基于plc数控钻床控制系统设计毕设论文.docx

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基于plc数控钻床控制系统设计毕设论文

摘要

本文主要阐述了传统钻床PLC改造的可行性，并进行了具体的实施方案，传统钻床传统继电控制系统使用大量的中间继电器、时间继电器,控制触点多,因此电气控制系统存在故障率高、可靠性差、接线复杂、不便于检修等缺点.为了提高钻床控制系统的可靠性,降低故障率,提高钻床的加工效益,很多企业对传统控制钻床的电气控制系统进行了改造

本文描述了数控机床的基本组成、工作原理、分类及各自的特点。

并且对数控机床中的PLC作了详细的介绍，把PLC在控机床上的控制做了设计。

然后以摇臂钻床Z3040为例，描述了它的设计过程，包括控制系统电路的设计，控制原理设计，主电路设计，主控制电路设计，Z3040摇臂钻床原理图，用PLC编写程序对机床进行控制。

关键词：

可编程控制器数控机床数字控制液压控制梯形图原理图

摘要…………………………………………………………………………………

第1章绪论……………………………………………………………………1

1.1.1国外研究现状………………………………………………………1

1.1研究现状与研究意义…………………………………………………1

1.1.2国内研究现状………………………………………………………2

1.1.3研究的意义…………………………………………………………3

1.2PLC应用于数控钻出的可能性…………………………………………4

第2章总体设计方案……………………………………………10

2.1总体方案的设计…………………………………………………………10

2.2元器件的选型……………………………………………………………11

2.3PLC的主要类型…………………………………………………………11

2.4本章小结…………………………………………………………………11

第3章摇臂钻床控制线路设计……………………………………13

3.1摇臂钻床控制线路概述…………………………………………………13

3.1.1操纵机构液压系统…………………………………………………13

3.1.2夹紧机构液压系统……………………………………………………14

3.2摇臂钻床控制线路原理设计………………………………………………15

3.3Z3040摇臂钻床控制线路主电路设计…………………………………16

3.4Z3040摇臂钻床控制线路控制电路分析………………………………16

3.4.1主电动机控制电路……………………………………………………16

3.4.2摇臂升降控制电路…………………………………………………16

3.4.3立柱和主轴箱松开、夹紧控制电路………………………………17

3.4.4冷却泵控制电路……………………………………………………18

3.4.5照明、信号电路………………………………………………………18

3.5本章小结……………………………………………………………………18

第4章摇臂钻床PLC控制系统……………………………………19

4.1PLC的基本特点……………………………………………………………19

4.2PLC的工作原理……………………………………………………………20

4.3PLC的选型…………………………………………………………………21

4.3.1确定I/O点数………………………………………………………22

4.3.2选配PLC的型号……………………………………………………22

4.4摇臂钻床的PLC控制I/0（输入、输出）地址分配表………………22

4.5PLC控制系统设计………………………………………………………24

4.5.1主轴电动机控制……………………………………………………24

4.5.2摇臂升降控制………………………………………………………24

4.5.3立柱与主轴箱松开、夹紧控制……………………………………24

第5章技术展望………………………………………………………………25

结论………………………………………………………………………………27

参考文献…………………………………………………………………………27

致谢………………………………………………………………………………29

附录………………………………………………………………………………30

第1章绪论

数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础；数控技术的应用是提高制造业的产品质量和劳动生产率必不可少的重要手段；数控机床是国防工业现代化的重要战略装备，是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要标志。

数控技术是最典型的、应用最广泛的机电光一体化综合技术，这就要求机械类专业应用型本科学生具备一定的机床数控技术理论知识及应用技能。

1.1研究现状与研究意义

美国帕森斯公司和麻省理工学院（MIT）合作，于1952年研制成功第一台三坐标立式数控铣床。

生产企业广泛采用自动机床、组合机床和以专用机床为主的自动生产线，形成了大批量生产方式。

目前，单件与小批量生产的零件占机械加工总量的80％左右，为有效地解决复杂、精密、小批多变的零件加工问题，满足高质量、高效益和多品种、小批量的柔性生产方式的要求，数控机床应运而生。

