某組合機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、電氣控制與PLC課程設(shè)計(jì)說明書題 目： 某組合機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 評(píng)語：成績：指導(dǎo)老師簽名： 日期： 目 錄 1 系統(tǒng)概述.2 1.1 研究背景和意義.2 1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)及其要求.22 方案論證.3 2.1 方案一.3 2.2 方案二.3 2.3 方案三.4 2.4 方案確立.43 硬件設(shè)計(jì).43.1系統(tǒng)的原理方框圖.43.2 主電路.53.3 I/O分配.83.34I/O接線圖.93.5 元器件選型.114 軟件設(shè)計(jì).134.1主流程.134.2梯形圖.155 系統(tǒng)調(diào)試.16設(shè)計(jì)心得.17參考文獻(xiàn).18附電氣控制原理圖.1901 系統(tǒng)概述1.

2、1 研究背景和意義組合機(jī)床，以系列化和標(biāo)準(zhǔn)化的通用部件為基礎(chǔ)，配以少量專用部件對(duì)一種或多種工件按預(yù)先確定的工序進(jìn)行切削加工的機(jī)床。在組合機(jī)床上可以同時(shí)從幾上方向采用多把刀具對(duì)一個(gè)或數(shù)個(gè)工件進(jìn)行加工，可減少物料的搬運(yùn)和占地面積，實(shí)現(xiàn)工序集中，提高了生產(chǎn)效率和降低成本。因此組合機(jī)床廣泛應(yīng)用于需大批量生產(chǎn)的零部件，如汽車等行業(yè)中的箱體等。另外在中小批量生產(chǎn)中也可應(yīng)用成組技術(shù)將結(jié)構(gòu)和工藝相似的零件歸并在一起，以便集中在組合機(jī)床上進(jìn)行加工。 組合機(jī)床一般采用多軸、多刀、多工序、多面或多工位同時(shí)加工的方式，生產(chǎn)效率比通用機(jī)床高幾倍至幾十倍。由于通用部件已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，可根據(jù)需要靈活配置，能縮短設(shè)計(jì)和制

3、造周期。因此，組合機(jī)床兼有低成本和高效率的優(yōu)點(diǎn)，在大批、大量生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，并可用以組成自動(dòng)生產(chǎn)線。組合機(jī)床一般用于加工箱體類或特殊形狀的零件。加工時(shí)，工件一般不旋轉(zhuǎn)，由刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和刀具與工件的相對(duì)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)鉆孔、擴(kuò)孔、锪孔、鉸孔、鏜孔、銑削平面、切削內(nèi)外螺紋以及加工外圓和端面等。有的組合機(jī)床采用車削頭夾持工件使之旋轉(zhuǎn)，由刀具作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，也可實(shí)現(xiàn)某些回轉(zhuǎn)體類零件(如飛輪、汽車后橋半軸等)的外圓和端面加工。1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)及其要求如圖1.1所示為某一組合機(jī)床的示意圖，左面為1#箱體移動(dòng)式動(dòng)力頭。主軸電機(jī)M1為5.5KW、1440轉(zhuǎn)/分鐘，1#箱體的進(jìn)給電機(jī)為M3為1.5KW、145

4、0轉(zhuǎn)/分鐘，工進(jìn)與快進(jìn)采用電磁鐵YV1（DC24V，10W）進(jìn)行切換；右面為2#箱體移動(dòng)式動(dòng)力頭。主軸電機(jī)M2為5.5KW、1440轉(zhuǎn)/分鐘，2#箱體的工作進(jìn)給電機(jī)為M4，為1.5KW、1450轉(zhuǎn)/分鐘，工進(jìn)與快進(jìn)采用電磁鐵YV2（DC24V，10W）進(jìn)行切換。SQ1為左動(dòng)力頭的原位限位，SQ3為左動(dòng)力頭的快進(jìn)限位，SQ5為左動(dòng)力頭的工進(jìn)限位，SQ2為右動(dòng)力頭的原位限位，SQ4為右動(dòng)力頭的快進(jìn)限位，SQ6為右動(dòng)力頭的工進(jìn)限位。 圖1.1 某組合機(jī)床示意圖 具體要求如下： 1.左、右兩動(dòng)力頭均要求快進(jìn)工進(jìn)快退的工作循環(huán)。 2.可使左、右兩動(dòng)力頭同時(shí)工作，也可進(jìn)行單獨(dú)調(diào)整。 3.加工過程中需要進(jìn)行

