【正文】 ..................... 40 朱益峰 殼體類零件攻絲組合機床的 PLC 控制系統(tǒng)設計 1 第一章 概述 組合機床概述 組合機床是以大量通用部件為基礎，配以少量專用部件組成的一種高效專用機床。 組合機床的發(fā)展 在我國，組合機床發(fā)展已有 28 年的歷史，其科研和生產(chǎn)都具有相當?shù)幕A，應用也已深入到很多行業(yè)。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(shù)和成套工藝裝備。我國傳統(tǒng)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(chǎn)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(nèi)鏜各種形狀槽，以及銑削平面和成形面等。 組合機床裝配模型 朱益峰 殼體類零件攻絲組合機床的 PLC 控制系統(tǒng)設計 2 圖 11 組合機床的裝配模型 組合機床及其體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀 隨著技術(shù)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，配以可編程序控制器（ PLC）、數(shù)字控制（ NC）等，能任意改變工作循環(huán)控制和驅(qū)動系統(tǒng)，并能靈活適應多品種加工的可調(diào)可變的組合機床。 本章小結(jié) 隨著可編程控制器在工控領域的廣泛應用， PLC 控制的組合機床漸漸取代了采用繼電器控制的組合機床。 朱益峰 殼體類零件攻絲組合機床的 PLC 控制系統(tǒng)設計 3 第 二 章 攻絲 組合機 床 的結(jié)構(gòu)和控制過程 組合機床結(jié)構(gòu) 組合機床是根據(jù)工件加工需要，以大量通用部件為基礎，配以少量專用部件組成的一種高效專用機床。其組成是：側(cè)底座 滑臺鏜削頭 夾具 多軸箱 動力箱 立柱 墊鐵 立柱底座 中間底座 液壓裝置 1電氣控制設備 1刀工具 13 等。圖中各個部件都是具有一定獨立功能的部件，并且大都已經(jīng)系列化、標準化和通用化的通用部件。 圖 21 雙面復合式組合機床 通用部件是組成組合機床的基礎。用以朱益峰 殼體類零件攻絲組合機床的 PLC 控制系統(tǒng)設計 4 安裝動力部件的通用部件如側(cè)底座、立柱、立柱底座等稱為支承部件。 組合機床的基本配置 組合機床的通用部件 分為大型和小型兩大類。用小型通用部件組成的機床稱為小型組合機床。 本設計主要是采用的是小型組合機床，小型組合機床也是由大量通用零部件組成，其配置特點是：常用兩個以上具有主運動和進給運動的小型動力頭分散布置、組合加工。 小型組合機 床分單工位和多工位兩類。 組合機床的配置形式是多種多樣的，同一個零件的加工可采用幾種不同的配置方案。 通用部件按其尺寸大小、驅(qū)動和控制方式、單機和自動線的不同，可分為大型和小型通用部件；機械驅(qū)動、液壓驅(qū)動、風動或數(shù)控通用部件；組合機床 的組合機床自動線通用部件。但這些通用部件都有其共性功能，按功能劃分的類別覆蓋面較大。 動力部件是為組合機床提供主運動和進給運動的部件 ，它為 刀具提供主運動和進給運動。 朱益峰 殼體類零件攻絲組合機床的 PLC 控制系統(tǒng)設計 5 支承部件是組合機床的基礎部件，它包括側(cè)底座、立柱、立柱底座和中間底座等，用于支 承和安裝各種部件。 輸送部件用于帶動夾具和工件的移動和轉(zhuǎn)動，以實現(xiàn)工位的變換，因此，要求有較高的定位精度。 控制部件是用以控制機床的自動工作循環(huán)的部件，有液壓站、電氣柜和操縱臺等。 輔助部件包括用于實現(xiàn)自動夾緊工件的液壓或氣動裝置，機械扳手，冷卻和潤滑裝置，排屑裝置以及上下料的機械手等。 攻絲 組合機床的 控制方式 組合機床的控制方式包括 繼電器控制和 PLC 控制， 隨著機電一體化技術(shù)的發(fā)展 , 可編程序控制器 ( PLC) 日益廣泛應用于機械加工設備等的電氣控制系統(tǒng)中。 傳統(tǒng)的機床控制系統(tǒng)都是采用繼電器 、 接觸器等元器件組構(gòu)成硬件邏輯控制電路 , 不但接線復雜 , 而且經(jīng)常出現(xiàn)故障 , 可靠性較差。用 PLC 控制系統(tǒng)替代體積大、投資大、耗能大的繼電器 、 接觸器控制系統(tǒng)是今后機床電氣控制系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。其原理仍然是“自引法”攻絲。常用的靠模裝置有： TO281 型攻絲靠模裝置和 TO282 型靠模裝置。 動力由攻絲主軸通過雙鍵傳到攻絲靠模桿，再經(jīng)平鍵傳遞給攻絲卡頭上的絲錐。攻絲時，靠模桿邊轉(zhuǎn)動邊向前移 動，其進給量與絲錐引進量相同。 這種裝置易于調(diào)整，只要松開壓板，則可方便的將攻絲靠模取出，且在變動加工螺孔規(guī)格時，易裝卸調(diào)換。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入 /輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程 ， 是工業(yè)控制的 核心部分 。與相同功能的繼電器相比，具有很高的性能價格比。 