半精鏜床的PLC改造設計

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摘要 雙面組合機床是以通用部件為基礎，配以按工件特定形狀和加工工藝設計的雙面組合專用部件和夾具，而組成的半自動或自動雙面組合機床。 雙面組合機床一般采用多軸、多刀、多工序、多面同時加工的方式，生產效率比通用機床高達幾倍甚至幾十倍。由于通用部件已經標準化和系列化，可根據(jù)需要靈活配置，能縮短設計和制造周期。因此，雙面組合機床兼有低成本和高效率的優(yōu)點，在大批、大量生產中得到廣泛應用，并可用以組成自動生產線。二十世紀70年代以來，隨著可轉位刀具、鏜孔尺寸自動檢測和刀具自動補償技術的發(fā)展，雙面組合機床的加工精度也得到了大幅度的提高。雙面組合機床是隨著汽車工業(yè)的興起而發(fā)展起來的。在雙面組合機床中某些部件因重復使用，逐步發(fā)展成為通用部件，因而產生了雙面組合機床。PLC的最大特點是控制過程以程序方式存放在存儲器內，只需修改存儲器中的程序就得改變生產工藝的控制過程，而不需要對硬件連線作較大的改變。 本文亦是運用PLC實現(xiàn)了對機床的控制而設計的套筒雙面半精鏜床。本機床可以自動控制，也可以手動控制。當自動控制時，工件夾緊到位后，其鏜頭才開始工作，當加工完畢后鏜頭首先停止，滑臺后退回原始位置。在手動控制時，可以任意控制鏜刀電機進行加工，但是有傳感器限位。這兩種控制方法使得各種人均可以適應。 關鍵字：PLC 半精鏜床專用機床 電氣控制系統(tǒng) 梯形圖 目 錄 第1章 機床的簡介 1 1.1半精鏜雙面組合專用機床的組成 1 1.2機床動力部分電氣原理圖。 2 1.3右滑臺、右主軸運行控制部分的電氣原理圖 3 1.4 電磁閥部分電氣原理圖 4 1.5 指示電路 5 1.6 設備的控制要求 5 第2章 總體改造方案確定 6 2.1 電氣控制方法 6 2.1.1 繼電接觸器器控制 6 2.1.2 PLC程序控制 6 2.1.3 雙面組合專用控制 7 2.1.4 微機控制 7 2.1.5 單片機控制 7 2.2 方案比較 8 2.2.1 單片機系統(tǒng)控制與個人計算機的不同之處 8 2.2.2 PLC與單片機的區(qū)別 8 2.2.3 PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制的區(qū)別 8 第3章 單元電路介紹 9 3.1 PLC介紹 9 3.1.1 PLC概述 9 3.1.2 FX2N系列..............................................12 3.1.3 PLC的選型 12 3.2 電磁閥的選擇 13 3.3 電動機的選擇 13 3.4 傳感器的選擇 14 3.5 接觸器選擇 14 3.6 繼電器的選擇 15 第4章 控制系統(tǒng)程序設計 16 4.1 PLC的I/O分配 16 4.2 PLC外部接線圖 17 4.3 半精鏜雙面組合專用機床PLC控制程序 18 結束語 19 致 謝………………………………………………………………………………20 參考文獻.............................................................21 第1章 機床的簡介 1.1半精鏜雙面組合專用機床的組成 半精鏜雙面組合機床是由左/右滑臺、左／右動力頭、工件定位夾具、液壓站、左／右主軸電動機、控制臺、工作燈等組成。左／右滑臺及工件的夾緊和放松動作都由液壓提供動力。如圖1-1 圖1-1 半精鏜雙面組合專用機床 1.2機床動力部分電氣原理圖。 圖1-2主電路圖 1.3右滑臺、右主軸運行控制部分的電氣原理圖 在先前合上主電源開關QS，旋動SA1選擇好機床半自動運行狀態(tài)，按下SB2，液壓及潤滑電機正常工作的狀態(tài)下，工件夾緊、拔銷完畢，按下SB3，KA11、KM1線圈得電吸合，右主軸啟動，右滑臺開始快速前進。當位置開關SQ2檢測到信號；常閉斷開，常開閉合，KA11失電斷開，KA12得電吸合，右滑臺由原來的快進轉為工進，主軸上的鏜刀對工件進行鏜孔加工。當位置開關SQ4檢測到信號；常閉斷開，常開閉合，KA12、KM1均失電斷開，KA13得電吸合；鏜孔完畢，主軸停轉。右滑臺的工進結束，轉為快速后退。直至位置開關SQ1檢測到信號，右滑臺停止后退。右工件加工完畢。如圖1-3 圖3-3 右滑臺、右主軸控制部分的電氣原理圖 （KA11 滑臺右快進；KA 12 滑臺右工進；KA13 滑臺右退；KM1 右主軸） 1.4 電磁閥部分電氣原理圖 這是該機床的電磁閥控制部分的原理圖。這些電磁閥是該機床的核心組成之一。它的吸合控制液壓回路完成工件的夾緊與放松及左右滑臺的前進與后退。