本科畢業論文（設計）設計題目：基于PLC的四工位組合機床控制系統設計學院：專業：機械設計制造及其自動化班級：學號：學生姓名：指導教師：2014年5月21日貴州大學本科畢業論文（設計）誠信責任書本人鄭重聲明：本人所呈交的畢業論文（設計），是在導師的指導下獨立進行研究所完成。畢業論文（設計）中凡引用他人已經發表或未發表的成果、數據、觀點等，均已明確注明出處。特此聲明。論文（設計）作者簽名：日期：目錄TOC\o"1-3"\h\u27435摘要 III15574Abstract IV23059第一章緒論 517299 570661.2PLC的四工位組合機床控制系統設計的目的和意義 534231.3PLC的四工位組合機床控制系統設計的國內外現狀和發展趨勢 625650第二章四工位組合機床原理及液壓系統 820040 8111422.1.1回轉臺工作原理 9193872.1.2鉆孔工作原理 9255952.1.3擴孔工作原理 937262.2四工位組合機床的液壓控制系統 1123306第三章PLC概述與方案論證 13241693.1PLC概述 13290623.1.1PLC基本介紹 1365133.1.2PLC硬件組成 134886 17210973.2.1PLC與繼電器-接觸器相比較： 17200643.2.2PLC與單片機比較 1812441第四章電氣控制系統硬件設計 2015297 20103074.1.1結構選擇 2037124.1.2I/O點選取原則 205998 2119680 2229258 24198374.3.1PLC的詳細接線圖 24172804.3.2電機電氣原理圖 2619671 2610274 2817406 2827685 2912719第五章部分程序的分析以及程序調試結果 30213765.1以下程序段的分析： 30208495.2此次設計的程序建立以及調試結果分析如下： 3215716第六章設計總結與體會 3422633 3431281 3519968參考文獻 3612817致謝 371682附錄一 3826974附錄二 52

基于PLC的四工位組合機床控制系統設計摘要文章以四工位組合機床為研究對象,四工位主要包括鉆孔、擴孔、攻絲、機械手上下料等工位，通過對主要結構和運動形式的探究以及對機床的工作過程和控制要求分析,給出了機床動作循環圖、液壓元件動作表以及四工位組合機床的液壓控制系統;并采用PLC控制系統的設計方法,進行了軟硬件設計,列出了PLC的I/O地址分配表,繪制了PLC的I/O分配圖和單循環自動工作流程圖，編寫PLC控制程序的梯形圖和指令表;由操作面板組成的人機界面，使整個控制系統的操作變得簡單，方便，大大提高了系統的自動化程度和實用性。關鍵詞：可編程控制器(PLC)，四工位組合機床，控制系統，人機界面。

FourlabourmodularmachinetoolcontrolsystemdesignbasedonPLCAbstractCombinationmachinetoolsbasedonfourlocationastheresearchobject,Fourstationmainlyincludedrilling,reaming,tapping,manipulatorup-downmaterialsuchaslocation，andthroughthemainstructureandformofmovementofexplorationandformachinetoolsworkprocessandcontrolrequirementsanalysisispresented,themachineoperatingcyclediagram,hydrauliccomponentsactionlistandfourforthehydrauliccontrolsystemofmodularmachinetool,AndPLCcontrolsystemdesignmethodofsoftwareandhardwaredesign,liststhePLCI/Oaddressallocationworksheets,paintedPLCI/Oassignmentgraphandsingleautomaticworkflowchart,writePLCcontrolprogramladderdiagramandinstructionslist,Composedofman-machineinterfaceoperationpanel,makethewholecontrolsystemoperationsimple,convenient,greatlyimprovedthesystemautomationdegreeandpracticability.Keywords:programmablecontroller(PLC),fourlocationcombinationmachinetools,controlsystem,theman-machineinterface. 第一章緒論組合機床是針對特定工件，進行特定加工而設計的一種高效率自動化專用加工設備，這類設備大多能多刀同時工作，并且具有自動循環的功能。組合機床是隨著機械工業的不斷發展，由通用機床、專用機床發展起來的。通用機床一般用一把刀具進行加工，自動化程度低、輔助時間長、生產效率低，但通用機床能夠重新調整，以適應加工對象的變化。專用機床可以實現的多刀切削，自動化程度較高，結構較簡單，生產效率也較高。但是，專用機床的設計，制造周期長，造價高，工作可靠性也較差。專用機床是針對某工件的一定工序設計的，當產品進行改進，工件的結構，尺寸稍有變化時，它就不能繼續使用。在綜合了通用機床、專用機床優點的基礎上產生了組合機床。組合機床通常由標準通用部件和加工專用部件組合構成，動力部件采用電動機驅動或采用液壓系統驅動，由電氣系統進行工作自動循環的控制，是典型的機電或機電液一體化的自動加工設備。常見的組合機床，標準通用部件有動力滑臺各種加工動力頭以及回轉工作臺等，可用電動機驅動，也可用液壓驅動。各標準通用動力部件組合構成一臺組合機床時，該機床的控制電路可由各動力部件的控制電路通過一定的連接電路組合構成。多動力部件構成的組合機床，其控制通常有三方面的工作要求：第一方面是動力部件的點動和復位控制。第二方面是動力部件的半自動循環控制。第三方面是整批全自動工作循環控制。組合機床具有生產率高、加工精度穩定的優點。因而，在汽車、柴油機、電機、機床等一些具有一定生產批量的企業中得到了廣泛應用。目前，組合機床的研制正向高效、高精度、高自動化和柔和性化方向發展。1.2PLC的四工位組合機床控制系統設計的目的和意義目前一般企業都擁有一定數量的用繼電器控制的組合機床。繼電器控制方式雖然有結構簡單、價格便宜的優點，但存在著接觸器觸點磨損快、壽命短、可靠性差等缺點。特別是在更換產品而改變動作循環時，需重新設計、安裝、調試，不能適應現代生產要求。造成了這些企業的生產率低下，效益差，反過來這些企業又沒有足夠的資金購買新的數控車床。因此，當務之急就是對這些普通車床進行技術改造，以提高企業的設備利用率，提高產品的質量和產量。而采用PLC改造機床，可去掉了機床的中間繼電器、時間繼電器、順序控制二極管及電阻，使線路簡化。同時，由于PLC的高可靠性，輸入／輸出部分還具有信號指示，這不僅使電氣故障次數大大減少，而且還能給準確判斷電器故障的發生部位提供了很大的方便。控制系統可靠性好、故障率低、工藝參數調整方便等特點。因為可編程控制器的抗干擾能力強，可靠性高，且配置靈活，已在工控領域廣泛應用。這不僅可以實現生產過程的自動控制，還可以構成適合工業環境的實時網絡控制。

