基于PLC的数控车床电气控制系统设计毕业论文.doc
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1、基于PLC的数控车床电气控制系统设计 摘 要数控机床是一种机电一体化的数字控制自动化机床。早期的数控机床是依靠继电器逻辑来实现相应的功能。由于继电器逻辑是一种硬接线系统,布线复杂,体积庞大,更改困难,一旦出现问题,很难维修。这样的系统,其可靠性往往也不高,影响正常的生产。本文正是针对这一问题展开工作的。本文介绍了用三菱FX2N微型可编程控制器对CK9930机床的电气控制部分的改造设计,重点阐述了数控机床PLC的功能、机床的电气控制原理及相应的PLC程序编制与调试三方面的问题。并且详尽地展示了PLC控制程序的开发过程。根据数控车床所承担加工任务的特点,可知其操作过程比较复杂。要用PLC控制车床动
2、作,必须将PLC及其控制模块和相应的执行元件加以组合。所以在该控制程序的开发过程中,采用了模块化的结构设计方法。本文主要完成了主轴控制、坐标轴控制、自动换刀控制、定时润滑控制以及报警处理等功能的PLC控制程序的开发。并且利用FXGP_WIN-C软件编写了该机床的PLC控制程序,并借助其运行、监控功能,通过相关设备,观察了程序的运行情况。关键词:PLC控制,数控车床,梯形图ABSTRACTNumerical control machine tool is a digital control automation mechtronics tool. Early digital machine wa
3、s relying on relay logic to achieve the corresponding function. Since relay logic is a hard wire system, wiring complexity, large dimension, difficult to change, if there was a problem, it would be difficult to repair. Its reliability is not good enough, that limits the normal production.This work i
4、s focus on this problem. The altering design of the electrical control of the CK9930 machine tools by using the Mitsubishi FX2N micro-programmable controller was introduced in this paper. Three point problems, the function of numeric control machine tools PLC,the electrical control principle of mach
5、ine tools and the corresponding PLC programming and debugging were studied. And the process of the PLC control procedures development is illuminated in detail.According to the characteristics of tasks in the CNC lathe processing,its operation process would be complex. In order to use PLC to control
6、the lathe movements, the PLC control module and the corresponding implementation components must be integrated. Therefore, in the development process of the control procedures, a modular design structure was used. The PLC control procedures development of the spindle control, the coordinates axis co
7、ntrol, automatic cutter changing control, control and report regularly lubricating process functions were implemented. Using the FXGP_WIN-C, the PLC software of the control procedures were wrote. With the help of its operation and control functions,the operation of the procedures were observed throu