数控机床在机械制造业中得到日益广泛的应用（美国的数控机床已占机床总数的80%以上），数控技术高精度、高生产率、适应性好的特点得到充分发挥。

数控机床是电子信息技术和传统机械加工技术结合的产物，它集现代精密机械、计算机、通讯、液压气动、光电等多学科技术为一体，具有高效率、高精度、高自动化和高柔性的特点，是当代机械制造业的主流装备。

数控加工中心是一种具有自动换刀装置的数控机床，它能实现一次装夹并进行多工序加工。

这种机床在刀库中装有钻头、丝锥、铰刀、镗刀等刀具，通过程

序指令自动选择刀具，并利用机械手将刀具装在主轴上，这样可大大缩短零件装卸时间和换刀时间。

数控技术不仅应用于机床的控制，还用于控制其他的设备，诸如数控线切割机、数控绘图机、数控测量机、数控冲剪机等，仅数控机床就有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镗床以及数控加工中心等。

1.1.1国外研究现状及分析

数控机床涌现至今的50年,随科技、特别是微电子、盘算机技巧的前进而不断发展。

美、德、日三国事当今世上在数控机床科研、设计、制作和应用上,技巧最先进、经验最多的国家。

因其社会前提不同,各有特点。

美国的特点是,政府器重机床工业,美国国防部等部门不断提出机床的发展方向、科研任务和供给充分的经费,且网罗世界人才,特别讲究“效率”和“创新”,重视基础科研。

因而在机床技巧上不断创新,如1952年研制降生界第一台数控机床、1958年创制出加工中心、70年代初研制成fms、1987年开创开放式数控系统等。

由於美国起首联合汽车、轴承生产需求,充分发展了大批大批生产主动化所需的主动线,而且电子、盘算机技巧在世界上领先,因此其数控机床的主机设计、制作及数控系统基础扎实,且一贯器重科研和创新,故其高性能数控机床技巧在世界也一直领先。

当今美国不仅生产宇航等应用的高性能数控机床,也为中小企业生产便宜实用的数控机床（如haas、fadal公司等）。

其存在的教训是,着重於基础科研,疏忽利用技巧,且在上世纪80代政府一度放松了领导,致使数控机床产量增长缓慢,於1982年被落后的日本超过,并大批进口。

从90年代起,纠正过去倾向,数控机床技巧上转向实用,产量又逐渐上升。

德国政府一贯器重机床工业的重要战略地位,在多方面大力扶植。

特别讲究“实际”与“实效”,保持“以人为本”,师徒相传,不断前进人员素质。

在发展大批大批生产主动化的基础上,於1956年研制出第一台数控机床后,一直保持实事求是,讲究科学精力,不断稳步前进。

德国特别重视科学实验,理论与实际相联合,基础科研与利用技巧科研并重。

企业与大学科研部门紧密合作,对用户产品、加工工艺、机床布局结构、数控机床的共性和特征问题进行深入的研究,在质量上千锤百炼。

德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实,出口遍及世界。

尤其是大型、重型、精密数控机床。

德国特别器重数控机床主机及配套件之先进实用,其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功效部件,

在质量、性能上居世界前列。

如西门子公司之数控系统和heidenhain公司之精密光栅,均为世界驰名,竞相采用。

1.1.2国内研究现状及分析

数控机床的重要组成部分有数控系统、刀库和机械手、数控刀架和转台、主轴单元（含电主轴）、滚珠丝杠副和滚动导轨副、防护罩和数控刀具等功能部件，

这些功能部件的性能已成为整机性能的决定因素。

数控系统由显示器、伺服控制器、伺服电机和各种开关、传感器构成。

当然，普通机床发展到数控机床不只是加装系统这么简单，例如:

从铣床发展到加工中心，机床结构发生变化，最主要的是加了刀库，还大幅度提高了精度。

加工中心最主要的功能是铣、镗、钻的功能。

目前世界最大的三家厂商是：

日本Fanuc、德国西门子、日本三菱，其产品量大面广，但技术并不一定是最高的，其余还有法国Num、西班牙凡高等。

数控机床是利用二进制数学方式输入，加工过程可任意编程，主轴及进给速度可按加工工艺需要变化，且能实现多坐标联动，易加工复杂曲面。

对于加工对象具有“易变、多变、善变”的特点，换批调整方便，可实现复杂件多品种中小批柔性生产，适应社会对产品多样化的需求。

但价格较昂贵，需要正确分析其使用的经济合理性;数控机床利用硬件和软件相结合，能实现信息反馈、补偿、自动加减速等功能，可进一步提高机床的加工精度、效率、自动化程度;数控机床是以电子控制为主的机电一体化机床，充分发挥了微电子、计算机技术特有的优点，易于实现信息化、智能化、网络化，可较易地组成各种先进制造系统，如FMS、FTL、FA，甚至将来的CIMS，能最大限度地提高企业的劳动生产率。

数控机床是机、电、液、气、光多学科各种高科技的综合性组合，特别是以电子、计算机等现代先进技术为基石，必须具有巩固的技术基础，互相配套，缺一不可。

如不齐备，则数控机床难以顺利发展。

数控机床是由主机、各种元部件（功能部件）和数控系统三大部分组成，还需先进的自动化刀具配合，才能实现加工，各个环节在技术上、质量上必须切实过关，确保工作可靠、稳定，才能保证数控机床加工的精度、效率和自动化，否则，难以在实际生产中使用。

我国数控机床行业总体的技术开发能力和技术基础薄弱，信息化技术应用程

度不高。

行业现有的信息化技术来源主要依靠引进国外技术，且外方在许多高新产品的核心技术上具有掌控地位，我们对国外技术的依存度较高，对引进技术的消化仍停留在掌握已有技术和提高国产化率上，没有上升到形成产品自主开发能力和技术创新能力的高度。

具有高精度、高速、高效、复合功能、多轴联动等特点的高性能实用数控机床基本上还得依赖进口。

与国外产品相比，我国的差距主要是机床的高速高效化和精密化上。

对高速加工技术，国外已进行了多年的研究，对高速加工的机理、机床结构、机床刚度和精度的影响等都有了系统的研究，并开发生产了各种高速铣削中心、高速加工中心，

广泛应用于航空器铝合金零件和模具加工上。

据统计，我国大型高性能超精机床每年生产不足千台，仅占国产机床总量和总价值的1．5%-2．5%,不到德国或日本的1/20。

国外卧式加工中心都装有机床精度及温度补偿系统，加工精度比较稳定，而国内尚在研发中;国外加工中心定位精度基本上按德国标准VDI3441验收，行程1000mm以下，定位精度可控制在0．006—0．0lmm以内，而国内定位精度相对较低。

