凡尔座圈专用机床Word文件下载.docx
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前言1
1.可编程控制器介绍2
1.1概述2
1.1.1PLC的产生和发展2
1.1.2PLC的特点3
1.1.3PLC的分类3
1.2PLC的组成及工作原理4
1.2.1PLC的硬件组成4
1.2.2PLC的软件组成5
1.3PLC的工作原理6
2.凡尔座圈专用机床介绍7
2.1凡尔座圈专用机床及加工过程概述7
2.2凡尔座圈专用机床控制要求12
3.机床控制系统硬件设计13
3.1主电路和控制电源的设计13
3.2机床工艺系统硬件设计14
3.2.1PLC的选择14
3.2.2PLC的I/O口分配20
3.2.3PLC硬件接线图设计22
3.2.4其它电器元件的选择22
3.3绘制电器元件布置图和电气安装接线图26
3.4绘制控制面板布置图和接线图27
4.系统软件设计30
4.1PLC功能流程图30
4.2PLC的梯形图程序32
4.2.1程序的总体结构32
4.2.2程序的整体设计33
总结42
致谢43
参考文献44
附件电气原理图45
前言
可编程序控制器（PLC），是以微处理器为核心的通用自动控制装置。
它具有控制功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于扩展、通用性强等一系列优点，不仅可以取代继电器控制系统，还可以进行复杂的生产过程控制和应用于工厂自动化网络，被誉为现代工业生产自动化的三大支柱之一。
PLC目前已广泛应用于工业生产的自动化控制领域，无论是从国外引进的自动化生产线，还是自行设计的自动控制系统，都普遍采用了数字控制，而这些数字控制系统绝大部分是由单台或多台可编程控制器构成，PLC以其高可靠性和操作的简便性等优点，已经形成了一种趋势，这种趋势正方兴未艾。
凡尔座圈专用机床为液压控制，电气控制采用PLC可编程控制器，液压系统保证液压机连续，频繁的稳定工作。
配有油液冷却装置。
采用按钮集中控制，同时装有机械限位装置，从而保证制品的一致性。
由于继电器接触器控制是采用固定接线的硬件实现逻辑。
如果生产任务或生产工艺发生变化，就必须重新设计，改变硬件结构，这样造成时间和资金的浪费。
另外，大型控制系统用继电器接触控制，使用继电器数量多，控制系统体积大，耗电多，且继电器触点为机械触点，工作频率低，在频繁动作情况下寿命较短，造成系统故障，系统的可靠性差。
而PLC控制能改善继电器控制器上述的不足,PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体技术、自动控制技术、数字技术和网络通信技术。
从运动控制到过程控制PLC以其可靠性高、灵活性强、抗干扰能力强、通用性强、控制程序可变、使用方便、适应面广、编程简单、容易掌握、体积小、重量轻、功耗低、维护方便、减少了控制系统的设计及施工的工作量等优势特点，迅速占领了工业控制领域。
本论文首先介绍了可编程逻辑控制器，然后介绍了凡尔座圈专用机床工作原理，根据它的工作原理及控制要求设计出电气原理图和基于可变程序控制器的控制系统。
1.可编程控制器介绍
1.1概述
可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族的一员是为工业控应用设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicControlle），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称为PLC。
国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是这样的：
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
1.1.1PLC的产生和发展
在可编程序控制器出现前，在工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位，应用广泛。
但是传统的电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别是其接线复杂、不易更改，对生产工艺变化的适应性差。
1969年美国数字设备公司（DEC）研制出一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。
这种新型的工业控制装置以其简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用，到1971年，已经成功地应用于食品、饮料、冶金、造纸等工业。
我国从1974年开始研制，1977年开始应用于工业。
早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。
这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义。
其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。
它在硬件上以准计算机的形式出现，装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。
另外还采用了一些措施，以提高其抗干扰的能力。
在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式——梯形图。
因此，早期PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点是简单易懂、便于安装、体积小、能耗低，有故障显示，能重复使用等。
20世纪70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。
美国、日本、德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU），这样使PLC的功能大大增强。
在软件方面，增加了算术运算、数据处理和传送、通信、自诊断等功能。
在硬件方面，增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加。
除此之外，还提供了一定数量的数据寄存器。
