基于PLC的數(shù)控車床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)論文-(2)[1]

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遼寧工程技術(shù)大學(xué) 摘 要 數(shù)控機床是一種機電一體化的數(shù)字控制自動化機床。早期的數(shù)控機床是依靠繼電器邏輯來實現(xiàn)相應(yīng)的功能。由于繼電器邏輯是一種硬接線系統(tǒng)，布線復(fù)雜，體積龐大，更改困難，一旦出現(xiàn)問題，很難維修。這樣的系統(tǒng)，其可靠性往往也不高，影響正常的生產(chǎn)。 本文正是針對這一問題展開工作的。本文介紹了用三菱FX2N微型可編程控制器對CK9930機床的電氣控制部分的改造設(shè)計，重點闡述了數(shù)控機床PLC的功能、機床的電氣控制原理及相應(yīng)的PLC程序編制與調(diào)試三方面的問題。并且詳盡地展示了PLC控制程序的開發(fā)過程。 根據(jù)數(shù)控車床所承擔(dān)加工任務(wù)的特點，可知其操作過程比較復(fù)雜。要用PLC控制車床動作，必須將PLC及其控制模塊和相應(yīng)的執(zhí)行元件加以組合。所以在該控制程序的開發(fā)過程中，采用了模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。 本文主要完成了主軸控制、坐標(biāo)軸控制、自動換刀控制、定時潤滑控制以及報警處理等功能的PLC控制程序的開發(fā)。并且利用FXGP_WIN-C軟件編寫了該機床的PLC控制程序，并借助其運行、監(jiān)控功能，通過相關(guān)設(shè)備，觀察了程序的運行情況。 關(guān)鍵詞：PLC控制，數(shù)控車床，梯形圖 目 錄 第一章 概述 ……………………………………………………………………… 1 1.1 數(shù)控系統(tǒng)的工作原理 ………………………………………………… 1 1.1.1 數(shù)控系統(tǒng)的組成 ………………………………………………… 1 1.1.2 數(shù)控系統(tǒng)的工作原理 …………………………………………… 2 1.2 PLC的硬件與工作原理 ……………………………………………… 3 1.2.1 PLC的簡介 ……………………………………………………… 3 1.2.2 PLC的基本結(jié)構(gòu) ………………………………………………… 3 1.2.3 PLC的工作原理 ………………………………………………… 4 第二章 數(shù)控車床的PLC ………………………………………………………… 5 2.1 數(shù)控車床PLC的信息傳遞 ……………………………………………… 5 2.2 數(shù)控車床中PLC的功能 ………………………………………………… 6 2.2.1 PLC對輔助功能的處理 ………………………………………… 6 2.2.2 PLC的控制對象 ………………………………………………… 6 2.3 用PLC實現(xiàn)車床電氣控制系統(tǒng)的功能 ………………………………… 7 2.4 利用PLC代替繼電器—接觸器控制方式的優(yōu)越性 ………………… 8 第三章 CK9930數(shù)控車床電氣控制分析 ……………………………………… 9 3.1 車床主要結(jié)構(gòu)和運動方式 …………………………………………… 9 3.2 車床對電氣控制的要求 ……………………………………………… 9 3.3 車床的電氣控制電路分析 …………………………………………… 10 3.3.1 主電路分析 …………………………………………………… 11 3.3.2 控制電路分析 ………………………………………………… 11 第四章 PLC控制程序的設(shè)計 …………………………………………………… 12 4.1 PLC程序設(shè)計方法 …………………………………………………… 12 4.1.1 PLC的程序設(shè)計步驟 …………………………………………… 12 4.2 PLC程序的模塊化設(shè)計 ………………………………………… 12 4.3 輸入輸出分配 ……………………………………………………… 12 4.4 梯形圖程序設(shè)計 ……………………………………………………… 15 4.4.1 梯形圖總體框圖 ……………………………………………… 15 4.4.2 公用程序 ……………………………………………………… 16 4.4.3 回原點程序 …………………………………………………… 16 4.4.4 主軸控制程序 ………………………………………………… 17 4.4.5 坐標(biāo)軸控制程序 ……………………………………………… 17 4.4.6 報警處理程序 ………………………………………………… 18 4.4.7 定時潤滑控制程序 …………………………………………… 18 4.4.8 冷卻程序 ……………………………………………………… 19 4.4.9 自動換刀控制程序 …………………………………………… 19 4.4.10 需要說明的問題 …………………………………………… 21 4.5 梯形圖程序的調(diào)試 …………………………………………… 21 4.6 本章小結(jié) …………………………………………………… 21 結(jié) 論 ……………………………………………………………………………22 參考文獻 ……………………………………………………………………………23 44 第1章 概 述 CK9930型數(shù)控車床配備的是華中I型數(shù)控系統(tǒng)，是一種比較老式的小型簡易經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)。