基于PLC控制的自动打孔机【毕业作品】

BI YE SHE JI
(201 届)
基于PLC控制的自动打孔机
PLC Controlled Automatic Punching Machine
所在学院电子信息学院
专业班级电气工程及其自动化
学生姓名学号
指导教师职称
完成日期年月日
摘要
本次设计的自动打孔机是基于PLC控制的自动打孔机，该打孔机能实现精确打孔操作，并具有可调速功能。

该打孔机是基于PLC、步进电机、触摸屏等技术控制，由于PLC可靠性好，抗干扰性强，编程简单，维护方便等。

步进电机定位准确，能够达到精确打孔，非常适合用于打孔机的定位控制并且价格合理等优点。

触摸屏可由管理员修改相应的数据参数，方便快捷，界面清晰。

该打孔机可用于加工各种轴承及有角度偏转的打孔规律性打孔。

它解决了传统的半自动半手动打孔机效率低下，精度不高等缺点。

关键词：自动打孔机； PLC；步进电机；触摸屏
Abstract
Automatic punching machine of this design is based on PLC controlled automatic punching machine, the punch function for precise punch operations, and has the speed control function.The punching machine is control by the PLC, stepper motor, touch screen technology, PLC reliability, strong anti-interference, simple programming and easy maintenance. Stepper motor positioning is accurate, able to achieve precise punch well suited for the position control of the punching machine and reasonable price advantages. The touch screen can be an administrator to modify the corresponding data parameters, convenient and clear interface. The punching machine can be used to processing all kinds of bearings and angular deflection of the regularity of punch punch. It solves the inefficiencies of traditional semi-automatic and semi-manual punching machine, the accuracy of the shortcomings.
Key Words : Automatic punching machine; PLC; Stepper motor; Touch screen
目录
1 引言 (1)
2自动打孔机的组成与工作原理 (3)
2.1整个系统的组成： (3)
2.1.1 钻头打孔部分 (3)
2.1.2 工件夹持部分 (3)
2.1.3 轴向移动部分 (4)
2.1.4 分度旋转部分 (4)
2.2实现的功能 (4)
2.3工作流程图 (4)
3 硬件设计 (6)
3.1硬件的选择 (6)
3.1.1 PLC的选择 (6)
3.1.2 触摸屏的选择 (6)
3.1.3 步进电机及驱动器的选择 (6)
3.1.4电磁阀的选择 (7)
3.2硬件接线 (7)
3.2.1系统总接线 (7)
3.2.2强电部分接线 (8)
3.2.3 PLC步进输出部分接线 (9)
3.2.4打孔+冷却部分接线 (9)
3.2.5升降与夹紧部分接线 (10)
3.2.6步进电机部分接线图 (11)
4 软件设计 (12)
4.1总体流程图 (12)
4.2脉冲计算 (13)
4.2.1自动部分脉冲计算 (13)
4.2.2 手动部分脉冲 (14)
4.3触摸屏部分 (16)
4.3.1界面介绍 (16)
4.3.2 触摸屏地址 (18)
5 系统调试 (19)
5.1硬件调试 (19)
5.2软件调试 (19)
5.2.1调试准备 (19)
5.2.2手动部分调试 (19)
5.2.3自动部分调试 (20)
6总结 (21)
致谢 (22)
参考文献 (23)
附录1 实物图 (24)
附录2 程序梯形图 (25)
1 引言
在现代科学技术的许多领域中，为了满足人类的需要，机电一体化起着愈来愈重要的作用，并且，随着生产和科学技术的发展，机电一体化的技术水平也越来越高[1]。