另外使用PLC控制機床電氣系統后為了充分發揮設備效能，迅速提升加工技術與精度，越來越多的企業每年投入大量資金和技術對傳統老式組合機床進行技術改造，取得了良好的效果。用PLC模塊、變頻驅動技術、操控監控設備等組成電氣數字控制系統，以實現編程輸入、人機交互、自動化加工的控制方式，擴大加工能力，減少故障，提高效率，已成為企業進行技術改造的有效途徑。因此設計性價比較高的基于PLC的四工位組合機床控制系統設計顯得尤其重要。1.3PLC的四工位組合機床控制系統設計的國內外現狀和發展趨勢在我國，組合機床的科研和生產都具有相當的基礎，應用也已深入到很多行業。是當前機械制造業實現產品更新，進行技術改造，提高生產效率和高速發展必不可少的設備之一。組合機床及其自動線是集機電于一體的綜合自動化程度較高的制造技術。在工藝裝備方面；它的特征是高效、高質、經濟實用，因而被廣泛應用于工程機械、交通、能源、軍工、輕工、家電等行業。我國傳統的組合機床及組合機床自動線主要采用機、電、氣、液壓控制，它的加工對象主要是生產批量比較大的大中型箱體類和軸類零件（近年研制的組合機床加工連桿、板件等也占一定份額），完成鉆孔、擴孔、鉸孔，加工各種螺紋、鏜孔、車端面和凸臺，在孔內鏜各種形狀槽，以及銑削平面和成形面等。組合機床的分類繁多，有大型組合機床和小型組合機床，有單面、雙面、三面、臥式、立式、傾斜式、復合式，還有多工位回轉臺式組合機床等；隨著技術的不斷進步，一種新型的組合機床——柔性組合機床越來越受到人們的青睞，它應用多位主軸箱、可換主軸箱、編碼隨行夾具和刀具的自動更換，配合可編程序控制器（PLC），能任意改變工作循環控制和驅動系統，并能靈活適應多品種加工的可調可變的組合機床。另外，近年來組合機床加工中心、數控組合機床、機床輔機（清洗機、裝配機、綜合測量機、試驗機、輸送線）等在組合機床行業中所占份額也越來越大。

由于組合機床及其自動線是一種技術綜合性很高的高技術專用產品，是根據用戶特殊要求而設計的，它涉及到加工工藝、刀具、測量、控制、診斷監控、清洗、裝配和試漏等技術。我國組合機床及組合機床自動線總體技術水平比發達國家要相對落后，國內所需的一些高水平組合機床及自動線幾乎都從國外進口。工藝裝備的大量進口勢必導致投資規模的擴大，并使產品生產成本提高。因此，市場要求我們不斷開發新技術、新工藝，研制新產品，由過去的“剛性”機床結構，向“柔性”化方向發展，滿足用戶需求，真正成為剛柔兼備的自動化裝備。

近年來，PLC在工業中異軍突起，特別是在組合機床的運用上，它是充分利用計算機技術和電子技術與機械電子，以軟件代替部分硬件，以電子器件代替部分機械傳動，從而提高了機床的性能。以其獨特的控制優勢，廣泛地應用在機械制造業中。特別是在組合機床的控制中，以其編程簡單、可靠性高、功能齊全、適應性強、輸出形式多樣等優點，很快取代了傳統的繼電器控制中的主導地位。

21世紀，PLC會有更大的發展。從技術上看，計算機技術的新成果會更多地應用于可編程控制器的設計和制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現；從產品規模上看，會進一步向超小型及超大型方向發展；從產品的配套性上看，產品的品種會更豐富、規格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設備會更好地適應各種工業控制場合的需求；從市場上看，各國各自生產多品種產品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現少數幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現國際通用的編程語言；從網絡的發展情況來看，可編程控制器和其它工業控制計算機組網構成大型的控制系統是可編程控制器技術的發展方向。第二章四工位組合機床原理及液壓系統此次設計的組合機床對零件進行鉆孔,擴孔,攻絲等工序的加工,采用回轉工作臺傳送零件,按照工藝流程分三個加工工位,并安排一個裝卸工位來裝卸工件，即四個工位的組合機床。

