毕业设计（论文）-基于PLC的多工步机床控制系统设计.doc

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1、目录目录 摘 要I ABSTRACT.II 1 概述1 2 机床和 PLC 2 2.1 机床.2 2.2 PLC5 3 设计要求.8 3.1 PLC 设计要求.8 3.2 机床工作设计要求.9 3 系统硬件设计.10 3.1 PLC 选择说明.10 3.2 FX2N-48MR 性能和参数 11 3.3 机床控制说明及外部接线.12 4 系统软件设计 .13 4.1 系统控制程序总体结构.13 4.2 PLC 控制及梯形图.14 5 设计现况和展望.18 5.1 PLC 的国内外状况.18 5.2 PLC 未来展望.19 参考文献20 结束语.21 致谢.22 I 摘 要 工业机床的控制在工业生

2、产自动化控制中占有重要的位置。在机床行业中，多工 步机床由于其工步及动作多，控制较为复杂。采用传统的继电器控制时，需要的继电 器多，接线复杂，因此故障多，维修困难、费工费时。采用 PLC 控制，可是接线大为 简化，不但安装十分方便，而且保证了可靠性，减少了维修量，提高了功效。 制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国家或地区 的经济实力、科技水平、生活水准和国防实力。而制造业的生产能力主要取决于制造 装备机床的先进程度。 本文对缸体端面加工工艺进行了详细的分析，采用装在动力滑台上的左右两个动 力头对两端面同时进行切削，动力头的快进、工进及快退由液压油缸驱动，采用调整 死档

3、铁方法实现位置控制的思路。 根据这一思路设计了四步电机控制。左、右动力头主轴电动机，液压泵电机，冷 却泵电机组成。本文对各部分的设计进行了详细的计算和论证，并提出了优化工艺结 构的方法。采用的 PLC 控制稳定可靠。它的研制成功具有重要的意义。机床设计分析 后，提高工效 35 倍，大大提高了设备的自动化水平。系统具有操作简单、工作可靠 性高、工艺参数修改方便的优点。设备的可维护性和灵活性大为提高。 关键词：制造业；多工步机床；PLC 控制；梯形图 II ABSTRACT The control of industrial automation control in industrial pro

4、duction occupies an important position. The machine tool industry, multi-stage machine and work because of its action, control is more complicated. Using traditional relay control, need more complex, the relay, fault than wiring, maintenance difficulties, FeiGong time-consuming. PLC control, but not

5、 only greatly simplified wiring, installation is very convenient, and ensure the reliability, reduce the maintenance and increase the efficiency. Manufacturing is one country or region economic development of the important pillars, its development level marks the country or regions economic strength

6、 and technology level, the living standards and national defense capabilities. While manufacturing production capacity depends on the advanced manufacturing equipment, machine tool. Based on cylinder surface processing technology, using a detailed analysis on the slide in the power of two power head

7、 around two end while cutting head, the fast, and retreat quickly by using hydraulic cylinder driving, adjust die gear position control method of iron. According to this design thought has four step motor control. Left, right, hydraulic head spindle motor cooling pump motor, electrical components. T

8、his part of the design makes a detailed calculation and argument, and puts forward the method of optimization process structures. Adopts PLC control is stable and reliable. The successful development of its important significance. After the analysis of machine design and improve efficiency in 3 5 ti

9、mes, can greatly improve the level of automation equipment. System has higher reliability, simple operation, easy modify the advantages of process parameters. The maintainability of the equipment and greatly improve flexibility. Keywords: manufacturing：Multi-stage machine；PLC control；ladder-diagram

10、1 1 概述 在机床行业中，多工步机床由于其工步及动作多，控制较复杂，采用传统的继电 器控制时，需要的继电器多，接线复杂，因此，故障多，维修困难，费工费时，不仅 加大了维修成本，而且影响了设备的工效。 在可编程序控制器问世之前，继电器接触 器在工业领域中占主导地位。继电器接触器控制系统是采用固定接线的硬件实现控制 逻辑。如果生产工艺或生产任务发生变化，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和接触器控制，使用的继电器数 目越多，控制的体积越大，耗电多，且继电器触电为机械触点，工作频率较低，在频 繁动作的情况下寿命较短，造成系统故障，系统可靠性差。为了