如表1-1圖1-4 表1-1吸合控制液壓回路 Yv1 左滑臺快進 Yv2 左滑臺后退 Yv3 左滑臺工進 Yv4 右滑臺快進 Yv5 右滑臺后退 Yv6 右滑臺工進 Yv7 放松 Yv8 夾緊 Yv9 插銷 圖1-4 電磁閥部分電氣線路圖 第 3 頁 共 24 頁 1.5 指示電路 圖1-5 指示電路 1.6 設備的控制要求 （1）該機床按要求設有手動和自動兩種控制方式。加工工件是在自動方式下進行的；兩個動力頭位置的調整、插銷／拔銷等操作，有時需用手動方式。 （2）機床必須處于初始狀態(tài)時，自動方式亦可以啟動。不然應先進行左右滑臺的位置調整后，方才可以啟動。 （3）啟動自動運行時，處于插銷狀態(tài)下不能啟動右滑臺前進，必須在拔銷完成后才能啟動。 （4）當自動方式結束一個循環(huán)且對兩件連桿加工完后，機床應處于初始狀態(tài)。 第2章 總體改造方案確定 2.1 電氣控制方法 電氣控制方法一般可分為接觸器與繼電器控制、PLC控制、計算機控制、單片機系統(tǒng)控制、雙面組合專用控制系統(tǒng)等五種。 2.1.1 繼電接觸器器控制 20世紀20～30年代出現(xiàn)了繼電器接觸器控制，由于控制器件結構簡單、價廉，控制方式簡單直接、工作可靠、易維護，因此在機床控制上得到長期、廣泛的應用。其缺點一是接線固定，一臺控制裝置只能針對某一種固定程序的設備，一旦工藝程序有所變動，改變控制程序困難，就得重新配線，滿足不了對程序經常改變、控制要求比較復雜的系統(tǒng)需求；二是控制裝置體積大、功耗大、控制速度慢；另外它是由觸點控制，在控制復雜時可靠性降低。三是維護，維修較困難，且支出成本大。 2.1.2 PLC程序控制 可編程控制器之所以能夠高速發(fā)展，除了順應工業(yè)自動化的客觀需要外，還由于其具有許多適合工業(yè)控制的獨特優(yōu)點，它較好地解決了工業(yè)控制領域中普遍關心的可靠、安全、靈活、方便、經濟等問題，其主要特點如下： （1）可靠性高，抗干擾能力強 可靠性指的是可編程控制器平均無故障工作時間?？煽啃约确从沉擞脩舻囊螅质强删幊炭刂破魃a廠家竭力追求的技術指標。 （2）編程簡單，操作方便 PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備，它提供了多種面向用戶的語言，如常用的梯形圖、指令語句表和控制系統(tǒng)流程圖等?？紤]到企業(yè)中一般電氣技術人員和技術工人的讀圖習慣和應用微機的實際水平，目前大多數(shù)的PLC采用繼電器控制形式的梯形圖編程方式；這是一種面向生產、面向用戶的編程方式，它以計算機軟件技術構成人們慣用的繼電器模型，直觀易懂，與常用的微機語言相比更容易被現(xiàn)場電氣工程技術人員所接受并掌握。 （3）系統(tǒng)的設計、安裝、調試工作量小，維護方便 PLC用軟件取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件。使控制柜的設計、安裝接線工作量大為減少。同時PLC的用戶程序大部分可以在實驗室進行模擬調試，用模擬實驗開關代替輸入信號，其輸出狀態(tài)可通過PLC上的發(fā)光二極管指示出來。模擬調試好后再將PLC控制系統(tǒng)安裝到生產現(xiàn)場，進行聯(lián)機調試；這樣既安全，又快捷方便。 （4）體積小，能耗低 由于體積小，很容易裝在機械設備內部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。對于復雜的控制系統(tǒng)，使用可編程控制器后，可以減少大量的中間繼電器和時間繼電器，而可編程控制器的體積又僅相當于幾個繼電器的大小，因此可將開關柜的體積縮小到原來的1/2～1/10，由于減少了線圈用電，從而也使能耗降低。 2.1.3 雙面組合專用控制 雙面組合專用控制系統(tǒng)以數(shù)控機床為例作簡單介紹，數(shù)控機床的特點有： （1）生產柔性大； （2）加工精度高，產品質量穩(wěn)定性好； （3）生產效率高； （4）較高的可靠性，較好的宜人性； （5）良好的經濟效益； （6）減輕勞動強度，改善勞動條件； （7）有利于生產管理的現(xiàn)代化。 數(shù)控機床適于多品種，小批量的生產，特別適合新產品的試生產。不同機床適應的零件加工范圍不同：當零件不復雜生產批量較少時，宜選用普通機床；當零件復雜程度高時，選數(shù)控機床更為合理；當零件批量增大超出一定范圍時，選用數(shù)控機床就不太合理了，大批量生產最好是選用雙面組合專用機床。從加工經濟性而言，并不是越好，數(shù)控機床在中、小批量的生產中有較好的經濟效益。 