當用人工將一個工件安裝在夾具上,且三個加工工位的動力頭已加工完成,并退回到原位后,回轉工作臺自動微抬，抬起到位,回轉工作臺自動回轉到加工位置后,自動定位夾緊.夾緊后,即向各工位發出向前主令,各工位動力頭按自己的程序進行加工.與此同時回轉機構自動復位,為下次轉位做準備.各工位加工完成,向系統匯報完成信號.同時各工位動力頭自動退回原位,回到原位后，即向系統匯報原位信號.當所有工位動力頭都回到原位,裝卸工位又裝好了新的工件時,則系統又開始進行下一個循環的加工。該組合機床的俯視示意圖如圖2.1.1所示：1.工作臺2.主軸3.上，下料機械手4.夾具2.1.1回轉臺工作原理按下回轉臺工作按鈕后，電磁閥S01通電，使得回轉臺微抬，碰到行程開關SQ02，電磁閥S01,S03通電，回轉臺開始快速回轉，當碰到行程開關SQ03，電磁閥S01,S03,S05通電，使得回轉臺低速回轉；離開行程開關SQ03電磁閥S01,S04,S05通電，回轉臺反轉；碰到行程開關SQ04,電磁閥S02通電，回轉臺夾緊；當壓力繼電器KP1發出信號，電磁閥S02,S06通電，回轉臺脫離；碰到行程開關SQ05，電磁閥S02,S04,S06通電，回轉臺返回；碰到行程開關SQ01，回轉液壓缸返回原位等待下一次循環。具體動作見四工位組合機床的控制方案順序功能圖以及液壓控制系統圖。2.1.2鉆孔工作原理按下鉆孔工作按鈕，電磁閥6YA通電，鉆孔工位快進；當碰到行程開關SQ12,電磁閥6YA,12YA通電,調速閥調速，鉆孔工位轉為工進，接觸器線圈KM3通電，同時鉆孔電動機啟動；當碰到行程開關SQ13，電磁閥7YA通電，鉆孔工位快退；當碰到行程開關SQ11,接觸器線圈KM3斷電，鉆孔電動機停止，鉆孔工位返回到了原位，具體動作見液壓控制系統圖。2.1.3擴孔工作原理當工作臺夾緊后，S05、1DP發出信號，電磁閥10YA得電，擴孔液壓桿快進，碰到行程開關S22，電磁閥10YA，13YA帶電，調速閥調速液壓桿工進，接觸器線圈KM2通電，同時擴孔電動機啟動。碰到行程開關S23，10YA、13YA斷電，11YA帶電，液壓桿快退。碰到S21,11YA斷電，擴孔工位回原位，具體動作見液壓控制系統圖。2.1.4攻絲工作原理

按下攻絲工作按鈕，電磁閥20YA通電，攻絲工位快進；碰到行程開關SQ32,工位停止，接觸器線圈KM1通電，攻絲電動機正傳開始；碰到行程開關SQ33，接觸器線圈KM4通電，KM1與KM4觸頭改變任意兩相相序，攻絲電動機反轉；碰到行程開關SQ34，攻絲電動機停止，電磁閥21YA通電，工位快退；碰到行程開關SQ31,攻絲工位返回原位停止，等待下次循環，具體動作見液壓控制系統圖。由以上分析知四工位組合機床的控制方案順序功能圖如圖2.1.2所示：依次完成微抬，快速回轉，慢回，反向定位，夾緊之后由相應的限位開關及控制指令完成鉆孔，擴孔，攻絲三道工序，之后由下料機械手完成下料。每道工序之間存在等待時間，這要根據具體要求確定加工時序，依次重復上述步驟完成相應工件的加工。（備注：S0—S54是為了畫功能圖方便特意添加的輔助繼電器AR對應的注釋說明，不是指繼電器的名稱，具體詳見梯形圖部分。）2.2四工位組合機床的液壓控制系統因為液壓控制系統具有以下優點：1、可以在運行過程中實現大范圍的無機調速。

