多工步机床的PLC控制课程设计

多工步机床的PLC控制

一．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。

二．设计任务和要求

1．根据本课题要求，采用PLC控制，试设计该控制程序，画出I/O电气接口图。 2．调试程序，模拟运行。

三．设计方案

1 方案的论证和分析

1．1 系统功能

本次课题的设计的功能是实现对棉纺锭子锭脚加工过程的控制，加工棉纺锭子锭脚的是多工步机床，它对零件加工前的实习坯件利用七把刀具分为七步：钻孔，车平面钻深孔，车外圆及钻孔，粗绞双节孔及倒角，精绞双节孔和绞锥角。利用慢速电动机和快速电动机实现快慢速的进退，电子气阀实现快慢速电动机的转换。

加工时，工件由主轴上的夹头夹紧，并由主轴电动机M1带动作旋转运动。大拖板

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载着六角回转工位台作横向进给运行，其进给速度由工进电动机(慢速电动机)M2、快进电动机(快速电动机)M3经电磁气阀(YV2)离合器带动丝杆控制。小拖板的纵向运动由电磁气阀(YVl)气压驱动。除第2把刀(完成第--32步，即车平面)是由小拖板纵向运动切削外，其余6把刀(完成其余6个工步)均由大拖板载着六角回转工作台横向运动切削，每进行完一个工步，六角回转工位台转动一个工位，进行下一工步的切削。

1．2 实现途径

实现对加工棉纺锭子锭脚多工步机床控制有两种方法，一个是利用传统的继电器的途径实现；一个是利用可编程控制器编程途径实现。两者都有各自的优缺点。具体利用哪一种途径，需要对目的系统进行详细和全方位的分析。

1．3 实现方法

两种途径在实现的方法上也不相同。在利用传统继电器实现时，主要利用经验法，设计时思维对象是具体的继电器，利用各种功能的继电器实现控制电路。在利用PLC实现时，有两种方法，一个是利用定时和基本指令组合实现。一个是利用步控指令实现。用基本逻辑指令实现较复杂的顺序控制，其梯形图比较复杂，而且不太直观。步控指令使复杂的顺序控制程序能够方便地实现。

1．4 技术经济比较

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，不仅加大了修理成本，而且影响了设备的工效；采用PLC实现无需复杂的接线，而且实现起来方便，不费时。无需大量继电器，只需PLC芯片，基本无修理成本。

2 系统方案的选定

上面分析过了实现加工棉纺锭子锭脚多工步机床控制有两种途径，各有优缺点。而加工棉纺锭子锭脚多工步机床控制过程复杂，工步多，分为七步，每一步又可以再细分解成更多的操作。采用传统的继电器控制时，需要的继电器多，接线复杂，实现起来很困难，而且可靠性不高。PLC正适合这种工序复杂的场合，编程方便，也方便维护。考虑到此系统是按顺序工作的，适合利用顺步控制指令来实现，每个操作可以看成是一个特定的状态。经过分析，我们选择PLC利用步控指令来实现系统控制。

整个机械加工过程由七把刀具分别按照七个工步要求依次进行切削，其加工步如表所示：

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要求中的工步表中不同的工步中的一些行程开关是一样的，分析一下就可以知道，在实际的加工过程中不同工步的一些行程开关的位置一定是不一样的。比如第一工步的工进过程中遇到的行程开关和第二工步的工进过程中遇到的行程开关的位置应该是不一样的，第二工步钻孔深度比第一工步钻孔深度要深。所以这两个地方应该使用不同的行程开关。但可以看出，在对这两个工步利用步控指令编程时，它们的过程和内容都一样。所以为了简化课程设计的工作量，我把一些相同操作的工步，只取其中的一个，其它的都删去。

在第二三工步里，有一个纵进纵退的过程，在此过程中小拖板有电磁气阀(YVl)气压驱动，虽然在实际加工的过程中纵进纵退和横向前进后退动作不一样， 但在编程时，和第一工步是一样的。因此我把它也省去了。

在做了长时间的分析后，为了减少重复工作，我们只设计第一工步和第四工步。其他的工步都省去了。

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2．1 I/O配和外部接线图

输入

输出

Y0：电动机M1接触器KMl Y1：电动机M2接触器KM2 Y2：电动机M3接触器KM3 Y5：电动机M3接触器KM4

X0：启动开关 X1：停止按钮

X2：行程开关SQl X3：行程开关SQ2 X4：行程开关SQ3 X5：行程开关SQ4

I/O地址分配图

2．2 系统的主电路

系统的主电路包括三个电动机，四个接触器，一个电磁阀，和一个开关。其中电动机M1是主轴电动机受KM1控制，工进电动机和快进电动机受KM2、KM3、KM4控制。KM2实现正转相当于前进，KM3实现反转相当与后退。电磁阀YV2受KM3控制。YV2接通实现工进，YV2断开和KM4一起实现快进。

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2．3 系统工作流程图

根据工步列表可以很方便的画出流程图。要说明的是流程图中，相邻的两个状态的转换条件没有被列出。之所以画出流程图是为了以后方便画状态转移图，他们两者有许多相似的地方。所以画流程图可以说是给状态转移图先打个草稿。加工棉纺锭子锭脚多工步机床的流程就是加工工序，启动后拖板快进－工进－延时－快退。快退到初始位置后紧接着又快进－工进－延时－工退－快退。

