【正文】 院 系： 信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 0801 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 邢杰 論文提交日期： 2020 年 6 月 21 日 論文答辯日 期： 2020 年 6 月 26 日 摘要 目前可編程控制器（ PLC）廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床等工業(yè)的控制中，主要是因?yàn)槭褂?PLC 來代替繼電器控制完成邏輯控制，使數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)更緊湊，功能更豐富，相應(yīng)速度和可靠性大大提高。 由于該設(shè)備采用變速箱有級調(diào)速，刀具的進(jìn)給系統(tǒng)不能適應(yīng)加工螺紋等復(fù)雜表面輪廓的工件。 給出系統(tǒng)的硬件電氣原理圖及系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)框圖，應(yīng)用編好的程序進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試 結(jié)果表明：應(yīng)用 PLC 和變頻調(diào)速技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對普通 4M 立式車床改造的工藝要求。 個人計算機(jī)（簡稱 PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點(diǎn)，可編程序控制器定名為 Programmable Logic Controller（ PLC）?？删幊炭刂破髟谖覈陌l(fā)展與應(yīng)用已有 30 多年的歷史，它現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于 鋼鐵、石油、化工、電力、 建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，成為提高傳統(tǒng)工業(yè)裝備水平和技術(shù)能力的 重要設(shè)備和強(qiáng)大支柱。 PLC 應(yīng)用通常可分為五種類型：順序控制、運(yùn)動控制、閉環(huán)過程控制、沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 一 章 緒論 2 數(shù)據(jù)處理、通信和聯(lián)網(wǎng)。 ⑶ 大型機(jī) 大型 PLC I/O 總點(diǎn)數(shù)在 2048 點(diǎn)以上，用戶程序存儲容量在 16KB 以上。模塊插在模塊插座上， 然后焊在機(jī)架的總線連接板上， 機(jī)架 也通常 稱為基板。 目前國內(nèi)常用的主要是三菱 FX 系列小型機(jī)和西門子 S7300、 S7400 中大型機(jī)沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 一 章 緒論 3 等。 PLC 仍然處于不斷的發(fā)展之中，其功能不斷增強(qiáng)，更為開放，它不但是單機(jī)自動化中應(yīng)用最廣的控制設(shè)備，在大型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也占有不可動搖的地位。 S7200 系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面： 3.易于掌握 能 8.豐富的擴(kuò)展模塊 S7200 系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能。 沈陽化 工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 方案論證 4 第二章 方案論證 普通機(jī)床數(shù)控改造的意義 高速、精密、復(fù)合、 智 能和綠色是數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展的總趨勢 ，近幾年來，在實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化等方面取得非常好的成績，主要表現(xiàn)在： 減少投資額、交貨期短 同購置新機(jī)床相比，一般可以節(jié)省 60%80%的費(fèi)用，改造費(fèi)用低。 提高生產(chǎn)效率 機(jī)床經(jīng)數(shù)控改造后即可實(shí)現(xiàn)加工的自動化效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高 35 倍?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備的設(shè)計原則是它應(yīng)該易于與工業(yè)控制 聯(lián)成一個整體且具有擴(kuò)展功能。它借助于軟件來實(shí)現(xiàn)重復(fù)的控制， 由于 軟件本身具有修改性，所以 PLC 具有靈活性。 PLC 的控制系統(tǒng)省去了傳統(tǒng)的繼電器控制接線和拆線的麻煩。 