M7475立轴圆平台平面磨床PLC控制系统毕业设计论文.docx

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M7475立轴圆平台平面磨床PLC控制系统毕业设计论文

摘要

由于工厂企业中很多磨床年代久远，其工作性能已远远达不到现代生产的要求。

因此有必要对旧式的常规电动机控制系统进行技术改造，以PLC取代常规的继电器，以达到磨床的控制要求。

本次设计介绍了M7475型立轴圆台平面磨床PLC控制系统,并编写了PLC控制梯形图程序和指令表程序。

简要叙述了M7475型立轴圆台平面磨床继电器-接触器控制系统的工作原理及其运动形式。

改由PLC控制系统后的磨床工作安全可靠，系统运行情况良好，磨削精度更高；利用PLC控制系统，实现了磨床启动、停止、砂轮转动、工作台移动和工作台转动，并且砂轮升降有手动和自动两种控制方式；提供过载、断相、零励磁和零电压保护；并因所吸工件的不同，灵活调节电磁吸盘的吸力大小。

改由PLC控制后，其控制系统大大的简单化,并且维修方便,易于检查，节省大量的继电器元件,机床的各项性能有了很大的改善，工作效率有了明显提高。

该项技术还可推广应用于自动化其他领域的控制系统中。

关键词:

PLC；平面磨床；继电器

Abstract

Manygrindersaretoooldtomeettheneedsofmodernmanufacturinginfactories.Soitisnecessarytomakesometechnologicaltransformationsontheold-styleconventionmotor-controlsystem.ChangethembythePLCsubstitutionconvention'srelay,tomeetsgrinder'scontrolrequirements.

ThispaperintroducesthesurveyofinvariableprogramtimersandM7475theverticalshaftfrustumsurfacegrindingmachinePLCcontrolsystem,andhascompiledthePLCproceduretrapezoidalchartandthedirectivestatementtable.Inthispaper,theprincipleofworkandthemovementformofM7475verticalshaftfrustumsurfacegrindingmachinerelay-contactdevicecontrolsystemsisbrieflyintroduced.Thesafetywillbesignificantlychangedandtheoperationsituationwillbebetter,thegrindingprecisionisalsohigher.UsingthePLCcontrolsystem,thegrinder’sstarting,stopping,thegrindingwheel’srotation,andworktable’smovingandrotationcanberealized.Andthegrindingwheelfluctuationhastwocontrolmodes,manualandautomatic.Itprovidestheprotectionlikeoverload,break,zeroexcitationandzeropotential.Itattractstheworkpiecewithdifferentnimbleadjustmentmagnetchucksuctionsize.AfterchangingthePLCcontrolsystemislargelysimplified,andservicesconveniently,easytoinspect.Italsosaveslargesumofrelayelement.Theperformancehastheverybigenhancement,andtheworkingefficiencyhadthedistinctenhancement.Thistechnologymayalsobeappliedinotherdomaincontrolsystemsofautomationfield.

Keyword：

PLC;Surfacegrinding;Relay

1绪论

1.1PLC在电气控制系统中的应用

随着工业生产的快速发展，人们对生产过程提出了更高的要求，然而由于控制过程及其对象更加复杂，因此要实现生产加工过程的理想控制就更加困难了。

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，传统的普通磨床已经越来越难以适应现代化生产的要求，制造业的竞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竞争，发展到全面满足顾客要求、积极开发新产品的竞争，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竞争和生存、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“软”控制系统机床，在生产中所占比例将越来越高。

20世纪70年代以前，电气自动控制的任务基本上是由继电器控制系统来完成。

继电器控制系统的优点是结构简单、价格低廉、抗干扰能力强，所以当时应用的十分广泛，至今仍在许多简单的机械设备中应用。

但是，该类控制系统的缺点也十分明显，它采用固定的硬件接线方式来完成各种逻辑控制，灵活性差；另外机械性触点的工作频率低，易损坏，因此可靠性较差。

当前，随着科学技术的不断发展及生产工艺上不断提出新的要求，电气控制技术得到飞速的发展。

在控制方法上，主要是从手动到自动控制；在控制功能上，是从简单的控制设备到复杂的控制系统；在操作方式上，由笨重到轻巧；在控制原理上，从有触点的继电接触式控制系统到以计算机为核心的“软”控制系统。

