四工位组合机床控制系统的设计

I摘摘 要要本论文设计的组合机床是由通用部件组合而成,其控制系统是采用电气、液压、机械组合的控制方式.在此我主要是针对该控制系统的电气控制电路进行设计，机械、液压控制系统仅作基本说明.本论文设计的控制系统在硬件设计方面，首先确定电力拖动方案与电动机选择，然后确定继电-接触器控制系统设计方案，最后对主电路，变压器，控制电路等进行设计，同时控制系统的核心控制由德国的西门子（SIEMENS）公司的 S7系列可编程控制器（PLC）完成.在软件设计方面采用老改新法设计和创新法设计梯形图（功能表图） ，使用SIMATIC S7-200 的专用编程软件 STEP 7-Micro/WIN V3.1 对程序进行编写、调试、写入.本论文对四工位组合机床和 编程控制器（PLC）的基本知识进行介绍，具体说明本论文涉及的 SIMATIC S7-200 模块、功能、使用方法和编程软件 STEP 7-Micro/WIN V3.2 的使用方法.详细阐述了组合机床控制系统的设计，其中包括设计思想及步骤硬件设计部分、软件设计部分、元件选型等.关键字：四工位组合机床、机械控制、电气控制、可编程控制器（PLC）广东石油化工学院毕业设计：四工位组合机床控制系统设计IIAbstractIn this paper, a combination of machine tool design is a combination of common components, the control system is the use of electrical, hydraulic, mechanical control portfolio. I was mainly in the control system for electrical control circuit design, mechanical, hydraulic control system for a basic description only. In this paper, the design of the control system in hardware design, first of all to identify with the electric drive motor options, and then determine the relay - contactor control system design, the last of the main circuit, transformers, control circuit design, etc. At the same time, control system the core of the control of Siemens from Germany SIEMENSs S7 Series Programmable Logic Controller (PLC) to complete. In software design using the old design to new and innovative design ladder diagram (Chart menu), the use of SIMATIC S7-200 special programming software STEP 7-Micro/WIN V3.1 on the procedures to prepare, debug, write. In this paper, the four-station modular machine tool and programming controller (PLC) to introduce basic knowledge of the specific implications of this thesis SIMATIC S7-200 modules, functions, use of methods and programming software STEP 7-Micro/WIN V3.2. Combination of detailed design of machine control systems, including design concepts and hardware design steps of the part of software design, component selection and so on.Keyword：four worktable assorted mashinetool、mechanical control、Electric Control、Programmed controller (PLC)III目目 录录第 1 章 引 论 .11.1 四工位组合机床概述 .11.2 可编程控制器概况 .21.3 SIMATIC