液压动力滑台的PLC控制系统设计

液压动力滑台的PLC控制系统设计 摘 要液压动力滑台是组合机床用来实现进给运动的通用部件，液压动力滑台在组合机床中已得到广泛的应用。液压动力滑台通过液压传动系统可以方便地进行无级调速，正反向平稳，冲击力小，便于频繁地换向工作。配置相应的动力头、主轴箱及刀具后可以对工件完成各种孔加工、端面加工等工序，它的性能直接关系到机床质量的优劣。本设计是在充分分析了液压动力滑台的液压传动系统及工作原理的基础上，通过继电器一接触器控制与PLC控制方案的对比我选择了PLC控制，根据控制要求选择了PLC的型号，在硬件设计中画出了PLC的外部接线图；在软件设计中，设计了液压动力滑台PLC控制系统的软件流程图和梯形图，实现了控制要求。关键词：液压，动力滑台，PLC，控制 目录前言1第1章 概述21.1 液压动力滑台的应用21.2 继电器接触器控制与PLC控制方案的比较21.2.1 继电器接触器控制的优缺点21.2.2 PLC在液压动力滑台中的应用3第2章 液压动力滑台液压传动系统及工作原理42.1 功能结构42.2 液压传动系统及工作原理4第3章 液压动力滑台PLC控制系统的设计93.1 硬件的设计103.2 软件的设计103.2.1 软件流程图的设计103.2.2 梯形图的设计12结论16谢 辞17参考文献18前言液压动力滑台是组合机床用来实现进给运动的通用部件，液压动力滑台在组合机床中已得到广泛的应用。液压动力滑台通过液压传动系统可以方便地进行无级调速，正反向平稳，冲击力小，便于频繁地换向工作。配置相应的动力头、主轴箱及刀具后可以对工件完成各种孔加工、端面加工等工序12，它的性能直接关系到机床质量的优劣。它利用液压传动系统实现滑台向前或向后的运动，由液压缸的左右运动来拖动滑台在滑座上移动，再由电气控制系统控制液压传动系统，实现滑台的工作循环。传统的液压传动系统是由电气控制线路控制，由于这种控制线路的触点多，接线复杂，可靠性低，灵活性差，功耗高，而且维修困难，其大量的硬件接线使系统可靠性降低，也间接地降低了设备的工作效率影响了加工质量，因此越来越满足不了现代化生产过程的复杂多变的控制要求。现采用PLC对此系统进行控制，能很方便的实现多种复杂的自动工作循环，使用简单，编程方便，可靠性高，通用性和灵活性强，采用PLC控制液压系统完成基本的动作液压缸的自由进退，从而实现液压动力滑台的进给运动。YT4543型液压动力滑台的工作循环是：快进一工进二工进死挡铁停留快退原位停止六种工况。 第1章 概述 液压与气压传动1.1 液压与气压传动的特点1.1.1 液压传动有以下一些优点1. 在同等体积下，液压装置比电气装置产生更高的动力。在同等功率下，液压装置体积小，重量轻，功率密度大，结构紧凑。液压马达的体积和重量只有同等功率的电动机12%左右。2. 液压装置工作比较平稳。由于重量轻、惯性小、反应快，液压装置易于实现快速启动、制动和频繁的换向。3. 液压装置能在大范围内实现无级调速（调速范围可达2000），它还可以在运行过程中进行调速。4. 液压传动易于实现自动化，它对液体压力、流量或流动方向易于进行调节或控制。当将液压控制和电气控制、电子控制或气动控制结合起来使用时，整个传动装置能实现复杂的顺序动作，也能方便地实现远程控制。5. 液压装置易于实现过载保护，这是电气传动装置和机械传动装置无法办到的。6. 由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、制造和使用都比较方便。7. 用液压传动实现直线运动远比用机械传动简单。1.1.2 液压传动的缺点1. 由于流体流动的阻力损失和泄漏是不可避免的，所以液压传动在工作过程中常有较多的能量损失。2. 工作性能易受温度变化的影响，因此不宜在很高或很低的温度条件下工作。3. 为了减少泄漏，液压元件的制造精度要求很高，因而价格较贵。4. 液压传动出现故障时不易找出原因。1.1.3 气压传动的优点1. 空气可以从大气中取得，同时，用过的空气可直接排放到大气中去，处理方便，万一空气管路有泄漏，除引起部分功率损失外，不致产生不利于工作的严重影响，也不会污染环境。