PLC的应用面广、功能强大、使用方便，是当代工业自动化的主要设备之一。

通过软件编程方式用内部逻辑关系代替实际的硬件连接导线，这些内部继电器的节点变位时间可理想化地认为等于零，因此只需考虑它的0-1状态而无需考虑传统继电器所固有的返回系数；与继电器控制系统相比，灵活性大大提高；与普通的计算机相比，可靠性高，抗干扰能力强，适用于复杂的工业环境；配套齐全，功能完善，适用性强，编程简单、组合灵活、扩展方便、体积小等突出优点，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能；易学易用，照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制采用简单指令形式，使用户程序编制形象直观、方便、易学。

经过30多年的发展，PLC已十分成熟与完善，尤其在顺序控制开关量逻辑运算和处理这两方面具有著优势，以软件手段实现了各种控制功能，因而在机床电气控制系统中得到广泛的应用，并发展壮大。

1.2磨床的介绍

磨床是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床。

大多数的磨床是使用高速旋转的砂轮进行磨削加工，少数的是使用油石、砂带等其他磨具和游离磨料进行加工，如珩磨机、超精加工机床、砂带磨床、研磨机和抛光机等。

磨床能加工硬度较高的材料，如淬硬钢、硬质合金等；也能加工脆性材料，如玻璃、花岗石。

磨床能作高精度和表面粗糙度很小的磨削，也能进行高效率的磨削，如强力磨削等。

随着高精度、高硬度机械零件数量的增加，以及精密铸造和精密锻造工艺的发展，磨床的性能、品种和产量都在不断的提高和增长。

磨床是各类金属切削机床中品种最多的一类，其主要类型有外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、无心磨床、工具磨床等。

平面磨床用于加工非旋转体表面，如平面、连接面和成型表面等。

平面磨床按其加工方法不同，通常分为卧轴矩台平面磨床、卧轴圆台平面磨床、立轴矩台平面磨床、立轴圆台平面磨床四种类型。

前两种用砂轮周边磨削，后两种用砂轮断面磨削。

1.3世界平面磨床发展趋势

当今平磨的发展趋势是转向成形、台阶、切入、快速抖动、三维空间曲线表面磨削加工。

可以说，平磨是磨床类机床中演变潜力最大的一种机型。

我国平磨制造厂应跳出传统的平面磨削的思维，转到曲线或轮廓等非平面磨削加工的思路上进一步发展，以形成我们自己特色的技术和产品。

据不完全统计，不久前在美国芝加哥举行的国际制造技术展览会（IMTS）上有20多家平磨专业生产厂的60多台平面磨床以平磨实物形式参展，包括了欧、美、日及我国的主要平磨制造厂。

有关专家分析了此次参展的平面磨床的主要特点并预测今后平面磨床的发展趋势。

⑴现代平面磨床的主要特点

从规格上看，以小型平磨为主。

台面宽200mm以下的几乎占50%，小规格机床的运输及布展比较方便；国外平磨不分普通、精密、高精度的精度等级，相对小规格机床，精度容易做得很高；在国际市场上，中、小规格平磨的潜在需求很大。

从控制上看，70%以上的为数控型，有单轴、双轴及三轴数控，最多达五轴控制，尤其是400以上的大规格机型，全为数控型。

由于技术水平的发展导致功能变化，平磨已从传统的平面磨向成形磨转变，常规控制已难以实现功能的要求。

数控平磨已形成一个市场潮流。

从功能上看，50%以上的平面磨不仅仅用于水平平面加工，而且转向成形、台阶、切入、快速抖动、三维空间曲线等表面磨削加工，如ELB、BLM公司以平磨为基础变化而成的五轴联动磨削中心，可实现非平面型复杂曲面的磨削；Unison、Trutech公司的柔性磨削系统，可实现成形、无心、外圆、工具、轮廓等磨削工艺；还有裕福、Parker公司等的快速抖动磨等，反映出平磨是磨床类机床中演变潜力最大的一种机型。

