分度盘磨铣专用机床PLC控制系统设计.docx

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分度盘磨铣专用机床PLC控制系统设计

摘要……………………………………

（1）

一绪论

1.1设计的目的和意义.....................（3）

1.2任务书……………………………………（4）

二数控系统平面磨床简介

2.1数控平面磨床的现状..........（7）

2.2数控平面磨床的发展................（8）

2.3数控磨床的发展展望..............（10）

三.数控铣床编程和PLC概述

3.1数控编程的定义............（11）

3.2数控编程的内容....................（12）

3.3可编程序控制器概述

PLC的产生……………………（13）

PLC的特点…………………….（14）

PLC的等效电路和工作原理……..（20）

四.PLC的应用设计

4.1.PLC系统设计的基本原则...........（21）

4.2.PLC的输出与输入分配……………….（23）

4.3.PLC的安装与接线…………………….（25）

4.4.PLC与输入/输出设备的连接。

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（27）

4.4PLC程序设计.......................（29）

4.5PLC控制梯形图。

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（31）

五.结束语........................（35）

六.参考文献：

……………………………（36）

绪论

（一）设计的目的和意义

现代工业生产中，中、小批量零件的生产占产品数量的比例越来越高，零件的复杂性和精度要求迅速提高，传统的普通机床已经越来越难以适应现代化生产的要求，而数控机床具有高精度、高效率、一机多用，可以完成复杂型面加工的特点，特别是计算机技术的迅猛发展并广泛应用于数控系统中，数控装置的主要功能几乎全由软件来实现，硬件几乎能通用，从而使其更具加工柔性，功能更加强大。

制造业的竟争已从早期降低劳动力成本、产品成本，提高企业整体效率和质量的竟争，发展到全面满足顾客要求、积极开发新产品的竟争，将面临知识——技术——产品的更新周期越来越短，产品批量越来越小，而对质量、性能的要求更高，同时社会对环境保护、绿色制造的意识不断加强。

因此敏捷先进的制造技术将成为企业赢得竟争和生存、发展的主要手段。

计算机信息技术和制造自动化技术的结合越来越紧密，作为自动化柔性生产重要基础的数控机床在生产机床中所占比例将越来越多。

PLC一经出现，由于它的自动化程度高、可靠性好、设计周期短、使用和维护简便等独特优点，备受国内外工程技术人员和工业界厂商的极大关注，生产PLC的厂家云起。

随着大规模集成电路和微处理器在PLC中的应用，使PLC的功能不断得到增强，产品得到飞速发展。

毕业设计任务书12

一、设计题目

分度盘磨铣专用机床PLC控制系统设计

二、设计目的

a）     通过设计掌握PLC的基本原理及应用，使学生受到PLC系统设计的综合训练，掌握一般方法和步骤，达到进行PLC系统设计和改造的目的。

b）     掌握机电结合控制系统的PLC设计。

c）     培养学生查阅技术资料的能力，和综合运用所学知识，结合实际独立完成课题的工作能力。

d）     提高学生对工作认真负责、一丝不苟，对事物能潜心观察、勇于创新、勇于实践的基本素质。

三、设备概述及技术数据

1、机床加工过程概述

分度盘磨铣专用机床是一种小型八工位回转工作台式组合机床，磨头上装磨铣刀具，由磨头电动机驱动运转；旋转磨头的三次上、下运动即是对工件的磨铣加工，这个上下运动是由液压系统实现的。

