多工位组合机床PLC控制系统设计

重庆科技学院

毕业设计（论文）

题 目 多工位组合机床PLC控制系统设计

院 （系） 机械与动力工程学院 专业班级 机电普2008-02 学生姓名 江 晓杰 学号 2008440849 指导教师 沈 颖 职称 副教授 评阅教师 杨 孟涛 职称 讲 师

2012年 6 月 1 日

注 意 事 项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作） 2）原创性声明 3）中文摘要（300字左右）、关键词 4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入） 6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论 7）参考文献 8）致谢 9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。 4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印 4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档 5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订 3）其它

学生毕业设计（论文）原创性声明

本人以信誉声明：所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

毕业设计（论文）作者（签字）：

年 月 日

重庆科技学院本科生毕业论文 摘要

摘要

组合机床及其自动线在当今机械制造业中扮演着越来越重要的角色，其技术性能和综合自动化水平在很大程度上决定着相关部门的发展。随着科学技术的不断发展，传统的以继电器控制为基础的组合机床愈加与先进生产力不相适应，在这种情况下，可编程序控制技术以其灵活性好，可靠性高，通用性强，逐渐取代了继电器控制方式，成为当代工业控制的主要发展方向。

本论文详细叙述了组合机床的PLC控制系统的设计,分析了系统的主电路及控制电路图，并根据系统运行要求，确定了机床及控制系统的元件型号，作出了PLC的外部接线图。

软件设计分别从全线自动，单机半自动，单机手动三种工作方式对装卸、打中心孔、钻孔、倒角、扩孔以及铰孔加工六工位组合机床的PLC控制进行了叙述，完成了各工作方式下的功能图表，梯形图及指令表。 关键词： 组合机床 PLC 程序设计

I

重庆科技学院本科生毕业论文 Abstract

Abstract

Nowadays , modular machine tool and its automatic lines play a more and more important role in machine manufacturing industry, its technique function and automate level decide the development of the related section to a large extent.Along with the development of science technique, traditional combined machine based on relay-control cannot adapt to the advanced productivity , in that case, the programmable controlling technique ,with its flexiblity, high reliability,good generalization,gradually replaced the relay-control, becoming the main development direction of the contemporary industry control.

This paper introduces in detail about the design of PLC on the control system ,analyzes the diagram of main electric circuit and the controlling electric circuit of the system,and determines the type of apparatus,makes out the connecting-line diagram of the PLC.

Then the software design descripes the PLC controlling of Handling and unloading, playing center hole, drilling, chamfering, reaming and reaming respectively from the whole line auto/ half auto, single machine half auto and single machine hand,then completes the function diagram,trapezoid diagram and the instruction form. Key words: modular machine tool; PLC ; program design

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重庆科技学院本科生毕业论文 目录

目录

摘要 ...................................................................... I Abstract ................................................................. II 1 引言 .................................................................... 1

1.1 研究背景及意义 .................................................... 1 1.2 国内外研究现状分析 ................................................ 1 1.3 论文主要内容 ...................................................... 2 2 六工位组合机床工艺要求及液压系统说明 .................................... 4

2.1 组合机床的概述 .................................................... 4 2.1.1组合机床的简介 ................................................... 4 2.1.2组合机床的加工方式 ............................................... 4 2.1.3组合机床的发展 ................................................... 4 2.2工艺要求及动作流程 ................................................. 4 2.3该六工位组合机床液压系统的工艺特点 ................................. 6 2.4该机床液压系统说明 ................................................. 6 2.4.1回转工作台的液压回路 ............................................. 6 2.4.2液压滑台的液压回路 ............................................... 7 3 PLC控制系统硬件设计 .................................................... 8

3.1PLC的简介 .......................................................... 8 3.1.1 PLC的定义 ....................................................... 8 3.1.2 PLC的特点 ....................................................... 8 3.1.3 PLC控制系统以继电器控制系统的比较 ............................... 9 3.2控制系统主电路设计 ................................................ 10 3.3可编程控制器选型及端口设计 ........................................ 11 3.3.1可编程控制器选型 ................................................ 11 3.3.2三菱FX2N-80MR简单介绍 .......................................... 11 3.3.3可编程控制器I/0端口分配 ........................................ 13 3.4电气元件选型 ...................................................... 17 3.4.1电动机 .......................................................... 17 3.4.2熔断器 .......................................................... 17 3.4.3接触器 .......................................................... 17 3.4.4行程开关 ........................................................ 18 4 PLC控制系统软件设计 ................................................... 19

4.1编程软件GX Developer说明 ......................................... 19 4.2工作流程图 ........................................................ 21 4.3梯形图 ............................................................ 22 4.4梯形图控制说明 .................................................... 27 4.4.1主电动机起停控制 ................................................ 27 4.4.2液压滑台的控制 .................................................. 28 4.4.3回转工作台的回转控制 ............................................ 29 5 系统调试 ............................................................... 30

重庆科技学院本科生毕业论文 目录

5.1调试软件说明 ...................................................... 30 5.2程序调试 .......................................................... 31 5.2.1连续全自动工作循环 .............................................. 32 5.2.2单机半自动工作循环 .............................................. 36 5.2.3手动循环 ........................................................ 38 6 结论 ................................................................... 41 参考文献 ................................................................. 42 致谢 ..................................................................... 43 附录 ..................................................... 错误！未定义书签。