11、解决这一问题，早在 1968 年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司，为了适应汽车型号不断翻新，以求在 激烈竞争的汽车工业中占有优势，提出要用一种新型控制装置来取代继电器接触器控 制装置，并且对未来的新型控制装置做了具体的设想，药把计算机的完备功能以及灵 活性、通用性号等优点溶于新的控制装置中，且要求新的控制装置编程简单，使得步 熟悉计算机的人员也能很快掌握它的使用技术。 PLC 是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便、的有点而设计制造和 发展的，这就使得 PLC 具有许多其他控制器所无法相比的特点：可靠性高，抗干扰能 力强；通用性强，使用方便；采用模块化结构，使系统组合灵活方便；编程语

12、言简单、 易学，便于掌握；系统设计周期短；对生产工艺改变适应性强；安装简单，调试方便、 维护工作量小。 2 2 机床和 PLC 2.1 机床 2.1.1 机床发展史 我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术， “七五”期间组织消化吸收“科技攻关” ，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成 绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，19982004 年国产数控机床产量和消 费量的年平均增长率分别为 39.3%和 34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲， 从 2002 年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004 年中国机床主机消

13、费高达 94.6 亿美元，国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机 床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件 均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力， 究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识 与能力欠缺、数控,系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。我们应看清形势，充分 认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩 短与发达国家之问的差距。 2.1.2 多工步机床介绍 多工步组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定外形和加工工艺设计的专 用部件和夹具，组成

14、的半自动或自动专用机床。 组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式，生产效 率比通用机床高几倍至几十倍。由于通用部件已经标准化和系列化，可根据需要灵活 配置，能缩短设计和制造周期。因此，组合机床兼有低成本和高效率的优点，在大批、 大量生产中得到广泛应用，并可用以组成自动生产线。 组合机床一般用于加工箱体类或非凡外形的零件。加工时，工件一般不旋转，由 刀具的旋转运动和刀具与工件的相对进给运动，来实现钻孔、扩孔、锪孔、铰孔、镗 孔、铣削平面、切削内外螺纹以及加工外圆和端面等。有的组合机床采用车削头夹持 工件使之旋转，由刀具作进给运动，也可实现某些回转体类零件(如飞轮、汽车后桥

15、半 轴等)的外圆和端面加工 二十世纪 70 年代以来，随着可转位刀具、密齿铣刀、镗孔尺寸自动检测和刀具自 动补偿技术的发展，组合机床的加工精度也有所提高。铣削平面的平面度可达 0.05 毫 米1000 毫米，表面粗糙度可低达 2.5 某些回转体类零件(如飞轮、汽车后桥半轴等)的 外圆和端面加工。0.63 微米；镗孔精度可达 IT76 级，孔距精度可达 O.03O.02 微米。 专用机床是随着汽车工业的兴起而发展起来的。在专用机床中某些部件因重复使 3 用，逐步发展成为通用部件，因而产生了组合机床。 最早的组合机床是 1911 年在美国制成的，用于加工汽车零件。初期，各机床制造 厂都有各自的通用

16、部件标准。为了提高不同制造厂的通用部件的互换性，便于用户使 用和维修，1953 年美国福特汽车公司和通用汽车公司与美国机床制造厂协商，确定了 组合机床通用部件标准化的原则，即严格规定各部件间的联系尺寸，但对部件结构未 作规定。 通用部件按功能可分为动力部件、支承部件、输送部件、控制部件和辅助部件五 类。动力部件是为组合机床提供主运动和进给运动的部件。主要有动力箱、切削头和 动力滑台。 支承部件是用以安装动力滑台、带有进给机构的切削头或夹具等的部件，有侧底 座、中间底座、支架、可调支架、立柱和立柱底座等。 输送部件是用以输送工件或主轴箱至加工工位的部件，主要有分度回转工作台、 环形分度回转工作台

