基于PLC的金属切削机械控制系统的设计.docx
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基于PLC的金属切削机械控制系统的设计
1绪论
可编程控制器（ProgrammablelogicControl-ler,简称PLC）是以微处理机为基础,综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置,其具有逻辑控制、计时、计数、数据处理、联网与通信等强大功能,用来替代传统的继电—接触控制系统。
同时,由于PLC具有很高的可靠性和极大的应用灵活性,在各行各业的控制领域都得到了广泛的应用,并与CAD/CAM和机器人技术一起被誉为现代工业自动化的三大支柱之一。
大量采用传统继电—接触控制系统的设备通过改造更新,成为PLC控制的自动化系统,而且具有改造成本低、周期短和可靠性高等特点。
本文介绍基于PLC的动力头控制系统的设计与应用。
1.1控制系统在动力头机床中的作用与地位
控制系统是动力头机床的指挥控制中心。
动力头机床对产品所有零件的加工只有在控制系统的指挥下才能进行。
因此,控制系统性能的好坏、自动化水平的高低直接影响到机床的整体性能及加工质量。
此外，控制系统性能的好坏对于提高劳动产品的产量和质量也有着极大地影响。
当然也会影响到该企业的市场竞争力。
所以对动力头机床控制系统的设计与制作要引起足够的重视。
要提高机床的性能，除了要提高该机床机械部分的性能外，还要提高该机床的控制系统的性能。
1.2控制系统的类型、特点及应用场合
目前就控制系统来说,有三种可供选择：
继电器控制系统；计算机控制系统；可编程序控制器控制系统。
PLC程序控制器以其可靠性高、适应性强、设计调试方便等优点，在很多工业部门已经取代前两种控制系统。
1.2.1继电器控制系统
继电器是一种用弱电信号控制强电信号的电磁开关[3]。
继电器控制系统的控制功能是用硬件继电器（或称物理继电器）实现的。
多年来，人们用电磁继电器控制顺序型的设备和生产过程。
就单台继电器控制系统而言，其工作可靠性是比较高的。
而且继电器本身也不贵。
所以对于小型的、要求不复杂的控制对象来说，采用继电器控制系统是可行的。
但是对于复杂的控制系统来说，所需的继电器很多。
任何一个继电器的故障都会影响到整个系统的正常运行，查找和排除故障往往是非常困难的；由于该控制系统靠硬件接线，所以程序的更改比较困难，所以它的适应性比较差，不适应经常要求变更程序的产品的设计。
当要求生产小批量、多品种的产品时，继电器控制系统是不能够满足要求的。
1.2.2计算机控制系统
计算机控制系统的程序采用指令编程，程序可以替代一部分硬件，而且程序便于维修。
与继电器控制系统相比较，其控制电路的故障点相应减少；其适应性、通用性与灵活性都有提高；而且因为它是由电子器件组成，所以比继电器控制系统体积小、重量轻而且耗能少。
但是计算机控制系统对环境的要求比较高，其抗干扰能力不强；在制作中还需要印刷电路板，其外部I/O接线需要用插座从一双电路板上引出，既不方便也不可靠；在编程的时候用的是汇编语言或C语言，比较麻烦，不易被工厂的电气人员掌握。
因此计算机控制系统的应用范围还是很受限制。
1.2.3可编程序控制器控制系统
可编程序控制器的特点：
（1）可靠性高，抗干扰能力强
PLC是专为工业控制而设计的，在硬件方面采用了电磁屏蔽、光电隔离、模拟量和数字量滤波、优化电源电路等措施，并对元件进行了严格的筛选；在软件方面则采取了警戒时钟、故障诊断、自动恢复等措施，利用后备电池对程序和动态数据进行保护。
因此，PLC是有其他工业控制设备无可比拟的高可靠性。
（2）编程方法简单易学
梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，梯形图语言形象直观，易学易懂。
梯形图语言实际上是一种面向用户的高级语言，可编程序控制器在执行梯形图程序时，用结实程序将它“翻译”成汇编语言再去执行。
