三面铣组合机床液压系统和控制系统设计[毕业论文]

机电毕业论文：三面铣组合机床液压系统和控制系统设计含毕业论文

摘　要

应用组合机床加工大批量零件，快捷高效，生产效率高是机械加工的发展方向。本次设计任务是制定三面铣组合机床用来对Z512W型台式钻床主轴箱的Ф80、Ф90孔端面及定位面进行铣销加工的一种自动加工设备。

在工艺制定过程中，通过生产批量的分析确定三面铣组合机床的加工方案，并寻求最佳的工艺方案，借此说明了工艺在生产过程中的重要性；PLC在三面铣组合机床设计过程中，结合实例，介绍了其设计方法，特别是对三面铣加工进行了探讨；在液压控制系统设计过程中，以三面铣组合机床为对象，依据液压系统设计的基本原理，拟出合理的液压系统图。通过系统主要参数的计算确定了液压元件的规格；PLC在三面铣组合机床控制中的应用设计过程中，结合具体实例和设计经验, 阐述了通用件(如液压滑台等)的选取及PLC在三面铣组合机床中的应用的设计

关键词：组合机床  铣床  原理图  PLC编程

Abstract

Application the combination tool machine process large quantity quantity spare parts, fast efficiently, produce efficiency Gao is a machine process of development direction.This time design mission is an establishment three noodles Xian combination the tool machine be the Ф which use to drill a bed principal axis a box to the Z512 W type set type 80, Ф 90 bores carry noodles and fixed position the noodles carry on Xian to sell process of a kind of auto process an equipments.

The plc is in three noodles Xian design process of the combination tool machine combine solid example, introduction it design method, especially processed to carry on study to three noodles Xians;In the liquid press the design process of the control system, with three noodles Xian combination tool machine for object, press system design according to the liquid of basic principle, draw up reasonable of the liquid press system diagram.Passed the calculation of the system main parameter assurance the liquid press the specification of component;The PLC is in three noodles Xians the combination the tool machine control of application design process in, combine concrete solid example and design experience, elaborated an in general use piece(such as the liquid press slippery set etc.) of selection and the PLC is in three noodles Xians the combination the tool machine of application of design

Key words: The miller principle of the combination tool machine diagram plait distance

目 录

前言        1

第1章  可编程控制器概述        2

1.1 PLC的定义        2

1.2 PLC的基本组成        2

1.3 PLC的功能与特点        3

1.4 PLC的应用范围        3

第2章  系统总体设计        4

2.1 控制要求分析        4

2.2 总体解决方案设计        5

第3章  系统硬件设计        6

3.1 传感器的选择        6

3.2 PLC控制部分硬件设计        6

3.2.1 PLC控制系统外部接线图        7

3.2.2 输入/输出接口（I/O）功能量        7

第4章        系统软件设计        8

4.1梯形图设计方法选择        8

4.2软件部分具体设计        8

4.2.1 控制系统顺序功能图        9

4.2.2 梯形图        9

4.2.3 指令表        11

第5章  程序调试        12

第6章  结论和展望        15

参考文献        16

前言

本论文所选题目为：PLC在三面铣组合机床控制中的应用。

可编程控制器，简称PLC（Programmable logic Controller）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。经过数十年的发展历史，目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺以及交通运输等各个行业。而数控机床则是PLC应用中的主要方面之一。

本文对PLC在三面铣组合机床中的应中进行了详细的分析，其中包括液压系统和PLC控制系统俩部分。本文利用PLC其可靠性高、柔性好、开发周期短以及故障自诊断等特点，充分发挥了PLC的功能，最大限度地满足了该组合机床的控制要求，保证了PLC控制系统安全、可靠、稳定运行。

此课题主要研究的是利用三菱PLC完成对三面铣组合机床工作过程的控制。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、工件松紧油缸等组成。机床底座上安放有床身，床身上一头安装有液压动力滑台，工件及夹紧装置放于滑台上。床身的两边各安装有一台铣销头，上方有立铣头，液压站在机床附近。

该课题研究过程主要分为以下几个方面：数控铣床电气控制电路设计、PLC控制系统软、硬件设计。前言部分介绍了选题依据及背景、选题状况以及本文结构；第一章概论首先介绍了PLC的结构及工作原理、技术特性、发展现状以及未来展望随后又简单介绍了液压方面相关知识。第二章具体介绍了三面铣组合机床的液压系统原理图以及PLC控制系统硬件设计（包括外部接线图、PLC输入/输出接口功能量、相关电器的选型及各个设备之间的连接）。第三章的内容主要是PLC控制系统软件方面的设计（包括三菱软件介绍、具体程序编制与仿真调试），首先通过对三菱编程软件的介绍，使读者学会使用其进行程序编写，并使计算机可以与数控系统进行通信，然后通过编写部分程序传入数控系统，进行简单的调试。第四章是结论与展望。文章最后是作者致谢词和相关参考文献。