17、、分度鼓轮和往复移动工作台等。 控制部件是用以控制机床的自动工作循环的部件，有液压站、电气柜和操纵台等。 辅助部件有润滑装置、冷却装置和排屑装置等。 为了使组合机床能在中小批量生产中得到应用，往往需要应用成组技术，把结构 和工艺相似的零件集中在一台组合机床上加工，以提高机床的利用率。这类机床常见 的有两种，可换主轴箱式组合机床和转塔式组合机床。 组合机床未来的发展将更多的采用调速电动机和滚珠丝杆等传动，以简化结构、 缩短生产节拍；采用数字控制系统和主轴箱、夹具自动更换系统，以提高工艺可调性； 以及纳入柔性制造系统等。 2.1.3 机床维修 在机床出现故障的时候方便维修，因为技术资料是维修的指南

18、，它在维修工作中 起着至关重要的作用借助于技术资料可以大大提高维修工作的效率与维修的准确胜。 一般来说，对于重大的数控机床故障维修在理想状态下，应具备以下技术资料： (1)数控机床使用说明书 它是由机床生产厂家编制井随机床提供的随机资料。机床 使用说明书通常包括参数与维修有关的内容1）机床的操作过程和步骤 2）机床主要 机械传动系统及主要部件的结构原理示意图 3）机床的液压、气动、润滑系统图 4） 机床安装和调整的方法与步骤 5）数控系统的面板说明 6）数控系统的具体操作步骤 （包括手动，自动、试运行等方式的操作步骤以及程序、参数等的输入、编辑、设 置和显示方法） 7）加工程序以及输入格式，程

19、序的编制方法，各指令的基本格式以 及所代表的意义等 在部分系统中它还可能包括系统调试、维修用的大量信息，如： 机床参数的说明、报警的显不及处理方法、以及系统的连接图等。它是维修数控系统 与操作机床中必须参考的技术资料之一。 4 (2)PLC 程序清单 它是机床厂根据机床的具体控制要求设计、编制的机床控制软 件，PLC 程序中包含了机床动作的执行过程，以及执行动作所需的条件，它表明了指 令信号、检测元件与执行元件之间的全部逻辑关系。借助 PLC 程序，维修人员可以 迅速找到故障原因，它是数控机床维修过程中使用最多、最重要的资料 在某些系统 （如 FANUC 系统、SIEMENS802D 等）中，

20、利用数控系统的显示器可以直接对 PLC 程序进行动态检测和观察，它为维修提供了极大的便利，因此，在维修中定要熟练掌 握这方面的操作和使用技能 (3)机床参数清单 它是由机床生产厂根据机床的实际情况，对数控系统进行的设置 与调整。机床参数是系统与机床之间的桥梁，它不仅直接决定了系统的配置和功能， 而且也关系到机床的动、静态性能和精度因此也是维修机床的重要依据与参考。在维 修时，应随时参考系统机床参数的设置清况来调整、维修机床；特别是在更换数控系 统模块时一定要记录机床的原始设置参数，以便机床功能的恢复。 (4)数控系统的连接说明、功能说明 该资料由数控系统生产厂家编制通常只提供给 机床生产厂家作

21、为设针资料。维修人员可以从机床生产厂家或系统生产、销售部门获 得。 系统的连接说明、功能说明书不仅包含了比电气原理图更为详细的系统各部分之 间连接要求与说明，而且还包括了原理圈中未反映的信号功能描述，是维修数控系统， 尤其是检查电气接线的重要参考资料。 (5)伺服驱动系统、主轴驱动系统的使用说明书 它是伺服系统及主轴驱动系统的原 理与连接说明书，主要包括伺服、主轴的状态显示与报警显示、驱动器的调试、设定 要点，信号、电压、电流的测试点，驱动器设置的参数及意义等方面的内容，可供伺 服驱动系统、主轴驱动系统维修参考。 (6)PLC 使用与编程说明它是机床中所使用的外置或内置式 PLC 的使用、编程

