基于plc的四工位组合机床控制系统的设计

基于plc的四工位组合机床控制系统的设计内容摘要：

用机床、结构简单的特点，又有万能机床能够重新调整，以适应新工件加工的特点。 组合机床的 通用部件有如下积累：动力部件 —— 动力头，动力箱和动力滑台。 支承部件 —— 侧底座、中间底座、支架、可调支架、立柱和立柱底座等。 输送部件 —— 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。 控制部件 —— 液压站、电气柜和操纵台等。 与万能机床和 专用机床相比，有如下特点： （ 1）组合机床上的通用部件和标准零件约占全部机床零、部件总量的 70~80%，因此设计和制造的周期短，投资少，经济效果好。 （ 2）由于组 合机床采用多刀加工，并且自动化程度高，因此比通用机床生产效率高，产品质量稳定、劳动强度低。 （ 3）组合机床的通用部件是经过周密设计和长期生产实践经验的，又有厂成批制造，因此结构文帝、工作可靠，使用和维修方便。 （ 4）在组合机床上加工零件时，由于采用专用夹具、刀具和导向装置等，加工质量靠工艺装备保证，对操作工人水平要求不高。 （ 5）当被加工产品更新时，采用其他类型的专用机床时，其大部分件要报废。 用组合机床时，其他通用部件和标准零件可以重复利用，不必另行设计和制造。 （ 6）组合机床易于 联成组合机床自动线，以适应大规模生产需要。 机身、立柱、中间底座等式组合机床的支承部件，起着机床的基础骨架作用。 组合机床的刚度和部件之间的精度保持性，主要是由这些部件保证。 组合机床装配模型 零部件间参数约束的描述 零部件间参数关系可以反映在两个方面：其一为零部件相互约束关系，其二为零部件间看配套约束关系。 6 对于零部件间位置约束关系的描述首先需要确定一个基准件，该基准件应该是与其它部件发生关系最多的一个部件或零件。 一该基准件为核心，分别描述其它基准件的位置关系，便可建立该产品各个零 部件之间的位置约束关系模型。 对于组合机床整机而言，各个加工单元都是相对中间底座或工作台布置的，因而可以将中间底座作为基准件来处理；而对各个加工单元来说，则可以侧底座或立柱底座作为基准件来描述该加工单元内各零部件之间位置约束关系。 组合机床标准化、系列化程度较高，在组合机床设计标准中，提供了各通用部件间可供选择的配套关系表。 利用该配套关系表作为组合机床的配套性约束，以它作为正确选择所需部件的导航准则。 面向对象的组合机床装配模型的定义 面向对象的技术是计算机分析和解决问题的一种新方法，它具有封装 、继承和重载特性，为产品装配模型的描述和定义提供了新思路。 面向对象的技术将具有相同的结构、相同的操作，并遵守相同约束规则的对象构成一个类，在同一类中的各个对象都具有相同的属性。 因而，可将组合机床定义为一个类，而设计的 每一台具体机床则是该类的一个物件。 这样组合机床类是一个复杂的类它由各种不同的属性所构成。 每种属性又包含不同的子类，子类又有子类，形成一种的层次关系。 下面是以类定义的组合机床装配模型，在该装配模型中包含如下属性： 组合机床类 { 管理属性：机床名称、图号、设计者、设计说明、日期等 ； 工作属性：工作名称、材料、材料特性、定位基准、 CGS 档指针； 功能属性：加工工艺面类 { 标识 、方位、工艺类型、加工孔类 { 标识、坐标、孔类型、形状参数 }； } 装夹、冷却、照明及其他辅助功能： 工艺属性：切削量用类； 刀具类； 支承导向类； 结构属性：加工单元类 {标识、方位，部件类；装配关系和位置约束 }： 工作台 或中间底座类； 装配关系和位置约束； } （ 1）管理属性：包括机床名称、图号、设计者、设计说明等； (2)工件属性：工件时组合机床设 计的基础，也是生产工序图的依据，除了工件名称、材料等特性之外，还应包括工件造型的 CGS 文件指针、定位基准等信息； 7 （ 3）功能属性：这里主要以加工工艺面类描述所设计机床的功能需求； （ 4）工艺属性：工艺属性包括切削用量、切削刀具以及刀具的支承导向等工艺内容。 工艺属性和功能属性具有某种对应关系。 （ 5）结构属性：该属性应能反映出整个机床的配置、布局和装配约束关系。 对于机床整体而言，包含有各加工单元、工作台或中间底座、夹具、电气液压系统和其他辅助装置，以及他们之间的装配关系和约束关系：而对于每一个加工单元，则又有 各个通用和专用部件组成，这些部件又有自身的装配和约束关系，每个部件又有多种零件组成，从而构成了一个具有层次机构的装配树。 8 第三章 电气控制系统设计 PLC 简介 二十世纪 60 年代以前，对工业生产进行自动控制的最先进装置就是继电控制盘，它对当时生产力的发展确实发挥了很多的作用。 但当人类历史跨入 20 世纪 60 年代以后，工业生产随着市场的转变，开始由大批量少品种的生产转变为小批量多品种的生产。 在这种转换过程中，继电控制系统的许多固有弊端越发显得突出，成为了生产转换的一大障碍。 如继 电器控制系统中，使用了大量的机械触点，系统的可靠性较差；功能局限性大、体积大、耗能多，特别是生产工艺要求发生变化时，控制柜内的元件和接线也必须要做相应的变动，这种变动的工期长，费用高，有的用户宁愿扔掉控制柜，另外制作一台新的控制柜。 总之，20 世纪 60 年代后期，市场所需的“柔性”生产呼唤新型控制系统的诞生。 由于种种原因诞生了可编程控制器（简称ＰＬＣ）。 可编程控制器是专为在工业环境下应用而设计的工业计算机，其出现后就受到普遍重视，发展也十分迅速，在工业自动控制系统中占用极其重要的地位。 可编程控制器 (Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。 早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称 PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。 