S7-200（PLC）简介.31.3.1 产品概述 .31.3.2 SIMATIC S7-200 CPU .31.3.3 S7-200 扩展模块.31.4 编程软件 STEP 7-MICRO/WIN 介绍.51.4.1 计算机配置要求 .51.4.2 STEP 7-Micro/WIN 基本操作.6第 2 章 四工位组合机床控制系统的设计概述 .92.1 设计思想及步骤 .92.2 电气硬件设计部分 .92.2.1 电力拖动方案确定和电动机选择 .92.2.2 继电-接触器控制系统设计方案确定 .92.2.3 主电路设计 .102.2.4 变压器的设计 .112.2.5 控制电路设计 .122.2.6 液压回转工作台的电气控制电路设计 .142.2.7 液压动力头电气控制电路设计 .172.2.8 指示灯电路设计 .192.2.9 总电路设计 .192.3 新旧标准对照表 .222.4 PLC 软件编程设计 .222.4.1 老改新法设计 .22第 3 章 结束语 .29致谢 .30参考文献 .31附录 .32引论1第第 1 1 章章 引引 论论1.1 四工位组合机床概述一般通用机床适用于生产批量不大的单件,小批量甚至成批生产的机械加工中,随着生产的发展和生产规模的扩大,产品往往是大批量生产,为此设计和生产了各种专用机床和自动线.组合机床的电气控制系统是由通用的控制机构或典型环节所组成.组合机床的控制一般均采用机械,液压,电气相结合的控制方式.其中电气控制往往起着连接中枢的作用.四工位组合机床是对特定的工件进行加工的一种高效率,自动化的专用加工设备,这种机床是具有自动工作循环,并能实现自动调整的加工设备,它能够用十几把甚至几十把刀具同时进行加工.本组合机床是由通用部件组合而成,其控制系统是采用电气,液压,机械组合的控制方式.在此我们主要是对电气控制电路的设计.液压系统只作为参阅使用,该组合机床由液压动力头和液压回转工作台两大部分组合而成,它用来加工一种轮毂工件上十二葛孔所用的专用机床,立式动力头上装有 36 把刀具,其中 12 把钻头,12 把扩钻头和 12 把铰刀,加工位共有四个:第一个是装卸工件;第二个是钻孔工序;第三个是扩孔工序;第四个工位是铰孔工序.加工工位布置图见下图（图 1-1）所示图 1-1 四工位组合机床工作台示意图广东石油化工学院毕业设计：四工位组合机床控制系统设计21.2 可编程控制器概况可编程控制器（Programmable Controller，简称 PC）.与个人计算机的 PC 相区别，用 PLC 表示.PLC 是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统.国际电工委员会（IEC，International Electrical Committee）颁布了对 PLC 的规定：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计.它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程.可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计.相对一般意义上的计算机，可编程控制器并不仅仅具有计算机的内核，实质上是它经过一次开发的工业控制用计算机.从另一个方面来说，它是一种通用机，不经过二次开发，它就不能在任何具体的工业设备上使用.PLC 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点.再加上其体积小，可靠性高，抗干扰能力强，控制功能完善，适应性强，安装接线简单等众多优点，可编程控制器在问世后的短短 30 年中获得了突飞猛进的发展，在工业控制中得到了非常广泛的应用.可以预料：在工业控制领域中，PLC 控制技术的应用必将形成世界潮流.PLC 程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供运行平台，同时，还为 PLC 程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理.用户程序由用户按控制要求自行设计.引论31.3 SIMATIC S7-200（PLC）简介1.3.11.3.1 产品概述产品概述S7-200系列是一种可编程序逻辑控制器（Micro PLC）.它能够控制各种设备以满足自动化控制需求.S7-200的用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及与其它智能模块通讯等指令内容，从而使它能够监视输入状态，改变输出状态以达到控制目的.紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集使S7-200成为各种控制应用的理想解决方案1.1.3.21.3.2 SIMATICSIMATIC S7-200S7-200 CPUCPU S7-200 CPU 将一个微处理器、一个集成电源和数字量 I/O 点集成在一个紧凑的封装中，从而形成了一个功能强大的微型 PLC.