22、说 明书。通过 PLC 的说明书，维修人员可以通过 PLC 的功能与指令说明分析、理解 PLC 程序并由此详细了解、分析机床的动作过程、动作条件、动作顺岸以及各信号 之间的逻辑关系，必要时还可以对 PLC 程序进行部分修改。 (7)机床主要配套功能部件的说明书与资料 在数控机床上往往会使用较多功能部件 如数控转台、自动换刀装置、润滑与冷却系纽排屑器等。这些功能部件，其生产厂家 一般都提供了较完整的使用说明书，机床生产厂家应将其提供给用户，以应功能部件 发生故障时进行参考。 以上都是在理想情况下应其备的技术资料，但是实际维修时往 往难以做到这一点。因此在必要时，维修人员应通过现场测绘、平时积累等

23、方法完普、 整理有关技术资料。 (8)这是维修人员对机床维修过程的记录与维修的总结 最理想的清况是：维修人员 应对自己所进行的每一步维修都进行详细的记录，不管当时判断是否正确。这样不仅 有助于今后进一步维修，而且也有助于维修人员的经验总结与水平的提高。 5 2.2 PLC 2.2.1 PLC 概念介绍 PLC 即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础 的新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义： “PLC 是

24、一种专门为在 工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器， 用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令， 并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其 有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则 而设计。 ” (1)PLC 的特点 可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用 现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰 技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万

25、小时。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障工作时间则更长。从 PLC 的机外电 路来说，使用 PLC 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开 关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC 带有硬件故障 自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入 外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保 护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 配套齐全，功能完善，适用性强 PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种 规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功

26、能以外，现 代 PLC 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功 能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。 加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC 组成各种控制系统变得 非常容易。 易学易用，深受工程技术人员欢迎 PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿 企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图 形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就 可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言 的人使用计

27、算机从事工业控制打开了方便之门。 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 PLC 用存储逻辑代替接线逻 辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时 6 维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。 这很适合多品种、小批量的生产场合。 体积小，重量轻，能耗低 以超小型 PLC 为例，新近出产的品种底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机 电一体化的理想控制设备。 (2)PLC 的应用领域 目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、 汽车、轻纺

28、、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几 类。 开关量的逻辑控制： 这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、 顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、 印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 模拟量控制： 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度 等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字 量（Digital）之间的 A/D 转换及 D/A 转换。PLC 厂家都生产配套的 A/D 和 D/A 转换模 块，使可

29、编程控制器用于模拟量控制。 运动控制： PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于 开关量 I/O 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如 可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要 PLC 厂家的产 品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 过程控制： 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机， PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统 中用得较多的调节方法。大中型 PLC 都有 PID 模块，目前许多小型 PLC 也

30、具有此功 能模块。PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、 锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 数据处理： 现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算） 、数据传送、数据 转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可 以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送 到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制 7 的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控 制系统。 通信及联网： PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与

31、其它智能设备间的通信。随着计算机控制的 发展，工厂自动化网络发展得很快，各 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通信功能，纷纷 推出各自的网络系统。新近生产的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便。 PLC 控制的数控滑台结构： 一般组合机床自动线中的数控滑台采用步进电机驱动的开环伺服机构。采用 PLC 控制的数控滑台由可编程控制器、环行脉冲分配器、步进电机驱动器、步进电机和伺 服传动机构等部分组成。 2.2.2 PLC 的构成 (1)PLC 的组成 从结构上分，PLC 分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式 PLC 包括 CPU 板、I/O 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不

32、可拆卸的整体。模块 式 PLC 包括 CPU 模块、I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照 一定规则组合配置。 (2)CPU 的构成 CPU 是 PLC 的核心，起神经中枢的作用，每套 PLC 至少有一个 CPU，它按 PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装 置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC 内部电路的工 作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令， 经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 CPU 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们

