多工步加工專用機(jī)床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、成績(jī)南京工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書(論文)題 目多工步加工專用機(jī)床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 課程名稱 機(jī)電傳動(dòng)控制課程設(shè)計(jì) 院（系、部、中心） 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí) 機(jī)制121 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 設(shè)計(jì)地點(diǎn) 2-201 指導(dǎo)教師 設(shè)計(jì)起止時(shí)間： 2015年 6 月 8 日至 2015 年 6月 12 日目 錄1 任務(wù)說明11.1 多工步加工專用機(jī)床結(jié)構(gòu)11.2 機(jī)床加工零件工藝過程12 任務(wù)分析22.1 機(jī)床工作方式22.2 機(jī)床工作過程32.3 多工步加工專用機(jī)床控制系統(tǒng)元件與工作要求32.4 多工步加工專用機(jī)床安全穩(wěn)定工作要求43 控制方案設(shè)計(jì)43.1 總體方案設(shè)計(jì)43.

2、1.1多工步加工專用機(jī)床控制要求分析43.1.2多工步加工專用機(jī)床控制方案43.2 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)53.3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)73.3.1電器元件信號(hào)與PLC連接的通道分配73.3.2多工步加工專用機(jī)床自動(dòng)工作控制流程設(shè)計(jì)84 控制流程分析95 控制程序設(shè)計(jì)96 總結(jié)167 參考文獻(xiàn)171 任務(wù)說明1.1 多工步加工專用機(jī)床結(jié)構(gòu)專用機(jī)床根據(jù)特定工件規(guī)定的加工工藝要求而設(shè)計(jì)制造的一種高效率自動(dòng)化專用加工設(shè)備。常采用多刀（多軸）、多面、多工步同時(shí)進(jìn)行鉆、擴(kuò)、鉸、鏜、銑等加工工件，并且具有自動(dòng)工作循環(huán)的功能，在機(jī)械制造業(yè)的成批和大量產(chǎn)品的生產(chǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。多工步加工專用機(jī)床采用7把刀具按7個(gè)工步的要

3、求依次對(duì)工件進(jìn)行加工。機(jī)床由轉(zhuǎn)塔刀架，主軸箱及主軸，和走刀機(jī)構(gòu)組成，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)走刀機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)刀架完成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，刀架回轉(zhuǎn)完成換刀操作。機(jī)床采用行程開關(guān)檢測(cè)機(jī)床是否達(dá)到預(yù)定位置，機(jī)床結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)部件工作循環(huán)如圖1-1所示。圖1-1多工步加工專用機(jī)床結(jié)構(gòu)與動(dòng)力部件工作循環(huán)圖1.2 機(jī)床加工零件工藝過程多工步加工專用機(jī)床自動(dòng)加工零件的工藝過程如圖1-2所示，由人工將工件放置在主軸端卡盤內(nèi)夾緊，啟動(dòng)自動(dòng)加工過程。自動(dòng)加工中，首先走刀機(jī)構(gòu)帶動(dòng)刀架快速接近工件，然后轉(zhuǎn)為工件慢速進(jìn)給鉆孔，加工完成后快速退回原位，結(jié)束一個(gè)工步的加工；緊接著刀架夾緊裝置松開，刀架轉(zhuǎn)到下一刀具位置，夾緊

4、裝置夾緊刀架后，開始第二工步加工；當(dāng)6把刀具依次完成加工后，人工取出完成加工的零件，結(jié)束一次加工循環(huán)過程。圖1-2多工步加工專用機(jī)床加工零件工藝過程2 任務(wù)分析2.1 機(jī)床工作方式為保證多工步加工專用機(jī)床能夠處于正常工作，要求機(jī)床具備二種工作方式：走刀進(jìn)給部件能夠點(diǎn)動(dòng)向前調(diào)整，以及進(jìn)給部件不在原位時(shí)能夠快速復(fù)位；走刀機(jī)構(gòu)和刀機(jī)能夠分別實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)調(diào)整過程；整機(jī)全自動(dòng)工作循環(huán)加工工作；2.2 機(jī)床工作過程機(jī)床工作過程是機(jī)床在正常加工時(shí)整機(jī)全自動(dòng)循環(huán)的工作過程，加工過程需要滿足如下工作要求：按下啟動(dòng)按鈕，液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)夾緊裝置夾緊刀架，夾緊后壓力繼電器發(fā)出夾緊信號(hào)；走刀機(jī)構(gòu)快進(jìn)，并同時(shí)啟動(dòng)主軸電機(jī)；