最適合在數(shù)控機床上加工的零件可歸納為： （1）輪廓形狀復雜，加工精度較高的零件； （2）用普通機床加工時，需要制作復雜工藝裝備的零件； （3）用普通機床加工時，工藝路線過長、工裝過多的零件； （4）多品種、小批量生產的零件（100件以內）； （5）新產品的試制零件； （6）價值昂貴，加工中不許報廢的關鍵零件； （7）生產周期短的急零件； （8）集銑、鉆、鏜、擴、攻螺紋等多種工序于一體的零件。 2.1.4 微機控制 計算機在各行各業(yè)的應用日益普及，工業(yè)控制領域也不例外。最初，計算機僅用于科學計算、數(shù)據(jù)處理和辦公自動化。隨著工業(yè)生產現(xiàn)代化的需要和微電子技術的迅速發(fā)展，應用微型計算機來進行工業(yè)生產過程控制成為提高生產自動化水平，提高生產率，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化的重要途徑和標志。然而，工業(yè)控制系統(tǒng)往往要求長期連續(xù)運行，工業(yè)生產現(xiàn)場的環(huán)境常常很惡劣：高溫、高濕、高寒、大振動、強沖擊、強電磁干擾、大粉塵等。因此，適應工業(yè)現(xiàn)場應用而開發(fā)的工業(yè)控制計算機必須滿足以下幾點要求： （1）高可靠性，以適應工業(yè)現(xiàn)場十分惡劣和復雜的工作條件； （2）具有實時響應處理能力，以滿足工業(yè)生產過程實時控制要求； （3）有豐富的可與工業(yè)生產現(xiàn)場信號相連接的工業(yè)接口； （4）控制系統(tǒng)結構應能組配靈活，易于擴展； （5）有先進的系統(tǒng)軟件和應用軟件，便于開發(fā)。 2.1.5 單片機控制 單片機是把微型計算機的主要部件CPU、存儲器、I/O接口電路部分及其他功能部件，如定時計數(shù)器，中斷系統(tǒng)和串，并行口都集成在一片半導體芯片上，它具有微型計算機最基本的功能。它具有性價比高，穩(wěn)定可靠，通用性強，體積小及價格底等優(yōu)點，但它的功能模塊比較少需外部連接。目前是國內單片機應用的及教學的主流產品。 2.2 方案比較 2.2.1 單片機系統(tǒng)控制與個人計算機的不同之處 一臺能夠工作的計算機要有這樣幾個部分構成：中央處理單元CPU（進行運算、控制）、隨機存儲器RAM（數(shù)據(jù)存儲）、存儲器ROM（程序存儲）、輸入/輸出設備I/O（串行口、并行輸出口等）。 在個人計算機（PC）上這些部分被分成若干塊芯片，安裝在一個被稱之為主板的印刷線路板上。而在單片機中，這些部分全部被做到一塊集成電路芯片中了，隨意稱為單片機，而且有些單片機除了上述部分外，還集成了其它部分如模擬量/數(shù)字量轉換（A/D）和數(shù)字量/模擬量轉換（D/A）等。 2.2.2 PLC與單片機的區(qū)別 （1）PLC是建立在單片機之上的產品，單片機是一種集成電路，兩者不具有可比性； （2）單片機可以構成各種各樣的應用系統(tǒng)，從微型、小型到中型、大型都可以，PLC是單片機應用系統(tǒng)的一個特例； （3）不同廠家的PLC有相同的工作原理，類似的功能和指標，有一定的互換性，質量有保證，編程軟件正朝標準化方向邁進。這正是PLC獲得廣泛應用的基礎。而單片機應用系統(tǒng)則是功能千差萬別，質量參差不齊，學習、使用和維護都很困難。從工程的角度，看PLC與單片機系統(tǒng)的選用： 2.2.3 PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制的區(qū)別 繼電器機械觸點的串聯(lián)或并聯(lián)等組成控制邏輯其連線多且復雜，體積大，功耗大，系統(tǒng)構成后想再改變或增加功能較為困難。 繼電器控制系統(tǒng)依靠機械觸點的動作實現(xiàn)控制，工作頻率低，機械觸點還會出現(xiàn)抖動問題，而PLC是通過程序指令控制半導體電路來實現(xiàn)控制的，速度快，程序指令執(zhí)行時間在微妙級，且不會出現(xiàn)觸點抖動問題。 時間繼電器的延時動作進行時間控制，時間繼電器的延時時間易受環(huán)境溫度和溫度變化的影響，定時精度不高。而PLC采用半導體集成電路做定時器，時鐘脈沖由晶體振蕩器產生，精度高，定時范圍寬，用戶可根據(jù)需要在程序中設定定時值，修改方便，不受環(huán)境的影響，且PLC具有記數(shù)功能，而電氣控制系統(tǒng)一般不具備記數(shù)功能。 由于繼電器控制系統(tǒng)使用了大量的機械觸點，存在機械磨損，電弧燒傷等問題，壽命短，系統(tǒng)的連接線多，所以可靠性和維護性較差，而PLC大量的開關動作由無觸點的半導體電路來完成，壽命長，可靠性高。 