5、冷卻。 4.應(yīng)有電源有信號(hào)指示，動(dòng)力頭正在工作信號(hào)指示。 5.應(yīng)有局部照明必要的保護(hù)環(huán)節(jié)。2方案論證2.1方案一組合機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)可以采用繼電器接觸器電氣控制系統(tǒng)。繼電器接觸器控制系統(tǒng)自上世紀(jì)二十年代問世以來，一直是機(jī)電控制的主流，它結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價(jià)格低廉，因此使用廣泛，受到人們的喜愛。但是它的缺點(diǎn)也很明顯：動(dòng)作速度慢、可靠性差，精度不高。采用微電腦技術(shù)的可編程順序控制器的出現(xiàn)，是的繼電器接觸器的控制方式更加遜色。繼電器接觸式控制系統(tǒng)采用硬接線邏輯，連線復(fù)雜、體積大、功耗也大，因此該控制系統(tǒng)的靈活性差，擴(kuò)展性也不好，繼電器接觸式控制系統(tǒng)還存在觸點(diǎn)抖動(dòng)和觸點(diǎn)拉弧等問題。另外，繼電器接觸

6、式控制系統(tǒng)使用了大量的機(jī)械觸點(diǎn)，連線也比較多，觸點(diǎn)開閉時(shí)會(huì)受到電弧的損壞，壽命短，因而該控制系統(tǒng)可靠性差，并且其可維護(hù)性也不好。2.2方案二組合機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)也可以采用單片機(jī)系統(tǒng)控制。單片機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，體積小，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常用于數(shù)據(jù)采集和工業(yè)控制當(dāng)中。但是，單片機(jī)不是專門針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化控制而設(shè)計(jì)的，因此使用單片機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，需要掌握匯編語言或C語言，編程復(fù)雜，需要長時(shí)間地學(xué)習(xí)。除此之外用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試也比較繁瑣，單片機(jī)的抗干擾能力也不強(qiáng)。2.3方案三組合機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)可以采用PLC控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。PLC是一種專門在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)

7、算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。因此采用PLC控制系統(tǒng)可靠性高，使用方便，安裝簡單，編程也簡單，容易維修。2.4 方案確立綜上所述，組合機(jī)床的控制系統(tǒng)應(yīng)該采用方案三PLC控制系統(tǒng)。PLC功能完善，易于編程，組合靈活，擴(kuò)展方便，實(shí)用性強(qiáng)；抗干擾能力和可靠性能力都強(qiáng)，遠(yuǎn)高于其他各種機(jī)型；PLC各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障

8、，PLC還有強(qiáng)大的自檢功能，這為它的維修提供了方便；另外環(huán)境要求也低，PLC的技術(shù)條件能在一般高溫、振動(dòng)、沖擊和粉塵等惡劣環(huán)境下工作，能在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下可靠工作，這也是PLC產(chǎn)品的市場(chǎng)生存價(jià)值。另外，針對(duì)組合機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)，雖然PLC的價(jià)格高一些，但良好的穩(wěn)定性和高度的可靠性可確保機(jī)床在加工零件時(shí)的精度，所以決定采用PLC控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。3 硬件電路設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)的原理方框圖 圖3.1 系統(tǒng)原理方框圖3.2主電路 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，主電路大致可以分為三個(gè)部分。首先看第一部分，主軸電機(jī)。由要求可知主軸電機(jī)工作方式有兩種：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。因此根據(jù)不同的工作要求，主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)向不同。又因?yàn)橹鬏S電機(jī)的功

9、率較小，只有5.5KW，故可以直接啟動(dòng)。其主電路圖如下3.2所示。 圖3.2 主軸電機(jī)電路圖當(dāng)KM1、KM2的線圈得電吸合分別使電機(jī)M1、M2正轉(zhuǎn)；當(dāng)KM9、KM10的線圈得電吸合分別是電機(jī)M1、M2反轉(zhuǎn)。通過PLC的輸出就可以使不同的接觸器線圈得電，從而使電機(jī)的轉(zhuǎn)向不同。其次看第二部分，快速電機(jī)和進(jìn)給電機(jī)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求知左、右兩動(dòng)力頭均要求快進(jìn)工進(jìn)快退的工作循環(huán)，并且左、右兩動(dòng)力頭可以同時(shí)工作，也可進(jìn)行單獨(dú)調(diào)整。所以就要求快速電機(jī)和工作進(jìn)給電機(jī)M3、M4能夠正反轉(zhuǎn)。其主電路如下圖3.3所示。 圖3.3 快速電機(jī)和進(jìn)給電機(jī)由設(shè)計(jì)要求可知，冷卻泵應(yīng)該分為左右兩個(gè)即M5,M6兩個(gè)，能夠正傳即可，冷