重庆科技学院本科生毕业论文 引言

1 引言

1.1 研究背景及意义

机床是制造产品的机械，也称作为工作的母体，是装备制造业的核心设备。最初的机床是由蒸汽机集中提供的能源，此时可以进行车削、钻削、铣削齿轮加工等工艺但是精度和效率都很低，交流电动机的问世，机床开始有电力拖动，通过齿轮变速，因此，大大地改善了机床的效率和精度，此时出现了组合机床，但机床都采用传统的继电器控制，继电器控制方式虽有结构简单，价格便宜的优点，但存在着触头易磨损，寿命短的缺点。特别是在更换产品时更加容易磨损。随着人们对生产要求的进一步的提高，已继电器控制的组合机床已不适应社会的需要。这时出现了以计算机技术和电子机械技术的不断发展，从而缓解了这一现象，此时出现了以PLC控制的组合机床。它是充分利用计算机技术和电子技术与机械电子，以软件代替部分硬件，以电子器件代替部分机械传动，从而提高了机床的性能。

目前一般企业都拥有一定数量的用继电器控制的组合机床。继电器控制方式虽然有结构简单、价格便宜的优点，但存在着接触器触点磨损快、寿命短、可靠性差等缺点。特别是在更换产品而改变动作循环时，需重新设计、安装、调试，不能适应现代生产要求。造成了这些企业的生产率低下，效益差，反过来这些企业又没有足够的资金购买新的数控车床。因此，当务之急就是对这些普通车床进行技术改造，以提高企业的设备利用率，提高产品的质量和产量。

而采用PLC改造机床，可去掉了机床的中间继电器、时间继电器、顺序控制二极管及电阻，使线路简化。同时，由于PLC的高可靠性，输入／输出部分还具有信号指示，这不仅使电气故障次数大大减少，而且还能给准确判断电器故障的发生部位提供了很大的方便。控制系统可靠性好、故障率低、工艺参数调整方便等特点。因为可编程控制器的抗干扰能力强，可靠性高，且配置灵活，已在工控领域广泛应用。这不仅可以实现生产过程的自动控制，还可以构成适合工业环境的实时网络。

使用PLC控制机床电气系统后为了充分发挥设备效能，迅速提升加工技术与精度，越来越多的企业每年投入大量资金和技术对传统老式组合机床进行技术改造，取得了良好的效果。用PLC模块、变频驱动技术、操控监控设备等组成电气数字控制系统，以实现编程输入、人机交互、自动化加工的控制方式，扩大加工能力，减少故障，提高效率，已成为企业进行技术改造的有效途径。

1.2 国内外研究现状分析

在我国，组合机床的科研和生产都具有相当的基础，应用也已深入到很多行业。是当前机械制造业实现产品更新，进行技术改造，提高生产效率和高速发展必不可少的设备之一。组合机床及其自动线是集机电于一体的综合自动化程度较高的制造技术和成套

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重庆科技学院本科生毕业论文 引言

工艺装备。它的特征是高效、高质、经济实用，因而被广泛应用于工程机械、交通、能源、军工、轻工、家电等行业。我国传统的组合机床及组合机床自动线主要采用机、电、气、液压控制，它的加工对象主要是生产批量比较大的大中型箱体类和轴类零件（近年研制的组合机床加工连杆、板件等也占一定份额），完成钻孔、扩孔、铰孔，加工各种螺纹、镗孔、车端面和凸台，在孔内镗各种形状槽，以及铣削平面和成形面等。组合机床的分类繁多，有大型组合机床和小型组合机床，有单面、双面、三面、卧式、立式、倾斜式、复合式，还有多工位回转台式组合机床等；随着技术的不断进步，一种新型的组合机床——柔性组合机床越来越受到人们的青睐，它应用多位主轴箱、可换主轴箱、编码随行夹具和刀具的自动更换，配以可编程序控制器（PLC）、数字控制（NC）等，能任意改变工作循环控制和驱动系统，并能灵活适应多品种加工的可调可变的组合机床。另外，近年来组合机床加工中心、数控组合机床、机床辅机（清洗机、装配机、综合测量机、试验机、输送线）等在组合机床行业中所占份额也越来越大。

由于组合机床及其自动线是一种技术综合性很高的高技术专用产品，是根据用户特殊要求而设计的，它涉及到加工工艺、刀具、测量、控制、诊断监控、清洗、装配和试漏等技术。我国组合机床及组合机床自动线总体技术水平比发达国家要相对落后，国内所需的一些高水平组合机床及自动线几乎都从国外进口。工艺装备的大量进口势必导致投资规模的扩大，并使产品生产成本提高。因此，市场要求我们不断开发新技术、新工艺，研制新产品，由过去的“刚性”机床结构，向“柔性”化方向发展，满足用户需求，真正成为刚柔兼备的自动化装备。

近年来，PLC在工业中异军突起，特别是在组合机床的运用上，它是充分利用计算机技术和电子技术与机械电子，以软件代替部分硬件，以电子器件代替部分机械传动，从而提高了机床的性能。以其独特的控制优势，广泛地应用在机械制造业中。特别是在组合机床的控制中，以其编程简单、可靠性高、功能齐全、适应性强、输出形式多样等优点，很快取代了传统的继电器控制中的主导地位。

21 世纪，PLC 会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。

1.3 论文主要内容

本论文详细叙述了多工位组合机床的PLC控制系统的设计,分析了机床的工艺要求和动作流程，设计主电路控制电路及机床液压系统说明，并根据系统运行要求，确定了

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重庆科技学院本科生毕业论文 引言

机床及控制系统的元件型号，并对PLC的I/O端口进行分配。软件设计分别从连续全自动工作循环、单机半自动循环和手动循环三种工作方式对装卸、打中心孔、钻孔、倒角、扩孔以及铰孔加工六工位组合机床的PLC控制进行了叙述，完成了各工作方式下的流程图和梯形图，并对梯形图进行了说明。