第3章 單元電路介紹 3.1 PLC介紹 PLC是可編程控制器（Programmable Logic Controller）的簡稱，它是一種新型的通用自動控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術、計算機技術和通信技術融為一體，專門為工業(yè)控制而設計，具有功能強、通用靈活，可靠性高、環(huán)境適宜性好、編程簡單、使用方便以及體積小、重量輕等一系列優(yōu)點。PLC在設計和制造過程中采取多層抗干擾和精選元件措施,非常適用于在惡劣的工業(yè)環(huán)境下使用，現(xiàn)以廣泛應用于機械制造、冶金、化工、環(huán)保、輕工等各個領域，成為一種最普及、應用場合最廣泛的傳統(tǒng)繼電接觸器的替代物——新一代的工業(yè)控制器，廣泛的應用在模擬量控制、位置控制、監(jiān)控、調速、數(shù)據(jù)管理、通訊等方面。近年來，隨著我國自動化技術的提高，工廠自動化也上了一個新臺階，PLC作為一個新興的工業(yè)控制器，在多個方面具有獨特的優(yōu)點，在各個領域獲得了廣泛應用。它是一種專門用于工業(yè)生產過程控制的現(xiàn)場設備，它是以微處理器為核心, 并綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術而發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動控制裝置。它的最大特點就是體積小、功能強、響應速度快、可靠性高、控制過程均通過以梯形圖的方式編程，隨時可依生產工藝的不同要求而隨機修改，還具有可擴展性。 3.1.1 PLC概述 （一）PLC的產生、特點和發(fā)展 1.PLC的產生 可編程控制器（Programmable Controller）簡寫成 PLC，其中 L為邏輯（Logic）的意思，第一臺可編程控制器是1969年在美國面世的。經過30多年的發(fā)展，現(xiàn)在可編程控制器已經成為重要、可靠、應用場合廣泛的工業(yè)控制微型計算機?？删幊炭刂破魇且环N數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計，它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、記數(shù)和算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字式或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。 2.PLC的特點 可編程控制器及其有關外部設備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體、易于擴充其功能的原則設計?？删幊炭刂破骶哂兄T多優(yōu)點： A） PLC的生產廠家都著力于提高可靠性的指標； B） PLC還具有編程方便、易于使用的優(yōu)點； C） PLC控制功能極強，除基本的邏輯控制、定時、計數(shù)、算術運算等功能外，配合特殊功能模塊還可實現(xiàn)點位控制、PID運算、過程控制、數(shù)字控制等功能，為方便工廠管理又可以與上位機通信，通過遠程模塊可以控制遠方設備； D） PLC的擴展以及與外部聯(lián)接極為方便。 3.PLC的發(fā)展狀況 PLC誕生不久就顯示了其在工業(yè)控制領域的重要作用。如日本、德國和法國等國家相繼研制成各自的PLC，PLC技術隨著計算機和微電子技術的發(fā)展而發(fā)展，由1位機發(fā)展成8位機，隨著微處理器CPU和微型計算機技術在PLC中的應用，形成了現(xiàn)代意義的PLC?，F(xiàn)在PLC產品已經使用了16位、32位高性能微處理器，而且實現(xiàn)了多處理器的多信道處理，通信技術使PLC的應用得到進一步的發(fā)展。目前，PLC技術已經比較成熟。 （二）PLC的基本結構 1.PLC的硬件系統(tǒng) 用可編程控制器實施控制，其實質是按一定算法進行輸入輸出變換，并將這個變換予以物理實現(xiàn)。入出變換 、物理實現(xiàn)可以說是PLC實施控制的兩個基本點。而入出變換實際上就是信息處理，信息處理當今最常用的是微處理機技術，PLC也是用它，并使其專用化，應用與工業(yè)現(xiàn)場。至于物理實現(xiàn)，正是它與普通微機相區(qū)別之點，普通微機多只考慮信息本身，別的不多考慮，而PLC要考慮實際的控制需要。物理實現(xiàn)要求PLC的輸入，應當排除干擾信號適應于工業(yè)現(xiàn)場。輸出應放大到工業(yè)控制的水平，能為實際控制系統(tǒng)方便使用。這就要求I/O電路專門設計。根據(jù)PLC實施控制的基本點的分析，PLC采用了典型的計算結構。主要是由CPU、RAM、ROM和專門設計的輸入輸出接口電路組成。 A．