发展呈现四大变化

高速、复合、高精度、高刚性仍是金切机床的发展主调，但又有新的变化。

复合，已从原来的为复合而复合转为从实用高效考虑为主，如车、铣复合，车、铣、钻的复合，铣床和电火花的复合；从功能上看，复合型机床的针对性很强，针对某类零件考虑；从精度上看，定位精度＜2μm，重复定位精度≤±1μm的机床已比比皆是；从主轴转速来看，8.2kW主轴达60000r/min，13kW达42000r/min，高速已不是小功率主轴的专有特征；从刚性上看，已出现可加工60HRC硬度材料的加工中心。

模块化的设计在机床制造中已应用得炉火纯青。

横向系列、纵向系列、全系列、跨系列的模块化设计，无论是大隈、牧野等为代表的日本机床，还是Haas、Cincinnati等为代表的美国机床，外形上看好象完全一样，但功能则完全不同，所构成的模块很多则是通用的。

全自动的概念已发生变化。

传统的全自动机床是用一只气动或液动的机械手实现工件的自动上、下料，而现在采用真正意义的多关节串联式机器人，来实现工件的上、下料，包括完工零件的堆放。

控制的范围加大，组线的灵活性加强，同时辅助配套的机械大大减少。

环保要求越来越高。

在展出的展品中，绝大部分的机床产品都采用全封闭的罩壳，绝对没有切屑或切削液外溅的现象。

另一方面，大量的工业清洗机和切削液处理机系统的展出，亦同时反映现代制造业对环保越来越高的要求。

根本在于设计创新

平面磨床是磨床类机床中发展潜力最大的机床。

在完成传统的平面磨削功能外，以平磨的床身、拖板、台面、磨头等大件为基础，可以演变成外圆、曲线、工具、无心等磨床，如k.o.lee公司的C1020N2外圆磨床和B6062PC2工具磨的基础就是平磨。

我国应在完成平磨规格系列的完善后，跳出传统的平面磨削的思维转到曲线或轮廓等非平面磨削加工的思路上去进一步发展，形成具有我们自己特色的技术和产品。

模块化设计将是贯穿产品设计全过程的一条主线，无论是机床技术发展的潮流还是市场竞争的要求；无论是降低成本的需要，还是提高产品质量的需要，都要求我们在今后产品的开发设计中，切实做好模块化设计工作。

世界机床工业的发展，根本一点是设计创新理念的发展。

传统的金属切削原理，用一种全新的现代设计理念，结合先进的控制技术，正在推动机床技术发生重大变化。

2系统总体设计

2.1方案论证

方案一：

传统的继电器控制

优点：

结构简单、价格低廉、抗干扰能力强。

缺点：

灵活性差、可靠性较差、反应速度慢。

方案二：

PLC控制

优点：

可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、组合灵活、扩展方便、功能强大体积小等突出优点。

缺点：

各PLC厂家的硬件体系互不兼容，编程语言及指令系统也各不相同。

两方案进行比较不难看出：

PLC可以很容易地实现比较复杂的控制逻辑，传统的继电器系统实现同样的功能则需要大量的控制继电器；以弱电控制强电，省去大量控制继电器，节省电能，运行成本低；对于复杂工艺的控制系统，采用PLC可以简化控制设备（箱柜），节省设备投资；还可以改变工艺控制简便易行，传统继电器系统难以改变工艺；而其检修维护比较方便，需要配备的元器件少，维护成本低，节约大量有色金属；控制设备占地面积小、运行噪音小、发热少、损坏元件垃圾少，利于环境；运行维护需要比较高的专业技术。

PLC控制系统比传统的继电器控制系统具有功能强大，易于实现复杂的控制逻辑，编程方便，耗能少、体积也小，反应快、噪音小、寿命长、成本低，便于修改，检修更换方便，检修时间也迅速，灵活性高，能够进行复杂的程序控制，系统稳定，安全可靠，反应速度快等突出优点。