10、卻泵電路圖如圖3.4所示。 M5 M6 圖3.4 冷卻泵電路圖最后看第三部分，照明電路和信號(hào)指示部分。當(dāng)機(jī)床工作時(shí)，為了警告旁人不要誤動(dòng)作，故要有信號(hào)指示說明，告訴別人正在進(jìn)行工作，不要誤動(dòng)作。信號(hào)指示也能顯示機(jī)床是否是在正常工作、有無問題。有時(shí)候需要晚上工作，所以需要必要的照明，指示信號(hào)燈電路如圖3.5所示。 圖3.5 指示信號(hào)燈 指示燈分別與與之對(duì)應(yīng)的接觸器的常開觸點(diǎn)連接，當(dāng)接觸器的線圈得電，其常開觸點(diǎn)閉合，通過6.3V電壓使之亮。KM1、KM9分別是控制M1的正反轉(zhuǎn)的接觸器；KM2、KM10分別是控制M2的正反轉(zhuǎn)的接觸器；KM3、KM4分別是控制左右工進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)的接觸器。 照明電路如下圖

11、3.6所示： 圖3.6 照明電路3.3 I/O分配 因采用PLC控制，需分配其I/O點(diǎn)，它決定著系統(tǒng)如何工作,該系統(tǒng)的I/O口分配如下表3.7所示。 表3.7 I/O口地址分配表輸入地址號(hào)信號(hào)名稱輸出地址號(hào) 信號(hào)名稱X0左動(dòng)力頭正轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕Y0M1主軸正轉(zhuǎn)（KM1）X1左動(dòng)力頭反轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕Y1M1主軸反轉(zhuǎn)（KM9）X2左動(dòng)力頭停車按鈕Y2M3工進(jìn)正轉(zhuǎn)（KM3）X3左動(dòng)力頭冷卻泵啟動(dòng)Y3YV1快進(jìn)（YV1）X4左動(dòng)力頭快進(jìn)限位Y4YV2快退（YV2）X5左動(dòng)力頭工進(jìn)限位Y5左冷卻泵（KM11）X6左動(dòng)力頭原位限位Y6M2主軸正轉(zhuǎn)（KM2）X7左動(dòng)力頭快進(jìn)按鈕Y7M2主軸反轉(zhuǎn)（KM10）X10左動(dòng)

12、力頭快退按鈕Y10M4工進(jìn)正轉(zhuǎn)（KM4）X11右動(dòng)力頭正轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕Y11YV1快進(jìn)（YV1）X12右動(dòng)力頭反轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕Y12YV2快退（YV2）X13右動(dòng)力頭停車按鈕Y13右冷卻泵（KM12）X14右動(dòng)力頭冷卻泵啟動(dòng)X15右動(dòng)力頭快進(jìn)限位X16右動(dòng)力頭工進(jìn)限位X17右動(dòng)力頭原位限位X20右動(dòng)力頭快進(jìn)按鈕X21右動(dòng)力頭快退按鈕3.4 I/O接線圖 該系統(tǒng)PLC的I/O接線圖如下圖3.8所示。 圖3.8 I/O接線圖注：接觸器的線圈通過接220V電壓與PLC的輸出端和COM端相連。按鈕和開關(guān)與輸入端和COM端相連。3.5 元器件選型本機(jī)床控制系統(tǒng)采用的是日本三菱公司的FX2N系編程控制器，根據(jù)設(shè)計(jì)

13、的機(jī)床控制系統(tǒng)對(duì)輸入輸出的要求，本機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇了日本三菱公司生產(chǎn)的FX2N系列可編程控制器中的FX2N48MR-001,如下圖3.9所示。該型號(hào)的輸入點(diǎn)數(shù)24個(gè)，輸出點(diǎn)數(shù)24個(gè)，不但滿足本系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)要求，而且為以后本機(jī)床的控制系統(tǒng)的升級(jí)改造留有一定的系統(tǒng)擴(kuò)展空間。 圖3.9 FX2N-48MR-001元器件清單表如下表3.10所示： 表3.10 元器件清單表代 號(hào)名 稱型 號(hào) 及 規(guī) 格用 途數(shù)量價(jià)格PLC三菱可編程控制器 FX2N-48MR-001編程控制15490元M1三相交流異步電動(dòng)機(jī)Y132S-4 5.5KW 380V 1440r/min主電動(dòng)機(jī)1850元M2三相交流異

14、步電動(dòng)機(jī)Y132S-4 5.5KW 380V 1440r/min主電動(dòng)機(jī)1850元M3三相交流異步電動(dòng)機(jī)Y90S-2 1.5KW 380V 1450r/min快速工進(jìn)電動(dòng)機(jī)1380元M4三相交流異步電動(dòng)機(jī)Y90S-2 1.5KW 380V 1450r/min快速工進(jìn)電動(dòng)機(jī)1380元M5三相交流異步電動(dòng)機(jī)Y132S-4 5.5KW 380V 1440r/min左冷卻泵1850元M6三相交流異步電動(dòng)機(jī)Y132S-4 5.5KW 380V 1440r/min右冷卻泵1850元FU1熔斷器RL1-15 15A主電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)110.5元FU2熔斷器RL1-15 15A主電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)110.5元FU3