台升——台转（45°）——台降——台转油缸复位，实际就是带动被加工工件回转（45°），以便进行下一工位的磨铣加工。

当装好工件按上述工作循环重复进行8次后就完成了八工位的加工任务，然后由人工卸下。

分度盘磨铣专用机床每个工位的工作循环如图所示，该图中的9个行程开关的具体用途为：

SQG1磨头上升到顶时动作SQG2磨头下降到底时动作

SQ1回转工作台上升到顶时动作SQ2回转工作台下降到底时动作

SQ3回转工作台转位到达时动作SQ4液压缸复位时压合

SQ5磨头上升超行程保护SQ6磨头下降超行程保护

SQ71工位时压下其余均不受压

分度盘磨铣专用机床电磁阀均采用三位四通阀，下表为动作顺序：

名称

1YV

2YV

3YV

4YV

5YV

6YV

磨头下

+

磨头上

+

台升

+

台降

+

液压缸转位

+

液压缸复位

+

2、技术数据

液压泵电动机型号及规格：

Y100L1—4，2.2KW，380V，5A，1420r/min。

磨头电动机型号及规格：

Y100L1—2，3KW，380V，6.4A，2880r/min。

电磁阀线圈：

DC24V，0.004678A

四、设计任务

1、控制要求

（1）反映磨头上、下运动到位的检测元件要选取用接近开关。

（2）工件的装卸由人工完成，装上工件后要求能自动完成8个工位的加工后停机，进行调整时则要求能进行一个工位的工作循环。

（3）控制电路要在液压泵电动机起动后才能工作。

（4）系统具有程序预选功能，选定程序后，整个加工过程能自动进行。

（5）加工过程要求停位准确，各运动之间应有相应的联锁。

（6）点动调整时必须考虑磨头上下运动的极限位保护以及必要的联锁。

（7）应有相应的指示和电气保护措施。

2、设计内容

（1）、设计电气控制原理图。

（2）、进行PLC的选择及I/O分配。

（3）、PLC控制程序设计。

（4）对所需电气元器件选型，编制电气元器件明细表。

五、参考资料

1、自动控制原理及系统

2、PLC及应用

3、机床电气控制

4、工厂电气设备控制

第二章数控系统平面磨床简介

2.1数控平面磨床的现状：

平面磨床相对于车床、铣床等采用数控系统较晚，因为它对数控系统的特殊要求。

近十几年来，借助CNC技术，磨床上砂轮的连续修整，自动补偿，自动交换砂轮，多工作台，自动传送和装夹工件等操作功能得以实现，数控技术在平面磨床上逐步普及。

在近年汉诺威、东京、芝加哥、及内等大型机床展览会上，CNC磨床在整个磨床展品中已占大多数，如德国BLOHM公司，ELB公司等著名磨床制造厂已经不再生产普通磨床，日本的冈本、日兴等公司也成批生产全功能CNC平磨，在开发高档数控平磨的同时，积极发展中、低档数控平磨。

2.2数控平面磨床的发展：

我国从80年代开始生产数控平面磨床，各开发厂家分别走过了自行研制，与大学及科研单位合作开发至直接引进成熟数控系统的发展道路。

例如：

杭州机床厂是一家具有五十年历史，专业生产平面磨床的制造厂，它从80年代中期开始生产数控平磨，先后开发生产了MGK7132卧轴矩台高精度平磨，MK7130系列普通数控平磨，MLK7140数控缓进给成型磨，MGK7120、MK7163、MK7150卧轴矩台数控平磨，MKY7760立轴数控双端面磨，MKY7660、MKY7650/101卧轴数控双端面磨，以及HZ-K1610，HZ-K2010，HZ-050CNC，HZ-KD2010、HZ-K3015、HZ-K3020、HZ-K4020等专用数控龙门式平面与导轨磨床。

数控系统的开发应用，有与大专院校及科研单位合作研制的单板机系统，也有自行开发的以单片机为主机的简易控制系统，及采用数控主机厂生产的成熟数控系统等。

其生产的MGK7120高精度平磨，采用了日本FANUC公司的POWERMATE-D双轴数控系统，控制磨头进给，最小进给量0.1μm，具有自动完成磨削循环功能。

MKY7650/101全自动数控双端面磨床是与意大利VIOTTO公司技术合作产品，采用西门子SIMATICS5-115U可编程控制器控制，CRT显示，机床的左、右磨头由二轴直流伺服电机驱动，机床能进行手动调整和自动磨削循环选择。

配有意大利马尔波斯E9型测量系统，二个测量头，一个测量砂轮，将砂轮磨损量反馈给控制系统，进行砂轮补偿；另一个测量头测量磨削后的工件，并将测量结果输入控制系统，由伺服电机进行补偿进给；左、右磨头用VIOTTO光栅作位置测量控制，实现了整机从工件上料到磨削完毕的全闭环和全自动加工。

HZ-050CNC数控直线滚动导轨专用磨床，是为上海市科技结合生产重点工业项目第三次科技攻关项目而开发的专用磨床。

既具有平面磨削功能又有成型磨削功能，它采用了美国A-B公司生产的8400MP数控系统，机床有7根数控轴，X、Y、Z三根磨头进给轴和U、V、W三根砂轮修整轴由系统直接控制，另一轴Q为卧式砂轮横向进给（磨削平面用）通过SLC可编程控制器加IMC定位模块，由系统I/O口输入8400MP主机，控制其位置，具有在磨削中连续修整砂轮或间隙式砂轮修整补偿进给等自动加工能力。