2、在同等輸出功率下，液壓傳動裝置的體積小、重量輕、運動慣量小、動態性能好。

3、采用液壓傳動可實現無間隙傳動，運動平穩。

4、便于實現自動工作循環和自動過載保護。

5、由于一般采用油作為傳動介質，因此

液壓元件有自我潤滑作用，有較長的使用壽命。

6、液壓元件都是標準化、系列化的產品，便于設計、制造和推廣應用。因為此次設計的基于PLC的四工位組合機床控制系統在四個工位加工工件是受力較大，采用普通的電氣系統在此工況下加工誤差較大，結合以上液壓控制系統優點，因此此次設計在電機移動與工具夾緊和上料、下料機械手模塊采用液壓系統，其它模塊采用常規電氣系統進行控制。雖然液壓控制系統具有：損失大、效率低、發熱大、不能得到定比傳動、當采用油作為傳動介質時還需要注意防火問題、液壓元件加工精度要求高、造價高等缺點，但是合理設計液壓控制系統還是不錯的選擇；因此受力較大的模塊我們依然選擇液壓系統控制。本次設計的四工位組合機床的液壓控制系統包含用三個液壓缸完成鉆孔，擴孔，攻絲三個電機的動作，通過行程開關分別控制相應的電磁換向閥得電，完成鉆孔，擴孔，攻絲三道工序，而電機的轉動則通過PLC進行控制。在反饋元件的反饋下精確完成以上三道工序，而對于另一道工序回轉臺的動作則通過相應行程開關以及電磁換向閥進行動作，并且完成通過離合器完成工件的夾緊以及裝卸工件，而上料、下料機械手傳遞工件則是通過行程開關控制3YA,4YA,5YA的得失電情況來控制油缸ABC的動作，達到完成上料、下料功能；壓力繼電器2DP的安裝位置決定上料、下料機械手的行程，根據加工工件尺寸以及機床高度決定，并且通過節流閥13可以調節機械手的移動速度，該液壓系統還具有相應保護裝置，防止發生一些不必要事故，其他像冷卻裝置則不需要用液壓系統，直接采用電氣系統進行控制，因此此次設計的基于PLC的四工位組合機床控制系統設計的液壓控制系統如下圖2.2.1所示。第三章PLC概述與方案論證3.1PLC概述3.1.1PLC基本介紹可編程控制器是一種專為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子系統，它采用一種可編程程序的存儲器，在其內部存儲執行邏輯算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，通過數字式、模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設備和生產過程。可編程控制器及其有關設備的設計原則是它應該易與工業控制聯成一個整體且具有擴充功能。PLC產品能直接在工業環境中應用，對環境的適應能力強。PLC體積小、功能強、速度快，可靠性高，又具有較大的靈活性和擴展性。PLC還有一個重要特性是它具有在線修改功能。它借助于軟件來實現重復的控制，軟件本身具有修改性，所以PLC具有靈活性。從而使PLC具有廣泛的工業通用性，同時簡化了硬件電路，也提高了PLC系統的可靠性。據不完全統計，FX系列PLC平均故障間隔大于20000~50000h，而平均修復時間則小于10min；PLC機能處理工業現場的強電信號，如交流220V、直流24V，并可直接驅動功率部件，可長期工作在嚴酷的工業環境能夠中。編程采用傳統的繼電器符號語言，便于工程技術人員掌握，PLC是在按鈕開關，限位開關和其它傳感器等發出的監控輸入信號作用下進行工作。根據信號，控制器就會作出反映，通過用戶編程的內部邏輯便產生輸出信號，而且這些輸出信號可直接控制外部的控制系統負載，如電機，接觸器，指示燈，電磁閥等。PLC的控制系統省去了傳統的繼電器控制接線和拆線的麻煩。用PLC的編程邏輯提供了能隨要求而改變的“間接網絡”，這樣生產線的自動化過程就能隨意去改變，這種性能使PLC具有較高的經濟效益。目前PLC已經廣泛應用于化工、機械、電子、電力、輕工、建筑建材、交通等幾乎所有的工業控制領域。3.1.2PLC硬件組成—1所示。僅有主機沒有擴展機的構成方式稱為基本構成，帶有擴展機的構成方式稱為擴展機構方式。-1主機（CPU模塊）在主機內部，由微處理器（MPU）通過數據總線、地址總線、控制總線以及輔助電路連接存儲器、接口及I/O單元，診斷PLC的硬件狀態；借助編程器接收用戶鍵入的程序和數據；讀取、解釋并執行用戶程序；按規定的時序接收輸入狀態、刷新輸出狀態，與外部設備交換信息等。總之，由主機實現對整個PLC的控制和管理。PLC配有開關式穩壓電源，電源的交流輸入端一般接有尖峰脈沖吸收電路，以提高抗干擾能力。小型PLC電源的交流輸入電壓范圍一般較寬，如有的小型PLC可在l60VAC~260VAC范圍內正常工作。3.輸入／輸出模塊-2所示：在該模塊中，R1為限流電阻，R2和C構成濾波電路，可過濾掉輸入信號的高頻抖動，D為輸入指示燈，T為直流式光耦合器，輸入模塊的外接直流電源極性任意。當輸入開關閉合時，經R1、T、D構成通路，輸入指示燈D亮，表示該路輸入的開關量狀態為ON。輸入信號經T隔離后，再經濾波器濾波，轉換成5V的直流輸入信號，經輸入選擇器與CPU總線相連接，將外部輸入開關的狀態輸入到PLC內部；完成PLC的信號輸入。各輸入信號回路有一個公共點，即圖中的COM點，這種輸入模塊稱為匯點式輸入模塊。各輸入信號回路相互獨立的輸入模塊，稱為分隔式輸入模塊，另外有的輸入模塊不需要外接電源，稱為無源式輸入模塊。此次設計采用的是匯點式輸入模塊。圖-2-3所示：繼電器輸出模塊采用繼電器進行驅動放大，它采用繼電器觸點的形式輸出，外加負載電源根據負載的情況確定，可為交流也可為直流電源。繼電器輸出模塊為有觸點開關式輸出模塊，使用壽命相對于無觸點輸出模塊而言較短，開關動作一般為五千萬次左右，但其使用比較靈活，因此，此次設計輸出動作要求不是很頻繁的場合選擇繼電器輸出模塊是可行的。在繼電器輸出模塊中，D1為輸出指示燈，J1為輸出驅動放大繼電器。當對應J1的內部繼電器為ON時，D1指示燈亮，J1得電吸合，其觸點閉合，負載L1得電；當對應J1的內部繼電器為OFF時，D1指示燈滅，J1失電，其觸點斷開，負載L1失電。PLC先將輸出鎖定在輸出鎖存器里，之后控制輸出驅動放大繼電器完成驅動相應負載的任務。