【正文】 基于 PLC 的多工位機(jī)床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1 第 1章 緒 論 隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對所用控制設(shè)備不斷地提出新的要求，要求設(shè)備更加通用、靈活、易變、經(jīng)濟(jì)、可靠。 可編程控制器作為新一代的工業(yè)控制裝置 ,具有開發(fā)柔性好 , 接線簡單 ,安裝方便 ,抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn) ,用它來控制四工位組合機(jī)床這樣復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備 ,是理想的選擇。它可靈活、方便地通過編程來改變控制過程 ,使調(diào)試變得更簡單。該系統(tǒng)經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行表明 ,系統(tǒng)性能可靠 ,自動(dòng)化程度高 ,完全能滿足生產(chǎn)工藝要求 ,它不僅提高了生產(chǎn)效率 ,而且大大減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度 ,改善了工作環(huán)境。 PLC 用于本機(jī)床的控制 ,大大提高了設(shè)備的自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率 ,減輕了現(xiàn)場操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí) ,它還簡化了機(jī)床的電氣控制系統(tǒng) ,在工藝程序變更時(shí) ,更突出表現(xiàn)其靈活方便的優(yōu)越性。系統(tǒng)具有控制實(shí)時(shí)性好、可靠性高、擴(kuò)充性強(qiáng)、操作方便的優(yōu)點(diǎn) ,受到用戶的歡迎。 課題 背景 本論文是對現(xiàn)在大量使用的四工位機(jī)床控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)計(jì)改造?，F(xiàn)有的控制系統(tǒng)很大部分是采用老式的繼電器觸點(diǎn)控制，系統(tǒng)故障率高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，系統(tǒng)設(shè)備升級困難。為了提高系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，充分利用現(xiàn)代化的先進(jìn)技術(shù)，在一定程度上能夠提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善勞動(dòng)條件，克服人為 的不穩(wěn)定因素，為現(xiàn)代化的生產(chǎn)管理提供強(qiáng)有力的物質(zhì)條件。同時(shí)也為了提高自己的工程實(shí)踐和設(shè)計(jì)水平，在此，利用了現(xiàn)在正在推廣的、先進(jìn)的 PLC 控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對四工位機(jī)床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以達(dá)到系統(tǒng)自動(dòng)化控制和系統(tǒng)升級的目的。 可編程序控制器概述 可編程序控制器 PC（ Programmable Contrller）是 1980 年以來，美、日、德等國由先前的可編程序邏輯控制器 PLC 進(jìn)一步發(fā)展而來。它采用中央處理單元 CPU，不但繼承了 PLC 原有的功能，而且具有了順序控制、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和通信等更為強(qiáng)大的功能，指令 系統(tǒng)豐富，程序結(jié)構(gòu)靈活，不但可以完成開關(guān)量及順序控制，而且可以基于 PLC 的多工位機(jī)床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2 用來實(shí)現(xiàn)模擬量等復(fù)雜的控制。它集中了工業(yè)專用機(jī)和通用計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)行可靠、通用性強(qiáng)和適應(yīng)性強(qiáng)，發(fā)展非常迅速，既可以用來單獨(dú)構(gòu)成控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)也可作為DCS 系統(tǒng)的主要現(xiàn)場控制系統(tǒng)，是目前工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用最廣的控制設(shè)備 。 為了有別于個(gè)人計(jì)算機(jī) PC（ Programmable Contrller），人們通常仍習(xí)慣地稱可編程序控制器 PC 為 PLC。 PLC 具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單等特點(diǎn)。 PLC 在工業(yè)自動(dòng)化控制特 別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來，是無法取代的。 