【正文】 之間的通信、 可編程序控制器 和其它智能設(shè)備的通信。 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。 PLC的應用領(lǐng)域 在發(fā)達的工業(yè)國家，可編程序控制器已經(jīng)廣泛地應用在所有的工業(yè)部門。 2． 功能強大。 PLC 具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。 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 進一步發(fā)展而來。 課題 背景 本論文是對現(xiàn)在大量使用的四工位機床控制系統(tǒng)進行自動化設(shè)計改造。該系統(tǒng)經(jīng)過一段時間運行表明 ,系統(tǒng)性能可靠 ,自動化程度高 ,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強度 ,改善了工作環(huán)境?；?PLC 的多工位機床控制系統(tǒng)的設(shè)計 1 第 1章 緒 論 隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和科學技術(shù)的進步，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、可靠。 PLC 用于本機床的控制 ,大大提高了設(shè)備的自動化水平和生產(chǎn)效率 ,減輕了現(xiàn)場操作人員的勞動強度。現(xiàn)有的控制系統(tǒng)很大部分是采用老式的繼電器觸點控制，系統(tǒng)故障率高，工人勞動強度大，系統(tǒng)設(shè)備升級困難。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)運算、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和通信等更為強大的功能，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 的多工位機床控制系統(tǒng)的設(shè)計 2 用來實現(xiàn)模擬量等復雜的控制。 PLC 在工業(yè)自動化控制特 別是順序控制中的地位，在可預見的將來，是無法取代的。可編程序控制器及相關(guān)產(chǎn)品幾乎可以實現(xiàn)所有的控制任務(wù)，是目前工廠中應用最廣的自動化設(shè)備。隨著其性能價格比地不斷提高，應用范圍也不斷地擴大，主要有以下幾個方面： 1． 數(shù)字量邏輯控制 這是 PLC 最廣泛的應用。 可編程序控制器 通過配用 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換模塊及智能 PID 模塊實現(xiàn)對生產(chǎn)過程中的連續(xù)變化的模擬量進行閉環(huán) PID 調(diào)節(jié)控制，使這些物理參數(shù)保持在設(shè)定值上。 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)。由于通用部件已經(jīng)標準化和系列化，可根據(jù)需要靈活配置，能縮短設(shè)計和制造周期。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床制造廠協(xié)商，確定了組合機床通用部件標準化的原則，即嚴格規(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。顯然，在大批量生產(chǎn)的機械工業(yè) 部門，大量采用的設(shè)備是組合機床和自動線。 本論文在具體分析基于可編程序控制器的四工位組合機床自動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ) 上，對該控制系統(tǒng)的軟件和硬件進行具體的研究和設(shè)計。 基于 PLC 的多工位機床控制系統(tǒng)的設(shè)計 5 第 2章 控制系統(tǒng)概述及方案設(shè)計 隨著我國工業(yè)自動化水平的不斷提高，對組合機床的自動化程度也提出了更高的要求。多工位機床一般采用多軸、多刀、多工序、多面或多工位同時加工的方式，生產(chǎn)效率比通用機床高幾倍至幾十倍。同時為了系統(tǒng)的自動運行，利用兩個傳送帶用來傳送未加 工的和已加工的零件。此外，還要求有手動、半自動、全自動三種工作方式。 基于 PLC 的多工位機床控制系統(tǒng)的設(shè)計 7 控制系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)以 PLC 為基礎(chǔ)，實現(xiàn)對加工動力頭、工作滑臺、上料 推桿、下料推桿、夾具、傳送裝置及其進料裝置和冷卻裝置的自動化控制，從而能很好的加工零件。從而對零件進行相應的加工。