8、gh related equipments.KEY WORDS: PLC control,NC Lathe,Ladder diagram 目 录绪论 1第一章 概述 21.1 数控系统的工作原理 31.1.1 数控系统的组成 31.1.2 数控系统的工作原理 41.2 PLC的硬件与工作原理 51.2.1 PLC的简介 51.2.2 PLC的基本结构 51.2.3 PLC的工作原理 6第二章 数控车床的PLC 72.1 数控车床PLC的信息传递 72.2 数控车床中PLC的功能 82.2.1 PLC对辅助功能的处理 82.2.2 PLC的控制对象 92.3 用PLC实现车床电气控制系统的功能
9、92.4 利用PLC代替继电器接触器控制方式的优越性 10第三章 CK9930数控车床电气控制分析 113.1 车床主要结构和运动方式 113.2 车床对电气控制的要求 113.3 车床的电气控制电路分析 123.3.1 主电路分析 133.3.2 控制电路分析 14第四章 PLC控制程序的设计 164.1 PLC程序设计方法 174.1.1 PLC的编程语言 174.1.2 PLC的程序设计步骤 174.2 PLC程序的模块化设计 194.3 输入输出分配 194.4 梯形图程序设计 214.4.1 梯形图总体框图 214.4.2 公用程序 224.4.3 回原点程序 224.4.4 主轴控
10、制程序 234.4.5 坐标轴控制程序 244.4.6 报警处理程序 274.4.7 定时润滑控制程序 274.4.8 冷却程序 294.4.9 自动换刀控制程序 294.4.10 需要说明的问题 324.5 梯形图程序的调试 32结 论 35参考文献 37致 谢 38附 录 39基于PLC的数控车床电气控制系统设计 绪 论机床数控技术是20世纪70年代发展起来的一种机床自动控制技术。30多年来,随着电子器件、计算机、传感与检测、机械制造等技术的不断进步,数控技术得到迅猛发展和广泛应用,使得普通机床逐渐被高效率、高精度的数控设备所替代,从而形成了巨大的生产力,使制造业发生了根本性变化。数控技术
11、己成为现代制造技术的基础,其水平高低和数控机床拥有量多少成为衡量一个国家工业现代化的重要标志。实现机床数控化也是我国当前正在机械行业进行的一项大的信息化工程。然而早期的数控机床采用的是传统的继电器-接触器控制方式,是依靠继电器逻辑来实现相应的功能。这些机床采用继电器控制,触点多、线路复杂。使用多年后,故障多、维修量大、维护不便、可靠性差,影响了正常的生产。据不完全统计,这些机床一般使用两年后,电气故障开始增多。尤其是在恶劣的生产环境下,更会提前进入故障频发期,又由于其控制线路复杂,给维修造成很大困难,且费用较高。另外,还有部分旧机床虽然还能正常工作,但其自动化程度已不能满足当前生产工艺要求。本
12、文正是针对这一问题,用具有较高性价比且功能强大、应用范围广泛的三菱 FX2N 微型可编程控制器(PLC)对 CK9930 机床的电气控制部分进行改造设计,利用 PLC 来代替传统的继电器接触器控制,可以避免大量电器元件的更换,而且在逻辑关系改变时只需要修改相应的程序就可以实现目标,既节约时间,也节省成本,同时也大幅度的提高了机床自动化控制程度和电气控制系统柔性。由于目前PLC 技术已经相当成熟,所以基于PLC 的机床电气控制系统设计具有良好的可行性。实践证明,将 PLC 用于车床的数控系统,具有系统硬件少、系统简单、维修方便、成本低等优点。所以基于PLC的车床电气控制系统已经在新型车床的电气控
13、制系统中得到了相当广泛的应用,而将它用于车床的传统电气控制系统的改造,既符合控制系统的发展趋势,也符合我国的国情。特别适用于现有普通车床的自动化改造。PLC具有逻辑控制、定时控制等较强的功能,同时它的编程语言形象、简单,目前已经广泛应用于各种机械制造设备的顺序控制。但是,由于车床的操作过程比较复杂,要将PLC应用于控制车床动作,必须将PLC及其控制模块和相应的执行元件加以组合。本文在这一思想指导下,在认真地分析原车床的电气控制电路的基础上,分模块完成了程序的开发。并且利用FXGP_WIN-C软件,用梯形图编写了PLC控制程序。程序编写完成之后,将用户程序进行了模拟调试。对于调试中出现的问题逐一
14、进行了排除, 通过调试这个环节,进一步提高了程序的正确性和可靠性。机床的电气控制系统经过改造后,在保留原有控制功能基础上,整个控制系统的稳定性和可维护性得到了大大的提高。以较少的投入得到了较高的回报,是一个巨大的收益。随着计算机技术、数字技术的广泛应用,传统的继电器接触器控制将逐渐被可编程控制器(PLC)控制系统取代以满足现代控制对于高度柔性的要求。对我自己而言,通过对此项目的设计研究,也为今后从事控制系统设计方面的工作奠定了基础。第1章 概 述CK9930型数控车床配备的是华中I型数控系统,是一种比较老式的小型简易经济型数控系统。随着数控技术的不断进步与发展,这一数控系统已不能满足加工要求,
