课程设计论文数控机床主轴系统的PLC控制设计.doc

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1、中北大学课程设计说明书目录一. 目的与要求 2二步进电机的工作原理 2三可编程逻辑控制器概述 3四. 输入输出信号分析与PLC I/O分配图 5五. PLC的选型 65.1 PLC的类型 6 5.2 输入输出模块的选择 75.3 电源的选择 7 5.4 存储器的选择 7六. 主要元器件的型号选择 8 七. 控制程序 8八. 梯形图设计 9九. 指令表 10十. 运行与调试程序13 十一.总结 14十二参考文献14一.目的与要求 通过对某数控机床主轴系统的PLC控制设计，使学生熟练掌握PLC在数控机床主轴系统的控制作用、动作顺序与原理，并学会应用PLC。主轴系统的PLC控制主轴的控制包括控制转速

2、、正反转及步数。控制要求：步进电机为连续可控动行操作；有正反转功能，由一个控制开关控制，开关合上为正转，断开为反转；有停止开关；转速分四级，转速控制由两个输入开关通过编码后实现。通过本课程设计,完成：输入输出信号分析与PLC I/O分配图PLC选型主要元器件型号的选择程序设计完成梯形图设计并完成相应指令。要求独立完成主轴系统的PLC控制设计，包括程序的编制和调试，并根据规定格式完成课程设计说明书的撰写。二步进电机的工作原理步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。步进电动机的输入量是脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或步进运动。正常运动情况下，它每转一周具有固定的步数；做连续

3、步进运动时，其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接受数字量的控制，所以特别适宜采用微机进行控制。图1 三相反应式步进电动机的结构示意图1定子 2转子 3定子绕组图1是最常见的三相反应式步进电动机的剖面示意图。电机的定子上有六个均布的磁极，其夹角是60。各磁极上套有线圈，按图1连成A、B、C三相绕组。转子上均布40个小齿。所以每个齿的齿距为E=360/40=9，而定子每个磁极的极弧上也有5个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。由于定子和转子的小齿数目分别是30和40，其比值是一分数，这就产生了所谓的齿错位的情况。若以A相磁极小齿和转子

4、的小齿对齐，如图1，那么B相和C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即3。因此，B、C极下的磁阻比A磁极下的磁阻大。若给B相通电，B相绕组产生定子磁场，其磁力线穿越B相磁极，并力图按磁阻最小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩（磁阻转矩）的作用而转动，直到B磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过3；此时A、C磁极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。接着停止对B相绕组通电，而改为C相绕组通电，同理受反应转矩的作用，转子按顺时针方向再转过3。依次类推，当三相绕组按ABCA顺序循环通电时，转子会按顺时针方向，以每个通电脉冲转动3的规律步进式转动起来。若改变通电顺序，按ACBA顺序循环通电，则

5、转子就按逆时针方向以每个通电脉冲转动3的规律转动。因为每一瞬间只有一相绕组通电，并且按三种通电状态循环通电，故称为单三拍运行方式。单三拍运行时的步矩角b为30。三相步进电动机还有两种通电方式，它们分别是双三拍运行，即按ABBCCAAB顺序循环通电的方式，以及单、双六拍运行，即按AABBBCCCAA顺序循环通电的方式。六拍运行时的步矩角将减小一半。反应式步进电动机的步距角可按下式计算： b=360/NEr (1)式中 Er转子齿数； N运行拍数，N=km，m为步进电动机的绕组相数，k=1或2。三可编程逻辑控制器概述“PLC是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程的存储器

6、，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制器系统联成一体、易于扩充功能的原则设计。”上述是国际电工委员会于1985年1月对PLC所作的权威性的定义。对于PLC的定义，其补充说明如下。以微处理技术为基础，应用于以控制开关量为主，或包括控制过程参量在内的逻辑控制、机电运动控制或过程控制等工业控制领域的新型工业控制装置。1.1.2 PLC的功能可编程控制器是采用微电子技术来完成各种控制功能的自动化设备，按照预先输入的程序控制现场的执行机构，并按照一定规律进行动

7、作。其主要功能体现在以下几方面：1顺序逻辑控制顺序逻辑控制在PLC应用领域中应用最广泛，可以取代继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。它既可以用于单机控制或多机控制，又可用于自动化生产线的控制。PLC根据操作按钮、限位开关及其他现场给出的指令信号和传感器信号，控制机械运动部件进行相应的操作。2运动控制在机械加工行业，PLC与计算机数控集成在一起，用以完成机床的运动控制。很多PLC制造厂家已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模板。在多数情况下，PLC将描述目标位置的数据送给模板，模板移动一轴或数轴到目标位置。当每个轴移动时，位置控制模板将保持适当的速度和加速度，以确保运动平滑。目