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重庆科技学院本科生毕业论文 六工位组合机床工艺要求及液压系统说明

2 六工位组合机床工艺要求及液压系统说明

2.1 组合机床的概述

2.1.1组合机床的简介

组合机床transfer and unit machine，以系列化和标准化的通用部件为基础，配以少量专用部件对一种或多种工件按预先确定的工序进行切削加工的机床。兼有万能机床和专用机床的优点。通用零部件通常占整个机床零部件的70％～90％，只需要根据被加工零件的形状及工艺改变极少量的专用部件就可以部分或全部进行改装，从而组成适应新的加工要求的设备。由于在组合机床上可以同时从几上方向采用多把刀具对一个或数个工件进行加工，所以可减少物料的搬运和占地面积，实现工序集中，改善劳动条件，提高生产效率和降低成本。将多台组合机床联在一起，就成为自动生产线。组合机床广泛应用于需大批量生产的零部件，如汽车等行业中的箱体等。另外在中小批量生产中也可应用成组技术将结构和工艺相似的零件归并在一起，以便集中在组合机床上进行加工。

2.1.2组合机床的加工方式

组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。由于通用部件已经标准化和系列化，可根据需要灵活配置，能缩短设计和制造周期。因此，组合机床兼有低成本和高效率的优点，在大批、大量生产中得到广泛应用，并可用以组成自动生产线。

组合机床一般用于加工箱体类或特殊形状的零件。加工时，工件一般不旋转，由刀具的旋转运动和刀具与工件的相对进给运动，来实现钻孔、扩孔、锪孔、铰孔、镗孔、铣削平面、切削内外螺纹以及加工外圆和端面等。有的组合机床采用车削头夹持工件使之旋转，由刀具作进给运动，也可实现某些回转体类零件(如飞轮、汽车后桥半轴等)的外圆和端面加工。

2.1.3组合机床的发展

为了使组合机床能在中小批量生产中得到应用，往往需要应用成组技术，把结构和工艺相似的零件集中在一台组合机床上加工，以提高机床的利用率。这类机床常见的有两种，可换主轴箱式组合机床和转塔式组合机床。

组合机床未来的发展将更多的采用调速电动机和滚珠丝杠等传动，以简化结构、缩短生产节拍；采用数字控制系统和主轴箱、夹具自动更换系统，以提高工艺可调性；以及纳入柔性制造系统等。

2.2工艺要求及动作流程

六工位组合机床可完成工件装卸、打中心孔、钻孔、倒角、扩孔以及铰孔加工。 具体加工过程为:

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重庆科技学院本科生毕业论文 六工位组合机床工艺要求及液压系统说明

回转工作台上升

→在工位Ⅰ拆卸和装夹零件 →回转工作台回转到工位Ⅱ下降 →工位Ⅱ对零件进行打中心孔 →回转工作台上升回转到工位Ⅲ下降 →工位Ⅲ钻孔加工

→回转工作台上升回转到工位Ⅳ下降 →工位Ⅳ倒角加工

→回转工作台上升回转到工位Ⅴ下降 →工位Ⅴ扩孔加工

→回转工作台上升回转到工位Ⅵ下降

→工位Ⅵ铰孔加工,如此循环实现对不同零件、不同工位的同步加工。

控制系统共有连续全自动工作循环、单机半自动循环和手动循环三种工作方式。手动控制方式主要用于检查和维修。半自动方式也可以用于维修和单个零件的修复加工。每按一次启动按钮,回转工作台回转一个工位。 控制对象为:油泵电动机、冷却泵电动机和五个刀具电动机。五个工作滑台采用带终点停留一次工进加工方式。因为各控制对象所处位置比较集中,各个工位之间相隔60°,且相互之间的动作存在一定的顺序关系,所以采用集中式控制系统,用一台PLC控制多台设备。

图2.1加工工位布置示意图

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重庆科技学院本科生毕业论文 六工位组合机床工艺要求及液压系统说明

2.3该六工位组合机床液压系统的工艺特点

该六工位组合机床主要控制包括回转工作台的自动回转控制和各个工位上液压滑台、动力头的控制。

由于工件在各个工位上刀具的快进、工进、快退的距离可能各不相同，进给速度也可能各不相同，所以每个动力头需要采用不同的液压控制系统，协同控制来完成。

2.4该机床液压系统说明

回转工作台及5个液压滑台的液压系统原理图如下图所示，包括回转工作台的液压回路和液压滑台的液压回路。下面介绍液压回路的工作情况。

2.4.1回转工作台的液压回路

回转工作台的液压回路主要为四个液压缸的运动提供动力，分别为回转工作台夹紧1G、定位销伸缩缸2G、回转缸3G、离合器分离用液压缸4G四个液压回路。

1）1G液压回路。1G的作用是实现工作台的夹紧和松开，在每次转位之前必须松开工作台，然后才能回转；在转位之后，工件加工过程中，又必须夹紧，以防工作台发生位移运动，影响加工质量。

其松开油路是：液压泵，电磁阀YV1左位，1G下腔，抬起工作台。 其油路是：液压泵，电磁阀YV1右路，1G上腔，向下夹紧工作台。

2）2G液压回路。2G的作用是实现定位销的伸缩运动，在每次转位之前，需要将定位销往下缩回，不要挡住定位块，以便定位块和工作台一起转动。当转位到一定距离后，定位销在2G的带动下向上伸出，挡住下一工位上的定位块，实现定位。

