PLC控制的液压滑台式自动攻螺纹机课程设计

1.基础知识介绍
1.1液压滑台式组合机床
1.1.1 组合机床概述
组合机床（图1.1.1）是以通用部件为基础，配以按工件特定外形和加工工艺设计的专用部件和夹具而组成的半自动或自动专用机床。

组合机床一般采用多轴、多刀、多工序或多工位加工的方式，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。

图1.1 组合机床实物图
1.1.2 组合机床部件分类
组合机床通用部件按功能可分为以下五类：
(1）动力部件主要有动力箱、切削头和动力滑台，是为组合机床提供主运动和进给运动的部件。

（2）支承部件有侧底座、中间底座、支架、可调支架、立柱和立柱底座等。

（3）输送部件主要有分度回转工作台、环形分度回转工作台、分度鼓轮和往复移动工作台等，是用以输送工件或主轴箱至加工工位的部件。

（4）控制部件有液压站、电气柜和操纵台等，是用以控制机床的自动工作循环的部件。

（5）辅助部件主要就是有润滑装置、冷却装置和排屑装置等。

1.1.3 组合机床的特点
组合机床与一般专用机床比较，组合机床具有以下特点：
（1）设计组合机床只需要选用通用零部件和设计少量专用零部件，所以时间与制造周期短，经济效果好。

（2）组合机床的通用部件是经过长期实践考验的，因此结构稳定，工作可靠，使用和维修方便，通用部件可以成批制造，成本较低。

（3）当被加工的零件变换时，组合机床的通用部件和标准零件可以重复使用，不必重新设计和制作。

（4）组合机床易于联成组合机床自动线，以适应大规模生产的需要。

1.2 PLC控制器
1.2.1 PLC简介
PLC（Programmable logic Controller）可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统。

它使用了可编程序的记忆以存储指令，用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数和演算等功能。

其有以下等特点：
（1）可靠性高，抗干扰能力强
电气控制设备的一个关键性能就是高可靠性。

PLC的I/O采用了隔离措施，并应用大规模集成电路，能适应各种恶劣的环境，能直接安装在机器上运行。

（2）编程简单，易学易用
PLC作为工业控制计算机的一种，梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，具有电工知识的人员可在短时间学会并应用自如。

（3）配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品。

可以用于各种规模的工业控制场合。

不同的控制对象，可以采用相同的硬件，就可实现不同的控制。

（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短。

PLC一般采用模块结构，又具有自诊断功能，判断故障迅速方便，维修时只需更换插入式模块，因而维修十分方便。

更重要的是使同一设备经过改变程序来改变生产过程成为可能。

（5）体积小，容量大，重量轻，能耗低，成本低
目前新出产的超小型PLC品种底部尺寸小于100MM，重量小于150g，功耗仅数瓦。

而其成本仅相当于相同功能继电器系统的（10～30）％，由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

1.2.2 PLC控制系统设计的基本原则
在实际设计过程中会涉及很多方面，其中最基本的可以归纳为以下4点：
(1)可靠性原则——确保控制系统的可靠性。

(2)完整性原则——最大限度的满足工业生产要求或机械设备的控制要求。

(3)经济型原则——力求控制系统简单、实用、合理。

(4)发展性原则——适当考虑生产发展和工艺改进的需要。

1.2.3 PLC控制系统的一般步骤
PLC控制系统设计包括硬件设计和软件设计。

硬件设计是指PLC外部设备的设计；而软件设计即PLC应用程序的设计。

系统的设计可分以下6步进行。

（1）熟悉被控对象
这一阶段要对被控对象所有功能进行全面的了解，对对象的各种动作及动作时序、动作条件、必要的互锁与保护、电气系统与机械、液压、气动及各仪表等系统间的关系、PLC与其他设备的关系，PLC之间是否通信联网、系统的工作方式及人机界面、需要显示的物理量及显示方式等进行了解。

（2) 评估控制任务
根据系统所需完成的控制任务，对被控对象的生产工艺及特点进行详细分析，特别是从可靠性要求、工艺复杂程度、控制规模等方面进行考虑。

(3) 硬件选择
Ⅰ.系统I/O设备的选择——输入设备包括位置开关、转换开关及各种传感器等。

输出设备包括继电器、接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等。

Ⅱ.选择PLC——PLC的选择包括对PLC的机型、I/O模块、容量、电源等的选择,计数器、定时器及内部辅助继电器的地址分配。

Ⅲ.绘制PLC外围硬件线路图——画出系统其它部分的电气线路图，包括电气主电路和未进入PLC的控制电路等。

由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。

到此为止系统的硬件电气线路已经确定。

(4) 编写应用程序
根据控制系统的要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。

程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。

(5) 程序调试
程序调试分为模拟调试和现场调试2个阶段。

程序模拟调试是模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。

根据现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。

硬件模拟法是使用一些硬件设备（用另一台PLC或一些器件等）模拟产生现场信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。

软件模拟法是在PLC中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。

现场调试：当控制台及现场施工完毕，程序模拟调试完成后，就可以进行现场调试，如不能满足要求，须检查程序和接线，及时更正软硬件方面的问题。

（6)编写技术文件
技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、PLC程序、电气元件明细表以及使用说明书等。