8、前已用于控制无心磨削、冲压、复杂零件分段冲裁、滚削、磨削等应用中。3定时控制PLC为用户提供了一定数量的定时器，并设置了定时器指令。一般每个定时器可实现0.1999.9s或0.0199.99s的定时控制，也可按一定方式进行定时时间的扩展。定时精度高，定时设定方便、灵活。同时PLC还提供了高精度的时钟脉冲，可用于准确地实时控制。4计数控制PLC提供了多种计数器，如普通计数器、可逆计数器、高速计数器等，可以用来完成不同用途的计数控制。当计数器的当前计数值等于计数器的设定值，或在某一数值范围时，发出控制命令。计数器的计数值可以在运行中被读出，也可以在运行中进行修改。5步进控制PLC为用户提供了一定数

9、量的移位寄存器，并完成步进控制功能。在一道工序完成之后，自动进行下一道工序；一个工作周期结束后，自动进入下一个工作周期。有些PLC还专门设有步进控制指令，使得步进控制更为方便。6数据处理大部分PLC都具有不同程度的数据处理功能，如F2系列、C系列、S5系列PLC等可完成数据运算（如加、减、乘、除、乘方、开方等）、逻辑运算（如与、或、异或、求反等）、移位、数据比较和传送及数值的转换等操作。7模数和数模转换在过程控制或闭环控制系统中，存在温度、压力、流量、速度、位移、电流、电压等连续变化的物理量（或称模拟量）。过去，由于PLC善于逻辑运算控制，对于这些模拟量主要依靠仪表（如果回路数较少）或分布式控

10、制系统DCS（如果回路数较多）来控制。目前，不但大、中型PLC具有模拟量处理功能，甚至很多小型PLC（如C系列P型机）也具有模拟量处理功能，而且编程和使用都很方便。8通信及联网目前大多数PLC都具有了通信能力，能够在PLC与计算机之间同时进行同位链接及上位链接。通过这些通信技术，使PLC更容易构成工厂自动化系统。也可与打印机、监视器等外部设备相连，记录和监视有关数据。四.输入输出信号分析与PLC I/O分配图步进电机正反转和调速、步数控制输入输出点分配表：表格1输入信号100步开关S7X007名称代号输入点编号暂停开关S8X010启动开关S0X000停止按钮SB2X011慢速开关S1X001输

11、出信号中速开关S2X002快速开关S3X003名称代号输出点编号正/反转S4X004U相功放电路UY000单步按钮SB1X005V相功放电路VY00110步开关S6X006W相功放电路WY002PLC I/0配置及接线图2图2五.PLC的选型 PLC是20世纪70年代以来以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制，被广泛应用于各个领域，因为它具有几个突出的特点：可靠性高，抗干扰强；编程简单，易于掌握；功能完善，灵活方便；体积小，质量轻，功耗低。I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展余量后，作为输入输出

12、点数估算数据。存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。PLC选型原则：（一）PLC的类型PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控

13、制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。（二）输入输出模块的选择输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水

14、平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。（三）电源的选择PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。（四）存储器的选择由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按

15、256个I/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。综上所述： 在此次课程设计中我选用FX2N-32MR，因为它的编程相对简单易懂，是理想的可编程控制器。而在设计中的I/O点数在48以下，则用的是微型PLC。其基本单元中的输入点按照X000X007,X010X017 这样的八进制进行编号，而输出点按照YOOOY007,Y010Y017这样的八进制进行编号，内部继电器可多次使用，定时器将1ms,10ms,100ms等脉冲进行加法计数，计数器可进行向上向下计数。六.主要元器件的型号选择（如表2所示）表2文字符号名称型号规格M1主轴电机JO2-72-430Kw

16、,1470r/minKM1，KM2，KM3,KM4交流接触器CJ0-7575A,线圈电压220VFR热继电器TK-E02R-C10A,线圈电压220VFU熔断器RM1-100QS断路器式刀开关3VU16SB1,SB2主轴电动机启动按钮LA8-1SB3主轴电动机停止按钮LA8-1SB4主轴电动机的冲动按钮LA8-1七.控制程序 转速控制。由脉冲发生器产生不同周期T的控制脉冲,通过脉冲控制器的选择,再通过三相六拍环形分配器使三个输出继电器Y000、Y001和Y002按照单双六拍的通电方式接通,其接通顺序为： Y000 T Y000、Y001 T Y001、Y002 T Y002 T Y002、Y0

17、00该过程对应于三相步进电动机的通电顺序是: U T U、V T V、W T W T W、V选择不同的脉冲周期T,以获得不同频率的控制脉冲,从而实现对步进电动机的调速。 正反转控制。通过正、反转驱动环节(调换相序),改变Y000、Y001和Y002接通的顺序,以实现步进电动机的正、反转控制。即 步进电机正转:Y000 Y000、Y001 Y001、Y002 Y002 Y002、Y000步进电机反转: Y000 Y001、Y000 Y000、Y002 Y002 Y002、Y001步数控制。通过脉冲计数器,控制六拍时序脉冲数,以实现对步进电动机步数的控制八.梯形图设计 用功能指令实现步进电机控制的