其向下缩回右路是：液压泵，电磁阀YV1左路，2G上腔，活塞杆克服弹簧下移。 伸出时是靠弹簧作用，将伸缩销弹回复位。

3）3G液压回路。3G的作用是通过3G活塞杆上的齿条带动齿轮转动，经过离合器和工作台下面的齿轮带动工作台转动，当活塞杆向右移动时，工作台顺时针转动；当活塞杆左移时，工作台逆时针转动，实现反靠。

其右移液压油路是：液压泵，减压阀JF，电磁阀YV3左位，3G左腔，活塞杆右移。3G右腔的油经过节流阀L流回油箱，则活塞杆右移速度慢；经过电磁阀YV2流回油箱，则速度较快。

其左移液压油路是：液压泵，减压阀JF，电磁阀YV3右位，节流阀L，3G右腔，活塞杆左移，主要是实现反靠。

4）4G液压回路.4G的主要作用是把离合器分开或者结合。在正常回转时，离合器应该结合，4G在弹簧作用下处于复位状态。当回转结束后，为了让液压缸3G的活塞杆回到左端，又不至于带动工作台转动，此时，需要将离合器分开。

分开时油路：液压泵，减压阀JF，电磁阀YV4左位，4G下腔，活塞杆上移，克服弹簧作用带动离合器上把部分结构移动，脱离啮合。待3G复位之后，YV4处于右位，4G在

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重庆科技学院本科生毕业论文 六工位组合机床工艺要求及液压系统说明

弹簧作用下下移，离合器又结合。

2.4.2液压滑台的液压回路

三个液压滑台的液压回路是带动对应的滑台做快进，工进，快退。分别用各自液压缸完成。以打中心孔液压缸为例简单介绍其液压油路。

1）快进时：液压泵，电磁阀YV5左位，打中心孔缸左腔，活塞杆右移。进给液压缸右腔的油经过YV5左位，再经过YV6左位流回进给液压缸左腔，形成差动油路，速度较快。

2）工进时：流入进给液压缸的油路和快进时一样，不同之处是，从进给液压缸流出的油不经过YV6，而是经过节流阀L1流回油箱。由于经过节流阀的节流作用，所以液流速度慢，活塞杆移动速度慢。

3）快退时：液压泵，电磁阀YV5右位，液压缸右腔，活塞杆左移。进给液压缸左腔的油直接经过YV5流回油箱，流速较快，滑台快速退回。

其他滑台的液压油路类似。

图2.2液压原理图

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重庆科技学院本科生毕业论文 PLC控制系统硬件设计

3 PLC控制系统硬件设计

3.1PLC的简介

3.1.1 PLC的定义

1980年可编程控制器问世后，美国电气制造商协会对其做过如下定义

“是一种数字式的电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，实现逻辑运算、顺序运算、计数、计时和算式运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。’” 1982年，国际电工委员会颁布了可编程控制器标准草案第一稿，将其定义为“是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以

编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计数、计时和算式运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。及其有关的外围设备都应按照易与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。

可见，是能直接运用于工业环境的一种数字电子装置，具有与其它顺序控制装置明显不同的特点。

目前，在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为开关量的逻辑控制、模拟量控制、运动控制、过程控制、数据处理、通信及联网这六类。正是由于的使用范围广泛，优点众多，才成为解决自动控制问题的最有效工具。 3.1.2 PLC的特点

PLC 主要是用在自动化生产方面的控制器件，和计算机的控制方式十分相似。PLC 和 PC 差不多，主要使用 CPU 来当处理器，进行各种各样的运算和控制。 PLC 具有以下描述的集中特点：

① 可靠性

对 PLC 来讲，它的可维修性和有效性相当重要。

1) PLC 用不着大量的各种其他元器件，这样就使得线路十分简单，维修起来也就非常

方便了；

2) PLC 的设计方法非常可靠，例如，冗余设计，断电保护，故障诊断和信息保护及恢

复等，提高了 MTTR 等的。

3) PLC 上手十分容易，因为它的编程方法很简单，操作方式也不复杂，维修容易，基

本上不会发生故障；

4) PLC 是具有精简编程语言的、专门为工业生产而制造的、非常可靠的一种控制器件，

它十分的稳定，发生故障的概率非常低。

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重庆科技学院本科生毕业论文 PLC控制系统硬件设计

5) PLC 在制造的时候，硬件上面采用了很多先进的技术，来保障其可靠性，降低硬件

出错的可能性。

6) 在软件的制作方面，PLC 也采用了很多先进的方法来保证他的稳定可靠。

② 易操作性 1) 编程方便

它的编程语言的选择很多，一般都是用梯形图编程。 2) 维修方便

它在发生故障的时候会自我诊断，这样就更方便维修。 3) 操作方便

它的操作很方便，可以通过编程软件对程序进行修改，也可以根据屏幕的现实，直接按键来修改。

③ 灵活性 1) 扩展的灵活性。

它可以根据用户的需要，自由的增加或者减少各种模块。 2) 操作的灵活性。 操作简单灵活，方便监控。 3) 编程的灵活性。

它有很多编程语言来选择，编程人员可根据自身情况和实际需求来进行自由选择。

④ 能耗低、体积小、重量轻、使用方便 ⑤ 功能强，具有良好的通用性

PLC系统集体积小、速度快、标准化、具有网络通信能力等优点于一身，功能强，可靠性高。模块化、开放性设计的系统，各单独模块之间可进行广泛组合构成不同的系统更是能满足各类不同性能要求的应用。随之而开发的人机界面软件，开放性设计、界面友好、操作简单，在一定程度上也助推了系统的开发利用，大大缩短了项目开发周期，其高可靠性的应用表现得以在工业系统中迅速推广使用。