目前，滚珠轴承采用人工打孔、开孔、扩孔等操作，工作效率低下，精确度不高，在这种情况下，如何提高生产效率和精确度，减少材料的浪费是一个急需解决的问题。

在当今节能减排的大环境下，自动打孔机将在特定的行业中发挥着举足轻重的作用。

目前市场上有供应自动打孔机，该类打孔机由电机带动在金属材料上加工出孔的自动化设备。

有自动钻孔机、自动扩孔机、自动铣孔机等几种[2]。

该类自动打孔机由加工工作台，控制电脑，旋转电机，振动电机，加工工具头，气动装置，自动转盘，固定夹具等组成。

主要用于铝制材料，不锈钢合金等材料，但不针对滚珠轴承的，正在研究自动打孔机的有天津市工业自动化仪表研究所、深圳市长亚科技有限公司、深圳科毅达电子科技有限公司等。

每个公司研制的核心重点都不同，各有各的特色。

深圳科毅达电子科技有限公司研究的重点是以工控机为核心控制器，价格比较昂贵。

自动打孔机是适应制造业应用自动化设备替代人手的趋势而发展起来的，用来解决传统打孔、钻孔、扩孔、铣孔等加工环节中的人手打孔问题。

随着自动化技术和网络技术的不断发展及应用，自动打孔机逐渐趋向无人值守和远程控制等方面的发展。

本设计基于PLC控制的自动打孔机系统就是采用机电一体化应用技术来实现功能的。

机电一体化控制技术是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术[3]。

它把一个本来由人来判断和手动操作的环节实现了机械自动化。

形成一个整体系统构架，并且认真整理相应的资料，统筹方案，选择出最优化合理的方案。

研发出的机械设备就大大提高了生产的效率，大大降低了人工量的投入，同时减少了人工
成本，而且生产加工整个过程速度快、精度高、安全稳定、报废率低，节约了钢材等原材料[4]。

使机电控制技术在该领域又进一步深化发展。

2自动打孔机的组成与工作原理
2.1整个系统的组成：
图2-1 系统组成示意图
2.1.1 钻头打孔部分
由气泵、电磁阀、气缸、气管、节流阀、钻头组成，PLC控制继电器吸合与断开，进而控制电磁阀线圈吸合与断开。

气泵与电磁阀的进气孔连接，电磁阀的一个正动作气孔与一个反动作气孔分别与气缸的两个口连接，使气缸完成上下运动整个过程，气管是连接气泵、电磁阀、气缸的，用节流阀可以控制气缸进气的大小[5]。

2.1.2 工件夹持部分
由电磁阀、气管、气缸、机械夹头组成，PLC控制继电器吸合与断开，进而控制电磁阀线圈吸合与断开，当电磁阀线圈通电时，气泵中的气通过气管给气缸充气，气缸推动机械夹头，使工件被夹紧[6]。

2.1.3 轴向移动部分
由轴进步进电机、步进电机驱动器、螺旋轴、组成，步进电机驱动器在PLC 的控制下，驱动步进电机按固定的步距角旋转，步进电机旋转之后，开始带动螺旋轴旋转，由于钻孔台与螺旋轴耦合，所以工作台也随着螺旋轴转动而移动。

2.1.4 分度旋转部分
由分度步进电机、步进电机驱动器、皮带、传动齿轮组成，步进电机驱动器在PLC的控制下，驱动分度步进电机按固定的步距角旋转，带动下传动齿轮旋转，从而通过皮带带动上齿轮旋转，由于上传动齿轮装在机械夹头上，机械夹头也随着旋转，最终使固定在机械夹头上的工件旋转，从而完成分度的过程。

2.2实现的功能
手动自动可转换；能完成整个自动打孔的循环过程；工件每圈孔位数可赋值，每排孔位数可赋值；轴进步进电机进给速度可调节，分度步进电机旋转分度可调节；主轴头分为可旋转和分度复合，都有抱闸功能；钻头部分可调速，行程可调，进给速度可调；尾座顶针可调，可对各种长度和直径的工件进行加工；平面部分钻孔可用钻头不动工件动，与雕刻机相反的方式；能自行设置和调节工件零位和机器零位的位置；在加工过程中可以用触摸屏进行监控。

2.3工作流程图
本次设计主要完成的是自动打孔的过程，需要的主要步骤是，参数的设定，分度步进电机按固定的步距角旋转，轴进步进电机按固定的步距角进给与后退，钻头的上升和下降，完成打孔的整个过程。

参数的设定中需要设定产品零位、每圈孔数、排数、进给距离、后退距离、偏角度数，加工的工件先进行零位加工，之后完成一圈的打孔，每排孔之间有个偏转角度，在一圈孔打完后需要一个偏角判定，之后进行轴进的移动，在轴进移动后继续下一圈孔的加工，当轴进完成后，表示整个零件加工完成。