18、梯形图3如下图3九.指令表9.1主轴电动机正转控制按下主轴电动机正转启动按钮SB1,第一逻辑行中X0闭合，Y0接通并自锁，T0接通并开始计时；第3逻辑行X0闭合，通用继电器M1接通。第2逻辑行Y0常闭触点闭合，通用继电器M0接通；第5逻辑行M0,M1常开触点闭合Y3接通，主轴电动机正向启运转。当主轴电动机正向旋转速度达到一定值时，第6逻辑行X11常开触点闭合，为主轴电动机正向旋反向制动作好准备。T0计时5秒后动作，第9逻辑行T0常开触闭合，接通Y5，电流表A开始监测主轴电动机的电流。9.2 主轴电动机反转控制 按下主轴电动机正转启动按钮SB2，第2逻辑行中X1闭合，Y0接通并自锁，T0接通并开

19、始计时；第4逻辑行X1闭合，通继电器M2常开触点闭合，Y4接通,Y 4接通，主轴电动机反向起动运转。当主轴电动机反向旋转速度达到一定值时，第5逻辑行X12常开闭合， 为主轴电动机反向制动做好准备。T0计时经过5秒后动作，第9逻辑行常开触点闭合接通Y5，电流表A开始监测主轴电动机的电流。9.3 主轴电动机正向启动运行反向制动停止控制 当Y0、Y3、T0、Y5闭合，主轴电动机正向运转时，按下停止按钮SB4，第第一逻辑行X3常闭触点断开，Y0、T0失电，第3逻辑行X3常闭点断开，M1失电； 而第5逻辑行M1常开触点复位断开，Y3失电，主轴电动机停止正转。同时， 第6逻辑行X3常开触点闭合，Y4接通，

20、给主轴电动机通入反转电源，使之产生一个反转力矩制动主轴电动机的正向旋转，主轴电动机的正转速度迅速下降。当正转速度下降至一定速度时，速度继电器KS1触点断开，X11常开触点复位断开，Y4断电，完成主轴电动机的正向启动运行反向制动停止过程。 指令如下：LD X000ANI M1ANI M2ANI M3 ANI M4ANI M5 OUT M10LD M20ANI C0ANI C1ANI X010SFTR M10 M0 K6 K1LD M5OR M0OR M1OUT 100LD M3OR M2OR M1OUT M101LD M5OR M4OR M3OUT M102LD X004AND M100LDI

21、X004AND M101ORBLD XOO4AND M101LDI X004AND M100LD M102OUT Y002LDI T0OUT T0 K10 LDI T1OUT T1 K5LDI T2OUT T2 K2LD X005PLS M11LD X001AND T0LD X002AND T1ORBLD X003AND T2ORBLD M11OUT M20LD X006AND M20C0 K10LDI X006 RST C0LD X007AND M20AND M20C1 K100LDI X007RST C1END十.运行与调试程序 将梯形图编写对应的指令程序,并将其写入PLC的RAM,运行调

22、试程序。 转速控制。选择慢速(接通S1),接通启动开关S0。脉冲控制器产生周期为1s的控制脉冲,使M0M5的状态随脉冲向右移位,产生六拍时序脉冲,并通过三相六拍环形分配器使Y000、Y001和Y002按照单双六拍的通电方式接通,步进电动机开始慢速步进运行。断开S1、S0;接通S2、S0或S3、S0,观察步进电动机的转速控制运行情况。正反转控制。先接通正、反转开关S4,再重复上述转速控制操作,观察步进电动机的运行情况。步数控制。选择慢速(接通S1);选择10步(接通S6);接通启动开关S0。六拍时序脉冲及三相六拍环形分配器开始工作;计数器开始计数。当走完预定步数时,计数器动作,其常闭触点断开移位

23、驱步进电动机动电路,六拍时序脉冲、三相六拍环形分配器及正反转驱动环节停止工作。步进电动机停转。在选择慢速的前提下,再选择单步或100步重复上述操作,观察步进电动机的运行情况。 十一总结课程设计，让我们有很多的机会实际运用一下所学的知识，在对电气原理图，安装图等的绘制与分析，对PLC编程与调试等过程中提高了我们的动手能力及解决实际问题的能力。在这次学习后，我对接触器控制、PLC程序控制两者不同之处有了深刻的体会。接触器控制具有自动控制方法简单、工作可靠、成本低等特点。大多是用于有触点控制系统，适用于固定动作要求的控制设备，一旦工作中发生程序变化、错误，就需要重新配线，比较麻烦，不适用与较复杂和控

24、制要求经常改变的场合。PLC程序控制是在计算机技术基础上发展起来的一种工业自动控制，它编程简单、动作可靠且动作顺序变更容易，一旦工作中发生程序变化，只要改变程序结构即可，因此被广泛应用与复杂控制系统。通过课程设计，我对电气控制和可编程控制器PLC也有了一定的了解和掌握。在未上这门课之前，我连接触器、继电器这类最基本的电气元件都不知道。后来通过老师的讲解及自己慢慢的学习，对这方面的知识，逐渐的也有了一定的了解。现在已能看懂和设计一些简单的电气图了。十二.参考文献 【1】范永胜 王岷 主编电气控制与PLC应用， 中国电力出版社。 【2】王爱玲 李克天 冯裕强 主编机床数控技术， 高等教育出版社。 【3】周云水 主编更我学PLC编程，中国电力出版社。 【4】肖峰 贺哲荣 主编 PLC编程100例，中国电力出版社。14