隨著數(shù)控技術(shù)的不斷進步與發(fā)展，這一數(shù)控系統(tǒng)已不能滿足加工要求，本課題就是對現(xiàn)有的CK9930數(shù)控車床所進行的改造項目的一個組成部分。主要是車床電氣控制部分進行改造。 車床電氣控制系統(tǒng)是控制車床各部分的工作、協(xié)調(diào)完成車床加工任務(wù)的核心部分，它由大量繼電器構(gòu)成一個復(fù)雜的邏輯控制電路。該車床復(fù)雜的繼電器邏輯控制線路構(gòu)成的電氣控制系統(tǒng)故障率高，難于維護，很有必要對其進行改造，即用PLC代替繼電器--接觸器控制方式。 1.1數(shù)控系統(tǒng)的工作原理 國際信息處理聯(lián)盟對數(shù)控機床做了如下定義定義：數(shù)控機床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的機床，該系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有使用號碼或其他符號編碼指令規(guī)定的程序。 這里所說的程序控制系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)（Numerical Control,簡稱NC）而現(xiàn)在的數(shù)控系統(tǒng)都是以計算機作為控制中心，所以稱為計算機數(shù)控(Computerized Numerical Control, 簡稱CNC)。 1.1.1 數(shù)控系統(tǒng)的組成 CNC系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖1.1所示，CNC系統(tǒng)主要是指圖中的CNC控制器，它是由計算機硬件、數(shù)控系統(tǒng)軟件及相應(yīng)的輸入/輸出接口構(gòu)成的專用計算機和 可編程控制器所組成。前者處理機床軌跡運動的數(shù)字控制，后者則處理開關(guān)量的邏輯控制。 圖1-1 CNC系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)框圖 1.1.2 數(shù)控系統(tǒng)的工作原理 雖然數(shù)控系統(tǒng)種類繁多，但其的基本原理都是相通的。即都是通過運算器進行插補運算，然后對進給軸進行閉環(huán)控制，實現(xiàn)機床的數(shù)控功能。 （1）進給系統(tǒng)控制 進給系統(tǒng)的控制大多是通過控制步進電機來實現(xiàn)的。步進電機是一種在外加電脈沖信號的作用下一步一步地運轉(zhuǎn),將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的機電元件。其角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴格成正比,在時間上與輸入同步, 控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電機繞組通電順序, 便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、速度及轉(zhuǎn)動方向；無脈沖輸入時,在繞組電源的激勵下,氣隙磁場使轉(zhuǎn)子保持原來的位置狀態(tài)。利用這一原理,便可實現(xiàn)加工時縱、橫向的進給,并可獲得較高精度。 （2） 開關(guān)量控制 數(shù)控機床的開關(guān)量信號控制是通過PLC來完成的。 機床的各開關(guān)量可通過I/O 口進行信息交換。由于I/O 口可輸入信號和輸出信號, 其輸出信號經(jīng)過邏輯譯碼電路轉(zhuǎn)換成多路的輸出信號, 可實現(xiàn)主軸電機、冷卻泵及主軸變速等的控制； 輸入口可接受行程限位開關(guān)暫停、主軸同步脈沖、選刀回答等信號。從而實現(xiàn)各種狀態(tài)的檢測, 最終實現(xiàn)機床的各開關(guān)量控制。 （3）主軸控制 數(shù)控系統(tǒng)只對主軸系統(tǒng)進行開關(guān)控制。數(shù)控裝置通過PLC對主軸系統(tǒng)進行起?？刂?。 1.2 PLC的硬件與工作原理 1.2.1 PLC簡介 可編程序控制器（Programmable Controller）簡稱PC，為了不與個人計算機（也簡稱PC）混淆，通常將可編程序控制器稱為PLC。它是在電器控制技術(shù)和計算機技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，并逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心，把自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)控制裝置。 目前，PLC已被廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)機械和生產(chǎn)過程的自動控制中，成為一種最重要、最普及、應(yīng)用場合最多的工業(yè)控制裝置，并被公認為現(xiàn)代工業(yè)自動化的三大支柱（PLC、機器人、CAD/CAM）之一。 與一般微機控制系統(tǒng)最大的區(qū)別是，PLC必須具有很強的抗干擾能力、廣泛的適應(yīng)能力和廣闊的應(yīng)用范圍。 1.2.2 PLC的基本結(jié)構(gòu) PLC也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。 PLC硬件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。 圖1-2 PLC的基本結(jié)構(gòu)示意圖 PLC的軟件系統(tǒng)則包括系統(tǒng)軟件和用戶應(yīng)用軟件。 