3.1.3 PLC控制系统以继电器控制系统的比较

① 继电器控制的优点

1) 所有信号处理和控制功能都由硬件实现，线路直观，便于理解和掌握，易于被一般

技术人员及技术工人掌握

2) 系统的保养、维修以及故障检查等不需要较高的技术和特殊的工具与仪器 3) 大部分电器都是常用控制电器，便于更换并且价格较便宜

4) 技术成熟，这类机床已形成系列化产品，各项技术资料齐全，熟悉、掌握的人员较

多

② 继电器控制的缺点

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重庆科技学院本科生毕业论文 PLC控制系统硬件设计

1) 接线多而复杂，体积大，功耗大，一旦系统构成后想再改变或增加功能都很困难 2) 继电器触点数目有限，且容易烧坏磨损，灵活性和扩展性很差，技术水平难以提高 3) 电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统的控制精度难以得到提

高且工作频率低

4) 系统结构庞大、能耗较高、机械动作噪音大

5) 线路复杂，容易出现故障且维修周期长，因此保养维修工作量大。费用高且检查故

障困难，费时费工 ③ PLC控制的优点

1) 采用对电梯进行控制，并且对电梯的自动控制通过软件来实现，这样做可大大提高

电梯运行的可靠性

2) 可对故障进行自动检测并显示报警，大大提高了机床运行的安全性 3) 本身工作稳定，不容易出现死机问题

4) 由于除去了大部分继电器及选层器，控制系统的结构变得简单，外部线路也得到了

简化

5) PLC编程灵活，程序出了问题可以修改，适应性强 6) 更改控制方案时无需对硬件连线进行改动。

7) 在软件设计方面，同样采取了一些提高系统可靠性的举措。例如，采用软件滤波、

软件自诊断、简化编程程序、信息保护和恢复、报警和运行信息的显示等

3.2控制系统主电路设计

主电路主要有五个电机以及PLC模块接口和照明系统等,其中包括油泵电动机M6,用来为五个动力滑台和回转工作台提供液压力;M1 ～M5分别为五个加工工位动力头的驱动电机;M7为冷却泵电机,控制加工冷却液的启闭。每个电机支路上安装有热继电器,对电机起到过载保护作用; 在主电路中设有熔断器起短路保护作用;接触器线圈需要交流110V，电磁铁为直流24V， PLC由外部提供交流220V电压进行工作。

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重庆科技学院本科生毕业论文 PLC控制系统硬件设计

图3.1主电路图 3.3可编程控制器选型及端口设计 3.3.1可编程控制器选型 经过统计和分配输入、输出元件端口；考虑指示灯和其他因素选总点数为80的三菱FX2N-80MR。电源类型有：PLC需要交流220V,接触器线圈需要交流110V，电磁铁为直流24V。 3.3.2三菱FX2N-80MR简单介绍 FX2n系列是FX系列PLC家族中最先进的系列。由于FX2n系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。FX2N性能规格如下表。 表3.1FX2N性能规格表 项目 运转控制方式 I/O控制方法 运转处理时间 编程语言 程式容量 指令数目

规格 通过储存的程序周期运转 批次处理方法(当执行END指令时) 备注 I/O指令可以刷新 基本指令：0.8μs/指令 应用指令：1.52至几百μs/指令 逻辑梯形图和指令清单 8000步内置 基本顺序指令：27 11

使用步进梯形图能生成SFC类型程序 使用附加寄存盒可扩展到16000步 最大可用298条应用指令 重庆科技学院本科生毕业论文 PLC控制系统硬件设计

步进梯形指令：2 应用指令：128 I/O配置 辅助继电器 一般 锁定 最大硬体I/O配置点256，依赖于用户的选择（最大软件可设定地址输入256、输出256） 500点 2572点 256点 490点 400点 10点 100点 范围：0至3276.7秒200点 范围：0至327.67秒46点 范围：0至32.767秒4点 范围：0至3276.7秒6点 范围：0至32767数200点 M0至M499 M500至M3071 M8000至M8255 S0至S499 S500至S899 S0至S9 S900至S999 T0至T199 T200至T245 T246至T249 T250至T255 C0至C199 类型：16位上计数器 C100至C199 类型：16位上计数器 C200至C219 类型：16位上/下计数器 C220至C234 类型：16位上/下计数器 C235至C240 6点 （M线圈） 特殊 一般 状态继电器 锁定 初始 （S线圈） 信号报警器 100毫秒 定时器（T） 10毫秒 1毫秒保持型 100毫秒 一般16位 锁定16位 计数器（C） 一般32位 100点（子系统） 15点 锁定32位 单相 高速计数器 （C） 15点 单相c/w范围：-2147483648至+2147483647数 起始 一般规则：选择组合计数频率不大于停止输入 双相 A/B相 20KHz的计数器组合 注意所有的计数器锁定 C246至C250 5点 C251至C255 5点 200点 D0至D199 类型：32位元件的16位数据存储寄存C241至C245 5点 数据寄存器 一般 12