参见图 1-2.在下载了程序之后，S7-200将保留所需的逻辑，用于监控应用程序中的输入输出设备.图 1-2 S7-200 微型 CPUSiemens公司提供多种类型的CPU以适应各种应用.表1-1中对各种CPU的特性作一简单比较.注：蓝色框内所选为本论文设计的控制系统所用的 S7-200 的 CPU.CPU 224 接线图如图 1-3 所示：图 1-3 CPU 224 接线图1.3.3 S7-200 扩展模块广东石油化工学院毕业设计：四工位组合机床控制系统设计41.3.31.3.3 S7-200S7-200 扩展模块扩展模块S7-200系列提供多种类型的扩展模块.可以利用这些扩展模块完善CPU的功能.表1-1列出了现有的扩展模块.表1-1 S7-200扩展模块1、数字扩展模块数字扩展模块如表 1-2 所示:表 1-2 数字扩展模块引论5注：蓝色框内所选为本论文设计的控制系统所选用的 S7-200 的扩展模块.2、EM223 扩展模块的接线图 EM223 扩展模块的接线图如图 1-4 所示:图 1-4 EM223 扩展模块的接线图1.4 编程软件 STEP 7-Micro/WIN 介绍1.4.11.4.1 计算机配置要求计算机配置要求计算机配置要求如图 1-5 所示:广东石油化工学院毕业设计：四工位组合机床控制系统设计6图 1-5 计算机配置要求1.4.21.4.2 STEPSTEP 7-Micro/WIN7-Micro/WIN 基本操作基本操作1、打开STEP 7-Micro/WIN点击STEP 7-Micro/WIN的图标，打开一个新的项目，图1-6所示为一个新项目.注意左侧的操作栏.可以用操作栏中的图标，打开STEP 7-Micro/WIN项目中的组件.点击操作栏中的通讯图标进入通讯对话框.可以用这个对话框为STEP7-Micro/WIN 设置通讯参数.2、为 STEP 7-Micro/WIN 设置通讯参数图 1-6 新建 STEP7-Micro/WIN 项目在示例项目中使用的是STEP 7-Micro/WIN和RS-232/PPI多主站电缆的缺省设置.引论7按图1-7检查下列设置： PC/PPI电缆的通讯地址设为0. 接口使用COM1. 传输波特率用 9.6Kbps.3、与 S7-200 建立通讯用通讯对话框与 S7-200 建立通讯： 在通讯对话框中双击刷新图标.STEP 7-Micro/WIN搜寻并显示所连接的S7-200站的CPU图标. 选择S7-200站并点击OK.如果STEP 7-Micro/WIN未能找到S7-200 CPU，请核对通讯参数设置，并重复以上步骤.建立与S7-200的通讯之后，就可以创建并下载示例程序.4、创建一个例子程序这个例子程序在三个程序段中用6条指令，完成了一个定时器自启动、自复位的简单功能.在本例中，用梯形图编辑器来录入程序.下面给出了完整的梯形图和语句表程序.语句表中的注释，解释了程序的逻辑关系.时序图显示了程序的运行状态.图1-8为该例的程序.广东石油化工学院毕业设计：四工位组合机床控制系统设计85、打开程序编辑器点击程序块图标，打开程序编辑器，见图1-9.注意指令树和程序编辑器.可以用拖拽的方式将梯形图指令插入到程序编辑器中.在工具栏图标中有一些命令的快捷方式.在输入和保存程序之后，可以下载程序到S7-200中.四工位组合机床控制系统的设计概述9第第 2 2 章章 四工位组合机床控制系统的设计概述四工位组合机床控制系统的设计概述2.1 设计思想及步骤由于四工位组合机床是由一些电气控制基本环节组成.我们可以利用这些基本环节的组合对组合机床进行设计，然后将各部分联系起来，再根据要求对整体电路进行分析，进行修正，直至达到控制要求，作出继电接触器原理图.在高技术日新月异发展的今天，可编程逻辑控制器（PLC）作为现代工业自动化的一个主要手段，正在越来越广泛地在我国推广和使用，为此采用“老改新法”-翻成梯形图，编写程序，作现场接线图，并在 PLC 机中进行调试，进行修改，直至达到控制要求为止.2.2 电气硬件设计部分2.2.1 电力拖动方案确定和电动机选择1、机床的主电路由三台三相交流笼型异步电动机及其附属电气元件组成，由于电动机容量都不大，故可采用直接起动控制.2、根据生产机械的技术要求，选择电动机.主轴电动机为立式，防护式，断续周期性工作制，额定电压为 380V，功率 P=0.0646 kw(D 的单位为 mm)的交流异步电动机.19. 1D液压泵电动机为卧式，封闭式，连续工作制，额定电压为 380V 的交流异步电动机.2.2.2 继电-接触器控制系统设计方案确定1、为满足生产机修额的工艺要求，应充分了解工作性能，结构特点，运动情况，加工工艺过程及加工情况.