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2．4系统工作时序图

根据多工步列表可以画出系统的工作时序图，需要说明的是停止按钮和紧急按钮没有画在时序图里，当这两个按钮被按下时所有的输出都被禁止了，其他按钮没被禁用。还有以保护行程开关也没有画进去，一般情况下，它不会没触动，只有当行程开关SQ2失灵的时候才会被触动，触动后所有的输出都被禁止。

2．5 PLC设计状态图

根据工作流程图和I/O地址分配，可以画出系统工作状态图，将系统的每一次操作看成一个状态，比如可以把工进看作一个状态，在此状态中选择适当的输出使系统进行工进操作。将那些行程开关和定时器计时完毕作为状态之间的转换条件。然后根据系统的工作流程来连接状态。按下启动按钮（X0），拖板进入快进状态（Y0,Y1,Y5），触到行程开关SQ1（X2）进入到工进状态（Y0,Y1），碰到SQ2(X3)后延时一秒，进入快退状态（Y0,Y2,Y5），到了初始行程开关SQ3（X4）后有进入快进状态（Y0,Y1,Y5），触到SQ1（X2）后进入工进状态（Y0,Y1）,到SQ2（X3）后延时一秒，完了就进入工进状态（Y0,Y2），再将SQ1（X2）拨回时，进入快退状态（Y0,Y2,Y5），最后遇到SQ3（X4）停止。需要说明的是，拖板再遇到SQ1以后，由于拖板的面积大，SQ1一直处于动作状态，直到退回为止。

除了上面的一些器件以外还有极限行程开关SQ4(X5)，紧急开关(X1),当它们被动作后系统的输出全部禁止。

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系统工作梯形图

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根据设计好的的状态图，梯形图就很容易编写了，这属于技术问题了。 ．7 程序指令表

LD M8002

SET S0 STL S0 RST Y0 LD X0 SET S20 STL S20 SET Y0 OUT Y1 OUT Y5 LD X2 SET S21 STL S21 OUT Y1 LD X3 SET S22 LD X5 SET M8034 STL S22 OUT T0 K10 LD T0 SET S23 STL S23 OUT Y2 OUT Y5 LD X4 SET S30 STL S30 OUT Y1 OUT Y5 LD X2

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SET S31 OUT Y1 LD X5 SET M8034 LD X3 SET S40 STL S40 OUT T1 K10 LD T1 SET S32 STL S32 OUT Y2 LDI X2 SET S33 STL S33 OUT Y2 OUT Y5 LD X4 OUT S0 RET LD X1 SET M8034 END

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四．软件调试

由于是对加工棉纺锭子锭脚多工步机床控制，所以在实验室里只能进行模拟仿真了。开始我们先将设计好了的程序直接输入到编程器里，然后按照上面的I/O地址分配图进行接线。接着就开始运行程序了，看是否和我们期望的效果一致。为了能模拟SQ1我们把它接到了双稳态开关。开始运行程序，按下按钮相当于遇到了相应的行程开关。当模拟运行到了第二工步时没经过快进的状态，就直接进入到了工进状态。由于工进状态只比快进状态少输出一个Y5,因此我们以为是少输入了Y5的指令。于是我们检查程序，发现没有少输出Y5。于是乎就把问题指向了快进与工进之间的转换条件SQ1.接着我们一点一点的模拟实际的工作流程。终于找到了问题的所在，原来在第一工步的快退状态中SQ1应该被拨回只初始状态，这一动作在实际过程中是系统自动进行的，而现在我们在模拟时应该认为的把SQ1拨回。重新再模拟时在第一工步的快退状态中加了把SQ1拨回的动作后，程序模拟成功了。在模拟到最后时，按要求遇到行程开关SQ3(X4)时，系统应该停止。但是当我们按下X4时，还有一个Y0输出，原因很简单。由于在整个过程中在程序的一开始主轴电动机应该始终运行着直到加工结束。因此我们在一开始需要输出Y0状态里用了SET指令。这样的话即使在返回到初始状态时没有任何输出，Y0还是处于“1”状态。于是我们给初始状态一个清零的指令。这样不影响原先初始状态的作用。另外还有其他一些小问题，在此步再列出说明。总之，我们的调试过程比较顺利，但只是进行模拟仿真，在实际的应用和操作过程中，一定回遇到其他的问题，而导致需要更改原先的程序。

五．课程设计总结

此次的设计课题是多工步机床的PLC控制,之前我们在老师的指导下对PLC技术进行了比较全面的学习,从各种电器知识到控制电路设计在到后来的PLC指令系统和步控系统功能指令...刚开始设计就觉得设计就是把程序编好,其实后来的实践的过程证明这一想法是错误的。由于加工棉纺锭子锭脚多工步机床控制过程复杂，工步多，分为七步，而每一步又可以再细分解成更多的操作。所以在设计的时候思路不明确害我走了不少的弯路总觉得没有头绪，最后决定从单步下手层层衔扣，缕清设计步骤，终于在同组同学的共同协助下流程图，梯形图的编程，完成了设计。

通过这次实践设计，我认为学到的不仅是编程知识，更多的是一种在是实战中游刃有余的能力以及对PLC这门应用型学科的进一步理解和对进一学习的兴趣。

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参考文献

1． 2． 3． 郁汉琪 电器控制与可编程控制器应用技术.东南大学出版社.2003,6：141~144

廖常初 PLC编程及应用.机械工业出版社.2007，1：1~5

郁汉琪 机床电气及可编程控制器试验，课程设计指导书.高等教育出版社.2006，5：214~216

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