1.3 设计的任务要求
动力滑台是组合机床加工工件时完成进给运动的动力部件，它采用液压驱动，这种滑台具有两种进给速度，先以快速加工，然后以较慢的速度加工。

例如本实例中模拟的自动攻螺纹。

实际机械加工中要根据需要启动冷却电动机，液压电动机要在进给电动机启动后跟着启动。

按下SB_1，接触器KM1通电闭合，主轴电动机M1开始运转。

当按下SB_3，接触器KM2通电闭合，进给电动机M2运行，液压滑台从原位开始快速起动。

当快进到挡铁压动到ST_2时，液压滑台由快进转为一次工进。

当一次工进到挡铁压动ST_3时，液压滑台由一次工进转为二次工进。

当二次工进到终点死挡铁处，压住ST_4。

终点停留6S后，转为反向快退。

到原位后压下ST_1停止。

2.自动攻螺纹机电路的设计
2.1 主电路的设计
2.1.1 主电路原理图
根据课程设计题目的要求和总体方案，动力主电路图如图2.1所示
图2.1 主电路原理图
2.1.2 主电路原理图的构成
实验主回路电源接三路小型断路器QS1，输出端为L1、L2、L3，经熔断器、交流接触器的主触头到电动机M1、M2、M3、M4的三个线端U、V、W的电路，供电线电压为380V。

它是由4台三相异步电动机，6个交流接触器，4个按钮开关，2个热保护继电器，6个熔断器，1个三相断路器（小型）构成。

三相异步电动机的名称分别是冷却电动机、主轴电动机、进给电动机和液压电动机。

三相异步电动机的起动分为直接启动和降压启动。

直接起动时，电源电压全部加在定子绕组上，电动机的起动电流达到额定电流的4-7倍，由于所选的三相异步电动机都属于小容量电机，所以采用三相异步电动机直接起动方式。

三相异步电动机的调速方法主要有：改变定子绕组联接方式的变极调速、改变转子电路电阻调速、电磁转差率调速、变频调速和串级调速等。

变更转子外串电阻调速需要改变转子串联的电阻，电阻值不同引起电动机的转速和转差率发生变化，从而达到调速的目的，但是这种方法的缺点是对于转差率的调节很难实现可控，并且通常采用凸轮控制器进行控制，成本太高，所以没有采取这种方法。

而变极调速从它的原理可以看出，电磁转差离合器是在普通笼型异步电动机轴上安装一个电磁转差离合器由晶闸管控制装置控制离合器绕组的励磁电流来实现调速功能。

它的缺点是调速效率较低，低速时尤为突出，不宜长期低速运行，且机械特性较软，这种方法也不宜采用。

综上所述，我选择变极调速中的双速电动机高、低速控制装置。

变极调速应用在机床中，可以得到较宽的调速范围，并且在运行过程中，双速电动
机高速运转时的转速是低速运转时的两倍，速度范围较广，且能较好的实现平滑的转化。

图2.1.2 变极调速的双速电动机装置原理图
图中，用三个接触器控制电动机定子绕组的联结。

当接触器KM1的主触头闭合，KM2、KM3的主触头断开时，电动机定子绕组为三角形接法，对应“低速”挡；当接触器KM1的主触头断开，KM2、KM3的主触头闭合，电动机定子绕组为双星型接法，对应“高速”挡。

为了避免“高速”挡起动电流对电网的冲击，本线路在“高速”挡时，先以“低速”起动，待起动电流过去后，再自动切换到“高速”运行。

2.2 控制电路
2.2.1 控制电路电路图
根据课程设计要求，我选择三菱公司的PLC作为仿真器件，下图是三菱PLC控制方式的控制回路原理图（图2.2.1）。

图2.2.1 三菱PLC控制方式的控制方式原理图2.2.2 PLC的I/O地址分配
由PLC的控制方式原理图列出PLC资源配置表（图2.3）。

2.2.3 控制电路的构成
自动攻螺纹机控制回路由4个指示灯，4个按钮开关，1个两相断路器、三菱可编程序控制器,一台安装有GX Developer编程软件和GX-Simulator6调试软件的PC机组成。

它是从220V交流电源小型断路器QS2输出端L、N供给PLC电源，同时L亦作为PLC输出公共端。

常开按钮SB_1、SB_2、SB_3、SB_4、SB_5、SB_6、FR、ST_1、ST_1、ST_2、ST_3连接在PLC的输入端。

PLC输出端和接触器KM1、KM2线圈及4个指示灯相连。

3.控制程序的设计
3.1 梯形图设计程序
由主电路图以及控制电路的设计要求和I/O口分配方案，其设计方案如下：
程序段一：初始化程序（图3.1.1）
图3.1.1 初始化程序
按下启动按钮SB_1，辅助线圈M0得电，完成系统初始化。

程序段二：点动与自动的方式选择（图3.1.2）
图3.1.2 点动与自动方式选择
辅助线圈M0得电，通过点动/自动按钮选择，K_1得电，则选择点动模式；反之，则选择自动模式。

