1、貴州大學本科畢業設計 第61頁本科畢業論文（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 錄摘要IIIAbstractIV第一章 緒論51.1組合機床概述51.2 PLC的四工位組合機床控制系統設計的目的和意義51.3 PLC的四

2、工位組合機床控制系統設計的國內外現狀和發展趨勢6第二章 四工位組合機床原理及液壓系統82.1四工位組合機床的工作原理與過程分析82.1.1 回轉臺工作原理92.1.2 鉆孔工作原理92.1.3 擴孔工作原理92.2 四工位組合機床的液壓控制系統11第三章 PLC概述與方案論證133.1 PLC概述133.1.1 PLC基本介紹133.1.2 PLC硬件組成133.2方案論證173.2.1 PLC與繼電器-接觸器相比較：173.2.2 PLC與單片機比較18第四章 電氣控制系統硬件設計204.1選擇PLC機型204.1.1 結構選擇204.1.2 I/O點選取原則204.1.3確定PLC機型及擴

3、展模塊214.2設計I/O分配表224.3設計PLC控制系統電氣原理圖244.3.1 PLC的詳細接線圖244.3.2 電機電氣原理圖264.4設計PLC控制系統操作面板264.5相關元器件的選擇284.5.1電氣元件的選取284.5.2液壓元器件的選擇29第五章 部分程序的分析以及程序調試結果305.1 以下程序段的分析：305.2 此次設計的程序建立以及調試結果分析如下：32第六章 設計總結與體會346.1設計總結346.2心得體會35參考文獻36致謝37附錄一38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

4、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。Four labour modular machine tool control system design base

5、d on PLC AbstractCombination machine tools based on four location as the research object, Four station mainly include drilling, reaming, tapping, manipulator up-down material such as location，and through the main structure and form of movement of exploration and for machine tools work process and co

6、ntrol requirements analysis is presented, the machine operating cycle diagram, hydraulic components action list and four for the hydraulic control system of modular machine tool, And PLC control system design method of software and hardware design, lists the PLC I/O address allocation worksheets, pa

7、inted PLC I/O assignment graph and single automatic work flowchart, write PLC control program ladder diagram and instructions list,Composed of man-machine interface operation panel,make the whole control system operation simple, convenient, greatly improved the system automation degree and practicab

8、ility.Keywords: programmable controller (PLC), four location combination machine tools, control system, the man-machine interface.第一章 緒論1.1組合機床概述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

9、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

10、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。1.2 PLC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

11、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

12、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。1.3 PLC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

13、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

14、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

15、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

16、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

17、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2.1四工位組合機床的工作原理與過程分析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

18、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： 圖2.1.11.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

19、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

20、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

21、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：S0S54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，

22、不是指繼電器的名稱，具體詳見梯形圖部分。） 圖2.1.22.2 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

23、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

24、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。 圖2.2.1液壓控制系統圖第三章 PL

25、C概述與方案論證3.1 PLC概述 3.1.1 PLC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PL

26、C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2000050000h，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

27、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。3.1.2 PLC硬件組成PLC的硬件一般由主機、I/O擴展機及外部設備組成，其簡化框圖如圖3.1.21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。 圖3.1.2-1 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

28、，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。2.電源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 輸入/輸出模塊是PLC與現場I/O設備或其他外部設備之間的連接部件。 輸入模塊用于調理輸入信號，對輸入信號進行濾波、隔離、電平轉換等，把輸入信號的邏輯值安全可靠地傳遞到PLC內部。輸出模塊用于把

29、用戶程序的邏輯運算結果輸出到PLC外部，輸出模塊具有隔離PLC內部電路和外部執行元件的作用，還具有功率放大的作用。根據I/O分配表知道此次設計輸入采用直流開關量輸入模塊，具體原理圖如圖3.1.2-2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

30、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 3.1.2-2而對于輸出模塊，包含直流開關量輸出模塊、交流開關量輸出模塊 、繼電器輸出模塊，根據此次組合機床的設計輸出特點，我選擇了繼電器輸出模塊，該模塊原理圖如圖3.1.2-3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

31、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 3.1.2-34 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

32、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。6 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

33、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。7 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。3.2方案論證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：3.2.1 PLC與繼電器-接觸器相

34、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

35、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

36、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。P

37、LC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。3.2.2 PLC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

38、，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

39、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

40、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4.1選擇PLC機型合理選擇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

41、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

42、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。4.1.2 I/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4.2，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。4.1.3確定PLC機型及擴展模塊歐姆龍

43、PLC系列中CPM 1A與CPM 2A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CPM 2A是CPM 1A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PLCPT（可編程終端）鏈接。根據上述分析以及4.1.1與4.1.2分析知，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）

44、。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。 圖4.14.2設計I/O分配表因為CPM系列的I/O區分配的通道號為000019，其中000009為輸入通道，010019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

45、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200231，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0.00-9.15，輸出主要用10.00-19.15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0.000.15（16個）、1.00-1.15（16個）與2.002.03（4個）以及1號進程擴展機的輸入2.04（1個）；輸

46、出為10.00-19.15。表 4.2 I/O分配輸入點輸出點0.00手動攻絲反轉10.00微抬0.01啟動10.01夾緊0.02快速回轉10.02快速回轉0.03反向開關10.03反向定位0.04反靠開關10.04慢回0.06離合器開關10.05鉆孔快進0.062DP壓力繼電器10.06鉆孔快退0.071DP壓力繼電器10.07擴孔快進0.08手動攻絲正轉10.08擴孔快退0.09工位原點10.09鉆孔工進0.10已快進10.10擴孔工進0.11已工進10.11攻絲快進0.12手動攻絲快進10.12攻絲快退0.13手動鉆孔快退10.13攻絲正轉0.14手動擴孔快進10.14攻絲反轉0.15反

47、向攻絲10.15鉆孔1.00齒條原位11.00擴孔1.01工位原點1.02已快進1.03已工進1.04手動1.05回原點1.06半自動1.07手動擴孔快退1.08停止1.09工位原點1.10已快進及正向攻絲1.11反向攻絲1.12已快退1.13手動攻絲快退1.14微抬1.15手動回轉2.00手動反向2.01手動夾緊2.02手動返回2.03手動鉆孔快進2.04手動鉆孔工進4.3設計PLC控制系統電氣原理圖4.3.1 PLC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

48、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 圖4.3.14.3.2 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

49、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： 圖4.3.24.4設計PLC控制系統操作面板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