從廣義上講，可編程序控制器PLC實質(zhì)上是一種專用工業(yè)控制計算機，只不過比一般的計算機具有更強的與工業(yè)過程相聯(lián)接的接口，以及具有更直接的適用于工業(yè)控制要求的編程語言。 1.2.3 PLC的工作原理 （1）PLC的工作過程 PLC上電后，就在系統(tǒng)程序的監(jiān)控下，周而復(fù)始地按一定的順序?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)部的各種任務(wù)進行查詢、判斷和執(zhí)行，這個過程實質(zhì)上是按順序循環(huán)掃描的過程。執(zhí)行一個循環(huán)掃描過程所需的時間稱為掃描周期，其典型值為1～100ms。PLC的工作過程如圖1.3所示。 初 始 化 C P U 自 診 斷 通信 信 息 處 理 與外部設(shè)備交換信息 執(zhí)行用戶程序 輸入輸出信息處理 圖1-3 PLC的工作過程 （2）用戶程序的循環(huán)掃描過程 PLC的工作過程與CPU的操作模式有關(guān)。CPU有兩個操作模式:STOP模式和RUN模式。在掃描周期內(nèi)，STOP模式和RUN模式的主要差別是：RUN模式下執(zhí)行用戶程序，而在STOP模式下不執(zhí)行用戶程序。PLC對用戶程序進行循環(huán)掃描可分為三個階段進行，即輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段。 第2章 數(shù)控車床PLC 在數(shù)控車床中，位置控制是由位置控制器來實現(xiàn)的。而其它的大部分動作即輔助機械動作的控制如主軸啟停、換向,換刀控制、冷卻和潤滑系統(tǒng)的運行以及報警監(jiān)測等功能則可由可編程控制器(PLC)來實現(xiàn)。 2.1 數(shù)控車床PLC的信息傳遞 通過PLC來實現(xiàn)車床電氣控制系統(tǒng)的各項功能，需要將各種控制和檢測信號通過按鈕和檢測元件輸入PLC，再通過PLC內(nèi)部程序的運算將結(jié)果輸出到各種執(zhí)行設(shè)備，完成電氣控制系統(tǒng)對于車床的控制。所以就涉及PLC與數(shù)控裝置、機床之間的信息交換?？删幊炭刂破髋cCNC機床的強電、CNC數(shù)控裝置I/0口的聯(lián)接可歸納為下列三部分： （1）PLC輸入輸出端與機床面板信號聯(lián)接 CNC數(shù)控機床操作面板上有按鈕、旋鈕開關(guān)和指示燈等，按鈕、旋鈕開關(guān)直接與可編程控制器的輸入端接線柱相連，指示燈直接與PLC輸出端接線柱相連。 （2）PLC輸出端與機床強電信號聯(lián)接 PLC在CNC機床中的主要作用是控制強電部分，如:主控電源、伺服電源、刀架電機正轉(zhuǎn)、潤滑電機等。每個電機的運行程序控制邏輯都固化在PLC中，受機床操作面板開關(guān)和數(shù)控系統(tǒng)軟件的控制。 （3） PLC輸入端與CNC機床數(shù)控裝置I/O口的聯(lián)接 可編程控制器輸出端的通斷是由其輸入端通斷狀態(tài)及梯形圖程序決定的，CNC機床數(shù)控裝置與可編程控制器的聯(lián)接是通過軟開關(guān)直接控制PLC輸入端的通斷，以決定PLC輸出端的狀態(tài)。從數(shù)控裝置I/O口的信息流向分析，可以分為兩種情況:一是數(shù)控裝置從I/O口輸出指令，控制PLC完成相應(yīng)的動作；另一種是檢測PLC輸入口的開關(guān)狀態(tài)，數(shù)控裝置的I/O口是輸入信號，數(shù)控裝置根據(jù)輸入信號的性質(zhì)做出相應(yīng)的控制。 2.2 數(shù)控車床中PLC的功能 2.2.1 PLC對輔助功能的處理 目前，數(shù)控機床程序中，有關(guān)機床坐標(biāo)系約定、準(zhǔn)備功能、輔助功能、刀具功能及程序格式等方面己趨于統(tǒng)一，形成了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，即所謂的CNC機床ISO代碼。歸納起來有4種功能:一種是準(zhǔn)備功能，即所謂的G代碼；第二種是輔助功能，即所謂的M代碼；第三種是刀具功能，即所謂的T代碼；第四種是轉(zhuǎn)速功能即所謂的S代碼。其中，G功能主要與聯(lián)動坐標(biāo)軸驅(qū)動有關(guān)，是通過CPU控制數(shù)控裝置的I/0接口實現(xiàn)；M功能主要控制機床強電部分，包括主軸換向、冷卻液開關(guān)等功能；T功能與刀具的選擇和補償有關(guān)。 ⑴ M功能的處理 M指令主要有M02 (程序停止) 、M03 (主軸順時針旋轉(zhuǎn)) 、M04 (主軸逆時針旋轉(zhuǎn))、M05 ( 主軸停止) 、M06 ( 準(zhǔn)備換刀) 等。其中一部分是由數(shù)控系統(tǒng)本身的硬件和軟件來實現(xiàn),還有一部分需要數(shù)控裝置與PLC 相結(jié)合來實現(xiàn)。 ⑵ T功能的處理 在PLC上實現(xiàn)的主要是刀具選擇。當(dāng)遇到包含某個刀具編碼的換刀指令時, 對應(yīng)的數(shù)控裝置I/O口變成高電平,數(shù)控系統(tǒng)將T代碼指令送給PLC，PLC經(jīng)過譯碼指令進行譯碼后，檢索刀號，然后控制換刀裝置進行換刀。 ⑶ S功能的處理 S功能主要完成對主軸轉(zhuǎn)速的控制,常用的有代碼法和直接指定法。代碼法是S后面跟二位數(shù)字,這些數(shù)字不直接表示主軸轉(zhuǎn)速的大小,而是機床主軸轉(zhuǎn)速數(shù)列的序號；直接指定法是S后面直接就是主軸轉(zhuǎn)速的大小,例如S1500 表示主軸轉(zhuǎn)速是1500 r/min。 2.2.2 PLC的控制對象 數(shù)控系統(tǒng)可以分為兩部分：控制伺服電動機和主軸電機動作的系統(tǒng)部分NC 和控制輔助電氣部分的PLC。