某组合机床的电气控制系统设计.docx

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某组合机床的电气控制系统设计

电气控制与PLC

课程设计说明书

题目：

某组合机床的电气控制系统设计

专业班级：

自动1206

姓名：

陈文浩

学号：

201223911127

指导教师：

任胜杰

成绩：

指导老师签名：

日期：

1系统概述

组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定形状和加工工艺设计的专用部件和夹具，组成的半自动或自动专用机床。

组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。

由于通用部件已经标准化和系列化，可根据需要灵活配置，能缩短设计和制造周期。

因此，组合机床兼有低成本和高效率的优点，在大批、大量生产中得到广泛应用，并可用以组成自动生产线。

组合机床一般用于加工箱体类或特殊形状的零件。

加工时，工件一般不旋转，由刀具的旋转运动和刀具与工件的相对进给运动，来实现钻孔、扩孔、锪孔、铰孔、镗孔、铣削平面、切削内外螺纹以及加工外圆和端面等。

有的组合机床采用车削头夹持工件使之旋转，由刀具作进给运动，也可实现某些回转体类零件（如飞轮、汽车后桥半轴等）的外圆和端面加工。

随着PLC控制技术日益成熟并得到越来越广泛的应用，利用原有的继电器—接触器控制电路设计PLC控制系统，或直接进行PLC控制系统的设计，都能很好地满足组合机床自动化控制的要求。

本次设计的要求如下：

图1.1

如图所示为某一组合机床的示意图，左面为1#箱体移动式动力头。

主轴电机M1为5.5KW、1440转/分钟，1#箱体的进给电机为M3为1.5KW、1450转/分钟，工进与快进采用电磁铁YV1（DC24V，10W）进行切换；右面为2#箱体移动式动力头。

主轴电机M2为5.5KW、1440转/分钟，2#箱体的工作进给电机为M4，为1.5KW、1450转/分钟，工进与快进采用电磁铁YV2（DC24V，10W）进行切换。

SQ1为左动力头的原位限位，SQ3为左动力头的快进限位，SQ5为左动力头的工进限位，SQ2为右动力头的原位限位，SQ4为右动力头的快进限位，SQ6为右动力头的工进限位，具体要求如下：

1.左、右两动力头均要求快进→工进→快退的工作循环。

2.可使左、右两动力头同时工作，也可进行单独调整。

3.加工过程中需要进行冷却。

4.应有电源有信号指示，动力头正在工作信号指示。

5.应有局部照明必要的保护环节。

2方案论证

组合机床的电气控制,理论上讲,可以采用继电器接触器电气控制系统，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-接触器控制系统相比具有以下优点：

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点串联、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点的动作来实现的，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。