考虑控制方案时，采用必要的联锁与保护环节，保证生产工艺要求.2、为满足控制电路的电压值要求，采用降压变压器，二次电压为 AC28V,AC220V 三种电压，28V 电压在经桥式全波整流为 24V 直流输出供给电磁阀电路.3、为保证控制电路工作的可靠性，对电器元件的连接要求需考虑，应尽量减少触电数和连接导线长度和导线数，防止出现寄生电路.各种指示灯与控制电路分开供电.4、为了说明机床工作在什么状态，并便于维修，设置了 9 个指示灯，它们分别为电源，主轴，液压泵，冷却泵，回转，夹紧，快进，工进，快退.采用安全电压 DC24V 单独供电.5、为了保证操作人员，电气设备，生产机械设备的安全，并能有效地制止事故的扩大，在电气控制电路中，采取了一定的保护措施，有短路保护，过载保护，失电压，欠电压，零电压保护，联锁保护，限位保护，过电流保护等.同时为了保证安全， 系统设置了急停按钮， 当系统异常情况时，按下SB急停时，直接切断硬件电源，以防止事故的发生2.广东石油化工学院毕业设计：四工位组合机床控制系统设计106、从操作与维修人员工作出发，在满足生产机械要求的前提下做到电路简单，工作可靠，经济合理.2.2.3 主电路设计1、设计要求主轴电动机单方向起动，要求有短路及过载保护.液压泵电动机单方向起动，有短路及过载保护.冷却泵电动机单向工作，有短路及过载保护.2、元件选用根据上述要求，我们选用三台电动机：M1-控制主轴的电动机；M2-控制液压泵的电动机；M3-控制冷却泵的电动机.再根据电动机的控制要求选元件：QF-控制总电源的断路器，实现短路与过载保护；FU1-FU3控制各电动机短路保护；KM1-控制主轴电动机单向工作；KM2-控制液压泵电动机工作；KM1-控制冷却泵电动机工作；FR1-FR3-用于各电动机的过载保护控制.作出电路草图根据上面所选元件作出主电路，如图 2-1 所示.四工位组合机床控制系统的设计概述11图 2-1 主电路2.2.4 变压器的设计1、设计要求主电路要求供电电压为交流 380V.控制电路要求供电电压为交流 220V.直流控制电路（电磁阀电路）供电为直流 24V，由桥整电路供给（整流之前为交流28V）.指示灯电路供电电压为直流 24V.2、元件选用TC-选用输出端的变压器，分别输出为 220V,28V.VC-桥式整流装置，输出为直流 24V.广东石油化工学院毕业设计：四工位组合机床控制系统设计123、作变压器草图根据以上所选元件作出变压器草图，如图 2-2 所示.图 2-2 变压器电路2.2.5 控制电路设计1、设计要求主轴电动机 M1 和液压泵电动机 M2 可以同时起停，也可以单独起停.要求在动力头工作进给时，冷却泵电动机 M3 才接通，但也可以随时调整.2、元件选用KM1-KM3 控制 M1-M3 单向起动工作接触器；SB1-总停按钮；SB2，SB3-M1 与 M2 起动按钮；SB4，SB5-M1 与 M2 停止按钮；SB6-冷却泵电动机（M3）调整按钮；SB7-冷却泵电动机单独停止按钮；SA1-控制 M1 与 M2 的同时与单独起停开关；SA2-实现动力头工进时自动起动与手动调整的开关；FR1-FR3-M1-M3 过载保护热继电器；SA3-照明开关；HL1-电源指示灯；EL-照明灯.3、作控制电路草图四工位组合机床控制系统的设计概述13根据所选元件与工作要求画出控制电路图，如图 2-3 所示.图 2-3 控制电路4、工作原理主轴起动首先合 QFHL1 灯亮，表示电源供电正常按下 SB2KM1（+）主轴停止SB4（或 SB1）KM1(-)KM1 主复位M1 停止.液压泵起动按 SB3KM2（+） 液压泵停止按 SB5KM2(-)RM2 主复位M2 停止.主轴与液压泵同时工作首先将 SA1 打在向左位置按 SB2 冷却泵手动控制首先将 SA2 打在 M 位置，然后按 SB6KM3(+)KM1 主闭 M1 起动运转拖动主轴旋转 KM1 辅闭自锁M2 起动，提供高压油，为液压系统工作准备KM2 主闭KM2 辅闭自锁KM1(+)KM2(+)KM1 主闭M1 起动工作M2 同时起动工作KM2 主闭KM3 辅闭自锁KM3 主闭M3 起动，提供冷却液广东石油化工学院毕业设计：四工位组合机床控制系统设计14停止冷却泵按 SB7 即可.冷却泵自动控制首先将 SA2 打在 A 位置，当动力头工作进给时 KA2（+）KA2 常开闭合KM3(+)KM3 主闭M3 自行起动工作，提供冷却液.2.2.6 液压回转工作台的电气控制电路设计1、设计要求 液压回转台是靠油路来实现工作台转位工作，液压系统的动作循环是靠电气电路控制.液压回转工作台上加工工位有四个，一是装卸工件，二是钻孔，三是扩孔，四是铰孔.回转台的转台动作自锁销脱开回转台抬起回转台回转及缓冲回转台反靠回转工作台夹紧向动力头发出工作信号.注：回转台转位的液压原理图参阅图 2-3.图 2-3 回转台转位的液压原理图 回转台转位必须动力头在原位时才可以实现. 根据上述情况，可画出回转台循环图 2-4，工作顺序图 2-5.2、元件选用根据回转台的工作状态表与电路工作要求选择元件.