數(shù)控機床PLC主要完成數(shù)控機床的順序控制，包括對NC、機床及操作面板傳來的信號進行處理，實施急停及超程信號的監(jiān)控，并且完成對主軸、刀架、冷卻、潤滑等功能的控制。 ① 操作信號處理 接收操作面板上的信號和NC部分傳來的數(shù)控信號以控制數(shù)控系統(tǒng)的運行。 ② 主軸控制 控制主軸的啟動、停止及正反轉(zhuǎn)。 ③ 坐標(biāo)軸控制 控制坐標(biāo)軸的伺服驅(qū)動及限位開關(guān)等。 ④ 換刀控制 實現(xiàn)對程序換刀的控制。 ⑤ 冷卻控制 實現(xiàn)程序控制冷卻的啟動、停止。 ⑥ 潤滑控制 實現(xiàn)定時潤滑的控制。 2.3 用PLC實現(xiàn)車床電氣控制系統(tǒng)的功能 從本質(zhì)來講，基于PLC 的機床電氣控制系統(tǒng)對機床的控制思路仍然與繼電器-接觸器控制系統(tǒng)是一致的。只是在控制手段上采用了先進的控制設(shè)備。 PLC 控制系統(tǒng)其優(yōu)點在于根據(jù)加工工藝要求的不同相應(yīng)的修改程序就可以實現(xiàn)。車床電氣控制系統(tǒng)屬于廣泛的應(yīng)用系統(tǒng)，不針對特殊的加工工藝，因此PLC 內(nèi)部的程序只需要相對每個控制按鈕發(fā)出的信號，做出相應(yīng)的動作即可。 通過PLC 來實現(xiàn)車床電氣控制系統(tǒng)的各項功能，需要將各種控制和檢測信號通過按鈕和檢測元件輸入PLC，再通過PLC 內(nèi)部程序的運算將結(jié)果輸出到各種執(zhí)行設(shè)備，完成電氣控制系統(tǒng)對于車床的控制。每個功能的輸入信號，都可以通過控制面板上的按鈕進行操作，輸出則可以通過接觸器、電磁閥等執(zhí)行機構(gòu)完成?；赑LC 的車床電氣控制系統(tǒng)功能分解如圖2-1。 X軸Z軸起停 PLC 接觸器 電動刀架 接觸器 主軸起停調(diào)速 冷卻液起停 夾具松開夾緊 換刀按鈕 指示燈 變頻器 圖2-1 PLC 車床控制系統(tǒng)分解圖 2.4 利用PLC代替繼電器--接觸器控制方式的優(yōu)越性 ⑴ 可維護性好 采用PLC進行控制后, 由于采用了專用芯片及集成電路，提高了集成度，減少了元器件數(shù)量，機床控制電路的接線量大為減少，故障率大大降低。可維護性好，基本上無需維護。 ⑵ 可靠性高 PLC的平均無故障工作時間高達300000 h（約34.2年），所以其可靠性高。而采用繼電器--接觸器控制機床的控制則因為存在大量機械觸點，工作電壓和工作電流較大，可靠性較差。 ⑶ 提高機床柔性 當(dāng)機床加工程序發(fā)生變化時,只需要修改PLC的程序就可以進行新的加工,更改較方便,機床的柔性很好。 ⑷ 效價比高 交流接觸器的額定壽命約為800～1600h，遠低于PLC， 再考慮到因更換壞掉的接觸器所耽誤的工時，從經(jīng)濟性的角度來看，用PLC也是很合算的（PLC價格與I/O點數(shù)成正比，而機床所要用的I/O點數(shù)并不多）。 ⑸ 可聯(lián)網(wǎng)通信 由于PLC具有通信功能,采用可編程控制器進行機床改造后,可以與其它智能設(shè)備聯(lián)網(wǎng)通信,在今后的進一步技術(shù)改造升級中,可根據(jù)需要聯(lián)入工廠自動化網(wǎng)絡(luò)中，提高工廠自動化水平。 第3章 CK9930數(shù)控車床電氣控制分析 數(shù)控車床主要用于軸類、盤類零件的加工,能自動完成外圍柱面、內(nèi)孔、錐面、圓弧面、螺紋等工序的粗細加工,并能在圓柱面或端面上進行銑槽、鉆孔、鉸孔等工作,可以實現(xiàn)回轉(zhuǎn)體零件在預(yù)先加工好定位基面后,一次裝夾下完成從毛坯到成品的全部工序. 因此,能夠極大地提高生產(chǎn)率。 3.1 車床主要結(jié)構(gòu)和運動形式 CK9930數(shù)控車床是為兩軸車床。床身最大工件回轉(zhuǎn)直徑300mm，最大工件長度500mm，刀架上最大工件回轉(zhuǎn)直徑140mm，外型尺寸1100 mm580 mm580 mm。其結(jié)構(gòu)主要有床身、主軸變速箱、床鞍、卡盤、刀架、絲杠和尾架等組成。其中，床身是一個整體的鑄件。刀架通過床鞍安置在床身的導(dǎo)軌上。 CK9930數(shù)控車床的運動形式有： ⑴ 主運動：工件的旋轉(zhuǎn)運動，是主軸通過卡盤帶動工件旋轉(zhuǎn)的運動形式。 ⑵ 進給運動：刀架的橫向或縱向的直線運動。 3.2 車床對電氣控制的要求 車床工藝范圍廣，因而它的調(diào)速范圍大、運動多。其對電氣控制的要求有： ①為適應(yīng)各種工件加工工藝的要求，主軸應(yīng)能在一定范圍內(nèi)調(diào)速，采用交流電動機驅(qū)動的齒輪變速系統(tǒng)。 ②由于采用齒輪變速，為防止出現(xiàn)頂齒現(xiàn)象，要求主軸系統(tǒng)變速時作低速斷續(xù)沖動。 ③要求主軸能夠?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)。 ④電路應(yīng)有必要的保護和聯(lián)鎖的措施。 3.3 車床的電氣控制電路分析 CK9930數(shù)控車床的電氣原理圖如圖3-1所示。 圖3-1 CK9930數(shù)控車床電氣原理圖 3.3.1 主電路分析 將三相電源經(jīng)空氣斷路器Q1和Q2引入，單相電容運轉(zhuǎn)主軸電動機M1用接觸器KM3和KM4形成的互鎖電路控制正反轉(zhuǎn)。變壓器T1為X軸、Z軸步進電機驅(qū)動器提供AC55V供電電源；變壓器T2為強電控制電路提供AC220V電源；變壓器T3和整流電路為弱電控制電路和主控電路板提供DC24V供電電源。 3.3.2控制電路分析 （1）啟動過程 啟動時，合上Q1，引入三相電源。