圖-3功能模塊除開關量輸入/輸出外，PLC的其他輸入/輸出功能由功能模塊來實現。一個功能模塊占用多個輸入／輸出通道，因此在組合式PLC中對功能模塊的使用數量存在限制，而對開關量輸入/輸出模塊的數量不加限制。一般地，除編程器以外的外部設備需經功能模塊才能與主機總線連接。因此，對應于各種外設以及PLC要完成的特殊輸入／輸出功能，有多種功能模塊。5．擴展口擴展口是PLC的總線接口。主機與近程擴展機之間利用擴展口相連接。編程器編程器是PLC最常用的外設，也是PLC中唯一不需要通過功能模塊而直接與總線相連接的外設。編程器上的方式選擇開關，可依次實現以下三種位置方式：編程位置：PLC主機處于編程方式。用戶可通過編程器向PLC輸入、查詢、修改用戶程序，但PLC不運行用戶程序；監控位置：PLC主機處于監控方式。PLC已運行用戶程序，用戶不能輸入和修改用戶程序，但可查詢用戶程序，干預戶程序運行。運行位置：PLC主機處于運行方式。PLC運行用戶程序，用戶不能輸入和修改用戶程序，也不能干預用戶程序的運行情況，只能查詢用戶程序并監視其狀態。其他外設PLC可帶打印機、CRT顯示器、鍵盤等外設，這些外設需通過相應的功能模塊與PLC連接。組合機床的電氣控制,理論上講,可以采用繼電器接觸器電氣控制系統，單片機控制系統和PLC控制系統來實現。但是在實際工程中往往選擇一種經濟、有效、性能優越的控制方案，考慮到上述幾點，PLC較適合組合機床的電氣控制。PLC與單片機、繼電器-接觸器控制系統相比具有以下優點：3.2.1PLC與繼電器-接觸器相比較：繼電器-接觸器控制系統自上世紀二十年代問世以來，一直是機電控制的主流。由于它的結構簡單、使用方便、價格低廉，所以使用廣泛。它的缺點是動作速度慢，可靠性差，采用微電腦技術的可編程順序控制器的出現，使得繼電接觸式控制系統更加遜色。PLC等取代繼電接觸式控制邏輯。具體如下：(1)控制邏輯繼電接觸式控制系統采用硬接線邏輯，它利用繼電器等的觸點串聯、并聯、串并聯，利用時間繼電器的延時動作等組合或控制邏輯，連線復雜、體積大、功耗也大。當一個電氣控制系統研制完后，要想再做修改都要隨著現場接線的改動而改動。特別是想要能夠增加一些邏輯時就更加困難了，這都是硬接線的緣故。所以，繼電接觸式控制系統的靈活性和擴展性較差。可編程控制器采用存儲邏輯。它除了輸入端和輸出端要與現場連線以外，而控制邏輯是以程序的方式存儲在PLC的內存當中。若控制邏輯復雜時，則程序會長一些，輸入輸出的連線并不多。若需要對控制邏輯進行修改時，只要修改程序就行了，而輸入輸出的連接線改動不多，并且也容易改動，因此，PLC的靈活性和擴展性強。而且PLC是由中大規模集成電路組裝成的，因此，功耗小，體積小。(2)控制速度繼電器接觸式控制系統的控制邏輯是依靠觸點的動作來實現的，工作頻率低。觸點的開閉動作一般是幾十毫秒數量級。而且使用的繼電器越多，反映的速度越慢，還是容易出現觸點抖動和觸點拉弧問題。而可編程控制器是由程序指令控制半導體電路來實現控制的，速度相當快。通常，一條用戶指令的執行時間在微秒數量級。由于PLC內部有嚴格的同步，不會出現抖動問題，更不會出現觸點拉弧問題。(3)定時控制和計數控制：繼電接觸式控制系統利用時間繼電器的延時動作來進行定時控制。用時間繼電器實現定時控制會出現定時的精度不高，定時時間易受環境的濕度和溫度變化而影響。有些特殊的時間繼電器結構復雜，維護不方便。而可編程程序控制器使用半導體集成電路作為定時器，時基脈沖由晶體震蕩器產生，精度相當高并且定時時間長，定時范圍廣。(4)可靠性和維護性。繼電接觸式控制系統使用了大量的機械觸點，連線也多。觸點在開閉時會受到電弧的損壞，壽命短。因而可靠性和維護性差。PLC采用微電子技術，大量的開關動作由無觸點的半導體電路來完成，可靠性高。PLC還配備了自檢和監控功能，能自診斷出自身的故障，并隨時顯示給操作人員，還能動態的監視控制程序的執行情況，為現場調試和維護提供了方便。總之，PLC在性能上均優越于繼電接觸式控制系統，特別是控制速度快，可靠性高，設計施工周期短，調試方便，控制邏輯修改方便，而且體積小，功耗低。3.2.2PLC與單片機比較單片機具有結構簡單，使用方便，價格比較便宜等優點，一般用于數據采集和工業控制。但是，單片機不是專門針對工業現場的自動化控制而設計的，所以它與PLC比較起來有以下缺點：(1)單片機不如PLC容易掌握使用單片機來實現自動控制，一般要使用微處理器的匯編語言編程。這就要求設計人員要有一定的計算機硬件和軟件知識。對于那些只熟悉機電控制的技術人員來說，需要進行相當長一段時間系統地學習單片機的知識才能掌握。而PLC采用了面向操作者的語言編程，如梯形圖、狀態轉移圖等，對于使用者來說，無需了解復雜的計算機知識，而只要用較短時間去熟悉PLC的簡單指令系統及操作方法，就可以使用和編程。(2)單片機不如PLC使用簡單使用單片機來實現自動控制，一般要在輸入輸出接口上做大量的工作。例如，要考慮工程現場與單片機的連接，輸出帶負載能力、接口的擴展，接口的工作方式等。除了要進行控制程序的設計，還要在單片機的外圍進行很多硬件和軟件工作，才能與控制現場連接起來，調試也較繁瑣。而PLC的輸入/輸出接口已經做好，輸入接口可以與無外接電源的開關直接連接，非常方便。輸出接口具有一定的驅動負載能力，能適應一般的控制要求。而且，在輸入接口、輸出接口，由光電耦合器件，使現場的干擾信號不容易進入PLC。(3)單片機不如PLC可靠使用單片機進行工業控制，突出的問題就是抗干擾性能較差，而PLC是專門用于工程現場環境中的自動控制，在設計和制造過程中采取了抗干擾性措施，穩定性和可靠性較高。通過上面的比較，針對組合機床的電氣控制系統，雖然PLC的價格高一些，但良好的穩定性和高度的可靠性可確保機床在加工零件時的精度，所以采用PLC控制系統來實現組合機床設計顯得更合適，更體現出本次設計的實際意義。第四章電氣控制系統硬件設計合理選擇PLC的型號，對于提高PLC控制系統的技術經濟指標起著重要作用。選擇機型的基本原則是在功能滿足要求的前提下，保證可靠，維護使用方便以及最佳功能性價比。