15、本课题就是对现有的CK9930数控车床所进行的改造项目的一个组成部分。主要是车床电气控制部分进行改造。车床电气控制系统是控制车床各部分的工作、协调完成车床加工任务的核心部分,它由大量继电器构成一个复杂的逻辑控制电路。该车床复杂的继电器逻辑控制线路构成的电气控制系统故障率高,难于维护,很有必要对其进行改造,即用PLC代替继电器-接触器控制方式。1.1数控系统的工作原理国际信息处理联盟对数控机床做了如下定义定义:数控机床是一种装有程序控制系统的机床,该系统能够逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序。这里所说的程序控制系统就是数控系统(Numerical Control,简称NC)而现在
16、的数控系统都是以计算机作为控制中心,所以称为计算机数控(Computerized Numerical Control, 简称CNC)。1.1.1 数控系统的组成CNC系统的一般结构如图1.1所示,CNC系统主要是指图中的CNC控制器,它是由计算机硬件、数控系统软件及相应的输入/输出接口构成的专用计算机和可编程控制器所组成。前者处理机床轨迹运动的数字控制,后者则处理开关量的逻辑控制。 图1-1 CNC系统的一般结构框图1.1.2 数控系统的工作原理虽然数控系统种类繁多,但其的基本原理都是相通的。即都是通过运算器进行插补运算,然后对进给轴进行闭环控制,实现机床的数控功能。(1)进给系统控制进给系统
17、的控制大多是通过控制步进电机来实现的。步进电机是一种在外加电脉冲信号的作用下一步一步地运转,将电脉冲信号转换成相应角位移的机电元件。其角位移量和输入脉冲的个数严格成正比,在时间上与输入同步, 控制输入脉冲的数量、频率及电机绕组通电顺序, 便可获得所需的转角、速度及转动方向;无脉冲输入时,在绕组电源的激励下,气隙磁场使转子保持原来的位置状态。利用这一原理,便可实现加工时纵、横向的进给,并可获得较高精度。(2) 开关量控制数控机床的开关量信号控制是通过PLC来完成的。机床的各开关量可通过I/O 口进行信息交换。由于I/O 口可输入信号和输出信号, 其输出信号经过逻辑译码电路转换成多路的输出信号,
18、可实现主轴电机、冷却泵及主轴变速等的控制; 输入口可接受行程限位开关暂停、主轴同步脉冲、选刀回答等信号。从而实现各种状态的检测, 最终实现机床的各开关量控制。(3)主轴控制数控系统只对主轴系统进行开关控制。数控装置通过PLC对主轴系统进行起停控制。1.2 PLC的硬件与工作原理1.2.1 PLC简介可编程序控制器(Programmable Controller)简称PC,为了不与个人计算机(也简称PC)混淆,通常将可编程序控制器称为PLC。它是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的,并逐渐发展成为以微处理器为核心,把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。目前,PLC
19、已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中,成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制装置,并被公认为现代工业自动化的三大支柱(PLC、机器人、CAD/CAM)之一。与一般微机控制系统最大的区别是,PLC必须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和广阔的应用范围。1.2.2 PLC的基本结构PLC也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。PLC硬件系统的基本结构如图1.2所示。图1-2 PLC的基本结构示意图PLC的软件系统则包括系统软件和用户应用软件。从广义上讲,可编程序控制器PLC实质上是一种专用工业控制计算机,只不过比一般的计算机具有更强的与工业过程相联接的接口,以及具有更直接的适用
20、于工业控制要求的编程语言。1.2.3 PLC的工作原理(1)PLC的工作过程PLC上电后,就在系统程序的监控下,周而复始地按一定的顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行,这个过程实质上是按顺序循环扫描的过程。执行一个循环扫描过程所需的时间称为扫描周期,其典型值为1100ms。PLC的工作过程如图1.3所示。初始化CPU自诊断通信信息处理与外部设备交换信息执行用户程序输入输出信息处理图1-3 PLC的工作过程(2)用户程序的循环扫描过程PLC的工作过程与CPU的操作模式有关。CPU有两个操作模式:STOP模式和RUN模式。在扫描周期内,STOP模式和RUN模式的主要差别是:RUN模式下执行
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