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（D） 器对 D200至D7999 锁定 7800点 类型：32位元件的16位数据存储寄存器对 文件寄存器 D1000至D7999通过14块500程式步的7000点 参数设置 类型：16位数据存储寄存器 256点 从D8000至D8255 类型：16位数据存储寄存器 V0至V7以及Z0至Z7 类型：16位数据存储寄存器 P0至P127 100*至150*和16*至18* 6输入点、3定时器、6计数器 (上升触发*=1，下降触发*=0，**=时间(单位：毫秒)) 特殊 变址 用于CALL 指标 （P） 用于中断 16点 128点 嵌套层次 十进位K 常数 十六进位H 浮点 用于MC和MRC时8点 16位：-32768至+32768 N0至N7 32位：-2147483648至+2147483647 16位：0000至FFFF 32位：00000000至FFFFFFFF 32位：±1.175*10-38，±3.403*10-38（不能直接输入） 3.3.3可编程控制器I/0端口分配 PLC主要完成回转工作台的抬起、回转、落下和复位,五个工作滑台的快进、工进和快退以及冷却泵电机的控制。运动部件到达一定的位置时,触发相应的行程开关SQ,系统捕捉到相应的信息反馈给PLC控制系统, PLC内部的中央处理单元运行事先输入的程序,得出一定的结果,从输出端口发出相应的控制命令,控制电机作出相应的动作,从而实现自动和半自动控制。当回转工作台触发SQ5时,系统发出抬起命令,回转工作台抬起;触发SQ6 时,回转工作台回转; 触发SQ7时,回转工作台下落;触发SQ9时,引起各加工工位的快进、工进和快退反应。加工动力头电机的控制同样是通过触发相应的行程开关,提供反馈信息给PLC,再由PLC处理后发出相应的控制命令来实现的,具体各工位相应的控制电磁阀和行程开关见下表。

表3.2电气元件表和逻辑元件表 电气元

逻辑元件 作用 电气元件 逻辑元件 作用 13

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件 SB1 SB2 SB3 SB4 X0 X1 X2 X3 起动按钮 复位按钮 液压泵起动按钮 液压泵、冷却泵停止按钮 SB5 X4 动力头电机停止按钮 SB6 X5 动力头电机起动按钮 SB7 X6 回转工作台转动控制按钮 SB8 SA3 X7 X44 冷却泵起动按钮 全自动工作循环、 单机半自动循环模式切换开关 SB9 SA1 X45 X10 液压滑台手动控制 液压滑台自动手动转换开关 SA2 SA4 X11 X12 液压滑台总控开关 打中心孔单循环开关 SQ1 SQ2 X13 X14 打中心孔滑台原位 打中心孔滑台快进到位 SQ3 X15 打中心孔滑台工进到位 SQ5 SQ6 SQ7 SQ8 SQ9 X16 X17 X20 X21 X22 微抬到位 回转到位 回转台反靠到位 离合器脱开 回转缸原位行程开关 SA5

KM1 KM2 KM3 KM4 Y0 Y1 Y2 Y3 打中心孔动力头控制 钻孔动力头控制 倒角动力头控制 扩孔动力头控制 KM5 Y4 铰孔动力头控制 KM6 Y5 液压泵控制接触器 KM7 Y6 冷却泵控制接触器 YA1 YA2 Y7 Y10 打中心孔前进电磁铁 打中心孔工进电磁铁 YA3 Y11 Y12 打中心孔后退电磁铁 YA5 YA6 Y13 Y14 回转台微抬 回转台夹紧 YA7 YA8 Y15 Y16 回转台回转 回转台返回 YA9 Y17 低速回转 YA10 YA11 YA12 YA13 YA14 Y20 Y21 Y22 Y23 Y24 离合器脱开 钻孔前进电磁铁 钻孔工进电磁铁 钻孔后退电磁铁 倒角前进电磁铁 X23 钻孔单循环开关 YA15 14

Y25 倒角工进电磁铁 重庆科技学院本科生毕业论文 PLC控制系统硬件设计

SQ10 SQ11 SQ12 X24 X25 X26 钻孔滑台原位 钻孔滑台快进到位 钻孔打中心孔滑台工进到位 YA16 YA17 YA18 Y26 Y27 Y30 倒角后退电磁铁 扩孔前进电磁铁 扩孔工进电磁铁 SA6 SQ13 SQ14 SQ15 X27 X30 X31 X32 倒角单循环开关 倒角滑台原位 倒角滑台快进到位 倒角打中心孔滑台工进到位 YA19 YA20 YA21 YA22 Y31 Y32 Y33 Y34 扩孔后退电磁铁 铰孔前进电磁铁 铰孔工进电磁铁 铰孔后退电磁铁 SA7 SQ16 SQ17 SQ18 X33 X34 X35 X36 扩孔单循环开关 扩孔滑台原位 扩孔滑台快进到位 扩孔打中心孔滑台工进到位 SA8 SQ19 SQ20 SQ21 X37 X40 X41 X42 铰孔单循环开关 铰孔滑台原位 铰孔滑台快进到位 铰孔打中心孔滑台工进到位 KP X43 回转台压力继电器 15

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图3.2PLC的I/O端口分配图 3.4电气元件选型 3.4.1电动机

在车床控制系统运行中，电动机类型选择的原则是，在满足工作机械对于拖动系统要求的前提下，所选电动机应尽可能结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉。因此，在选用电动机种类时，若机械工作对拖动系统无过高要求，应优先选用三相交流电异步动机。

还需依据电动机容量选择的原则。在控制系统运行中，电动机的选择主要是容量的选择，如果电动机的容量选小了，一方面不能充分发挥机械设备的能力，使生产效率降低，另一方面电动机经常在过载下运行，会使它过早损坏，同时还出现启动困难、经受不起冲击负载等故障。如果电动机的容量选大了，则不仅使设备投资费用增加，而且由于电动机经常在轻载下运行，运行效率和功率因数都会下降。

除正确选择电动机的容量外，还需要根据生产机械的要求，技术经济指标和工作环境等条件，来正确选择电动机的种类、电压和转速。

查该类机床的性能参数：液压站压力PBt为3-7MPa（可调），液压站流量qBt为50L/min

?438.3?10(ms) 。 即

`Pn则液压泵要求的额定工作压力为：?KaPBt?1.3?7?9.1(MPa)

?43q`?q?8.3?10(ms) Bt系统压力为PB时要求的流量为

驱动电机的功率

PBm?KNPBqB?103?B1.1?7?8.3?10?1??9.13(kW)0.7

根据机械传动要求，油泵电动机9.13kW。考虑设备使用环境，油泵电动机选用Y160M-4，额定功率11kW,同步转速1500r/min.

