PLC气动微震压实造型机的自动控制.docx

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PLC气动微震压实造型机的自动控制

沈阳航空航天大学

课程设计

（说明书）

题目气动微震压实造型机的自动控制

班级141102021

学号2011041102002

学生姓名李俊琴

指导教师刘红

2015年1月14日

沈阳航空航天大学

课程设计任务书

课程名称材料成型自动化

院（系）材料科学与工程学院专业材料成型及控制工程

班级14110201学号20110411020002姓名李俊琴

课程设计题目气动微震压实造型机的自动控制

课程设计时间:

2015年1月5日至2015年1月16日

课程设计的内容及要求：

气动微振压实造型机是一种在压实的过程中能同时震击以得到较高的及较均匀的砂型紧实度的造型设备，造型工作循环主要由接砂、加沙、震击、压实、起模等工序组成。

控制要求：

按下启动按钮，自动完成气动微震压实造型机的一个工作循环，之后设备处于下一个循环前的等待状态。

课程设计内容主要包括：

①设备工作原理及工艺过程分析；②电磁阀状态表；③PLC点数的确定；④I/O端口分配；⑤功能流程图；⑥PLC程序设计；⑦程序调试等。

指导教师刘红2015年1月5日

负责教师年月日

学生签字年月日

摘要

本文介绍了电路系统控制下气动微震压实造型机造型过程的自动的PLC控制。

主要动作程序为：

接砂、加沙、震击、压实、起模等。

电气控制系统中相应电磁阀通断电决定某一动作的实现。

自动控制系统要求：

按下启动按钮，自动完成气动微震压实造型机的一个工作循环，之后设备处于下一个循环前的等待状态。

其次，本文还介绍了气动微震压实造型机的工作原理，基本结构，工艺过程，电气控制系统，PLC的基本结构等，并由PLC在其内部存储执行逻辑运算，顺序运算，计时，计数和算术运算等操作的指令，经过数字式或模拟式的输入和输出，控制整个气动微震压实造型机的一整个造型过程。

关键词：

PLC;气动微震压实造型机;造型过程

第一章绪论

1.1PLC的基本工作原理

PLC采用串行循环扫描的工作方式，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，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。

PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。

当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。

在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作[1]。

PLC的工作过程可分为三个阶段：

输入处理、程序处理和输出处理。

每次扫描开始，先执行一次自诊断程序，对各输入输出点、存储器和CPU等进行诊断，诊断的方法通常是测试出各部分的当前状态，并与正常的标准状态进行比较，若两者一致，说明各部分工作正常，若不一致则认为有故障。

此时，PLC立即启动关机程序，保留现行工作状态，并关断所有输出点，然后停机。

诊断结束后，如没发现故障，PLC将继续往下扫描，检查是否有编程器等的通信请求。

如果有则进行相应的处理，比如，接受编程器发来的命令，把要显示的状态数据、出错信息送给编程显示等。

处理完通信后，PLC继续先往下扫描，输入现场信息，顺序执行用户程序，输出控制信号，完成一个扫描周期。

然后又从自诊断开始，进行第二轮扫描[2]。

PLC就这样不断地反复循环，实现对机器的连续控制，直到接收到停机命令，或因停电、出现故障等才停止工作。

PLC由中央处理单元、存储器、输入输出单元、电源、编程器五部分组成。

其结构框图如图1-1所示。

图1-1可编程控制器

1.2气动微震压实造型机

造型工序是铸造生产中的一个重要环节。

近年来,在机械化和自动化造型方面,国内外都有了很大的发展。

气动微震压实造型机是一种在压实的过程中能同时震击以得到较高的及均匀的砂型紧实度的造型设备[3]。

与无箱射压造型机比，具有结构简单，使用维修方便，造价便宜的特点，因此此种机型在许多铸造车间造型线上仍得到应用。

由于造型的全部过程都在造型机上完成，因而在流水线上不需要翻机、合箱机等机构，使其十分便于实现自动化。

1.3课设的目的及意义

了解PLC各种设计方法、步骤及设计原则；学以致用，巩固书本知识，通过课程设计是学生初步具有设计PLC气动微震压实造型机的控制能力以及团结合作的精神：

进行一次工程设计的基本工程训练，培养学生查阅书籍、参考资料、上网查询信息的能力，运用计算机进行工程绘图的能力，编制技术文件的能力等，从而提高学生解决实际工程技术问题的能力。