4.1.1結構選擇PLC種類很多，其實現的功能、內存容量、控制規模、外形等方面存在較大的差異。PLC按結構形式主要有整體式和模塊式。整體式PLC：整體式PLC將CPU、存儲器、輸入、輸出安裝在同一個機箱內，每一個點的平均價格比模塊式的便宜，且體積相對小，一般用于系統工藝過程較為固定，環境條件較好，維修量較小的小型控制系統中。模塊式PLC：模塊式PLC為總線結構。其總線做成總線板，上面有若干個總線槽，每個總線槽上可安裝一個PLC模塊，不同的模塊實現不同的功能，PLC的CPU、存儲器和電源等做成一個模塊，該模塊在總線板上的安裝位置一般來說是固定的，而且該模塊也是構成模塊式PLC所必需的，其它的模塊可根據PLC的控制規模和實現的功能選取，安裝在總線板的其他任一總線槽上。該種PLC具有功能擴展靈活方便。在點數上，輸入點數，輸出點數的比例，模塊的種類方面選擇余地大，且維修方便，可構成具有不同控制規模和功能的PLC，一般用于較復雜的控制系統；但是價格較高。根據以上分析，對于此次組合機床，選用整體式PLC較好。因為性價比高，且體積小，另外該組合機床的加工工藝是固定的，環境條件較好，其控制系統并不是很復雜，因此直接選擇整體式PLC較好。4.1.2I/O點選取原則PLC平均的I/O點價格比較高，因此應合理選用PLC的I/O點數量，在滿足控制要求的前提下力爭使用的I/O點最少，但必須留有一定余量。通常I/O點數是根據被控制對象的輸入輸出信號的實際需要，再加上10%-20%的余量來確定。由PLC組成的四工位組合機床控制系統有輸入信號37個，均為開關量。電控制系統有輸出信號15個，具體輸入/輸出信號見I/O表，根據I/O點數的選取原則考慮10%-20%的I/O點數余量輸入點數可選取60個點的PLC。歐姆龍PLC系列中CPM1A與CPM2A是小型整體式PLC，市場上應用也比較廣泛，資料也比較豐富，指令豐富，處理速度快，而CPM2A是CPM1A的改進型，有4種不同I/O點數（20點,30點,40點,60點）的CPU主機箱，還有擴展模塊，內置RS232通信接口，可構成計算機—PLC網絡，可實現1：1的PC鏈接和PLC—PT（可編程終端）鏈接。，此次設計我采用歐姆龍CPM2A-60CDR-A型號的PLC作為控制器控制四工位組合機床的電氣系統，因為該型號的PLC主機的輸入點為36個小于37個，還需要選擇一個20點的擴展模塊這樣共有輸入點48個（36+12）。共有輸出點32個（24+8）。因為該系列的PLC最多可以擴展3個單元，擴展連接方式如圖4.1所示：每個單元是固定的20點，其中輸入12點，輸出8個點，因此此次選擇的CPM2A-60CDR-A及其擴展一個單元足夠可以滿足37個輸入，15個輸出的要求，而且留有一定余量，方便以后其它功能的擴展；且輸出形式依然選擇繼電器輸出。因為CPM系列的I/O區分配的通道號為000—019，其中000—009為輸入通道，010—019為輸出通道。000和001通道用作CPU主機的輸入通道，002用于1號進程擴展機的輸入通道，003用于2號進程擴展機的輸入通道，004用于3號進程擴展機的輸入通道；010和011通道用作CPU主機的輸出通道，012用于1號進程擴展機的輸出通道，013用于2號進程擴展機的輸出通道，014用于3號進程擴展機的輸入通道。內部輔助繼電器區有32個通道200—231，共計512點，用于一般內部繼電器，另外，輸入、輸出繼電器區未被使用的通道也可作為一般內部輔助繼電器使用。根據以上分析輸入主要用，輸出主要用表示，根據輸入信號與輸出信號分析，需要輸入信號37個，均為開關量。輸出信號17個，因此輸入為—0.15（16個）、1.00-1.15（16個）與—（4個）以及1號進程擴展機的輸入（1個）；輸出為10.00-19.15。表4.2I/O分配輸入點輸出點手動攻絲反轉微抬啟動夾緊快速回轉快速回轉反向開關反向定位反靠開關慢回離合器開關鉆孔快進2DP壓力繼電器鉆孔快退1DP壓力繼電器擴孔快進手動攻絲正轉擴孔快退工位原點鉆孔工進已快進擴孔工進已工進攻絲快進手動攻絲快進攻絲快退手動鉆孔快退攻絲正轉手動擴孔快進攻絲反轉反向攻絲鉆孔齒條原位擴孔工位原點已快進已工進手動回原點半自動手動擴孔快退停止工位原點已快進及正向攻絲反向攻絲已快退手動攻絲快退微抬手動回轉手動反向手動夾緊手動返回手動鉆孔快進手動鉆孔工進4.3.1PLC的詳細接線圖I/O接口圖它反映的是PLC輸入輸出模塊與現場設備的連接。PLC的輸入點大部分是共點式，即所有輸入點具有一個公共端COM。輸出點共用COM1與COM2，該PLC采用交流220V進行供電，具有緊急停車按鈕，提供安全保障。為了清楚簡約的表現出CPM2A-60CDR-A及其擴展模塊的接線，此次設計畫接線圖時將它們合并在一起了，因此輸入用0.00、1.00等表示，輸出用10.00等表示，加深了程序的可讀性，輸出繼電器與相應的KM電機相連接，實現電機的轉動，而電機的移動通過液壓系統進行控制，PLC控制相應電磁閥的得、失電情況，達到控制電機的目的，最終完成PLC對四工位組合機床的控制，因此最終PLC的I/O電氣接口圖如圖4.3.1所示：CPM2A-60CDR-A擴展4.3.2電機電氣原理圖由液壓控制系統圖知，液壓系統控制相應電機移動，電氣系統控制相應電機轉動，KM3觸點控制電機M3完成鉆孔工序，KM2觸點控制電機M2完成擴孔工序，而觸點KM1與KM4分別控制電機M1的正反轉，完成攻絲工序，KM1與KM4是通過改變任意兩相相序達到電機正發轉效果。至于上，下料工序則通過液壓系統控制上，下料機械手進行操作。因此此次設計的組合機床電機電氣原理圖如圖4.3.2所示：我們知道數控機床操作面板是數控機床的重要組成部件，是操作人員與數控機床（系統）進行交互的工具，主要有顯示裝置、NC鍵盤、MCP、狀態燈、手持單元等部分組成。數控車床的類型和數控系統的種類很多，以及各生產廠家設計的操作面板也不盡相同，但操作面板中各種旋鈕、按鈕和鍵盤的基本功能與使用方法基本相同。