由于可编程序控制器运算速度的不断提高，对于一般的控制设备来说，执行速度完全满足要求。
PLC使用简单，一般情况下，不需要考虑接口问题，只需要用螺丝刀就可以完成全部接线工作。
PLC可以采用一种面向控制过程的梯形图语言，它与继电器原理图非常接近，电气工人可以在短时间内学会。
因此，世界上许多国家的可编程序控制器生产公司都将梯形图语言作为第一用户语言。
（3）功能完善，应用灵活
PLC的基本功能包括数字和模拟量输入/输出、算术和逻辑运算、定时、计数、移位、比较、代码转换等，其扩展功能有批数据传送、排序查表、中断控制、函数运算、通信联网、PID闭环控制、监控报警等，可以组成功能完善的控制系统。
（4）系统的设计、安装、调试工作量少
可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
可编程序控制器的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。
这种编程方法很有规律，很容易掌握。
对于复杂的控制系统，设计梯形图所花的时间比设计继电器系统电路花的时间要少得多。
可编程序控制器的用户程序可以在实验室模拟实验，调试好后再将可编程序控制器安装在现场调试。
调试过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决。
（5）环境要求低，适应性强
可编程序控制器采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，使之具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业现场。
可编程序控制器已被广大用户人为最可靠的工业控制设备之一。
（6）维修工作量小，维修方便
可编程序控制器的故障率很低，并且有完善的自诊断和显示功能。
可编程序控制器或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据可编程序控制器上的发光二极管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故障。
正因为它的这些优点，几乎所有自动化领域内的控制系统的设计，可编程序控制器都能够做到。
继电器控制系统与计算机控制系统不能做到的，它也可以做到。
可编程序控制器的应用领域：
（1）开关量逻辑控制
可编程序控制器具有“与”、“或”、“非|等逻辑指令，可以实现触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑、定时控制与顺序逻辑控制。
开关量逻辑控制可以用于单台设备，也可以自动生产线。
（2）运动控制
可编程序控制器使用专用的运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，使运动控制与顺序控制功能有机地结合在一起。
可编程序控制器的运动控制功能广泛用于各种机械。
（3）闭环过程控制
可编程序控制器通过模拟量I/O模块，实现模拟量与数字量之间的AD转换和DA转换，并且对模拟量实行闭环PID控制。
现代的大中型可编程序控制器一般都有PID闭环控制功能。
可编程序控制器的模拟量PID控制功能已经广泛应用于塑料挤压成形机等设备，以及轻工、化工等行业。
（4）数据处理
现代的可编程序控制器具有数学运算、数据传诵、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。
数据处理一般用于大型控制系统，也可以用于过程控制系统。
（5）通信联网
可编程序控制器的通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台可编程序控制器之间的通信、可编程序控制器和其他智能控制设备之间的通信。
可编程序控制器与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。