2004年，我国金属加工机床消费额达到了95亿美元，占世界总量的1/5。

其中，进口份额占63％，数控机床进口额34亿美元，占全部进口金属切削机床的78．6%。

为了满足制造业的需求，国家每年花费10多亿美元引进数控机床。

数控机床的核心技术即数控系统，我国90%要从国外进口。

不仅价格高，进口周期长也不能满足主机厂的要求。

而且，使用进口的装置组装起来的机床，可靠性和质量也会受到影响。

2004年内地约消耗了1万台，但是大陆所有企业加起来共失产2000台左右，而只有八九个生产加工中心工厂的台湾省竟向内地销售了3300台。

1.2PLC应用于数控钻出的可能性

数控机床是采用数字控制技术对机床各移动部件相对运动进行控制点机床，它是典型的机电一体化产品，是现代制造业的关键设备。

随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也大大提高；数控系统本身将普通实现自动编程。

而PLC是一类以微处理器为基础的通用型自动控制装置。

它一般以顺序控制为主，回路调节为辅，能够完成逻辑、顺序、计时、计数和算术运算等功能，既能控制开关量，也能控制模拟量。

由于它能克服传统继电器体积庞大，攻好高，可靠性差等困难，PLC已成为人们选择数控机床所用顺序控制装置的主要选择。

因此本文用PLC设计数控机床控制系统。

1.数控机床与普通机床的区别

（1）具有手动、机动、程序控制自动加工功能，加工过程一般不需人工干预。

（2）数控机床一般具有CRT显示功能，自动报警显示等辅助功能。

（3）CNC机床主传动和进给传动采用直流或交流无级调速伺服电动机，无变速箱。

（4）CNC一般具有工件测量系统。

最显著区别是当加工工件改变时，数控机床只改变加工程序，不需对机床作较大的调整。

2.与普通机床相比，数控机床具有以下特点

（1）可以加工具有复杂型面的工件

具有良好的加工柔性，加工零件的适应性强、灵活性好。

由于数控机床能实现多个坐标的联动，所以数控机床能完成复杂型面的加工，特别是对于可用数学方程式和坐标点表示的形状复杂的零件，加工非常方便。

当改变加工零件时，数控机床只需更换零件加工的NC程序。

因此，生产准备周期短，数控机床的适应

性非常强。

（2）加工精度高、加工质量稳定

对于同一批零件，由于使用同一机床、刀具及同一加工程序，刀具的运动轨迹完全相同，且数控机床是根据数控程序自动进行加工，可以避免人为的误差，这就保证了零件加工的一致性好且质量稳定。

数控机床有较高的加工精度，一般在0.005mm～0.1mm之间。

数控机床的加工精度不受零件复杂程度的影响，机床传动链的反向齿轮间隙和丝杠的螺距误差等都可以通过数控装置自动进行补偿，同时还可以利用数控软件进行精度校正和补偿。

（3）生产效率高

数控机床上可以采用较大的切削用量，有效地节省了机动工时。

还有自动换速、自动换刀和其他辅助操作自动化等功能，使辅助时间大为缩短，而且无需工序间的检验与测量，所以，比普通机床的生产率高3～4倍甚至更高。

数控机床的主轴转速及进给范围都比普通机床大。

目前数控机床的最高进给速度可达到100m/min以上，最小分辨率达0.01μm。

一般来说，数控机床的生产能力约为普通机床的三倍，甚至更高。

数控机床的时间利用率高达90%，而普通机床仅为30%～50%。

（4）减轻劳动强度，改善劳动条件

在输入程序并启动后，数控机床就自动地连续加工，直至零件加工完毕。

这样就简化了工人的操作，使劳动强度大大降低。

（5）有利于生产管理现代化

工时和工时费用可以精确估计，生产管理水平提高，便于实现生产计划调度，简化和减少检验、工具夹具准备等管理工作。

实现计算机管理与控制。

（6）数控加工是CAD/CAM技术和先进制造技术的基础

工序集中，一机多用是数控机床的普遍特点。

特别是带自动换刀的数控加工中心，在一次装夹的情况下，几乎可以完成零件的全部加工工序，一台数控机床可以代替数台普通机床。

这样可以大大减少装夹误差，节约工序之间的运输、测量和装夹等辅助时间，还可以节省车间的占地面积，带来较高的经济效益。

由于以上特点使PLC技术应用于数控钻床成为可能。

第二章总体设计方案

钻床是孔加工机床，用来进行钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及修刮端面等多种形式的加工。

在各类钻床中，摇臂钻床操作方便、灵活，适用范围广，具有典型性，特别适用于单件或批量生产中带有多孔大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常见的机床。