要求中电磁阀及行程开关动作状态已给出.故在此我们仅选用.一般电磁阀均由中间继电器控制，实现对各种现场信号的传递转换及放大功能.现选：四工位组合机床控制系统的设计概述15KA4-回转台抬起；KA5-回转台回转；KA6-回转台反靠；KA7-回转台夹紧；图 2-4 回转台工作循环图图 2-5 回转台工作顺序图KA8-动力头退回原位；广东石油化工学院毕业设计：四工位组合机床控制系统设计16SA1-回转台手动，自动工作选择开关；SA2-回转台调整开关；SB8-回转台回转按钮.注：回转台的工作状态表参阅下表 2-1表 2-1 电磁阀及限位开关工作状态表3、作液压回转工作台电气控制电路草图由回转工作台的工作状态表,循环图顺序图及所选元件一起来作液压回转台电气控制电路草图,电路中一并考虑了各工作状态之间的保护,如图 2-6 所示.4、工作原理本液压回转台可实现自动循环与调整的功能,由转换开关 SA1 实现,SA1 打在 M 档,按动调整按钮 SB8 即可实现调整,若 SA1 打在 A 档,当动力头快退至原位,则回转工作台课自动回转.当动力头退回至原位,压下行程开关 SQ1,同时由于回转台在原位 SQ9 被压合,KA8 得电,使 YV5 得电,回转工作台抬起,自锁销脱开,压下 SQ5,由于 KA5 处于失电状态,电磁阀YV7 得电,回转工作台由于 YV10 不得电,离合器合着而回转,回转了一定角度压下SQ6,SQ6 常开闭合,使 KA4 得电并自锁,由于 KA7,KA6,SQ8 均处于常态,YV9 得电,回转台实现反靠,反靠后压合行程开关 SQ7,因为 KA4 一直得电,回转台自动落下夹紧.当回转台夹紧压力足够时,压力继电器 KP 合上,KA7 得电,KA7 常开闭合,YV10 得电,离合器脱开,KA7 常闭断开,YV9 失电,离合器脱开后压下 SQ8,电磁阀 YV8 得电,液压缸返回,为回转工作台下次工作做准备,同时由 KA7 常开触点发出向动力头工作信号,使动力头准备工作.四工位组合机床控制系统的设计概述17图 2-6 液压回转台电气控制电路若 SA1 打在 M 档,按下 SB8 实现手动调整,控制回转工作台的工作,松开 SB8,回转台则停止工作.注:液压回转工作台控制电路采用直流 24V 控制2.2.7 液压动力头电气控制电路设计动力头是既能完成进给运动,又能同时完成道具的切削运动.现设计的四工位组合机床,有三个动力头,每个动力头上有 12 把刀,在回转台夹紧后要求从三个方向同时对工作进行钻,扩,铰功能,从而提高了生产效率.1、设计要求动力头必须在回转工作台夹紧后才能起动工作.要求动力头能实现点动调整控制.要求动力头在任意时刻实现快退控制.三个动力头同步工作，电路相同.动力头工作循环状态夹紧信号（KA7 ）动力头快进动力头工进延时停留 快退至原位.2、元件选用已知 SQ1 、SQ2、SQ3 的工作状态，在此不再选择了，其他元件可根据工作要求逐一选用. YV1 实现工进；YV3 实现快速进给；广东石油化工学院毕业设计：四工位组合机床控制系统设计18YVZ 实现快退；KT 实现延时停留（等待） ；KA1 控制快进电磁阀；KA2 控制工进电磁阀；KA3 控制快退电磁阀；SB9 动力头手动控制按钮；SB10 动力头手动快退按钮.3、作液压动力头电气控制电路草图根据设计要求与工作示意图、工作循环状态作出液压动力头电气控制电路草图，如图 2-7 所示.4、工作原理动力头由液压缸带动，可以做前后进给运动.电磁阀 YV1 和 YV2 都断电时，液压缸进油电磁阀处于中间位置，电磁阀 YV3 断电时，关闭回油油路，动力头在原位停止不动.这时，挡铁压动限位开关 SQ1 ，其 SQ1 常闭断开，切断动力头工作电路，保证回转台工作时，动力头不工作.这时回转台的回转油缸活塞返回原位后压 SQ9 , SQ9 常闭复位，切断回转台的工作电路，保证动力头工作时，回转台不动，SQ9 常开闭合，使 YV1 与 YV3 得电工作，控制动力头实现快速进给，进至碰压 SQ2 , SQ2 常开闭合，使 KA2 得电，KA2 常闭断开，使 YV3 失电，关闭了动力头拖动液压缸回油循环电磁阀，从而减小了压力油的流量，使动力头由快进自动转换为工进状态.当动力头工进到终点时，压动行程开关 SQ3 , SQ3 常开闭合，时间继电器 KT 得电，KT 瞬时触点立即断开，使中间继电器 KA1 、KA2 和电磁阀 YV1 、YV3 均断电释放，动力头停止前进.经过延时，时间继电器 KT 延时闭合，使电磁阀 YV2 得电动作.压力油经电磁阀进四工位组合机床控制系统的设计概述19图 2-7 液压动力头电气控制电路入拖动液压缸右侧，推动活塞向左移动，使动力头快速退回.退至原位，压 SQ1 、SQ2 常闭断开，使 KA3 失电，KA3 常开复位使 YV2 失电，动力头停止运动，另一方面，SQ1 的常开闭合，为回转工作台转位准备.动力头点动控制将旋钮开关 SA1 置于“M” 位置，按下 SB4 ，中间继电器 KA1 得电.