第二章设计过程

2.1设备组成及工作原理

微动压实式造型机由机身、起模机构、震击压实机构、转臂压头部分及气动管路系统等部件组成。

主要适用于批量生产的小型铸件单面型板单箱造型，可造上箱或下箱[4]。

本机采用微震压实机构，震击力和压实力设计的比较大，所以不需预震即可满足简单型或复杂型的要求。

是机械化铸造不可缺少利器之一。

现已逐步取代传统手动造型。

造型机可在型砂被压实的同时，使型板、砂箱和型砂作高频率，小振幅的震动。

当砂箱内填满疏松的型砂时，砂粒之间在不断的运动之中找到新的平衡位置，从而填满空隙，提高紧实度。

在压实过程中连续附加震动时，除上述作用外，还可以使砂粒与砂箱内壁间的外摩擦阻力减小，进一步增加压实效果。

因此附加震动可以显著地改进压实时紧实度不均的现象。

压实同时进行微震还可以获得比单纯压实更高的平均紧实度，因为微震可以改善型砂在紧实过程中的流动性，所以能以同样的压实比压获得比单纯压实更高的平均紧实度及更均匀的紧实度分布[5]。

微震压实造型机不但可以在压实同时进行微震，且在加砂过程中亦可进行微震，即所谓压实前的预震。

这样可以增加砂箱中的填砂量，提高砂型的原始紧实度与紧实度的均匀性；可以减少预填框的高度，减少压实活塞的行程，尤其对高砂箱或复杂模型的造型有利。

图2-1ZB148A半自动顶箱震压式造型机

1-震压机构，2-压头，3-工作台夹紧器，4-摇臂定位销，5-开关组

气动微振压实造型机是一种在压实的过程中能同时震击以得到较高的及较均匀的砂型紧实度的造型设备。

与无箱射压造型机比，具有结构简单，使用维修方便，造价便宜的特点，因此此种机型在许多铸造车间造型线上仍得到应用。

工作原理

气动微振压实造型机是一种在压实的过程中能同时震击以得到较高的及较均匀的砂型紧实度的造型设备。

造型机的造型循环主要由接砂、加沙、震击、压实、起模等工序组成。

造型机的动作程序如下：

静压时压头和搁置在边辊上的砂箱处于工作台上方。

造型机动作时，接砂缸进气，工作台上升相继抬起砂箱及余砂框至接砂位置。

这时压头与定量斗在位移气缸作用下右移，向砂箱内加砂[6]。

定量斗到位后，震击机构开始震击；震击停止后，定量斗移出，压头移入，这时压实缸进气，接砂缸排气下移，工作台上升进行压实，同时震击机构震击。

震击停，压实缸排气，工作台连同砂箱模板下降，下降过程中砂箱被边辊托住，完成回程起模。

至此完成一个造型循环。

表2-1是造型机的动作循环时序表。

表2-1造型机动作循环时序表（秒/格）

2.2工艺过程分析

（1）静态

微震机构处于静止状态，如图2-2a）所示。

此时，弹簧高度为H。

为防止预振时工作台与压实活塞发生撞击，工作台下沿和压实活塞上沿之间，留有一定的间隙Δ。

一般为10～20mm。

（2）预振

预振是指压实前在加砂过程中进行的震击。

预振时，如图2-2b）所示，压缩空气从工作台a孔，经b、c孔进入震击缸内，其压力既使震击活塞-工作台等上升，又使震击缸压缩弹簧下降一段距离ΔS。

在震击活塞和震击缸相对移动的过程中，进气孔b自动封闭[7]。

压缩空气在缸内经过一段膨胀过程后，继而排气孔d打开，压缩空气从排气孔d快速排出。

排气后，震击缸内压力突降。

震击缸在弹簧力作用下向上运动，而震击活塞-工作台等则靠自重下落，发生撞击。

完成一次震击循环。

（3）压震

压震就是在压实的同时进行震击，如图2-2c）d）所示。