按下啟動按鈕SB2，接觸器KM1線圈通電吸合，則KM1的主觸頭閉合，電動機接通電源直接啟動運行。與此同時，在超程解除（X33）有效狀況下閉合繼電器RA2，且使X31有效（控制器收到主電路接通信號），則繼電器RA1通電，RA1的觸點閉合，接觸器KM2線圈通電吸合，KM2的主觸頭閉合，為步進電機驅(qū)動器供電，且主軸電機也通電。 在控制面板上采用的是旋鈕開關(guān)，撥到“開” 的位置后能一直保持接通狀態(tài)，從而使得KM1能夠持續(xù)閉合，為控制電路供電。 （2）主軸正反轉(zhuǎn) 該車床采用兩個接觸器KM3和KM4來實現(xiàn)對電動機的正、反轉(zhuǎn)控制。在電路中，為了防止兩個接觸器同時動作而造成短路，將實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)的KM3和KM4進行互鎖。所以，電動機的正反轉(zhuǎn)控制電路實際上是由互鎖的兩個方向相反的單向運行線路組成的。其具體的控制過程如下： 繼電器RA3閉合，RA3常閉觸點斷開。 1、接觸器KM3閉合，KM4由互鎖電路斷開（即使RA4誤動作也不會閉合），主軸電機正轉(zhuǎn)。 2、繼電器RA4閉合，RA4常閉觸點斷開。 3、接觸器KM4閉合，KM3由互鎖電路斷開（即使RA4誤動作也不會閉合），主軸電機反轉(zhuǎn)。 正如上面所指出的那樣，在該正反轉(zhuǎn)控制電路中，兩個接觸器的常閉觸頭KM3和KM4互鎖。所以在進行電動機的換向操作時，必須先按下停止按鈕才能反向啟動。 （3）停止過程 按下急停按鈕SB1，則繼電器RA2斷電，RA2的輔助觸點斷開，從而使得與之串聯(lián)在一起的繼電器RA1斷電，RA1的輔助觸點斷開。與RA1的觸點串聯(lián)的接觸器KM2線圈斷電，同時接觸器KM1的觸頭也斷開。KM2線圈斷電使步進電機斷電。KM2的觸頭也會隨KM2線圈的斷電而斷開，則主軸控制電路斷電。KM1觸頭的斷開也會使控制電路斷電。 另外，若是行程開關(guān)接通，也會使繼電器RA2斷電，同理，整個控制電路也將會斷電。 補充：若為按下急停，X30有效，單片機控制電路無法正常啟動；若為行程開關(guān)接通（206為高電平），X30無效，單片機控制電路可以正常啟動，認知超程錯誤。 第4章 PLC控制程序的設(shè)計 4.1 PLC程序設(shè)計方法 4.1.1 PLC的編程語言 國際電工委員會（IEC）于1994年5月公布了可編程序控制器語言標(biāo)準(zhǔn)(IEC61131-3),詳細地說明了句法、語義和下述5種編程語言： ⑴ 順序功能圖(Seouential function chart)； ⑵ 梯形圖(Ladder diagram)； ⑶ 功能塊圖(Function block diagram)； ⑷ 指令表(Instruction list)； ⑸ 結(jié)構(gòu)文本(Structured text)。 該標(biāo)準(zhǔn)中有兩種圖形語言——梯形圖（LD）和功能塊圖（FBD），還有兩種文字語言——指令表（IL）和結(jié)構(gòu)文本（ST），順序功能圖（SFC）是一種結(jié)構(gòu)塊控制程序流程圖。[8] 其中，梯形圖是使用的最多的圖形編程語言，有PLC第一編程語言之稱。梯形圖采用類似于繼電器觸點、線圈的圖形符號，容易理解和掌握。梯形圖常被稱為程序，梯形圖的設(shè)計稱為編程。梯形圖也很適合于開關(guān)量邏輯控制。本文也采用梯形圖進行程序的編制。 4.1.2 PLC程序設(shè)計步驟 圖4-1所示為PLC控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試的一般步驟。 -0 圖4-1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試的一般步驟 4.2 PLC程序的模塊化設(shè)計 由于車床的操作過程復(fù)雜，機加工控制對象每一工作循環(huán)周期的控制關(guān)系比較復(fù)雜，因此，如果將各種控制程序“混合”在一起設(shè)計，則各程序間必然會相互“牽連”，從而使設(shè)計的難度成倍增大。 為此作者決定在PLC用戶程序程序設(shè)計中，采用模塊化設(shè)計思想，即對系統(tǒng)按照控制功能進行模塊劃分，將不同功能的程序放在不同的模塊中設(shè)計，依次對各控制功能的模塊設(shè)計梯形圖。這樣，使得每一部分的程序都可以單獨設(shè)計和修改，也就是說設(shè)計和修改某一部分程序時，不必擔(dān)心會對另一部分程序造成影響。程序結(jié)構(gòu)清晰，便于調(diào)試，還可以根據(jù)需要靈活增加其他控制功能。 本次設(shè)計中，綜合車床的特點，在開發(fā)該機床的PLC控制程序的過程中將PLC程序劃分為7個模塊，即公用程序模塊、主軸模塊、坐標(biāo)軸控制模塊、潤滑控制模塊、自動換刀模塊、報警模塊和冷卻控制模塊。 4.3 輸入輸出分配 接下來就是編制I/O分配表。I/O分配表是設(shè)計梯形圖程序的基礎(chǔ)資料之一，也是設(shè)計PLC控制系統(tǒng)時必須首先完成的工作，會給PLC系統(tǒng)軟件設(shè)計和系統(tǒng)調(diào)試帶來很多方便。 在編制I/O分配表時，同類型的輸入點或輸出點盡量集中在一起,連續(xù)分配。本次程序開發(fā)所用I/O分配見表4-1所示。 