因为回转台复位后，SQ9 一直闭合，所以 YV1 和 YV3 通电动作，使动力头向前快进.因为这时 KA1 没有自锁，松开 SB4 ，故动力头停止运动，实现 3 点动功能.任意时刻动力头快退控制当动力头不在原位时，SQ1 常闭复位，需要动力头快退时，按下 SB5 ，中间继电器KA3 得电并自锁，电磁阀 YV2 通电动作，动力头快速退回，退到原位后，压 SQ1 , KA3 和 YV2 相继断电，动力头停止运动.2.2.8 指示灯电路设计1、设计要求为了便于观察与维修、检查、故设置了指示灯电路，对各种状态进行指示，我们对本电路列出 9 个状态进行指示显示.指示灯电路用低压 24V 直流电源独立供电.2、元件选用HL1 电源指示；HL2 回转台转位指示；HL3 回转台夹紧指示；HL4 动力头工进指示；HL5 动力头快进指示；HL6 动力头快退指示；HL7 主轴电动机工作指示；HL8 液压泵电动机工作指示；HL9 冷却泵电动机工作指示.3、作指示灯电路草图根据上述所选元件及各状态指示要求画出指示灯电路草图.为了避免发生寄生电路，用独立直流 24 电源供电，如图 2-8 所示.2.2.9 总电路设计首先将以上所有基本电路组合成一个完整的电路，然后根据任务书给出的条件进行广东石油化工学院毕业设计：四工位组合机床控制系统设计20逐一分析是否符合控制要求，主要是当电路组合成一体后，各环节相互之间的连接、互锁、保护等要考虑周全.经过反复多次的修改，最后画成总电路如图 2 一 9 所示电路（注：电路中电容 C 用作电路断电时的放电作用）.图 2-8 指示灯电路四工位组合机床控制系统的设计概述21广东石油化工学院毕业设计：四工位组合机床控制系统设计22图 2-9 四工位组合机床电气控制原理图2.3 新旧标准对照表虽然现在采用新标准，但在我国很多地区的很多工厂，特别是 90 年代以前的机器，还是采用旧标准画图，为了使学生能适应社会的需求，我们采用新旧标准对照的方法，即将四工位组合机床电气原理图中所用的元件列成表，然后用旧标准元件符号表明即可，见表 2-1 ，以便读图.表 2-1 新旧标准对照表2.4 PLC 软件编程设计PLC 控制的设计有两种方法：一是将老产品改造成新产品“老改新法” ；二是根据条件与要求直接设计出梯形图 “创新法”.现仅以老改新法进行设计.电路图在前面已设计出来，以老改新法为重点阐述它的设计思路、方法.2.4.12.4.1 老改新法设计老改新法设计1、采用老改新法设计梯形图的一般步骤为：列出对应元件的状态表（PLC 与 J-C 对照表根据状态表画梯形图.根据梯形图编程.四工位组合机床控制系统的设计概述23将程序送入 PLC 机调试.最后画出现场接线图.2、下面具体阐述：列出 I / O 、TMR / CNT 、内部线圈的状态表输人状态表本论文中我采用德国Siemens公司生产的S7-200系列PLC 机型. 首先选机型.机型根据原设备电气控制电路中的I / O 点数来确定.从电气控制电路图中可知，输人信号有27 点；输出信号有21 点，总共有48 点，从总点数可知，S7-200的CPU选用CPU224本机数字量14入10出，同时选用扩展数字模块2块，具体型号为EM223(8I/8Q)，所以PLC机总共30I26Q ，虽然多出部分点数，可以做扩展与备用，一般输入输出点应留有1520 的余量.大型接触器和电磁阀的线圈一般不宜作为PLC的直接负载3，输出电压不为直流24V的器件全部采用接入中间继电器加二次回路的方法，在这就不在复述，后面接线图也仅给出简化中间继电器的直接用电气元件代替的图例，具体位置在图上会标出.当机型确定后可作输人状态表见表2-2 .注：接触器，电磁阀较多时，为防止电磁干扰，可以在PLC的输出端与电磁阀、接触器线圈之间增加了固态继电器进行隔离，这样就避免了可能产生的误动作.实践证明，这种隔离措施是行之有效4.输出状态表在输出模块的选用中，为了保护 PLC 机，可在输出端处用一中间继电器（放大器）进行放大与隔离控制，使负载出现故障时不直接影响 PLC 机，而由中间继电器控制动作.为了使 PLC 机工作可靠，一般要求采用单独变压器供电，分别起隔离、保护作用，可使工作稳定.输出状态表见表2-3.广东石油化工学院毕业设计：四工位组合机床控制系统设计24中间元件状态表中间元件状态包括中间继电器、时间继电器等 PLC 内部元件的编号.注意：在 J 一C 电路中，时间继电器 KT 既有延时触点，又有瞬动触点.在 PLC 中我们如何解决这一问题呢？我们采用内部线圈的对应触点作为定时器的瞬动触点使用. 下面我们作出中间元件状态表，见表 2-4 .表 2-4 中间元件状态表作梯形图根据继电接触器电气控制电路图与所作的各状态表来画梯形图.在作梯形图时，首先按电气原理图直接画出，然后再整理.本机床电路中有几个手动及自动切换开关.在梯形图中，分别用常开表示手动（M），常闭表示自动（A）.另外，电源指示灯在电气控制电路中是直接接在母线上，所以梯形图中不表示出来.