2控制系统方案论证与选择
伴随着加工件的日益复杂化、精度等级以及加工效率的提高，多轴向、高转速成为工具机必备的条件，除了加工中心机走向机能复合化外，车床方面已由早期的卧式车床开发出许多新的加工形态，例如双刀塔、立式车床、倒立车床、以及车铣复合机种，以顺应新时代加工方式的需求。
其中车铣新概念复合机无疑是一项新技术结合的工具机杰作，最大的优点在于可轻易地在同一机台上做复杂零件的加工，可同时进行车削、钻孔、攻牙、端面切槽、侧面切槽、侧面铣削、角度钻孔、曲线铣削……等等。
藉由一台工具机即可完成一个零件的所有加工流程，大大降低上下料换机台加工的时间，以及减少人为公差的机会，达到“DoInOne”的加工概念。
在新世代车铣复合机中，不论是具分度的C轴头部、副主轴、Y轴等，都必须搭配动力刀塔才能具备车铣复合的功能，因此一款功能性佳、精度高的C轴动力刀塔，将使新世代车铣复合机更臻完善。
2.1电动机拖动部分
液压电机、冷却电机、扩孔电机、钻孔电机根据它们的设计要求,可以采用“起保停”电路设计。
因为这种控制电路无须任何中间继电器，接线方便，设计安装量也不大。
因此宜采用继电器控制方案来控制。
其最大的优点就是能节省开支。
若用单片机控制方案，会增大接口电路的设计；若用PLC控制方案，会占用输入点，引起投资的增大。
因此不宜用这两种控制方案。
攻丝电机因为有“正转”与“反转”之分，需要根据机械设备的工作进程来决定其“正、反转”[15]。
若采用继电器控制方案，则需一定数量的中间继电器，这会使设计、安装、接线工作量增大，程序更改不方便。
而且容易出故障；若采用单片机控制方案，对环境的要求高，抗扰能力差，也不适宜采用。
所以采用PLC来控制。
2.2液压拖动部分
在液压拖动部分，各工位动力头滑台、转位机构的向前与向后、夹紧与松开等运动都是由液压系统拖动。
这些动作都是根据条件一步步进行的。
因为液压拖动部分的每一步都需要根据一定的条件来转换，所以如果采用继电器控制方案，则需要用到大量的中间继电器，那样安装、接线工作量会很大，而且更改程序也极不方便，当出现故障时也不易查找和排除。
若采用单片机控制方案，则需要为其设计制作印刷电路板和接口电路等，还要焊接，设计安装工作量大，而且对工作环境要求比较高。
就动力头机床所在的工业现场而言，采用该方案时，其可靠性不能得到保证。
因此，对液压拖动部分也不宜采用单片机控制方案来控制。
根据设计的实际要求，需要的是能适应经常变动、可靠性强、易于维修的控制系统。
因此选择采用可编程序控制器方案来控制最合适。
这是因为该控制方案的可靠性高，抗干扰能力强，无需担心工业现场的恶劣环境会对PLC设备产生影响；编程方法简单易学，采用形象直观，易学易懂的梯形图语言；系统的设计、安装、调试工作量少，用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少；环境要求低，适应性强可编程序控制器采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，使之具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业现场；维修工作量小，维修方便可编程序控制器的故障率很低，并且有完善的自诊断和显示功能。
3控制系统硬件设计
3.1电动机电器控制线路的设计
动力头机床电器控制线路包括液压泵电机、冷却泵电机、钻孔、扩孔、攻丝动力头主轴电机的主电路、控制电路和辅助电路三个部分。
主电路、控制电路和辅助电路的设计内容包括这些电路电器元件的配置、型号的选择以及线路中的主电路、控制电路、辅助电路原理图的设计。
3.1.1电动机和电器元件的配置
在电器控制线路中,应配置以下元件:
三相鼠笼式异步电动机、刀开关、万能转换开关、二位置旋钮、按钮、接触器、热继电器、熔断器、控制变压器等。
这些元件的作用如下：
1.刀开关：
在机床上，主要用作电源开关,起隔离电源、安全检修的作用。