各部分的簡要工作過程大致如下： 1. 傳送帶裝置 在按下啟動按鈕時，傳送帶 1 與傳送帶 2 啟動，在傳送帶 1 上安裝了一個光電開關(guān)在上料推桿位置處，當傳送帶 1 上的零件到達上料推桿處時，光電開關(guān)檢測到 零件到來基于 PLC 的多工位機床控制系統(tǒng)的設(shè)計 8 從而切斷傳送帶 1 的運動，使其停止，這樣以便于上料推桿上料。但在整個過程中，上料推桿都要保持與工作滑臺、加工動力頭、夾具、傳送帶的工作協(xié)調(diào)?；_在一定的位置之間滑動，行程由行程開關(guān)控制。 6. 進料裝置部分 在零件到位、夾具夾緊零件時，同時進料裝置進料，完畢后，進料裝置退回原位。當零件加工完畢后，下料推桿前進、抓取，此時夾具松開，下料推桿上退回、松開，由于傳送帶 2 位于推桿 的正下方，因而零件掉入到傳送帶 2 上。 控制系統(tǒng)的具體控制過程框圖 如圖 所示。這些都給控制系統(tǒng)提出了較高要求，需要采用先進的控制技術(shù)和控制方法，以提高工程質(zhì)量并簡化控制線路的復雜性，兼顧降低項目成本。當控制系統(tǒng)要求或控制參數(shù)變化時，往往要通過控制系統(tǒng)內(nèi)部接線或更改控制元件才能實現(xiàn)新的控制，這種方法在實際應用中很不方便。但是，微機控制系統(tǒng)與機械系統(tǒng)的輸入、輸出之間，一般要采用專用的 I/O 接口電路，將使得控制系統(tǒng)變得復雜，需要專門的技術(shù)才能進行設(shè)計、調(diào)試和維修，使微機控制的應用受到了一定的限制。 PLC 根據(jù)類似于繼電器控制系統(tǒng)的梯形圖進行程序設(shè)計，簡單明了。 表 PLC 與繼電器邏輯控制系統(tǒng)的比較 比較項目 繼電器邏輯 可編程控制器 控制邏輯 體積大，接線復雜，修改困難 體積小、接線少、控制靈活，易于擴展 控制速度 動作速度為幾十毫秒，易觸點抖動 每條指令執(zhí)行時間在微秒級，無觸點抖動 觸點數(shù)量 4—8 對，易磨損 任意多個，永不磨損 工作方式 并行工作 串行循環(huán)掃描 設(shè)計與施工 設(shè)計、施工、調(diào)試必須順序進行 系統(tǒng)設(shè)計后，施工與程序設(shè)計可同時進行， 微機 傳送帶 上料推桿 夾具 滑臺 加工動力頭 冷卻 進料裝置 PLC 傳送帶 上料推桿 夾具 滑臺 加工動力頭 冷卻 進料裝置 基于 PLC 的多工位機床控制系統(tǒng)的設(shè)計 12 可靠性與可維護性 壽命短，可靠性與可維護性差 壽命長有自診斷功能，可靠性高 ，易維護 價格 使用機械開關(guān)、繼電器等，價格便宜 使用大規(guī)模集成電路，初期投資高 表 PLC 與微型計算機的比較 比較項目 可編程控制器 微型計算機 應用范圍 工業(yè)控制 科學計算、數(shù)據(jù)處理、通信等 程序設(shè)計 一般為梯形圖語言，易于學習和掌握 程序語言豐富，需專門的軟件和硬件知識 系統(tǒng)功能 自診斷、監(jiān)控等 配有較強的操作系統(tǒng) 工作方式 循環(huán)掃描方式及中斷方式 中斷方式 可靠性 極高，抗干擾能力強，長期運行 抗干擾能力差，不能長 期運行 體積與結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，外殼堅固，密封 結(jié)構(gòu)松散，體積大，密封性差， 通過上述控制器的比較，可知 PLC 是理想的四工位機床控制器，所以選用 PLC 控制四工位機床。 接觸式傳感器是使被測對象與壓力計元件良好接觸，通過傳導或?qū)α鬟_到熱動平衡，以受力元件感受被控物體的受力，這類傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、精度高、穩(wěn)定性好、價格低廉等優(yōu)點，是目前應用最多的一類。 2. 光電開關(guān) 近年來，隨著生產(chǎn)自動化程度地提高，光電開關(guān)的功能在不斷地完善，現(xiàn)已成為與PLC 相配套的系列產(chǎn)品。反射型包含反射型（鏡反射）和散射型（被測物體反射）。散射型光電開關(guān)不僅可以用來檢測物體的有無，還可以用來檢測物體的顏色，但它的檢測距離較小。可在自動控制系統(tǒng)中用作物體檢測，產(chǎn)品計數(shù)，料位檢測，尺寸控制，安全報警及計算機輸入接口等。操作頭是開關(guān)的感測部分，它接受機械結(jié)構(gòu)發(fā)出的動作信號，并將此信號傳遞到觸頭系統(tǒng)?；?PLC 的多工位機床控制系統(tǒng)的設(shè)計 14 行程開關(guān)與光電開關(guān)是最理想、很先進的檢測裝置。 對選定方案的分析 1. 可行性分析 （ 1） 功能可行性分析：由于系統(tǒng)各主要部分所需要滿足的功能步驟及要求大多是開關(guān)量信號，所以選擇可編程序邏輯控制器是完全能夠滿足其功能要求的。 2. 