编制程序梯形图编制程序见附录四工位组合机床控制系统的设计概述25程序调试分部调试将各个基本环节的程序送 PLC 机调试，然后根据工作流程顺序调整，直至符合各基本工作条件为止.整体调试将全部程序送人 PLC 机调试.在调试过程中主要注意各基本环节之间相互联系是否满足控制要求，有无失步现象.要考虑各细微动作后产生的相互影响，要将各输人信号一个一个动作，看其输出的反应是否符合控制要求.作输入输出现场接线图我们根据前面定义号的确定可知，需要采用S7-200 型PLC 机(CPU223 14I/10Q)的7槽框架的模块，其中输人输出模块选用两块直流24V 模块EM223(8I/8Q).选好后，只要根据前面列出的输人输出状态表，对号入座，即可作出现场接线图，如图2-10 所示.1、电磁阀根据设计要求，电磁阀需 24V 直流电压，查手册电磁阀选用 MFZ1-07 直流电磁阀，吸合力为 7N ，吸合距离 4 mm ，额定直流电压 24V ，消耗功率 1OW ，消耗电流 0.4A .2、行程开关根据控制要求，选用直流 24V ，阻抗小于 2k ，两线制.查手册选用 LXJ-1A ，一开一闭触点.4、压力继电器根据控制要求，需要压力继电器.查手册选用 DP - 63B 型.5、自动空气开关（断路器）因电动机额定电流是 5A ，考虑到起动时电流较大，所以选用 DZ5 - 20 自动空气开关.主触点额定电流为 2OA ，能满足起动电动机电流的需要，辅助触点为一常开与一常闭，额定电流 5A ，也能满足控制要求.6、接触器根据控制要求选用 CJX1 - 12 ，主触点额定电流 12A ，线圈使用交流 22OV 能接通12 ( 144A ) ，分断 10 ( 120A ）满足控制要求，消耗功率 65VA ，消耗电流NINI0.35A .7、主电路熔断器对于单台电动机，熔体额定电流，选用 1.52.5 倍电动机额定电流.根据控制要求，电动机额定电流 5A，所以选用 RL1 - 15 型熔断器，熔管额定电压 380V ，额定电流15A，熔体额定电流选择 15A.8、变压器广东石油化工学院毕业设计：四工位组合机床控制系统设计26根据控制要求，需直流 4V , 交流 220V 电源.查手册选用 BK-100 型，规格 380/220 - 127 - 110 - 36 - 28 - 12 的小型控制变压器四工位组合机床控制系统的设计概述27图2-10 PLC现场接线图9、主控制电路（AC22OV ）熔断器因为主接触器线圈只需消耗 0.35A 电流，所以选择 RL1 - 15 型熔断器，体选择 2A , 即能满足要求.10、照明电路熔断器照明电路电压 AC220V ，选用 40W 灯泡，消耗电流 0 .18A ，故选用 RM10 - 15 型熔断器，熔体电流为 2A .11、中间继电器控制需要有 4 开 4 闭触点的中间继电器，所以选用 HH54 型中间继电器，线圈额定电压直流 24V ，触点有 4 开 4 闭，额定电流 3A ，能满足控制要求.12、继电器根据控制要求，KT 选用 ST3PC ，有一对瞬动触点，一对延时触点，即能满足控制要求.13、直流 24V 控制电路熔断器考虑到最多工作时，有两个中间继电器.两个电磁阀线圈得电，电流大约为 2A ，故选用 RL1-15 型熔断器，熔体电流选用 4A ，出现运行故障时，既能保护，又能满足控制要求.14、直流 24V 信号灯电路熔断器考虑到最多工作时，有两只信号灯，再加上电源，液压泵共有 4 只指示灯亮，电流为 2A 左右.选用 RL1-15 型熔断器，额定电流为 2A ，分断电流为 3A ，即可满足要求.15、信号灯根据控制要求，选用日本派特莱的完全模块结构的信号灯，灯具体型号为 LU7-02FB，采用 24VDC 供电, 1W ，消耗电流为 O.5A 左右 .有红色、黄色、绿色、蓝色和透明选择，FB 型:提供两种不同的报警音，音量可在 70-90 分贝之间调节.16、按钮根据控制要求，选用 LA2 型，开起式，规格为 500V、5A ，触点数量是一开一闭，具有一个按钮数.其中：起动按钮选绿色调整按钮选黑色停止按钮选红色 17、转换开关.考虑到起动循环与切换自动手动使用较频繁，且分断电流且在 1A 以上，5A 以下，而且都具有两对触点座，故选择 LW6 一 2/B，具有两对触点座，手柄交换位置左右各30 .18、自动空气开关因为主电路有三台电动机，故选用 DZ5 - 20 型自动空气开关，具有短路、过载保广东石油化工学院毕业设计：四工位组合机床控制系统设计28护.选用自复式、DZS - 20 /330 型，能切断 20A 电流，能满足需要.19、二极管因为控制电路需直流 24V ，将变压器输出交流 28V 进行桥式整流成直流 24V ，故选用 ZDZ17A-X ，额定正向整流电流量 5A ，散热器面积是 100 mm x 10mm.20、电容选耐压 50V , 470F 的电解电容即可满足输出直流 24V 的要求.