中央處理器 中央處理器（CPU）一般由控制電路、運算器和寄存器組成，這些電路一般都集成在一個芯片上。CPU通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與存儲單元、輸入輸出（I/O）接口電路相連接。CPU按掃描方式工作，從0000首址存放的第一條用戶程序開始，到用戶程序的最后一個地址，不停的周期性掃描，每掃描一次，用戶程序就執(zhí)行一次。 B．輸入/輸出部分 這是PLC與被控設備相連接的接口電路。用戶設備輸入PLC的各種控制信號，如限位開關、操作按扭、選擇開關、行程開關以及其他一些傳感器輸出的開關量或模擬量（要通過模數(shù)變換進機內）等，通過輸入輸出電路將這些信號轉換成中央處理器能夠接收和處理的信號。輸出接口電路將中央處理器送出的弱電控制信號轉換成現(xiàn)場需要的強電信號輸出，以驅動電磁閥、接觸器、電機等被控設備的執(zhí)行元件。 1）輸入接口電路 現(xiàn)場輸入接口電路一般由光電耦合電路和微電腦輸入接口電路成。 光電耦合電路：采用光電耦合電路與現(xiàn)場輸入信號相連是為防止現(xiàn)場的強電干擾進入PLC。光電耦合電路的關鍵器件是光電耦合器，一般由發(fā)光二極管和光電三極管組成。光電耦合器的抗干擾性能：由于輸入和輸出段是靠光信號耦合的，在電器上是完全隔離的，因此輸出端的信號不會反饋到輸入端，也不會產生地線干擾和其他串擾。 2）輸出接口電路 一般由微電腦輸出接口電路和功率放大電路組成。 微電腦輸出接口電路：一般由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷電路集成而成。CPU通過數(shù)據(jù)總線將要輸出的信號放到輸出數(shù)據(jù)寄存器中。 功率放大電路：是為了適應工業(yè)控制的要求，將微電腦輸出的信號加以放大。PLC一般采用繼電器輸出。 C．電源部件 將交流電源轉換成供PLC所需的直流電源。目前大部分PLC采用開關式穩(wěn)壓電源供電。 2.PLC的軟件系統(tǒng) A．系統(tǒng)程序 它由PLC的制造企業(yè)編制，固化在PROM或EPROM中，按裝在PLC上，隨產品提供給用戶。系統(tǒng)程序包括系統(tǒng)管理程序、用戶指令解釋程序和供系統(tǒng)調用的標準程序模塊等。 系統(tǒng)管理程序：其主要功能為： A）：時間分配的運行管理，即實現(xiàn)PLC輸入、輸出運算，自檢及提供通信時序； B）：存儲空間的額分配管理，即生成用戶環(huán)境，規(guī)定各種參數(shù)、程序的存放地址，將用戶使用的數(shù)據(jù)參數(shù)存儲地址轉化為實際的數(shù)據(jù)格式及物理存儲地址； C）：系統(tǒng)的自檢程序，即對系統(tǒng)進行出錯檢驗、用戶程序語法檢驗、句法檢驗、警戒時鐘運行等。在系統(tǒng)管理程序的控制下，整個PLC能正確、有效地工作。 用戶指令解釋程序：它可將用戶用各種編程語言（梯形圖、語句表等）編制的應用程序翻譯成CPU能執(zhí)行的機器指令。 供系統(tǒng)調用的標準程序模塊：它由許多獨立的程序組成，各自完成包括輸入、輸出、特殊運算等不同的功能。PLC的各種具體工作都由這部分來完成。 B. 用戶程序 它是根據(jù)生產過程控制的要求由用戶使用制造企業(yè)提供的編程語言自行編制的應用程序。用戶程序包括開關量邏輯控制程序、模擬量運算程序、閉環(huán)控制程序和操作站系統(tǒng)應用程序等。 操作站系統(tǒng)程：它是大型PLC系統(tǒng)經過通信聯(lián)網后，由用戶進行信息交換和管理而編制的程序。它包括各類畫面的操作顯示程序，一般采用高級語言實現(xiàn)，一些制造企業(yè)也提供了人機界面的有關軟件，用戶可以根據(jù)制造企業(yè)提供的外交使用說明進行操作站的系統(tǒng)畫面組態(tài)和編制相應的應用程序。 （三）PLC的工作過程及原理 1.工作過程 PLC大多采用成批輸入/輸出的周期掃描方式工作，按用戶程序的先后次序逐條運行，一個完整的周期可分為三個階段： A）輸入刷新階段： 程序開始時，監(jiān)控程序使機器以掃描方式逐個輸入所有輸入端口上的信號，并依次存入對應的輸入映象寄存器。 B）程序處理階段： 所有的輸入端口采樣結束后，即開始進行邏輯運算處理，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始，逐條加以執(zhí)行，并將相應的邏輯運行結果，存入對應的中間元件和輸出元件映象寄存器，當最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉入輸出刷新處理。