plc铣床设计

           程

计

设

 学校：洛阳理工学院

              系别：电气工程与自动化系

              专业：电气自动化技术

              姓名：xxx

PLC三面铣组合机床及控制系统的课程设计

            前言

随着时代的发展，科技在发生着日新月异的变化，这就体现在科学技术的发展。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。本次设计任务是把PLC应用在组合机床中实现自动化控制的加工工艺、组合机床工序的工装设计、控制系统设计、PLC的程序设计。

　　在工艺制定过程中，通过生产批量的分析确定组合机床结合件的加工方案，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；在三面铣组合机床的工装设计过程中，结合实例，介绍了铣刀设计方法，特别是对毛坯工件的加工精度进行了探讨；在PLC控制系统设计过程中，以三面铣组合机床为对象，依据机床系统设计的基本原理，拟出合理的组合机床系统图。通过系统主要参数的计算确定了铣刀及其他元件的规格；在组合机床设计过程中，结合具体实例和设计经验, 阐述了通用件(如编程器，铣刀等)的选取及专用部件（如机床）的设计计算。

一、目录

二、一、课程设计的目的……………………………3

二、课程设计的内容概述………………………3

（一）三面铣组组合机床的控制概述

三、（二）三面铣组合机床的控制要求

四、（三）设计的任务及要求

三、具体设计……………………………………8

（一）控制系统的设计

五、1 、PLC的选取

六、（二）硬件设计

七、1 系统主电路的设计              

八、                    2 系统控制回路的设计

九、（三）软件的设计

有语句表和梯形图

一十、四、课程设计的心得体会………………………24

五、参考文献………………………26

一十一、课程设计的目的 

1．进一步巩固本课程所学知识； 

2．掌握一般生产机械PLC控制系统的设计与调试方 

法； 

3．掌握一般生产机械电气线路的施工设计； 

4．培养查阅图书资料、工具书的能力； 

5．培养工程绘图、书写技术报告的能力。   

二、课程设计的内容概述

（一）三面铣组合机床概述 

1.1基本结构 

三面铣组合机床主要由底座、床身、铣削动力头、机械动力滑台、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。 

1.2机械动力滑台 

机械动力滑台由滑台、滑座和双电机（快速及进给电机）传动装置三部分组成。快速进给电动机用来拖动滑台快进和快退运动，工进电动机拖动滑台工作进给运动，在工进时，只允许工进电机单独工作，快速进给电机由制动器制动。滑台的自动工作循环是靠传动装置将动力传递给丝杠来实现的。 

1.3 工件的加工过程 

三面铣组合机床是用来对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。加工工件的示意图如图1-1所示。 

1.4 三面铣组合机床的加工过程

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，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，加工到终点三台电机同时停止。待电机完全停止后，滑台快退回原位，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。 

（二）三面铣组合机床的控制要求

2.1组合机床的介绍

组合机床是一种在制造领域 中用途广泛的半 自动专用机床，由通用部件(如动力头、动力滑台、床身立柱等)和专用部件(如专用动力箱、专用夹具等)组成。这种机床既可以单机使用，也可以多机配套组成加工 自动线，用于大批量机械 产品的高效自动化生产，如汽车零部件制造中的许多生产线三面钻组合机床由三个液压动力滑台和液压传动的工作台组成。左、右动力头和后动力头分别由其主轴电机拖动，左、右动力头滑台和后动力滑台由液压缸驱动前进或后退。工件通过液压夹具安装在工作台上。左、右动力头和后动力头同时工作、依次工作或选择其中任意一个滑台进行一轮自动加工循环。 