3.4.2熔断器

由单台电动机熔体额定电流计算公式I=(1.5~2.5)IN，系数取值视负载轻重而定。

油泵电动机熔体额定电流：

IFUN?2.5?11?1000A?41.8A3?380

实际选用RT14-63/50A型熔体。

3.4.3接触器

接触器线圈取交流110V，接触器主触头通断负载额定电压380V，主触头通断电流由经验公式：

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103PNIN?(K?1.0~1.4)KUN但是考虑同一控制系统中，元器件规格尽可能一致，因此选择时PN按最大的油泵电动机11kW计算：

IN?11?1000A?20.7~29.0(A)(1~1.4)?380

选用B37型交流接触器，主触头额定电压为380V，主触头额定电流为37A。

3.4.4行程开关

考虑到该机床要求较为精密，行程开关选用LXW5-11Z。该行程开关重复误差较小。

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图4.10动力头控制-单机半自动循环梯形图

液压滑台前进控制-全自动循环梯形图，如下图4.11

图4.11 液压滑台前进控制-全自动循环梯形图

液压滑台前进控制-单机半自动循环梯形图，如下图4.12

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图4.12液压滑台前进控制-单机半自动循环梯形图

液压滑台工进控制梯形图，如下图4.13

图4.13液压滑台工进控制梯形图

液压滑台后退控制梯形图，如下图4.14

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图4.14液压滑台后退控制梯形图

回转台微抬和回转梯形图，如下图4.15

图4.15 回转台微抬和回转梯形图

低速回转和活塞返回梯形图，如下图4.16

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图4.16低速回转和活塞返回梯形图

回转台夹紧和离合器脱开梯形图，如下图4.17

图4.17回转台夹紧和离合器脱开梯形图

4.4梯形图控制说明

4.4.1主电动机起停控制

液压泵的起停控制：按下按钮SB3→输入继电器X2为ON→输出继电器Y5线圈逻辑回路接通→接触器KM6线圈得电并自锁→液压泵电动机M6主电路接通工作为液压系统提供液压油→按下按钮SB4→输入继电器X3为ON→X3的常闭触点断开→Y5线圈逻辑回路断开→接触器KM6线圈断电→液压泵电动机停止转动。

动力头电动机的起停控制:按钮SA3未按下→输入继电器X44为OFF→动力头为全自动循环控制模式→按下按钮SB6→输入继电器X5为ON→输出继电器Y0、Y1、Y2、Y3、Y4线圈逻辑回路接通→接触器KM1、KM、KM3、KM4、KM5线圈得电并自锁→5个动力头电动机M1、M2、M3、M4、M5转动。

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按下按钮SA3→输入继电器X44为ON→动力头为单机半自动循环控制模式→按下按钮SB6→输入继电器X5为ON→分别按下按钮SA4/SA5/SA6/SA7/SA8→输入继电器X12/X23/X27/X33/X37分别为ON→输出继电器Y0/Y1/Y2/Y3/Y4线圈逻辑回路分别接通→接触器KM1/KM/KM3/KM4/KM5线圈分别得电并自锁→动力头电动机M1/M2/M3/M4/M5转动。

按下按钮SB4或SB5→输入继电器X3、X4为ON→X3、X4的常闭触点断开→输出继电器Y0、Y1、Y2、Y3、Y4线圈断开→接触器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5线圈断电→动力头停止转动。

冷却泵电动机的控制：系统启动冷却泵电动机就启动。

4.4.2液压滑台的控制

为了能够实现回转工作台和液压滑台的分开调整和循环过程的自动衔接控制，设置有一个主控元件M20，当转换开关SA2断开，输入继电器X11为ON，接通主控元件M20，液压滑台才能工作。当转换开关SA2断开，输入继电器X11为OFF，则液压滑台相关的电磁换向阀的电磁铁所对应的输出继电器线圈逻辑回路无法导通，滑台不能工作。这时，可以单独控制回转工作台的转动。

按钮SA3未按下，输入继电器X44为OFF,按下按钮SA1→输入继电器X10为ON→液压滑台为全自动循环工作模式→按下SA2→输入继电器X11为ON→由于各个滑台均位于循环的起点→输入继电器X13、X24、X30、X34、X40为ON→输出继电器Y7、Y21、Y24、Y27、Y32的逻辑回路导通→驱动电磁铁YA1、YA11、YA14、YA17、YA20负载回路接通→五个液压滑台的液压缸做快进运动。当液压滑台运动到触动滑台快进到位的行程开关，输入继电器X14、X25、X31、X35、X41接通，则滑台转换到工进阶段。若按下SA1，则手动控制液压滑台前进。不考虑液压滑台的初始位置。