压震时，压缩空气从e孔进入压实缸5，于是压实活塞4上升并通过弹簧3托起震铁及工作台等。

当砂箱中型砂与压头接触受压时，压实活塞将克服弹簧的弹力，消除间隙Δ，使压实活塞与工作台相接触，这时弹簧的高度变为H-Δ。

与此同时，压缩空气从a孔经b、c孔通入震击缸。

由于工作台已不能再上升，压缩空气只能将震铁下推，直到露出d孔进行排气。

如图2-2所示。

图中弹簧高度为：

H1=H-Δ-S，而S=Sj+Sp+Sg。

Sj-进气行程，Sp-膨胀行程，Sg-惯性行程。

（4）待震击气缸内压缩空气下降到一定数值后，弹簧又将震铁向上弹回，直到震铁与工作台相撞。

这样，震铁在砂型压实过程中不断向上撞击工作台，达到边压实，边震击的效果。

使砂型进一步紧实。

可见，压实同时微震，主要靠压缩空气和弹簧的相互作用，使震击缸（震铁）上、下运动而实现的。

图2-2为循环一周期示意图。

图2-2流程示意图

2.3微震压实造型机控制系统

电气控制系统如图2-3所示。

行程开关位置：

1XK—接砂活塞上升终了时被压通，并在回程起模前的造型

全过程中始终保持压通状态；2XK—定量斗移到工作位置时被压通；3XK—压头移到工作位置时被压通。

图中：

1、12-截门，2-分水滤气器，3、13-按钮阀，6-快速排气阀，4、8、10-二位三通阀，5、7、9、11-二位四通电磁气阀，时间继电器，1CT～4CT-电磁气阀，1XK～3XK-行程开关。

其工作过程为：

（1）接砂活塞上升：

按下起动按钮lAN，中间继电器lJ通电吸合，电磁气阀1CT通电，压缩空气经阀4、阀5进入接砂缸，接砂活塞上升，带动工作台、模板框、砂箱一起上升。

图2-3电气控制系统

1AN-起动按钮，2AN-停止按钮，B-变压器，RL-螺旋熔断器，1J～4J-中间继电器，1SJ～2SJ-时

（2）加砂、预震：

当接砂活塞上升终了时，压通行程外关1XK，于是中间继电器2J通电吸合，电磁气阀2CT通电，压缩空气从阀11进入压头移动缸右腔，将定量斗向左移入工作位置进行加砂。

当定量斗移入工作位置后，压通2XK，于是3J通电。

3J的常开触头闭合，使4CT通电，压缩空气从气控换向阀10进入震击缸，进行加砂预震。

（3）加砂预震延时：

在压通2XK，使3J通电后，3J的另一对常开触头也同时闭合，接通时间继电器1SJ，经过一定时向后（加砂预震延时）1SJ的延时分断常闭触头分断，于是2J断电，2CT跟着断电，压头缸将压头拉回工作位置，这时加砂停止。

由于2J的另一对常开触头又重新分断，使3J断电，这时4CT断电，因此预震也跟着停止。

（4）压震：

当压头移动缸将压头拉回到工作位置时，压通3XK，于是4J通电，又重新接通4CT，使震击缸进气，开始震击，与此同时，4J的另一对常开触头闭合，使3CT通电，压缩空气从气控换向阀8进入压实缸，进行压实。

即在压实的同时进行微振（压振）。

此外，4J的常闭触头也同时分断，1J断电，1CT断电，接砂缸排气，接砂活塞下降。

（5）压震延时：

当4J通电开始压震时，4J的一对常开触头同时闭合，时间继电器2SJ的触头仍处于吸合状态，经过一定时向后（压振延时），2SJ的延时分断常闭触头分断，于是1SJ的瞬时触头分断，使4J断电，4J的常开触头分断，又使3J断电，因此3CT与4CT同时断电，压实、震击同时停止，压实缸下降到原始位置，同时2SJ释放，完成一次工作循环。