进入20世纪80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。
而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。
这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。
1.1.2PLC的特点
PLC技术之所以高速发展，除了工业自动化的客观需要外，主要是因为它具有许多独特的优点。
它较好地解决了工业领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。
主要有以下特点：
（1）灵活；
（2）便于改进和修改；
（3）节点利用率高；
（4）成本低；
（5）可模拟调试；
（6）能对现场进行微观监视；
（7）快速动作；
（8）可靠性高；
（9）图纸简化；
（10）易于系统的变化。
1.1.3PLC的分类
PLC产品的种类繁多，其规格和性能也个不相同。
对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。
1.根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。
2.根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。
3.根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型、和大型三类。
1.2PLC的组成及工作原理
PLC是微机技术和控制技术相结合的产物，是一种以微处理器为核心的用于控制的特殊计算机，因此PLC的基本组成与一般的微机系统类似。
1.2.1PLC的硬件组成
PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、通信接口、扩展接口、电源等部分组成。
其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备于CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。
1.中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它控制PLC系统程序属于的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；
检查电源、存储器Ｉ/Ｏ以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入Ｉ/Ｏ映像区然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序,经过命令解释后按指令的规定将逻辑或算数运算的结果送入I/O映像区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后,最后将I/O映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置,如此循环运行,直到停止运行。
2.存储器
存储器主要有两种：
一种是可读/写操作的随机存储器RAM，另一种是只读存储器ROM、PROM、EPROM和EEPROM。
在PLC中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。
系统程序是由PLC的制造厂家编写的，和PLC的硬件组成有关，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提供PLC运行的平台。
系统程序关系到PLC的性能，而且在PLC使用过程中不会变动，所以是由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中，用户不能访问和修改。
用户程序是随PLC的控制对象而定的，由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。
在PLC运行过程中经常变化、经常存取的一些数据。
存放在RAM中，以适应随机存取的要求。
在PLC的工作数据存储器中，设有存放输入输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等逻辑器件的存储区，这些器件的状态都是由用户程序的初始设置和云新情况而确定的。
3.输入/输出单元
输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。
PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；
同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。
I/O接口的主要类型有：
数字量（开关量）输入、数字量（开关量）输出、模拟量输入、模拟量输出等。
常用的开关量输入接口按其使用的电源不同由三种类型：
直流输入接口、交流输入接口和交/直流输入接口。
常用的开关量输出接口按输出开关器件不同有三种类型：
继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出。
1.2.2PLC的软件组成
PLC的软件由系统程序和用户程序组成。
系统程序由PLC制造厂商设计编写的，并存入PLC的系统存储器中，用户不能直接读写与更改。
系统程序一般包括系统诊断程序、输入处理程序、编译程序、信息传送程序、监控程序等。
PLC的用户程序是用户利用PLC的编程语言，根据控制要求编制的程序。
在PLC的应用中，最重要的是用PLC的变成语言来编写用户程序，以实现控制目的。
PLC编程语言是多种多样的，对于不同生产厂家、不同系列的PLC产品产用的编程语言的表达方式也不同，但基本上可归纳两种类型：
一是采用字符表达方式的编程语言，如语句表等；
二是采用图形符号表达方式的编程语言，如梯形图等。
常见的PLC编程语言有：
1.梯形图语言；
2.语句表语言；
3.逻辑图语言；
4.功能图标语言；
5.高级语言。
1.3PLC的工作原理
1.扫描技术
最初研制生产PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式有如下的区别。