入對應的中間元件和輸出元件映象寄存器，當最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉入輸出刷新處理。 C）輸出刷新階段： 將輸出元件映象寄存器的內容，從第一個輸出端口開始，到最后一個結束，依次讀入對應的輸出鎖存器，從而驅動輸出器件形成可編程的實際輸出。一般地，PLC的一個掃描周期約10ms，另外，可編程序控制器的輸入/輸出還有響應滯后（輸入濾波約10ms），繼電器機械滯后約10ms，所以，一個信號從輸入到實際輸出，大約有20--30ms的滯后。 2.PLC的工作原理 PLC雖然以微處理器為核心，并具有微機的許多特點，但它的工作方式卻與微機有很大不同。微機一般采用等待命令和中斷的工作方式，而PLC則是采用"順序掃描、不斷循環(huán)"的方式進行工作的，包括輸入采樣、系統(tǒng)處理、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新四個階段。完成上述四個階段稱為一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行這四個階段。 A) 輸入采樣階段：順序訪問PLC的所有輸入單元的信號狀態(tài)，將其放入輸入緩沖區(qū)內。 B) 系統(tǒng)處理階段：對系統(tǒng)工作狀態(tài)進行檢查，對連接的I/O單元及外部設備進行定期服務。 C) 用戶程序執(zhí)行階段：執(zhí)行預先設定的用戶程序，將處理結果分別放入動態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)和輸出緩沖區(qū)。 D) 輸出刷新階段：將輸出緩沖區(qū)的所有信號送到輸出單元，刷新輸出單元鎖存器的原有狀態(tài)。 3.1.2 FX2N系列 FX2N系列主要技術性能應用指令中有多個可使用的簡單指令如表3-1所示 ●高速處理指令 輸入過濾器常數(shù)可變，中斷輸入處理，直接輸入等。 ●便利指令 數(shù)字開關的數(shù)據(jù)讀取，16位數(shù)據(jù)的讀取矩陣輸入的讀取，7段顯示器輸出等。 ●數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)檢索，數(shù)據(jù)排列，三角子函數(shù)運算，平方根，浮點小數(shù)運算等。 ●特殊用途 脈沖輸出（20KHZ/DC5V,10KHZ/DC12V～24V）脈寬調制，PID控制指令等。 ●外部設備相互通信 串行數(shù)據(jù)傳送，ACCII code印刷，HEX←→ASCII變換，校驗碼等。 ● 時計控制 內置時鐘的數(shù)據(jù)比較、加法、減法，讀出、寫入等 3.1.3 PLC的選型 選擇適當型號的PLC機是設計中至關重要的一步。在設計時，要根據(jù)機型統(tǒng)一的原則來考慮，盡可能考慮采用與本企業(yè)正在使用的同系列PLC機，以便于學習、掌握、維護。 （1）I/O輸入、輸出設備的數(shù)量和性質。 （2）PLC的功能 （3）用戶存儲器的容量 FX2N-32MT 晶體管 FX2N-48MR-001 48 24 漏型 24 繼電器 182x87x90 FX2N-48MT 晶體管 FX2N-64MR-001 64 32 漏型 32 繼電器 220x87x90 FX2N-64MT 晶體管 FX2N-80MR-001 80 40 漏型 40 繼電器 285x87x90 FX2N-80MT 晶體管 FX2N-128MR-001 128 64 漏型 64 繼電器 350x87x90 FX2N-128MT 晶體管 本設計一共涉及到24個輸人點，16個輸出點。根據(jù)設計要求需留出10%~15%的余量，以適應工藝流程的變動及系統(tǒng)功能的擴充，所以本設計選用了FX2N 系列64點主控單元，該機型有32個輸入點，32個輸出點，可以滿足系統(tǒng)的一般升級要求。如表3-1 3.2 電磁閥的選擇 電磁閥是用來控制流體的自動化基礎元件，屬于執(zhí)行器；并不限于液壓，氣動。電磁閥用于控制液壓流動方向，工廠的機械裝置一般都由液壓鋼控制，所以就會用到電磁閥。 電磁閥的工作原理，電磁閥里有密閉的腔，在的不同位置開有通孔，每個孔都通向不同的油管，腔中間是閥，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動來檔住或漏出不同的排油的孔，而進油孔是常開的，液壓油就會進入不同的排油管，然后通過油的壓力來推動油剛的活塞，活塞又帶動活塞桿，活塞竿帶動機械裝置動。這樣通過控制電磁鐵的電流就控制了機械運動。 當控制系統(tǒng)中負載慣性較大，所需功率也較大時，一般用液壓和氣動控制系統(tǒng)。電磁 閥是此系統(tǒng)的主要組成部分。 