因此此次設計的基于PLC組合機床設計的操作面板也非常重要，它雖然不像數控機床那樣智能化，但是它具有半自動化，因此我設計了半自動，手動以及回到原點的旋鈕，各種按鍵可以很方便的實現所需要的加工功能，具體介紹如下圖4.4所示：該操作面板還具有緊急停車按鈕，相應的指示燈等，結構清晰簡單，功能豐富，操作方便，給我們提高了很好的人機界面，便于人和設備之間的信息交換。操作面板手動手動回原點半自動回原點半自動負載電源負載電源微抬快速回轉手動返回鉆孔快進鉆孔工進鉆孔快退擴孔快進 擴孔工進擴孔快退攻絲快進攻絲正轉攻絲反轉攻絲快退啟動 擴孔工進擴孔快退攻絲快進攻絲正轉攻絲反轉攻絲快退啟動緊急停車因為工作功率不是相差很大，故選擇三個型號相同的電機。所以熱繼電器、接觸器、和熔斷器額型號都相同。(1)電動機的選擇：估算液壓泵的功率：P上式中：p：液壓泵的工作壓力q：液壓泵的實際流量電動機名稱M1M2M3電動機名稱M1M2M3電機型號JQ2-64-4JQ2-64-4JQ2-64-4電機型號JQ2-64-4JQ2-64-4JQ2-64-4功率17KW17KW17KW功率17KW17KW17KW額定電流32.9A32.9A32.9A額定電流32.9A32.9A32.9A額定轉速1460r/min1460r/min1460r/min額定轉速1460r/min1460r/min1460r/min額定效率89%89%89%額定效率89%89%89%啟動電流/額定電流7A7A7A啟動電流/額定電流7A7A7A熱繼電器的選擇：熱繼電器名稱FR1FR2FR3熱繼電器名稱FR1FR2FR3型號LR1-D4053LR1-D4053LR1-D4053型號LR1-D4053LR1-D4053LR1-D4053額定電流40A40A40A熱元件號（規格數）2種2種2種熱元件號（規格數）2種2種2種電流調節范圍23—40A23—40A23—40A（2）接觸器的選擇：接觸器名稱KM1KM2KM3接觸器名稱KM1KM2KM3型號B65B65B65型號B65B65B65約定發熱電流80A80A80A約定發熱電流80A80A80A額定工作電壓380V380V380V額定工作電壓380V380V380V額定工作電流65A65A65A額定工作電流65A65A65A熔斷器的選擇：熔斷器的名稱FU1FU2FU3熔斷器的名稱FU1FU2FU3型號NT1NT1NT1型號NT1NT1NT1額定電壓500V500V500V額定電壓500V500V500V額定電流250A250A250A額定電流250A250A250A名稱型號吸油過濾器YCX型箱外自封式過濾器限壓式變量泵YBP型10MPa直通式單向閥AD型直通式單向閥減壓閥YJF3溢流減壓閥順序閥X2F直控式順序閥溢流閥YF溢流閥三位五通電磁換向閥DSG型兩位四通電磁換向閥DSG型液壓缸C—LA—1—125—C—中壓—R第五章部分程序的分析以及程序調試結果5.1以下程序段的分析：—AR3.07具有以下意義：AR3.00:手動AR3.01:回原點AR3.02:單步AR3.03：單周期（半自動）AR3.04：連續運行（全自動）AR3.05:回原點起動AR3.06:自動操作起動AR3.07:停止相應的工作方式由1.04、1.05、1.06來確定。1.04、1.05、1.06是由一個三個觸點的轉換開關來實現的。同時只能有一個工作方式，故后面編程時特意加入了互鎖。分別實現了控制面板上的手動、回原點、半自動功能。此次設計程序初始化后，輔助記憶繼電器（AR）用于系統狀態標志作用的AR0.00、AR0.01、AR0.11和下列特殊輔助繼電器被自動指定為以下功能，PLC運行過程中，這些元件的功能仍保持不變：（備注：為了畫功能圖方便特意添加的輔助繼電器AR對應的注釋說明，不是指繼電器的名稱，只是功能代號。除了以下三個功能代號，其它輔助繼電器均按照先后順序設置功能代號，具體結合功能圖與梯形圖進行分析）AR0.00：手動操作的初始轉太繼電器（注釋功能代號為S0）AR0.01:回原點操作的初始狀態繼電器（注釋功能代號為S1）AR0.11:自動操作的初始狀態繼電器（注釋功能代號為S2）232.00：原點條件232.01:回原點完成標志232.02:轉換起動（從初始狀態的轉換被允許）如果改變了當前選擇的工作方式，在“回原點完成”—HR0.08八個保持繼電器，分別保持不同狀態下的相關條件，也即是該支路滿足條件時，就可以執行下一步操作，簡化了程序的梯形圖。以上程序原點條件初始化后，進入各個功能的選擇，通過控制面板選擇不同的功能，該程序段是手動操作狀態下，微抬按鈕按下后，輸出繼電器輸出微抬信號，完成工作臺的微抬動作，之后在手動回轉信號下實現快速回轉動作，依次運行PLC程序，完成組合機床的加工功能。5.2此次設計的程序建立以及調試結果分析如下：進入CX—Programmer的主界面后，新建一個新的文件，此時屏幕上出現一個對話框，如圖5.2.1所示，在“設備名稱”中填入新工程的名稱，然后進行PLC機型、網絡類型的設置，之后點擊確定開始PLC編程，編程界面如圖5.2.2所示；依次按照編程步驟進行編程，并且盡量為每條語句添加注釋，增強程序的可讀性，最后輸入END指令，至此整個梯形圖程序編寫完畢。程序編寫完畢還需要進行程序的初步調試，在調試時才發現存在一些錯誤和警告，在老師的指導下經過幾天的修改，查閱了大量歐姆龍編程資料，最終程序通過調試，不存在錯誤，完成此次設計的PLC編程，程序還生成了指令表，具體見附件二。該程序調試結果如圖5.2.3所示：第六章設計總結與體會本次承擔的課題是基于PLC的四工位組合機床控制系統設計，作為典型的機電或機電液一體化的自動加工設備，作者全面負責了基于PLC的四工位組合機床控制系統設計工作。總結本課題的設計內容，作者主要就以下幾個方面開展了工作：(1)四工位組合機床控制系統總體方案的確定比較以往組合機床的相關資料，擬定了控制系統總體方案，對組合機床采用電液一體化總體設計，提出預期實現的功能并初步繪制了流程圖，同時對四工位組合機床的工作原理進行詳細說明；(2)四工位組合機床的液壓系統設計分析了四工位組合機床對零件進行鉆孔,擴孔,攻絲等工序的加工以及一個裝卸工位來裝卸工件。繪制四工位組合機床的液壓系統設計總圖一張，并對液壓系統圖進行詳細說明。