2. 空气的粘度小，在管道中的压力损失很小，因此压缩空气便于集中供应和远距离输送。3. 因压缩空气的工作压力较低（一般为0.30.8MPa），因此，对气体元件的材料和制造精度上的要求较低。4. 气体系统维护简单，管道不易堵塞。5. 使用安全，并且便于实现过载保护。1.1.4 气压传动的缺点1. 由于空气具有可压缩的特性，因此运动速度的平稳性不如液压传动。2. 因为工作压力较低和结构尺寸不宜过大，因而气压传动装置的总推力一般不可能很大。3. 传动效率较低。总的来说，液压与气压传动的优点是主要的，而它们的缺点通过技术条件进步和多年的不懈努力，已得到克服或得到了恨得的改善。1.2 液压系统实例液压传动系统是根据机械设备的工作要求，选用适当的液压基本回路经过有机组合而成。阅读一个较复杂的液压系统图，可分为以下几个步骤：1. 了解机器设备的工作原理，从而了解机械设备的工况对液压系统的要求;了解在工作循环中的各个工况对力、速度和方向这三个参数的要求。2. 初读液压系统图，了解系统中包含那些元件，并且以执行元件为中心，将系统分解为若干个子系统。3. 逐个分析每一个子系统，了解其执行元件与相应的阀、泵之间的关系和由那些基本回路组成。参照电磁铁动作表和执行元件的动作要求，理清其液流路线。4. 工作系统的安全性。5. 动作效率。6. 在全面读懂液压系统的基础上，根据系统所使用的基本回路的性能，对系统作综合分析，归纳总结整个液压系统的特点，以加深对液压系统的理解。1.2.1组合机床动力滑台液压系统组合机床是由通用部件和部分专用部件组成的高效、专用、自动化程度较高的机床。它能完成钻、扩、铰、镗、铣、攻螺纹等工序和工作台转位、定位、夹紧、输送等辅助动作，可用来组成自动线。YT4543型动力滑台液压系统工作原理图8-1和图8-2分别表示YT4543型动力滑台液压系统工作原理和系统的动作循环表。这个系统能够实现的工作循环是：“快进一工进二工进死挡铁停留快退原位停止。”实现该工作循环的工作原理是：1. 快进按下启动按钮，电磁铁1YA得电，电磁先导阀4处于左位，使液动换向阀3阀芯右移，左位接入系统，其主油路为：进油路：泵1单向阀2液动换向阀3左位行程阀（常态位）液压缸左腔。回游路：液压缸右腔液动换向阀3左位单向阀7行程阀13（常态位）液压缸左腔。由于动力滑台空载系统压力低，液控顺序阀6关闭，液压缸成差动连接，且变量泵1有最大输出流量，滑台向左快进。2. 一工进快进到预定位置，滑台上的行程挡块压下行程阀13，使原来通过阀13进入液压缸无杆腔的油路切断。此时阀10电磁铁3YA处于失电状态，调速阀8接入系统进油路，系统压力升高。压力的升高，一方面使液控顺序阀6打开，另一方面使限压式变量泵的流量减小，直到与经过调速阀8的流量相同为止。这时进入液压缸无杆腔的流量由调速阀8的开口大小决定。液压缸有杆腔的油液则通过液动阀3后经液控顺序阀6和背压阀5回油箱（两侧的压力差使单向阀7关闭）。滑台以第一种工进速度向左运动。3. 二工进一工进结束时，挡块压下行程开关，使电磁铁3YA得电、经阀10的通路被切断。此时油液需经调速阀8与9才能进入液压缸无杆腔。由于阀9的开口比阀8小、滑台的速度减小，速度大小由调速阀9的开口决定。4. 死挡铁停留当滑台二工进终了碰上死挡铁后，滑台停止运动。液压缸无杆腔压力升高、达到压力继电器11的调定值，压力继电器动作，经过时间继电器的延时，再发出信号，使滑台退回，滑台的停留时间可由时间继电器调定。5. 快退当时间继电器经延时发出信号，2YA得电，1YA、3YA失电，阀4和阀3处于右位。主油路为：进油路：泵1单向阀2液动换向阀3右位液压缸右腔。出油路：液压缸左腔单向阀12液动换向阀3右位油箱。由于此时为空载，系统压力低，泵1 的输出的流量为最大，滑台向右快退。6. 原位停止当滑台快退到原位时，挡块压下原位行程开关，使电磁铁1YA、2YA和3YA都失电，阀4和阀3处于中位，滑台停止运动，泵1通过阀3 中位（M型）卸荷。