2. 硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強 可編程序控制器產(chǎn)品已經(jīng)標準化，系列化，模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用。 楞編程序控制器的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。 3. 可靠性高，抗干擾能力強 傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中使用了大量的中間繼電器、時間繼電器。 PLC 采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強的抗干擾能力，平均 無故障時間達到數(shù)萬小時以上，可以直接用于有強烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場， PLC已被廣大用戶公認為最可靠的工業(yè)控制設備之一。 PLC 的梯形圖程序一般采用順序控制設計方法。對于復雜的控制系統(tǒng)，梯形圖的設計時間比設計繼電器系統(tǒng)電路圖的時間要少得多。完成了系統(tǒng)的安裝和接線后，在現(xiàn)場的統(tǒng)調(diào)過程中發(fā)現(xiàn)的問題一般通過修改程序就可以解決，系統(tǒng)的調(diào)試時間比繼電器系統(tǒng)少得多。 梯形圖語言實際上是一種面向用戶的一種高級語言，可編程序控制器在執(zhí) 行梯形圖的程序時，用解釋程序?qū)⑺?“ 翻譯 ” 成匯編語言后再去執(zhí)行。 PLC 或外部的輸入裝置和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)生故障時，可以根據(jù) PLC 上的發(fā)光二極管或編程器提供的住處迅速的查明故障的原因，用更換模塊的方法可以迅速地排除故障。 PLC的結(jié)構(gòu)和工作原理 PLC 硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同，基本構(gòu)成 主要包括電源、中央處理單元、存儲器、輸入輸出接口電路、功能模塊、通信模塊。但是，在時間上， PLC 執(zhí)行的任務是按串行方式進行的，其具體的運行方式與繼電器 接觸器控制系統(tǒng)及計算機控制系統(tǒng)都有著一定的不同。 當 PLC 開始上電運行時，首先清除 I/O 映像區(qū)的內(nèi)容，然后進行自診斷，確認正常后開始掃描。 完成上述三個階段稱作一個掃描周期。 PLC的組成 CPU 是 PLC 的核心部分。其功能： （ 1）用掃描方式 （后面介紹）接收現(xiàn)場輸入裝置的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入映象寄存器或數(shù)據(jù)寄存器； （ 2）接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)； （ 3）診斷電源和 PC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)及編程過程中的語法錯誤； （ 4）在 PC 進入運行狀態(tài)后： a）執(zhí)行用戶程序 —— 產(chǎn)生相應的控制信號（從用戶程序存儲器中逐條讀取指令，經(jīng)命令解釋后，按指令規(guī)定的任務產(chǎn)生相應的控制信號，去啟閉有關的控制電路） b）進行數(shù)據(jù)處理 —— 分時、分渠道地執(zhí)行數(shù)據(jù)存取、傳送、組合、比較、變換等動作，完成用戶程序中規(guī)定的邏輯或算術(shù)運算任務 c）更新輸出狀態(tài) —— 輸出實施控制（根據(jù)運算結(jié)果，更新有關標志位的狀態(tài)和輸出映象寄存器的內(nèi)容，再由輸入映象寄存器或數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容，實現(xiàn)輸出控制、制表、打印、數(shù)據(jù)通訊等） 系統(tǒng)程序存儲器 ： 存放系統(tǒng)工作程序（監(jiān)控程序）、模塊化應用功能子程序、命令 、 解釋、功能子程序的調(diào)用管理程序和系統(tǒng) 參數(shù)， 不能由用戶直接存取 。即用戶通過編程器輸入的用戶程序。 注意：系統(tǒng)程序直接關系到 PC 的性能，不能由用戶直接存取，所以，通常PC 產(chǎn)品資料中所指的存儲器形式或存儲方式及容量，是指用戶程序存儲器而言。 PLC 提供了各種操作電平與驅(qū)動能力的 I/O 模塊，以及各種用途的 I/O 組件供用戶選用：輸入 /輸出電平轉(zhuǎn)換 、 電氣隔離 、串 /并行轉(zhuǎn)換 、 數(shù)據(jù)傳送 、 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換 、 誤碼校驗 、其他功能模塊 。通常， I/O 模塊上還具有狀態(tài)顯示和 I/O 接 線端子排。 可分為 簡單型 ，即 只能聯(lián)機編程；只能用指令清單編程 。?？芍苯右噪娔X作為編程器，安裝相關的編程軟件編程 。