基于PLC的自动铣床 控制系统设计

基于PLC的自动铣床控制系统设计设计（论文）题目：基于PLC的自动铣床控制系统姓名系别电气工程系专业电气自动化技术
班级班学号
指导老师教研室主任
一、基本任务及要求：
以PLC为核心，配合智能仪表，实現对自动铣床的自动控制
以及运行状态的检测功能和显示功能。

采用日本三菱公司FX2N
PLC和速度控制模块完成铣床自动加工控制系统的设计，提高铣
床自动加工控制系统的可靠性和加工精度。

设计的主要内容是完成自动控制功能、状态显示和信息检测
所需要的硬件和传感器等元器件的选择。

并完成控制软件设计。

包括：1、总体方案的确定；2、PLC的选择； 3、各模块电路的
设计；4、软件设计；5、编写设计说明书等。

控制系统概况见附件。

二、进度安排及完成时间：
3月7日布置任务、下达设计任务书、具体安排。

3月7日-3月26日查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报
告, 上传到FTP。

4月10日-5月30日毕业设计： 4月10日-4月22日主
要完成系统硬件组建，总线与各节点的连接的初步设计。

4月23
日-5月10日修改系统硬件组建，总线与各节点的连接的设计。

5月11日-5月20日组建系统的部分硬件，总线与各节点的选
自动铣床PLC控制系统
型设计。

5月21日-5月30日完成系统的软件设计。

6月1日-6 月14日撰写毕业设计说明书（论文）。

6月15日-6月17日修改、装订毕业设计说明书、指导教
师评阅。

6月20日毕业设计答辩（公开答辩、分组答辩）。

6月27日-7月3日毕业设计资料归档。

2
毕业设计论文第1章自动铣床的概述 ................................
1
第2章系统总体设计 (2)
第3章铣床生产流程及控制系统构成 ..................... 3 第4章硬件设计 .. (4)
4.1 可编程序控制器PLC的选型 (5)
4.1.1 可编程序控制器物理结构及控制方式的选择 (5)
4.1.2 CPU的能力 (6)
4.1.3 I/O点数的确定 (7)
4.1.4 响应速度 (8)
4.1.5 存储器容量的选择 (9)
4.1.6 可编程序控制器的指令系统 ................ 10 4.2 电动机的选
型 (11)
4.2.1 主运动电动机功率的确定 (11)
4.2.2 进给运动电动机容量的确定 ................ 12 4.3 铣床电动机组的设计 ........................... 13 4.4 铣床常用电器的选
型 (15)
4.4.1 按钮 (15)
4.4.2 刀开关 (15)
4.4.3 组合开关 (15)
4.4.4 行程开关 (16)
4.4.5 接触器 (18)
4.4.6 热继电器 (18)
4.4.7 中间继电器 (19)
4.4.8 熔断器 (20)
4.5 系统供电 (22)
4.6 输入/输出接口电路 ............................ 23 第5章软件设计 . (24)
5.1 铣床电力拖动和控制任务 ....................... 24 5.2 PLC输入/输出地址分配 ......................... 24 5.3 系统程序的设
计 (26)
5.3.1 控制系统的公共程序 ...................... 26 第6章控制面板的设计 .. (28)
第7章 PLC控制系统抗干扰措施 ........................ 29 7.1 硬件抗干扰措施 . (29)
3
自动铣床PLC控制系统
7.1.1 抑制电源系统引入的干扰 (29)
7.1.2 抑制接地系统引入的干扰 (30)
7.1.3 抑制输入输出电路引入的干扰 (31)
7.1.4 抑制外部配线干扰的措施 (31)
7.2 软件抗干扰措施 (32)
结束语 (34)
致谢 (35)
参考文献 (36)
附录A 梯形图 (37)
附录B 指令表 (37)
附录C PLC外接线图 (2)
附录D 电动机组启动接线图 (3)
4
毕业设计论文
摘要
本篇文章介绍了自动铣床PLC控制系统设计方案，并且叙述
了铣床运行的基本原理、PLC的基本原理、PLC的工程设计步骤。