33、之间联系的数据、控制及状态总 线构成，CPU 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及 数据，是 PLC 不可缺少的组成单元。 在使用者看来，不必要详细分析 CPU 的内部电路，但对各部分的工作机制还是应 有足够的理解。CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。 但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。 寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。 (3)常用的 I/O 分类 开关量：按电压水平分，有 220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电 器隔离和晶体管隔离。 模拟

34、量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA） 、电压型（0-10V,0-5V,-10- 10V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。 8 除了上述通用 IO 外，还有特殊 IO 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按 I/O 点数确定模块规格及数量，I/O 模块可多可少，但其最大数受 CPU 所能管理的基本 配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 (4)电源模块 PLC 电源用于为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路 提供 24V 的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC 或 110VAC） ，直流电源 （常用的为 2

35、4VDC） 。 (5)底板或机架 大多数模块式 PLC 使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系， 使 CPU 能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个 整体。 (6)PLC 系统的其他设备 编程设备：编程器是 PLC 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于 编程、对系统作一些设定、监控 PLC 及 PLC 所控制的系统的工作状况，但它不直接参 与现场控制运行。小编程器 PLC 一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程 软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。 人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一 体式

36、操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。 (7)PLC 的通信联网 依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网 络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出“网络就是控制器“的 观点说法。 PLC 具有通信联网的功能，它使 PLC 与 PLC 之间、PLC 与上位计算机以及其他智能 设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数 PLC 具有 RS- 232 接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC 的通信现在主要采用通过多 点接口（MPI）的数据通讯、PROFIBUS 或工业以太网进行联网。

37、3 设计要求 3.1 PLC 设计要求 (1)最大限度的满足被控对象的控制要求。 (2)在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、 济、使用和维护方便。 (3)保证控制系统安全可靠。 (4)考虑到生产的发展和工艺的改进在选择 PLC 容量时应适当留有余量。 9 (5)PLC 软件系统及常用编程语言 PLC 软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。系统程序包括监控程序、编译 程序、诊断程序等，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言，诊断机器故障。 系统软件由 PLC 厂家提供并已固化在 EPROM 中，不能直接存取和干预。用户程序是 用户根据现场控制要求，用 PLC 的程序语言编制的应用程

38、序（也就是逻辑控制）用来 实现各种控制。 (6)PLC 控制系统的接地方法 由于 PLC 机柜和操作台、配电柜等用电设备的金属外壳及控制设备正常不带电 的金属部分，由于各种原因（如腐蚀、绝缘破损等）而有可能带危险电压，所以应该 进行保护接地，低于 36V 供电的设备，无特殊要求可不做接地保护。 PLC 控制系统中的基准电位是各回路工作的参考电位，基准电位的连接线称为 系统地，通常是控制回路直流电源的零伏导线，系统接地的方式有浮地方式、直接接 地方式和电容接地方式。 为防止静电感应和磁场感应而设置的屏蔽接地端子应做屏蔽接地。其中信号回 路接地和屏蔽接地又通称为工作接地。 一般以上接地方法的控制原

39、则是：保护地和工作地不能混用，这是由于在每一段电源 保护地线的两点间会有数毫伏，甚至几伏的电位差，这对低电平信号电路来说是一个 非常严重的干扰。屏蔽地，当信号电路是单点接地时，低频电缆的屏蔽层也应单点接 地，如果电缆的屏蔽层接地点有一个以上时，将产生噪声电流，形成噪声干扰源。 本系统采用的接地电阻都需要在规定的范围内，对于 PLC 组成的控制系统一般应小于 4，而且要有足够的机械强度，事前都需要进行防腐处理。PLC 组成的控制系统进行 单独设置接地系统，也可以利用现场条件进行“等电位联结”进行接地设计。 3.2 机床工作设计要求 本机床为某设备缸体端面加工专用机床，采用装在动力滑台上的左右两个