(3)完成PLC的選型及PLC接線圖設計針對此次四工位組合機床的功能得出PLC的IO點數，根據IO點數以及實用性、穩定性、性價比、自己的熟悉程度等原因選擇了歐姆龍CPM2A系列PLC，并且完成PLC接線圖的設計。(4)四工位組合機床控制系統軟件設計采用CX—One軟件進行歐姆龍PLC梯形圖的編寫；由于受到一些實際條件的制約、個人能力有限和時間的關系，整個系統還存在不足之處：（1）針對不同的工況，程序還需要完善和優化，以達到更好的控制效果。（2）由于硬件條件限制，對于此次設計梯形圖沒有通過硬件調試進行驗證，只通過軟件進行模擬調試，但是具體加工精度是否滿足要求，還有待優化。PLC作為新一代的工業控制裝置，具有開發柔性好，接線簡單，安裝方便，抗干擾性強等特點，用它來控制四工位組合機床這樣復雜的生產設備，是理想的選擇。PLC的采用,降低了機床的故障率,節省了大量的維修費用,提高了整機的可靠性，保證了工件的精度要求。通過此次畢業設計使我加深了對PLC的理解，了解了其型號規格并能正確使用。掌握了PLC的基本原理及編程方法，能夠根據工藝過程和控制要求進行系統設計和編制應用程序。熟悉了典型設備電氣控制系統，具有了從事電氣設備安裝調試、維修管理等方面的能力。提高了設計和改進一般機械設備電氣控制的基本能力。參考文獻范次猛.可編程控制器原理與應用.北京理工大學出版社.2006.8.第1版廖常初.PLC編程及應用[M].北京：機械工業出版社.2012王立權、王宗義、王淑鈞、徐景.可編程控制器原理與應用.哈爾濱工業大學出版社.2005.1.第1版工廠常用電氣手冊（下冊）.水利電力出版社.1986.5.第1版孫同景.陳桂友.PLC原理及工程應用.機械工業出版社.2013.3.第1版組合機床設計（第三冊電氣部分.機械工業出版社.1976.3.第1版謝家贏.組合機床設計簡明手冊.機械工業出版社2012.5重印大連組合機床研究所.組合機床設計參考圖冊.機械工業出版社.1975.11歐姆龍CPM2A系列PLC使用說明書歐姆龍plc編程軟件使用手冊

致謝此畢業設計是在X老師的悉心指導下完成的。梁剛師