HZ-KD2010六轴数控龙门式双磨头平面磨床，采用FANUC-0MC数控系统，用四根CNC轴分别控制两个磨头的横向和垂直进给，用一根PMC轴控制周边磨头的砂轮修整器金刚笔进给，另一根PMC轴控制万能磨头的分度旋转。

充分利用了系统性能，降低生产成本，提高了机床的性价比。

2.3数控磨床的发展展望

数控磨床发展到现在，已经具有了相当的实力，作为主机生产厂，我们的数控系统应有开发，已经走过了从完全依赖系统供应商到自己初步具有一般开发能力的过程，但数控系统的应用尚在提高机械传动链性能、替代机械手轮、简单加工循环阶段，与先进水平相比，还有着许多差距，在机床的精度、自动化功能、加工效率、可靠性等方面都有许多需要提高、突破的问题，有待解决。

我认为应该对厂目前生产的各类产品的各种结构、产品的使用工艺加以总结，分析其短得失，产品究竞要实现怎样的自动功能，如何逐步发展有个规划，以利学习和工作；重视数控软件的开发，有条件引进技术或外派学习，跟上发展潮流，硬件上结合市场需要，在产品制造中将新技术、新功能逐项实践应用，以缩小与世界先进水平的差距。

随着数控系统性能与可靠性的提高，价格更趋合理，使数控磨床与普通磨床的比价为广大用户所接受，同时随着先进制造与自动化技术在生产中的要求提高，数控磨床的使用也将越来越广泛。

数控平磨及其它磨床将向加工柔性更好的高档磨加工中心和更加高效的专用数控磨床方向发展。

我们相信伴随着计算机、信息技术革命的深入，数控磨床在其智能化、系统信息控制等方面，将会有很大的进步。

如何紧跟历史前进的步伐，找到适合于我们自己特点的发展道路，寻找技术进步的突破点，是我们工作的重点，是关系到企业未来发展及生存的关键问题。

第三章数控铣床编程和PLC概述

3.1数控编程的定义

为了使数控机床能根据零件加工的要求进行动作，必须将这些要求以机床数控系统能识别的指令形式告知数控系统，这种数控系统可以识别的指令称为程度，制作程序的过程称为数控编程。

数控编程的过程不仅仅指编写数控加工指令代码的过程，它还包括从零件分析到编写加工指令代码，再到制成控制介质以及程序校核的全过程。

在编程前首先要进行零件的加工工艺分析，确定加工艺路线、工艺参数、刀具的运动轨迹、位移量、切削参数（切削速度、进给量、背吃刀量）以及各项辅助功能（换刀、主轴正反转、切削液开关等）；接着根据数控机床规定的指令代码及程序格式编写加工程序单；再把这一程序单中的内容记录在控制介质上（如软盘、移动存储器、硬盘等），检查正确无误后采用手工输人方式或计算机传输方式输入数控机床的数控装置中，从而指挥机床加工零件。

3.2数控编程的内容

数控编程步骤如图5－1所示，主要有以下几个方面的内容：

图5－1数控编程步骤

（a）分析图样包括零件轮廓分析，零件尺寸精度、形位精度、表面粗糙度、技术要求的分析，零件材料、热处理等要求的分析。

（b）确定加工艺包括选择加工方案，确定加工路线，选择定位与夹紧方式，选择刀具，选择各项切削参数，选择对刀点、换刀点。

（c）数值计算选择编程原点，对零件图形各基点进行正确的数学计算，为编写程序单做好准备。

（d）编写程序单根据数控机床规定的指令代码及程序格式编写加工程序单。

（e）制作控制介质简单的数控程序直接采用手工输入机床，当程序自动输入机床时，必须制作控制介质。

现在大多数程序采用软盘、移动存储器、硬盘作为存储介质，采用计算机传输来输入机床。

目前，除了少数老式的数控机床仍在采用穿孔纸带外，现代数控机床均不再采用此种控制介质了。

（f）程序校验程序必须经过校验正确后才能使用。

一般采用机床空运行的方式进行校验，有图形显示卡的机床可直接在CRT显示屏上进行校验，现在有很多学校还采用计算机数控模拟进行校验。

以上方式只能进行数控程序、机床动作的校验，如果要校验加工精度，则要进行首件试切校验。

3.3可编程序控制器概述

可编程控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上发展而来的新型工业自动控制装置。

早期的可编程控制器在功能上只能实现逻辑控制，因而被称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC。

随着微电子技术和微型计算机的发展，微处理器用于PLC，使其不仅可以实现逻辑控制，还可以进行数字运算和处理、模拟量调节和联网通信等，因此美国电气制造协会于1980年将它正式命名为可编程控制器（ProgrammableController），简称PC。