15、熔斷器RL1-15 15A快速工進(jìn)電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)110.5元FU4熔斷器RL1-15 15A快速工進(jìn)電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)110.5元FU5熔斷器RL1-15 15A左冷卻泵過載保護(hù)110.5元FU6熔斷器RL1-15 15A右冷卻泵過載保護(hù)110.5元KM1交流接觸器CJ10-75A 線圈電壓220V控制M1正轉(zhuǎn)185元KM2交流接觸器CJ10-75A 線圈電壓220V控制M2正轉(zhuǎn)185元KM3交流接觸器CJ10-40A 線圈電壓220VM3工進(jìn)185元KM4交流接觸器CJ10-40A 線圈電壓220VM4工進(jìn)185元KM9交流接觸器CJ10-75A 線圈電壓220V控制M1反轉(zhuǎn)185元KM10交流

16、接觸器CJ10-75A 線圈電壓220V控制M2反轉(zhuǎn)185元 YV1電磁鐵DC24V,10W控制M3快進(jìn)140元YV2電磁鐵DC24V,10W控制M4快進(jìn)140元FR1熱繼電器JR10-60 52.5AM1過載保護(hù)131元FR2熱繼電器JR10-60 52.5AM2過載保護(hù)131元FR3熱繼電器JR10-10 *14 7.20AM3過載保護(hù)123元FR4熱繼電器JR10-10 *14 7.20AM4過載保護(hù)123元FR5熱繼電器JR10-60 52.5AM5過載保護(hù)131元FR6熱繼電器JR10-60 52.5AM6過載保護(hù)131元SB1按鈕R16-503ADM1正轉(zhuǎn)12元SB2按鈕R16-5

17、03ADM1反轉(zhuǎn)12元SB3按鈕R16-503ADM2正轉(zhuǎn)12元SB4按鈕R16-503ADM2反轉(zhuǎn)12元SB5按鈕R16-503ADM3工進(jìn)12元SB6按鈕R16-503ADM3快進(jìn)12元SB7按鈕R16-503ADM4工進(jìn)12元SB8按鈕R16-503ADM4快進(jìn)12元SB9按鈕R16-503AD左冷卻泵12元SB10按鈕R16-503AD右冷卻泵12元SQ位置開關(guān)LA39-B2-10 6120元SA照明開關(guān)XD86-00217元SA1冷卻泵開關(guān)AD-16116元SA2冷卻泵開關(guān)AD-16116元指示燈AD16-16C812元照明燈12-85V113元總計(jì)10667元4 軟件設(shè)計(jì)4.1程序

18、流程圖根據(jù)要求知需使左、右兩動(dòng)力頭均要求快進(jìn)工進(jìn)快退的工作循環(huán)和可使左、右兩動(dòng)力頭同時(shí)工作，也可進(jìn)行單獨(dú)調(diào)整，設(shè)計(jì)的流程圖如下圖4.1所示。 圖4.1 程序流程圖4.2梯形圖 梯形圖如下圖4.2所示。圖4.2 梯形圖5系統(tǒng)調(diào)試安裝GX Developer和三菱的仿真軟件，建立一個(gè)新工程，將梯形圖輸入到工程中，完成后將其轉(zhuǎn)換。再啟動(dòng)梯形圖邏輯測(cè)試，選擇軟元件測(cè)試，輸入不同的軟元件，改變其狀態(tài)，觀察輸出的改變。調(diào)試情況如下表5.1所示。 表5.1調(diào)試表格軟元件的改變輸出的改變 X0=1,X1=0Y0=1X0=0,X1=1Y1=1X2=0Y0=0,Y1=0X3=1Y5=1X3=0Y5=0X7=1,X0=1,X1=0/X7=1, X0=0,X1=1Y0=1,Y3=1/Y1=1,Y3=1X4=1Y2=1,Y3=0X5=1Y2=0,Y4=1,Y0=0/Y1=0X6=0Y4=0X10=1Y4=1X11=1,X12=0Y6=1X11=0,X12=1Y7=1X13=1Y6=0,Y7=0X14=1Y13=1X20=1,X11=1,X12=0/X20=1,X11=0,X12=1Y11=1,Y6=1/Y11=1,Y7=1X15=1Y10=1,Y11=0X16=1Y10=0,Y12=1,Y6=0/Y7=0X17=0Y12=0X21=1Y12=1設(shè)計(jì)心得 PLC（可編程控制器）以其可