2.2 三面铣组合机床控制系统现状分析  

       目前，三面铣组合机床动力滑台及夹紧机构的控制传统上普遍采用液压结合电气控制，电气控制采用传统的继电器(RLC)硬布线逻辑控制。这种控制方式具有很大的局限性即一种控制系统只能控制特定的对象。当控制对象变化时需要重新设计、重新布线；另外，这种控制系统可靠性差 ，需经常维修。而可编程控制器(PIE )是工业控制当中的通用设备，当控制对象变化，只需改变程序软件就能满足控制要求同时，PLC相对于RLC具有可靠性高、抗干扰能力强、性能价格比高、硬件配套齐全，适应性强、用户使用方便等优势。因此，随着近年来数控技术、电子技术、计算机技术等的发展，在三面铣组合机床的控制系统中用 PIE代替传统的RLC是必然的趋势。 

三、具体设计

3.1 控制系统的设计 

3.1．1 PLC的选取 

     由于 PLC的品种、型号、规格、功能各不相同，综合多种因素考虑，本控制系统的主控设备选用西门子公司的 s7—200系列小型可编程序控制器。s7—200型是一个小型模块化的PIE系统，它能满足中等性能要求的应用，具有功能完善、结构紧凑、使用方便、易于掌握、性价比高等特点。并且具有多种功能模块和人机界面可供选择 ，可以很容易地组成PLC网络，它同时具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，非常适用于本系统 。    

3.2 硬件设计

3.2.1 系统主电路的设计

控制系统的主电路主要由刀开关 、熔断器、接触器的主 触点、热继电器的热元件和电动机构成。对于三面铣组合机床来说，机床上有四台电动机：液压泵电动机 M1(对整个系统提供油液)、左刀具电动机 M2、右刀具电动机 M3、后刀具电动机 M4(对工件进行钻孔加工)。各电动机的控制如下：液压泵电动机 Ml由接触器 KM1控制左动力头电动机 M2由接触器 KM2控制；右动力头电动机 M3由接触器KM3控制 ；后动力头电动机 M4由接触器 KM4控制。四台电动机功率不是很大，启动电流不大，无须采用降 压启动，同时也无正反转要求，均为直接起动，单向旋转。 

图1为三面钻组合机床控制系统的主电路图。 

3.2.2 系统控制回路的设计

     PLC控制系统中的控制回路，是指由继电器、接触器等低压电器构成的强电控制回路。在常见的控制系统中，控制回路一般有 AC220V与 DC24V两种 。具体设计步骤如下：

     a)控制系统的I／O点数的确定

      对三面钻组合机床的要求进行分析，可以确定的输入/输出量有：液压泵启动／停止按钮、系统启动按钮、工件夹紧/放松按钮、工作台前进／后退点动按钮、滑台前进／后退点动按钮、动力头电机启动／停止按钮 、急停按钮、手动／自动选择开关、自动工作模式选择开关 、滑台选择开关 、工作台选择开关以及各执行元件的位置检测行程开关等输入量。四个电机的接触器线圈、工作台前进／后退电磁阀、夹具夹紧电磁阀、左右后滑台的快进／工进／快退电磁阀、指示灯等输出量。   

具体分配如表 1所示。

    表1   三面铣组合机床部分I/O定义表

          液压泵启动按钮 SB1  1 四电动机接触 器线圈 KMI～KM4

          液压泵停止按钮  SB2  2  工作台前进电磁 阀  YA1 

          系统启。动按钮  SB3  3  工作台后退电磁 阀  YA2 

液压夹具夹紧按钮 SB4  4  夹具夹紧电磁阀  YA3 

液压 夹具松开按钮 SB5  5  左滑 台快进电磁阀  YA

6主轴电机启动按钮 SB6  6  左滑台工进电磁阀  YA5 

7主轴电机停止按钮 SB7  7  左滑台快退电磁阀  YA6 

8工作台前进点动按钮 SB8  8  右滑台快进电磁阀  YA7 

9工作台后退点动按钮 SB9  9  右滑 台工进电磁阀  YA8 

10滑台前进点动按钮SB10   10 右滑 台后退电磁阀  YA9 

   b)处理单元和扩展单元

图2 PLC系统配置

从上表的分析可以知道 ，系统共有开关量输入点 38个 ，开关输出点 19个 ；无模拟量 的输入和输 出点 ，因此可以选择 CPU224 PLC作为主机单元。参照西门子 s7—200产品目录及市场实际价格 ，选用主机为 CPU224(14输人／10输出)一台，加上一台纯输入模块 EM221(16DC输入)，一