继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括常开或常闭触点）在继电器控制线路的任何位置上都会立即动作。
PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点才会动作。
为了消除两者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式----扫描技术。
这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置在处理结果上就没有什么区别了。
2.PLC执行程序的过程及特点
当PLC投入运行后,其工作是以循环的方式来完成的,一般分为3个阶段,即输入采样、用户程序执行和输出刷新3个阶段。
完成上述3个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述3个阶段：
输入采样阶段、用户程序执行阶段、输出刷新阶段。
2.凡尔座圈专用机床介绍
2.1凡尔座圈专用机床及加工过程概述
1.机床加工工艺
机床由床身、主轴箱、转塔尾架、前刀架、后刀架和料斗等部件组成。
机床主轴箱前端的液压卡盘夹紧凡尔座圈的坯料作旋转运动，尾架上装上由膛孔刀和平面车刀，工作进给后，完成镗内孔和沉孔加工；
尾架，前、后刀架的工作进给和快速进、退由液压缸驱动。
机床的转塔尾架具有四个位置，两个位置上安装相同的膛孔刀和平面车刀，另两个位置上安装由相同的定位挡料块，它们呈90°
交叉排列（见图2.1），转塔尾架按顺时针方向单向转位，每加工一个工件它都要转位两次，以便完成挡料和镗内孔、沉孔加工两个工序（转塔尾架后退时通过机械联动机构自动转过90°
）。
图2.1刀架布置图
凡尔座圈的坯料是成段钢管，每段坯料的长度可加工6个座圈，段料整齐地放在料斗中，当加工完第6个座圈后，段料能自动进入主轴箱后端，由推料液压缸推至主轴箱前端，然后再继续加工。
在6个工件的加工循环过程中，推料液压缸始终推住坯料。
当一个座圈被割刀割断后，卡盘松开，段料在液压缸的推力作用下，被推向前端，并由挡料块挡住，定位，然后卡盘夹紧，再进行加工。
只有当6个座圈都加工完毕，料头（即一段专供加工第6个座圈时夹紧用的坯料）推出后，推料液压缸才快退让新的段料落下，经延时后又前进推料，也就是说每隔六次循环，推料液压缸快速往返一次。
2.凡尔座圈专用机床工件加工工作循环图和检测元件用图表。
凡尔座圈专用机床各部件的工作循环图见图2.2。
图2.2各部件的工作循环图
机床各部件工作循环图中的行程开关用途详见表2.1。
表2.1行程开关用途表
尾架
SQ1
尾架前进至终点压下
SQ2
尾架原位压下
SQ3
尾架快进转工进时压下
前刀架
SQ4
前刀架快进转工进时压下
SQ5
前刀架工进到底压下
后刀架
SQ6
后刀架快进转工进时压下
SQ7
后刀架工进到底压下
SQ8
后刀架原位时压下
推料缸
SQ9
推料缸推料完压下
SQ10
推料缸复位时压下
加工一个零件的全部工步绘在工作循环总图2.3中，它由14个工步组成。
图2.3加工一个零件的工作循环总图
在图2.3所示工作循环总图中应该注意下列两点：
（1）前刀架未设原位行程开关。
这个开机原位条件应人工判断其是否满足。
（2）程序（或工序）2有两种不同延时时间：
在加工坯料前5段时取延时2s；
在加工最后一段座圈时则要取延时5s。
完成上述工步的电磁阀用途表如表2.2所示。
表2.2电磁阀用途表
卡盘
1YV
+
松夹
-
夹紧
2YV
快进
2YV3YV
工进
快退
4YV
4YV5YV
6YV
6YV7YV
8YV
快退、加料
进给、推料
另外设置9YV为总油门电磁阀，机器工作时处于得电状态。
压力继电器SP发出主轴液压卡盘夹紧信号，油路要求失电夹紧。
3.本机床的特殊要求
前以述及，本机床机、液设计时配置了装卸机构——每次工作循环中经第13程序后刀架工进切割后，已加工完成的一个座圈便自动落入料仓，这是自动卸料；
而当推料液压缸退回原位后，送料机构便自动送入一段坯料至推料液压缸让出位置，这个送入坯料的工作是安排在第2程序（夹具放松）中进行的，这是自动装料。
由于每一段坯料可加工6个座圈，因此每当完成6个座圈加工后，在进行第7个座圈机械加工前就得完成送妥一整段新坯料的工作。
由此可见，为了实现上述自动的要求就必须考虑到加工每一段坯料的前6个座圈与第7个座圈的工作循环的区别。
表2.3对照说明了两种工作循环的第2程序中加工内容的不同。
表2.3两种工作循环
程序
名称
原始
1
尾架快进
2
卡盘放松，延时2s
推坯料至尾架挡块顶住时间t1，t1<
2s
卡盘放松，延时5s。
推料缸推最后一段料头坯料t1；
推料缸快退回原位t2；
新坯料送入t3；
推料缸推新坯料至尾架顶住t4
3
卡盘夹紧
4
尾架快退
·
13
后刀架工进
14
后刀架快退
从表中还可以看到：
（1）在前6个座圈加工循环的第2程序定为进行2s，t1<
2s说明在2s之内推料缸完成了推料送入夹具的动作。
在第7个座圈加工的第2程序定为进行5s，t1+t2+t3+t4<
5s说明在5s时间内完成了①推去仅供夹住用的剩余的料头；
②缸退；
③送新的整段坯料；
④推新整段料至尾架顶住的任务。
实际上，这就是我们分别把两种工作循环的第2程序进行时间分别定为2s和5s的原因。
（2）在两种工作循环中，除第2程序外其余各程序的加工内容完全一样。
因此，上述两种工作循环并无本质区别，只是它们的第2程序加工内容带有可自动预选的性质。
图2.4绘出了第7个座圈加工工作循环的第2程序内进行的几个阶段。
a）（推料缸推最后一小段料头）
b）（推料缸快退至原位，新坯料落入）
c）（推新坯料）d）（新坯料被推至尾架挡块顶住）
图2.4一段坯料加工毕第二程序内进行的几个阶段
2.2凡尔座圈专用机床控制要求
1.设计凡尔座圈专用机床电气控制系统为PLC控制系统。
2.能实现专用机床自动工艺流程并能方便地改变工艺流程。
3.能进行手动与自动操作的切换，自动操作时应有单步、单循环和连续循环三种方式。
4.系统除电气基本保护外应有电隔离保护和必要的联锁。
5.设置必需的照明灯及各种指示灯。
3.机床控制系统硬件设计
3.1主电路和控制电源的设计
一、主电路设计
根据设计要求，液压泵电动机M1、主轴电动机M2及冷却泵电动机M3三个电机均属于长时间运行，故均设过载保护
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