根据上面可以列出电磁阀通断表，如表2-2所示。

2.4微震压实造型机电磁阀状态表

表2-2气动微震压实造型机造型过程电磁阀状态表

动作名称发令元件电磁铁

1YA2YA3YA4YA5YA6YA7YA

空砂箱进启动按钮+

SB1

接砂时间开关T0+

加砂时间开关T1+

震击时间开关T2+

压头移入时间开关T3+

压实时间开关T4++

起模时间开关T5+

20.00CP1H100.01

100.02

25.00

100.03

100.04

100.05

100.06

100.07

COM

COM

2.5I/0端口分配图

SB1

启动按钮1YA

2YA

停止按钮SB2

3YA

4YA

5YA

6YA

7YA

AC220V

DC24V

图2-4I/O端口接线图

气动微震压实造型机自动控制PLCI/O端口分配图如图2-4所示。

2.6输入输出地址分配表

气动微震压实造型机造型过程输入输出地址分配表如图如2-3表示：

表2-3气动微震压实造型机造型过程PLC输入输出地址分配表

输入输出

工作启动按钮20.00空砂箱进100.01

急停按钮25.00接砂100.02

加砂100.03

震击100.04

压头移入100.05

压实100.06

起模100.07

W1

100.05T0004

100.03T0002

100.01T0000

100.07T0006

100.04T0003

T0001

W2

100.02

W3

W4

W5

100.06

W6

T0005

100.04

W7

W0

2.7功能流程图

A200.11

SB1

T0000

T0001

T0002

T0003

T0004

T0005

T0006

图2-5气动微震压实造型机自动控制PLC功能流程图

第三章程序

3.1程序

根据设备工作原理确定气动微震压实造型机的工作过程和每一个过程确定的动作，从而得到相应的输出点，为工艺过程分析做准备。

工艺过程分析，主要是确定气动微震压实造型机造型过程的工艺与PLC的结合，促进自动化过程的进行，以及在实现造型机在工作过程中多要用到什么对应的电磁阀，并设想完成这一过程将会需要什么样的PLC语言，为编程做准备。

气动微震造型机控制系统，通过上一过程的分析，对应设备的完成输入点与输出点一一对应的关系，每一个电磁阀对应的动作，从而促使程序的编译，满足题目的要求。

根据上一过程完成气动微震压实造型机控制系统电磁阀状态表。

根据气动微震压实造型机电磁阀状态表确定PLC点数，并做出造型机PLC输入输出连接图，从而完成PLC端口的I/O分配表。

根据以上的所有过程确定功能流程图，并根据以上所有的内容进行梯形图的程序编译，并保证编译程序的正确性。

图3-1为气动微震压实造型机自动控制PLC程序：

图3-1气动微震压实造型机造型过程自动循环的PLC程序

3.2程序调试

第一步：

把编译在草纸上的程序输入到CX-Programmer9.3，输入完毕，看提示是否有不按规则输入的错误，若无错误，进行在线模拟，用CX-programmer9.3的菜单栏“模拟”按钮下的“在线模拟”按钮，点击后若不存在错误，程序将会按照编译打开通路，之后将按照自己所编程序进行模拟，如出现不符合题意现象，可通过修改程序使其满足。

第二步：

用学校实验室CX-Programmer7.3进行PLC在线工作，先进行PLC外部线路连接，检查无误后，选中菜单栏“PLC”中“在线工作”与PLC进行连接，出现对话框。

单击“是”按钮。

单击PLC工具栏里的“从PLC传送”按钮，将显示“上载选项”对话框，可以选择对话框中的程序、设置等选项。

按需要选择后，单击“确定”，出现“上载”窗口，上载成功点击“确定”。

打开PLC电源开关，按照需要进行模拟。

第四章结论

本次实验步骤为：

PLC程序按输入及输出通道分配、I/O接线图、顺序功能图、梯形图的顺序编写。

使气动微震压实造型机能够单周期自动工作，并满足课程设计任务的要求。

经过欧姆龙CP1H型可编程控制器进行程序的编程及校核，程序设计时设置2个输入点及7个输出点，按输入输出设置编制了顺序功能图，并将其转化为梯形图，程序通过调试实现了对气动微震压实造型机造型过程的单周期自动控制。

通过本次PLC可编程控制器课程设计，使我更好的把理论知识结合到实践中去，并了解了理论与实践的相同之处和不同之处，一方面加深了我对PLC知识的理解和认识，另一方面提高了我的动手能力和实践能力，为我以后的工作和学习打下了良好的基础。

参考文献

【1】张晓萍《锻造生产过程自动化》机械工业出版社1998.5

【2】任天庆《铸造设备自动控制系统设计》国防工业出版社1990.6

【3】陈善本《焊接过程现代控制技术》哈尔滨工业大学出版社2001.5

【4】王永华《现代电器控制及PLC应用技术》北京航空航天大学出版社2003.9

【5】樊自田《材料成型装备及自动化》机械工业出版社2006.4

【6】张利平《液压传动系统及设计》化学工业出版社2005.8

【7】叶伟昌《机械工程及自动化简明设计手册》机械工业出版社2004.8