台混合扩展模块 EM223(8DC输入／8继电器输出)和一台混合扩展模块 EM223(4DC输入／4DC输出)。这样的配置是最经济的。整个 PLC系统的配置如图 2所示。 

   c)确定 PLC输入／输出

PLC输入／输出回路设计非常简单 ，只是按照系统的要求与模块的 I／O情况 ，对各模块的 I／O点进行功能分配与相对均匀的分配而已，这些分配不仅需要考虑 PLC的负载均匀 ，而且 同时要求考虑 PLC程序设计方面的需要因此 ，在三面钻组合机床 I／O点的确定以及 PLC选型完成后 ，便可以分配 I／O点，然后确定出 PLc输入／输 出回路O点分配情况如表 2和 3所示。 

    其中，选择开关 SA2打到 13．0时为同时工作模式，打到 I3．1为选择工作模式，都断开时表示为顺序工作模式。选择开关 SA3都断开时表示滑台全选，SA4都断开时表示主轴 电机全选。这样 的选择有利于节省点数。 

表2           部分输入点分配 

       SBI液压泵启动 l0．0    SA4  主轴电机选择(右)  I4．

SB2液压泵停止  10．1  SA4  主轴电机选择(后)  I4．

SB3系统启动  10．2  SQl  左快进结束行程开关  I3．

      SB4夹具夹紧  10．4  SQ2  左工进结束行程开关  I3．

       SB5夹具松开  10．5  s93  左原位行程开关  13．

SB6主轴电机启动  10．6  SQ4  右快进结束行程开关 I2．

SB7主轴电机停止  IO．7  SQ5  右工进结束行程开关 I2．

SB8工作台前进点动  I1．0  SQ6  右原位行程开关  12．

 SB9工作台后退点动  l1．1  SQ7  后快进结束行程开关  I2．

SB10滑台前进点动  II．2  sQ8  后工进结束行程开关 I2． 

             表3        输出点分配 

KM1液压泵电机  Qo．0 YA7  右滑台快进电磁阀  Q2．

KM2左主轴电机 Q0．1 YA8  右滑台工进电磁阀  Q2．

KM3右主轴电机 Q0．2 YA9  右滑台快退电磁阀  Q2．

KM4后主轴电机 Q0．3 YA10 后滑台快进电磁阀  Q2．

YAI工作台前进电磁阀 QO．4 YA11 后滑台工进电磁阀  Q2． 

YA2工作台后退电磁阀 Qo．5 YA12 后滑台快退电磁阀  Q2． 

YA3液压夹具电磁阀  Qo．6 HL1  系统压力正常指示灯 Q2．

YA4左滑台快进电磁阀 QO．7 H  夹紧压力正常指示灯 Q2． 

YA5左滑台工进 电磁 阀 Q1．0 HL3  报警指示灯  Q3．

YA6左滑台快退电磁阀 Q1．1 

 在分配好 I／O点后，便可以连接 PLC输入／输出回路。

 3.3 软件设计 

     三面铣组合机床的控制是比较复杂的，要满足多位置 、多控制的要求。但是其运行还是有规律可循的，它总是按照一定的程序性 ，重复地进行动作 ，循环过程为 ：夹紧一工作台前进一滑台快进一工进一滑台快退一工作台后退一放松。 

     由三面铣组合机床的控制要求可知 ，该控制系统需要实现 3个控制功能 ： 

① 执行元件的点动 、复位控制 ； 

② 动力滑台的单机自动循环控制； 

③ 整机全自动工作循环控制。 

   由此可首先设计出该组合机床的顺序功能图，再由顺序功能图最终设计出符合要求的控制梯形图。

   分析三面铣组合机床的加工过程，可知系统的工作条件是在液压泵启动且系统压力达到指定值后，执行元件才能工作， 这就相当于整个系统的启停控制 ，而设备有 “自动／手动”两种工作方式 ，其控制程序由系统主程序、“自动”控制程序、“手动”控制程序三个模块组成。各模块 程序分开编写，结构简单，层次清楚，便于调试和修改  。下面就以系统主程序为例 ，说明程序的设计 。 