YT4543型动力滑台液压系统特点YT4543型动力滑台液压系统包括以下一些基本回路：由限压式变量叶片泵和进油路调速阀组成的容积节流调速回路，差动连接快速运动回路，电液换向阀的换向回路，由行程阀、电磁阀和液控顺序阀等联合控制的速度换接回路以及用中位为M型机能的电液换向阀的卸荷回路等。液压系统的性能就由这些基本回路所决定。该系统有以下几个特点：1. 采用了由限压式变量泵和调速阀组成的容积节流调速回路。它即满足系统调速范围大，低速稳定好的要求，又提高了系统的效率。进给时，在回油路上增加了一个背压阀，这样做一方面是为了改善速度稳定性（避免空气渗入系统，提高传动刚度），另一方面是为了使滑台承受一定的与运动方向一致的切削力。2. 采用限压式变量泵和差动连接两个措施实现快进，这样既能得到较高的快进速度，又不致使系统效率过低。动力滑台快进和快退速度均为最大进给速度的10倍，泵的流量自动变化，即在快速行程时输出最大流量，工进时只输出与液压缸需要相适应的流量，死挡铁停留时输出补偿系统泄漏所需的流量。系统无溢流损失，效率高。3. 采用行程阀和液控顺序阀使快进转换为工进，运动平稳可靠，转换的位置精度比较高。至于两个工进之间的换接则由于两者速度都降低，采用电磁阀完全能保证换接精度。1.1 液压动力滑台的应用液压动力滑台是组合机床用来实现进给运动的通用部件，液压动力滑台在组合机床中已得到广泛的应用。 液压动力滑台通过液压传动系统可以方便地进行无级调速，正反向平稳，冲击力小，便于频繁地换向工作。配置相应的动力头、主轴箱及刀具后可以对工件完成各种孔加工、端面加工等工序，它的性能直接关系到机床质量的优劣。为了满足不同工艺方法的要求，动力滑台除提供足够大的进给力外，还应能实现“快进工进停留快退原位停止”等工作循环。其中，除快进和快退的速度不可改变外，用户可根据工艺要求，对工进速度的大小进行调节。由于液压动力滑台的机械结构简单，配上电气后实现进给运动的自动工作循环容易，又可以很方便地对工进速度进行调节。其中尤以YT4543型液压动力滑台应用最广。液压传动，具有功率密度高、结构紧凑、运动平稳、有利于系统传动链的简化和实现无级调速等优点，因而在一些中、大型机床中应用广泛。但由于国内液压技术水平及液压传动本身的缺陷，如油液的可压缩性 、泄漏等，许多液压机床都存在液压动力滑台精度不高、柔性差和控制水平不高的问题。液压动力滑台，作为广为使用的基础件，如何充分利用其优势，克服或改善其不足，是一个急需解决的问题。自80年代中期以来，国内外开始将微电子技术、计算机控制技术等，用来改进、发展和拓宽液压技术的水平及其应用范围，液压动力滑台的性能得到了一定的改善提高。1.2 继电器接触器控制与PLC控制方案的比较1.2.1 继电器接触器控制的优缺点液压动力滑台传统上多用继电器接触器控制，其优点是结构简单、 易于掌握、价格便宜等。在工业生产上应用较广。但是这些控制装置体积大、动作速度较慢、耗点较多、功能少，特别是由于它靠硬接线构成系统， 接线复杂，当生产工艺或控制对象改变时，原有的接线和控制盘( 柜 ) 就必须随之改变或更换，通用性和灵活性较差34。1.2.2 PLC在液压动力滑台中的应用随着制造业的发展和新技术的应用，工业生产对控制设备的可靠性和灵活性的要求越来越高，传统的继电器一接触器控制由于其自身的缺陷将越来越不适应生产的需要。PLC是可编程控制器的简称，是专为工业应用而设计的电子控制装置，具有抗干扰能力强、可靠性高、功能强、体积小、编程简单、维护方便等优点。因此，在工业生产中用PLC代替继电器一接触器控制将是必然的，现采用PLC对YT4543型液压动力滑台进行控制系统的设计34。第2章 液压动力滑台液压传动系统及工作原理 2.1 功能结构YT4543型动力滑台是众所周知的一种组合机床通用部件，有液压缸驱动，可实现快进一工进二工进死挡铁停留快退原位停止6个工况的自动控制，现对其原有液压系统进行了改进，液压动力滑台的结构简图如图2-1所示。 图2-1 液压动力滑台的结构简图2.2 液压传动系统及工作原理57 液压系统工作循环图如图2-2所示，工作原理图如图2-3所示。