2.万能转换开关：
（1）工作方式选择开关：
用于各种工作方式的选择。
“回原点”、“手动”、“单机”、“自动”、“半自动”的相互转换。
（2）单机选择开关：
用于各单机的选择。
“钻孔”、“扩孔”、“攻丝”电机的选择。
3.二位置旋钮：
SA3、SA4、SA5、SA6分别对回转工作台钻孔电机、扩孔电机、攻丝电机作在/离线选择；SA7、SA8分别控制HL、EL；SA9控制PLC电源的通断。
4．按钮：
用来接通或断开电路中的电流。
5．接触器：
用来接通或断开电动机或其他负载主回路的自动切换电器。
KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6分别对液压泵电机、冷却泵电机、钻孔、扩孔、攻丝动力头主轴电机起控制作用。
6、热继电器：
根据对象的温度变化来控制电流流通的继电器，即是利用电流的热效应而动作的电器，它主要用来保护电动机的过载。
8、熔断器：
主要用于短路保护。
FU1对电源板、整个线路起短路保护作用；FU2用于控制电路的短路保护；FU3用于控制变压器的短路保护；FU4用于照明回路的短路保护；FU5用于信号灯供电电路的短路保护。
9、控制变压器：
根据负载电压的要求调节电压。
TC的副边为电源指示灯HL提供6.3V电压，为机床照明指示灯EL提供36V电压。
3.1.2电动机型号的选择
1.电动机的选择：
电动机是机床电力拖动系统的拖动元件，在电动机的选择内容中，功率的选择是首要的，同时，电机的转速、型式、电压等的选择也是必要的[7]。
液压泵电机与冷却泵电机都是按经验选择。
液压泵电机选择额定容量为3KW，冷却泵电机选择额定容量为90W。
另三个电机的选择如下：
（η＝0.8）
（1）钻孔动力头主轴拖动电动机M3的选择
钻孔动力头主轴拖动电动机功率的计算公式
P=0.0646D1.19
式中P—主拖动电动机功率,KW；
D—最大钻孔直径，m。
该机床钻孔动力头加工的孔的最大直径为45mm，需要的拖动功率为1.95KW,因此选择额定功率为3KW的电动机。
（2）扩孔动力头主轴拖动电动机M4的选择
扩孔动力头主轴拖动电动机功率的计算公式
P=0.035D1.225
式中P—主拖动电动机功率,KW；
D—最大扩孔直径，m
该机床扩孔动力头最大扩孔的直径是25mm，需要的拖动功率为2.11KW，因此选择额定功率为3KW的电动机。
（3）攻丝动力头主轴拖动电动机M5的选择
攻丝动力头主轴拖动电动机功率的计算公式
P=0.004D1.7
式中P—主拖动电动机功率,KW；
D—最大攻丝深度，m。
该机床攻丝动力头攻丝的最大深度为35mm，需要的拖动功率为1.98KW,因此选择额定功率为3KW的电动机。
3.1.3电器元件型号的选择
1.刀开关QS：
不带融断器式刀开关主要有HD型及HS型，带融断器式刀开关有HR3系列[10]。
2.熔断器：
熔断体额定电流是个主要的技术参数。
熔断体的额定电流IR可按下列关系选择IR=（1.5-2.5）IN。
式中IN---异步电动机的额定电流。
3.接触器：
机床用的是交流接触器。
常用的有CJ10、CJ12、CJ20等系列交流接触器。
交流接触器主触点电流可根据下面经验公式进行选择：
IN=PN×1000/KUN
4、热继电器：
热继电器的额定电压和额定电流应大于或等于被保护电动机的额定电压和额定电流。
从一个产品系列中选择热继电器的具体规格时，主要是依据额定电流值。
5、中间继电器：
选用中间继电器的主要依据，一是继电器触点的额定电流应满足被控电路的要求；二是继电器触点的品种和数量必须满足控制电路的要求。
6、控制变压器：
在选用控制变压器时，首先应满足副边线圈的个数和电压值以及原边电源电压的数值。
该机床所用到的电动机和电器元件型号的选择见表3.1[11]。
表3.1电器元件明细表
序号
电器元件名称
电器元件代号
型号
数量
技术数据
1
刀开关
QS
HR3-100/34
1
220V，100A
2
工作方式转换开关