表4-1 輸入輸出設(shè)備與PLC輸入輸出端子分配一覽表 輸入端 輸出端 輸入設(shè)備 輸入端子號 輸 出 輸出端子號 旋鈕開關(guān) X0—X13 循環(huán)啟動 Y0 循環(huán)啟動按鈕 X14 進給保持 Y1 進給保持按鈕 X15 單 段 Y2 單段按鈕 X16 機床鎖住 Y3 機床鎖住按鈕 X17 快 進 Y4 主軸正轉(zhuǎn)按鈕 X20 主軸正轉(zhuǎn) Y5 主軸反轉(zhuǎn)按鈕 X21 主軸反轉(zhuǎn) Y6 主軸停按鈕 X22 主軸停 Y7 X向退按鈕 X23 X向退 Y10 X向進按鈕 X24 X向進 Y11 Z向退按鈕 X25 Z向退 Y12 Z向進按鈕 X26 Z向進 Y13 快進按鈕 X27 NC報警 Y14 急停按鈕 X30 超程報警 Y15 超程解除按鈕 X33 X回參考點 Y16 Z正向行程開關(guān) X34 Z回參考點 Y17 Z反向行程開關(guān) X35 進行潤滑 Y20 X正向行程開關(guān) X36 潤滑故障報警 Y21 X反向行程開關(guān) X37 換刀完成 Y22 冷卻開按鈕 X40 刀架正轉(zhuǎn) Y23 冷卻關(guān)按鈕 X41 驅(qū)動指示 Y24 潤滑電機起動按鈕 X42 冷卻開 Y25 潤滑油路壓力繼電器 X43 X軸驅(qū)動使能 Y26 1～4號刀到位 X44—X47 Z軸驅(qū)動使能 Y27 換刀按鈕 X50 4.4 梯形圖程序設(shè)計 在本次程序開發(fā)過程中采用的是FXGP_WIN-C編程軟件。FXGP_WIN-C是在Windows操作系統(tǒng)下運行的FX系列PLC的專用編程軟件，操作界面簡單方便，在該軟件中可通過梯形圖、指令表及SFC 符號來編寫PLC程序。創(chuàng)建的程序可在串行系統(tǒng)中與PLC進行通訊、文件傳送、操作監(jiān)控以及完成各種測試功能。 4.4.1 梯形圖總體框圖 圖 4-2 所示為該控制系統(tǒng)的PLC梯形圖程序的總體結(jié)構(gòu)，將程序分為公用程序、回原點程序、主軸控制程序、坐標(biāo)軸控制程序、報警處理程序、定時潤滑控制程序、冷卻程序、自動換刀控制程序八個部分。 公用程序 回原點程序 主軸控制程序 坐標(biāo)軸控制 報警處理程序 定時潤滑控制 冷卻程序 自動換刀控制 圖 4-2 PLC程序總體結(jié)構(gòu) 最大限度地滿足被控對象的控制要求，是PLC應(yīng)用程序設(shè)計的一大原則。在構(gòu)思出這個程序主體的框架后，接下來就是以它為主線，逐一編寫各子程序。 4.4.2 公用程序 公用程序如圖 4-3 所示。 圖 4-3 公用程序 4.4.3 回原點程序 在正式進行數(shù)控加工之前，刀架應(yīng)當(dāng)先回零，回零之后刀架在機床坐標(biāo)系中的位置就定下來了。 圖4-4 回原點控制梯形圖 圖4-4 所示為刀架自動回原點的梯形圖。 撥開回原點起動按鈕X12，M14變?yōu)镺N, 刀架開始向X和Z兩個方向退，退到X正向行程開關(guān)時X36為ON，刀架向Z方向退，到Z向限位處時，X34變?yōu)镺N, Z方向也停止并將M14復(fù)位。這時原點條件滿足，M0為ON，在公用程序中，初始步M0被置位，為以后的工作做好了準(zhǔn)備。 4.4.4 主軸控制程序 數(shù)控機床主軸控制包括主軸正反轉(zhuǎn)控制和主軸停轉(zhuǎn)控制等。 圖4-5 主軸控制流程圖 圖4-6 主軸控制梯形圖 在梯形圖中，主軸正、反轉(zhuǎn)之間有邏輯互鎖關(guān)系，以免控制功能切換時發(fā)生故障。除此之外，必須采用PLC內(nèi)部的時間繼電器進行延時控制，否則會造成正、反轉(zhuǎn)接觸器同時接通而引起電源短路。這是因為PLC執(zhí)行程序的速度要比接觸器動作速度快得多。程序中用定時器T0和T1來完成5s的轉(zhuǎn)換延時。另外，還利用PLC內(nèi)部的輔助繼電器M03和M04作為正反轉(zhuǎn)控制的輔助繼電器。 4.4.5 坐標(biāo)軸控制程序 坐標(biāo)軸控制設(shè)計的核心是圍繞坐標(biāo)軸驅(qū)動允許而展開的 [10]。它包括超程、驅(qū)動故障、坐標(biāo)軸緊停、坐標(biāo)軸正常停止等的控制。一方面為PLC給出坐標(biāo)軸可以運動的信號，另一方面又控制著電機運行。 對驅(qū)動器使能、監(jiān)控硬限位和參考點碰塊等的控制邏輯為： 限位開關(guān) 超程 自保持 復(fù)位 驅(qū)動故障 驅(qū)動允許 超程 驅(qū)動允許 緊停 軸停 圖4.7 坐標(biāo)軸控制邏輯設(shè)計 圖4-8 坐標(biāo)軸控制梯形圖 圖4-9 一種可能的坐標(biāo)軸運動流程圖 4.4.6 報警處理程序 在PLC 控制系統(tǒng)發(fā)生事故、故障時都應(yīng)發(fā)出報警信號,一般是聲光報警信號。此處用PLC基本邏輯指令實現(xiàn)報警功能,其梯形圖如圖4.10 所示。 圖4-10 報警控制梯形圖 當(dāng)反向行程開關(guān)X35、X37被碰到時，繼存器M13接通。同時，特殊繼存器M8013周期性的通斷，與之相連的報警指示燈閃爍，當(dāng)按下“超程解除” 按鈕X33，繼存器M12接通，報警指示燈熄滅。 另外，當(dāng)反向行程開關(guān)接通報警后，將會控制整個機床停止運動。 說明：行程開關(guān)又稱限位開關(guān)，用于控制機械設(shè)備的行程及限位保護。將行程開關(guān)安裝在預(yù)先安排的位置，當(dāng)運動部件上的擋塊撞擊行程開關(guān)時，行程開關(guān)的觸點動作，實現(xiàn)電路的切換。 4.4.7 定時潤滑控制程序 對于機床潤滑系統(tǒng)的改造可加裝潤滑泵，通過設(shè)定潤滑時間的方法進行，這樣可降低手工潤滑的勞動強度，提高設(shè)備可靠性。正常情況下按規(guī)定的時間間隔周期性自動啟動，每次按給定時間潤滑。 潤滑系統(tǒng)的控制過程如下：在正常工作時，按下潤滑電機起動按鈕后，系統(tǒng)即開始進行潤滑，運行10秒后停止，停止30分鐘后重新開始進行潤滑，如此循環(huán)往復(fù)下去。 同時，PLC還對潤滑系統(tǒng)的狀態(tài)進行監(jiān)測。PLC在潤滑系統(tǒng)開始進行潤滑后即通過潤滑油路壓力繼電器檢查潤滑油路中潤滑油的流動是否正常，若壓力繼電器一 直閉合，說明油路有堵塞。