列明细表根据上述所选元件，列出元件明细表 2 - 5 ，以便查阅.表 2-5 元件明细表名称元件符号型号与规格数量刀开关QFDZ5-20/3301熔断器FU1-5RL1-1513熔断器FU6BLX-12按钮SBLA2 型，开起式，500V，5A6转换开关SALW6-2/B7行程开关SQLXJ-1A8接触器KMCJX1-123压力继电器KPDP-63B1电动机MJO2-31-43电磁阀YVMFZ1-0.79中间继电器KAHH549指示灯HLLU7-02FB9变压器TCBK-100 380/220-110-36-28-121时间继电器KTST3PC4二极管VDZPZ17A-X1电容C50V,470F1照明灯EL普通型号结束语29第第 3 3 章章 结束语结束语经过一个月的相关资料收集，消化，一个月的设计开发与整理，四工位组合机床控制系统各项功能开发完毕.在此之中我遇到了很多困难，论文也是经过数次修改才得以定稿，之所以可以完成这篇论文除去自己的努力，就是老师与同学的帮助，感谢对我给予帮助的老师和同学.在写这篇论文的时候我学习到了很多知识，也逐步的养成了从实际出发的设计思想，具体的说在设计中我首要考虑的就是这个设计是否实际去出发，包括安全问题，简单性问题，稳定性问题，必要的冗余设计，造价问题.在做完本论文后我有几点遗憾，其一，本论文侧重于电气的设计，对机械，液压系统并未详细说明，使得我对该知识没有深刻体会；其二，由于条件有限，我仅仅只能对程序进行调试，并不能软硬件结合一齐调试，所以设计一定存在不足；其三，我认为本论文创新程度上存在不足，在本篇论文的基础之上还可以完善组态监控，故障自诊断自修复，和网络相关的新技术，据我了解本论文设计出来的控制系统仅仅停留在我国1990-2000 年的水平，从国外的技术文献中了解，国外对于机床等复杂的控制已在逐步淘汰 PLC 技术，应用更新的技术.由于时间和自身能力方面的原因，该系统的设计方面也存在很多不足之处，希望在各位评审的指导下能得到进一步的改进.最后，再次感谢老师与同学宝贵意见与热情帮助. 广东石油化工学院毕业设计：四工位组合机床控制系统设计30致谢致谢感谢谢曼老师，她在百忙之中抽出时间认真阅读了我的论文，指出了论文的不足，并且提出了宝贵的修改意见.使我的论文更加完善.感谢其他老师和同学给予的帮助和热情的教导.参考文献31参考文献1SIMATIC S7-200可编程控制器系统手册DB.2007年9月版.2凌岳山.PLC在组合机床改造中的应用J.机电工程技术，2008年第37卷第07期：78.3卢国华.PLC控制系统在多工位组合机床中的应用J.电气时代，2008年第三期：112.4刘长敏, 吉红涛.PLC在四工位组合机床控制系统中的应用J.科技技术广场，2005年3月：32.5刘美俊,胡俊达,章绍东,黄菊生. PLC 在四工位组合机床控制系统中的应用J.组合机床与自动化加工技术，2003 年 05 期：75-76.6李耀刚.鼓轮式组合机床的 PLC 控制J.机床与液压，2004 年 08 期：12.7王小平,王大承.可编程控制器在卧式七工位组合机床上的应用J.新技术新工艺，2002 年 06 期：56.8李铁军,张淑敏.PLC 在数控机床电气控制方面的应用J.机械工程师， 2005 年 09 期：33-35.9邱力,张俊华.PLC 在组合机床上的应用N. 南昌水专学报，1999 年 01 期：48-51+57.10庞伟,葛桂萍.PLC 在组合机床控制中的应用J.工业控制计算机，2001 年 11 期：73-74.11冯红梅,王双平,秦峰.PLC 技术应用于专用组合机床J.煤矿机械，2004 年 11 期：117-118.12樊玉琴,姜信建.用 S7-200PLC 模拟仿真组合机床控制过程J.组合机床与自动化加工技术，1998 年 4 月 5 日：26-32.13李如松.组合机床和自动线的技术发展J.组合机床与自动化加工技术，1999 年第一期：5-12.14吴何畏,王卫兵.钻孔组合机床液压传动和电气控制系统的设计J.组合机床与自动化加工技术，2006 年第八期：54-55.15余雷声. 组合机床应用M.电气控制与PLC应用机械工业出版社，1998：14-16.16Morrison R. Lucas, Eric W. Endsley and Dawn M. Tilbury. MODULAR CONTROL FOR RECONFIGURABLE MACHINE TOOLSJ:INTEGRATING SERVO AND LOGIC CONTROLIEEE Transactions on Automation Vol.15.：14-16.17Koshal,D.Manufacturing Engineers Reference BookDB2005.广东石油化工学院毕业设计：四工位组合机床控制系统设计32附录附录附录33广东石油化工学院毕业设计：四工位组合机床控制系统设计34附录35