SA1
LAY3-X/2
1
220V，10A
3
单机选择开关
SA2
LAY3-X/2
1
220V，10A
4
在/离线选择开关
SA3-SA6
LAY3-X/2
4
220V，10A
5
工作开关
SA7、SA8、SA9
KN3-2-1
3
220V，5A
6
功能按钮
SB1-3；SB5-23
LA19-11
22
220V，5A
7
急停按钮
SB4
LA19-01JZ
1
220V，10A
8
限位开关
SQ1-SQ5
SQ11-SQ13
SQ21-SQ23
SQ31-SQ34
LX5-11
15
220V，15A
9
液压电机
M1
Y132M-4
1
3KW，6A
10
冷却电机
M2
AOB-25
1
90W，0.5A
11
钻孔电机
M3
Y100L-2
1
3KW，5A
12
扩孔电机
M4
Y100L-2
1
3KW，5A
13
攻丝电机
M5
Y100L-2
1
3KW，5A
14
液压电机接触器
KM1
CJ20-63
1
f=1200,380V63A,电寿命120万次
15
冷却电机接触器
KM2
CZ0-40/02
1
f=600,380V,40A,电寿命30万次
16
钻孔电机接触器
KM3
CZ0-40/20
1
f=1200,380V,40A,电寿命50万次
17
扩孔电机接触器
KM4
CZ0-40/20
1
f=1200,380V,40A,电寿命50万次
18
攻丝电机接触器
KM5
CZ0-40/20
1
f=1200,380V,40A,电寿命50万次
19
攻丝电机接触器
KM6
CZ0-40/20
1
f=1200,380V,40A,电寿命50万次
20
热继电器
FR1
JR16B-150
2
380V，150A
21
热继电器
FR2-FR5
JR16-20/30
3
380V，60A
22
熔断器
FU1、FU2、FU3
BZ002
3
熔体10A
23
熔断器
FU4、FU5
BZ001
2
熔体5A
24
变压器
TC
YH-60B
1
220V,35W
25
信号灯
HL
A57-4
36
7V，1W
26
照明灯
EL
DH3132
1
36V，1W
27
蜂鸣器
BU
701-2型
1
24，0.15A
29
电铃
BE
VC41-75型
1
24V
3.1.4主电路和控制电路电源的确定
机床主电路采用380／220V三相交流电源。
是鉴于以下两个原因[1]：
（1）该机床选择的电动机是额定电压为380V的三相鼠笼式异步电动机
（2）380／220V三相交流电源易获取。
（3）220V向控制电路和降压变压器供电。
3.1.5主电路设计
液压泵电动机的作用是：
拖动液压泵；为液压系统提供动力[2]。
冷却泵电动机的作用是：
对工具和加工面进行冷却，起保护作用，同时确保了加工的精度。
钻孔、扩孔、攻丝电动机的作用是：
为钻孔、扩孔、攻丝动力头主轴的旋转提供动力。
其原理图如图3.1所示。
图3.1主电路原理图
机床主电路为380V三相交流电源，接地类型是TN-S型。
总电源由刀开关QS引入。
交流接触器KM1是液压电动机M1接通和断开的接触器，FU1对电源板、整个线路起短路保护作用，FR1、FR2、FR3、FR4、FR5是其对应的电机M1、M2、M3、M4、M5过载保护用热继电器。
攻丝要求电动机能正反转，所以M5电动机要有两个接触器KM5、KM6。
3.1.6控制电路设计
控制电路对主电路各电动机的启动、停止进行控制，其原理图见图3.2[1]。
控制原理如下：
四个电机都采用“起、保、停”电路进行控制。
液压电动机的控制：
按下按钮SB14，接触器KM1得电，液压电机转动，同时其常开触点闭合，在电路中“自锁”。
按下停止按钮SB15，接触器KM1线圈断电而释放。
当电机过载时，通过FR1使KM1失电，使电机停下来。
冷却电机、钻孔电机、扩孔电机的控制与液压机的控制相同。
这一电路有失压保护功能，当电源电压过低或消失时，接触器KM1、KM2、KM3、KM4因电磁力不足释放，在电压恢复正常时，启动按钮SB2没有被按下，接触器不会得电动作。