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性 。 易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC 作為通用工業(yè)控制計算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備 。主軸和刀具的運(yùn)動速度分別由主軸箱和進(jìn)給箱通過齒輪傳動，進(jìn)行手動設(shè)定。為了最大限度地利用機(jī)床的原有資源，進(jìn)隊機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)驅(qū)動方式進(jìn)行了數(shù)字化改造。 采用高靈敏度的感應(yīng)式接近開關(guān)和自制 的葉輪旋轉(zhuǎn)探頭，組成的速度 傳感器，實(shí)時檢測主軸（旋轉(zhuǎn)工作臺）的轉(zhuǎn)速，以計數(shù)脈沖的形式送入可編程控制器（ PLC），并由 PLC 通過控制算法得到符合工藝要求的絲杠旋轉(zhuǎn)速度。 沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第三章 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 8 第三章 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 系統(tǒng)的硬件電路構(gòu)成 系統(tǒng)的硬件電路構(gòu)成由以下 5 個部分組成： 電源：包括三相變壓器和直流開關(guān)電源。 三相交流同步伺服電動機(jī)：選用日本松下公司的同步伺服電動機(jī)，功率為 ，額定電壓為 200V，額定電流為 。 控制信號及數(shù)據(jù)采集：包括主軸轉(zhuǎn)速非接觸式速度傳感器和用于位置控制及 刀具上下左右 4 個行程的控制信號傳感器。 人機(jī)界面：包括文本顯示器 TD200、手動控制鍵盤、數(shù)字顯示儀表、信號燈及報警電鈴。 信號燈及電鈴：用于指示機(jī)床工作狀態(tài)及故障報警。逆變器由大功率開關(guān)晶體管整列組成電子 開關(guān)，將直流電轉(zhuǎn)化為不同頻率、寬度、復(fù)讀的方波。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。 基于調(diào)速方 便、節(jié)能、運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)，變頻調(diào)速器已逐漸替代傳統(tǒng)的變極調(diào)速、電磁調(diào)速及調(diào)壓調(diào)速方式。 變頻器的作用是改變交流電機(jī)供電的頻率和幅值，因而改變其運(yùn)動磁場的周期，達(dá)到平滑控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 伺服 電機(jī) 介紹 作為數(shù)控機(jī)床的重要控制功能部件，伺服系統(tǒng)的特性 一直是影響系統(tǒng)加工性能的重要指標(biāo)。 伺服系統(tǒng)是使物 體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。 伺服主要靠 脈沖 來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機(jī)接收到 1 個脈沖，就會旋轉(zhuǎn) 1 個脈沖對應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，因?yàn)?，伺服電沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第三章 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 11 機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同 時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位 ， 直流伺服電機(jī)分為有刷和無刷電機(jī)?？刂茝?fù)雜，容易實(shí)現(xiàn)智能化，其電子換相 方式 靈活，可以方波換相或正弦波換相。因而適合做低速平穩(wěn)運(yùn)行的應(yīng)用。分為直流和交流伺服電動機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。非電磁式又分為磁滯式、永磁式和反應(yīng)式多種。 PLC 的基本結(jié)構(gòu)由中央處理器（ CPU） ， 存儲器，輸入、輸出接口，電源，擴(kuò)展接口，通信接口，編沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第三章 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 12 程工具，智能 I/O 接口，智能單元等組成。 3．輸入、輸出接口 輸入、輸出接口是 PLC 與外界連接的接口。對于小型整體式可編程控制器內(nèi)部有一個開關(guān)穩(wěn)壓電源，此電源一方面可為 CPU、 I/O 單元及擴(kuò)展單元提供直流 5V 工作電源，另一方面可為外部輸入元件提供 24V 電源。 沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第三章 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 13 7．智能 I/O 接口 為了滿足工業(yè)上更加復(fù)雜的控制需要， PLC 配有多種智能 I/O 接口，通過智能I/O 接口，用戶可方便的構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各種控制功能。簡易型的編程器只能聯(lián)機(jī)編程，且往往是先將梯形圖轉(zhuǎn)化為機(jī)器語言助記符（指令表）后才能輸入。 10．其他部件 PLC 還可配有盒式磁帶機(jī)、 EPROM 寫入器、存儲卡等其他外部設(shè)備。這里說的存儲容量指的是用戶程序存儲器的容量，用戶程序存儲器容量決定了 PLC 可以容納的用戶程序的長短，一般以字節(jié)為單位來計算。因此， I/O 點(diǎn)數(shù)是衡量 PLC 性能的重要指標(biāo)之一。大部分 PLC 用 I/O 擴(kuò)展單元進(jìn)行 I/O 點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展，有的 PLC 可以使用各種功能模塊進(jìn)行功能的擴(kuò)展。 可編程控制器的軟件組成 可編程控制器的軟件由系統(tǒng)程序和用戶程序兩大部分組成。第二部分為用戶指令解釋程序，通過用戶指令解釋程序，將 PLC 的 編程語言變?yōu)闄C(jī)器語言指令，再由 CPU 執(zhí)行這些指令。 可編程控制器的程序結(jié)構(gòu) 廣義上的 PLC 程序由三個部分構(gòu)成：用戶程序、數(shù)據(jù)塊和參數(shù)塊。 Step7micro/win 將可編程控制器的編程、操作員界面、運(yùn)動控制、程序調(diào)試、故障診斷和處理、通訊等集成為一體。編程一般采 用梯形圖形式。 PLC 的輸入信號直接驅(qū)動伺服元件的繼電器和指示燈，用于實(shí)現(xiàn)刀具的正確運(yùn)動，并以相應(yīng)的指示燈光只等機(jī)床當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。確定之后進(jìn)行下個步驟，對故障中斷信息進(jìn)行設(shè)置，以便后面的子程序執(zhí)行故障中斷程序，之后根據(jù)需要對主軸的轉(zhuǎn)速計數(shù)器進(jìn)行設(shè)置，使其復(fù)位。返回后判斷是否需要左移，判定結(jié)果為 N，然后判斷是 否需要下降，判定結(jié)果為 N，然后判斷是否需要右移，判定結(jié)果為 N。 沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第五章 系統(tǒng)的軟件 20 圖 系統(tǒng) 主程序框圖 系統(tǒng)的子程序包括：左移子程序、下降子程序、右移子程序和上升子程序。如果判定結(jié)果為 N，則繼續(xù)進(jìn)行左移，直到判定結(jié)果為 Y 為止，這時候，還刀具還需要繼續(xù)往前進(jìn) K 個進(jìn)刀量，因?yàn)榇藭r刀具只是到達(dá)了工件的表面，沒有達(dá)到切削的要求，所以還得依據(jù)加工的需要繼續(xù)往前進(jìn) K 個進(jìn)刀量。如果判定結(jié)果為 Y，則發(fā)出停止下降沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第五章 系統(tǒng)的軟件 21 指令，然后系統(tǒng)返回。如果判定 結(jié)果為 N，則繼續(xù)進(jìn)行右移，直到判定結(jié)果為Y 為止，這時退刀過程完成。如果沒有到達(dá)則判定結(jié)果為 N，繼續(xù)上升直到為 Y 為止。之后發(fā)出停車指令，使系統(tǒng)停機(jī)，讓加工工件的主軸電機(jī)停止工作，同時發(fā)出聲光報警，通知技術(shù)人員來維修。關(guān)中斷之后下個步驟就是讀取主軸轉(zhuǎn)速脈沖計數(shù)器，然后計算主軸的轉(zhuǎn)速，計算主軸的轉(zhuǎn)速后要根據(jù)工藝參數(shù)計算伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，下個步驟是啟動 D/A 模塊，然后再開中斷。沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第五章 系統(tǒng)的調(diào)試 24 第五章 系統(tǒng)的調(diào)試 調(diào)試是整個設(shè)計最重要的階段，因?yàn)?在調(diào)試過程中能發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題，解決問題并改進(jìn)方案才能更好的完成設(shè)計。這樣 可以省去后面大量的時間 ，而且還能避免不必要的麻煩。修改的原因可能是發(fā)現(xiàn)了原來編程時的錯誤，或者是 PLC 運(yùn)行時發(fā)生了電源中斷，有些狀態(tài)數(shù)據(jù)會丟失 。 最后 PLC 系統(tǒng)調(diào)試好之后， 順利的進(jìn)行了試車。他教會我的一些學(xué)習(xí)方法和處理問題技巧使我受益終身，在此表