该系统用三菱公司的FX2N系列PLC作为控制核心，整个系
统采用了一台PLC控制，整个控制系统设一个控制室。

利用PLC控制铣床运行，实现了铣床启动、停止、故障停止、紧急停止的
功能，并且有手动控制和自动控制两种控制方式，从而实现了铣床运行的自动化功能。

PLC控制的特点使原机床控制大大的简单
化,并且维修方便,易于检查。

节省大量的继电器元件,使机床的工作效率更高。

关键词：可编程序控制器；铣床；电气控制系统；
Automatic milling machine PLC control system
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自动铣床PLC控制系统
ABSTRACTThis page has introduced the design plan of the
automatic milling machine PLC control system, and has narrated the basic principles of the milling machine’s operation, the basic principles of PLC and the engineering design step of PLC.
This system uses FX2N series PLC of San Ling Company as the
core of controlling, the whole system has adopted a PLC to control, the whole control system sets up a control room and utilize a PLC control milling machine to run. It realized the function of milling machine’s start , stop , trouble stop , stop promptly. And it has two
kinds of control methods the manually control and automatically control, thus realized the automatic function of the milling machine’s
operation.
KEYWORDS: PLC；milling machine；control system
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毕业设计论文
1 随着电子技术的发展，可编程序控制器日益广泛的应用于机械、
电子加工与设备电气改造中。

铣床作为机械加工的通用设备在内燃机配件的生产中一直起
着不可替代的作用。

自动铣床具有工作平稳可靠，操作维护方便，
运转费用低的特点，已成为现代生产中的主要设备。

自动铣床控
制系统的设计是一个很传统的课题，现在随着各种先进精确的诸
多控制仪器的出现，铣床控制的设计方案也越来越先进，越来越
趋于完美，各种参考文献也数不胜数。

在我国70～80年代大多数铣床中,大多数的开关量控制系统都是采用继电器控制,也有相当一部分辅机系统是采用继电控制。

因此,继电器本身固有的缺陷,给铣床的安全和经济运行带来了不利影响,用PLC对铣床的继电器式控制系统进行改造已是大势所趋。

铣床主要由工作机构、传动机构、和自动控制系统三部分组
成。

工作机构的主要部件有底座、床身、主轴、悬梁、纵向工作
台、回转盘、床鞍和升降台组成。

传动机构主要由主轴传动系统和进给传动系统构成。

主轴传动是由一台7.5KW、1450r/min的主电动机驱动，主轴
旋转方向的改变由主电动机正、反转来实现。

1
自动铣床PLC控制系统
第2章系统总体设计使用可编程序控制器构成控制系统的设计步骤如图所示，与
常用的继电器控制逻辑设计比较，组件的选择代替了原来的部件
选择，程序设计代替了原来的硬件逻辑设计。

其系统总体思路如图（1）所示：
分析控制要求
确定I/O设备
选择PLC
分配I/O点数
软件设计硬件设计
I/O接线图的设计绘制流程图
选择外部设备设计梯形图
绘制程序指令表主电路的设计
输入程序并检测控制面板的设计
调试
试试
图1控制系统设计步骤
毕业设计论文
第3章铣床生产流程及控制系统构成
普通铣床由铣刀盘、液压泵、润滑泵、冷却泵、电磁阀和电控系统组成。

自动操作过程是由按钮和限位信号控制电机和电磁阀来完成。

铣床工作流程见图2，PLC控制系统框图见图3。

图2铣床工作流程图
图3 PLC控制系统图3
自动铣床PLC控制系统4
PLC工作可靠，抗干扰能力强，各功能模块配套方便，可减
少大量的继电器，实现传统继电器控制难以实现的复杂控制，可
充分利用PLC软件，使电器控制严格执行互锁，对许多涉及安全
问题或比较重要的互锁不易采用软件互锁而应尽量采用硬件互
锁，提高系统的可靠性。

PLC硬件应用的要求：
要应用好PLC，防止产生不应有的损坏，其硬件必须符合和
满足如下应用的要求：
（1）物理环境
1、环境温度：0～60?，最好40?，在PLC安装处，要安装一个通风排气扇散热。