40、动力头 对两端面同时进行切削，动力头的快进、工进及快退由液压油缸驱动，采用调整死档 铁方法实现位置控制。整体流程图如图 2.2(a)所示；动力头加工动作流程如图 2.2(b)所 示。 载 负 卸 荷 夹 紧 松 开 横 快 左头 回原位 横滑台 快进 横 工 进 左头 快进 左头 工进 左头 工进 右头 工进 右头 快退 右头 回原位 图 3.2（a）整体流程图 10 SP2快进（入位） 夹紧 原位 SQ2SQ3 工进SQ4（延时停留） SQ5 快退 图 3.2(b) 动力头加工动作流程图 机床的加工动作顺序如下 (1)工件定位。机械乎将工件装入夹具后，定位油缸动作定位以保证工件的加工尺 寸；

41、 (2)工件夹紧。工件定位后，延时 10 秒，夹紧油缸动作将工件固定在夹具内； (3)滑台入位。滑台带动夹具一起快速进入加工位置； (4)加工工件。左右动力头进行两端面切削加工，当动力头到达加工终点时，停止 工进，延时 25 秒后，动力头停转，快速退回原位； (5)滑台复位，夹具松压。左右动力头退回原位后，滑台复位，夹具松开，取出工 件，等待下一个循环。机床的动作由电气液压联合控制，各电磁阀的动作如表 2.2 所示。 表 2.2 电磁动作要求 YV1YV2YV3YV4YV5 定 位 + 夹 紧 + + 快进(入位) + + 工 进 + + + + 快 退 + + 复位放松 3 系统硬件设计 3

42、.1 PLC 选择说明 可编程控制器(PLC)不仅能实现对开关量信号的逻辑控制，还能实现与上位计算机 等智能设备之间的通信。因此，采用 PLC 控制完全能满足本机床的技术要求，目具有 操作简单运行可靠、工艺参数修改方便、自动化程度高等特点。系统的控制核心为 M IT-SUBISHI 的 FX2N-48M R 小型 PLC，系统结构如图 3.1 所示。 11 上位监控计算 PLC MITSUBISHI FX2N-48MR 动力头主轴电动机, 油泵电动机,机床加 工动作流程控制,机 床工作状况指示等 输出控制 启动/停止,复位,自 动/步进;手动,快进, 工进,快退,点动,油压 ,夹紧等开关量输入

43、 信号 SR-422 图 3.1 系统结构图 3.2 FX2N-48MR 性能和参数 3.2.1 FX2N-38MR 性能介绍 FX2N-48MR-4AD-2DA 可编程控制器(简称 FX2N)是 48 路 I/O 板式小型可编程 控制器(SL2N)是带有 48 路 I/O、4 路 AD、2 路 DA、RS232C 通信接口、扩展接口 的一体化小型可编程控制器，可灵活运用在各种工业自动控制场合。SL2N 是完全自 主研发的国产精品，具有可靠性高、抗干扰能力强、价格低廉等特点。 功能介绍： 编程软件兼容日本三菱 FXGP_WIN-C 梯形图软件 工作电源 AC220V 48 路 I/0 输入输出

44、，其中输入 24 路，输出 24 路（晶体管型） 本机采用高性能进口工业级芯片设计，可适应高电磁干扰的工业环境 高速运算，基本指令每步 0.5uS 另有 4 路 AD 模拟量输入，每路为 0v/10v 输入，分辨率为 12 位 另有 2 路 DA 模拟量输出，每路为 0v/10v 输出，分辨率为 12 位 通信接口有 RS232 有扩展接口，可以方便地连接模拟量输入输出、I/O 等扩展模块 程序寄存器达 8000 步。 内部继电器 1536 点 定时器 256 点 计数器 256 点 数据寄存器 6000 点 变址寄存器 16 点 编程语言采用梯形图 程序位置指针 128 个 采用循环扫描工作