PLC的特點(diǎn) 可編程序控制器的特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面： 1． 可靠性高。可編程序控制器專門為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)，具有很高的可靠性。 2． 功能強(qiáng)大?？删幊绦蚩刂破骷跋嚓P(guān)產(chǎn)品幾乎可以實(shí)現(xiàn)所有的控制任務(wù)，是目前工廠中應(yīng)用最廣的自動(dòng)化設(shè)備。 3． 簡單方便。 PLC 產(chǎn)品應(yīng)用的簡單方便體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： (1) 接線簡單，一般直接接線，不需要用戶再進(jìn)行電路板的設(shè)計(jì)； (2) 語言方面，所有廠家的 PLC 都支持梯形圖，編程簡單直觀； (3) 模塊化設(shè)計(jì)或擴(kuò)展模塊 的使用，簡化了控制系統(tǒng)的形成； (4) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)容易，開發(fā)周期短，程序易調(diào)試和修改； (5) 利用可編程序控制器網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的或分散的控制任務(wù)。 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域 在發(fā)達(dá)的工業(yè)國家，可編程序控制器已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在所有的工業(yè)部門。隨著其性能價(jià)格比地不斷提高，應(yīng)用范圍也不斷地?cái)U(kuò)大，主要有以下幾個(gè)方面： 1． 數(shù)字量邏輯控制 這是 PLC 最廣泛的應(yīng)用。 PLC 具有 “與 ”、 “或 ”、 “非 ”等邏輯指令，可實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)和電路的串并聯(lián)，代替繼電器進(jìn)行組合邏輯控制、定時(shí)控制與順序邏輯控制。 2． 運(yùn)動(dòng)控制 可 編程序控制器使用專門的運(yùn)動(dòng)控制模塊， 通過配用 PLC 生產(chǎn)廠家提供的單軸或多軸等位置控制模塊、高速計(jì)數(shù)模塊等來控制步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)，從而使運(yùn)動(dòng)部件能基于 PLC 的多工位機(jī)床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3 以適當(dāng)?shù)乃俣然蚣铀俣葘?shí)現(xiàn)平滑的直線運(yùn)動(dòng)或圓周運(yùn)動(dòng)。 3． 閉環(huán)過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制。 可編程序控制器 通過配用 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換模塊及智能 PID 模塊實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程中的連續(xù)變化的模擬量進(jìn)行閉環(huán) PID 調(diào)節(jié)控制，使這些物理參數(shù)保持在設(shè)定值上。 4． 數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代 可編程序控制器 具有數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)換、排序和查表、位操作等功能 ，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)。 5． 通信聯(lián)網(wǎng) 可編程序控制器 的通信包括主機(jī)與遠(yuǎn)程 I/O 之間的通信、多臺(tái) 可編程序控制器 之間的通信、 可編程序控制器 和其它智能設(shè)備的通信。 可編程序控制器與其他智能控制設(shè)備一起，可以組成 “集中管理、分散控制 ”的分布式系統(tǒng)。 隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代的 可編程序控制器 可以進(jìn)一步地實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 多工位機(jī)床概述 多工位機(jī)床是以通用部件為基礎(chǔ)，配以按工件特定形狀和加工工藝設(shè)計(jì)的專用部件和夾具，組成的半自動(dòng)或自動(dòng)專用機(jī)床。多工位機(jī)床一 般采用多軸、多刀、多工序、多面或多工位同時(shí)加工的方式，生產(chǎn)效率比通用機(jī)床高幾倍至幾十倍。由于通用部件已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，可根據(jù)需要靈活配置，能縮短設(shè)計(jì)和制造周期。因此，多工位機(jī)床兼有低成本和高效率的優(yōu)點(diǎn)。 多工位機(jī)床的發(fā)展 最早的組合機(jī)床是 1911 年在美國制成的，用于加工汽車零件。初期，各機(jī)床制造廠都有各自的通用部件標(biāo)準(zhǔn)。