技術(shù)性能 （ 1） PLC 選型： PLC 的選擇是否讓功能與任務(wù)相適應； PLC 的處理速度是否滿足實時控制的要求； （ 2）擴展模塊的選擇：開關(guān)量輸入模塊工作電壓的選擇；開關(guān)量輸出模塊輸出方式的選擇；模擬量輸入模塊的模擬量值的輸入范圍考慮。 根據(jù)課題設(shè)計要求及四工位機床的自動控制系統(tǒng)的特點，對系統(tǒng)的控制分析如下： 1．用夾緊壓力傳感器來檢測壓力，用它來檢測夾具的夾緊程度，當壓力達到夾緊壓力傳感器中設(shè)定值時，夾具夾緊裝置不再運動。在動力頭的設(shè)計上，用電動機驅(qū)動加工頭，在以往的設(shè)計上，一般會設(shè)計電動機正反 轉(zhuǎn)驅(qū)動電力頭，在這則沒必要， 只 要電動機正轉(zhuǎn)就可以那，因為在這 里 并不是電動機正轉(zhuǎn)向前加工，反轉(zhuǎn)向前加工。 基于 PLC 的多工位機床控制系統(tǒng)的設(shè)計 16 5． 在這有兩個推桿部分，一個用來上料，一個用來下料。 6． 在這個系統(tǒng)中，為了減少成本，采用了大量的電磁閥取代電動機，使的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔實用，例如，滑臺的正反運動、上料器正反運動均采用雙線圈兩位電磁閥來實現(xiàn)。并能實現(xiàn)緊急停車。 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 根據(jù)控制系統(tǒng)的要求， PLC 控制器主要是對夾具、進料裝置、工作滑臺、加工動基于 PLC 的多工位機床控制系統(tǒng)的設(shè)計 17 力頭、傳送系統(tǒng)、上料推桿、下料推桿、 冷卻系統(tǒng)進行控制。 PLC控制系統(tǒng) I/O 點數(shù)的估算 由四工位機床自動控制系統(tǒng)的 PLC 自動控制結(jié)構(gòu)框圖以及信號傳輸圖可得：電氣控制系統(tǒng)要求 3 個壓力傳感器分別用來檢測夾具的夾緊壓力、進料裝置的進料壓力、進料裝置的放料壓力。所需各元器件功能及所占 PLC 輸入輸出點數(shù)見表 、表 所示。 FX 系列可編程控制器是當前國內(nèi)外最新、最具特色、最具代表性的微型 PLC。 2. I/O 點數(shù) 根據(jù)上述對控制系統(tǒng)的分析、控制系統(tǒng)所要完成的功能以及輸入輸出點數(shù)的估算，系統(tǒng)數(shù)字輸入點數(shù)共 42 點，數(shù)字輸出點數(shù)共 23 點，可選擇 FX2N48MR，并對其 I/O口進行一定的擴展，其主要特點如下： （ 1） 24 輸入 /24 輸出共 48 個開關(guān)量 I/O 點；繼電器輸出 （ 2）擴展模塊可使用點數(shù) 48~120 點； （ 3） 13KB 的程序和數(shù)據(jù)存儲區(qū)空間； （ 4） 6 個獨立的 30kHz 的高速脈沖輸出； （ 5） 2 個 RS485 通信 /編程口； （ 6）具有多點接口 MPI 通信協(xié)議； （ 7）具有點對點接口 PPI 通信協(xié)議； （ 8）具有自由通信口； （ 9） I/O 端子排可以很容易地整體拆除。 基于 PLC 的多工位機床控制系統(tǒng)的設(shè)計 21 4. 擴展模塊的選擇 根據(jù)開關(guān)量輸入輸出點數(shù)的估算及所要留的裕量，以及現(xiàn)場檢測元件與模塊之間的距離，在系統(tǒng)設(shè)計中選擇輸入輸出模塊 FX2N48EXRH，它可擴展 24個輸入、 24個輸出。 PLC 的 I/O 電氣接線圖如附錄 B 所示。而后，工作滑臺開始運動，當運動到終點時，滑臺運動停止， I、 III 工位開始加工，同時定時 10 秒， 10 秒后， II、 IV 工位開始加工。整個系統(tǒng)回復到系統(tǒng)啟動前的狀態(tài)。 基于 PLC 的多工位機床控制系統(tǒng)的設(shè)計 27 N Y N Y N Y N Y N Y 開始 傳送 帶 2 運動 光電開關(guān)有信號？ 上料推桿進 傳送帶 2 停止 夾具、進料 夾緊傳感有信號 ？ 行程開關(guān)有信號？ 上料推桿退、進料退 行程開關(guān)有信號？ 滑臺前進 行程開關(guān)有信號？ A 基于 PLC 的多工位機床控制系統(tǒng)的設(shè)計 28 圖 PLC 控制流程圖 N Y N Y N Y A 滑臺停止 I、 III 共位加工 定時 10s II、 IV 工位加工 工作滑臺退 行程開關(guān)有信號？ 下料推桿進 夾具松開 行程開關(guān)有信號？ 零件掉入傳送帶 2 下料推桿退 行程開關(guān)有信號？ 下料 推桿原位停止 完成 基于 PLC 的多工位機床控制系統(tǒng)的設(shè)計 29 圖 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖 M8002 X17 M8041 M110（半自動 ） M110（全自動） X12