本設計選用電磁閥型號為DSG-01-3C4-D24、DSG-01-3C2-D24、DSG-01-3C60-D24。 3.3 電動機的選擇 電動機按結構及工作原理分為同步電動機和異步電動機。本文選用了異步電動機。 和其他旋轉電機一樣，交流異步電動機也是由定子和轉子兩大部分組成。定轉子之間為氣隙，交流電動機的氣隙比其他類型的電機要小得多，一般為0.25～2.0mm，氣隙的大小對異步電動機的性能影響很大。 三相異步電動機的結構與單相異步電動機相似，其定子鐵心槽中嵌裝三相繞組（有單層鏈式、單層同心式和單層交叉式三種結構）。定子繞組接入三相交流電源后，繞組電流產生的旋轉磁場，在轉子導體中產生感應電流，轉子在感應電流和氣隙旋轉磁場的相互作用下，又產生電磁轉柜（即異步轉柜），使電動機旋轉 本設計的電動機選用的型號為：液壓電機Y132S-4、鏜頭主軸電機Y100L2-4、切削液電機Y801-4、潤滑電機Y801-4。 3.4 傳感器的選擇 傳感器是一種能把物理量或化學量轉變成便于利用的電信號的器件。國際電工委員會的定義為：“傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號”。按照Gopel等的說法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理(模擬或數(shù)字)能力的系統(tǒng)”。傳感器是傳感系統(tǒng)的一個組成部分，它是被測量信號輸入的第一道關口。 傳感器把某種形式的能量轉換成另一種形式的能量。有兩類：有源的和無源的。有源傳感器能將一種能量形式直接轉變成另一種，不需要外接的能源或激勵源。 無源傳感器不能直接轉換能量形式，但它能控制從另一輸入端輸入的能量或激勵能，傳感器承擔將某個對象或過程的特定特性轉換成數(shù)量的工作。其“對象”可以是固體、液體或氣體，而它們的狀態(tài)可以是靜態(tài)的，也可以是動態(tài)(即過程)的。對象特性被轉換量化后可以通過多種方式檢測。對象的特性可以是物理性質的，也可以是化學性質的。按照其工作原理，它將對象特性或狀態(tài)參數(shù)轉換成可測定的電學量，然后將此電信號分離出來，送入傳感器系統(tǒng)加以評測或標示。 在一段特制的彈性軸上粘貼上雙面組合專用的測扭應片并組成變橋，即為基礎扭矩傳感器；在軸上固定著：①、能源環(huán)形變壓器的次級線圈，②、信號環(huán)形變壓器初級線圈，③、軸上印刷電路板，電路板上包含整流穩(wěn)定電源、儀表放大電路、V/F變換電路及信號輸出電路。 在傳感器的外殼上固定著： ①、激磁電路，②、能源環(huán)形變壓器的初級線圈(輸入)，③、信號環(huán)形變壓器次級線圈(輸出)，④、信號處理電路 本課題選用TE-SNC20C接近開關傳感器。其檢測距離0—16mm，工作電壓DC10—30V。由高頻率振蕩器和放大器組成，有傳感器的檢測與大地間構成一個電容器。參與振蕩器回路工作，起始處于震蕩狀態(tài)，當物體接近傳感器檢測面，回路的電容器發(fā)生變化，使高頻振蕩器震蕩，震蕩與停頓這兒種狀態(tài)轉換為電信號，經放大器轉換成二進制的開關信號。 3.5 接觸器選擇 接觸器是用于遠距離頻繁地接通與斷開交直流主電路及大容量控制電路的一種自動切換電器。其主要控制對象是電動機，也可用于控制其他電力負載，如電熱器、電焊機等，接觸器不僅能實現(xiàn)遠距離集中控制而且操作頻率高、控制容量大，并具有低電壓釋放保護、工作可靠、使用壽命長等優(yōu)點，是接觸器控制系統(tǒng)最重要和最常用的元件之一。接觸器按其通過電流的種類可分為交流接觸器和直流接觸器，因為本課題是機床控制，所以選用交流接觸器CJ10-20、CJ10-10、CJ10-5系列。 交流接觸器常用于遠距離接通和分斷電壓至1140V、電流至630A的交流電路，以及頻繁控制交流電動機。由電磁系統(tǒng)、觸頭系統(tǒng)、滅弧裝置、彈簧和支架底座等部分組成。 在選用接觸器時，應遵循以下原則。 （1）根據(jù)被接通或分斷的電流種類選擇接觸器類型。 （2）接觸器的額定電壓≥主電路的額定電壓。 （3）接觸器線圈的額定電壓（有36V，110V或127V，220V，380V四種）必須與接入此線圈的控制電路的額定電壓相等。 （4）接觸器觸頭數(shù)量和種類應滿足主電路和控制線路需要。 （5）接觸器的額定電流應等于或稍大于負載額定電流。 3.6 繼電器的選擇 繼電器可分為中間繼電器、時間繼電器、壓力繼電器、速度繼電器。 壓力繼電器是將壓力信號轉變?yōu)殡娦盘柕霓D換元件，以實現(xiàn)自動控制或安全保護等。用于氣動控制系統(tǒng)或多機床自動線中，或用于氣路中做聯(lián)鎖裝置，也可用在機床上的氣動卡盤、管道中。當壓力低于整定值時，壓力繼電器使機床自動停車，以保安全。