达到了现代化生产的要求，从而在电气控制系统中被广泛应用，因此在本次控制系统设计中采用PLC控制系统，使其控制性能得到很大的提高。

2.2PLC控制系统的控制要求

分析控制对象，确定磨床运动要求如下：

机床的电气控制部分采用可编程序控制器,实现对磨床的手动、自动控制，工作台、冷却泵及电磁吸盘的控制。

⑵动作要求：

砂轮升降（手动和自动）、工作台移动、工作台转动。

另外电磁吸盘不工作时可以手动调整机床。

为保证安全生产，电磁盘与工作台转动、砂轮转动、磨头垂直进给采用联锁控制装置，即电磁盘电流小于1A时，吸力不足时机床要停止工作。

电磁吸盘具有充、退磁功能。

冷却泵电机、电磁吸盘为了方便运输可选用分离式插拔接头。

由于所吸工件不同，要求电磁吸盘的电流可以调节，并且有显示。

电路中所有断路后能储存能量的电器要有保护。

2.3PLC控制系统的设计基本内容

在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。

工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。

PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。

熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。

PLC控制系统是由PLC与用户输入、输入设备连接而成的，用以完成预期的控制目的与相应的控制要求。

因比PLC控制系统设计的基本内容应包括:

了解设备电器的工作原理。

根据生产的工艺过程分析控制要求，如需要完成的动作（动作顺序，必需的保护和联锁等），操作方式（手动，自动，点动，连续等）。

根据控制要求确定系统控制方案，进行系统的总体设计。

进行PLC控制系统配置的设计，主要为PLC的选择，PLC是PLC控制系统的核心部件，正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要的作用。

选择PLC，应包括机型的选择、I/O模块的选择等。

选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、行程开关等）、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件），以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等），这些设备属于一般的电器元件。

根据控制要求基本确定I/O点数和模拟量通道数，进行I/O初步分配，绘制I/O接线图

程序设计主要包括绘制控制系统流程图、设计梯形图、语句表程序，控制程序是控制整个系统工作的核心条件，是保证系统工作正常，安全、可靠的关键。

联机调试。

按照控制电路原理图连接硬件，将编写好的控制程序下载至PLC，进行软硬件联调，如果不满足控制系统的要求，再返回修改程序或检查接线，直到满足控制系统的要求为止。

2.4PLC控制系统设计原则与步骤

2.4.1PLC控制系统设计的基本原则

最大限度地满足被控对象的控制要求。

设计前应深入现场进行调查研究，搜集资料，并拟定电气控制方案。

在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维护方便。

保证控制系统安全可靠。

考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的容量时，应适当留有裕量。

2.4.2PLC控制系统设计与调试步骤

PLC控制系统的设计调试过程如图2.1所示。

3系统的硬件设计

3.1PLC的选型

PLC是控制系统的核心部件，正确的选择PLC对整个控制系统技术经济性指标起着重要的作用。

选型的基本原则是：

所选的PLC应能够满足控制系统的功能需要。

选型的基本内容应包括以下几个方面：

PLC结构的选择

PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。

从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。

整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。

在相同功能和相同I/O点数的情况下，整体式PLC比模块式PLC价格低。

PLC输出方式的选择

输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。

例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。

对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。

输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。

不同的负载对PLC的输出方式有相应的要求。

继电器输出型的PLC可以带直流负载和交流负载；晶体管型与双向晶闸管型输出模块分别用于直流负载和交流负载。

I/O响应时间的选择

PLC的响应时间包括输入滤波时间、输出电路的延迟和扫描周期引起的时间延迟。

联网通信的选择

若PLC控制系统需要联入工厂自动化网络，则所选用的PLC需要有通信联网功能，即要求PLC应具有连接其它PLC、上位计算机及CRT等接口的能力。

PLC电源的选择

电源是PLC干扰引入的主要途径之一，因此应选择优质电源以助于提高PLC控制系统的可靠性。

一般可选用畸变较小的稳压器或带有隔离变压器的电源，使用直流电源时要选用桥式全波整流电源。

I/O点数及I/O接口设备的选择

存储容量的选择

PLC程序存储器的容量通常以字或步为单位，用户程序存储器的容量可以作粗略的估算。

一般情况下用户程序所需的存储器容量可按照如下经验公式计算：

程序容量=K×总输入点数/总输出点数

对于简单的控制系统，K=6；若为普通系统，K=8；若为较复杂系统，K=10；若为复杂系统，则K=12。

在选择内存容量时同样应留有裕量，一般是运行程序的25%。

不应单纯追求大容量，在大多数情况下，满足I/O点数的PLC，内存容量也能满足。

综合以上几个方面考虑，发现西门子可编程控制器产品—S7-200CPU224比较合适，它不仅功能强大而且价格也比较便宜，有22个输入点和18个输出点，另外还有其扩展模块，足以满足此次控制系统的要求，而且还留有充足的I/O点，以备扩展功能的需要。