第1章  概论

1.1 PLC的定义

可编程控制器，简称PLC（Programmable logic Controller）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：

“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来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，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”

总之可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机，它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力，但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时其硬件需根据实际需要进行选用、配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。

具体一款FX—2N系列PLC实物如下图:

图1-1   FX—2N系列PLC实物图

1.2  PLC的基本组成

PLC的基本组成可归为四大部件：

1．中央处理单元（CPU板）——控制器的核心；

2．输入部件——连接现场设备与CPU之间的接口电路；

3．输出部件¬——送出PLC运算后得出的控制信息；

4．电源部件——为PLC内部电路提供能源。

另外，还必须有编程器——将用户程序写进规定的存储器内。

PLC的基本组成框图如图1-2所示。

图1-2   PLC的基本组成框图

各模块具体介绍如下：

1.CPU的构成

CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

2.I/O模块

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下：

开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA，0-20mA）、电压型（0-10V，0-5V，-10-10V）等，按精度分，有12bit，14bit，16bit等。

除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

3.电源模块

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。

4.PLC系统的其它设备

（1）编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。

（2）人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。

（3）输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。

1.3   PLC的主要特点

一.可靠性高，抗干扰能力强

高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。

二.功能完善，适用性强

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

三.易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

四.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。

五.体积小，重量轻，能耗低

以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

1.4 PLC的功能

1.逻辑控制；

2.定时控制；

3.计数控制；

4.步进(顺序)控制；

5.PID 控制；

6.通信和联网；

7.数据控制，PLC 具有数据处理能力；

8.其它PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如   定位控制模块、CRT 模块。

1.5 PLC的应用范围

目前，在国内外PLC已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业，随着PLC性能价格比的不断提高，其应用领域不断扩大。从应用类型看，PLC的应用大致可归纳为以下几个方面：

一.开关量逻辑控制

利用PLC最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制，可以取代传统的继电器控制，用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制等，例如：机床、注塑机、印刷机械、装配生产线、电镀流水线及电梯的控制等。这是PLC最基本的应用，也是PLC最广泛的应用领域。

二.运动控制

大多数PLC都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。这一功能广泛用于各种机械设备，如对各种机床、装配机械、机器人等进行运动控制。

三.过程控制

大、中型PLC都具有多路模拟量I/O模块和PID控制功能，有的小型PLC也具有模拟量输入输出。所以PLC可实现模拟量控制，而且具有PID控制功能的PLC可构成闭环控制，用于过程控制。这一功能已广泛用于锅炉、反应堆、水处理、酿酒以及闭环位置控制和速度控制等方面。

四.数据处理

现代的PLC都具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表等功能，可进行数据的采集、分析和处理，同时可通过通信接口将这些数据传送给其它智能装置，如计算机数值控制（CNC）设备，进行处理。

1.6 PLC工作原理

可编程控器的工作原理与计算机的工作原理基本一致的，可以简单地表述为在系统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户任务。但个人计算机与PLC的工作方式有所不同，计算机一般采用等待命令的工作方式。如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式。当键盘有键按下或I/O有信号输入时则中断转入相应的子程序。而PLC在确定了工作任务，装入了专用程序后成为一种专用机，它采用循环扫描工作方式，系统工作任务管理及应用程序执行都是循环扫描方式完成的。现叙述如下。

一.分时处理及扫描工作方式

PLC系统正常工作所要完成的任务如下：

（1）算机内部各工作单元的调度，监控；

（2）算机与外部设备间的通讯；

（3）户程序所要完成的工作。

这些工作都是分时完成的。每项工作又都包含着许多具体的工作。以用户程序的完成来说又分为以下三个阶段。

1.输入处理阶段

输入处理也叫输入采样，在这个阶段中，可编程序控制器读入输入口的状态，并将它们存放在输入状态暂存区中。

2.程序执行阶段

在这个阶段中，可编程控制器根据本次读入的输入数据，依用户程序的顺序逐条执行用户程序。执行的结果存储在输出状态暂存区中。

3.输出出来阶段

也叫输出刷新阶段。这是一个程序执行周期的最后阶段。可编程控制器将本次执行用户程序的结果一次性地从输出状态暂存区送到各个输出口，对输出状态进行刷新。

这三个阶段也是分时完成的。为了连续地完成PLC所承担的工作，系统必须周而复始地依一定的顺序完成这一系列的工作。故把这种工作方式叫做循环扫描工作方式。

二.扫描周期及PLC的两种工作状态

PLC有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。运行状态是执行应用程序的状态。停止状态一般用于程序的编

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