在本課題中選用了壓力繼電器為YJ-0系列。 第4章 控制系統(tǒng)程序設計 4.1 PLC的I/O分配 半精鏜雙面組合專用機床選用PLC的機型是FX2N 系列64點主控單元，該機32個輸人點，32個輸出點。具體I/O分配如下表4-1表4-2所示。 表4—1輸入分配 停止按鈕 SB1 X0 右鏜孔極限 SQ19 X15 液壓泵啟動 SB2 X1 左滑臺原位 SQ11 X20 滑臺手動向前 SB3 X2 右工進轉換 SQ12 X21 滑臺手動后退 SB4 X3 左滑臺觸發(fā) SQ13 X22 手動夾緊 SB5 X4 左后退轉換 SQ14 X23 手動放松 SB6 X5 左滑臺前進極限 SQ8 X24 潤滑啟動 SB7 X6 左鏜孔極限 SQ18 X25 右滑臺原位 SQ1 X10 調整/半自動轉換 SA1 X30 右工進轉換 SQ2 X11 插銷 SA2 X31 左滑臺觸發(fā) SQ3 X12 液壓壓力閥 SP0 X32 右后退轉換 SQ4 X13 夾緊到位壓力閥 SP1 X33 右滑臺前進極限 SQ9 X14 拔銷到位壓力閥 SP2 X34 表4—2輸出分配 右主軸電機 KM1 Y0 右后退 YV5 Y13 左主軸電機 KM2 Y1 右工進 YV6 Y14 液壓泵 KM3 Y2 松開 YV7 Y15 潤滑泵 KM4 Y3 夾緊 YV8 Y16 左向前 YV1 Y7 插銷 YV9 Y17 左后退 YV2 Y10 指示燈（拔銷） L1 Y20 左工進 YV3 Y11 指示燈（夾緊） L2 Y21 右向前 YV4 Y12 報警指示 L3/HA Y22 4.2 PLC外部接線圖 4.3 半精鏜雙面組合專用機床PLC控制程序 下圖是半精鏜雙面組合專用機床的部分PLC控制梯形圖，控制程序是根據(jù)工藝過程、控制要求和流程圖編制而成的。 結束語 畢業(yè)設計結束了，在指導老師的幫助下完成了畢業(yè)設計。在設計過程中我遇到許多新的理論知識，到圖書館查找了有關的資料進行整理并運用到設計中。 整個設計選用PLC控制實現(xiàn)的，所以編寫PLC程序尤其重要。本控制在過去都是用繼電器和接觸器控制方式控制的，但這種控制方式體積大，功耗大，系統(tǒng)構成后想再改變或增加功能較為困難，PLC控制具有可靠、安全、靈活、方便、經濟等優(yōu)點。 采用PLC對雙面專用精鏜床進行電氣控制是一種行之有效的技術進步手段。本機床采用機械、液壓、電氣相結合的控制方式，既可作手動又可作自動操作，液壓控制保證了工作臺的進給和被加工夾緊放松，電氣控制設計起著神經中樞的作用。實踐證明，它降低了雙面組合專用鏜床電控系統(tǒng)的故障率，大大提高了其工作的可靠性，改善了其控制性能，提高了機床的加工精度，與此同時，在一定程度上降低了設備能耗。極大程度的提高了半精鏜床控制系統(tǒng)的可靠性和半精鏜床的工作效率，大大減少了維修、維護的工作量與成本，有效的提高了發(fā)動機及汽車的性能指標。在實際使用中，效果良好。 致 謝 本論文在胡老師的悉心指導下已完成，指導老師淵博的專業(yè)知識，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，精益求精的工作作風，誨人不倦的高尚師德，嚴以律己、寬以待人的崇高風范，樸實無華、平易近人的人格魅力對我影響深遠。不僅使我樹立了遠大的學術目標、掌握了基本的研究方法，還使我明白了許多待人接物與為人處世的道理。本論文從選題到完成，每一步都是在指導老師的指導下完成的，傾注了指導老師大量的心血。在此，謹向指導老師表示崇高的敬意和衷心的感謝！ 還要感謝胡老師，在生活上、學習上、工作上無微不至地關心及指導，讓我深切地感受到了班級這個大家庭的溫暖。 參考文獻 [1]程子華，PLC 原理與編程實例分析 北京：國防工業(yè)出版社，2007.10 [2]吳中俊， 可編程序控制器原理及應用 北京：機械工業(yè)出版社 [3] 可編程控制器應用技術，北京：化學工業(yè)出版社，2002：43-56 [4]江秀漢，可編程序控制器原理及應用[M]，西安：西安電子科技大學出版社，1996 [5]陳立定、吳玉香、蘇開才編，電氣控制與可編程控制器，廣州：華南理工大學出版社．200l.9 [6]周惠文，施永.可編程控制器原理與應用[M] 北京：電子工業(yè)出版社，2007:75-78，81-83 [7]王兆義，邏輯與編程控制系統(tǒng) 上海：上海大學出版社，2003：10-35 [8]汪道輝，邏輯與可編程控制系統(tǒng) 北京：機械工業(yè)出版社，2001：56-87 [9]李俊秀，可編程控制器應用技術實訓指導 北京：化學工業(yè)出版社，2002：9-15 [10]田瑞庭，可編程控制器應用技術 北京：機械工業(yè)出版社，1994：87-101 第 19 頁 共 24 頁