2、环境湿度：一般在35％～85％以下并无凝结现象。

3、止空气中含有金属粉尘或腐蚀性气体以及太阳紫外线直射，
将控制柜进行封闭。

4、免PLC主机直接受到震动或撞击，远离震动、冲击源。

（2）电气环境
1、音措施：采取屏蔽电缆线、屏蔽层和远离带噪音的电磁开关
等。

2、磁波干扰：采取可靠接地和封闭方法。

毕业设计论文 4.1 可编程序控制器PLC的选型
从以上PLC的出现到PLC的发展过程，以及其自身的特点和
与继电器控制逻辑的比较，都充分体现了PLC控制系统代替继电器控制的必然。

在实际中适用于工程应用的可编程序控制器种类繁多，性能
各异，可编程序控制器PLC的选用在应用设计的开始即可根据工
艺提供的资料及控制要求等预先进行。

一般可以从以下几个方面
来考虑：
4.1.1 可编程序控制器物理结构及控制方式的选择
根据物理结构，可以将可编程序控制器分为整体式和模块式。

整体式每一I/O点的平均价格比比模块式的便宜，小型控制系统一
般使用整体式可编程序控制器。

模块式的可编程序控制器的功能
扩展方便灵活，I/O点数的多少、输入点数与输出点数的比例、I/O
模块的种类和块数等的选择，比整体式可编程序控制器灵活的多，
模块式可编程序控制器还具备多种特殊I/O模块供用户选用，可完成各种特殊的控制任务，在判断故障范围和维修时更换模块等也
很方便。

因此较复杂，要求较高的系统一般采用模块式可编程序
控制器。

系统如有模拟量闭环控制、快速响应、高速计数、通信
联网和运动控制等特殊要求，可以选用有相应特殊I/O模块的可编程序控制器计数，也可以选用内置相应功能的整体式可编程序控
5
自动铣床PLC控制系统制器。

控制方式可分为独立式、集中式和分布式等，而在本次输煤
系统的设计中采用了两台PLC控制，按其所要完成的任务，设计中采用的是集中式控制方式。

4.1.2 CPU的能力
CPU的能力是可编程序控制器最重要的性能指标，也是机械
选择时首要考虑的问题。

实际上I/O点数，响应速度和软件功能都属于CPU的能力，后面分点提出，这里只说明除此之外的CPU能
力。

可编程序控制器的CPU能力还应包括处理器的个数，根据处理器的个数和位数就可粗略了解该可编程序控制器的基本特征；
CPU的存储器的性能，存储器是存放程序和数据的地方，从使用
角度考虑存储器的性能主要是可供用户使用的存储器能力。

它应
包括存储器的最大容量，可扩展性，存储器的种类。

存储器的容
量选择在下一点将单独提出，存储器扩展性和种类多少则体现了
系统构成的方便和灵活；中间标志，计时器和计数器的能力，这
一性能实际上也体现了软件功能。

中间标志的多少和类型对系统
的使用性能具有一定关系，如果构成的系统庞大，控制功能复杂，
就需要较多的中间标志。

对于计时器和计数器不但要知道它们的
多少，还要知道它们的计时和计数范围。

其它的性能参数，包括
电流消耗，工作环境要求，寿命时间等。

总之，CPU的能力是一
种综合的性能指标，而且要根据实际需要进行选择，以满足工作
毕业设计论文
应用的要求。

4.1.3 I/O
I/O点数是可编程序控制器的一个简单明了的性能参数，也是
应用计算机赛最直接的参数。

在机型选择时必须注意一下问题：
产品手册上给出的最大I/O点数的确却含义，由于各公司的习惯不
同，所给出的最大I/O点数含义并不完全一样，有的给出的时I/O总点数，即包括输入也包括输出，也就是手册上给出的点数是输
入点数和输出点数之和，有的则分别给出最大输入点数和最大输
出点数。

要分清模拟量I/O点数和数字量I/O点的关系。

有的产品模拟量I/O 点数要占数字量I/O点数，有的产品则分别独立给出且
互相并无影响。

远程I/O的考虑，对于较大的控制系统，控制对象
较为分散，一般都要采用远程I/O，在选择机型时，要注意可编程
序控制器是否具有远程I/O的能力和能驱动远程I/O点数。