但近年来PC又成为个人计算机（PersonalComputer）的简称，为避免发生混淆，我们仍把可编程控制器简称为PLC。

1、PLC的产生

传统的继电器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点，在工业生产中应用甚广。

但是，这些控制装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少，特别是接线复杂、排除故障非常困难而且要花费大量的时间。

如果工艺要求发生变化，控制柜内的元件和接线也需要作相应的变动，改造的工期长、费用高，通用性和灵活性较差。

1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号的不断翻新，想寻找一种方法，以尽可能减少重新设计继电器控制系统和接线、降低成本、缩短时间，而考虑把计算机的功能完善、通用灵活等优点与继电器控制的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，提出了研制PLC的基本设想：

①编程简单方便，可在现场修改程序；②硬件维护方便，最好是插件式结构；③可靠性要高于继电器控制装置；④体积小于继电器控制装置；⑤可将数据直接送入管理计算机；⑥成本上可与继电器竞争；⑦输入可以是交流115V；⑧输入为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀；⑨扩展时，原有系统只需做很小的改动；⑩用户程序存储器容量器容量至少可以扩展到4K。

根据以上设想和要求，1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的汽车生产线上试用成功，从而开创了工业控制的新局面。

从此，这一更新技术就以很快的速度发展起来，现代的PLC已成为现代工业控制的三大支柱（PLC，机器人和CAD／CAM）之一。

2、PLC的特点

（1）．编程方法简单易学

考虑到企业中一般电气技术人员和技术工人的传统读图习惯和应用微机的实际水平，PLC配备有他们最容易接受和掌握的梯形图语言。

梯形图语言的电路符号和表达方式与继电器电路原理图非常接近。

而且某些仅有开关量逻辑控制功能的PLC只有十几条指令。

通过阅读PLC的使用手册或短期培训，电气技术人员或技术工人只要几天的时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。

（2）．硬件配套齐全，用户使用方便

PLC配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户不必自己设计和制作硬件装置。

用户在硬件方面的设计工作只是确定PLC的硬件配置和外部接线。

PLC的安装接线也很方便。

（3）．通用性强，适应性强

PLC的生产具有系列化和模块化特点，硬件配置相当灵活，可以很方便地组成能满足各种控制要求的控制系统。

组成系统后，如果工艺变化，可以通过修改用户程序，方便快速地适应变化。

（4）．可靠性高，抗干扰能力强

绝大多数用户都将可靠性作为选择控制装置的首要条件。

PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。

PLC的平均无故障间隔时间高，如日本三菱公司的F1、F2系列PLC的平均无故障间隔时间长达30万小时，这是一般微机所不能比拟的。

（5）．系统的设计、安装、调试工作量少

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。

PLC的梯形图程序很容易掌握，设计和调试梯形图所花的时间比设计继电器系统电路图花的时间要少得多。

（6）．维修工作量小，维修方便

PLC的故障率很低，并且有完善的诊断和显示功能。

PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的指示灯或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因。

用更换模块的方法可以迅速地排除PLC的故障。

（7）．体积小，能耗低

以F1一40M型PLC为例，其外形尺寸为305×ll0×110mm，功耗小于25VA。

由于体积小，PLC很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想的控制设备。

3、PLC的等效电路和工作原理

可编程序控制器的工作原理与计算机的工作原理基本上是一致的，可以简单地表述为系统程序的管理下，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口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，装入了专业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。