系统仍采用单向变量泵供油，执行器采用缸固定活塞式液压缸10。采用综合性能好的标准电磁换向阀7和8代替了原系统电液换向阀实现动力滑台自动工作循环，采用回油路调速阀调速保证工作进给速度稳定。表2-1所列为动力滑台自动工作循环时各换向阀电磁铁和压力继电器动作顺序表，结合表2-1对系统在各工况下的油液流动路线说明如下。图2-2 液压系统工作循环图图2-3 液压系统工作原理图1变量泵；2，4二位二通电磁换向阀；3单向阀；5，6调速阀；7，8二位五通电磁换向阀；9压力继电器；10液压缸表2-1 液压动力滑台液压系统电磁铁及压力继电器动作顺序表工况电磁铁及压力继电器状态1YA2YA3YA4YAYJ快进+-一工进-+-二工进-+-死挡铁停留-+-+快退+-原位停止-+-1. 快进 按下自动工作循环按钮，电磁铁1YA和2YA通电，使换向阀7和8均切换至右位，泵1的压力油经单向阀3、换向阀8进入缸10的无杆腔，缸10有杆腔回油经换向阀7和8反馈进入液压缸10的无杆腔。由于动力滑台空载，系统压力低，液压缸成差动连接，且变量泵1有最大的输出流量，滑台向左快进。2. 一工进 当快进到规定位置时活动挡块压下行程开关SQ2，使电磁铁1YA断电、换向阀7复至图示左位，3YA通电使换向阀4切换至左位，泵1的压力油经单向阀3、换向阀8进入缸10的无杆腔，缸10有杆腔经阀7的通路堵死，只有经阀8右位、调速阀6、换向阀4排油。流出缸10有杆腔的流量由调速阀6的开度大小决定，由于阀6的作用，系统压力升高，泵1输出的流量减小，动力滑台以第一种工进速度向左运动。3. 二工进 动力滑台以第一种工进速度运动到预定位置时，活动挡块压下行程开关SQ3，使电磁铁3YA断电、换向阀4复至图示右位，液压缸10的进油路同一工进，但缸10有杆腔回油是经换向阀8、调速阀6、调速阀5、换向阀7排回油箱，流量由调速阀5的开度大小决定（调速阀5的开度小于调速阀6的开度），动力滑台速度降低，以第二种工进速度向左运动。4. 死挡铁停留 动力滑台以第二种工进速度行进碰上死挡铁后停止运动。液压缸10无杆腔的压力憋高，压力继电器（YJ）发信给时间继电器，使动力滑台在死挡铁处停留一定时间。此时，泵1的供油压力升高，流量减少至仅需满足补偿泵和系统的泄漏量。5. 快退 死挡铁停留时间到后，时间继电器发出快退信号，使电磁铁1YA通电、换向阀7切换至右位，2YA断电、换向阀8复至图示左位，泵1的压力油经换向阀7和8进入缸10有杆腔，缸10无杆腔经换向阀8排回油箱。由于此时为空载，系统压力很低，泵1输出的流量最大，动力滑台向右快速退回。6. 原位停止 动力滑台向右快速退回到原位时，活动挡块压下行程开关SQ1，使电磁铁1YA、2YA、3YA均断电，换向阀7、8和4复至图示位置，电磁铁4YA通电，动力滑台停止运动，泵1通过换向阀2卸载。7. 技术特点(1) 采用电磁换向阀取代了结构复杂的电液换向阀，系统油路结构简化，运行可靠，易于检修维护。(2) 采用回油路调速阀调速，动力滑台工进工况稳定性好。(3) 液压泵原位停止时通过电磁换向阀卸载，能够使泵在下次自动工作循环开始时处于低压第3章 液压动力滑台PLC控制系统的设计3.1 硬件的设计根据液压动力滑台的工艺特性、控制要求以及实际输入/输出点数情况，并考虑将来系统扩大功能的需要，留有一定的裕量811，选定PLC的型号为三菱公司的FX2N-32MR-001，输入/输出点分配情况如下所示。 输入电器 输入点启动按钮SB1 X0停止按钮SB2 X1快退按钮SB3 X2行程开关SQ1 X3行程开关SQ2 X4行程开关SQ3 X5压力继电器YJ X6自动开关SA1-1 X7手动开关SA1-2 X8 输出电器 输出点电磁铁1YA Y1电磁铁2YA Y2电磁铁3YA Y3电磁铁4YA Y4如图3-1所示为系统中PLC的外部接线图。图3-1 PLC的外部接线图设计说明1. 转换开关SA1-1、SA1-2能够切换两种工作状态，当SA1-1闭合时，动力滑台处于自动工作状态；当SA1-2闭合时，动力滑台处于手动工作状态。2. SQ1、SQ2和SQ3是3个行程开关。