2.1总体方案的设计

摇臂钻床主要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱及工作台等部分组成。

内立柱固定在底座的一端，外面套有外立柱，外立柱可绕内立柱回转360°。

摇臂的一端为套筒，套装在外立柱上，并借助丝杠的正反转沿外立柱做上下移动。

由于丝杠与外立柱连成一体，而升降螺母固定在摇臂上，所以摇臂不能绕外立柱转动，只能与外立柱一起绕内立柱回转。

主轴箱安装在摇臂的水平导轨上，可以通过手轮操作使其在水平导轨上沿摇臂移动。

当进行加工时，由特殊的夹紧装置将主轴箱紧固在摇臂导轨上，外立柱紧固在内立柱上，摇臂紧固在外立柱上，然后进行钻削加工。

钻削加工时，钻头一面旋转进行切削，一面进行纵向进给。

综上所述，摇臂钻床的运动方式有：

1主运动，主轴的旋转运动；

2进给运动，主轴的纵向进给；

3辅助运动，摇臂沿外立柱垂直移动，主轴箱沿摇臂长度方向移动，摇臂与外立柱一起绕内立柱回转运动。

Z3040型摇臂钻床适合于在大、中型零件上进行孔加工，其运动形式有主轴的旋转运动、进给运动、摇臂的升降运动、立柱的夹紧和放松、摇臂的回转和主轴箱的左右移动。

主轴的旋转运动和进给运动由一台异动电动机拖动，摇臂的升降由一台异步电动机拖动，摇臂、立柱和主轴箱的夹紧/放松由一台液压泵电动机拖动，摇臂的回转和主轴箱的左右移动通常采用手动。

此外，还有一台冷却泵电动机对刀具和工件进行冷却。

加工螺纹时，主轴需要正反转，该机床采用机械变换方法来实现，故主电动机只有一个旋转方向。

此外，为保证安全生产，其主轴旋转和摇臂升降不允许同时进行。

可编程控制器（以下简称PLC）从其生产到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃，其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。

今天的PLC在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面能力都已大幅度提高，成为工业控制领域的主流控制设备，在各行业发挥着越来越大的作用。

PLC是基于电子计算机，且适用于工业现场工作的点控制器。

它源于继电控制装置，但它不像继电装置那样，通过电路的物理过程实现控制，而主要靠运行存储于PLC内存中的程序，进行入出信息变换实现控制。

PLC基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。

普通计算机进行如初信息变换，多只考虑信息本身，信息的如初，只要人机界面就可以了。

而PLC则还要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的使用等问题。

特别要考虑怎么适应于工业环境，入便于安装，抗干扰等问题。

2.2钻床控制线路概述

Z3040摇臂钻床主要有两种主要运动和其他辅助运动，主运动是指主轴带动钻头的旋转运动；进给运动是指钻头的垂直运动；辅助运动是指主轴箱沿摇臂水平运动，摇臂沿外立柱上下移动以及摇臂和外立柱一起相对于内立柱的回转运动。

Z3040摇臂钻床具有两套液压控制系统：

一套是由主轴电动机拖动齿轮泵送出压力油，通过操纵机构实现主轴正反转、停车控制、空挡、预选与变速；另一套是由液压电动机拖动液压泵送出压力油来实现摇臂的夹紧和松开、主轴箱的夹紧与松开、立柱的夹紧与松开。

前者安装在主轴箱内，后者安装在摇臂电器盒下部。

2.3PLC类型的选择

目前各国生产的PLC品种繁多，发展迅速。

在中国的市场上最具竞争力的有德国西门子公司、日本三菱系列、欧姆龙公司、AB公司所推出的PLC均为从小到大全系列的产品，可满足各种各样的需求。

三菱公司的产品有：

FX系列：

为小型PLC，单元式，单机最大容量为256点。

A系列、ANS系列、Q系列、QNA系列等为模块式大型PLC，最大容量为8K点。

西门子公司的产品有：

S7-200:

微型PLC，单机最大容量为256点；

S7-300:

小到中型PLC单机最大容量为1K；

S7-400:

大到超大型PLC，单机可组态点数过万点。

2．选配PLC的型号

S7-300的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。

S7-300 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。

2.4本章小结

本章根据控制要求确定了总体方案以及控制系统的硬件选型。

总体方案包括PLC数控钻床的硬件的组成和控制软件的组成，以及各个模块的联系和通信方式；控制系统的硬件。

第三章摇臂钻床控制线路设计

Z3040摇臂钻床主要有两种主要运动和其他辅助运动，主运动是指主轴带动钻头的旋转运动；进给运动是指钻头的垂直运动；辅助运动是指主轴箱沿摇臂水平运动，摇臂沿外立柱上下移动以及摇臂和外立柱一起相对于内立柱的回转运动。