45、方式 一体化紧凑型设计，长宽高为 27017221 12 容易安装使用便利的固定孔安装 3.3 机床控制说明及外部接线 机床有四台电机，其中 M1 ,M2 分别为左、右动力头主轴电动机，由接触器 KM1 控制;M3 为液压泵电机，由接触器 KM2 控制;M4 为冷却泵电机，由接触器 KM3 控制。 为了使加工、调整、维修方便，设置了工作方式选择开关 SA1 当开关置于“自动”位 时，工件从装入夹具定位夹紧到加工完毕，动力头返回原位夹具松开，全部自动进行; 置于“步进”位时，每按一次工作起动按钮 SB3，机构按动作的固定顺序向前动作一 步;置于“手动”位时，通过按钮 SB6SB11 对左右动力头

46、电机和机床的各动作流程进 行点动控制。当动力头工作到中途因停电或自动控制系统发生故障时，可点动复位。 为了使系统工作稳定，设置压力继电器 SP1 检测油泵油压，只有在油压达到一定值时， 系统才能工作。设置压力继电器 SP2 检测工件在夹具内是否可靠夹紧。设置限位开关 SQ1 检测工件是否准确定位。SQ2 SQ3 作为左右动力头由快进到工进的转换主令开关， 为了使两个动力头的运动同步，只有在它们同时受压时，才发出转步信号，开始加工。 SQ4 是工进终点限位开关，SQ5 是动力头原位限位开关。PLC 输入/输出端了的接线如 图 3.3 所示 x000 x001 x002 x003 x004 x00

47、5 x006 x007 x010 x011 x012 x013 x014 x015 x016 x017 x020 x021 x022 x023 x024 FX2n-48mr y000 y001 y002 y003 y004 y005 y006 y007 y010 y011 y012 SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SP1 SP2 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 SQ5 SB6 SB7 SB8 SB9 SB10 SB11 SA1 KM1 KM2 YV1 YV2 YV3 YV4 YV5 HL1 HL2 HL3 HL4 油泵起动 油泵停止 工作启动 工作停止 复 位 油 压 夹 紧 步 进

48、自 动 手 动 定 位 左 右 工 进 后 退 M1，M2 定 位 夹 紧 快 进 工 退 快 退 油泵电机 原位 自动 步进 手动 动力头主 轴电机 机床 加工 动作 流程 控制 图 3.3 PLC 输入/输出端了的接线图 13 说明：冷却泵电机由组合开关 SA2、接触器 KM3 直接控制，未通过 PLC。设置了原 位指示灯 HL1，工作方式指示灯 HL2 HL4，指示设备的工作状态 PLC I/O 器件分配表如表 3.3 所示 器件代号设备 名称 器件代号设备名称 X000SB1 启动 按钮 Y000KM1 动力电机接触器 X001SB2 停止 按钮 Y001KM2 油泵电机接触器 X00

49、2SB3 停止 按钮 Y002YV1 工件夹紧电磁阀 X003SB4 复位 按钮 Y003YV2 滑台快进电磁阀 X004-X006SP1-SP2 压力 开关 Y004YV3 滑台工进电磁阀 X007-X010SA1 转换 开关 Y005YV4 右头工进电磁阀 X012-X016SQ1-SQ5 行程 开关 Y006YV5 左头工进电磁阀 X020-X024SB6-SB11 动作 按钮 Y007-Y012HL1-HL4 动作指示灯 说明：0503 OFF, 0009 ,1003 ,0504 ON, YV3 断电，YV4 通电，横向滑台工进。当到位 后，压下行程开关 SA 2,压力继电器 SP2 动作，工进结束，这样依次完成其它各工序。 4 系统软件设计 4.1 系统控制程序总体结构 系统有三种控制方式。采用模块组合结构，将不同控制方式的程序分开编写，分 开执行，这样的程序结构简单，编写方便。实现的方法是采用条件跳转指令，根据工 作方式输入继电器的状态，决定运行什么程序。系统控制程序的总体结构如图 4.1 所示 14 X011X007 X010 P1 X011 PO FNC00 CJ PO 手动程序 公用程序 自动程序 FNC00 CJ P1 FNC06 F