（1）．PLC的等效电路

图9-2PLC的等效电路

PLC的工作酷似一个继电器系统，其等效电路可分为三部分：

输入部分、内部控制电路和输出部分，如图9-2所示，图中“

”为PLC内部用程序实现的软继电器的线圈，“

”为常开触点，“

”为常闭触点。

①输入部分——这部分的作用是收集被控设备的信息或操作命令。

输入端子外接行程开关、按钮等的触头，内连输入继电器线圈。

输入继电器由外部信号通过输入端子驱动，可提供无限多对常开、常闭的软触点供内部使用。

②内部控制电路——由用户根据控制要求编制的程序所组成，其作用是按用户程序的控制要求对输入信号进行运算处理，判断哪些信号需要输出，并将得到的结果输出给负载。

PLC内部有许多类型的器件，如定时器（T）、计数器（C）、辅助继电器（M）等，它们都有许多对用软件实现的常开、常闭触点。

编写的梯形图是将这些软器件进行内部接线，完成被控设备的控制要求。

③输出部分——这部分的作用是驱动外部负载，所以输出端子是PLC向外部负载输出信号的端子，其内连输出继电器（Y）的一对常开触点。

输出继电器除提供一对常开触点驱动负载以外，还可以提供无数对常开、常闭触点供内部使用。

第四章.PLC的应用设计

4.1PLC系统设计的基本原则

随着PLC功能的不断增强，通信网络化的实现以及功能模块的专用化，使得PLC的应用场合愈加多样性，它所控制的系统也越来越复杂。

因此，PLC的系统设计不可能归纳出一个适合于任何PLC控制系统的具体准则和步骤，下面只叙述PLC控制系统设计应遵守的基本原则。

1.归纳出被控系统的工作流程

在应用PLC时，首先需要详细了解被控对象的特点，明确生产设备的控制过程与要求，例如控制对象的动作顺序，相互之间的约束关系，驱动装置的工作电压、电流、功率以及驱动时间等。

在此基础上，进一步熟悉生产工艺流程，对控制系统中的所有功能和指标，进行归类整理，明确其控制任务。

对于较复杂的控制系统，应归纳出工作循环图或状态流程图。

一个清晰完整准确的流程图，将为PLC的系统设计带来十分便捷的作用。

2.确定系统的控制方案

（1）确定控制范围就是确定受控对象与PLC之间的输入、输出关系。

例如确定哪些是输入信号类型（如按钮、行程开关等开关量信号以及温度、压力等模拟量信号等）及性能要求（例如精度、幅度、速度等）；明确哪些信号是输出到受控对象（例如执行机构和状态显示）等；并考虑这些信号的输入接口以及输出接口问题，例如输入信号的高低电平匹配、波特率等参数要求，输出信号与执行机构的匹配等。

明确上述关系和要求，实现参数控制的具体方案，将为确定PLC控制所需的硬件和软件结构提供依据。

（2）确定控制系统的通信网络结构方案。

如果没有通信网络，则这一步可省略。

关于通信网络的方案选择，请见《可编程序控制器通信与网络》一书。

3．进行系统设计

将PLC用于实际控制系统的工作，称为PLC的系统设计，它包括硬件设计和软件设计两部分。

硬件设计是根据电气控制系统的控制要求、工艺要求和技术要求等，对PLC进行选型和硬件配置；软件设计是PLC的应用程序设计。

硬件和软件的设计一般可以同时进行。

4.2PLC的I/O分配

PLC的安装、接线和硬件设置，虽然工作都不太复杂，但也要认真完成。

为了防止接线错误，首先要对I/O点进行分配，做成一个I/O分配表，并设计PLC的I/O端口接线图。

在分配I/O点编号时，尽量将同类的信号集中配置，地址号按顺序连续编排。

例如，对彼此关联的输出器件（正转和反转，前进和后退）等，它们的地址应连续编号。

一般来说，中间继电器、定时器、计数器等元件，不必列在I/O表中。

对于微型或小型系列的PLC，如果控制功能少，且I/O点数不多时，则I/O分配表可按顺序排列，列出了用一台CS1系列PLC控制U型折扳机的I/O分配情况。

输入部分

输出部分

输入设备

输入点编号

输出设备

输出点编号

起动按钮

X400

磨头电动机接触器

Y530

停止按钮

X401

磨头上1YV

Y531

磨头上升限位开关SQG1

X402

磨头下2YV

Y532

磨头下降限位开关SQG2

X403

台升3YV

Y533

回转工作台上升限位开关SQ1

X404

台降4YV

Y534

回转工作台下降限位开关SQ2

X405

液压缸转位5YV

Y535

回转工作台转到位动作开关SQ3

X406

液压缸复位6YV

Y536

液压缸复位压合开关SQ4

X407

磨头上升超行程限位开关SQ5

X500

磨头下降超行程限位开关SQ6

X501

工位时压下其余均不受压SQ7

X502

对于中型以上系列的PLC，一般需要完成多个功能，若将I/O点按顺序分配，将给编程和调试带来不便。

为此，其I/O分配应按照功能把输入、输出分段，将相同功能的输入模块和输出模块组成一组。

则在PLC机架上形成输入模块和输出模块交叉插放。

例如用一台I/O容量各为512点的PLC来控制五台交流异步电动机的起动，假设每台电动机的起动互锁条件（输入）为8点，起动命令（输入）为6点（点动、手动和自动），起动和停止输出各1点，与电动机同时起动的电磁阀（输出）2个（点），显示灯（输出）2个（点）。

即输入有14点，输出