若使电动机重新启动，必须重新按启动按钮SB2。
图3.2控制电路原理图
3.1.7其他电路的设计
1.照明电路
变压器副边为机床照明指示灯EL提供36V电压，EL由开关SA8控制。
2．提供信号灯电源的电路
变压器副边为电源指示灯HL提供6.3V电压，HL由开关SA7控制。
3.PLC及其负载的电源电路
PLC供电线路的设计直接影响控制系统的可靠性，需要保证当其他系统供电中断时，不会影响PLC的供电。
该部分电路原理图见图3.3。
图3.3辅助电路原理图
3.2攻丝电机及液压拖动部分的PLC控制系统硬件设计
攻丝电机及液压拖动部分的PLC控制系统硬件设计的内容包括：
PLC输入、输出元件型号的确定、PLC机型的选择、PLCI/O元件的分配、PLC的I/O接线图。
3.2.1系统输入元件和输出元件型号的确定。
在PLC控制系统中，所需要的输入元件有：
按钮、指令开关、限位开关；输出元件有：
接触器、电磁阀、指示灯、蜂鸣器。
这些元件的选择见表3.1
3.2.2PLC机型的选择
PLC机型选择应考虑以下因素[8]：
（1）物理结构
根据物理结构，可编程序控制器分为整体式和模块式两种。
对于该机床这种小型控制系统而言，选择整体式PLC有优势。
采用整体式PLC，I/O点数够用，设计好后，功能不需要再扩充。
其价格便宜，安装也非常方便。
（2）指令功能的选择
FX系列可编程序控制器提供了具有不同档次功能的几个子系列，可以根据系统的具体情况选用满足要求的子系列。
不需要联网通信的小型开关量控制系统，可以选用价格便宜的FXOS系列；I/O点数多、控制功能复杂、要求联网通信的系统可以选择FX2N系列。
（3）I/O点数的确定
确定I/O点数时，应准确地统计出被控设备对可编程序控制器输入/输出点数的总需求，在次基础上，应留有10%-20%的裕量，以备今后对系统改进和扩充时使用。
整体式可编程序控制器的基本单元、扩展单元的输入点数和输出点数的比例是固定的。
（4）存储器容量的选择
在初步估算时，对于仅需开关量控制的系统，将I/O点数乘以8，就是所需的存储器的字数。
鉴于以上几个原因，本设计选用的PLC是FX2N-128MR-001系列。
3.2.3PLCI/O元件的分配
为了便于施工接线和阅读的方便，根据以上PLC及其I/O元件选择的结果，可将输入/输出元件分别列入PLC输入/输出元件的分配表中。
各输入/输出元件在PLC输入/输出点上的分配应该遵循以下原则：
（1）按元件的操作顺序来安放输入/输出点。
先操作的元件放在编号小的输入/输出点上；后操作的元件放在编号大的输入输出点上。
（2）同一类元件集中分配在连续编号的一组输入/输出点上。
（3）尽可能以单机为单位进行分配。
（4）不同电压等级的输入/输出元件不能放在同一组。
PLC输入元件分配表如表3.2所示,PLC输出元件分配表如表3.3所示[12]。
表3.2PLC输入元件分配表
输入元件
输入点编号
输入元件
输入点编号
工作方式选择开关回原点SA1
X0
单步按钮SB12
X30
工作方式选择开关单步SA1
X1
单步按钮SB13
X31
工作方式选择开关单机SA1
X2
单步按钮SB14
X32
工作方式选择开关半自动SA1
X3
行程开关SQ1
X33
工作方式选择开关自动SA1
X4
行程开关SQ2
X34
单机选择开关回转台SA2
X5
行程开关SQ3
X35
单机选择开关钻孔SA2
X6
行程开关SQ4
X36
单机选择开关扩孔SA2
X7
行程开关SQ5
X37
单机选择开关攻丝SA2
X10
行程开关SQ11
X40
在/离线选择开关回转台SA3
X11
行程开关SQ12
X41
在/离线选择开关钻孔SA4
X12
行程开关SQ13
X42
在/离线选择开关扩孔SA5
X13
行程开关SQ21
X4
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