18       LD          TO 

19       SET       LD          TO 

20       STL   S21  

21       OUT  Y000

22       OUT  Y001

23       OUT   TI       D0

24          LD          T1

25        sET          S22     

26           STL

27          OUT  YO01  

28          OUT  TO  DO  

29         LD  TO  

30         sET  s23 

31          sTL  s23

32       OUT  Y001  

33      OUT  Y002   

34      OUT  T1  D1  

35      LD  T1  

36      SET S24

37      OUT  Y002 

38      LD  T1  

39       OUT  TO  D0  

40        LD  T0

41         SET $25  

42         sTL  s25

43        OUT  Y002 

44        OUT  Y000

45         OUT  T1  D0  

46         LD  T1 

47         OUT  SO  

48          RET

49        END

       程序图

注：上图为梯形图。 从左到右的电器原件一次为；M0.0 、　M0.1 Q0.0、　 Q0.0 、　Q0.0 、　M4.3、　 Q2.6、　 M2.2、　 M2.5 M2.7、　 M3.4、　 Q0.1、　 Q0.2、　 Q0.3 、　Q0.6 、　M7.0 M1.5、　 SM0.1、　 M1.5、　 M1.4 、　EN 、　M1.5 、　M1.4 EN 、　M0.3、　 Q3.0、　 M4.5、　 M4.6、　 M4.7

如图3所示。当按下液压泵启动按钮 10．0时，液压泵电机启动 ，系统压力逐渐升高，直到达到工作要求时，压力继电器 I4．3(ON)，指示灯 Q2．6亮，当夹紧压力继电器 I4．4

(ON)，指示灯 Q2．7亮，当4个电机过载时，指示灯 Q3．O亮。系统主程序包含系统的起、停控制和指示灯等部分。 

    本程序经模拟调试 ，完全符合三面铣组合机床的电气控制要求，使用效果良好。在使用过程中，还可以根据不同的控制要求，在不改动接线或改动很少的情况下，通过改变程序来实现不同要求 ，大大节省了安装调试时间，提高了效率。 

四、课程设计心得体会

     步进电动机用 PLC控制通电脉冲，硬件接线简单 ，程序编制也很容易。如要实现步进电动机的反转只要改变电动机的通电顺序即可采用 PLC直接控制步进 电机技， 减少了系统设计的工作量，大大缩短了开发研制周期定范围内，有较高的推广和实用价值。

     本文在对三面铣组合机床控制系统现状分析的基础上 ，提出了一种基于西门子公司 S7—200系Nd,型可编程序控制器作为主控设备的控制系统，并完成了硬件设计和软件设计。经模拟调试 ，完全满足相关控制要求，同原有控制系统相比具有稳定性高 、适应性强 、成本低等优点。为组合机床控制系统智能化、知识化、小型化的发展提供 了有利的参考。 

五、文献参考 

   1王永华．现代电气控制技术及 PLC应用技术．北京：北京航空航天大学出版社，2003．9 

2西门子技术服务中心．用户手册(上、下)成都：四川省机械 设计研 究院，2000 

3许廖．电气控制与PLC应用[M]．北京：机械工业出版社，2005．12

4贾德胜．PLC应用开发实用子程序[M]．北京：人民邮电出版社

邓星钟主编 ．机电传动控制[M]．武汉：华中科技大学出版社，廖常初·可编程序控制器应用技术[M]·重庆：重庆大学出版社，赵红顺，朱长卿，李华·步进电动机的PLc控制[J]·机床电器，晋小．莉，王立莹．PLc直接控制步进电机系统[J]．小型内燃机与