潤滑的5秒定時時間到了之后，開始30分鐘的間隔，此時如果油路中還有油，說明油路有泄露。在這兩種情況下，PLC都會報警，潤滑就會停止。 定時潤滑的控制流程如圖4-11。 啟動潤滑 進入潤滑狀態(tài) 管路中有 油？ 否 是 計時10秒后 停止?jié)櫥? 停止?jié)櫥笥嫊r30分鐘 停止?jié)櫥? 30分鐘內(nèi) 管路中無油？ 是 否 潤 滑 報 警 圖4-11 定時潤滑控制流程圖 使用FXGP_WIN-C軟件編寫的梯形圖程序如圖4.12。 圖4-12 潤滑控制梯形圖 4.4.8 冷卻程序 冷卻是根據(jù)加工任務(wù)來選用的，通過操作面板上的冷卻啟動和停止按鈕來進行控制。在急停生效時，冷卻輸出禁止。 圖4-13 冷卻控制梯形圖 4.4.9 自動換刀控制程序 數(shù)控機床要求能夠準(zhǔn)確、快速地換刀。為提高換刀的效率和定位精度， 滿足在一次裝夾下完成多工序加工的需要，采用電動刀架替換原有的手動刀架。電動刀架可實現(xiàn)刀架的自動回轉(zhuǎn)和自動換刀，因而可提高加工效率和刀具的重復(fù)定位精度。此處選擇結(jié)構(gòu)簡單、體積小、剛性好、價格便宜的四刀位電動刀架。 另外，采用電動刀架,也可使機械結(jié)構(gòu)簡單,省去大量液壓管路。選用自動轉(zhuǎn)位電動刀架，刀架上同時安裝四把不同的車刀，可在一個工序中依次用四把車刀自動完成幾個表面的加工。這對于加工形狀復(fù)雜、加工表面較多、相對位置精度要求較高的零件是特別適宜的。 發(fā)出換刀指令 自動換刀的控制流程如圖4.14。 T0D6 T1D5 D5 = D6 ? 換刀完成 是 D5 ＞D6 ? 否 是 否 D5－D6＋4 D8 D5－D6 D8 刀架正轉(zhuǎn) 計數(shù)器計數(shù) 換刀完成 圖4-14 自動換刀控制流程圖 該控制的設(shè)計充分利用了PLC具有豐富的數(shù)據(jù)功能指令的優(yōu)點，用數(shù)據(jù)指令來進行判斷比較。假設(shè)T0是實際刀號,T1為待換刀號。數(shù)據(jù)寄存器D6存放 實際刀號，D5存放待換刀號。D7存放待換刀號與實際刀號的差值。 用比較指令CMP進行數(shù)據(jù)比較。比較結(jié)果使M17，M18，M19中的一個接通。當(dāng)D5大于D6時，M17接通；D5等于D6時，M18接通；D5小于D6時，M19接通。在程序中首先對D5和D6中存放的值進行比較，判斷是否到位。當(dāng)D5＝D6時，表示刀號相符；當(dāng)D5＞D6時，將D5－D6的值存放到D8中，當(dāng)D5＜D6時，將D5－D6＋4的值存放到D8中。D8中存放的是旋轉(zhuǎn)刀位數(shù)，將它作為計數(shù)器的計數(shù)值，由計數(shù)器對轉(zhuǎn)過的刀位進行計數(shù)，當(dāng)計數(shù)值到，表示換刀結(jié)束。 圖4-15 自動換刀控制梯形圖 4.4.10 需要說明的問題 一般而言，PLC應(yīng)用程序通常還應(yīng)包括初始化程序，用來將計數(shù)器進行清零、對某些輸出量置位或復(fù)位等，以防止系統(tǒng)發(fā)生誤動作。考慮到本控制系統(tǒng)中各模塊之間差異較大，沒有專門編制這一子程序，而是將這些內(nèi)容穿插在相關(guān)的子程序中。 4.5 梯形圖程序的調(diào)試 調(diào)試是PLC控制程序開發(fā)過程中的一個重要環(huán)節(jié)。 所編寫的用戶程序在實驗室進行了模擬調(diào)試，實際的輸入信號用按鈕來模擬，各輸出量的通/斷狀態(tài)則用有關(guān)的發(fā)光二極管來顯示。在適當(dāng)?shù)臅r候用開關(guān)或按鈕來模擬實際的反饋信號，如限位開關(guān)的接通和斷開。 通過調(diào)試，確實發(fā)現(xiàn)了一些關(guān)鍵的問題，有的是對于某些指令的含義的理解存在偏差，有的是程序的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，還有則是對于程序在實際執(zhí)行中可能出現(xiàn)的問題考慮不周。對于調(diào)試中出現(xiàn)的問題逐一進行了排除,其中的部分程序更是“從頭再來”，采取新的邏輯關(guān)系重新進行設(shè)計，經(jīng)過不斷的調(diào)整和完善，調(diào)試中所發(fā)現(xiàn)的問題都得到了解決。 從上述過程可以看出，程序設(shè)計完成后，調(diào)試是檢驗其正確性的必要手段。在調(diào)試中，對所遇到的各類問題予以處理解決，不僅對程序設(shè)計進行了檢驗修正，同時還可從實際運行中改進、優(yōu)化、完善整個程序的設(shè)計工作。 總之，通過調(diào)試這個環(huán)節(jié)，進一步提高了程序的正確性和可靠性，也使自己對于某些指令的理解更加全面，并且學(xué)到了一些難得的程序設(shè)計經(jīng)驗。 4.6 本章小結(jié) PLC 作為先進的自動控制裝置，可以應(yīng)用于多種自動化控制系統(tǒng)中。在車床電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，屬于PLC 的一種典型控制。系統(tǒng)的設(shè)計過程也是PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計思想的典型應(yīng)用。 在這一章中，采用模塊化設(shè)計思想，分八個模塊詳盡地展示了PLC控制程序的開發(fā)過程。各模塊的程序設(shè)計方法也是各不相同的，PLC控制程序設(shè)計中的經(jīng)驗設(shè)計法、順序設(shè)計法和繼電器控制線路移植法這三種常用方法都根據(jù)不同情況有所采用。 