3. SB1、SB2和SB3是3个按钮开关，SB1是控制动力滑台向前运行的开始；SB2是控制动力滑台随时停止的按钮；SB3是控制动力滑台后退的按钮。4. 压力继电器YJ是控制动力滑台死挡铁停留的元件。5. 1YA、2YA、3YA和4YA是液压传动回路中的电磁铁。3.2 软件的设计3.2.1 软件流程图的设计根据液压动力滑台的动作控制要求及PLC输入9点、输出4点的分配情况，对PLC控制系统的软件设计采用软件流程图进行设计，各步驱动各步相对应的元件动作，来实现YT4543型液压动力滑台：快进一工进二工进死挡铁停留快退原位停止六种工况的要求。系统的软件流程图如图3-2所示。图3-2 系统的软件流程图3.2.1 梯形图的设计811考虑到在实际控制中的需要，采用转换开关X7、X8来切换两种工作状态，当X7闭合时，动力滑台处于自动工作状态；当X8闭合时，动力滑台处于手动工作状态。同时考虑到动力滑台会存在没有停在原位的情况，采用控制按钮X2控制动力滑台快退来控制液压动力滑台退回原位。根据动力滑台设计要求结合软件流程图作梯形图如图3-3所示。图3-3 PLC控制系统梯形图根据梯形图，编写指令如下所示：0 LD X01 AND X32 LDI M33 AND M04 ORB5 AND X76 LD X07 AND X88 ORB9 ANI X110 OUT M011 LD M012 ANI M113 ANI M314 LD X215 ANI X316 ORB17 OUT Y118 LD M019 ANI M320 MPS21 ANI T022 OUT Y223 MPP24 AND M125 ANI M226 OUT Y327 LD M028 AND X429 OR M130 ANI M331 ANI T032 ANI X133 OUT M134 LD M135 AND X536 OR M237 ANI M338 ANI X139 OUT M240 LD M241 AND X642 OR T043 ANI M344 ANI X145 OUT T0SP K2048 LD T049 AND X350 OR M351 ANI X152 OUT M353 OUT Y454 END指令 结论液压动力滑台是自动化程度较高的部件，对可靠性、运动精度要求较高，其控制系统具有一定的复杂性。本设计是在充分分析了液压动力滑台的液压传动系统及工作原理的基础上设计的。明白了液压系统“快进一工进二工进停留快退原位停止”六种工况各自的液压回路，根据控制要求选择了PLC的型号，在硬件设计中设计出了PLC的外部接线图；在软件设计中，设计了液压动力滑台PLC控制系统的软件流程图和梯形图，实现了控制要求。液压动力滑台传统上多用继电器一接触器控制，由于这些控制装置体积大、动作速度较慢、耗点较多、功能少，特别是由于它靠硬接线构成系统，接线复杂，通用性和灵活性较差。采用PLC对原有的继电器接触器控制系统改造后，使得控制系统简单化，故障率大大降低，提高了系统的稳定性和可靠性，此控制系统具有良好的柔性，系统维护和升级也变得容易。其灵活方便的优点显得更加突出，投资少，经济效益高。由于我所掌握的知识面还不够全面，设计中难免有不足之处，我会随着自己所掌握知识的不断累积来不断的完善自己，一次比一次更进一步。谢 辞此次控制设计是在副教授的悉心指导下完成的，我在论文设计过程中遇到了一些问题，是导师为我的论文提出了指导性的意见，为我的论文的撰写扶正了方向，在导师的指导下我少走了许多的弯路，使我能够顺利的完成了论文设计。在此，特向我尊敬的导师致以最衷心的感谢！经过这次设计，我一方面看到了自己的不足，认识到自己所掌握的知识还很有限；另一方面，我也明白了学习知识与应用知识的不同。学过的知识并不代表就会应用，实践是检验一切的关键，只有把学过的知识整理出来，应用到实际当中。学习的关键在于学以致用，学以致用才是最终目的。这次设计让我找到了收获的快乐，在此也向设计过程中给予我帮助和指导的各位老师和同学们表示由衷的谢意！再次由衷的感谢给予我帮助和指导的副教授！