最后钻孔台后退到初始状态，方便工人取下工件，当换好下个加工的工件后，继续完成上面的循环，如下图所示：
图2-2 工作流程图
3 硬件设计
3.1硬件的选择
3.1.1 PLC的选择
三菱FX
-32MT-001 PLC外部结构美观、体积小、功能强、内部资源丰富、2N
可靠性高、抗干扰能力强、通用性强、控制程序可变、使用方便、适应面广、编
程简单、容易掌握、减少了控制系统的设计及施工的工作量、维护方便等特点[7]。

其I/O点最大可扩展到256点。

它有27条基本指令，其基本指令的执行速度超
过了很多大型PLC。

并且有多种RS-232C/RS-422/RS-485串行通讯模块。

价格合
理，性价比较高。

该型号的PLC符合本设计中对PLC的要求。

故选择三菱
FX
-32MT-001 PLC。

2N
3.1.2 触摸屏的选择
触摸屏有操作方便，可以代替按钮开关及键盘等，可以通过触摸屏设定参数，
实现实时监控等特点。

本次设计需要对工件的参数设置等，需要用触摸屏完成。

台达DOP-B05S100触摸屏有易于使用、坚固耐用、反应速度快、节省空间等
特点其价格低，性能稳定，相对于其他品牌的触摸屏来说性价比较高[8]。

该型号的满足本设计对触摸屏的要求，故选择台达DOP-B05S100触摸屏。

3.1.3 步进电机及驱动器的选择
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

在非超载
的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受
负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个固定角度即步距角。

它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移
量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速
度和加速度，从而达到调速的目的[9]。

步进电机可以作为一种控制用的特种电机，
利用其没有积累误差的特点。

FHB311112三相混合式步进电机采用稀土永磁材料
制造，与反应式步进电机相比具有电磁损耗小、转换效率高、动态性能好等优点。

该型号的步进电机运行时相对平稳，噪声小、输出力矩大且不易失步。

该步进电机能够满足本设计对步进电机的要求。

故采用FHB311112三相混合式步进电机。

根据FHB31112产品说明可知，选择GSKDY3E-30步进电机驱动器。

3.1.4电磁阀的选择
电磁阀是用于控制气泵给气缸充气推动钻头打孔的器件，电磁阀是由PLC控制其通断的，本设计的电磁阀线圈电压等级是选用直流24v型，需要外接一个24V直流电压。

UNID 4V210-08型号的电磁阀符合本设计的需求，故选UNID 4V210-08型号的电磁阀。

3.2硬件接线
3.2.1系统总接线
380v的三相电，接入一个三相空气开关，即总电源开关。

为了安全考虑并联上一个接触器和急停按钮，便于突发情况下的急停操作。

之后接一个380v-220v 的变压器把380v的电压转换成220v接步进电机驱动器的L和N端，用于给步进电机驱动器供电。

在变压器的220v端后，接一个单相空气开关接到PLC的L和N两端，给PLC供电。

直流24V是用于给接近开关供电，保证接近开关能够正常的工作，PLC的输出的负载均采用直流24V供电。

如图3-1为系统总接线图。

图3-1 系统总接线图
3.2.2强电部分接线
三相电源通过空气开关—380-220V变压器—熔断器--连接到三相混合型步进电机驱动器，步进电机驱动器一定要接地，以免金属外壳的驱动器带电。

如图3-2为强电部分接线图。

图3-2 强电部分接线图
3.2.3 PLC步进输出部分接线
PLC的输出端，通过电阻R连接到步进电机驱动器的脉冲出入端通过PLC的脉冲输出控制步进电机驱动器，使步进电机按固定的步距角选转，电阻R是起到限流的作用。

如图3-3为PLC步进输出接线图。

图3-3 PLC步进输出接线图
3.2.4打孔+冷却部分接线
如图3-4为钻孔正转、反转、冷却泵的接线图，当PLC的Y10输出为“1”时，钻头正转，当PLC的Y11输出为“1”时，钻头反转。

图3-4 打孔冷却部分接线图
3.2.5升降与夹紧部分接线
PLC的Y14端接电磁阀的线圈,当PLC的Y14输出为“1”时，电磁阀的线圈吸合，电磁阀开，给气缸充气，完成夹紧的工作。

如图3-5所示。