為了提高不同制造廠的通用部件的互換性，便于用戶使用和維修， 1953 年美國福特汽車公司和通用汽車公司與美國機(jī)床制造廠協(xié)商，確定了組合機(jī)床通用部件標(biāo)準(zhǔn)化的原則，即嚴(yán)格規(guī)定各部件間的 聯(lián)系尺寸，但對部件結(jié)構(gòu)未作規(guī)定。 組合機(jī)床和組合機(jī)床自動(dòng)線是一種專用高效自動(dòng)化技術(shù)裝備，目前，由于它仍是大批量機(jī)械產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)高效、 高質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性生產(chǎn)的關(guān)鍵裝備，因而被廣泛應(yīng)用于汽車、拖拉機(jī)、基于 PLC 的多工位機(jī)床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 內(nèi)燃機(jī)和壓縮機(jī)等許多工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。其中 ，特別是汽車工業(yè)，是組合機(jī)床和自動(dòng)線最大的用戶。如德國大眾汽車廠在 Salzgitter 的發(fā)動(dòng)機(jī)工廠， 90 年代初 所采用的金屬切削機(jī)床主要是自動(dòng)線 (60%)、組合機(jī)床 (20%)和加工中心 (20%)。顯然，在大批量生產(chǎn)的機(jī)械工業(yè) 部門，大量采用的設(shè)備是組合機(jī)床和自動(dòng)線。因此，組合機(jī)床及 其自動(dòng)線的技術(shù)性能和綜合自動(dòng)化水平，在很大 程度上決定了這些工業(yè)部門產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)生產(chǎn)組織的結(jié)構(gòu)，也在很大程度上決定了企業(yè)產(chǎn)品 的競爭力。 論文的主要任務(wù)與內(nèi)容 本論文是以可編程序控制器為基礎(chǔ)，對四工位機(jī)床自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化控制。主要任務(wù)是深入了解電氣控制系統(tǒng)各方面的知識(shí)，熟練地掌握 PLC 控制技術(shù)各方面的理論知識(shí)及其應(yīng)用，逐漸提高對電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的實(shí)際工作能力，懂得運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)際情況相結(jié)合。 本論文在具體分析基于可編程序控制器的四工位組合機(jī)床自動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ) 上，對該控制系統(tǒng)的軟件和硬件進(jìn)行具體的研究和設(shè)計(jì)。同時(shí)，對可編程序控制器在工業(yè)應(yīng)用中的一些問題也進(jìn)行了一定的討論。 通過采用可編程控制器對原有組合機(jī)床的技術(shù)改進(jìn)，克服了原有組合機(jī)床在繼電器控制系統(tǒng)方面的弊病，提高了機(jī)床的可靠性和控制精度，給系統(tǒng)維護(hù)和靈活改變控制程序帶來很大方便，提高了生產(chǎn)率。 論文的組織 論文共分為 5 章：第 1 章對論文進(jìn)行了文獻(xiàn)綜述，著重討論了可編程序控制器以及多工位組合機(jī)床的有關(guān)知識(shí)；第 2 章對本次設(shè)計(jì)的四工位組合機(jī)床自動(dòng)控制進(jìn)行了概述以及在設(shè)計(jì)中對系統(tǒng)的工藝要求，并針對設(shè)計(jì)所需要 的方案進(jìn)行了選擇論證；第 3 章主要分析了系統(tǒng)的控制要求，對控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件配置；第 4 章根據(jù)控制系統(tǒng)流程圖進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)；第 5 章討論了可編程序控制器在工業(yè)應(yīng)用中如何提高性能價(jià)格比以及系統(tǒng)的可靠性。 基于 PLC 的多工位機(jī)床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5 第 2章 控制系統(tǒng)概述及方案設(shè)計(jì) 隨著我國工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高，對組合機(jī)床的自動(dòng)化程度也提出了更高的要求。以往的多工位機(jī)床控制多采用繼電器控制電路實(shí)現(xiàn)控制要求，機(jī)械觸點(diǎn)多，可靠性差，控制設(shè)備體積大。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械和電氣化程度的提高，新技術(shù)產(chǎn)品可編程序控制器由于其特有的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛地用于多工 位機(jī)床的控制行業(yè)中。 四工位機(jī)床控制系統(tǒng)概述 多工位機(jī)床是以通用部件為基礎(chǔ)，配以按工件特定形狀和加工工藝設(shè)計(jì)的專用部件和夾具，組成的半自動(dòng)和全自動(dòng)專用機(jī)床。多工位機(jī)床一般采用多軸、多刀、多工序、多面或多工位同時(shí)加工的方式，生產(chǎn)效率比通用機(jī)床高幾倍至幾十倍。