智能I/O的考虑，在机型选择考虑I/O点数的同时，还要考虑智能I/O的能力，具有智能I/O模板可方便的解决高速计数，闭环控制等特殊的
控制功能。

I/O点数的余量，无论如何，在系统硬件设计中要留有
充分的I/O点数作为备用，这主要时基于二方面的考虑，一是系统
设计的更改，如果不留有充分的余量，一旦系统设备调整，控制
功能增加，就要全部推翻原有设计好的系统，造成不必要的损失；
二是手册上给出的最大I/O点数都是在理想情况下获得的参数，一
旦满负荷运行，就要影响整个系统的响应速度和可靠性，给系统
带来不良的影响，为了保证所设计的控制系统的正常运行，在系
统硬件设计时，建议根据实际I/O点数留有20％～30％的余量。

7
自动铣床PLC控制系统
4.1.4 响应速度
对于数字量控制为主的工程应用项目，可编程序控制器的响
应速度都可满足实际需要，不必给以特殊的考虑。

对于模拟量控
制的系统，特别是具有较多闭环控制的系统则必须考虑可编程序
控制器的响应速度。

考虑响应速度主要是从二个方面考虑。

一是可编程序控制器
程序的语句处理时间，另一个是可编程序控制器的扫描周期。

一
般手册上都给出语句处理时间，而且是以处理1K的语句所需时间计算的。

在实际应用中要注意逻辑处理指令和字处理主令所需时间是不同的，有的产品中给出每条指令的处理时间。

在PLC中给出的扫描周期都是最大的扫描周期时间，而系统中实际运行的扫描周期则与系统所连接设备的多少和应用软件的多少及复杂程序有关。

在机型选择时还应该注意最大的扫描周期是否可以重新设定，如果可以重新设定，适应性则更强。

在有个特殊响应速度要求的情况下，还要考虑系统中断处理和直接控制I/O功能，这些功能可以随时处理，而不变扫描周期的限制，当然这些功能都是有一定的具体要求的，有的也与系统硬件配置有关。

整个系统的响应速度还与输入输出有关，因为任何输入输出模板都有一定的时间滞后。

总之，不同的控制对象对响应速度有不同的要求，要根据实际需要选择可编程序控制器，控制对象信号变化速度快，则要求响应速度快，控制对象信号变化速度慢，则要求响应的速度就不同。

毕业设计论文 4.1.5
在初步估算时，对于仅需开关量控制的系统，将I/O点数乘以
8，就是所需的存储器的字数，这一要求一般都能满足，在只有模拟量输入，没有模拟量输出的系统中，一般要对模拟量信号作数据传送，数据滤波和比较运算等操作。

估算时可为每路模拟量准备100个存储器字，在既有模拟量输入又有模拟量输出的系统中，一般要对模拟量作闭环控制，涉及的运算相当复杂，需要的用户存储器比只有模拟量输入时要多一些，估算时可为每路模拟量准备200个存储器字，当模拟量路数较少时，应将系统适当增大，反
之则应将系统适当减小。

由于本人编程水平有限，在考虑存储器
的容量时，多留了一些裕量。

在自动测量，自动存储和对系统补
偿等正常场合，对存储器的要求是很大的，有时甚至要求可编程
序控制器有十几K字的甚至几十K字的存储容量。

在选择可编程序控制器的型号是不应盲目追求过高的性能指标，在I/O点数和存储
器容量方面应留有一定的裕量。

作为单机小规模控制使用的场合，由于工艺简单、程序固定，
多数使用EPROM存储器或EPROM+RAM存储器。

对于大、中规模的可编程序控制器，往往用于工艺比较复杂
且多变的场合，程序改变较多，因此一般都使用CMOS RAM存储器，
且有后备电池，以便关机时存储信息。

存储器的选择有两种方法：一种是根据编程实际使用的节点
数计算，这种方法可精确地计算出存储器实际使用容量，缺点是
要编完程序之后才能计算；另一种方法，也是我们常用的方法是
估算法，用户可根据控制规模和应用目的，按下面给出的公式进
9
自动铣床PLC控制系统行估算。