使用自保持和解除指令SET,RST进行控制，并设置通用性辅助继电器线圈M100。

程序段三：点动控制（图3.1.3）
图3.1.3 点动控制
按下SB_3,主轴电动机正转，模拟滑台前进状态，松开SB_3，电机停止；按下SB_4，主轴电动机反转，模拟滑台后退状态，松开SB_4，电机停止。

SB_3，SB_4实现互锁，并且主轴电动机接触器Y0，Y1实现自锁功能。

程序段四：自动控制（图3.1.4）
图3.1.4 自动控制
将点动/自动扭子开关拨为OFF为自动状态。

按下启动按钮SB_1，此时滑台处于原始状态，将ST_1压合，主轴电动机将正向运转;当快进到挡铁压动到ST_2时，液压滑台由快进转为一次工进，此时主轴电动机停止运转，进给电动机开始低速运行;当一次工进到挡铁压动ST_3时，液压滑台由一次工进转为二次工进，此时进给电动机开始高速运行;当二次工进到终点死挡铁处，压住ST4，在终点停留6S后，转为反向快退，此时进给电动机停止运行，主轴电动机反向运行，到达原位后压下ST1电机停止运行。

程序段五：控制冷却泵和液压泵电动机（3.1.5）
图3.1.5 冷却泵和液压泵控制
按下SB_5，接触器KM5得电；同理，按下SB_6，KM6得电，液压泵电动机起动。

4.调试及结果分析
4.1 三菱PLC软件仿真
GX-Simulator是配合三菱PLC软件GX Developer的专用仿真软件，GX Simulator作为GX Developer的一个插件，反映在“工具”菜单中“梯形图逻辑测试启动(L)”中。

我就是利用这个逻辑测试进行仿真。

图4.1 梯形图逻辑测试
4.2 仿真结果分析
仿真一：初始化程序
如图4.2.1，按下SB_1，即X1得电，由仿真可知M0得电；因为点动/自动方式选择当K_1为OFF时，辅助继电器M100自保持得电，并且在M0断电时，仍可以保持。

图4.2.1 初始化程序测试
仿真二：点动程序测试
如图4.2.2，按下SB_3按钮，X3得电,则主轴电动机Y0与指示灯Y4同时动作，并且Y0完成自锁；此时常闭触点M100失电，即按下SB_3,主轴电动机正转，模拟滑台前进
状态，松开SB_3，电机停止；同理，主轴电动机反转原理相同。

图4.2.2 点动程序测试
仿真三：自动程序测试
如图4.2.3，按下启动按钮SB_1，X1得电，将ST_1压合，X5得电，则主轴电动机Y0得电，且X6完成互锁。

图4.2.3 自动程序测试
如图4.2.4，当挡铁压动到ST_2时，即X6得电，经过时间继电器延时3秒，液压滑台由快进转为一次工进，此时进给电动机继电器Y2得电，且指示灯Y6动作;
图4.2.4 自动程序测试
如图4.2.5，当一次工进到挡铁压动ST_3时，即X7得电，液压滑台由一次工进转为二次工进，此时经时间继电器3秒延时，进给电动机Y7得电开始高速运转;
图4.2.5 自动程序测试
如图4.2.6，当二次工进到终点死挡铁处，压住ST4，即X10得电，时间继电器在终点停留6S后，主轴电动机Y1得电反向运行，且反向运行指示灯Y5亮起。

图4.2.6 自动程序测试
5.参考文献：
[1] 熊幸明.电气控制与PLC[M].机械工业出版社.2014：67～159.
[2] 杨厚川.三菱PLC应用100例[M].北京：电子工业出版社, 2013:153～167.
[3] 张白帆.低压成套开关设备的原理及其控制技术[M].机械工业出
版社,2014:205～255.
[4] 李江全.三菱PLC通信与控制应用编程实例[M].中国电力出版社, 2012:23～56.
致谢
经过这两星期的PLC课程设计，我相对于以前更了解了机电传动控制以及PLC技术的应用，尤其是本次课程设计通过PLC的应用，使机床与PLC有机的结合在一起，更易完成所赋予的工作任务。

极大的减小了工人的工作量，提高了加工的实际质量及效率。

同时我们也发现这种控制在一定程度上更能保护工人的安全，避免危险。

此次课设主要是利用PLC控制机床的自动加工的过程。

我通过在课上所学的知识以及自己查阅相关PLC的资料书，基本掌握了PLC设计的基本步骤及方法。

首先，我们需要了解组合机床最基本的整个工作过程，然后根据相应的要求设计主电路，控制电路，分配I/O口地址及PLC电路原理图的接线，最后设计梯形图。

课程设计的顺利完成，离不开指导老师翁老师以及同学和朋友的关心和帮助。

在整个课程设计中，翁老师、周文和王鑫磊同学以及好多同专业朋友积极帮助我查资料和提供有利于课程设计的建议和意见，并且给我提供大量的PLC程序供参考，以及在他们的帮助下，顺利进行梯形图的设计和仿真，课程设计才能得以不断的完善，最终帮助我完整的写完了整个课程设计，在这里，我再次说声感谢你们！。