按钮SA3被按下，输入继电器X44为ON,按下按钮SA1→输入继电器X10为ON→液压滑台为单机半自动循环工作模式→按下SA2→输入继电器X11为ON→滑台位于循环的起点→输入继电器X13、X24、X30、X34、X40其中某个或若干个为ON→分别按下按钮SA4/SA5/SA6/SA7/SA8→输入继电器X12/X23/X27/X33/X37分别为ON→输出继电器Y7/Y21/Y24/Y27/Y32的逻辑回路导通→驱动电磁铁YA1/YA11/YA14/YA17/YA20负载回路接通→对应液压滑台的液压缸做快进运动。当液压滑台运动到触动滑台快进到位的行程开关，输入继电器X14/X25/X31/X35/X41接通，则对应滑台转换到工进阶段。若按下SA1，则手动控制液压滑台前进。不考虑液压滑台的初始位置。

液压滑台快进到位触动对应行程开关SQ2、SQ11、SQ14、SQ17、SQ20→输入继电器X14、X25、X31、X35、X41为ON→电磁铁Y10、Y22、Y25、Y30、Y33接通→液压滑台做工进运动。

当液压滑台工进到达终点，分别压下行程开SQ3、SQ12、SQ15、SQ18、SQ21→输入继电器X14、X25、X31、X35、X41分别为ON→输出继电器Y11、Y23、Y26、Y31、Y34得电→接通快退液压回路→滑台后退→当液压滑台退回起点位置，行程开关SQ1、SQ10、

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SQ13、SQ16、SQ19被压下→输入继电器X13、X24、X30、X34、X40为ON→其常闭触点为OFF→输出继电器Y11、Y23、Y26、Y31、Y34断电→快退结束。

当X44为ON，且X10为ON，可以通过X045手动控制液压滑台的动作。

4.4.3回转工作台的回转控制

当动力头循环结束都停留在起点位置，行程开关SQ1、SQ10、SQ13、SQ16、SQ19都被压下，输入继电器X14、X25、X31、X35、X41为ON，为回转工作台回转做好了准备。按下按钮SB7→输入继电器X6为ON→输出继电器Y13线圈逻辑回路得电（若按钮SA3未按下，输入继电器X44为ON，则不需要按下SB7，输入继电器Y13线圈逻辑回路得电）→电磁铁YA5线圈电路接通→液压系统驱动回转工作台抬起→压下行程开关SQ5→输入继电器X16为ON→输出继电器Y15线圈得电→电磁铁YA7得电→液压系统驱动液压缸3G移动→工作台回转→回转以后的控制受到主控元件X22的常闭出点控制，如果SQ9断开，则X22的常闭触动为ON，后面的程序可以执行，反之，则不能执行。其作用是当行程开关SQ9被压下，表示回转结束。

在正常回转后，SQ9还没有被压下，回转到下一个分度位置前后，压下行程开关SQ6→输入继电器X17为ON→辅助继电器M9得电并自锁→输出继电器Y17线圈得电→电磁铁YA9得电→液压系统驱动3G减速移动→回转工作台低速转动→继续回转→行程开关SQ6松开→输入继电器X17断电为OFF→X17触点取反后为ON，驱动辅助继电器M10回路导通→输出继电器Y16回路导通→电磁铁YA8得电→液压缸3G左移返回→带动回转工作台反靠→反靠到位，压下行程开关SQ7→输入继电器X20得电为ON→辅助继电器M11线圈得电→M11的常开触点使输出继电器Y14线圈电路导通得电→负载电磁铁YA6得电→液压缸1G动作，锁紧工作台→锁紧压力逐步增加，超过一定值→压力继电器KP常开触点闭合→输入继电器X37为ON→辅助继电器M12线圈得电→M12的常开触点驱动输出继电器Y20线圈回路闭合→电磁铁YA10得电→液压系统使液压缸4G动作→带动离合器脱离。

为了下一次能够继续自动回转，液压缸3G必须回到左端，所以离合器脱开以后，压下行程开关SQ8→输出继电器X21为ON→X21的常闭触点使得Y17断开，电磁铁YA9断电→X21的常开触点使Y16逻辑回路接通→液压系统驱动液压缸3G左移→当压下行程开关SQ9后→输入继电器X22得电→X22的常闭触动为OFF，主控条件不在满足，所以逻辑元件已经电磁铁YA6、YA8、YA9、YA10都断电。一次自动转位控制结束。

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5 系统调试

5.1调试软件说明

安装调试软件GX Simulator6-C，可以通过GX Developer菜单栏启动仿真。

图5.1菜单栏启动仿真

也可以通过快捷图标启动仿真。

图5.2快捷图标启动仿真

启动仿真后，程序开始在电脑上模拟PLC写入过程。

图5.3模拟PLC写入过程

这个小窗口就是仿真窗口，显示运行状态，如果出错会有中文说明。

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图5.4仿真窗口

这时程序已经开始运行，并且可以通过软件元件测试来强制一些输入条件ON。

图5.5强制输入

5.2程序调试

系统调试时将手动与自动控制操作独立开来,在自动连续控制调试成功后,再将系统转入单机程序,最后进行整个系统的试运行。经过一段时间运行表明,该系统性能可靠,自动化程度高,完全能满足生产工艺的要求,不仅提高了生产效率,而且大大减轻了劳动强度,改善了工作环境。

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5.2.1连续全自动工作循环

X44为OFF，常闭触点接通。强制X2为ON，Y5、Y6接通，液压泵、冷却泵起动。如图5.6

图5.6 液压泵、冷却泵起动

强制X5为ON全动力头起动，如图5.7

图5.7全动力头起动

强制液压台总控开关X11为ON，液压滑台位于原位，强制各原位为ON，液压滑台前进。如图5.8

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图5.8液压滑台前进

全液压滑台前进到位，各前进电磁铁断电，如图5.9

图5.9液压滑台前进到位

前进到位，各原位行程开关取反，工进电磁铁得电，液压滑台工进。如图5.10

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