随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 PC。 但是为了避免与个人计算机 (Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称 PLC PLC 的结构和工作原理 PLC 的基本结构 PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图所示： a. 中央处理单元 (CPU) 中央处理单元 (CPU)是 PLC 的控制中枢。 它按照 PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、 I/O 以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。 当 PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入 I/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入 I/O 映象区或数据寄存器内。 等所有的用户程序执行完毕之后，最后将 I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 9 为了进一步提高 PLC 的可靠性，近年来对大型 PLC 还采用双 CPU 构成冗余系统，或采用三 CPU 的表决式系统。 这样，即使某个 CPU 出现故障，整个系统仍能正常运行。 b、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 C、电源 PLC 的电源在整个系统中起着十分重要的作用。 如果没有一个 良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此 PLC 的制造商对电源的设计和制造也十分重视。 一般交流电压波动在 +10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将 PLC 直接连接到交流电网上去 PLC 的工作原理 一 . 扫描技术 当 PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。 完成上述三个阶段称作一个扫描周期。 在整个运行期间， PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 (一 ) 输入采样阶段 在输入采样阶段， PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状 态和数据，并将它们存入 I/O 映象区中的相应得单元内。 输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。 在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化， I/O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。 因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 (二 ) 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段， PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序 (梯形图 )。 在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序 对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在 I/O 映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在 I/O映象区或系统 RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或 数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 (三 ) 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后， PLC 就进入输出刷新阶段。 在此期间， CPU 按照 I/O 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。 这时，才是PLC 的真正输出。 10 PLC 的特点 可靠性高 可编程控制器的平均无故障时间长达 30 万小时，也就是说一台可编程控制器可连续运行 30 年多不出故障，到目前为止尚无任何一种工业控制系统的可靠性能到和超过 PLC。 在硬件方面采用了屏蔽、滤波、电源调整与保护隔 离及模块结构等措施来增加 PLC 的可靠性。 在软件方面，设置了自诊断、警戒时钟 WDT、信息保护和恢复等措施；此外， PLC 采用周期扫描、集中采用、集中输出的工作方式也极有效的提高了自身的抗干扰能力。 总之，使 PLC 的抗干扰和可靠性都很强，被誉为“不会损坏的仪器”。 控制程序可变，具有很好的柔性 在生产工艺流程改变或者设备更新，需要改变控制功能时， PLC 往往不必改变硬件设备，只需改变一下应用程序就可以达到目的。 编程方法简单易学 目前，对大多数 PLC 编程采用的都是与继电器控制电路相似的梯形图，它形象直观，易学易懂，因此受到了普遍欢迎； PLC 还针对具体问题，开发了顺序功能图语言，简化了复杂控制系统的编程。 功能强，性能价格比高 现代 PLC 内部有成百上千的内部继电。