例如 通過鍵盤和顯示器去檢測 PLC 內(nèi)部狀態(tài)和參數(shù) ，或者 通過通訊端口與 CPU 聯(lián)系，實現(xiàn)與 PLC 的人機對話 。一臺編程器可開發(fā)、監(jiān)護許多臺PLC 的工作。 ： 內(nèi)部 電源： 開關穩(wěn)壓電源，供內(nèi)部電路使用；大多數(shù)機型還可以向外提供DC24V 穩(wěn)壓電源，為現(xiàn)場的開關信號、外部傳感器供電。 朱益峰 殼體類零件攻絲組合機床的 PLC 控制系統(tǒng)設計 12 PLC程序的表達方式 由 PLC 的工作原理可知： PLC 是以程序的形式進行工作的，為此，需要把控制任務變 換為程序表達。下面對這些表達方法作簡要說明。梯形圖中繼電器的線圈、常開觸點及常閉觸點符號常用 下圖 中的符號表示。在 PLC 中，它是用得最 多的一種程序表達方式。這種程序表達方式，編程設備簡單，邏輯緊湊，目前各種 PLC均有指令的編程功能。對每一種邏輯功能都使用一個運算方塊，其運算功能由方塊內(nèi)的符號確定。有關的輸入均畫在方塊的左邊，輸朱益峰 殼體類零件攻絲組合機床的 PLC 控制系統(tǒng)設計 13 出畫在方塊的右邊。 高級語言 大型 PLC 中，為了進行數(shù)據(jù)處理、完成 PID 調(diào)節(jié)等較為復雜的控制。目前，各類型 PLC 都具有兩種或兩種以上編程語言，其中以梯形圖和指令較為常用。其工作過程分三個階段進行，即輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段。對每個程序， CPU從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條執(zhí)行用戶程序，直到遇到結(jié)束符后返回第一條指令，如此周而復始不斷循環(huán)。接著進入程序處理階段，在程序執(zhí)行階段或其它階段，即使輸入狀態(tài)發(fā)生變化，輸入映象寄存器的內(nèi)容也不會改變，輸入狀態(tài)的變化只有在下一個掃描周期的輸入處理階段才能被采樣到。若程序用梯形圖來表示，則總是按先上后下，先左后右的順序進行。當指令中涉及到輸入、輸出狀態(tài)時， PLC 從輸入映像寄存器和元件映象寄存器中讀出，根據(jù)用戶程序進行運算，運算的結(jié)果再存入元件映象寄存器中。 3．輸出刷新階段 當所有程序執(zhí)行完畢后，進入輸出處理階段。 因此， PLC 在一個掃描周期內(nèi)，對輸入狀態(tài)的采樣只在輸入采樣階段進行。這方式稱為集中采樣，即在一個掃描周期內(nèi)，集中一段時間對輸入狀態(tài)進行采樣。在一個掃描周期內(nèi)，只在輸出刷新階段才將輸出狀態(tài)從輸出映象寄存器中輸出，對輸出接口進行刷新。這種方式稱為集中輸出。 而對于大中型 PLC，其 I/O 點數(shù)較多，控制功能強，用戶程序較長，為提高系統(tǒng)響應速度，可以采用定期采樣、定期輸出方式，或中斷輸入、輸出方式以及采用智能 I/O 接口等多種方式。若控制簡單，如電動機正、反轉(zhuǎn)，就可考慮用繼電器控制系統(tǒng)。 朱益峰 殼體類零件攻絲組合機床的 PLC 控制系統(tǒng)設計 15 要對控制對象進行估測：有多少輸入量、電壓分別是多少、有多少輸出量、輸出功率有多大、現(xiàn)場對系統(tǒng)的響應速度有何要求、控制室與現(xiàn)場的距離有多遠等。 根據(jù) PLC 型號，列出輸入 /輸出設備與 PLC 的 I/O 地址對照表，以便繪制接線圖及編程。 (2)繪制 PLC 的 I/O 接線圖。 (3)繪制 PLC 及 I/O 設備的供電系統(tǒng)圖。 程序設計可用經(jīng)驗設計法或功能表設計法，或者是兩者的結(jié)合。這其中 PLC的選型至關重要。選擇 PLC，主要是確定 PLC 的 生產(chǎn)廠家和 PLC 的具體型號。具體的選擇內(nèi)容有以下幾個方面： PLC 生產(chǎn)廠家的選擇 確定 PLC 的生產(chǎn)廠家，主要應該考慮設備用戶的要求、設計者對于不同廠家PLC 的熟悉程度和設計習慣、配套產(chǎn)品的一致性以及技術(shù)服務等方面的因素。 一般來說，對于控制獨立設備或較簡單的控制系統(tǒng)的場合，配套日本的 PLC產(chǎn)品，相對來說性價比有一定優(yōu)勢。 由于本控制系統(tǒng)設計的內(nèi)容相對較為簡單，故選用三菱 PLC。 I/O 點數(shù)的確定應以控制設備所需的所有輸入 /輸出點數(shù)的總和為依據(jù)。通常根據(jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，再增加 10％～ 20％的可擴展余量后，作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù)據(jù)。 PLC 存儲器容量的估算 存儲器容量是指可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，各種 PLC的存儲器容量大小可以從該 PLC 的基本參數(shù)表中找到，例如：西門子的 S7314 PLC的用戶程序存儲容量為 64KB， S73152DP PLC的用戶程序存儲容量為 128KB。設計階段，由于用戶應用程序還未編制，因此，需要對程序容量進行估算。 PLC 通訊功能的選擇 朱益峰 殼體類零件攻絲組合機床的 PLC 控制系統(tǒng)設計 17 現(xiàn)在 PLC 的通訊功能越