（4）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。

这就要求设计人员要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。

3硬件设计

3.1系统的原理方框图

图3-1系统框图

3.2主电路

根据设计要求，主电路大致分为三个部分。

首先看第一部分，主轴电机。

主轴电机工作方式有两种：

正转、反转。

根据不同的工作要求，主轴电机的转向不同。

因主轴电机的功率较小，故可以直接启动。

其主电路图如下3-2所示：

图3-2主轴电机

当KM1、KM2的线圈得电吸合分别使电机M1、M2正转；当KM9、KM10的线圈得电吸合分别是电机M1、M2反转。

通过PLC的输出就可以使不同的接触器线圈得电，从而使电机的转向不同。

其次看第二部分，快速电机和进给电机。

根据设计要求知左、右两动力头均要求快进→工进→快退的工作循环，并且左、右两动力头可以同时工作，也可进行单独调整。

所以就要求快速电机M5、M6能够正反转，工作进给电机为M3、M4能够正转即可。

其主电路如下图3-3所示。

图3-3快速电机和进给电机

因为这4个功率都较小，所以可以直接启动。

M3、M4只要接触器KM3、KM4的线圈得电就会吸合，就能正转；M5、M6分别当接触器KM5、KM6线圈得电时正转，当接触器KM7、KM8分别得电就反转。

最后看第三部分，照明电路和信号指示部分。

当机床工作时，为了警告旁人不要误动作，故要有信号指示说明，告诉别人正在进行工作，不要误动作。

信号指示也能显示机床是否是在正常工作、有无问题。

有时候需要晚上工作，所以需要必要的照明。

图3-4指示信号灯

如图3-4，其指示着组合机床的工作状态，指示灯分别与与之对应的接触器的常开触点连接，当接触器的线圈得电，其常开触点闭合，通过6.3V电压使之亮。

KM1、KM9分别是控制M1的正反转的接触器；KM2、KM10分别是控制M2的正反转的接触器；KM3、KM4分别是控制左右工进电机正转的接触器；KM5、KM7，KM6、KM8分别是左右快进快退电机。