5、走刀機(jī)構(gòu)快進(jìn)達(dá)到工件附近后，由快進(jìn)轉(zhuǎn)為工進(jìn)，進(jìn)行鉆削加工；加工完畢后，走刀機(jī)構(gòu)停留2秒后，快速退回原位；夾緊裝置松開刀架，液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)刀架轉(zhuǎn)動(dòng)換刀，同時(shí)；刀架夾緊裝置夾緊刀架，開始下一工步加工；所有加工工步完成，走刀機(jī)構(gòu)退回原位，主軸電機(jī)停。2.3 多工步加工專用機(jī)床控制系統(tǒng)元件與工作要求多工步加工專用機(jī)床的主軸電機(jī)為2.2kw，液壓站液壓泵電動(dòng)機(jī)為3kw，走刀機(jī)構(gòu)及夾緊裝置動(dòng)作方向通過電磁閥控制。自動(dòng)循環(huán)工作時(shí)，所有工作狀態(tài)切換由行程開關(guān)控制。電器元件工作關(guān)系如表2-1所示。表2-1 電器元件工作關(guān)系表工作狀態(tài)走刀機(jī)構(gòu)刀架及刀架夾緊裝置主令電器YV1YV2YV3M1 YV4YV5YV6夾緊刀

6、架SB2快進(jìn)SP、SQ1工進(jìn)SQ2停留SQ3快退KT放松刀架SQ1換刀轉(zhuǎn)位SQ5（下一工步夾緊刀架）SQ4（加工結(jié)束）SQ12.4 多工步加工專用機(jī)床安全穩(wěn)定工作要求具有運(yùn)動(dòng)部件間安全工作的聯(lián)鎖功能；具有位置保護(hù)功能（如極限限位、越位、相對(duì)位置保護(hù)）；電氣控制系統(tǒng)具有短路，電動(dòng)機(jī)過載等保護(hù)功能；具有應(yīng)急操作功能；具有照指示燈輔助功能。3 控制方案設(shè)計(jì)3.1 總體方案設(shè)計(jì)3.1.1多工步加工專用機(jī)床控制要求分析根據(jù)多工步加工機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)分析，確定設(shè)備條件和控制要求如下：電氣控制系統(tǒng)的控制對(duì)象為一進(jìn)行自動(dòng)循環(huán)加工零件的機(jī)械設(shè)備，采用電氣-液壓-機(jī)械組合的傳動(dòng)方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制。設(shè)備位于溫帶

7、室內(nèi)車間，工作環(huán)境較好，對(duì)控制系統(tǒng)無特殊要求；設(shè)備安裝在機(jī)械加工車間，由車間低壓電網(wǎng)供電，設(shè)備驅(qū)動(dòng)電壓380v，供電頻率50赫茲；設(shè)備電氣控制為普通開關(guān)量控制，要求自動(dòng)完成零件切削加工過程，單個(gè)運(yùn)動(dòng)部件能夠獨(dú)立調(diào)整操作，同時(shí)設(shè)備具有電氣保護(hù)及聯(lián)鎖保護(hù)等功能。3.1.2多工步加工專用機(jī)床控制方案由設(shè)備條件和控制要求分析結(jié)果可確定控制方案如下：多工步加工專用機(jī)床控制系統(tǒng)采用開關(guān)量控制；基于設(shè)備自動(dòng)工作的要求，選擇PLC為主要控制器件構(gòu)成控制系統(tǒng)，由于控制對(duì)象為單機(jī)設(shè)備，控制系統(tǒng)屬于小型系統(tǒng)，因此選用三菱公司型號(hào)為FX2N的PLC產(chǎn)品；由工作要求確定，控制系統(tǒng)可運(yùn)行在3種模式下，即全自動(dòng)工作循環(huán)，半

8、自動(dòng)循環(huán)和手動(dòng)調(diào)整工作；2臺(tái)電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)控制，單方向轉(zhuǎn)動(dòng)；電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路三相電源供電，線電壓380v；PLC主機(jī)工作電源為交流電源，電壓220v，交流接觸器線圈使用交流電源，電壓220v；電磁閥的電磁鐵使用24v直流電源，主令控制電器及行程開關(guān)等使用24v直流電源；控制系統(tǒng)具有短路和過載保護(hù)功能，機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件具有聯(lián)鎖保護(hù)功能；使用信號(hào)燈顯示機(jī)床工作狀態(tài)。3.2 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)多工步加工專用機(jī)床電氣控制系統(tǒng)主要由兩個(gè)部分組成，即主電路和由PLC設(shè)備構(gòu)成的控制部分，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過交流接觸器主觸點(diǎn)控制電動(dòng)機(jī)電路的接通與斷開，采用熔斷器和熱繼電器進(jìn)行短路與過載保護(hù)，同時(shí)通過控制變壓器，提供滿足系統(tǒng)工作