因此在本次控制系统设计中采用了S7-200CPU224可编程控制器。

：

3.2主要电气元件的选择

任何一种继电器系统都有三个部分组成，即输入部分，逻辑部分和输出部分。

系统输入部分由所有行程开关、方式选择开关、控制按钮等组成。

逻辑部分是指由各种继电器及其触点组成的实现一定逻辑功能的控制线路，输出部分包括电磁阀线圈，指示灯和接通各种负载的接触器线圈。

在本次控制系统设计中用PLC代替了继电器控制系统中的逻辑线路部分。

在平面磨床的电气控制系统，所有转换开关，行程开关，控制按钮（SB1～SB10）等为系统的输入信号；而电磁阀线圈YA，继电器线圈KV,接触器线圈（KM1-KM12），指示灯（HL1、HL2）等为系统的输出信号。

3.2.1电动机的选择

在磨床控制系统运行中，电动机类型选择的原则是，在满足工作机械对于拖动系统要求的前提下，所选电动机应尽可能结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉。

因此，在选用电动机种类时，若机械工作对拖动系统无过高要求，应优先选用三相交流电异步动机。

三相交流异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场（定子绕组内的三相电流所产生的合成磁场）和转子电流（转子绕组内的电流）的相互作用。

电动机容量选择的原则

在控制系统运行中，电动机的选择主要是容量的选择，如果电动机的容量选小了，一方面不能充分发挥机械设备的能力，使生产效率降低，另一方面电动机经常在过载下运行，会使它过早损坏，同时还出现启动困难、经受不起冲击负载等故障。

如果电动机的容量选大了，则不仅使设备投资费用增加，而且由于电动机经常在轻载下运行，运行效率和功率因数都会下降。

选择电动机的容量应根据以下三项原则进行。

发热：

电动机在运行时，必须保证电动机的实际最高温度θmax等于或稍微小于电动机绝缘的允许最高工作温度θa，即θmax≤θa。

过载能力：

电动机在运行时，必须具有一定的过载能力。

特别是在短期工作时，由于电动机的热惯性很大，电动机在短期内承受高于额定功率的负载功率时仍可保证θmax≤θa，故此时，决定电动机容量的主要因素不是发热而是电动机的过载能力。

即所选电动机的最大转矩TLmax必须大于运行过程中可能出现的最大负载转矩,即

TLmax≤Tmax=λmTN（λm一般为0.8Tmax/TN）

启动能力：

由于鼠笼式异步电动机的启动转矩一般较小，为使电动机可靠启动，必须保证

TL<λstTN（λst=Tst/TN）

电动机的种类、电压和转速的选择

除正确选择电动机的容量外，还需要根据生产机械的要求，技术经济指标和工作环境等条件，来正确选择电动机的种类、电压和转速。

3.2.2交流接触器和中间继电器的选择

接触器

接触器是工业电气中用按钮或其他方式来控制其通断的自动开关。

交流接触器由电磁线圈，静衔铁，动衔铁，静触点，动触点、灭弧装置和固定支架等部分组成。

其原理是当接触器的电磁线圈通入交流电时，会产生很强的磁场使装在线圈中心的静衔铁吸动动衔铁，当两组衔铁合拢时，安装在动衔铁上的动触点也随之与静触点闭合，使电气线路接通。

当断开电磁线圈中的电流时，磁场消失，接触器在弹簧的作用下恢复到断开的状态。

在工业电气中，交流接触器的型号很多，电流在5A-1000A的不等，常用交流接触器的型号有CJ20、CJX1、CJ1和CJ10等