这样就可以把所有的电机的状态显示出来。

照明灯如下图3-5所示。

图3-5照明灯

3.3I/O分配

因采用PLC控制，需分配其I/O点，它决定着系统如何工作。

输入地址号

信号名称

输出地址号

信号名称

X0

左动力头正转启动按钮

Y0

M1主轴正转（KM1）

X1

左动力头反转启动按钮

Y1

M1主轴反转（KM9）

X2

左动力头停车按钮

Y2

M3工进正转（KM3）

X3

左动力头冷却泵启动

Y3

YV1快进（YV1）

X4

左动力头快进限位

Y4

YV2快退（YV2）

X5

左动力头工进限位

Y5

左冷却泵（KM11）

X6

左动力头原位限位

Y6

M2主轴正转（KM2）

X7

左动力头快进按钮

Y7

M2主轴反转（KM10）

X10

左动力头快退按钮

Y10

M4工进正转（KM4）

X11

右动力头正转启动按钮

Y11

M6快进（KM6）

X12

右动力头反转启动按钮

Y12

M6快退（KM8）

X13

右动力头停车按钮

Y13

右冷却泵（KM12）

X14

右动力头冷却泵启动

X15

右动力头快进限位

X16

右动力头工进限位

X17

右动力头原位限位

X20

右动力头快进按钮

X21

右动力头快退按钮

表3-1I/O口地址分配表

3.3I/O接线图

图3-6PLCI/O接线图

接触器的线圈通过接110V电压与PLC的输出端和COM端相连。

按钮和开关与输入端和COM端相连。

3.4元器件选型

首先是PLC的选择。

统计组合机床PLC输入元器件、执行元器件及I/O点数：

输入部分

输入部分

点数

动力头工作方式选择按钮SB

6

冷却泵选择开关SA

2

行程开关SQ

6

按钮SB

4

总计

18

输出部分

输出部分

点数

接触器

12

总计

12

注：

照明不需要接入PLC，只需要选择开关就可以。

所以选用FX2N―32MR加扩展单元FX2N―32ER，FX2N―32MR含有32个I/O点（16入，16出），FX2N―32ER为含有32点扩展单元。

下面是电器元件选择。

代号

名称

型号及规格

用途

数量

M1

三相交流异步电动机

JO3-802-65.5KW380V1440r/min

主电动机

1

M2

三相交流异步电动机

JO3-802-65.5KW380V1440r/min

主电动机

1

M3

三相交流异步电动机

JO3-802-61.5KW380V1450r/min

快速工进电动机

1

M4

三相交流异步电动机

JO3-802-61.5KW380V1450r/min

快速工进电动机

1

M5

三相交流异步电动机

JO3-802-65.5KW380V1440r/min

左冷却泵

1

M6

三相交流异步电动机

JO3-802-65.5KW380V1440r/min

右冷却泵

1

FU1

熔断器

RL1-1515A

主电动机过载保护

1

FU2

熔断器

RL1-1515A

主电动机过载保护

1

FU3

熔断器

RL1-1515A

快速工进电动机过载保护

1

FU4

熔断器

RL1-1515A

快速工进电动机过载保护

1

FU5

熔断器

RL1-1515A

左冷却泵过载保护

1

FU6

熔断器

RL1-1515A

右冷却泵过载保护

1

KM1

交流接触器

CJ10-75A线圈电压220V

控制M1正转

1

KM2

交流接触器

CJ10-40A线圈电压220V

控制M2正转

1

KM3

交流接触器

CJ10-40A线圈电压220V

M3工进

1

KM4

交流接触器

CJ10-40A线圈电压220V

M4工进

1

KM9

交流接触器

CJ10-40A线圈电压220V

控制M1反转

1

KM10

交流接触器

CJ10-40A线圈电压220V

控制M2反转

1

YV1

电磁铁

DC24V,10W

控制M3快进

1

YV2

电磁铁

DC24V,10W

控制M4快进

1

FR1

热继电器

JR10-6052.5A

M1过载保护

1

FR2

热继电器

JR10-6052.5A

M2过载保护

1

FR3

热继电器

JR10-10*147.20A

M3过载保护

1

FR4

热继电器

JR10-10*147.20A

M4过载保护

1

FR5

热继电器

JR10-6052.5A

M5过载保护

1

FR6

热继电器

JR10-6052.5A

M6过载保护

1

SB1

按钮

黑色

M1正转

1

SB2

按钮

黑色

M1反转

1

SB3

按钮

M2正转

1

SB4

按钮

黑色

M2反转

1

SB5

按钮

黑色

M3工进

1

SB6

按钮

黑色

M3快进

1

SB7

按钮

黑色

M4工进

1

SB8

按钮

黑色

M4快进

1

SB9

按钮

黑色

左冷却泵

1

SB10

按钮

黑色

右冷却泵

1

SQ

位置开关

LA2黑色

6

图3.4.3电器元件数量、型号表

4软件设计

4.1主流程

根据要求知需使左、右两动力头均要求快进→工进→快退的工作循环和可使左、右两动力头同时工作，也可进行单独调整。

故设计的流程图如下图4-1所示。

图4-1设计流程图

4.2梯形图

图4-2梯形图

5系统调试

安装GXDeveloper和三菱的仿真软件，建立一个新工程，将梯形图输入到工程中，完成后将其转换。

再启动梯形图逻辑测试，选择软元件测试，输入不同的软元件，改变其状态，观察输出的改变。

软元件的改变

输出的改变

X0=1,X1=0

Y0=1

X0=0,X1=1

Y1=1

X2=0

Y0=0,Y1=0

X3=1

Y5=1

X3=0

Y5=0

X7=1,X0=1,X1=0/X7=1,X0=0,X1=1

Y0=1,Y3=1/Y1=1,Y3=1

X4=1

Y2=1,Y3=0

X5=1

Y2=0,Y4=1,Y0=0/Y1=0

X6=0

Y4=0

X10=1

Y4=1

X11=1,X12=0

Y6=1

X11=0,X12=1

Y7=1

X13=1

Y6=0,Y7=0

X14=1

Y13=1

X20=1,X11=1,X12=0/X20=1,X11=0,X12=1

Y11=1,Y6=1/Y11=1,Y7=1

X15=1

Y10=1,Y11=0

X16=1

Y10=0,Y12=1,Y6=0/Y7=0

X17=0

Y12=0

X21=1

Y12=1

表5-1调试表格

设计心得

通过这次设计实践。

我熟练了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和应用也有了更深刻的理解。

在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我对知道的掌握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我把自己想出来的程序与到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。

能够解决一个个在调试中出现的问题，这使我对PLC的理解得到了加强，看到了实践与理论的差距。

通过此次课程设计，让我对PLC梯形图、指令表、顺序功能图有了更好的了解，也让我了解了关于PLC设计原理。

有很多设计理念来源于实际，并且从中找出最适合的设计方法。

最后非常感谢老师的指导和同学们的帮助！

参考文献

[1]常晓玲.电气控制系统与可编程控制器[M].北京：

机械工业出版社，2007.

[2]王永华.现代电气控制及PLC应用[M].北京:

北京航空航天大学出版社,2003

[3]陈立定.电气控制与可编程控制器[M].广州:

华南理工大学出版社,2006

[4]王炳实.机床电气控制[M].北京:

机械工业出版社，2009

[5]马镜澄.低压电器[M].北京：

机械工业出版社，1993

[6]张华.电类专业毕业设计指导[M].北京：

机械工业出版社，2001

附电气控制原理图

电气控制原理图