9、以及PLC設(shè)備需要的電源電壓，主電路圖如圖3-1所示，PLC端子接線圖如圖3-2所示，系統(tǒng)使用電器元件明細(xì)表如表3-3所示。圖3-1主電路圖圖3-2 I/0接口端子接線圖表3-3 電器元件明細(xì)表符號(hào)名稱及用途符號(hào)名稱及用途M1油泵電動(dòng)機(jī)HL5照明燈M2主軸電動(dòng)機(jī)SB1緊急停止按鈕KM1液壓泵啟動(dòng)接觸器SB2電壓泵啟動(dòng)按鈕KM2主軸電機(jī)啟動(dòng)接觸器SB3自動(dòng)循環(huán)開始按鈕SQ1SQ3行程開關(guān)SB4進(jìn)入自動(dòng)循環(huán)按鈕SQ4換刀到位開關(guān)SB5點(diǎn)動(dòng)向前按鈕SQ5放松到位開關(guān)SB6復(fù)位按鈕SP夾緊到位開關(guān)SB7工進(jìn)點(diǎn)動(dòng)按鈕SA1照明燈開關(guān)SB8手動(dòng)換刀按鈕SA2自動(dòng)/手動(dòng)選擇開關(guān)SB9一次進(jìn)刀按鈕SA3手動(dòng)主

10、軸啟動(dòng)SB10自動(dòng)換刀按鈕QFPLC電源開關(guān)SB11退出自動(dòng)循環(huán)按鈕QS電源隔離開關(guān)SB12手動(dòng)放松按鈕TC控制變壓器SB13手動(dòng)夾緊按鈕FU1FU5短路保護(hù)熔斷器YV1YV6電磁閥電磁鐵HL1液壓泵指示燈FR1FR2電動(dòng)機(jī)過載熱繼電器HL2自動(dòng)指示燈VC整流器HL3主軸指示燈HL4手動(dòng)指示燈3.3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.3.1 電器元件信號(hào)與PLC連接的通道分配電器元件信號(hào)與PLC通道分配的目的是為每一個(gè)需要PLC處理的信號(hào)設(shè)備信號(hào)獲得進(jìn)入PLC的通道和存放信號(hào)狀態(tài)的地址。依據(jù)控制方案選定的三菱FX2N系列PLC產(chǎn)品，以及對(duì)設(shè)備信號(hào)分析結(jié)果，電器元件信號(hào)與PLC連接的通道分配如表3-4所示表3

11、-4電器元件信號(hào)與PLC連接的通道分配表輸入輸出元件通道地址說明元件通道地址說明SB1X000總停按鈕SQ1X017原位限位開關(guān)SB2X001油泵啟動(dòng)按鈕SQ2X020快進(jìn)限位開關(guān)SB3X002開始自動(dòng)循環(huán)按鈕SQ3X021工進(jìn)限位開關(guān)SB4X003進(jìn)入自動(dòng)循環(huán)按鈕SQ4X022換刀到位開關(guān)SB5X004點(diǎn)動(dòng)向前按鈕SQ5X023放松到位開關(guān)SB6X005復(fù)位按鈕SPX024夾緊到位開關(guān)SB7X006工進(jìn)點(diǎn)動(dòng)按鈕HL1Y001液壓泵指示燈SB8X007手動(dòng)換刀按鈕HL2Y002自動(dòng)指示燈SB9X010一次進(jìn)刀按鈕HL3Y003主軸指示燈SB10X011自動(dòng)換刀按鈕HL4Y004手動(dòng)指示燈SB1

12、1X012退出自動(dòng)循環(huán)按鈕KM1Y005液壓泵電機(jī)接觸器SB12X013手動(dòng)放松按鈕KM2Y006主軸電機(jī)接觸器SB13X014手動(dòng)夾緊按鈕YV2Y010電磁閥電磁鐵SA1X015手動(dòng)/自動(dòng)選擇YV3Y011電磁閥電磁鐵SA3X016主軸啟動(dòng)按鈕YV4Y012電磁閥電磁鐵YV1Y007電磁閥電磁鐵YV5Y013電磁閥電磁鐵YV6Y014電磁閥電磁鐵3.3.2多工步加工專用機(jī)床自動(dòng)工作控制流程設(shè)計(jì)由于控制系統(tǒng)選擇三菱系列PLC，該產(chǎn)品具有順序控制的特殊用法，即步進(jìn)控制。步進(jìn)控制采用狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方式簡(jiǎn)化控制條件，使得控制程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔方便，多工步加工專用機(jī)床工作過過程為典型順序控制，因此采用步進(jìn)控制，