程序編寫完以后，通過調(diào)試，除了可以判斷程序的正誤外，還能在實踐中進一步提高程序的正確性和可靠性。 結(jié) 論 實現(xiàn)機床數(shù)控化是我國當(dāng)前正在機械行業(yè)進行的一項大的信息化工程，這對于提升我國工業(yè)裝備水平有著重要的意義。所以開展此類有關(guān)機床改造的技術(shù)方案的研究從而切實有效地推進這項工程，很有意義。 （1）本文完成的主要工作 本人在基于CK9930的PLC控制程序的開發(fā)中完成了以下工作： ① 以機床為典型對象，深入了解了電氣自動控制技術(shù)的基本原理、方 法和 應(yīng)用，并重點分析了該車床的電氣控制電路，熟悉了被控對象的工作原理。 ② 比較系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了PLC的工作原理、特點及控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。 ③ 利用三菱PLC完成了PLC控制程序的開發(fā)以代替原繼電器--接觸器控 制方式。 ④ 為了進一步完善控制系統(tǒng)，在保留原有控制功能基礎(chǔ)上，增加了自動換刀、定時潤滑等功能。 ⑤ 完成了程序的修改、調(diào)試、運行等工作。 ⑥ 了解了機床數(shù)控改造的相關(guān)知識。 機床的電氣控制系統(tǒng)經(jīng)過改造后，在保留原有控制功能基礎(chǔ)上，提高了整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可維護性，對機械性能良好而電氣控制系統(tǒng)落后且容易出現(xiàn)問題的機床來說，是一種較好的改造方案。利用PLC對普通機床進行改造不僅提高了機床的性能，而且利用了原有的設(shè)備,節(jié)約了資源。 （2）程序設(shè)計體會： PLC編程中最常用到的是3個元素：線圈、觸點和時間繼電器(定時器)。 ①線圈。一般，電氣控制原理都比較復(fù)雜，各部分之間的相互關(guān)系錯綜復(fù)雜，要想理順整個控制過程和動作順序相當(dāng)麻煩。而線圈(無論是繼電器還是接觸器)在梯形圖中只能出現(xiàn)一次，所以設(shè)計程序時要抓住它。當(dāng)決定了它出現(xiàn)在梯形圖的哪一個網(wǎng)絡(luò)后，針對這個特定線圈的所有依屬關(guān)系都要出現(xiàn)在這個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。這時只要將電氣原理圖中相應(yīng)的觸點從和連接線引入這個網(wǎng)絡(luò)即可。 ② 將控制原理圖中的按鈕開關(guān)變換為輸入觸點。中間繼電器或接觸器的輔助觸頭變換為輸出或寄存器等，相應(yīng)的連線在PLC梯形圖中對應(yīng)連接好。 ③ 合理且巧妙地使用定時器。在本次車床的PLC控制梯形圖設(shè)計中就恰到好處地使用它來實現(xiàn)或取代了一些功能，其簡捷、準(zhǔn)確的控制功能是其他控制方式所難以比擬的。 （3）通過對此項目的設(shè)計研究、調(diào)試運行，我的收獲很大： ①我對機床，特別是車床有了深刻的了解，對車床的工作原理、組成結(jié)構(gòu)、電氣控制等方面的知識進行了全面的學(xué)習(xí)。 ②系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了PLC的相關(guān)知識。閱讀了大量有關(guān)PLC的書刊及相關(guān)技術(shù)資料，為今后從事控制系統(tǒng)設(shè)計工作奠定了基礎(chǔ)。 ③訓(xùn)練了綜合運用知識的能力，鍛煉了實踐操作能力。 總之，有了這次的設(shè)計改造經(jīng)驗，我今后的學(xué)習(xí)與工作發(fā)展就有了一個新的起點。  致 謝 本論文是在王增法高級工程師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。他嚴肅的科學(xué)態(tài)度，嚴謹?shù)膶W(xué)術(shù)風(fēng)范，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到論文的最終完成，王工都始終給予我細心的指導(dǎo)和不懈的支持。在此謹向王工致以誠摯的謝意和崇高的敬意。 在此，我還要感謝和我一起愉快度過本科生活的09級中南機制的各位同學(xué)，由于你們的熱情幫助和支持，我才能克服一個又一個的困難和疑惑，直至本論文的順利完成。還要感謝我的師姐、師哥們，她們對我的課題提出了不少意見，做了不少工作，給予我不少的幫助。在這論文即將完成之際，我的心情卻無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，不知有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請都接受我最誠摯的謝意！ 最后，在此對閱讀評審本論文的各位老師，表示由衷的感謝！ 參考文獻 [1] 杜柳青主編. 數(shù)控機床電氣控制. 重慶：重慶大學(xué)出版社，2006 [2] 王淑英主編.電器控制與PLC控制技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，2005 [3] 廖常初主編. 可編程序控制器的編程方法與工程應(yīng)用. 重慶：重慶大學(xué)出版社，2001 [4] 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[7] Mitsubishi Electric Corporation. FX2N系列微型可編程控制器使用手冊，1999 [8] Mitsubishi Electric Corporation. 三菱微型可編程控制器 FX2N系列編程手冊，1999 附 錄 梯形圖程序：