四工位機(jī)床有四個(gè)加工工位。其十字軸示意圖如 所示，它由四個(gè)加工工位組成，每個(gè)工位有一個(gè)工作滑臺(tái)，并有一個(gè)加工動(dòng)力頭。除了四個(gè)加工工位外，還有夾具、上下料推桿和進(jìn)料裝置四個(gè)輔助裝置以及冷卻裝置。同時(shí)為了系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行，利用兩個(gè)傳送帶用來傳送未加 工的和已加工的零件。 圖 四工位組合機(jī)床十字軸示意圖 8 7 6 5 4 3 2 1 IV工位 II工位 III 工 位 I 工位 冷卻系統(tǒng) 基于 PLC 的多工位機(jī)床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6 1——工作滑臺(tái)； 2——主軸； 3——夾具； 4——上料推桿； 5——進(jìn)料裝置； 6——下料推桿； 7——傳送帶 1； 8——傳送帶 2。 加工工藝及控制要求 該組合機(jī)床的加工工藝要求加工零件由上料推桿自動(dòng)完成，上料后，機(jī)床的加工動(dòng)力頭同時(shí)對該零件進(jìn)行加工，一次加工完成一個(gè)零件，零件加工完畢后，通過下料推桿自動(dòng)取走加工完的零件。工位 I 用來對零件進(jìn)行銑端面、工位 II 對零件進(jìn)行打中心孔、工位 III 對零件進(jìn)行切削操作、工位 IV 對零件進(jìn)行打磨操作。此外，還要求有手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)三種工作方式。 控制要求具體如下： （ 1） 傳送：傳送帶 1 用來傳送未加工的零件，以待上料推桿上料，傳送帶 2 用來傳 送已加工的零件； （ 2） 夾具：夾具裝置能緊緊的夾住送來的未加工的零件，加工完后松開零件； （ 3）上料：上料推桿將未加工的零件推到 夾具處；并且其來回的運(yùn)動(dòng)有其一定的行程； （ 4）進(jìn)料：進(jìn)料裝置對放在夾具處的零件進(jìn)油；便于加工 . （ 5）滑動(dòng)：四個(gè)滑臺(tái)可以向夾具處滑動(dòng)，并且在快挨近夾具的時(shí)候停止，退回到一 定的程度時(shí)也能停止； （ 6）加工：四個(gè)加工工位對零件從四個(gè)方向加工，其中工位 I、 III 動(dòng)力頭先加工，分別對零件進(jìn)行銑端面、切削。 II、 IV 延時(shí)一點(diǎn)時(shí)間再加工， II、 IV 工位分別對零件進(jìn)行打中心孔、打磨操作； （ 7） 下料：下料推桿推走加工完的零件，便于下一個(gè)零件的到來； （ 8） 冷卻：對零件能對冷卻的作用； 并且四工位機(jī)床有三種工作模式：手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)，可以相互切換。 四工位機(jī)床控制系統(tǒng)要求 控制系統(tǒng)目標(biāo)及任務(wù) 四工位機(jī)床自動(dòng)控制系統(tǒng)主要是用于加工零件行業(yè)，加工對象可以是一些還未完成的零件，或者是已加工的零件通過對產(chǎn)品的要求而再進(jìn)行對應(yīng)的加工。 基于 PLC 的多工位機(jī)床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)以 PLC 為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對加工動(dòng)力頭、工作滑臺(tái)、上料 推桿、下料推桿、夾具、傳送裝置及其進(jìn)料裝置和冷卻裝置的自動(dòng)化控制，從而能很好的加工零件。 控制系統(tǒng)內(nèi)容 根據(jù)課題要求，該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要有以下內(nèi)容： 1. 加工動(dòng)力頭能根據(jù)預(yù)設(shè)要求對零件進(jìn)行加工；在這次的設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中，工位 I 用來對零件進(jìn)行銑端面、工位 II 對零件進(jìn)行打中心孔、工位 III 對零件進(jìn)行切削操作、工位 IV 對零件進(jìn)行打磨操作。 2. 傳送帶裝置能實(shí)現(xiàn) 對未加工的零件進(jìn)行輸送，同時(shí)把加工完的產(chǎn)品運(yùn)走，以保證物流線地連續(xù)運(yùn)行；在傳送未加工的零件時(shí)，當(dāng)零件到達(dá)上料推桿位置時(shí)，傳送帶 1 應(yīng)該停止，以保證上料推桿工作。 3. 系統(tǒng)動(dòng)力部分的設(shè)計(jì)，依照對產(chǎn)品的工藝要求，按照一定的循序與規(guī)律啟動(dòng)與停止。從而對零件進(jìn)行相應(yīng)的加工。 4. 上料推桿、下料推桿根據(jù)系統(tǒng)檢測，將未加工的產(chǎn)品自動(dòng)搬運(yùn)到加工臺(tái)（夾具）上，將加工完的產(chǎn)品從加工臺(tái)上搬運(yùn)出，其動(dòng)作能夠與工作滑臺(tái)、加工動(dòng)力頭、夾具、傳送帶的動(dòng)作保持協(xié)調(diào)； 5. 傳送帶能進(jìn)行產(chǎn)品的輸送與輸走；這樣能保證系統(tǒng)的循環(huán)運(yùn)行； 6. 夾具根據(jù)壓力傳感器及動(dòng)力頭的工作運(yùn)動(dòng)情況有規(guī)律的夾緊與松