不得电时可用 X5 常闭触

点做为自动连接触点，当输入继电器 X5 得电时，常闭触点打开，断开其自动

程序：

2.3 切换到手动状态的程序

同理，可用输入继电器 X5 的常开触点做为，手动程序步的连接触点，当

输入继电器 X5 得电时，常开触点闭合，转入手动程序，梯形图如下：

11

2.4 工作方式的切换程序

对于工作方式的切换，我们用了 PLC 输入的三个点 X 17、X20 、X21 来组合

5 种状态：

单循环自动工作、左铣动力头自动循环工作、右 1 铣动力头自动

循环工作、右 2 铣动力头自动循环工作、立系动力自动循环工作之间的切换。

各种工作状态的工作区间可以用行程开关和压力继电器 BP1 来判断，比如，

立铣头的工作区间可以用行程开关 SQ3 和压力继电器 BP1 来确定，即 X

16、X0 其梯形图如下：

2.5 快速退回程序

单每个循环工作结束时，要停留 2s 待动力头停稳后再快速退回，这样不

会损伤工件表面，同时退回的过程要进行润滑，当退回原位时，要自动松开，

最后是将所有的电磁阀断电原位指示灯亮，这就要使最后的程序回到 S0。

梯

形图如下：

12

2.6 手动程序

手动程序中包含，快进点动，快退点动，手动夹紧，手动松开以及各个

动力头的点动操作其梯形图如下：

13

2.7 报警程序

这部分程序主要包括油压报警、夹紧报警、快进报警、快退报警，当油压

突然消失时要使油压报警灯闪烁，没有松开时也要使夹紧报警灯闪烁，当快

进时间超过一定是时间，要使快进报警灯闪烁，同理快退也时一样，梯形图

如下：

14

3. 程序调试

调试步骤：

（1）打开 GX Developer，创建新工程。

（2）输入梯形图程序，输入好后点击程序变换/编译按钮

（3）将程序写入 PLC。

点击[在线]，[PLC 写入]，选择[MAIN]，点击

[执行]。

若程序有错，PLC 上有指示灯提示，修改错误，点击[诊断]，

[PLC 诊断]，修改好错误后重新写入。

若 PLC 输出结果与实际要求结果不同，必须从逻辑上修改程序。

梯形程序出错改正的：

梯形程序中手动程序必须有电气互琐，例如快进的常开触点要串联快退的

常闭触点，否则会产生冲突，程序必须有自琐保持信号的。

程序开始时必须对

继电器复位 ZRST S0 S35，程序的后面要有返回的程序 SET S0。

输入程序时会出现漏行，漏触点，逻辑错误等情况，都容易产生错误，以致

调试结果不符合，补齐程序，修改程序后结果才能符合。

五、 人机界面

1．组态王简介

1.1 概述

随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对

工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域

的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。

通用工业自动

化组态软件的出现很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题解决实际工程

出现的问题，比如开发周期长，重复使用率低，价格非常昂贵等，使用户能根

据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。

1.2 组态软件

15

组态就是用应用软件中提供的工具、方法、完成工程中某一具体任务的过

程。

组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系

统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速

构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。

组态软件能支持各

种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。

组态软件是一个使用户能快速建立自己的人机接口软件 HMI 的软件工具，或开

发环境。

1.3 组态软件主要特点

（1）延续性和可扩充性 

（2）封装性（易学易用）（3）通用性

1.4 组态软件的系统构成

按照系统环境划分，组态软件由以下两大部分构成的：

1）系统开发环境：

是自动化工程设计工程师为实施其控制方案，在组态软

件的支持下进行应用程序的系统生成工作所必须依赖的工作环境。

通过建立一

系列用户数据文件，生成最终的图形目标应用系统,供系统运行环境运行时使用。

系统开发环境由若干个组态程序组成，如图形界面组态程序、实时数据库组态

程序等。

2）系统运行环境：

在系统运行环境下，目标应用程序被装入计算机内存并

投入实时运行。

系统运行环境由若干个运行程序组成，如图形界面运行程序、

实时数据库运行程序和 I/O 驱动程序等。

其中 I/O 驱动程序是组态软件中必不

可少的组成部分，用于和 I/O 设备通讯，互相交换数据。

2．人机界面设计

2.1 人机界面介绍

人机界面设计是指通过一定的手段对用户界面有目标和计划的一种创作活

动.人机界面通常也称为用户界面。

人机界面设计主要包括三个方面：

（1）设计软件构件之间的接口

（2）设计模块和其他非人的信息生产者和消费者的界面

（3）设计人（如用户）和计算机间的界面

2.2 人机界面设计

本次上位机设计了两个界面：

欢迎界面和三面铣组合机床控制系统界面

（1）欢迎界面设有按钮，密码，当你按下登入按钮时就会弹出一个对话框

让你输入密码，若密码正确就进入车镗专机控制系统界面。

界面如下图所示：

16

（2）三面铣组合机床控制系统界面

此界面主要是演示三面铣组合机床的整个运行过程。

本系统可实现两个方

向的控制过程，上位机控制下位机的运行和下位机控制上位机的运行。

由于时

间紧凑，将上下位机的转换开关和手动自动的转换开关没有在界面中体现，但

可以通过下位机的转换开关来实现。

上/下位机之间的通讯主要是通过 I/O 驱动程序来实现的。

界面中的变量类

型大多是设为 I/O 离散型，以实现上/下位机的连接，但为了更好的使上/下位

机通讯控制流畅程序中还右大量的内存离散型变量。

界面中含有电源和油泵两

个按钮，只有当电源和油泵同时得电时系统才会工作，同时还右油压指示灯，

夹紧指示灯，原位指示灯以及加工指示灯。

其余按钮均为手动按钮如下所示：

17

图中开始按钮只使用于自动操作，三面铣组合机床控制系统界面如下：

2.3 组态王编写程序（略）

六、设计小结

通过本次维时两周的实习对三面铣组合机床的作用和加工过程有了更深一

步的认识和了解，通过对 PLC 课程的应用，熟练的掌握了 PLC 课程中所学的

认识。

并学会了组态王软件的运用。

三面铣组合机床是用来对 Z512W 型台式钻

18

床主轴箱的∮80、∮90 孔端面及定位面进行铣削加工的一种自动加工设备。

实

习中我们认真详细的阅读设计任务和内容，从 I/O 图，功能表图，上/下微机程

序调试等环节中循序渐进，在此过程中通过自己思考和请教老师、同学，不断

的完善程序，最终实现了上/下位机的联机，较为遗憾的是时间紧迫没能把组态

王界面弄得更