13、其控制流程采用與控制流程圖功能一致的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖（功能圖）描述。設(shè)計(jì)完成的設(shè)備自動(dòng)工作控制狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3-5所示。3-5多工步加工專用機(jī)床流程圖4 控制流程分析多工步加工專用機(jī)床功能圖圖中，使用選擇開關(guān)SA1選擇機(jī)床自動(dòng)加工工作或手動(dòng)調(diào)整工作，依據(jù)選擇不同，可以進(jìn)入不同的工作狀態(tài)，觸發(fā)狀態(tài)器S20進(jìn)入自動(dòng)工作狀態(tài)，觸發(fā)狀態(tài)器S29進(jìn)入手動(dòng)調(diào)整狀態(tài)。進(jìn)入自動(dòng)工作狀態(tài)后，先進(jìn)行夾緊。確定夾緊后，由行程開關(guān)控制當(dāng)前工作狀態(tài)（快進(jìn)、工進(jìn)、停留、快退）。其中，停留時(shí)間由時(shí)間繼電器控制。待快退到位后，放松刀架并進(jìn)行換刀。由計(jì)數(shù)器判斷是否完成了一次加工循環(huán)，若未完成且確定仍舊使用自動(dòng)加工，則返回并觸發(fā)狀態(tài)器

14、S20,再進(jìn)行一次工步。若完成了一次工作循環(huán)程序結(jié)束返回等待。若放棄自動(dòng)加工則轉(zhuǎn)移至S29狀態(tài)器進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。手動(dòng)調(diào)整中可選擇相應(yīng)開關(guān)進(jìn)行前后調(diào)整、返回原點(diǎn)以及手動(dòng)換刀等，也可選擇進(jìn)行加工動(dòng)作，手動(dòng)完成一個(gè)工步。5 控制程序設(shè)計(jì)多工步機(jī)床設(shè)備控制程序設(shè)計(jì)是編制輸入PLC主機(jī)，實(shí)現(xiàn)控制功能的程序，程序編制依據(jù)控制功能圖（狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖）的結(jié)構(gòu)和控制信號(hào)關(guān)系，使用梯形圖或指令表的方法編制。由于梯形圖能夠圖形化地表達(dá)控制邏輯關(guān)系，同時(shí)編程軟件可以自動(dòng)將梯形圖程序與指令表程序進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此工業(yè)污水處理設(shè)備控制程序采用梯形圖方法，機(jī)床控制梯形圖如圖4-1所示，以及程序指令代碼圖4-2。在步進(jìn)控制中，當(dāng)前狀態(tài)

15、轉(zhuǎn)移到下一狀態(tài)時(shí)，當(dāng)前狀態(tài)中所有輸出將自動(dòng)關(guān)閉，對(duì)于需要在多個(gè)狀態(tài)中保持接通的輸出電器，必須采用強(qiáng)制置位（SET）和復(fù)位（RST）的方法保證電器能夠正常接通和斷開。設(shè)計(jì)完成的控制系統(tǒng)中，完成工作控制的plc程序是否能正確完成所有的控制要求，需要給予檢驗(yàn)，以防止安裝實(shí)際設(shè)備后不能滿足控制要求。程序檢驗(yàn)采用仿真設(shè)備進(jìn)行，仿真設(shè)備由輸入設(shè)備，輸出信號(hào)顯示設(shè)備、plc設(shè)備和plc程序輸入設(shè)備構(gòu)成，各組成部分使用快速連接接頭連接，可以依據(jù)仿真程序要求進(jìn)行搭接。程序調(diào)試與仿真工作內(nèi)容包括使用程序輸入設(shè)備（計(jì)算機(jī)及編程軟件）輸入編制的控制程序，編制輸入/輸出信號(hào)與工作狀態(tài)關(guān)系表，依據(jù)設(shè)備要求搭接仿真控制系統(tǒng)，仿真檢驗(yàn)程序以及修改程序。圖4-1 多工步加工專用機(jī)床控制梯形圖程序 4-2 程序指令代碼圖6 總結(jié)經(jīng)過這一周的實(shí)習(xí)，以下問題得到了解決：1. 通過查閱資料以及教學(xué)視頻，了解了使用GX Developer編寫SFC圖的方法；2. 通過討論，學(xué)會(huì)了自鎖的相關(guān)應(yīng)用；3. 通過查閱資料，了解了CAD繪制電路圖的相應(yīng)方法。限于所學(xué)的知識(shí)、時(shí)間以及環(huán)境，僅有關(guān)鍵的問題得到了解決，還有部分已知或未知的細(xì)小問題有待發(fā)現(xiàn)和解決。通過相關(guān)資料以及不斷深入的學(xué)習(xí)以及實(shí)踐，一定能夠循序漸進(jìn)的完成更加符合要求的設(shè)計(jì)。7 參考文獻(xiàn)1 宋伯生.PLC編程