代替继：M=Km[(10*DI)+(5*DO)] ( 4.1)
模拟量控制：M=Km[(10*DI)+(5*DO)+(100*AI)]
(4.2)
多路采样控制：M=Km{[(10*DI)+(5*DO)+(100*AI)]+[1+采样点*0.25]}
(4.3)
需开关量控制：M=I/O点数*8 (4.4)
式中，DI—数字（开关量）输入信号
DO—数字（开关量）输出信号
AI—模拟量输入信号
Km—每个节点所占有存储器字节数
M—存储器容量
4.1.6 可编程序控制器的指令系统
由于可编程序控制器应用的广泛性，各种机型所具备的指令
系统也不完全相同，现代的可编程序控制器的指令功能越来越强，内部元件的个数也越来越多。

任何一种可编程序控制器都可以满足开关量控制系统的要求，如果系统要求完成模拟量与数字量的转换，PID闭环控制，运动控制等工作，可编程序控制器应有算
术运算，数据传送等功能，有时甚至要求有开方、对数运算和浮点数运算等功能。

在机型选择时，从指令系统方向应注意下述内容：指令系统的总语句数，这一点反映了整个指令所包括的全部毕业设计论文
功能；指令系统的种类，主要应包括逻辑指令，运算指令和控制指令，具体的要求则与实际要完成的控制功能有关；指令系统的表达方式，指令系统的表达方式有多种；应用软件的程序结构图，程序结构有模块化的程序结构，有子程序式的程序结构；软件开发手段。

在考虑指令系统这一性能时，还要考虑到软件的开发手段，一般的厂家对可编程序控制器都配有专用的编程器，提供较强的软件开发手段，有的厂家在此基础上还开发了专用软件，可利用通用的微型机作为软件开发手段，这样就更加方便了用户的需要。

4.2
根据机床的负载功率就可以选择电动机的容量。

然而机床的
载荷是经常变化的，而每个负载的工作时间也不尽相同，这就产
生了使电动机的功率如何经济的满足机床负载功率的的问题。

4.2.1 主运动电动机功率的确定
多数机床负载情况比较复杂，切削用量变化大，尤其是通用
机床负载种类更多，不易准确的确定其负载情况。

因此通常采用
通过调查统计类比或采用分析计算想结合的方法来确定电动机的
功率。

主轴电动机M1，空载时直接启动，为满足顺铣和逆铣工作方式的要求，能够正转和反转，为提高生产率，采用电磁制动器
进行停车制动，同时从安全和操作方便考虑，换刀时主轴也处于
11
自动铣床PLC控制系统制动状态。

4.2.2
机床进给运动的功率也是由有效功率和功率损失两部分组成
的。

一般进给运动的有效功率都是比较小的，但由于进给机构传
动效率很低，实际需要的进给功率约为主运动：铣床为0.2～0.25。

有时甚至更低。

当主运动和进给运动采用同一电机时，只计算主
运动电动机功率即可。

对主运动和进给运动没有严格内在联系的
车床，如铣床，为了使用方便和减少电能的消耗，进给运动一般
采用单独电机传动，该电机除传动进给外还传动工作台的快速移
动。

由于快速移动所需要的功率比进给大的多，因此电动机的功
率通常是由快速移动所需要决定的。

工作台进给电动机M2，直接启动，为满足纵向、横向、垂
直方面的往返运动，要求电动机能正反转，为提高生产率，要求
行程时可快速移动。

从设备的安全考虑，各进给运动之间必须联
锁，并由手柄操作机械离和选择进给运动的方向。

电动机M3拖动冷却泵，在铣削加工时提供切削液。

各电动机型号参数对照表如下表所示：
毕业设计论文
电动机型号参数对照表
符号型号规格转/分 M1 Y160L-4 主轴电动机 11KV、380伏、1460 M2 Y100L1-4 进给电动机 2.2KV、380伏、1430 M3 Y801-2 冷却泵电动机 0.8KV、380伏、2830
4.3
图4为铣床电动机组启动电路图，该铣床有三台电动机，主轴
电动机M1用来带动主轴旋转。

进给电动机M2用来驱动工作台进行
纵向，横向和垂直三个方向的进给运动与快速移动。

冷却电动机
M3驱动冷却液泵，铣削时把冷却液送到工件、刀具上进行冷却。

13
自动铣床PLC控制系统
图4 电动机组启动原理图
毕业设计论文 4.4 铣床常用电器的选型
按钮是一种结构简单、应用广泛的主令电器。

在低压控制电
路中，用于手动发出控制信号。

按钮是由按钮帽、复位弹簧、桥
式触头和外壳组成，通常做成复合式，即具有常闭触点和常开触
点。

按钮在系统中有启动?停止?复位?清零?选择等作用。

一
般性的按钮可选用LA18-22型，其中-常开-常闭触头各两个；紧
急按钮可选用LA18-22J型；当按钮作为选择开关时可选用带指示灯的按钮，可选用LA19-11B/D。