3.1摇臂钻床控制线路概述

Z3040摇臂钻床具有两套液压控制系统：

一套是由主轴电动机拖动齿轮泵送出压力油，通过操纵机构实现主轴正反转、停车控制、空挡、预选与变速；另一套是由液压电动机拖动液压泵送出压力油来实现摇臂的夹紧和松开、主轴箱的夹紧与松开、立柱的夹紧与松开。

前者安装在主轴箱内，后者安装在摇臂电器盒下部。

3.1.1操纵机构液压系统

该系统压力油由主轴电动机拖动齿轮泵送出，由主轴操作手柄来改变两个操纵阀的相互位置，获得不同的动作。

操作手柄有五个空间位置：

上、下、里、外和中间位置，其中上为“空挡”，下为“变速”，外为“正转”，里为“反转”，中间位置为“停车”。

而主轴转速及主轴进给量各有一个旋钮预选，然后在操作主轴手柄。

主轴旋转时，首先按下主轴电动机起动按钮，主轴电动机起动旋转，拖动齿轮泵，送出压力油。

然后操纵主轴手柄，板至所需转向位置（里或外），于是两个操纵阀相互位置转变，使一股压力油将制动摩擦离合器松开，为主轴旋转创造条件；另一股压力油压紧正转（反转）摩擦离合器，接通主轴电动机的主轴的传送链，驱动主轴正转或反转。

在主轴正转或反转过程中，可转动变速按钮，改变主轴转速或主轴进给量。

主轴停车时，将操作手柄扳回中间位置，这时主轴电动机仍拖动齿轮泵旋转。

但此时整个液压系统为低压油，无法松开制动摩擦离合器，而在制动弹簧作用下将制动摩擦离合器压紧，使制动轴上的齿轮不能转动，实现主轴停车。

所以主轴停车时主轴发动机仍在旋转，只是不能将动力传到主轴。

主轴变速与进给变速：

将主轴手柄扳至“变速”位置，于是改变两个操纵阀的相互位置，使齿轮泵送出的压力油进入主轴转速预选阀和主轴进给量预选阀，然后进入各变速油缸。

与此同时，另一油路系统推动拔叉缓慢运动，逐渐压紧主轴正转摩擦离合器，接通主轴电动机到主轴的传动链，带动主轴缓慢旋转，称为缓速，以利于齿轮的顺利啮合。

当变速完成，松开操作手柄，此时手柄在弹簧作用下由“变速”位置自动复位到主轴“停车”位置，然后在操纵主轴正转或反转，主轴将在新的转速或进给量下工作。

3.1.2夹紧机构液压系统

主轴箱、内外立柱和摇臂的夹紧和松开是由液压泵电动机拖动液压泵电动机送出压力油，推动活塞、菱形块来实现的。

Z3040摇臂钻床共有四大电动机：

主电动机M1，摇臂升降电动机M2，液压泵电动机M3和冷却泵电动机M4。

3.2Z3040摇臂钻床控制线路原理

分析

图3-1Z3040摇臂钻床原理图

Z3040型摇臂钻床控制线路原理图上图，Z3040型摇臂钻床的动作是通过机、电、液进行联合控制实现的。

该机床控制电路采用380V/100V隔离变压器供电，但其二次绕组增设24V安全电压供局部照明使用。

断路器QF1既作为机床线路的电源总开关，又作为机床线路和主轴电机M1的短路及过载保护元件，断路器QF2卧摇臂升降电动机M2、液压泵电机M3、冷却泵电机M4的隔离开关和过载及短路保护元件。

QF3、QF4、QF5分别为机床控制电路、机床工作信号指示电路和机床工作照明电路和过载