4.4.2 刀开关
开关和小容量电机非频繁启动的操作开关。

由操作手柄、刀
片、触头座和底板等组成。

刀开关安装时，手柄要向上，不得倒
装或平装。

接线时，应将电源接在上端，负载接在下端，作用在
电弧上的电动力和热空气的上升方向一致，就能使电弧迅速拉长
而且熄灭，这样拉闸后刀片与电源隔离，可防止意外事故的发生。

适用于各皮带机、破碎机、给煤机、通风机的电源开关。

根据系
统的工作情况选用HR1-60型胶刀开关。

4.4.3
组合开关主要是作为电源引入开关，所以也称为电源隔离开
关。

它也可以起停5KW以下的异步电动机，但每小时的接通次
15
自动铣床PLC控制系统
数不宜超过15～20次，开关的额定电流一般取电动机额定电流的
1.5～
2.5倍。

组合开关主要根据电源种类、电压等级、所需触点数及电动机
容量进行选用。

常用的组合开关为HZ-10系列，额定电流分为10、25、60和100A四种。

适用于交流380以下，直流220以下的电气设备中。

4.4.4 行程开关
行程开关也称限位开关。

用于控制电路的自动限位切换。

据
控制功能及安装位置、控制路数，选择触头种类、数量、结构型
号及安装尺寸。

机床常用行程开关有LX2、LX19、JKXK1及LXW-11、JLXK1-11型等系列产品。

行程开关的额定电压：交流500V、直流440V，额定电流5A。

操作频率1200-2400次/小时。

LX19型及JLXK1型行程开关均有一对动和和一对动断触
头、且有自动复位和非自动复位两类。

LXW-11型及JLXK1型是微动开关，体积小、动作灵敏，机
床中应用较多。

LW2型为组合行程开关，最多可备有5对动和、5对动断公10对触头。

可实现多路控制。

下表列出JL；JLXK1系列行程开关的结构形式及有关参数。

毕业设计论文
表2 JLXK1系列行程开关结构特征与技术参数
基本型号传动结构及动作力(kg) 触头对数
复位方式
JLXK1-111 单轮防护式大于1 动和动断
能自动复位
JLXK1-111M 1 1 单轮密封式
能自动复位
JLXK1-211 双轮防护式大于1.5 额定电压(V)
非自动复位
JLXK1-211M 双轮密封式交流直流
非自动复位
JLXK1-311 500 440 直动防护式大于2
能自动复位
JLXK1-311M 直动密封式额定电流(A)
能自动复位
JLXK1-411 5 直动滚轮防大于2
护式能自
动复位
JLXK1-411M 120 直动滚轮密操作频率
0次封式能自
/h 动复
17
自动铣床PLC控制系统 4.4.5 接触器
接触器分为直流、交流两种。

机床中应用最多的是交流接触
器。

交流接触器的型号：如接触器CJ10-20，要想正确地选择接触器，就必须了解接触器的主要技术数据。

其主要数据有：
1）电源种类：交流或直流；
2）主触点额定电压、额定电流；
3）辅助触点的种类、数量及触点的额定电流； 4）电磁线圈的电源种类、频率和额定电压； 5）额定操作频率，即允许每小时接通的最多次数；
机床常选用的是CJ10系列接触器，电源种类为交流，主触
点最大电压500V，最大电流150A。

4.4.6 热继电器
热继电器的种类很多，应用最广泛的是基于双金属片的热继
电器，其主要由热元件、双金属片、触头三部分组成。

双金属片
是热继电器的感应元件，它由两种不同线膨胀系数的金属机械辗
压而成。

热继电器是利用电流的热效应原理工作的保护电器，在电路
中作电动机的过载保护。

电动机在实际运行中，常遇到过载情况，
过载时间长时，绕组温升超过了允许值是将会加剧绕组绝缘老化，。